An exppweimental study of oil recovery from sewage sludge by by H1a4PA5Z

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									生态环境 2007, 16(4): 1189-1192                                                              http://www.jeesci.com
Ecology and Environment                                                                  E-mail: editor@jeesci.com



                        温度对污泥热解产物及特性的影响
                  高现文 1*,单春贤 1,李海英 2,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:温度是污泥热解产物及产物分布状况的主要影响因素之一。为了确定最优的热解温度,为不同的热解工艺提供参考,
用直径为 200 mm 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,热解反应所需
时间随着热解终温的升高而缩短;热解气和热解焦油的质量分数增大;焦炭质量分数减小。热解焦炭的工业分析表明,随热
解终温的升高挥发分减少、固定碳和灰分增加。热解焦油的热值在 10~43 MJ·kg-1 之间;焦炭的热值 10~24 MJ·kg-1 之间。
关键词:污泥热解;热解产物特性;产物质量分数;热解终温
中图分类号:X705               文献标识码:A                文章编号:1672-2175(2007)04-1189-04


     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 t,而我国约 2×105 t[1]。随着人类环
保意识的提高和全球资源逐渐匮乏,污泥的处理和
资源化利用已成为目前一个世界性的环境、社会和
能源问题。
     目前常见的污泥处理方法有农用、填埋和焚
烧。由于前两种方法均需要一定的土地,而占总处
理成本25%~50%的燃料费用又使焚烧成为相当昂
贵的污泥处理方法。污泥低温热解技术由Bayer和
                                                                 1-温控仪 2-热电偶 3-加热炉 4-反应器
Bridle进行了实验室研究[2],证明是一个能量自给有                                      5-充氮管 6-收集器 7-温度计 8-换热器
余的过程[3]。污泥低温热解燃料化技术由于能有效                                         9-U 型差压计 10-取气口 11-气体流量计
利用污泥中的有效成分,    实现污泥减量化、       无害化、
                                                                            图 1 实验装置
稳定化和资源化而成为当前污泥处理技术研究开                                             Fig. 1 Diagram of pyrolysis equipment
发的一大方向。影响污泥热解的主要因素有污泥种
类、反应温度和反应时间等。CamPbell[4] 等人在                               仪等组成。加热炉采用固定床外热式电加热炉,功
275~550 ℃范围内对生污泥和厌氧发酵污泥进行了                                 率为 7.5 kW。热解反应器由耐高温不锈钢材料制
研究,以最大的产油率为目的,得出最佳反应条件                                     成,直径为 200 mm,高度为 350 mm。反应器盖上
是:温度450 ℃,停留时间0.5 h。Ozlem Onay[5]、李                        设有出气管、充氮管和 4 只热电偶。3 只热电偶位
海英[6]等对城市污水污泥热解温度对产物分布的影                                   于反应器的同一径向,用于测物料的温度变化;另
响做了较详细的研究,但没有提及温度对产物热值                                     1 只热电偶位于反应器内物料的上空,用于测反应
的影响、升温速率的影响及热解能耗问题。本文从                                     器内热解气的温度。为使热解气中的可凝结物质充
热解温度和升温速率对污泥热解产物分布及特性                                      分冷凝下来,   采用 3 组 U 型套管式水冷冷凝器进行
的影响做了详细分析,并对热解产物的热值和热解                                     冷凝,在其底部装有收集冷却热解液的收集器。去
能耗方面作了简述,为污泥的工业热解提供理论和                                     除可凝气体后的不凝性气体经过流量计排出室外
实验支持。                                                      燃烧。  在冷凝器和流量计之间的 U 型差压计测量系
1   实验部分                                                   统内的压力变化。
1.1 实验装置                                                   1.2 实验物料
    实验装置如图 1 所示[7],由加热炉、热解反应                                   本实验物料采自唐山西郊污水处理厂的肥料
器、冷凝器、U 型差压计、气体流量计、温度控制                                    生产厂,采集的时间分别在三月份和四月份。污泥
    作者简介:高现文(1981-),男,硕士研究生,研究方向为污泥资源化及燃料电池。E-mail: gaoxianwen@163.com
           * 通讯联系人,Tel: 13775353059;E-mail: gaoxianwen@163.com
    收稿日期:2007-04-15
1190                                                                                                           生态环境 第 16 卷第 4 期(2007 年 7 月)

