史明哲，雷 凱，張 睿

(南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引 言

污泥是廢水處理的副產(chǎn)品，含有病原體、重金屬等多種有害物質(zhì)[1]，主要通過(guò)填埋、堆肥和焚燒等方式處理，其中，焚燒法因具有減量化、無(wú)害化、資源化等優(yōu)勢(shì)而逐漸成為污泥的主要處理方法[2-4]。目前，我國(guó)已建成污水處理廠5 000座，污泥(含水量80%)年產(chǎn)量超過(guò)6 000萬(wàn)t，且每年保持5%～10%的速度增長(zhǎng)[5]，而采用焚燒處理的污泥不及總量的10%，遠(yuǎn)低于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，焚燒處理能力嚴(yán)重不足。同時(shí)我國(guó)存在大量燃煤電廠，這些電廠機(jī)齡新、環(huán)保設(shè)施齊全，但受節(jié)能減排措施的限制，常年無(wú)法滿負(fù)荷運(yùn)行。針對(duì)上述情況，國(guó)家能源局提出了燃煤耦合污泥焚燒發(fā)電的新思路，嘗試?yán)矛F(xiàn)有燃煤機(jī)組和環(huán)保設(shè)備，協(xié)同處理污泥，降低污泥焚燒設(shè)施成本，降低存量煤電煤耗。

燃煤耦合污泥焚燒系統(tǒng)的關(guān)鍵在于污泥燃燒特性及重金屬遷移特性。MAGDZIARZ等[6]研究了3種不同來(lái)源污泥的燃燒和熱解特性，發(fā)現(xiàn)提高O2體積分?jǐn)?shù)對(duì)污泥燃燒有促進(jìn)作用。王梓桓[7]采用熱重分析儀研究了不同氣氛下污泥的富氧燃燒特性，發(fā)現(xiàn)采用CO2代替N2不利于污泥揮發(fā)分的析出，而對(duì)焦炭燃燒有促進(jìn)作用，同時(shí)發(fā)現(xiàn)污泥在O2/CO2氣氛中燃燒時(shí)，O2體積分?jǐn)?shù)越高，燃燒性能越好。KIJO等[8]研究了顆粒狀污泥的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)污泥中較高的揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)將導(dǎo)致著火更快，同時(shí)污泥的低發(fā)熱量導(dǎo)致燃燒溫度較低。胡艷軍等[9]研究了不同反應(yīng)條件下的污泥熱解特性，發(fā)現(xiàn)提高升溫速率和降低N2吹掃速率可以提高污泥熱解轉(zhuǎn)化效率以及揮發(fā)分最大質(zhì)量變化速率。CAI等[10]和ZHANG等[11-12]認(rèn)為高體積分?jǐn)?shù)的水蒸氣可以導(dǎo)致較短的點(diǎn)火延遲時(shí)間和較高的焦炭燃燒溫度。前人研究主要集中在不同影響因素對(duì)干燥污泥燃燒特性的影響，而鮮見(jiàn)污泥含水率對(duì)其燃燒特性的影響。對(duì)于污泥的重金屬遷移特性，目前研究主要集中在污泥成分影響和燃燒溫度影響2方面。張巖等[13]研究了800 ℃下不同含水率污泥燃燒的重金屬排放特性，認(rèn)為增加水分能促進(jìn)ZnCl2轉(zhuǎn)化為沸點(diǎn)更高的ZnO，從而降低煙氣中Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而水分變化對(duì)Cu、Cr等影響較小。WANG等[14-15]研究了溫度對(duì)Cd、Cr、Ni、Pb和Zn殘留率的影響，發(fā)現(xiàn)較高溫度能促進(jìn)重金屬揮發(fā)，從而降低重金屬殘留率，其中對(duì)Zn和Ni的影響最為明顯。于奔[16]研究了聚合氯化鋁和生石灰對(duì)污泥燃燒底渣中重金屬殘留量的影響，發(fā)現(xiàn)添加劑能夠抑制As和Cd的揮發(fā)并促進(jìn)Cr、Ni和Cu的揮發(fā)。然而鮮見(jiàn)燃燒氣氛對(duì)于污泥燃燒重金屬遷移特性研究。

