干化污泥的热解燃烧特性及NOx的排放特性实验研究

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3.0 赵德峰 2024-11-11 14 4 3.16MB 62 页 15积分

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摘要

随着我国经济的不断发展、城市人口的不断增加，城市工业废水与生活污水

的排放日益增多。如何科学的处理杂产量巨大、成分组成复的污泥，使其

化和无害化减量化、资源化、稳定，已成为国内外环境界广泛关注的课题之一。

焚烧法作为一种污泥处理方式，正好顺应了这种趋势。但污泥高水分、低热值的

可行性和经济性特性影响了污泥焚烧的。烧技术，为了更好的推广污泥焚我们针

对不同干化程度的污泥进行焚烧实验研究，以期望获得污泥安全、经济性焚烧的

合理含水率范围。

来源、危害本文首先介绍了污泥的及主要处理方式，并对污泥焚烧技术的国

内外研究现状进行了综述。文的研究内容在此基础上，提出了本，并着重进行了

以下几方面的研究。

本文选取具有代表性的石化污泥和市政污泥，对其成分特性进行了分析研究。

在热天平上，对不同含水率和不同升温速率下的石化污泥和市政污泥进行了热解

实验研究，考察了含水率和升温速率对两种污泥的热解特性的影响。根据两种污

泥的热解失重曲线，建立了污泥热解动力学模型，筛选出污泥热解过程的最适机

理函数，采用 dfemcoats Re−积分法对污泥的热解动力学参数进行了求解，并对

求解的结果进行讨论分析。

本文在污泥热解研究的基础上，利用热天平，考察了含水率和升温速率的不

同对石化污泥的燃烧特性的影响。对实验获得的 TG和DTG曲线进行了对比分析，

同时，利用热解动力学参数求解方法对这两工况下的污泥的燃烧动力学参数进行

求解，并对求解结果进行讨论分析。

本文在小型立式管式炉上，对不同含水率的石化污泥和市政污泥燃烧过程中

的主要污染物 NOx的排放特性进行了研究，结果表明，在实验含水率范围内，高

含水率的污泥燃烧排放的 NOx较少，炉膛温度升高会使燃烧排放的 NOx增加。

通过本文对两种典型污泥的热解特性、燃烧特性和 NOx排放特性研究，为污

泥焚烧技术的工业推广和应用提供了有价值的理论依据。

关键词：污泥热解特性燃烧特性 NOx排放特性

ABSTRACT

With the continuous development of Chinese economy and the increasing urban

population, urban industrial wastewater and sewage emissions increasing number of

huge. How to process huge production and complex sludge scientific, make its

reduction recycling, stable and harmless, has become a concern topic in our country

and the world wide attention from the environmental community. The incineration

precisely conform to this trend．However, the sludge has a high moisture content and

low calorific value, which seriously affected the economic feasibility of the sludge

incineration. In order to promote the sludge incineration technology better, we consider

varying degree dry-sludge incineration in experimental study , expect to be able to get

a reasonable range of moisture content to make incineration of sludge economy．

This paper introduces the harmfulness and major treatment of sludge. And sludge

incineration technology research at home and abroad were reviewed. Based on this, we

put forward the research content, and focused on the following aspects.

This paper selects the typical petrochemical sludge and municipal sludge, the

composition characteristics was analyzed. Petrochemical sludge and municipal sludge

pyrolysis experimental study was on under different moisture content and different

heating rates in the thermalbalance. Investigated the impact of moisture content and

heating rate on the characteristics. According to the two sludge pyrolysis weight loss

curve, we establish a sludge pyrolysis kinetics model, screen out the the sludge

pyrolysis process the optimum mechanism function, and solve the pyrolysis kinetics

parameters through the coats-Redfem integral method, and discuss the result.

In this paper, effects of the moisture content and heating rate for the combustion

characteristics of petrochemical sludge were studied based on the study of sludge

pyrolysis through a thermalbalance. The TG and DTG curves were compared using

pyrolysis kinetic parameters for solving two conditions sludge combustion kinetics

parameters, and the results were discussed and analyzed．

The NOxemissions characteristics of the different moisture petrochemical sludge

and municipal sludge were studied on a small vertical tube furnace. The results show

that high moisture content makes NOxemissions in the experimental moisture content,

furnace temperature rise would increase NOxemissions.

In this paper, pyrolysis, combustion and NOxemission characteristics of the two

kinds of typical sludge were studied. This provides a valuable reference for industrial

promotion and application of sludge incineration technology.

