【印染污泥】关于印染污泥混燃特性

北极星环保网讯:1  引言城市污水处理厂每天产生大量的污泥，其中水分高(达80%以上)、体积庞大、容易腐化发臭而导致其难处理，并且工业污泥如印染污泥含有大量有机物及重金属已经被广东省列为严控废物(HY13).  随着市政污泥及工业污泥产量逐年递增，欧盟很多国家严禁含有可生物降解有机物的污泥进行填埋，鼓励对其进行焚烧处理.  焚烧法是一种具有减量化、无害化、资源化及回收能源等优点的污泥处置技术(Fan et al., 2014).  其处理方式主要包括生活垃圾或燃煤掺烧污泥发电、水泥回转窑协同污泥焚烧用作水泥原料、污泥干化后单独焚烧发电等.  充分利用已有的成熟技术及焚烧设备对污泥进行掺烧具有成本低的优点，而逐渐成为污泥焚烧处理的主要方式(Lin et al., 2015).  但污泥掺烧过程中由于不同类型污泥、生活垃圾、燃煤成分的复杂性、多变性，会导致酸性气体、粉尘、有机污染物、重金属等强毒性污染物的排放，从而影响到污泥掺烧方式、掺烧比例、焚烧炉型选择及尾气净化设施设计等.  因此有必要针对不同来源污泥及其混合污泥的燃烧特性进行系统研究.

为了获得不同来源污泥焚烧过程及其综合燃烧特性，国内外很多学者采用热重分析法对不同来源污泥、不同混合比及其与生物质或煤混合燃烧特性进行了研究.  Font等(2001)分析比较了7种污泥的热重曲线，指出具有不同理化性质的污泥其燃烧热重曲线差异较大.  温俊明等(2004)从污泥的TG-DTG曲线出发，得出了由3个独立的、连续的平行反应组成的动力学模型.  刘亮等(2006)得出城市污泥与煤掺烧比为50%时，低温段反应特性类似于污泥，在高温段类似于煤.  Xie和Ma(2013)将造纸污泥与秸秆混合燃烧发现它们之间存在显著相互促燃作用.  冉景煜等(2008)和刘敬勇等(2009)发现碱土金属含量和类别对污泥的燃烧性能影响显著，并且碱土金属对污泥燃烧有一定的催化作用.  曾佳俊等(2015)发现在污泥燃烧过程中加入FeCl3/CaO后可以提高污泥的燃烧性能.  万嘉瑜等(2010)发现随着O2浓度增大，污泥的综合燃烧性能有提高的趋势.  目前的污泥混燃研究主要集中于污泥与煤或者生物质混燃，而针对工业污泥如印染污泥与其他不同来源污泥的混燃特性研究报道不多.

在以往的研究中，污泥燃烧过程中常把污泥热分解和燃烧直接假定为简单反应，如一级反应，通过预先设定反应机理模型进行数值拟合，或者对高低温分别进行拟合.  事实上，污泥的热解、燃烧过程中，灰分、挥发分的成分都比较复杂.  挥发分的析出、氧气的扩散、化学反应速率随温度的变化，其燃烧过程不断从动力区向扩散区进行转换，而且，氧气向内部扩散与产物气体向外扩散又相互阻碍，因此，简单的假设往往掩盖了反应过程复杂性和机理.  另外，我国各类污泥中有机质含量具有较大差异(马学文等，2011)，导致不同来源污泥燃烧性能差别较大.  其中印染污泥的产量大、难降解有机物多、危害严重，其最终处置已得到关注.  Liang等(2013)采集了珠三角9个不同印染厂污泥，发现印染污泥中Cu/Zn超标严重;宁寻安等(2012)发现印染污泥掺烧木屑可以提高其混燃特性.  另外，印染污泥具有较高含量的有机质和碱土金属，但其对改善印染污泥与其他污泥混合的燃烧特性影响尚不明确.  针对上述情况，本文利用热重法对印染污泥、不同来源混合污泥，在不同掺烧比例、不同焚烧气氛及不同升温速率条件下进行了系统的热重实验研究，获得不同条件下印染污泥混燃的着火、燃尽、综合燃烧特性参数和混燃动力学参数，有助于进一步掌握印染污泥混燃过程，以期为污泥掺烧设备的优化设计、运行以及燃烧工况的组织提供指导.

2 材料与方法

2.1 实验装置和实验条件

实验采用德国耐弛公司综合热分析仪(STA409PC)，可获得试样的热重TG-DTG曲线，主要技术数据如下：热天平精度1 μg;最大试样量1000  mg;温度范围为室温~1400 ℃;载气流量为100 mL ˙ min-1;样品粒度小于200目，按要求混合均匀后取样;升温速率为10、20、30 ℃ ˙  min-1;试样质量10mg左右;实验氛围为空气及富氧(CO2/O2混合)气氛.  为了减小实验误差，从同批次样品中抽取1个样品进行3次重复实验进行数据监控.

2.2 试样

实验中所用的污泥取自广东不同来源4 类污泥，分别是印染污泥(YR)、造纸污泥(ZZ)和市政污水污泥(KFQ、LJ)，煤粉为我国某典型动力煤样.  污泥样品提前在恒温烘干箱内于105 ℃干燥24 h，经过研磨、筛分，粒径小于200 目. 实验所采用的污泥及煤的元素分析、工业分析见表 1.

表1 污泥的工业分析和元素分析

3 污泥燃烧特性分析与综合评价

3.1 污泥燃烧特性分析

3.1.1 单一污泥燃烧TG-DTG曲线分析

图 1为4种污泥在升温速率为20 ℃ ˙ min-1、燃烧气氛为空气条件下的TG-DTG曲线.  单一污泥燃烧过程可以划分为4个阶段(图中虚线区分开)：自由水和结合水的析出过程(约为室温~125 ℃)、挥发分的析出和燃烧(125~650  ℃)、固定碳的燃烧(650~830 ℃)、残留物的燃烧和分解(830~1000 ℃).  在挥发分的析出和燃烧阶段，各污泥的失重率在41%~65%之间，固定碳的燃烧阶段，YR、LJ、KFQ污泥失重较少，分别为2.31%，1.18%和1.05%，而ZZ污泥的达到了16.79%.  说明YR、KFQ、LJ污泥的燃烧过程主要受挥发分的析出和燃烧控制，而ZZ污泥的还包括高温阶段固定碳的燃烧.  可见，不同来源的单一污泥燃烧特征与污泥的理化性质有较大关联(Font et al., 2001).

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