方立軍，劉玉東，邊 巖，楊亞利

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

污泥干化平臺產品粒徑分布及熱重實驗研究

方立軍，劉玉東，邊 巖，楊亞利

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

污泥粒徑對污泥與煤粉摻燒影響較大，為此選取某電廠污泥干化實驗平臺中不同參數下的出口污泥，采用MAZ3000激光粒度分析儀和NETZSCH STA 409PC綜合熱分析儀測定其粒徑范圍，并將不同粒徑下污泥與煤摻燒進行熱重實驗。結果表明：污泥粒徑影響因素較多，其中干燥時間對污泥粒徑影響較大；污泥干化平臺最佳干燥參數為45 /25 Hz和5 /45 Hz；20%污泥摻混煤粉燃燒時，樣品燃燒特性受污泥與煤粉的共同影響，其TG/DTG曲線與污泥單獨焚燒時表現一致，摻入污泥后能顯著縮短反應時間，加快反應進程，綜合燃燒性能得到加強。研究結果對火電廠摻燒污泥具有指導意義，為熱電廠協(xié)同處置污泥提供了一定的理論及數據支持。

污泥干化平臺；粒徑；熱重實驗；摻燒；燃燒特性

0 引言

污泥的無害化處理方法主要有衛(wèi)生填埋，熱化學處理和農用堆肥等幾種方法，其中熱處理包括干化、焚燒和熱解[1]。熱電廠協(xié)同處置污泥普遍采用污泥與煤粉干化摻燒的方法，干化時可利用熱電廠蒸汽熱源，摻燒時又可以利用電廠已有的焚燒和尾氣處理設備，節(jié)約了投資和運行成本。

但是在熱電廠協(xié)同處置污泥的過程中，由于污泥本身的一些特性，會給干化和摻燒階段帶來一些影響，其中污泥粒徑就是一個重要的影響因素。在煤粉燃燒過程中，粒徑大小對煤的著火特性、燃盡特性以及綜合燃燒特性方面均有影響[2]。對污泥進行不同氧氣濃度和粒徑條件下的熱重實驗，發(fā)現粒徑大小對氣體的擴散和熱傳導有較大影響，粒徑減小，反應區(qū)間變窄，失重量增加，燃燒始終速率峰值增大[3]。在以往的文獻中，對于污泥粒徑對污泥與煤粉摻燒影響的研究較少，因此有必要對干化污泥粒徑及焚燒特性進行實驗室研究。

本文選取某電廠污泥干化實驗平臺中不同參數下的出口污泥，通過測定其粒徑范圍及不同粒徑下污泥與煤摻燒的熱重實驗，研究污泥干化實驗平臺最佳工作參數及出口污泥粒徑分布，污泥粒徑對污泥及煤粉燃燒特性的影響，以期為熱電廠協(xié)同處置污泥提供一定的理論及數據支持。

1 實驗部分

1.1 粒徑實驗樣品

圖1 污泥干化實驗平臺

本實驗樣品取自污泥干化實驗平臺，如圖1所示。其通過改變污泥進料機及槳葉主軸頻率控制污泥的干燥時間，間接影響出口污泥的含水率、污泥粒徑等，因此選取5/5、5/25、5/45、25/5、25/25、25/45、45/5、45/25、45/45(污泥進料機頻率Hz/槳葉主軸頻率Hz)參數下的9組出口污泥樣品，如表1所示。另外取旋風分離器底部出口樣品、干燥機進口污泥樣品及該電廠煤粉，污泥及煤粉的元素分析及工業(yè)分析見表2。

表1 出口污泥干燥時間

表2 煤粉及污泥的工業(yè)分析、元素分析、熱值

1.2 熱重實驗樣品

由電廠入爐煤質報告可以看出電廠燃煤粒徑大于90 的約12%，大于200 的約4%，見表3。再結合該電廠鋼球磨煤機的實際情況，確定熱重實驗樣品如下：選取進口污泥及煤粉，將其放入105 ℃干燥箱中恒溫干燥24 h，將干燥后的污泥及煤粉在同等條件下碾磨，煤粉用孔徑為200 的篩子進行篩分，而污泥用孔徑為90、200、300 的篩子聯合進行篩分，制成3種粒徑不同的污泥樣品。在這里，分別用RM200、RW90、RW200、RW300表示粒徑小于200 煤粉樣品、粒徑小于90 的污泥樣品、粒徑介于90 和200 之間的污泥樣品、粒徑介于200 和300 之間的污泥樣品。