Key Words:sludge, pyrolysis characteristic, combustion characteristic,

NOxemissions characteristics

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论

............................................................................................................... 1

1.1 引言............................................................................................................... 1

1.2 本课题研究的意义....................................................................................... 1

1.3 国内外污泥焚烧技术的应用及发展现状................................................... 2

1.3.1 国外污泥焚烧技术的应用及发展现状............................................... 2

1.3.2 国内污泥焚烧技术的应用及发展现状............................................... 3

1.4 本文的主要研究内容................................................................................... 4

第二章实验系统及实验方法..................................................................................... 5

2.1 污泥样品制备............................................................................................... 5

2.2 污泥样品成分分析....................................................................................... 5

2.2.1 污泥工业分析....................................................................................... 5

2.2.2 污泥元素分析....................................................................................... 7

2.2.3 污泥发热量测定................................................................................... 9

2.3 污泥热重分析............................................................................................. 10

2.4 本章小结..................................................................................................... 11

第三章污泥的热解实验研究................................................................................... 12

3.1 污泥热解特性............................................................................................. 12

3.1.1 不同含水率污泥的热解特性............................................................. 12

3.1.2 不同升温速率下污泥的热解特性..................................................... 16

3.2 两种污泥的热解反应特性参数................................................................. 19

3.2.1 两种污泥与煤的热解特性比较......................................................... 19

3.2.2 热解反应特性参数............................................................................. 20

3.3 动力学特性分析......................................................................................... 21

3.3.1 不同含水率污泥热解动力学特性分析............................................. 22

3.3.2 不同升温速率下污泥热解动力学特性分析..................................... 25

3.4 本章小结..................................................................................................... 27

第四章污泥的燃烧实验研究................................................................................... 29

4.1 污泥燃烧特性............................................................................................. 29

4.1.1 不同含水率石化污泥的燃烧实验..................................................... 29

4.1.2 不同升温速率下石化污泥的燃烧实验............................................. 31

4.2 污泥燃烧特性参数分析............................................................................. 32

4.2.1 不同含水率石化污泥燃烧特性分析................................................. 33

4.2.2 不同升温速率下石化污泥燃烧特性分析......................................... 33

4.3 污泥燃烧动力学特性分析......................................................................... 34

4.3.1 不同含水率石化污泥的燃烧动力学特性分析................................. 34

4.3.2 不同升温速率下市政污泥的燃烧动力学特性分析......................... 39

4.4 本章小结..................................................................................................... 42

第五章污泥燃烧过程中 NOx的排放特性研究.......................................................43

5.1 实验装置及工况概述................................................................................. 43

5.1.1 概述..................................................................................................... 43

5.1.2 实验装置............................................................................................. 43

5.2 污泥燃烧过程中 NOx的排放特性研究.......................................................43

5.2.1 实验工况............................................................................................. 44

5.2.2 不同含水率的石化污泥燃烧过程中 NOx的排放特性研究...............44

5.2.3 不同含水率的市政污泥燃烧过程中 NOx的排放特性研究...............47

5.2.4 石化污泥和市政污泥燃烧过程中 NOx的排放特性比较...................49

5.3 本章小结..................................................................................................... 51

第六章结论与展望................................................................................................. 51

6.1 本文主要工作及结论................................................................................. 52

6.2 本文创新点................................................................................................. 53

6.3 后续工作展望............................................................................................. 53

参考文献..................................................................................................................... 54

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果......................................... 58

致谢

......................................................................................................................... 59

