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活性污泥混合木屑制备生物质燃料及其燃烧特性的研究

发布时间:2019-11-07 09:42内容来源:网络整理 点击:

林浚铭1,吴小龙2,吴璐超1,黎炜1,官宝红1

(1.浙江大学环境工程系,浙江杭州310058;2.建德市水务有限公司,浙江杭州311600)

  摘要:以活性污泥混合木屑为原料制备生物质燃料,考察成型压力、物料含水率和活性污泥占比对生物质燃料的抗破碎强度和松弛密度的影响,并研究生物质燃料的燃烧特性。研究结果表明:生物质燃料的抗破碎强度和松弛密度均随着成型压力和活性污泥占比的增大而增大,物料含水率控制在15%~20%较为合适;成型压力和物料含水率对生物质燃料的抗破碎强度有显著影响,而成型压力和活性污泥占比对生物质燃料的松弛密度有显著影响;活性污泥的燃烧过程可分为水分析出、挥发分燃烧及无机盐分解3个阶段,木屑的燃烧过程可分为水分析出、挥发分析出及剩余挥发分和固定碳燃烧3个阶段;生物质燃料的燃烧过程因活性污泥占比的多少而有所差异。生物质燃料的综合燃烧性能随着木屑占比的增加而逐渐提高,活性污泥的加入可以改善生物质燃料的着火性能,合理的活性污泥混合木屑工艺和配方能够制备出燃烧性能较好的生物质燃料。

  0引言

  城镇污水厂排放的剩余活性污泥属于量大面广的有机固体废弃物,我国已出台多项针对活性污泥处理与处置的政策、规范和标准。2015年4月发布的《水污染防治行动计划》明确规定,现有活性污泥处理设施应于2017年底前基本完成达标改造,地级及以上城市活性污泥无害化处理率应于2020年底前达到90%以上。目前,我国城镇污水厂的活性污泥的处理方法主要有填埋法、土地综合利用法和焚烧法。污泥填埋法受制于选址和填埋容量;土地综合利用法常受到污泥中病原菌、毒害性有机物和重金属的限制;焚烧法处理彻底,但投资大、运行成本偏高。剩余活性污泥中含有大量有机质,我国大中型污水厂的活性污泥干基的热值可达5844~19303kJ/kg,是数量可观的可利用能源[1]。将活性污泥与煤、生物质等辅助燃料以适当的比例掺混,压制成具有一定形状和机械强度、可在工业锅炉中稳定燃烧的燃料,不仅可以大量消纳活性污泥,还能够做到较高附加值的资源化利用。

  文献[2]将造纸污泥、煤粉和塑料混合制备活性污泥衍生燃料,实现了工程化应用。文献[3],[4]采用半干法(活性污泥干化至含水率为40%~50%)制备生物质成型燃料。文献[5],[6]采用湿法成型工艺,将活性污泥(含水率为60%~90%)与秸秆等生物质或煤粉混合并压制为成型燃料。文献[7],[8]采用干法制备棒状活性污泥生物质燃料。文献[9]研究了干法制备的生物质颗粒的燃烧性能。活性污泥干法成型技术的显著优点是成型燃料的力学性能和燃烧性能较佳,且适用于现有的生物质成型设备,较容易推广应用。

  目前,国内生物质燃料干法成型工艺及生物质燃料燃烧特性的研究多以秸秆、木屑和其它农林废弃物为主,而以活性污泥和木屑作为原料,系统地研究干法成型工艺及其成型燃料燃烧性能的报道较少。因此,本文以北京市《生物质成型燃料》(DB11/T541-2008)为对照标准(以下称“标准”),考察成型压力、物料含水率和活性污泥占比对生物质燃料力学性能的影响,并研究生物质燃料的燃烧特性,以期为活性污泥能源化利用提供一条简单可行的途径。

  1材料与方法

  1.1材料

  活性污泥取自浙江省建德市城东污水处理厂污泥脱水车间,木屑取自某生物质燃料公司。原料(原料为绝干,默认水分含量为零)的工业分析和热值分析结果如表1所示。

  1.2方法

  1.2.1实验方法

  实验前对原料进行干燥粉碎处理,筛选粒径为0.5mm以下的颗粒,采用喷雾器喷水的方法将筛选后的原料配置成所需含水率。成型实验采用FYS-15G型台式手动粉末压片机(天津思创精实科技发展有限公司)。该压片机的压力为0~15t,成型模具的内径为10mm,高为50mm。原料在破碎机中高速搅拌10s使其混合均匀,准确称取1.0g混合均匀的原料放入成型模具中,通过压杆施加压力,到达所需压力之后保持当前压力30s,取出成型燃料进行力学性能测试。

  1.2.2测试和分析方法

  松弛密度:将成型燃料置于塑封袋中,3d后用游标卡尺测量成型燃料的尺寸并称其重量,从而计算其松弛密度,每组实验重复3次,取3次实验的平均值。本实验制备的成型燃料为颗粒状(截面直径D≤25mm),根据标准,松弛密度须大于1.0g/cm3

  抗破碎强度:将成型燃料从2m处自由下落到平坦的水泥地面上,重复跌落5次,测量跌落5次后的成型燃料占原成型燃料的质量百分数,每组实验重复3次,取3次实验的平均值。根据标准,抗破碎强度须大于95%。

  燃烧特性:称取约10mg样品(样品均在105℃烘干2h后储存备用)置于德国耐驰STA409PC型热重分析仪的氧化铝坩埚中,程序升温速率为20℃/min,温度为30~900℃,吹扫气体O2和保护气体N2的流速均为20mL/min。

  热值:称取约1.000g样品置于上海密通机电MTZW-A4型全自动量热仪的氧弹中,充氧后测量样品的热值。

  钙离子浓度:称取约0.150g样品,然后加入6mL硝酸、2mL盐酸和3mL氢氟酸,经微波消解定容至100mL,过0.45μm滤膜后,使用日本岛津AA6300型原子吸收分光光度计测试钙离子浓度。

  着火温度Ti:采用TG/DTG法确定试样的着火温度[10]

  燃尽温度Th:将试样失重占可燃质总失重的98%时对应的温度定义为燃尽温度。

  2结果与讨论

  2.1生物质燃料成型工艺参数优化

  2.1.1成型压力

  成型压力是生物质燃料成型的重要因素,当物料含水率为15%、活性污泥占比为50%时,成型压力对成型生物质燃料的抗破碎强度和松弛密度的影响如图1所示。

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