1.3 實驗儀器及方法

粒徑分析采用英國馬爾文儀器公司生產的MAZ3000激光粒度分析儀進行研究；熱重實驗采用德國耐馳公司生產的NETZSCH STA 409PC綜合熱分析儀，實驗采用40 μL的氧化鋁坩堝，試樣質量為10±0.5 mg；氧氣流量為30 mL/min，氮氣流量為70 mL/min；升溫速率為40 ℃/min，升溫至1 000 ℃，并恒溫5 min。綜合分析熱電廠協(xié)同處置污泥實例，將污泥的摻燒比例定為20%。

表3 某電廠入爐煤質分析值報表

注：2015-4-25二次二值，B東/B西(2∶1)自動取樣；2014-7-1三值一次，B東/B西(2∶1)自動取樣，上煤量2 929.43 t。

2 實驗結果及分析

2.1 污泥樣品及煤粉的粒徑分布

由圖2可以看出，進口污泥顆粒粒徑明顯大于煤粉，因為污泥含水率高且成分復雜，含有有機殘片、細菌菌體、膠體等物質，具有一定的粘性，顆粒間相互粘連造成顆粒粒徑增大。對比進口污泥與9組不同參數下的出口污泥粒徑，可以看出有2組出口污泥樣品粒徑大于進口污泥，分別為W9(45/45)、W6(25/45)，經現場觀察及理論分析可以認為，這兩組參數下污泥進料機頻率和槳葉主軸頻率較高，導致污泥在干燥機內的干燥時間較短，污泥中水分、膠體物質等成分損失較小，粘連現象仍然存在，同時污泥在干燥機內部的前進需要依靠槳葉之間的擠壓作用，在擠壓力的作用下，污泥的粒徑也會相應增大。

通過現場實驗，發(fā)現污泥在干燥機內部的停留時間主要受進料機和槳葉軸轉速的影響，且槳葉軸轉速起主要作用，本文中污泥取自同一污水處理廠，其含水率不變，且污泥干燥方式不變，因此污泥出口粒徑主要由出口污泥含水率決定，而干燥機出口污泥含水率主要由干燥時間決定，這就把文中的運行參數變化統(tǒng)一到了污泥干燥時間變化，為后續(xù)其他污泥干燥機粒徑分布提供了基礎數據[4]。不同參數下污泥的干燥時間見表2，按照干燥時間由小到大的順序將11組樣品排序，即W9>W6>W3≈W8>W5>W2≈W7>W4>W1，按此順序的污泥粒徑分布如圖3所示，總體上呈現出先減小后增大的趨勢。含水率分布如圖4所示，呈現出逐漸減小趨勢。

圖2 污泥及煤粉粒徑分布圖

由圖3、圖4可以看出，W9、W6、W3處出現明顯下降趨勢，降幅達到500 左右，之后W3處粒徑基本保持不變，可以看出此階段干燥時間越大污泥粒徑越小，說明干燥時間越大，出口污泥含水率約低，導致了污泥粒徑隨著干燥時間的增大而減小，而且此階段的干燥時間能保證污泥進行充分的干燥；從W8開始粒徑開始增大，一直到W1為止，最后W4和較W1變化不大，后期粒徑變化較平穩(wěn)，但是對比圖3和圖4，污泥粒徑并沒有隨著污泥含水率的降低而減小，污泥干燥系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，由于抽風機的作用干燥機內形成負壓環(huán)境，通過提取旋風分離器底部出口污泥，發(fā)現旋風分離器及水膜除塵器能輕易將較小污泥顆粒抽出凈化，現場稱重不同參數下出口污泥質量也證明了干污泥質量的減少，同時殘留的污泥微顆粒出現團聚現象的概率增加，加之污泥成分復雜，過多的干燥時間可能引起污泥顆粒間發(fā)生化學反應，所有這些因素最終導致污泥干燥時間越長，污泥粒徑反而越大，但是這些影響因素能力有限，隨著干燥時間的繼續(xù)增加，污泥粒徑不再變化，趨于平穩(wěn)，因此干燥時間可以作為一臺污泥干燥機出口粒徑分布的重要判斷依據。

