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于芳芳
(惠州市惠城區環境技術中心，廣東惠州516003)
【摘要】為實現污泥減量化、無害化和資源化處置，在污泥中添加稻桿等合成固體燃料，利用熱分析技術對污泥衍生燃料及其主要原料的燃燒特性進行研究。研究結果表明：污泥衍生燃料燃點低，有一定的燃燒熱值，燃燒性能較好；當溫度在700℃左右時，污泥衍生燃料中的可燃質已基本消耗，發熱量相當于0.48kg左右的標準煤；灰分的主要成分為CaO、Fe2O3、Al2O3、MgO等難溶解的穩定金屬氧化物；污泥衍生燃料的熱能利用價值較高，且制備成本較低，符合當前污泥處理處置的發展趨勢。
近年來。我國城市化程度進一步提高，城市污水處理廠污泥的產量也逐年增加。污泥含水率高、體積大、容易腐化發臭且含有重金屬、鹽類、致病菌和寄生蟲等有害成分，如果處理不當會引起嚴重的環境問題[1]。目前，我國污泥無害化處置率較低，一般是經過脫水后直接運往垃圾場填埋，容易造成二次污染[2]。因此，污泥合理、有效的處理處置已成為當前迫切需要解決的問題。
將污泥與其他可燃物混合改善污泥的燃燒特性，可以實現污泥的減量化、無害化和資源化，國內外部分學者在這方面做了相關的研究。Skodras等[3]對污泥混燃中有害物質的生成情況進行了研究，熊孟清等[4]對城市污泥與煤在工業鍋爐內的混燒進行了研究，侯海盟等[5]對城市污泥與煤或玉米稈混燒特性及動力學進行了研究。汪克春等[6]對污泥與垃圾混燒進行了研究。本文通過對在污泥中添加稻桿制備的污泥生物質衍生固體燃料燃燒特性的研究，為污泥的最終處置尋求一條合理的途徑，在降低環境污染的同時實現資源的回收利用。
1材料與方法
1.1實驗材料
本實驗研究的污泥生物質衍生固體燃料以污泥為主要成分，稻稈等為輔料合成。其中污泥選用廣東某城市污水處理廠脫水污泥，含水率約80％；稻稈經干燥磨粉預處理后過80目篩。以CaO為固硫劑，鈣硫摩爾比取2[7]。污泥、稻桿和污泥生物質衍生燃料的工業分析、元素分析如表1所示。
1.2測試方法
工業分析采用熱解質量法，用箱式電阻爐、電熱恒溫鼓風干燥箱、電子天平進行測定；發熱量采用高精度萬能自動量熱儀測定，熱容量12500～14000J／℃；熱重分析采用熱重分析儀測定，溫度為10～1000℃，冷卻時間為10min(1000～100℃)，升溫與降溫速率為0～100k／min。
1.3特征參數
為全面評價試樣的燃燒性能，采用熱重曲線(TG)、微分熱重曲線(DTG)、揮發分初析溫度(Ts)、著火點溫度(Ti)、燃盡溫度(Th)、最大燃燒速率((dW／dt)max)、灰熔點等特征參數來描述試樣的燃燒性能。
2污泥衍生燃料制備
污泥衍生燃料的制作流程如圖1所示。將采回的脫水污泥稀釋至含水率約96％，經化學調理后，由隔膜泵泵入壓濾機中進行過濾(壓力為0.6MPa)和二次壓榨(壓力為1.5MPa)。在壓榨破碎后的污泥(含水率約60％)中添加20％的稻桿(以干污泥g／g計)并干燥至含水率在35％左右，最后進入造粒設備進行造粒，成型的固體顆粒(直徑6mm、長1.5～2cm圓柱形)經自然晾干或低溫干燥即得到污泥衍生燃料。
3數據與討論
3.1污泥衍生燃料TG和DTG分析
從污泥、稻桿和污泥衍生燃料的TG、DTG曲線中可以看出。污泥和稻桿的失重過程明顯不同(如圖2所示)。污泥比較明顯的失重分為4個階段，主要是污泥中水分析出階段、易揮發和相對難揮發部分析出和燃燒階段、污泥中比較牢固、穩定的化合物燃燒階段；稻桿比較明顯的失重主要有揮發分的析出和燃燒2個階段。這主要是因為污泥衍生燃料中污泥含量較高，其燃燒過程與污泥相似，但稻桿的摻入使衍生燃料的整體燃燒速率增大。燃燒性能增加。