基于煙氣循環(huán)式燃煤耦合污泥焚燒技術(shù)方案，研究污泥含水率和燃燒氣氛對(duì)污泥在回轉(zhuǎn)窯中的燃燒特性及重金屬遷移特性的影響。采用熱重分析儀(TGA)研究了4種不同含水率的污泥燃燒性能并進(jìn)行了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析；采用管式爐和X射線熒光光譜儀研究了爐溫，O2、CO2和H2O體積分?jǐn)?shù)對(duì)于Mn、Zn、Cu、Cr、Ni和Pb六種重金屬在污泥燃燒底渣中殘留率的影響，旨在為該技術(shù)方案的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 技術(shù)方案

筆者提出了一種煙氣循環(huán)式燃煤耦合污泥焚燒技術(shù)方案，如圖1所示。該方案中，在原煤粉爐旁新建一回轉(zhuǎn)窯焚燒爐，干化后的污泥在回轉(zhuǎn)窯中單獨(dú)焚燒，焚燒煙氣通入煤粉爐。同時(shí)采用空氣和煙氣引射器從煤粉爐中抽取一定量高溫?zé)煔?約1 000 ℃)并與預(yù)熱空氣(約300 ℃)混合后送入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)以提高爐膛溫度，穩(wěn)定污泥焚燒。煤粉爐內(nèi)受熱面產(chǎn)生蒸氣用于發(fā)電，排煙通入煙氣凈化設(shè)備，達(dá)標(biāo)后排入大氣。

相較于煤粉爐直接摻燒污泥的技術(shù)方案，該方案具有以下優(yōu)勢(shì)：① 降低了入爐污泥含水率限制，對(duì)干化設(shè)備要求不高；② 對(duì)煤粉爐影響較小，污泥焚燒規(guī)模不受煤粉爐摻混比例限制；③ 污泥焚燒底灰可單獨(dú)處理，不會(huì)對(duì)煤灰利用產(chǎn)生影響。然而，在該技術(shù)方案中污泥將在高溫?zé)煔馀c熱空氣的混合氣氛中燃燒，由于高溫?zé)煔獾闹饕煞譃镹2、O2、CO2和H2O，當(dāng)混合氣中煙氣比例較大時(shí)，污泥燃燒氣氛中CO2和H2O體積分?jǐn)?shù)較高。此外，在我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和背景下，對(duì)焚燒發(fā)電系統(tǒng)碳排放提出了更高的要求，為了有效實(shí)現(xiàn)CO2的捕集與利用，可采用純氧代替預(yù)熱空氣，實(shí)現(xiàn)污泥的富氧燃燒，可使污泥焚燒氣氛中氧體積分?jǐn)?shù)發(fā)生較大變化。污泥含水率和燃燒氣氛的變化均有可能對(duì)污泥燃燒特性及重金屬遷移特性產(chǎn)生影響，直接影響系統(tǒng)運(yùn)行效率和焚燒底渣中重金屬殘留量，因此研究確定最優(yōu)焚燒工況，保證較低的污泥熱灼減率，同時(shí)煙氣中重金屬盡可能少。

圖1 煙氣循環(huán)式燃煤耦合污泥焚燒技術(shù)方案Fig.1 Combustion unit of the coal power plant coupled with sludge incineration system based on circulating flue gas

1.2 樣品制備

污泥來(lái)自南京市仙林污水處理廠，初始含水率為77.10%，工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1。將初始污泥在干燥箱中以105 ℃分別干燥10、20和30 min，制備含水率分別為48.60%、34.30%和4.70%的污泥。

表1 污泥樣品的工業(yè)分析和元素分析

1.3 試驗(yàn)和分析方法

1.3.1燃燒特性試驗(yàn)

