阅读说明：本技术 一种用生活污泥改善煤炭燃烧的方法 (Method for improving coal combustion by using domestic sludge ) 是由 郑刘根 夏紫薇 周春财 林雨丰 于 2019-11-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用生活污泥改善煤炭燃烧的方法,包括以下方法：(1)将生活污泥自然风干,然后研磨处理,得到泥粉；(2)将煤炭自然风干,然后研磨处理,得到煤粉；(3)将泥粉与煤粉混合,泥粉占泥粉与煤粉总量的5～15％,搅拌均匀,得到混合燃烧粉；(4)将混合燃烧粉投入真空管式炉中进行燃烧。本发明在煤粉中添加泥粉进行燃烧,可以增加燃烧特性,样品动力学方程拟合结果表明,混合燃烧粉的第一阶段与第二阶段主要以污泥燃烧为主,而第三阶段主要以煤燃烧为主,混合燃烧粉的活化能均位于两种原料之间,并且随着泥粉的添加量而降低,表明添加泥粉能有效提高煤的反应活性并促进其燃烧过程,通本发明可以彻底燃烧污泥,使挥发分充分析出。(The invention discloses a method for improving coal combustion by using domestic sludge, which comprises the following steps: (1) naturally drying the domestic sludge, and then grinding to obtain sludge powder; (2) naturally drying coal, and then grinding to obtain coal powder; (3) mixing mud powder and coal powder, wherein the mud powder accounts for 5-15% of the total amount of the mud powder and the coal powder, and uniformly stirring to obtain mixed combustion powder; (4) and putting the mixed combustion powder into a vacuum tube furnace for combustion. The invention adds the mud powder into the coal powder for combustion, which can increase the combustion characteristic, and the sample kinetic equation fitting result shows that the first stage and the second stage of the mixed combustion powder mainly use the sludge combustion, while the third stage mainly uses the coal combustion, the activation energy of the mixed combustion powder is positioned between the two raw materials, and is reduced along with the addition amount of the mud powder, which shows that the addition of the mud powder can effectively improve the reaction activity of the coal and promote the combustion process thereof, and the invention can thoroughly combust the sludge and fully separate out the volatile component.)

一种用生活污泥改善煤炭燃烧的方法

技术领域

本发明涉及生活污泥处理领域，具体地说涉及一种用生活污泥改善煤炭燃烧的方法。

背景技术

中国经济的快速发展致污水排放量不断增加，污泥是污水处理过程的副产品。根据《中国城市建设统计年鉴》，2016年中国污水处理厂干污泥产生量约800万吨。这些污泥释放出恶臭气味污染空气，并且含有重金属、病原微生物、寄生虫卵和可降解性差的有机化合物等许多有害物质。传统的污泥处理方法，如垃圾填埋和农业使用，可能对空气，土壤和水带来潜在的环境风险。

污泥焚烧是一种废物能源技术，可在减少其环境污染的同时缓解日益严峻的能源危机。同时，该技术不仅可以大大减少气味和污泥量，还可以热破坏污泥中的有毒有机成分。然而，污泥具有高水分、高灰分、高密度、高粘度和低热值，具有单独燃烧不彻底、挥发分不易析出等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种燃烧特性好的用生活污泥改善煤炭燃烧的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种用生活污泥改善煤炭燃烧的方法，包括以下方法：

(1)将生活污泥自然风干，然后研磨处理，得到泥粉；

(2)将煤炭自然风干，然后研磨处理，得到煤粉；

(3)将泥粉与煤粉混合，泥粉占泥粉与煤粉总量的10～50％，搅拌均匀，得到混合燃烧粉；

(4)将混合燃烧粉投入真空管式炉中进行燃烧。

进一步地，所述泥粉的水分含量≤8％。

进一步地，所述泥粉的挥发分含量≥40％。

进一步地，所述煤粉的固定碳含量≥38％。

进一步地，所述泥粉和所述煤粉的粒径≤0.15mm。

进一步地，燃烧的具体过程为：以20℃/min的升温速率升温至900℃。

本发明的有益效果体现在：

本发明在煤粉中添加泥粉进行燃烧，可以增加燃烧特性，样品动力学方程拟合结果表明，混合燃烧粉的第一阶段与第二阶段主要以泥粉燃烧为主，而第三阶段主要以煤粉燃烧为主，混合燃烧粉的活化能均位于两种原料之间，并且随着泥粉的添加量而降低，表明添加泥粉能有效提高煤粉的反应活性并促进其燃烧过程，通本发明可以彻底燃烧污泥，使挥发分充分析出，是一种较为环保的生活污泥处理方式。