綜上所述，可以得出以下結論：(1)影響污泥粒徑的因素較多，其中干燥時間對污泥粒徑影響較大，其它因素隨干燥條件的不同而發(fā)揮不同的作用。(2)此污泥干化平臺最佳干燥參數在W8和W3處，即45/25 Hz和5/45 Hz。同時需要注意的是，從W8處開始干燥過程中會產生大量粒徑較小的污泥顆粒，給除塵設備增加難度，一定要防止產生二次污染。

圖3 按干燥時間排序的粒徑分布

圖4 按干燥時間排序的污泥含水率變化曲線

2.2 粒徑對污泥單獨焚燒及污染物排放特性的影響

通過圖5可以看出，污泥燃燒失重分為三個階段：第一個失重階段溫度為室溫至200 ℃，失重主要由污泥中水分蒸發(fā)引起；第二個失重階段溫度為200～700 ℃，由于揮發(fā)分析出燃燒及有機物分解導致污泥質量急劇減小，是污泥燃燒過程中最主要的失重階段；第三個失重階段溫度為750 ℃左右，失重主要由一些沸點較高大分子有機物析出和焦炭燃盡引起。由圖5還可以看出，污泥單獨焚燒時，隨著粒徑減小，總失重量稍有增加。其中粒徑小于90 的污泥總失重量最大，說明隨著粒徑減小，相同質量的污泥顆粒表面積增大，其與周圍的氧氣接觸更充分，從而有利于污泥顆粒的燃燒。

結合圖6，可看出污泥燃燒過程的第二個失重階段受粒徑影響最為嚴重。粒徑越小，污泥失重峰越窄，最大失重速率越大。說明隨著污泥粒徑減小，污泥中揮發(fā)分越容易析出，且能夠與氧氣充分接觸并劇烈燃燒。

圖5 不同粒徑污泥的TG曲線

圖6 不同粒徑污泥的DTG曲線

通過圖7和8可得出，隨著燃燒污泥粒徑減小，燃燒過程中污染氣體NOx、SO2的釋放溫度范圍沒有明顯變化但析出變得更加劇烈。這是因為隨著粒徑減小，污泥顆粒能夠與氧氣充分接觸，同時也利于氧氣從樣品外表面擴散到其內部孔隙，從而促進燃燒，也促進了NOx、SO2的生成。另外，可以發(fā)現當粒徑小于90 時，樣品S1的NOx析出劇烈程度反而小于粒徑范圍在90～200 的污泥顆粒。這可能是由于粒徑變得足夠小后，燃料中N元素之間的化學作用力增強，NOx析出的劇烈程度反而減小。

圖7 不同粒徑污泥的NOx的質譜圖

對于SO2的析出，粒徑減小后，樣品顆粒的比表面積增加，能充分同氧氣接觸，加速反應過程，使大量的有機硫在氧化性的氣氛中充分分解，SO2的析出劇烈程度明顯增強[5]。

圖8 不同粒徑污泥的SO2的質譜圖

2.3 粒徑對污泥摻燒特性的影響

結合圖9、10可以看出，摻燒20%污泥后，樣品的總失重量減小，最大失重速率對應溫度提前，且失重峰變窄，說明摻入污泥后，樣品燃燒特性受污泥與煤粉的共同影響。

圖9 不同粒徑污泥摻燒的TG曲線

圖10 不同粒徑污泥摻燒的DTG曲線

對比不同粒徑污泥摻燒的失重曲線(TG)，隨著粒徑的減小，樣品總失重量稍有減小，甚至RW200和RW90失重曲線幾乎重合，說明污泥粒徑小于200 時，在摻燒比例20%的情況下，污泥已能完全燃燒，如果繼續(xù)減小污泥粒徑，也不會有明顯的失重變化。污泥摻燒失重速率曲線(DTG)變化情況與不同粒徑污泥單獨焚燒時表現一致，粒徑越小，樣品最大失重速率越大，其對應溫度越小，但是相對于煤粉來說改變幅度較小，因為污泥摻燒比例僅為20%，樣品的主要燃燒特性仍然趨近于煤粉。