采用TGA(STA449F3，NETSCH，Germany)非等溫法研究污泥的燃燒特性。試驗(yàn)氣氛為空氣，流量為100 mL/min；樣品質(zhì)量為(50±0.5) mg；升溫速率為10 ℃/min。通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到樣品質(zhì)量隨溫度變化的曲線(TG)并微分得到質(zhì)量變化率曲線(DTG)。通過(guò)試驗(yàn)得到的DTG曲線分別計(jì)算出著火指數(shù)(Di)以及綜合燃燒特性指數(shù)(Dc)[17]：

Di=DT,m/(TiTp)，

(1)

(2)

其中，DT,m為最大燃燒速率，%/min；Ti為著火溫度，℃；Tp為最大燃燒速率對(duì)應(yīng)的溫度，℃；DTG為平均燃燒速率，%/min；Tb為燃盡溫度，℃。Ti、Tp和Tb可從TG/DTG曲線中獲得[18]。

此外，研究了污泥燃燒的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，通過(guò)Coats-Redfern法求取污泥燃燒動(dòng)力學(xué)方程中活化能、指前因子和反應(yīng)機(jī)理函數(shù)[17,19]：

ln[g(α)/T2]=ln(AR/βEa)-Ea/RT，

(3)

其中，g(α)為反應(yīng)機(jī)理函數(shù)；T為絕對(duì)溫度，K；A為指前因子，s-1；R為理想氣體常數(shù)，J/(mol·K)；β為加熱速率，K/min；Ea為活化能，kJ/mol。對(duì)于本研究，污泥在空氣氛圍中燃燒，g(α)可對(duì)應(yīng)為[-ln(1-α)]m，其中α為轉(zhuǎn)化率，m為積分經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，m值分別為1、2、3、4[19]，對(duì)ln[g(α)/T2]和1/T進(jìn)行直線擬合，得到直線擬合的相關(guān)系數(shù)(R2)最大時(shí)的m值，作為積分經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，并根據(jù)斜率和截距求得Ea和A。

1.3.2重金屬遷移特性試驗(yàn)

采用管式爐研究不同爐溫和燃燒氣氛對(duì)污泥重金屬遷移特性的影響規(guī)律，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。試驗(yàn)前稱量20 g污泥樣品(含水率4.7%)放置載舟中備用，將管式爐以20 ℃/min升溫速率升至設(shè)定溫度。通入混合助燃?xì)怏w待溫度恒定后，將載舟推入恒溫區(qū)。10 min后關(guān)閉熱源待冷卻至室溫取出灰渣，使用X熒光光譜分析儀(Thermo Fisher-XRF)檢

圖2 管式爐試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.2 Tube furnace experiment system

測(cè)灰渣中的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，為減少試驗(yàn)誤差，焚燒和重金屬檢測(cè)均重復(fù)至少2次。

研究爐溫影響時(shí)，試驗(yàn)氣氛為20%O2/80% N2，溫度分別設(shè)定為700、800、900和1 000 ℃，；研究燃燒氣氛的影響時(shí)，爐溫設(shè)定為800 ℃，試驗(yàn)氣氛體積分?jǐn)?shù)比例設(shè)定為：10∶90(O2/N2)、20∶80(O2/N2)、30∶70(O2/N2)、20∶70∶10(O2/N2/CO2)、20∶60∶20(O2/N2/CO2)、20∶50∶30(O2/N2/CO2)、20∶70∶10(O2/N2/H2O)、20∶60∶20(O2/N2/H2O)、20∶50∶30(O2/N2/H2O)。通過(guò)重金屬殘留率表示灰渣中重金屬占污泥中重金屬總量的比例X：

(4)

式中，i為不同金屬類型；Ci為污泥灰渣中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；Y為污泥干燥基中灰分，%；MS,i為污泥中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥含水率對(duì)燃燒特性的影響

