城市污水污泥掺烧的研究

根据表 4可知, 以升温速率20 ℃˙min-1为例, 单一污泥试样的挥发分释放特性指数D为1.733×10-9 mg˙min-1˙K-3,  比咖啡渣的挥发分释放特性指数低了一个数量级.升温速率由10 ℃˙min-1提高到20 ℃˙min-1, 污泥的D值由1.733×10-9  mg˙min-1˙K-3增加到3.319×10-9 mg˙min-1˙K-3, 咖啡渣的D值由2.918×10-8增加到4.515×10-8  mg˙min-1˙K-3, 说明适当提高升温速率有助于挥发分的析出.当污泥与咖啡渣混烧时, 混合试样的D值比单一污泥试样低, 比单一咖啡渣试样高,  并随着咖啡渣掺烧比例的增加而增加.另外, 试样在空气(O2/N2)气氛中的D值比在O2/CO2气氛中大.因此, 在空气气氛中,  污泥中掺加一定比例的咖啡渣有利于改善污泥的燃烧性能.

3.2.2 可燃性指数C

另外, 为更进一步评价试样的燃烧稳定性情况, 引入可燃性指数C来表征试样的整体燃烧特性, 其表达式见方程(2), 数据计算结果见表 4.

(2)

由表 4可以看出, 污泥的可燃性指数C在8.089×10-7~15.065×10-7 mg˙min-1˙K-2之间,  而咖啡渣的可燃性指数在8.562×10-6~13.609×10-6 mg˙min-1˙K-2之间, 比污泥的C值(10-7)高一个数量级,  这表明咖啡渣的燃烧着火稳定性能优于污泥.随着升温速率的提高, 单一污泥和咖啡渣试样的C值都呈上升的趋势.在混燃试样中, 当咖啡渣掺烧比例由10%增加到40%时,  混合试样的可燃性指数由1.992×10-6 mg˙min-1˙K-2增加到4.001×10-6 mg˙min-1˙K-2, 且当N2代替CO2时,  C值由2.766×10-6 mg˙min-1˙K-2增加3.051×10-6 mg˙min-1˙K-2, 所以,  污泥与咖啡渣在空气气氛中混燃时可以提高燃料的可燃性, 使其着火性能更加稳定.

3.2.3 燃尽指数Cb

燃尽特性是表征可燃物燃烧性能的一个重要指标, 本文引入燃尽指数Cb来描述试样的燃尽特性, 其表达式见方程(3), Cb的计算数据见表 4.

(3)

式中, f1为TG曲线上着火点对应的试样失重量与试样中可燃质含量的比值; 将试样燃烧失重从开始到燃烧98%可燃质的时间定义为燃尽时间τ0,  τ0时刻所对应的试样失重量与试样中可燃质含量的比值定义为总燃尽率f, 则后期燃尽率f2=f-f1.其中, f1反映了挥发分相对含量、试样着火特性的影响,  f1越大, 试样可燃性越佳;f2反映了试样中碳的燃尽性能, 与含碳量、碳的存在形态等特性有关, f2越大, 试样的燃尽性能越佳, Cb计算数据见表 4.

从表 4可以看出, 单一污泥和咖啡渣试样的燃尽指数Cb都随着升温速率的增加而增大, 表明适当升温有利于试样的燃尽,  改善燃料的燃尽性能.当污泥和咖啡渣混烧时, 随着咖啡渣掺烧比例的增加, 混合试样的Cb值呈上升的趋势.升温速率同为20 ℃˙min-1时,  污泥和咖啡渣的Cb值分别为3.748×10-3 min-1和5.146×10-3 min-1, 而当咖啡渣混合比例为40%时,  混合试样的Cb值为5.298×10-3 min-1, 其数值并不是两者Cb值的简单叠加, 且高于污泥和咖啡渣单一试样的Cb值,  说明污泥与咖啡渣混燃时存在协同作用, 这可能与污泥和咖啡渣本身成分之间的耦合及污泥中碱土金属的催化作用有关.另外,  混合试样在O2/CO2气氛中燃烧时的Cb值小于在O2/N2气氛中, 说明O2/CO2气氛不利于燃料的燃尽.

3.2.4 综合燃烧特性指数S

为综合评价试样的燃烧情况, 引入更具代表性的综合燃烧特性指数S来表征试样的整体燃烧特性, 其表达式见方程(4), S的计算数据见表 4.

(4)

式中, (dw/dτ)max为最大燃烧速率(mg˙min-1); (dw/dτ)mean为平均燃烧速率(mg˙min-1), 其值越大, 表明燃尽越快;  Ti为着火温度(K), 其值表明污泥中挥发分析出的难易程度; Th为燃尽温度(K), 定义为试样失重占总失重98%时对应的温度.

由表 4可知, 以升温速率20 ℃˙min-1为例, 单一污泥试样的综合燃烧特性指数S为20.406×10-11 mg2˙min-2˙K-3,  比咖啡渣的S值低了一个数量级.升温速率由10 ℃˙min-1提高到20 ℃˙min-1, 污泥的S值由5.948×10-11  mg2˙min-2˙K-3增加到20.406×10-11 mg2˙min-2˙K-3, 咖啡渣的S值由149.691×10-11  mg2˙min-2˙K-3增加到456.578×10-11 mg˙min-1˙K-3, 说明试样在较高的升温速率下具有良好的综合燃烧特性.污泥与咖啡渣混烧时,  混合试样的S值随着咖啡渣掺烧比例的增加而增大.因此, 咖啡渣的加入改善了污泥的燃烧性能,  且混合样的燃烧特性随着咖啡渣混合比的增加而变佳.在O2/CO2气氛下燃烧时的S值比在空气气氛(O2/N2)时小5.532×10-11  mg2˙min-2˙K-3, 说明O2/CO2气氛抑制混合试样的燃烧.

3.3 燃烧动力学方程求解

为了描述污泥与咖啡渣混燃时的动力学过程, 引入Coats-Redfern积分法对试样的燃烧动力学参数进行求解,  并通过分析污泥与咖啡渣混燃时所需的活化能为工程实际应用提供一个合适的混合比例.

污泥与咖啡渣的燃烧动力学反应方程式为

(5)

式中, α为转化率, α=(m0-m)/(m0-m∞), m代表试样的质量, 下标0与∞分别表示反应初始与最终状态; E为活化能(J˙mol-1);  R为理想气体常数, 8.314 J˙mol-1˙K-1; t、T和A分别为反应进行到α时对应的时间、温度和频率因子(min-1);  f(α)为与燃烧机理相关的函数.经过整理得到：

(6)

(7) 式中, φ为升温速率(℃˙min-1), φ=dT/dt; n为反应级数, 令

, 因为

>>1, 1-

≈1, a的值近似看做常数, 令

, 则有Y=a+bX, 由上式作图求出该直线的斜率, 进而通过斜率可求出活化能E, 截距中包含频率因子A.

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