                                              表 1 污泥的工业分析和元素分析
                               Table 1   Industrial analysis and ultimate analysis of sewage sludge

                     工业分析 w / %                                                                                        元素分析 w / %
       Moisture   Ash      Volatile matter    Fixed carbon            H                                    S                  N                       C                           O
         2.08     30.15        59.78               7.98              6.08                                 0.99               3.87                 44.17                          44.89


的工业分析和元素分析如表 1。自然风干后的物料                                                                    500


颗粒直径在 1 cm 以下,为保证实验物料的成分和                                                                  450

实验测量的准确度,干物料在装入反应器前,在
                                                                                                                                                                      -1
105 ℃的电热烘箱中烘烤 2~4 h,保证 95﹪以上的水                                                             400                                                        15   ℃   ·min




                                                                       时间 / min
                                                                                                                                                                    -1
                                                                                                                                                      10       ·min
分析出。
                                                                                                                                                           ℃




                                                                                           350
1.3 实验方法和实验条件
1.3.1 实验准备和测量                                                                              300

    (1)实验前将排气管道在碱性水中冲洗,然后
用电吹风吹干,称其质量。                                                                               250


    (2)调节温控仪:调节温控仪使其实现实验所                                                                  200
需升温曲线。在此,把加热炉壁温作为温度控制的                                                                        300    350         400   450    500
                                                                                                                               温度 /
                                                                                                                                      550
                                                                                                                                       ℃
                                                                                                                                                 600           650         700     750


反馈信号。                                                                                                 图 2 热解时间随热解终温的变化曲线
    (3)称装物料:用精度为 0.01 g 的电子秤称取                                                               Fig. 2 Pyrolysis time at various ultimate temperatures
物料约 1 kg 装入圆柱状的反应器中,        物料放入后占
到反应器高度的三分之一左右。反应器和反应器盖                                             解反应中,热解时间会加长,终温越高所需的热解
之间用石棉垫圈密封,由 12 只耐高温的螺栓加固。                                          反应时间越长;当温度大于 450 ℃后,大部分可热
然后把反应器放入圆柱形的固定加热炉中,并连结                                             解成分都已参与到热解反应中,这时主要表现为:
好排气管道和U形管套筒式换热器及热电偶。                                               随温度升高热解时间迅速缩短而与升温速率的关
    (4)实验测量:开炉之前先用氮气检漏,读取                                          系不大。此后,热解所需时间随热解终温升高缓慢
电表和流量计读数。打开炉子和控温仪的同时计时                                             下降。
开始,在整个实验期间每隔 5 min 记录一次热电偶                                         2.2 热解终温对产物质量分数的影响
和流量计读数;在保温段每隔 10 min 读取一次。当                                            热解产物的质量分数随热解终温的变化如图 3
排气管处的流量计读数变化到 0.002 m3·min-1 且保                                    示。从图 3 中可以看到随终温的升高焦炭质量分数
持 3 次以上不变时,实验可以结束。停炉后读取电                                           减小、气的质量分数增大,而焦油质量分数则有个
表读数,使炉子自然冷却。为了比较分析,进行了                                             高峰期(在 500 ℃左右)。产油高峰期后,气的质量
10 ℃·min-1 、15 ℃·min-1 两种升温速率下的实验。                                 分数明显增加。这与文献[8][9]的描述一致,但最大
1.3.2 热解产物的热值和工业分析                                                 焦油质量分数大于 30%。这主要是由于 500 ℃后有
     用 GR-3500 型氧弹式热量计对热解焦炭和焦                                      部分焦油发生了二次分解[10], 分解为热解气。 ℃
                                                                                           500
油进行热值分析,实验中样本质量为 1 g,氧弹中                                           后焦炭质量分数随温度升高而降低不再明显。因为
氧压为 2.5~3.0 MPa。  用烘箱和马费炉对焦炭进行工                                                            700

业分析,把 1 g 的焦炭在烘箱中以 105~110 ℃烘 1 h                                                          600                               焦碳
                                                                                                                                                 15   ℃   ·min
                                                                                                                                                                -1

