在流化床反应器里市政污泥干化及碳化特性研究
江苏菲力环保工程有限公司
大概要：本研究是根据在流化床反应器里市政污泥反应温度、含水率、粒子大小、气流速进行观察对干燥及碳化响的热重量变化，并与固化床反应器里的结果做出对比。结果，市政污泥干燥时利用流化床干燥的效果比固化床增加了约6倍。碳化时利用流化床其速度比固化床显示快了约4倍，并判断污泥在流化床内约10分钟内完成碳化。而且随着碳化温度增加其碳化物的量会减少，但是在873K以上时碳化物的量是相似的，随着流速的增加残留固态物减少，所以判断为市政污泥在873K流化床里碳化时在流化流速范围内保持低速流动更加有效。
主题语：市政污泥、流化床、Char、干燥、碳化
1．前言
市政污泥的焚烧是从90年代初的小规模处理量到现在研发出流化床式及回转式焚烧方法。市政污泥是由高含水量和低有机物含量成形，所以是低位发热量的，在初期设置的焚烧设施在运行时需要大量的能源，在燃烧过程中市政污泥因含有磺和氮会产生大量的磺酸化物和氮酸化物的排出，从而处理这些废气需要高价的后处理设备。填埋时会产生灰粉中的重金属溶出问题，所以必须也要解决这个问题。
因此，为了完善这些处理方法的缺陷，防止焚烧时产生2次污染物及焚烧残渣，废弃物处理时必然产生的固体残留物等再生利用的技术在日本、欧洲为首，在国内也以成趋势。例如，对市政污泥碳化物溶融的砂石开发技术、磷灰水技术的利用产生吸附剂等开发技术。
这样的资源化方法中因国内市政污泥的多样化成形差异的特征，物质的回收问题、焚烧灰溶融需要过多的电力费等问题，所以目前为止使用低温热分解，由其对含水率高的市政污泥使用流化床热分解利用碳化物为宜。
从而，在本研究利用流化床试验装置将市政污泥的粒径别、含水率别、流化气流速别、碳化温度别进行重量变化的测量，通过固化床的对比流化床碳化工程的运行作为基础资料来使用。
2．理论考查
市政污泥是半纤维素、纤维素、木质素和多个不纯物的混合物，从而用准确的分子式表述有所困难。但是一般的有机物含有成份为C、H、O、N、S，为了分子式的简单化所有挥发成分在3成分分析结果与挥发部分一样，水分的蒸发也包含在挥发部分成分元素，生成的固态物char以纯碳元素构成为前提下所有的挥发成分根据热分解反应而设立如下摩尔平衡式。
（1）
式（1）里Vi是挥发成分内的成分i（i=C、H、O、S、N）的摩尔分数。本式如下假设。第一，所有的氮元素以N2排出，燃料内的氮元素成分的60%左右以NH3转换，根据van der Drift等和Kurkela的研究结果NH3碳化时产生1次生成物，但是微量产生，所以氨的生成可忽略。第二，所有磺在碳化反应里几乎没有氧，比起SO2都以H2S来放出，所以假设都放出H2S。第三，氧仅以CO放出或CO和CO2的混合物的形式放出。第四，挥发成分内的剩余碳元素成分以CH4、C2H4来生成，此外以焦油成份（C6H6）放出。第五，氢在H2S的作用下消耗，碳化氢分解成H2。所以市政污泥碳化而发生的包括水分挥发成分以H2S、N2、CO、CH4、H2、CO2、C2H4、C6H6来放出，未挥发的成分都形成char，这是以纯碳元素形成。
可是考虑本研究使用装置的特性和试料特性时一般气化反应的char和挥发气无第二次反应，所有生成物不可能形成纯碳元素。所以残留固态物的成分追加以下的假定。第一，产生的气通过移送气N2排出，与残留的char成分无反应。第二，虽然生成的char除了碳成分外还含有重金属Cu、Pb、Zn、Mn、Fe、Cd等，但是除了Cd外剩余的重金属在碳化期间不会在char上放出。
碳化反应受到加热速度、最终反应温度、反应时间、气的种类、粒子大小、压力及触媒等的影响。据了解一般情况下随着加热速度和最终反应温度的增加碳化残留物char的生成量会减少。反应时间是根据反应器的体积、反应器的温度、流入气的流量等因素可变化。这样的反应条件和试料的形态对2次反应的优劣起着重要的作用。此外根据压力和触媒、氧气的有无对热分解反应有所不同，但在本研究有均匀粒径的市政污泥不使用一定的压力和触媒，并且完全在氮元素的氛围状态下实行碳化反应，根据对加热速度、最终反应温度、反应时间来测量重量变化。
3．实验装置及方法
本试验的干燥及碳化装置如同Fig.1，整个工程通过外部热源heating coil供热。首先用直径3.8cm高40cm的石英管制作的流化床反应器内注入市政污泥后在常温状态下确认流动状态，注入干燥试验时378±5K、碳化试验时673~973K的干燥炉（热压转、KANTAL 电炉）里，并将一定时间间隔流动的气用on/off阀控制，用数显称测定试料的重量。装置注入到反应器内的方法是抬高下部的高度调节装置来注入，这时流动气体使用氮气。从气缸流出的流动气在MFC（0~10 L/min，Brooks 5850E，Japan）里一定流量供应到反应器里，流动反应器内distributor上的市政污泥，热重量变化使用测定范围在8，000±0.01g的电子称（Sartorius LA 8200S，Germany），根据程序每5秒为间隔将重量变化传送到电脑后记录。
bomb 7.Thermocouple
2.MFC 8.On/off valve
3.Distributor 9.Char collection box
4.Fluidized bed reactor 10.Digital weighing
5.Filter 11.Elevator
6.Vertical furnace
Fig.1.Apparatus of the fluidized bed dryer
Table 1.Experimental Variables and Conditions
Table 2.Physical properties of used dry sewage sluedge
in this study
a Coal industrial testing method
b True density，determined with He.