附图说明

图1是煤粉、泥粉单独燃烧的TG和DTG图谱。

图2是不同混合比例的煤粉与泥粉的燃烧TG图谱。

图3是不同混合比例的煤粉与泥粉的燃烧DTG图谱。

图4是不同升温速率下煤粉和泥粉燃烧的TG图谱。

图5是不同升温速率下煤粉和泥粉燃烧的DTG图谱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

以下实施例所使用的各种原料，如未作特别说明，均为本领域公知的市售产品。其中泥粉和煤粉的工业分析、元素分析和灰成分分析见下表1和表2。

表1原料的工业分析与元素分析

表2原料的灰成分分析

实施例1

用生活污泥改善煤炭燃烧的方法，包括以下方法：

(1)将生活污泥自然风干，然后研磨处理，过100目筛，得到泥粉；

(2)将煤炭自然风干，然后研磨处理，过100目筛，得到煤粉；

(3)将泥粉与煤粉混合，泥粉占泥粉与煤粉总量的10％，搅拌均匀，得到混合燃烧粉，记为BC90MS10；

(4)将混合燃烧粉放入瓷舟中，再将瓷舟推入真空管式炉的炉膛中，然后以20℃/min的升温速率升温至900℃使混合燃烧粉燃烧。

实施例2

用生活污泥改善煤炭燃烧的方法，包括以下方法：

(1)将生活污泥自然风干，然后研磨处理，过100目筛，得到泥粉；

(2)将煤炭自然风干，然后研磨处理，过100目筛，得到煤粉；

(3)将泥粉与煤粉混合，泥粉占泥粉与煤粉总量的20％，搅拌均匀，得到混合燃烧粉，记为BC80MS20；

(4)将混合燃烧粉放入瓷舟中，再将瓷舟推入真空管式炉的炉膛中，然后以20℃/min的升温速率升温至900℃使混合燃烧粉燃烧。

实施例3

用生活污泥改善煤炭燃烧的方法，包括以下方法：

(1)将生活污泥自然风干，然后研磨处理，过100目筛，得到泥粉；

(2)将煤炭自然风干，然后研磨处理，过100目筛，得到煤粉；

(3)将泥粉与煤粉混合，泥粉占泥粉与煤粉总量的30％，搅拌均匀，得到混合燃烧粉，记为BC70MS30；

(4)将混合燃烧粉放入瓷舟中，再将瓷舟推入真空管式炉的炉膛中，然后以20℃/min的升温速率升温至900℃使混合燃烧粉燃烧。

实施例4

用生活污泥改善煤炭燃烧的方法，包括以下方法：

(1)将生活污泥自然风干，然后研磨处理，过100目筛，得到泥粉；

(2)将煤炭自然风干，然后研磨处理，过100目筛，得到煤粉；

(3)将泥粉与煤粉混合，泥粉占泥粉与煤粉总量的40％，搅拌均匀，得到混合燃烧粉，记为BC60MS40；

(4)将混合燃烧粉放入瓷舟中，再将瓷舟推入真空管式炉的炉膛中，然后以20℃/min的升温速率升温至900℃使混合燃烧粉燃烧。

实施例5

用生活污泥改善煤炭燃烧的方法，包括以下方法：

(1)将生活污泥自然风干，然后研磨处理，过100目筛，得到泥粉；

(2)将煤炭自然风干，然后研磨处理，过100目筛，得到煤粉；

(3)将泥粉与煤粉混合，泥粉占泥粉与煤粉总量的50％，搅拌均匀，得到混合燃烧粉，记为BC50MS50；

(4)将混合燃烧粉放入瓷舟中，再将瓷舟推入真空管式炉的炉膛中，然后以20℃/min的升温速率升温至1000℃使混合燃烧粉燃烧。

实施例6

用生活污泥改善煤炭燃烧的方法的效果分析

6.1试验样品

上述实施例使用的泥粉和煤粉，以及得到的各混合燃烧粉BC90MS10、BC80MS20、BC70MS30、BC60MS40和BC50MS50。

6.2热重分析

实验采用STA449F3型同步热分析仪，主要技术指标为：(1)测量温度范围：室温～1500℃；(2)量热灵敏度：1uw；(3)温度精度：0.1℃。实验温度按设定程序以20℃/min的升温速率从室温升至900℃，采用空气作载气。对每个样品进行三次实验以确认重现性，结果显示重现性良好，误差在3％以内。