                                                                                                                                                               -1
                                                                                                                                                 10       ·min
后放到马费炉中以 900 ℃高温烘烤 7 min,     最后在马
                                                                                                                                                      ℃
                                                                       产物质量分数 /( g·kg-1)




费炉中以 850 ℃烘烤直到恒重。用差重法分别测出
                                                                                           500


焦炭的水分、挥发分、灰分和固定碳的质量分数。                                                                     400
                                                                                                                                  焦油
2      结果和讨论                                                                               300

2.1 热解终温对热解反应时间的影响                                                                         200
                                                                                                                                  气
    污泥热解反应时间随热解终温的变化如图 2 所
示。由图 2 可知,在终温为 450 ℃时,热解时间最
                                                                                           100


长。终温小于 400 ℃时主要反应是脱水和小部分脱                                                                           350        400     450     500         550        600            650         700
                                                                                                                               热解终温 /
气,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                                                                       图 3 焦炭、焦油、气的质量分数随热解终温的变化
达到 400~450 ℃之间时,越来越多的物质参与到热                                                                     tar
                                                                   Fig. 3 Mass fraction of coke、 and gas at various ultimate temperatures
高现文等:温度对污泥热解产物及特性的影响                                                                                                                                                                                       1191
                               70                                                                                                         7
                                                                      -1
                                                      10   ℃    ·min
                               60                                    -1                                                                                                      -1
                                                      15   ℃    ·min                                                                                          15   ℃   ·min
                                                                                                                                                                            -1
                                                                                                  固定碳                                     6                   10   ℃   ·min
                               50
            成分的质量分数 / %




                                                                                                                           耗电量 / (kW·h)
                               40                                                                灰份




                                                                                                                  耗电量/(kW·h)
                                                                                                                                          5


                               30

                                                                                                                                          4
                               20
                                                                                                挥发份
                               10                                                                                                         3
                                                                                     水份
                               0
                                200      300              400              500            600         700
                                                           热解温度 /          ℃
                                                                                                                                          2
                                                                                                                                           300   350   400   450       500        550   600   650   700   750
                                                                                                                                                                       热解终温 /
                                               图 4 焦炭的工业分析
                                                                                                                                                                                    ℃




                                         Fig. 4 Industrial analysis of coke
                                                                                                                                                       图 6 耗电量随热解终温的变化
                                                                                                                                          Fig. 6 Power consumption at various ultimate temperatures
此后焦炭中的挥发分减少,固定碳和灰分增加,焦
炭的工业分析各值变化如图 4 所示。                                                                                               增大。Puchong Thipkhunthod[15]等对不同的污泥样
2.3 热解终温对产物热值的影响                                                                                                 品进行了热解和热重实验,结果表明污泥开始热解
    焦炭和焦油的热值在 10~43MJ[11] 且随热解终                                                                                  的温度为 250~300 ℃, 在更高的温度存在二次分解。
温的变化如图 5 示,从图 5 可看出焦炭的热值随热                                                                                       通过对唐山西郊污水处理厂污泥的热解研究表明:
解终温升高而降低;焦油的热值有一个峰值,这是                                                                                              (1)当热解终温小于 450 ℃时,污泥的热解时
由于前面提到的二次分解造成的[12]。焦油的二次分                                                                                        间随热解终温的升高而增加;大于 450 ℃时污泥的
                                                                                                                 热解时间随热解终温的升高而减少。
                               45000
                                                                                                                    (2)热解气的质量分数随热解终温升高而增
                               40000
                                                10 ·min
                                                      ℃


                                                        -1
                                                                 -1
                                                                                                                 大;500 ℃前焦油的质量分数随温度升高而增大,
                                                15 ·min
                                                                                                                 500 ℃后随温度升高而减小;焦炭的质量分数随温
                                                      ℃



                               35000
            产物热值 /( KJ·Kg-1)
产物热值/(kJ·kg-1)




                               30000                                                                             度升高而减小。温度对热解的影响要大于加热速率
                               25000
                                                                                                                 的影响[16]。
                                                                                      焦油热值
                                                                                                                    (3)焦油的热值在 500~600 ℃的情况下达到最
                                                                                                                 大,500 ℃左右焦油质量分数最大,从能耗方面看
                               20000                                                  焦炭热值

