神木煤与生活污泥共热解特性及动力学分析

化石能源利用过程的污染问题，已受到人们的高度重视，而煤炭在我国能源结构中占主导地位，在寻找新能源的同时，应重视煤的高效清洁利用[1-2]。城市污泥这类固体废弃物带来的环境污染具有潜在性和滞后性，据统计，2017年我国城市污泥总产量已超过了4000万t，预计到2020年为6000万t至9000万t[3]。2016年我国污泥处理量只占总产量的33%，因此研究无害化污泥处理技术，提高污泥的处置率具有实际意义。传统的污泥处理方法包括卫生垃圾填埋、堆肥、海洋倾倒、土地利用、干燥和热处理[4-6]。卫生填埋易造成土地污染，且占地面积大；堆肥也造成土地和水源的污染；海洋倾倒会使污泥中的有毒物质进入水体，造成海洋生物的大面积死亡；焚烧会产生大量有毒有害气体，造成大气污染，且易形成酸雨。而煤泥共热解可在废弃物的减量化、无害化处理的同时，回收其中大量的热值，实现资源化利用，且有利于改善能源结构，实现煤与污泥的优势互补，提高整体热解特性，是生活污泥处置中最具有应用前景的方法，因此研究煤泥共热解具有重大意义。国内外学者[7-11]对污泥及煤的热解进行了大量研究，煤泥掺混物的热解过程较复杂，受多个因素的影响。刘秀如等[12]通过煤泥热解实验，证明污泥的组成对混样的热解过程影响较大，煤的添加有助于提高污泥的热解失重率，而污泥中的无机化合物对煤的热解起到了催化作用。常风民等[13]研究发现，煤泥混合样的热解存在2个相对独立的区间，200℃~450℃主要以污泥分解为主，大于450℃主要以煤的热解为主，且当煤质量分数小于50%时，有助于热解过程挥发分的析出。张号等[14]发现污泥的添加改善了煤的热解特性，使其更易于热解。秦国顺等[15]研究了含油污泥与煤共混热解特性，重点分析了掺混比例、升温速率、煤种对动力学参数的影响规律。目前对煤与污泥共混热解的研究取得了一定的进展，但对热解特征参数及热解动力学参数的分析不够深入。本文采用热重分析法，通过计算试样的热解特征参数和动力学参数，重点分析了神木煤与生活污泥热解特性差异及污泥的添加对煤的热解特性及热解动力学的影响，为煤泥共热解技术的应用提供一定基础数据和理论支持。摘要采用热重分析仪，对不同混合比例的煤泥混样进行热解特性及动力学研究。根据各试样的热重曲线（TG）和微熵热重曲线（DTG），计算热解特征参数和动力学参数，重点分析了生活污泥的添加量对神木煤热解过程的影响。结果表明：煤与生活污泥的热解过程有很大差异，主要表现在挥发分初析温度、总失重率及最大失重速率。随着污泥添加量的增加，煤泥混样热解各阶段的最大失重速率、热解总失重率逐渐增加，而热解初析温度及热解活化能逐渐减小，表明污泥的添加对煤的热解具有促进作用。污泥质量分数为90%时，煤泥混样的热解特性最优，挥发分综合释放特性指数D和热解活化能分别是煤单独热解时的2.86倍和75%。关键词煤，生活污泥，共热解，热重分析，动力学分析文章编号：1005-9598(2019)-04-0055-06中图分类号：TQ530.2；X799.3文献标识码：A神木煤与生活污泥共热解特性及动力学分析陈繁荣，王元哲，程帆，付峰，郭延红（延安大学陕西省化学反应工程重点实验室，陕西延安716000）收稿日期：2019-03-13基金项目：国家自然科学基金资助项目（21766039）；陕西省教育厅重点实验室项目（17JS140）；延安大学青年项目（YDQ2017-13）；省级大学生创新创业训练计划项目（1578）作者简介：陈繁荣（1987—），女，陕西府谷，讲师，硕士，2013年本科毕业于西安科技大学化学工程与工艺专业，主要从事煤及生物质资源清洁转化利用研究，E-mail：chenfanrong2010@163.com。第47卷第4期2019年8月煤化工CoalChemicalIndustryVol.47No.4Aug.20192019年第4期煤化工1实验1.1实验污泥与煤样污泥取自延安市某污水处理厂干化污泥，煤样为神木煤。将样品在干燥箱中以105℃的温度充分干燥，研磨过80目筛后，按煤在煤泥混样中的质量分数为10%、30%、50%分别将二者均匀混合。神木煤及生活污泥的工业分析和元素分析见表1，污泥中的重金属含量见表2。1.2热重实验采用德国NETZSCH同步热分析仪（STA449F3型），对污泥、煤及煤泥混样进行热重实验，在流量100mL/min的氮气气氛下，炉温从30℃上升到900℃。根据实验数据绘制各试样的热重曲线（TG）和微熵热重曲线（DTG），讨论在升温速率20℃/min下，煤的添加对生活污泥热解过程的影响。1.3热解特征参数研究煤与污泥的热解特性，可借助热解特征参数进行表征，包括：挥发分初析温度Ts、最大失重速率（dw/dt）max及对应的温度Tmax、半峰宽对应的温度区间T1/2、平均