6.3燃烧动力学分析

热重曲线中可采用等温热重曲线和非等温热重曲线求出动力学方程和动力学参数(常风民等，2015)。固体反应的动力学参数(活化能和指前因子)可以通过微分和积分方法确定(Zhou等，2015)。通过积分评估煤粉，泥粉及其混合物的动力学性质。在动力学研究中采用的分解速率方程为方程式(1)：

其中x是燃烧过程中的质量转换率。F(x)是假设模型，其由反应机制确定。t和T分别表示燃烧时间(min)和绝对温度(K)。K(T)是反应速率，可以通过Arrhenius方程得到(2)：

其中，A，E和R分别表示指前因子(min^-1)，活化能(kJ/mol)和通用气体常数(8.314J/(K mol)。非等温热重分析用于燃烧时，升温速率(H，k/min)是恒定的，可以通过关系式(3)描述等式(1)：

经过整理后得到等式(4):

g(x)是积分转换函数。由于E/RT远大于1，温度积分可以通过Cauchy规则近似为式(5):

整理方程式(4)和(5)，取方程两侧的对数得出方程式(6)：

因为在等式(6)中的表达式ln((1-2RT/E)AR/HE)对于E的大多数值和燃烧的温度范围基本上是恒定的。因此，通过绘制ln(g(x)/T²)和1/T的直线E/R来获得斜率，并且可以从线的斜率计算活化能E。

6.4结果与讨论

6.4.1单一原料热重分析

图1为煤粉和泥粉单独燃烧的热重曲线(TG)和微分热重曲线(DTG)曲线。煤粉和泥粉的热重曲线有很大差异。煤粉的热重曲线(TG)在314-651℃区间出现了一次明显的失重过程，占总失重的97.15％，微分热重曲线(DTG)上对应的一个独立的失重过程。煤粉的失重速率峰值出现在529℃，为2.478％/℃。泥粉燃烧过程中的失重分为三个阶段，即水分脱水、挥发物析出和燃烧、挥发分和固定碳燃尽阶段。在122℃～201℃之间为样品的水分脱水阶段，占总失重的8.21％；201℃-659℃之间为样品的挥发物析出和燃烧阶段，是燃烧过程的主要控制阶段，占总失重的43.68％；在380℃-659℃之间为样品的挥发分和固定碳燃尽阶段，占总失重的34.08％。可以看出，泥粉的失重主要发生在挥发物析出和燃烧以及挥发分和固定碳燃尽阶段。泥粉的失重速率峰值分别在140℃、293℃以及430℃，为0.524％/℃、1.050％/℃和0.649％/℃。

煤粉与泥粉燃烧失重阶段的不同与煤粉和泥粉中的挥发分含量高低有关系。由于煤中的挥发分含量较低，并且煤燃烧时挥发分析出与固定碳燃尽阶段没有明显分开，从而导致煤样的DTG曲线在挥发分释放阶段没有出现明显的独立失重速率峰。污泥中含有较为复杂的有机物，如蛋白质，纤维素，半纤维素和木质素等，泥粉的失重主要来自这些有机物的分解。从TG曲线看，煤粉的总失重为57.85％，泥粉的总失重为43.73％，煤粉的减量化性能较好，泥粉的减量化性能较差。

6.4.2煤粉与泥粉混合热重分析

图2和图3分别是煤粉和泥粉按不同比例混合后的TG和DTG图谱，其中泥粉所占混合物的质量分数(β)分别为10％、20％、30％、40％和50％。由图2可见，不同比例的混合燃烧粉的TG与DTG曲线按顺序呈现一定的规律性。混合燃烧粉的热重曲线随着煤粉含量的增加，渐渐趋向于煤的热重曲线，且混合燃烧粉的TG曲线与煤的TG曲线相似，DTG曲线与煤粉和泥粉的DTG曲线都有所不同。混合燃烧粉的DTG曲线存在三个阶段，且挥发分与固定碳燃尽阶段的峰值最高。在第三阶段，T_max随着泥粉比例的增加而增大，表明样品的分解需要更高的温度。在煤粉中添加泥粉后，燃烧反应向低温区移动，燃烧时间提前，其中泥粉添加量为10％时的最大失重速率最大，为2.587％/℃，比煤单独燃烧的最大失重速率(2.478％/℃)增加4.40％。DTG_max越大，燃料越容易燃烧，燃烧特性越好。这表明在煤粉中添加少量的泥粉可以增大反应速率，提高热反应性。