c 40/60 mesh diameter
4．试验结果及考察
4．1．在流化床里粒径别干燥重量的变化
Fig.2是流化床反应器里含水率在30%的市政污泥粒径别，根据干燥时间显示重量的减少，从中可知粒子大小与干燥而重量变化是无影响的。Fig.3是显示固化床及流化床里市政污泥重量的减少，流化床的干燥与固化床的干燥完成为止都以S形的曲线显示，但整个重量减少时间是固化床干燥的约1/6。干燥初期显示一定干燥速度的水平区间和第一个干燥速度减少区间的警界点为止的水分含量相当于自由水含量，第一个干燥速度减少区间和第二个干燥速度减少区间的警界点之间的水分是相当于间隙水。之后的依重量减少的含水率20%到0%区间相当于表面水和附着水。其中自由水和间隙水通过掺加凝集剂可去除的部分，正如Fig.3的结果得知，具有相同物理特性的市政污泥时通过流化床干燥最少需要8.5min，增加了干燥效率约6倍以上。
Fig.2.Mass loss of sewage sludge with particle sizes At fluidized bed dryer（air flow rate=6L/min）.
Fig.3.Mass loss of sewage sludge at fluidized bed dryer.
4．2．固化床和流化床干燥速度
固化床和流化床里干燥突破了各个干燥速度常数，并如下Fig.4和 Fig.5显示。基本上干燥速度式是适用对热减量的指数法则（假设n=1）来算出。其结果是固化床里干燥速度常数是0.057min，流化床里0.209min，所以可知流化床情况下约快3.646倍。这是认为流化床里的粒子热接触面积比固化床大的原因。
Fig.4.Relationship between experimental and modelled results
For fixed bed drying（Y=0.819X+0.0191，k=0.05742 min-1）.
Fig.5.Relationship between experimental and modelled results
For fluidized bed drying（Y=0.7353X+0.0254，k=0.2094 min-1）.
4．3．流化床里粒径别碳化的重量变化
Fig.6里显示了干燥市政污泥根据粒径流化床热分解时的重量变化。重量测定方法是以每5sec间隔把反应器的所有重量自动记录在电脑里。如结果得知重量变化是40/60 mesh的粒子在流化的初期4min、20/40 mesh的6min、10/20 mesh的10min在这以内出现急剧重量减少的现象，粒径越大重量减少曲线显示越缓慢。这是认为粒子越小粒子内部的热传达越快。
Fig.6.Fluidized bed pyrolysis of dried sewage sludge with particle
Size distribution（Temperature：873K，Gas velocity：12.6 cm/sec）.
Fig.7是根据各温度显示40/60 mesh大小的市政污泥TGA分析的结果，碳化物的重量占初期市政污泥的78%。这个类似于Fig.7里出现的碳化后残留固态物量的初期市政污泥的80%，并认为4min以内的碳化比较妥当。这个与固化床碳化相比快了约2.5倍。而且粒径越大流化时间越增加，10/20 mesh以下的干燥污泥在10min以内完成热分解。
Fig.7.Iso-pyrolysis of sewage sludge（40/60 mesh）in fixed bed reactor
4．4．流化温度别碳化的重量变化
Fig.8是显示流化床温度而市政污泥热重量的变化，使用了40/60 mesh粒径的干燥污泥，流化气是使用了流量10L/min的氮气。流化床热分节装置的温度随着从673K增加到973K时残留固态物的量也从80%减少到76%，出现初期减小速度随着增加而热分解完成点在减小。而且，在873K和973K时残留量的差异微小，所以得出的结论是市政污泥的流化床热分解适合温度为873K。
Fig.8. Iso-pyrolysis of sewage sludge（40/60 mesh）in fluidized
bed reactor
5．结论
1）市政污泥的固化床干燥一般通过凝集剂去除水分困难的70%的残留水分完全去除所需的时间最少以干燥时间来显示，认为在20/60 mesh粒径范围内干燥时间50min以上为妥当。而且随着粒子大小的增加，出现初
期重量减少细微的减加。流化床干燥至少需要8.5min，比起固化床干燥增加了约6倍以上的干燥效率。
2）40/60 mesh干燥污泥由873K热分解，在初期4min以内重量减少急剧发生，残留固态物存在约20%。在873K等温TGA试验里最终残留物与重量分率0.78类似，并认为在4min以内热分解比较妥当。这与固化床热分解相比快了约2.5倍。而且粒径越大其流化时间会增加，10/20 mesh以下的干燥污泥在10min以内认为可完成热分解。
3）温度别流化床热分解结果在873K和973K时残留量的差异微小，所以结论是认为市政污泥的流化床热分解的最适合温度为873K。
记号名
Mole ratio of i，[-]
Conversion ratio of I，[-]
K Reaction rate constant，[1/min]
T Temperature，[K]
t Time[min]
Umf Minimum fluidization velocity[cm/sec]
V Gas velocity，[cm/sec]
W Normalized weight，[g/g]
参考文献：
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