2.1.1TG和DTG曲線

4種不同含水率的污泥樣品TG和DTG曲線如圖3所示?？芍勰嗳紵^(guò)程主要分為3個(gè)階段。第1階段為水分蒸發(fā)過(guò)程(25～220 ℃)，質(zhì)量損失明顯，最大質(zhì)量變化速率出現(xiàn)在110～165 ℃，且隨含水率的增加而增大。第2階段為揮發(fā)分析出及燃燒過(guò)程(220～350 ℃)，最大質(zhì)量變化速率出現(xiàn)在255 ℃附近，除含水率4.7%污泥外，該階段最大質(zhì)量變化速率明顯小于第1階段。第3階段為半焦燃燒過(guò)程(350～550 ℃)，最大質(zhì)量變化速率出現(xiàn)在400 ℃附近，由于污泥中固定碳較低，半焦燃燒的最大質(zhì)量變化速率小于揮發(fā)分燃燒的最大質(zhì)量變化速率。燃燒完成后(>500 ℃)，TG曲線緩慢下降，可能由于污泥灰渣中無(wú)機(jī)鹽類物質(zhì)在高溫下分解。

圖3 不同含水率污泥燃燒的TG-DTG曲線Fig.3 TG and DTG profiles of combustion for sludge

隨含水率增加TG曲線終值越來(lái)越小，主要是因?yàn)楹试礁?，灰分占比越低。此外，污泥含水率越高，揮發(fā)分和半焦的最大質(zhì)量變化速率越小，原因之一是含水率高的污泥揮發(fā)分以及固定碳相對(duì)較低；另外還因?yàn)楹瘦^高的污泥在水分蒸發(fā)過(guò)程中需吸收更多熱量，導(dǎo)致污泥溫度降低，從而揮發(fā)分析出速率下降。

2.1.2燃燒性能

由熱重結(jié)果得到不同含水率的污泥燃燒性能參數(shù)見(jiàn)表2，結(jié)合式(1)和式(2)計(jì)算得到著火指數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)，結(jié)果如圖4所示。

表2 不同含水率污泥的燃燒性能參數(shù)

由表2可知，4種污泥樣品的著火溫度為225～240 ℃,且隨著含水率的減少而降低，原因是含水率較低的污泥水分蒸發(fā)需要吸收更少的熱量，使得污泥升溫速率較高，從而著火速度更快。此外水蒸氣的比熱容遠(yuǎn)大于N2或O2，較低的含水率造成熱重分析儀中氣體溫度提高，從而著火溫度降低[20-21]。從圖4(a)中也可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率從77.1%減少至4.7%時(shí)，著火指數(shù)由5.98×10-6(min·℃2)-1提高至4.21×10-5(min·℃2)-1，著火性能顯著提高。從表2中還可以發(fā)現(xiàn)，隨著污泥含水率降低，燃盡溫度提高，這是由于水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的污泥可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，尤其是固定碳，從而導(dǎo)致含水率更低的污泥燃盡更慢。從圖4(b)中也可以發(fā)現(xiàn)，隨著污泥含水率從77.1%減少至4.7%，污泥綜合燃燒特性指數(shù)從2.25×10-9(min2·℃3)-1提高至6.93×10-8(min2·℃3)-1，綜合燃燒特性指數(shù)隨含水率的減少而提高，這是由于較低的含水率能夠使污泥著火更容易，揮發(fā)分提前析出，燃燒提前，提高了可燃物的比例。

圖4 含水率對(duì)污泥燃燒參數(shù)的影響 Fig.4 Variation of combustion indices of sludge with different moisture contents