2.4 粒徑對著火特性的影響

本文選取著火溫度Ti、最大燃燒速率對應溫度Tp、燃盡溫度Th作為特征參數反應著火特性。其中Ti和Th采用TG-DTG切線法來確定[4]，即過DTG 曲線峰值作垂線與TG 曲線相交，過交點作TG 曲線的切線，該切線與失重開始平行線的交點所對應的溫度定義為著火溫度Ti，與失重結束平行線的交點所對應的溫度即為燃盡溫度Th；Tp直接由圖6和圖10中的DTG曲線讀取。

通過表4對比污泥單獨焚燒時(RW90、RW200、RW300)著火特性參數變化情況，可以看出隨著粒徑減小，污泥顆粒的著火溫度、極值溫度、燃盡溫度都發(fā)生了不同程度的提前，說明隨著粒徑的減小，污泥顆粒能在較短的時間內著火和燃盡，加快了燃燒反應速度，有利于污泥的燃燒過程。這也對應說明了粒徑減小使得污泥顆粒的反應表面積增加，氧氣能迅速由外向內擴散，促進了燃燒過程的熱量傳遞。

表4 污泥粒徑對著火特性的影響

對比摻燒后樣品著火特性參數的變化，發(fā)現隨著粒徑的減小，著火溫度無明顯變化，而極值溫度與燃盡溫度逐漸減小，且減小幅度變大。說明粒徑的減小對著火溫度的影響較小，而對燃盡溫度和極值溫度影響較大，這是因為在著火階段，溫度較低，反應速度慢，對氧氣的需求并不高，因此反應表面積并沒有發(fā)揮太大的作用，導致粒徑對著火溫度影響較?。浑S著燃燒過程的加快，污泥反應表面積發(fā)揮的作用越來越大，導致最大燃燒速率溫度提前；而燃盡階段，溫度高，反應速度快，氧氣需求量大，反應表面積充分發(fā)揮了作用，因此粒徑小的污泥顆粒燃盡溫度低。同時可以看出污泥粒徑越小，其對量、最大失重速率等影響有限，但是卻能顯著縮短反應時間，加快反應進程，在相同時間內釋放更多的熱量。再與RM200對比，發(fā)現摻燒污泥后樣品著火特性參數溫度全部提前，且變化明顯，極值溫度變化幅度高達50 ℃，說明摻燒20%污泥會對煤粉的燃燒特性產生一定影響，這一點應在污泥摻燒過程中得到重視。

2.5 粒徑對綜合燃燒特性的影響

綜合燃燒特性指數S全面反映了試樣的著火和燃盡性能，S越大說明燃料的綜合燃燒性能越好，因此本文采用綜合燃燒特性指數S來研究樣品的綜合燃燒性能[7-10]：

(1)

式中：(dw/dt)max為最大燃燒速率，%/min；(dw/dt)mean為平均燃燒速率，%/min；Ti為著火溫度，℃；Th為燃盡溫度，℃。

從表5可見，污泥的綜合燃燒特性指數S隨著污泥粒徑的減小而增大，表明減小粒徑可以有效地提高污泥的綜合燃燒特性指數[11-12]。

從表5可見，煤粉摻燒污泥后綜合燃燒特性指數S增大，表明摻入污泥對煤粉綜合燃燒性能有利，同時還可以看出，隨著摻入污泥粒徑的減小，樣品的綜合燃燒特性指數S增大，與污泥單獨燃燒時規(guī)律一致[13-14]。

以上結論與上文粒徑對著火特性的影響結論一致，說明本文所做實驗及計算結果均較為準確，同時說明污泥的摻入確實能改善煤粉的綜合燃燒性能，這一結果與主觀想象存在差別，因此此結論對火電廠摻燒污泥具有指導意義。

表5 樣品的綜合燃燒特性參數

3 結論

(1)影響污泥粒徑的因素較多，其中干燥時間對污泥粒徑影響較大，其它因素隨干燥條件的不同而發(fā)揮不同的作用。

(2)本文中的污泥干化平臺最佳干燥參數在W8和W3處，即45/25 Hz和5/45 Hz。

(3)污泥單獨焚燒時，隨著粒徑減小，總失重量稍有增加，且對污泥燃燒過程的第二個失重階段受粒徑影響最為嚴重；同時污泥顆粒能在較短的時間內著火和燃盡，綜合燃燒性能得到改善。

(4)20%污泥摻混煤粉燃燒時，樣品燃燒特性受污泥與煤粉的共同影響，其TG/DTG曲線與污泥單獨焚燒時表現一致；同時摻入污泥后，能顯著縮短反應時間，加快反應進程，綜合燃燒性能得到加強，對火電廠摻燒污泥具有指導意義。

[1]住房和城鄉(xiāng)建設部科技發(fā)展促進中心. 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術指南(試行) [R].北京：中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部,2015.

