污泥热解的能量平衡及资源回收.pdf

污泥热解的能量平衡及资源回收T T T THERMALHERMALHERMALHERMAL B B B BALANCEALANCEALANCEALANCE OFOFOFOF P P P PYROLYSISYROLYSISYROLYSISYROLYSIS OFOFOFOF S S S SEWAGEEWAGEEWAGEEWAGE S S S SLUDGELUDGELUDGELUDGE ANDANDANDAND R R R RECYCLINGECYCLINGECYCLINGECYCLING OFOFOFOF R R R RAWAWAWAW MMMMATERIALATERIALATERIALATERIAL王中慧陈德珍＊赵磊同济大学热能与环境工程研究所，上海 200092 Tel:021-65989475, E-Mail: chendezhen@摘摘摘摘 要要要要：： 下水污泥是数量大且具有较高热值的污染物，必须进行无害化、减量化、资源化处理热 解法是一种清洁、节能的处理方法，可实现污泥的资源化回收本文对污泥热解进行研究，通过能 量平衡计算证明污泥热解可获得 13.11MJ/kg 的能量收益，回收焦油、焦炭及可燃气，实现无害化、 减量化、资源化。

关键词关键词关键词关键词：： 污泥热解能量平衡资源回收0前言为防止水污染，国家政策大力支持建设城市 污水处理设备，然而随着污水处理量的加大和水 处理程度的加深，作为污水处理的二次污染物， 污泥的产量也明显增加污泥富集汞、铅等有害 物质及其他重金属，易腐化、滋生害虫和病菌， 并有剧烈臭味，严重影响周边居民的生活质量， 必须进行无害化、减量化处理；另一方面，污泥 中含有大量有机物， 干燥后的污泥具有较高热值， 可通过焚烧、热解等方式进行资源化回收 使用焚烧法回收污泥的热能应用很有限，但 从有限的经验看， 由于含水率高， 运行能耗很大， 且易产生二恶英，对焚烧过程的空气污染控制及烟气净化成本高，所回收的能量得不偿失，运行 厂处于亏损状态；相比之下，热解法是利用污泥 中有机物的热不稳定性，在无氧条件下加热使有 机物发生热裂解，从而获得不凝性气体(如 CH4、 CO、H2等可燃性气体)、焦油和焦炭，热解过程 中不会产生二恶英污染[1]1热重-差热实验及分析1.1实验原料的选取及实验设备 本文中所选用的实验原料为上海曲阳污水处 理厂产生的新鲜污泥， 其成分见表 1， 在 WRT-3P 和 CRY-2P 高温微量热天平上分别进行热重及差 热实验。

表 1 污泥成分分析及元素分析收到基含水率(wt%(ar))77.8自然干燥基含水率(wt%(ad))8.13灰分(wt%(ad))59.00挥发分(wt%(ad))30.14固定碳含量(wt%(ad))2.73低位发热量(MJ.kg-1(ad))14.18碳含量(wt%(ad))30.89氢含量(wt%(ad))5.06氮含量(wt%(ad))5.42硫含量(wt%(ad))4.03氧含量(wt%(ad))27.713692实验方法将新鲜污泥自然干燥至含水率 8.13%，取试 样 10mg 置于热天平中， 通入氮气作为保护气， 氮 气流量 40ml/min，以 10℃/min 从室温加热至 650℃，由计算机记录失重-差热曲线并计算失重 率及反应热 2.1实验结果及分析 由图 1 可看出，污泥热解分为以下 4 个失重 阶段[4]: 1)120℃～150℃为脱水过程， 污泥中结合 水转化为非结合水并脱离污泥表面 2)150℃～340℃为含碳化合物分解过程，主要是 C-C 键断裂，热解释放 C0 及 CO2 3)340℃~620℃为大部分有机物分解过 程，形成小分子碳氢化合物并有挥发份 析出。

4)620℃以上为剩余有机物及矿物质分解 过程，最终剩下少量残碳和灰分 从差热曲线上可以明显看出，第一阶段污泥 的脱水过程存在吸热峰，对吸热峰曲线进行积分 得到反应供热约 270kJ/kg，此后热解过程均为 放热反应，放热峰面积大于吸热峰面积，总热效 应约为-855kJ/kg，有利于维持热解过程的进行图 1污泥热解热重-差热曲线3能量平衡计算污泥热解实验在管式炉中进行，根据 TG- DTA 曲线设定热解温度为 600℃，反应结束后收 集到热解产物焦油、热解气、焦炭质量分数分别 为 Xl=35.22%、Xg=39.33%、Xs=25.45%，化学 能分别为 30MJ/kg、2MJ/kg、10MJ/kg热解 产物能量来源为污泥化学能，近似等于低位发热 量，Qnet=14.18MJ/kg；将反应器、热解原料及 产物当成一个系统，建立能量平衡方程式(1)、 (2)1)(2)以上两式中，Qin为系统所消耗能量，Qre 为反应热，Qm为反应物升温所需热量，Qd为系 统散热其中 Qm包括热解过程物料显热变化及 脱水过程吸热量，可按式(3)计算:(3) 式中，c 为污泥比热 0.16kJ.kg-1℃-1，w 为 参与反应时污泥含水率，tr为反应温度，ta为污 泥初始温度即室温 20℃，2500 为水的气化潜热， 脱 水 过 程 吸 热 量 由 差 热 曲 线 计 算 得 到 约 270kJ/kg， 热解过程显热变化可由污泥热解阶段 的放热量提供。

Qd按输入能量的 5%计算，可求 出系统所消耗能量为 284kJ/kg370284kJ/kg管式炉污泥(含水率 8.13%)， 低位发热量14.18MJ/kg焦炭，低位发热量 10MJ/kg，质量分 数 25.45%不凝性热解气， 低位发 热量 2MJ/kg，质量分 数 39.33%焦油，低位发热 量 30MJ/kg，质 量分数 35.22%图 2污泥热解能量平衡图从图 2 中可以看出，污泥热解产生的热解气足以 提供系统所需能量，能量收益为 13.11MJ/kg， 实现污泥资源化回收4结论污泥热解处理可避免二恶英的产生，实现资 源化回收，本文对污泥进行热重实验，分析污泥 热解过程的几个阶段及各自对应特征温度，以此 为依据设计污泥热解实验；同时进行差热实验， 通过对污泥热解差热特性曲线进行积分计算，得 到污泥热解的热效应，作为能量平衡计算的基础 之一最后，将污泥隔绝氧气加热至 600℃，污 泥热解生成焦油、不凝性热解气和焦炭，经过能 量 平 衡 计 算 证 明 热 解 法 处 理 污 泥 可 实 现 13.11MJ/kg 的能量收益，获得焦油和焦炭污泥含水率一般高达 80%，热解前须经过干 燥处理，本文所提的污泥经过自然干燥，无能量 消耗。

若采用热力干燥，根据式(3)计算，至少需 要消耗 1.8MJ/kg 的能量，热解气也可提供大部 分能量参考文献1李海英， 张书廷 赵新华. 城市污水污泥热解温度对产物分布的影响[J]. 太阳能学报, 2007, 27(8):835-8402刘强. 污水污泥热化学特性分析与低温热解产物研究[D]3陈曼.城市污水污泥热解特性与转化机理的研究[D]4翟云波， 魏先勋 曾光明 张德见 楚凯锋. 氮气气氛下城市污水厂污泥热解特性[J]. 现代化工,2004,24(2):36-40371。