2.1.3反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析

污泥的燃燒主要分為2個(gè)反應(yīng)過(guò)程：揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒，為準(zhǔn)確進(jìn)行反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析，燃燒過(guò)程中，需要采用不同的燃燒機(jī)理模型進(jìn)行描述，即采用不同的機(jī)理函數(shù)g(α)進(jìn)行求解，需對(duì)燃燒過(guò)程分段。將污泥燃燒過(guò)程分為4個(gè)階段，分別為揮發(fā)分燃燒前半峰、揮發(fā)分燃燒后半峰、半焦燃燒前半峰、半焦燃燒后半峰。分別對(duì)不同燃燒階段內(nèi)ln[g(α)/T2] 和1/T進(jìn)行直線擬合，根據(jù)擬合結(jié)果得到直線方程，求得反應(yīng)的活化能和指前因子。含水率4.7%的污泥揮發(fā)分燃燒前半峰的直線擬合結(jié)果如圖5所示，由擬合結(jié)果求出活化能為133.32 kJ/mol，指前因子為9.36×1011s-1。

圖5 含水率4.7%的污泥揮發(fā)分燃燒前半峰的活化能 擬合結(jié)果Fig.5 Linear fitting on release and combustion kinetics of volatile matters for sludge at pre-peak stage

采用相同方法計(jì)算得到不同含水率的污泥在不同燃燒階段時(shí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。對(duì)不同階段擬合后發(fā)現(xiàn)，可采用Avrami-Erofeev模型[19]對(duì)揮發(fā)分和半焦燃燒過(guò)程進(jìn)行擬合(g(α)中m=3或4)。當(dāng)污泥中含水率從77.1%減少至4.7%時(shí)，揮發(fā)分燃燒的平均活化能從159.99 kJ/mol降低到121.78 kJ/mol，半焦燃燒過(guò)程的平均活化能從81.84 kJ/mol降低到55.65 kJ/mol。隨著污泥含水率的減少，污泥燃燒過(guò)程的平均活化能降低，這是由于水分越低的污泥，蒸發(fā)需要吸收的熱量越少，導(dǎo)致燃燒時(shí)表面溫度相對(duì)較高，平均活化能更低。

2.2 爐溫及燃燒氣氛對(duì)污泥中重金屬遷移特性的影響

污泥(含水率4.7%)及污泥灰渣(800 ℃、20%O2/80% N2)中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖6所示?？芍?種重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)排列均為：Mn>Zn>Cu>Cr>Ni>Pb。6種金屬中Mn(>4 600 mg/kg)和Zn(>2 350 mg/kg)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于其他重金屬，Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較高(>330 mg/kg)，而Ni、Pb和Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低(<200 mg/kg)。燃燒后灰渣中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高于污泥，主要有2方面原因：① 污泥中的可燃物通過(guò)燃燒由固相變?yōu)闅庀噙M(jìn)入煙氣，然而難以揮發(fā)的重金屬則大多殘留在污泥灰渣中，導(dǎo)致污泥失重率遠(yuǎn)高于重金屬揮發(fā)率；② 污泥灰分高達(dá)52%，燃燒過(guò)程中，大量重金屬通過(guò)吸附、沉淀或化學(xué)反應(yīng)被灰分捕獲從而殘留在灰渣中。

2.2.1爐溫的影響

爐溫變化對(duì)不同揮發(fā)性重金屬產(chǎn)生不同影響。重金屬揮發(fā)性較強(qiáng)時(shí)，較低的爐溫使其全部揮發(fā)進(jìn)入氣相，繼續(xù)提高溫度，其殘留率無(wú)明顯變化。揮發(fā)性為中等強(qiáng)度時(shí)，重金屬及其化合物的蒸發(fā)壓力隨溫度升高而升高，有利于向氣相轉(zhuǎn)化，同時(shí)重金屬?gòu)奈勰鄡?nèi)部擴(kuò)散遷移到表面的速度加快，導(dǎo)致殘留率降低。而重金屬揮發(fā)性較弱時(shí)，其元素態(tài)和化合態(tài)沸點(diǎn)較高，溫度升高不會(huì)對(duì)相態(tài)產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致其殘留率受溫度影響較小[22]。

表3 不同含水率污泥的燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

圖6 污泥和灰渣中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較Fig.6 Comparison of heavy metal content of sludge and ash