第一章绪论

§1.1 引言

随着我国经济的不断发展、城市人口的不断增加，城市工业废水与生活污水

的排放日益增多。据统计，我国每年的污水排放量已达5.11×104亿吨[1]。在工业

废水和生活污水的处理过程中，必然会产生大量的污泥。作为生活污水及工业废

水处理不可避的副产品，其产量巨大，数量约占处理水量的0.3%-0.5%（以含水率

为97%计），如进行深度处理，污泥量还可能会增加0.5-1.0倍[2,3]。污泥的成分很复

杂，它是由成的集合体，团及其吸附的有机物组多种微生物形成的菌胶除含

病原微生物金属和盐类以及少量的有难降解的有机物、重有大量的水分外，还含

和寄生虫卵等[4]。污泥在处置处理过程中可能会对环境造成危害，主要表现在：

占用大量土地，污泥的渗滤液易污染土壤和地下水，污泥产生的臭气会污染周围

的空气，另外，污泥中含有大量的重金属，若是重金属通过生态系统富集，还会

对生态环境和人类健康造成潜在的危害。在我国，高污水污泥的处理费用较，污

水处理厂的全部建设费用中，

污泥处理费用约占 %50%20

−

，有的甚至达 %70 左

右[5,6]。将未经任何处理的污泥随意处置，不仅会造成环境污染，而且还浪费了污

泥中的有用能源。因此，如何科学的处理杂产量巨大、成分组成复的污泥，使其

化和无害化减量化、资源化、稳定，已成为国内外环境界广泛关注的课题之一。

§1.2 本课题研究的意义

目前污泥的主要处理方法有填埋、农用和焚烧等[7-16]。（1）污泥填埋技术简

单方便，技术成熟，处理容量大，见效快，因此得到了较为广泛的应用，是目前

我国污泥处置中的主要技术，但污泥填埋不仅会占用大量土地，还存在潜在的渗

滤性，会对周围环境造成污染，还会造成地下水污染，而且这种处理方法的成本

也越来越高。（2）污泥农用是将污泥中的有机物氧化分解，使有机物转化为类

腐殖质剂和肥料并有效地用作土壤改良。用于农业生产过程中，是一种资源化利

用的处理方法。污泥农用技术对污泥中的有机质和微量元素进行了较好地应用，

同时还能够改良土壤结构，会使土壤膨松、增大作物根系生长的空间、增强土壤

透气性和改善土壤的持水性能，在实现了污泥减量化、稳定化的同时达到了资源

化利用的目的。但污泥中存在大量的重金属，在农业生产过程中，若不能正确处

理，可能会对农作物的生产造成影响，严重时甚至是农作物中的重金属超标，危

害人畜安全。（3）污泥焚烧法具有化、能源化快速化、减容化、无害等众多优点

而得到较大程度的应用。焚烧的可热值的特性影响了污泥但由于污泥高水分、低

干化污泥热解燃烧特性及 NOx的排放特性实验研究

行性和经济性。烧技术，为了更好的推广污泥焚我们烧考虑将污泥先干化后焚，

因此对行研究就显得尤为重要性及污染物排放特性进对半干化污泥的燃烧特。

§1.3 国内外污泥焚烧技术的应用及发展现状

污泥、稳定化方面和燃烧后产物的安全化焚烧的目的侧重于减量。这一点与

的燃烧是有差别的以获取燃烧热量为目的。因此，基础焚烧必然以良好的燃烧，

使燃料完全燃烧。支配燃烧过程三个因素[17,18]：时间、温度、

燃料与空气之间的混

合程度之间有着相互依赖的关系，而燃烧产生影响每一个因素又可单独对。

污泥焚烧过程等反应包括分解、氧化、聚合。包括焚烧所产生的废气中还悬

物废物、灰分等少量颗粒浮的未燃或部分焚烧的。未完全燃烧产物有CO、醛、酮

和稠环碳氢化合物，还有NOx、SOx等。污泥成分复杂，焚烧后产生的大量污染物

如何得到合理的控制，将一直是国内外研究的重点。

§1.3.1 国外污泥焚烧技术的应用及发展现状

国外一般把工业污泥与生活污泥归为一类来进行研究，他们主要专注于污泥

的燃烧特性及污泥燃烧过程中污染物的排放特性研究。

Werther 和Ogada [19,20]分别对湿污泥、半干化污泥和干化污泥在流化床中燃烧

后

NO 的排放特性进行研究。结果发现，污泥中的N含量达到6%-8%(wt,daf)，污

泥颗粒在流化床内的燃烧过程在时间上干燥、挥发和焦炭着火是重叠的，干燥和

大部分的挥发过程是在水蒸汽挥发、颗粒温度仍较低时进行的；干化污泥单独燃

烧后

NO 排放浓度在800-1200mg/m3，而湿污泥的

NO 的排放浓度小于200 mg/m3，

甚至远低于燃煤过程中的

NO 排放浓度。同时还发现半干化污泥与湿污泥有着相

近的排放特性。

Tadaaki Shimizu 等人[21,22]在流化床上研究污泥焚烧NOx的排放特性。研究结果

发现随着污泥焚烧灰的积聚，污泥焚烧灰中的氧化金属（如Fe2O3和MgO）对NOx

的形成有促进作用，但随着污泥焚烧灰的磨损和淘洗，此促进作用在减弱。

Borodulya 和Dikalenkor [23]在炉温恒定 ℃800 的流化床中，针对不同粒径的湿

污泥进行了燃烧实验。结果发现，污泥颗粒的粗细对污泥在炉膛内的燃烧起到重

要作用。湿污泥颗粒过细不利于污泥在炉内燃烧。

日本的 asakuraKT ⋅等人[24]在一个8m 高、内径 80mm 的实验室流化床内对污水

污泥的燃烧特性进行了实验研究。结果发现，含水率较少的干化污泥在实验炉膛

内表现出较好的燃烧特性。与此同时，对含水率较高的湿污泥进行同样的实验，

其在炉内的燃烧特性仍须要进一步的研究。

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摘要：

摘要随着我国经济的不断发展、城市人口的不断增加，城市工业废水与生活污水的排放日益增多。如何科学的处理杂产量巨大、成分组成复的污泥，使其化和无害化减量化、资源化、稳定，已成为国内外环境界广泛关注的课题之一。焚烧法作为一种污泥处理方式，正好顺应了这种趋势。但污泥高水分、低热值的可行性和经济性特性影响了污泥焚烧的。烧技术，为了更好的推广污泥焚我们针对不同干化程度的污泥进行焚烧实验研究，以期望获得污泥安全、经济性焚烧的合理含水率范围。来源、危害本文首先介绍了污泥的及主要处理方式，并对污泥焚烧技术的国内外研究现状进行了综述。文的研究内容在此基础上，提出了本，并着重进行了以下几方面的研究。本文选取具有代表...

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