[2]毛曉飛，李海山，安城.粒徑對無煙煤燃燒特性影響的熱重試驗研究[J].電站系統(tǒng)工程,2011，28(3)：5-7.

[3]閆云飛，張磊，張力,等. 不同氧氣濃度和粒徑下工業(yè)污泥燃燒特性的實驗研究[J].熱能動力工程,2012，27(6)： 726-731.

[4]申維真，張宏偉，張羽.城市污泥槳葉式干化優(yōu)化實驗 研究[J].環(huán)境工程學報,2013，7(11)：4575-4580.

[5]殷立寶, 徐齊勝, 胡志鋒,等. 四角切圓燃煤鍋爐摻燒印染污泥燃燒與NOx排放特性的數值模擬[J]. 動力工程學報, 2015, 35(3):178-184.

[6]周英彪, 范杜平, 段權鵬,等.基于熱天平著火溫度的新方法[J]. 電站系統(tǒng)工程, 2007, 23(3): 29-31.

[7]李培生,李潔,胡益,等. 基于DTA方法的污泥與煤混合物燃燒反應動力學[J]. 華中科技大學學報(自然科學版),2008,36(6):119-121.

[8]方立軍,曹通,張晗,等. 微富氧環(huán)境污泥、煤、生物質混燒的熱重實驗研究[J]. 華北電力大學學報(自然科學版),2016,43(2):92-98.

[9]FANG L J, CAO T, LIU H K, et al. Thermogravimetric experimental study on combustion performance of co-firing of sludge, coal and biomass in micro-oxygen-rich environment[J]. Applied Mechanics & Materials, 2015, 768:96-107.

[10]王雨, 趙斌, 趙利杰,等. 城市污泥與煤矸石混燃實驗研究[J]. 電力科學與工程, 2013,29(10):54-60.

[11]方立軍,李暢,殷立寶,等.富氧環(huán)境下城市污泥燃燒及氣體污染物釋放特性研究[J]. 華北電力大學學報(自然科學版),2015, 42(2):78-83.

[12]王雨,趙斌,趙利杰,等.城市污泥與煤矸石混燃實驗研究[J].電力科學與工程, 2013, 29(10):54-60.

[13]黃江城,馬曉飛,王春波. 褐煤低溫干餾特性實驗研究[J]. 華北電力大學學報(自然科學版), 2013, 40(1):103-106.

[14]王瑀喆,汪波, 張桉童,等. 生物質熱解實驗及其動力學模型研究[J]. 電力科學與工程, 2017,33(1):21-26.

Particle Size Distribution of Sludge Drying Platform Product and Thermogravimetric Experimental Study

FANG Lijun，LIU Yudong，BIAN Yan, YANG Yali

(College of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003,China )

The sludge particle size has great influence on the sludge and coal blending burning.Therefore, the outlet sludge is selected under different parameters in the sludge drying experiment platform of a power plant, and the particle size range is determined by MAZ3000 laser particle size analyzer and NETZSCH STA 409PC integrated thermal analyzer. Then, the TGA experiments are carried out with different particle sizes of sludge and coal mixed. The results show that there are many factors that affect the sludge particle size, among which the drying time has a greater impact. The optimal drying parameters of sludge drying platform is 45Hz/25Hz and 5Hz/45Hz. when blended 20% sludge, the combustion characteristics of samples is affected by coal and sludge, and its TG / DTG curves and sludge incineration are consistent with those of sludge burning alone. After the incorporation of the sludge, the reaction time is significantly shortened, and the progress of the reaction is accelerated, hence the comprehensive combustion performance is enhanced. This research is of great significance for thermal power plants co-firing sewage sludge, and provides some theory and data support for the co-disposal of the sludge in the thermal power plant.

sludge drying platform; particle size; thermogravimetric experimental study; blending; combustion characteristics

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.03.011

2016-07-14。

TK16

A

1672-0792(2017)03-0061-07

方立軍(1971-)，男，副教授，研究方向為潔凈煤技術和大氣污染物控制。