热解终温对污泥热解产物分布及特性的影响

作者简介：高现文（1981-）,男,硕士研究生[e-mail]温度对污泥热解产物及特性的影响高现文1李海英2单春贤1郝建新1高鹤明1（1.江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江212013;2.河北理工大学冶金与能源学院,河北唐山063009）摘要：用直径为200mm的外热式固定床反应器,以唐山西郊污水处理厂剩余污泥为实验物料,在终温为250℃-700℃并在初期通以氮气的情况下,对污泥的热解产物分布及特性进行了研究.实验表明：在物料成分和其它条件不变的情况下,随着热解终温的提高,热解反应所需时间缩短;热解气和热解焦油的总产率增加;焦炭产量减少;热解焦炭的工业分析表明,随热解终温的升高挥发分减少、固定炭和灰分增加;热解焦油的热值在10－43MJ/Kg之间;焦炭的热值10－24MJ/Kg之间.为不同工业需求制定不同的热解温度提供了依据.关键词：污泥热解;热解产物特性;产率;热解终温中图分类号：X705文献标识码：ATheeffectoftemperatureonproductsandCharacteristicsofsludge’spyrolysisGaoXianwen1LiHaiying2ShanChunxian1HaoJianxin1GaoHeming11-SchoolofEnergyandPowerEngineering,JiangsuUniversity.(Zhenjiang,Jiangsu212013,China2-SchoolofMaetallurgyandEnergy,HebeiPolytechnicUniversity.(Tangshan,Hebei063009,china)Abstract:Theequipmentoftheexperimentisexternal-heatfixedbedreactorwithadiameterof200mm.Thematerialisthedepositsludge,collectedfromasewagedisposalplantinthewesternsuburbofTangshancity.Theultimatetemperatureranksfrom250℃to700℃,andatthebeginningofeachexperiment,N2isbroughtin.Thedistributionofpyrolysisproductsandtheircharacteristicsareanalyzed.Thisexperimentshowsthat:whenthesamematerialisusedandotherconditionsarenotchanged,thetimeofthepyrolysisreactionisbecomingshorterastheultimatetemperatureincreases;theproductiveraresofpyrolysisgasandpyrolysistararebothincreased;theoutputofcokeisdecreased;Thecalorificvalueofpyrolysistarisat10－43MJ/Kg;andthecalorificvalueofpyrolysiscokeisat10－24MJ/Kg.Offerbasisforthechoiceofultimatetemperaturetomeetdifferentneedandtheexperimentsofpyrolysis.Keywords:Sludgeprolysis;Thedistributionofproducts;Temperature引言污泥是城市污水处理及废水处理不可避免的副产品,且产量巨大.据估计,全世界一年产生的干污泥量达1亿吨,而我国约2×105吨[1].随着人类环保意识的提高和全球资源逐渐匮乏,污泥的管理和资源化利用已成为目前一个世界性的能源、社会和环境问题.在我国长期以来存在着重废水处理,轻污泥处理的倾向.在已建成的污水处理厂中,90％以上没有污泥处理的配套设施;现有的污水处理厂中,有污泥稳定处理设施的还不到1/4[1].许多城市仍采用就地露天堆放的方法,带来严重的环境污染,并已威胁到人民的健康,污泥已成为二次污染源,使污水处理工作变得毫无意义从整体上看,我国污泥处理存在的主要问题有：(1)污泥处理率低,工艺不完善;(2)污泥处理技术和设备落后;(3)污泥处理管理、设计水平低.所以,在目前开发一种廉价、处理效率高的技术和投建一批现代化的污水污泥处理设备是解决以上问题的关键.本文对热解终温对污泥热解产物分布及特性的影响做了分析,为污泥的工业热解提供理论和实验支持.1实验部分1.1实验装置实验装置如图1所示[2],由加热炉、热解反应器、冷凝器、U型差压计、气体流量计、温度控制仪等组成.加热炉采用固定床外热式电加热炉,功率为7.5kw.热解反应器由耐高温不锈钢材料制成,直径200mm,高度为350mm.反应器盖上设有出气管、充氮管和四只热电偶.三只热电偶位于反应器的同一径向,用于测量物料的温度变化;另一只热电偶位于反应器内物料的上空,用于测量反应器内热解气的温度.为使热解气中的可凝结物质充分冷凝下来,采用三组U型套管式水冷冷凝器进行冷凝,在其底部装有收集冷却热解液的收集器.去除可凝气体后的不凝性气体经过流量计排出室外燃烧.在冷凝器和流量计之间的U型差压计测量系统内的压力变化.1－温控仪2－热电偶3－加热炉4－反应器5－充氮管6－收集器7－温度计8－换热器9－U型管差压计10－取气口11－气体流量计图1实验装置图Fig.1Diagramofpyrolysisequipment1.2实验物料本实验物料采自于唐山西郊污水处理厂的肥料生产厂,采集的时间分别在三月份和四月份.污泥的工业分析和元素分析如表1.