6.4.3煤粉与泥粉及其混合物的燃烧特性

由TG和DTG曲线可进一步得到燃烧过程的三个特征温度点，包括着火温度点(T_i)、最大失重速率温度点(T_max)以及燃尽温度点(T_f)，并根据其继续计算得到可燃性指数(C)与燃烧特性指数(S)，如公式(7)、(8)所示：

式中，T_i为着火温度(着火点温度)(℃)；(dw/dT)_max为最大燃烧速率；(dw/dT)_mean为平均燃烧速率；T_f为燃尽温度即样品失重占总失重98％时所对应的温度(℃)。

这些参数可以反映出样品的燃烧特性。

表3为煤粉与泥粉以及混合燃烧粉的燃烧特性参数。可以看出，泥粉的着火温度(246℃)明显比煤粉(467℃)低了47％，这表明泥粉中含有更多的可燃成分。且混合燃烧粉的着火温度基本随着泥粉添加量的增加而减小，这可能是因为泥粉中的挥发分含量(39.63％)高于煤粉(21.37％)。混合燃烧粉中泥粉添加为40％时，样品的着火点最低，着火性能最好。煤粉和泥粉的燃尽温度相差较小，且混合燃烧粉的燃尽温度与泥粉添加量无相关规律性。由此推断，泥粉的添加对混合燃烧粉的燃尽温度并无直接影响。

可燃性指数C越大表明样品燃烧的着火稳定性能越好。如表3所示，煤粉与泥粉的可燃性指数有较大差异。泥粉的可燃性指数远小于煤粉，煤粉的单一样品的燃烧更为稳定。在混合燃烧粉中，可燃性指数随着泥粉添加量的增大而减小。但当泥粉添加量为10％时，混合燃烧粉的可燃性指数增加了6.69％，泥粉的添加可以提高样品的可燃性，燃烧反应能力增加。

综合燃烧特性指数全面反映了样品的着火和燃尽性能，S越大表明燃料的综合燃烧性能越好。如表3所示，煤粉与泥粉的综合燃烧特性指数相差较大。相比于煤煤粉，泥粉的综合燃烧特性指数较低，仅为13.04；而在煤粉中为47.16。表明泥粉的综合燃烧特性指数主要受挥发分含量影响。而煤粉由于本身挥发分和固定碳含量高，即使着火点高，综合燃烧特性指数仍然比泥粉的高。在混合燃烧粉中，综合燃烧特性指数随着泥粉添加量的增大单调递减。在煤粉中添加泥粉(β＝10％)时，混合燃烧粉的综合燃烧特性指数比煤粉的综合燃烧特性指数有所提高，增加了9.39％。

表3显示10％的泥粉添加量的混合燃烧粉出在共燃过程有最佳燃烧特性，可能是煤粉与泥粉共燃发生协同相互作用。相互作用的原因可能是，添加泥粉会在燃烧前期释放大量热量，从而加速吸热反应。煤和生物质之间的相互作用受热效应支配，生物质燃烧释放的热量迅速传递给煤，从而提高了煤的反应速度。综合而言，将煤粉与泥粉的混合燃烧可以提高燃料的燃烧性能，且混合比例以90(煤粉):10(泥粉)为宜。

表3煤粉、泥粉以及混合样的燃烧特性参数

6.4.4升温速率对燃烧特性的影响

图4、图5为不同升温速率下煤粉和泥粉燃烧的TG和DTG曲线。样品的DTGmax随着升温速率的增大而增大。煤粉与泥粉的DTG_max在升温速率为60℃/min时，分别比升温速率10℃/min时增加2.318％/℃、2.017％/℃。混合燃烧粉BC90MS10、BC80MS20、BC70MS30、BC60MS40和BC50MS50的DTG_max在升温速率为60℃/min时，分别比升温速率10℃/min时增加1.086％/℃、0.872％/℃、1.76％/℃、1.326％/℃和1.132％/℃。