                               15000
                                                                                                                 500 ℃也是一个最佳的产油热解温度。
                               10000                                                                                (4)从焦炭的工业分析看,随热解终温升高焦
                                        300               400              500             600          700
                                                                      热解终温 /     ℃                               炭中挥发分质量分数减小,灰分和固定碳质量分数
                                       图 5 焦炭和焦油热值随热解终温的变化                                                       增大。
                     Fig. 5 Heat value of coke、tar at various ultimate temperatures
                                                                                                                 参考文献:
解原理详见文献[13]。                                                                                                     [1] 张统. SBR 及其变法污水处理与回用技术[M]. 北京: 化学工业出版

2.4 热解终温对耗电量的影响                                                                                                                    社, 2003: 302-303.

    图 6 示出了耗电量随热解终温的变化。耗电量                                                                                                         ZHANG Tong. Sewage treatment and reclaim technique for SBR and
                                                                                                                                   its deformation[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2003: 320-303.
的影响因素包括物料湿度、     升温速率、热解终温等。
                                                                                                                 [2] LUTZ H, ROMEIRO G A, DAMASCENO R N, et al. Low tempera-
从图 6 可以看出,在 450 ℃处有峰值,到 500 ℃后                                                                                                     ture conversion of some Brazilian municipal and industrial sludges[J].
又随温度升高而增大。在 450 ℃到 500 ℃之间有一                                                                                                       Bioresource Technology, 20007, 4: 103-107.
个降低的过程,主要是因为在 450 ℃之前的二次分                                                                                        [3] 赵 庆 祥 . 污 泥 资 源 化 技 术 [M]. 北京 : 化 学 工 业 出 版 社 , 2002:
解还不强烈。                                                                                                                             236-237.

3                          结论                                                                                                      ZHAO Qingxiang. Resource utilization technique of sludge[M]. Bei-

    M Inguanzo 等在升温速率为 5 ℃·min 和               [14]                                                         -1                     jing: Chemical Industry Press, 2002: 236-237.
                                                                                                                 [4] 朱开金, 马忠亮. 污泥处理技术及资源化利用[M]. 北京: 化学工业
60 ℃·min-1,终温为 450~850 ℃条件下得出城市污泥                                                                                                  出版社, 2007: 20.
的热解在低温段受升温速率影响较大,随着热解终                                                                                                             ZHU Kaijin, MA Zhongliang. Disposal technique and resource utiliza-
温的升高焦炭的质量分数减小,热解气的质量分数                                                                                                             tion of sludge[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2007: 20.
1192                                                                                                生态环境 第 16 卷第 4 期(2007 年 7 月)

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                         The effect of temperature on sludge pyrolysis products
                                     and the relevant characteristics

                       GAO Xianwen1, SHAN Chunxian1, LI Haiying2, HAO Jianxin1, GAO Heming1
                             1. School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University. Zhenjiang, Jiangsu 212013, China;
                             2. School of Metallurgy and Energy, Hebei Polytechnic University. Tangshan, Hebei 063009, China


Abstract: Temperature is a major factor to affect sewage sludge pyrolysis products. This experiment aims to find the optimized py-
rolysis temperature. Equipment used is external-heat fixed bed reactor, 200 mm in diameter. The material is sewage sludge, collected
from Tangshan West Suburb Sewage Disposal Plant. Ultimate temperatures rank from 250 ℃ to 700 ℃, and at the beginning of each
experiment, N2 is vented in. Data of the experiment indicates that: when material and other conditions are unchanged, pyrolysis reac-
tion costs less time as ultimate temperature increases; mass fraction of pyrolysis gas and pyrolysis tar are increased; mass fraction of
coke is decreased. Industrial analysis of pyrolysis coke indicates that: as the pyrolysis ultimate temperature increases, mass fraction
of volatile is decreased; mass fraction of fixed carbon and ash are increased. Heat value of pyrolysis tar is at 10~43 MJ·kg-1; heat
value of pyrolysis coke is at 10~24 MJ·kg-1.
Key words: sludge pyrolysis; characteristics of sludge pyrolysis products; mass fraction of product; pyrolysis ultimate temperature

								
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