爐溫對(duì)污泥在相同氣氛(20%O2/80%N2)下燃燒后灰渣中重金屬殘留率的影響如圖7所示。6種重金屬中，Pb和Zn的揮發(fā)性為中等強(qiáng)度，而Mn、Ni、Cu及Cr的揮發(fā)性較弱。從圖7中發(fā)現(xiàn)隨溫度升高，6種重金屬殘留率均有不同程度降低，說(shuō)明溫度升高促進(jìn)了重金屬揮發(fā)。爐溫由700 ℃上升至1 000 ℃時(shí)，Pb殘留率受溫度影響最大，由89%下降到14%，這是由于其較易揮發(fā)，溫度升高有利于轉(zhuǎn)化為氣相；而同樣為中等揮發(fā)性重金屬Zn的殘留率只降低了10%左右，原因可能是在較高溫度下，Zn與Cr反應(yīng)生成穩(wěn)定的化合物ZnCr2O4，從而減少了Zn揮發(fā)；Cu、Ni殘留率也下降較多，分別由82%降至50%和90%降至69%；而Mn和Cr的殘留率受溫度影響較小，殘留率略下降但分別保持在60%和90%左右，主要是由于其難以揮發(fā)的同時(shí)形成了穩(wěn)定的化合物從而更多殘留在灰渣中。

圖7 爐溫對(duì)重金屬殘留率的影響Fig.7 Effects of furnace temperature on the residual rate of heavy metals

2.2.2O2體積分?jǐn)?shù)的影響

O2體積分?jǐn)?shù)對(duì)污泥中重金屬殘留率的影響如圖8所示。O2體積分?jǐn)?shù)升高主要帶來(lái)2方面的影響：① 較高的O2體積分?jǐn)?shù)可以促進(jìn)污泥燃燒，提高燃燒溫度，有利于重金屬蒸發(fā)，從而降低殘留率；② 較高的O2體積分?jǐn)?shù)可以促進(jìn)重金屬單質(zhì)或化合物與O2的反應(yīng)，形成穩(wěn)定的金屬氧化物，從而提高重金屬的殘留率。因此，O2體積分?jǐn)?shù)的升高對(duì)于重金屬在灰渣中的殘留既可能起促進(jìn)作用也可能起抑制作用[23]，不同種類重金屬殘留率呈現(xiàn)出不同變化規(guī)律。

圖8 O2體積分?jǐn)?shù)對(duì)重金屬殘留率的影響Fig.8 Effects of O2 volume fraction on the residual rate of heavy metals

由圖8可知，對(duì)于Mn和Ni，當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)從10%上升到20%時(shí)，重金屬元素與O2反應(yīng)的影響占主導(dǎo)地位，有利于重金屬殘留在灰渣中，而O2體積分?jǐn)?shù)從20%上升到30%時(shí)，燃燒溫度提高的影響占主導(dǎo)地位，有利于重金屬揮發(fā)，因此Mn和Ni在灰渣中的殘留率先升高后降低。對(duì)于Pb、Cu和Cr，當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)從10%上升到30%時(shí)，重金屬元素與O2反應(yīng)的影響占主導(dǎo)地位，殘留率逐漸升高。而對(duì)于Zn，O2體積分?jǐn)?shù)從10%上升到30%過(guò)程中，燃燒溫度提高的影響占主導(dǎo)地位，有利于Zn揮發(fā)進(jìn)入氣相，導(dǎo)致殘留率逐漸降低。