可以看出，升温速率越高，同一温度下煤粉与泥粉的失重越小，这是因为固相产率变大，挥发性产物产率减小。随着升温速率的增加，DTG曲线向高温区移动，峰值增大，燃烧区变宽，燃烧失重速率变大。由此可见，升温速率越高，反应进行得越快，有机物分解的越快。当升温速率增加时，影响到样品之间的传热温差和温度梯度，部分产物来不及挥发而产生滞后现象，致使曲线向高温一侧移动。由此可见，在煤粉与泥粉的共燃过程中，降低升温速率可以使泥粉分解得更彻底，有利于焚烧过程中样品的减量化。但另一方面，当升温速率较低时，煤粉与泥粉共燃的燃烧速率和放热速率较小，不利于样品的快速处理和释放利用。

6.4.5煤粉、泥粉及其混合物燃烧动力学特征

Masnadi等报道了用于动力学分析的基本模型函g(x)和f(x)的表达。反应机理分为四种类型，包括化学反应(第一，第二，第三和第n阶)，随机成核和原子核生长(二维和三维)，相界反应(一维，二维和三维)和扩散(单向，双向和三向传输，Ginstling-Brounshtein方程和Zhuravlev方程)。表现出最佳相关性(基于R²)的g(x)的表达将被认为是最好地证明燃烧期间质量损失的动力学特征的模型的函数(Xie等，2018)。为了比较不同混合物的热化学性质，通过化学反应(一级)，随机成核和核生长(三维)，扩散(单向传输)，扩散(三向传输)，扩散(Zhuravlev方程)五种反应模型来研究样品不同燃烧阶段之间的动力学特征。

根据煤粉和泥粉及混合燃烧粉的DTG曲线，将其燃烧分为三个阶段，但其中的煤粉仅在第3阶段中出现明显的失重峰。因此，针对各自的燃烧区间求出其煤粉与泥粉不同比例对应阶段的最优动力学方程及相应的动力学参数。

由表4可知，其相关系数在0.9781-0.9984之间，说明五种动力学模型可以较好地拟合混燃过程的燃烧反应。煤粉的动力学方程符合扩散中的Zhuravlev方程，而泥粉的动力学方程符合扩散中的三向传输。混合燃烧粉燃烧的第一阶段与第二阶段与泥粉的动力学方程相同，符合扩散中的三向传输，而第三阶段与煤粉中的动力学方程一致。说明混合燃烧粉共燃过程中，第一阶段与第二阶段主要以泥粉燃烧为主，而第三阶段主要以煤粉燃烧为主。泥粉在第2阶段的活化能(46.09kJ/mol)小于第3阶段的活化能(54.53kJ/mol)，说明阶段2中的轻质组分燃烧所需的能量要低于第3阶段中的重质挥发分及固定碳(庄修政等，2018)。将煤粉与泥粉混合后发现，混合燃烧粉的活化能均位于两种原料之间，并且随着泥粉的添加量而降低。证实了添加泥粉能有效提高煤粉的反应活性并促进其燃烧过程。

表4煤粉与泥粉的不同混合比例的燃烧动力学参数表

6.5结论

(1)根据TG和DTG曲线，泥粉燃烧可分为水分脱水、挥发物析出和燃烧、挥发分和固定碳燃尽阶段三个阶段，而煤粉的燃烧仅经历挥发分和固定碳燃尽阶段一个阶段。泥粉的失重主要来自挥发分的释放，而煤粉主要来自固定碳的燃烧。

(2)与煤粉相比，泥粉的燃烧特性较差。混合物中泥粉添加量为10％时，样品的可燃性指数C与综合燃烧特性指数S分别较煤中增加了6.69％和9.39％。这表明在煤粉中添加少量泥粉可以增加反应的燃烧特性，混合比例以90(煤粉):10(泥粉)为宜。

(3)样品动力学方程拟合结果表明，混合燃烧粉的第一阶段与第二阶段的失重主要源于污泥的燃烧，而第三阶段主要源于煤粉的燃烧，混合燃烧粉的活化能均位于两种原料之间，并且随着泥粉的添加量而降低，表明添加泥粉能有效提高煤粉的反应活性并促进其燃烧过程。

应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，并不用于限制本发明，本领域技术人员可根据它做出各种修改或变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。