自然风干后的物料的粒度在1cm以下,为了保证实验物料的成分和实验测量的准确度,干物料在装入反应器前,在电热烘箱中保持105℃左右烘干约2－4小时,保证95﹪以上的水分析出.表1污泥的工业分析和元素分析Tab.1Primaryanalysisandultimateanalysisofsewagesludge工业分析元素分析Wad/%Aad/%Vad/%FCad/%Qad/KJ·Kg-1[H][S][N][C][O]2.0830.1559.787.98192406.080.993.8744.1744.892.3实验方法和实验条件2.3.1实验准备和测量（1）实验前将排气管道在碱性水中冲洗,然后用电吹风吹干,称取其净重.（2）调节温控仪：调节温控仪使其实现实验所需升温曲线和终温.在此,把加热炉壁温作为温度控制的反馈信号.（3）称装物料：用精度为0.01g的电子秤称取物料约1kg装入圆柱状的反应器中,物料放入后占到反应器高度的1/3左右.反应器和反应器盖之间用石棉垫圈密封,由12只耐高温的螺栓加固.然后把反应器放入圆柱形的固定加热炉中,并连结好排气管道和Ｕ形管套筒式换热器及热电偶.（4）实验测量：开炉之前先用氮气检漏,读取电表和流量计读数.打开炉子和控温仪的同时计时开始,在整个实验期间每隔5min记录一次热电偶和流量计读数;在保温段每隔10min读取一次.当排气管处的流量计读数变化到0.01m3／5min保持3次以上读数不变时,实验可以结束.停炉后读取电表读数,使炉子自然冷却.为了比较分析,进行了10℃/min、15℃/min两种升温速率下的实验.2.3.2热解产物的热值和工业分析热值分析用的是GR－3500型氧弹式热量计,实验中用的物料重量为1g,氧弹中氧压为2.5-3MPa.工业分析用的是烘箱和马费炉,把1g的物料在烘箱中以105－110℃烘1小时后放到马费炉中以900℃高温烘烤7分钟,最后在马费炉中以850℃烘烤直到恒重.用差重法分别测出物料的水分、挥发分、灰分和固定碳的百分比.2结果和讨论2.1热解温度对热解反应时间的影响300350400450500550600650700750200250300350400450500时间/min温度/℃15℃/min10℃/min图2热解时间随终温的变化曲线Fig.2Thevarietyoftimewiththetemperature污泥热解反应时间随热解终温的变化如图2所示.由图可知,在终温为450℃时,热解时间最长.终温小于400℃时主要反应是脱水和小部分脱气,且在没有催化剂、没有流动的情况下热解反应所需的时间很长并且受升温速率影响较大.当温度达到400－450℃之间时,越来越多的物质参与到热解反应中,热解时间会加长,终温越高所需的热解反应时间越长;当温度大于450℃后,大部分可热解成分都已参与到热解反应中,这时主要表现为随温度升高热解时间迅速缩短而与升温速率的关系不大.此后,热解时间则随终温升高缓慢下降.2.2热解终温对产物产率的影响热解产物随热解终温的变化如图3示.从图中可以看到随着热解终温的升高焦炭350400450500550600650700100200300400500600700各产物的产率/g热解终温/℃焦碳焦油气15℃/min10℃/min图3焦炭、焦油、气产率随终温的变化Fig.3Theyieldofcoke、tarandgaswithtemperature含量在减少、焦气含量在增加而焦油的含量则有个高峰期（在500℃左右）.产油高峰期后,焦气产量明显增加.这与文献[3]的图2所200300400500600700051015202530354045505560657015℃/min百分含量/%热解终温/℃固定碳灰份挥发份水份10℃/min在不同热解终温和升温速率下的焦炭工业分析值图4焦炭的工业分析Fig.4Thetechnicalanalysisofcoke描述的是一致的.这主要是由于500℃后有部分焦油发生了二次分解,分解成为焦气.500℃后焦炭含量随温度升高降低不再明显.因为此后焦炭中的挥发分减少,固定碳和灰分在增加,焦炭的工业分析各值如图4所示.2.3热解终温对产物热值的影响3004005006007001000015000200002500030000350004000045000热值/KJ/Kg温度/℃15℃/min10℃/min焦油热值焦炭热值图5.焦炭和焦油热值随热解终温的变化Fig.5Theheatvalueofcoke、tarwithtemperature焦炭和焦油的热值随终温的变化如图5示,从图中可看出焦炭的热值随热解终温升高而降低;而焦油的热值有一个峰值,这是由于前面提到的二次分解造成的.焦油的二次分解原理详见文献[5].2.4热解终温对耗电量的影响3504004505005506006507003456耗电量/KWh温度/℃15℃/min10℃/min图6耗电量随终温的变化Fig.6Thevarietyofpowerconsumptionwithtemperature图6示出了耗电量随终温的变化.耗电量的影响因素很多,包括物料含水量、升温速率、终温等.从图中可以看出,在450℃处有峰值,到500℃后又随温度升高而增加.在450到500℃之间有一个降低的过程,主要是因为在450℃之前的二次分解还不强烈.3结语（1）当热解终温小于450℃时,污泥的热解时间随热解终温的提高而增加;大于450℃时污泥的热解时间随终温的提高而减少.（2）热解气的总产率随热解终温升高而增加;500℃前焦油的产率随温度升高而增加500℃后随温度升高而减少;焦炭的产率随温度升高而减小.（3）焦油的热值在500－600℃的情况下达到最大,在升温速率为15℃/min的情况下热值有明显的下降.说明焦油成分受升温速率影响,升温速率的不同带来了不同的热分解状况,主要是导致了不同的二次分解.升温速率越大二次分解越强烈.焦炭的热值随热解终温的提高而较少.（4）从焦炭的工业分析看,随终温升高挥发分减少,灰分和固定碳含量增加.参考文献[1]张统.S