2.2.3CO2體積分?jǐn)?shù)的影響

CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)污泥重金屬殘留率的影響如圖9所示?？芍S著CO2體積分?jǐn)?shù)的升高，重金屬殘留率均有所增加，這說(shuō)明CO2對(duì)于燃燒過(guò)程中重金屬的揮發(fā)具有抑制作用，導(dǎo)致重金屬較多殘留在灰渣中。近年已有一些學(xué)者開(kāi)展了富氧燃料條件下重金屬遷移特性的研究，均發(fā)現(xiàn)CO2代替N2會(huì)增加重金屬的殘留率[23-25]，這是由于CO2的理化性質(zhì)與N2有很大差異。一方面，CO2的比熱容遠(yuǎn)大于N2，CO2體積分?jǐn)?shù)的升高會(huì)導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)氣體溫度較低；另一方面，CO2密度大于N2，導(dǎo)致O2在CO2中的擴(kuò)散更加困難，從而降低了燃燒速率。這2種因素均使污泥燃燒溫度降低，導(dǎo)致重金屬蒸氣壓力下降，抑制重金屬揮發(fā)。此外，基于QUANN等[26]提出的還原機(jī)理，污泥燃燒時(shí)會(huì)發(fā)生式(5)的反應(yīng)，其中M代表重金屬元素。高體積分?jǐn)?shù)的CO2會(huì)使反應(yīng)向左側(cè)移動(dòng)，形成穩(wěn)定的金屬氧化物，從而增加重金屬的殘留率。最后，高體積分?jǐn)?shù)的CO2會(huì)降低燃燒過(guò)程中污泥的孔隙率，增大氣態(tài)重金屬的擴(kuò)散阻力，抑制重金屬的揮發(fā)[23]:

(5)

圖9 CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)重金屬殘留率的影響Fig.9 Effects of CO2 volume fraction on the residual rate of heavy metals

2.2.4H2O體積分?jǐn)?shù)的影響

H2O體積分?jǐn)?shù)對(duì)污泥重金屬殘留率的影響如圖10所示。由圖10可知當(dāng)用10%、20%和30%的H2O代替N2時(shí)，所有重金屬的殘留率均有下降，且隨H2O體積分?jǐn)?shù)升高而逐漸降低，這表明H2O有利于污泥燃燒過(guò)程中重金屬揮發(fā)進(jìn)入氣相。

圖10 H2O體積分?jǐn)?shù)對(duì)重金屬殘留率的影響Fig.10 Effects of H2O volume fraction on the residual rate of heavy metals

與CO2類似，H2O的比熱容大于N2，導(dǎo)致燃燒溫度降低，重金屬殘留率增加。然而，H2O的化學(xué)性質(zhì)比N2和CO2更活躍。在800 ℃時(shí)，存在C-H2O反應(yīng)(式(6))，該反應(yīng)可以促進(jìn)半焦燃燒，提高燃燒溫度，較高的溫度有利于重金屬蒸發(fā)[27-28]。此外，該反應(yīng)中提高H2O體積分?jǐn)?shù)可以促進(jìn)半焦破碎，從而產(chǎn)生較大孔隙，降低蒸氣的擴(kuò)散阻力，這也有利于氣態(tài)重金屬的揮發(fā)，降低重金屬殘留率:

(6)

3 結(jié) 論

1)隨著污泥含水率的升高，揮發(fā)分和固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，污泥需要吸收大量熱量用于水分蒸發(fā)，從而導(dǎo)致著火和綜合燃燒特性指數(shù)下降，揮發(fā)分和半焦燃燒的平均活化能上升。

2)爐溫升高能夠有效增加重金屬的蒸發(fā)壓力，從而促進(jìn)揮發(fā)，導(dǎo)致重金屬殘留率均有所降低。其中Pb、Cu和Ni的殘留率隨爐溫升高下降明顯，而Zn、Mn和Cr的殘留率隨爐溫升高下降較少。

3)O2體積分?jǐn)?shù)的升高對(duì)6種重金屬產(chǎn)生不同影響。隨著O2體積分?jǐn)?shù)的升高，Zn殘留率逐漸下降，Mn和Ni的殘留率先升高后降低，Pb、Cu和Cr的殘留率逐漸升高；隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的升高，燃燒溫度和孔隙率降低，6種重金屬殘留率均增加；隨著H2O體積分?jǐn)?shù)的升高，半焦燃燒溫度和孔隙率上升，6種重金屬殘留率均降低。