為研究污泥衍生燃料燃燒過程中失重率隨溫度的變化規律，對熱重實驗數據進行整理分析，結果如圖3所示。從圖中可以看出，當燃燒溫度在700℃左右時，污泥衍生燃料的可燃質已基本消耗，失重率達到95％。
3.2污泥衍生燃料著火特性分析
從表2中可以看出，污泥的著火溫度高于稻稈，污泥衍生燃料的著火溫度介于二者之間.這說明添加稻桿可以提高污泥衍生燃料的著火性能。這主要有兩方面的原因，一是稻稈中的有機物在較低溫度下析出、燃燒促進了燃料的著火，二是燃料的孔隙率隨著大量有機物在低溫區的釋放有所增加。
3.3污泥衍生燃料灰分組成分析
為研究污泥衍生燃料燃燒后灰分對環境的影響，用x射線熒光(XRF)對其燃燒后的灰分進行分析，結果如表3所示。
從表3中可以看出，灰分中CaO、Fe2O3、Al2O3、MgO等難溶解的穩定金屬氧化物含量較高，而Hg、Pb、Cr、Ni等毒性較大的重金屬基本未檢出，這主要是由于實驗使用的污泥為生活污泥。
3.4污泥衍生燃料灰渣熔融性分析
灰熔點與灰的組分、煙灰濃度和綜合環境等因素有關，灰中低熔點的成分愈多，灰的熔點愈低。污泥衍生燃料的灰熔點如表4所示。從表中可以看出，燃料的灰熔點較低，這主要是由于灰中CaO、Fe2O3和MgO等低熔點的堿金屬含量較高。灰熔點低不利于燃料的利用，
一是低熔點易使燃料受熱面結渣從而包裹部分可燃質造成燃料利用不充分，還使后續灰渣處理的負擔加重，二是灰渣熔化會堵塞通風孔隙，使燃燒條件惡化。因此，為加強燃料的燃燒，爐膛出口的煙氣溫度應控制在比軟化溫度低100℃以上，即控制在1086℃以下。
3.5污泥衍生燃料的綜合效益分析
以1噸含水率為80％的污泥為例.對實驗成本進行估算：原料稻稈價格低廉，成本忽略不計，實驗藥品費用約100元/噸，設備能耗及折舊費用約300元/噸，總費用約400元/噸。污泥衍生燃料熱值相當于0.48kg左右標準煤的低位發熱量。綜合考慮污泥衍生燃料制備的成本和燃燒對環境的影響，污泥制備固體燃料是實現污泥減量化、無害化、資源化的有效途徑。
4結論
目前我國污泥無害化處置率較低，一般是經過脫水后直接運往垃圾場填埋，容易造成二次污染。因此，污泥合理、有效的處理處置已成為當前迫切需要解決的問題。將污泥與其他可燃物混合改善污泥的燃燒特性，可以實現污泥的減量化、無害化和資源化，國內外部分學者在這方面做了相關的研究。本文通過對在污泥中添加稻桿制備的污泥生物質衍生固體燃料燃燒特性的研究，為污泥的最終處置尋求一條合理的途徑，在降低環境污染的同時實現資源的回收利用。為實現污泥減量化、無害化和資源化處置，在污泥中添加稻桿等合成固體燃料，利用熱分析技術對污泥衍生燃料及其主要原料的燃燒特性進行研究。以上研究表明：
(1)污泥衍生燃料具有一定的燃燒熱值、燃點低，當燃燒溫度在700℃左右時，污泥衍生燃料的可燃質已基本消耗，失重率達到95％。
(2)灰分中CaO、Fe2O3、Al2O3、MgO等難溶解的穩定金屬氧化物含量較高，而Hg、Pb、Cr、Ni等毒性較大的重金屬基本未檢出
(3)為加強燃料的燃燒，爐膛出口的煙氣溫度應控制在比軟化溫度低100℃以上，即1086℃以下。
(4)污泥衍生燃料實驗室制備的總費用約400元/噸，1kg該燃料相當于0.48kg左右標準煤的低位發熱量.具有可觀的經濟、環境效益。
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