城市污泥焚烧特性研究

城市污泥焚烧特性研究＊崔素萍1刘红1田巍2王亚丽1吴霞1刘科2（1北京工业大学材料学院，北京100022；2北京水泥厂有限责任公司，北京102202）摘要：焚烧法处理城市污泥,高效快捷、减容显著、能源利用率高。本文以X射线衍射(XRD)、X荧光分析(XRF)和电镜分析（SEM）分析方法，对城市污泥在不同温度和时间的焚烧特性进行研究。研究结果表明：随着焚烧温度升高和时间延长，污泥减重明显；焚烧灰渣的化学、矿物组成因为盐类的分解而有所变化；灰渣结构呈疏松状，表面出现孔隙和气孔。关键词：城市污泥焚烧XRDSEM中图分类号：TK16TheResearchonCombustionCharacteristicsofMunicipalSewageSludgeCUISu-ping1,LIUHong1,TIANWei2,WANGYa-li1,WUXia1,LIUKe2(1.Eco-BuildingMaterialLaboratory,BeiJingUniversityandTechnology,BeiJing100022,China;2.BeijingCementPlantlimitedliabilitycompany,BeiJing102202，China)Abstract:Incinerationdisposalofmunicipalsludgehasmuchadvantage,suchasefficientandfast,significantvolumereduction,highenergyefficiency.ThispaperstudiedtheburningcharacteristicsofmunicipalsewagesludgeatdifferenttemperatureandcombustingtimeusingX-raydiffraction(XRD)、X-rayfluorescence(XRF)analysisandscanelectronmicroscopy(SEM)analysismethods.Theresultsshowthat:withtheburningofincreasingtemperatureandtimeextension,weightlossofsludgeisobvious;chemicalandmineralcompositionofashfromincinerationchangeasthedecompositionofsalts;ash’sstructureislooseandsurfacehasStomataandpore.Keyword:municipalsewagesludgeIncinerationXRDSEM0前言城市污水厂污泥(以下简称城市污泥)主要来自初沉池和剩余污泥的排放,含有丰富的可以利用的氮、磷多种微量元素和有机质,但也含有大量病原体、寄生虫(卵)和一定量的重金属和多种有毒有害有机污染物,制约着污泥的资源化利用。我国年产干污泥量约为5.0×109kg,且呈不断上升趋势。采用焚烧法处理污泥能最大限度减容、减量化，而且处理速度快，完全灭杀病原物，使有毒污染物被氧化，污泥灰渣中的重金属活性较污泥中要低得多，并可使空气净化设备排放气体达标，同时污泥燃烧产生热能可发电[1]。＊北京市科学技术委员会（D0704060061000）资助崔素萍：女，1964年生，博士，教授，硕士生导师，主要从事水泥及水泥基材料方面的研究刘红：女，1982年生，硕士，主要从事废弃物处理与资源化的研究Emails：[e-mail]:13810338740本文选取城市污泥，对其焚烧后的灰渣进行了X射线衍射(XRD)、X射线荧光分析(XRF)和电镜分析（SEM）,并对结果作了进一步的分析。1原材料来源及实验方法本文选取的城市污泥来源于北京某污水处理厂。00058596061626364本文采用以下实验研究污泥随焚烧温度和焚烧时间的变化：将污泥样品充分脱水，再将其取出碾碎，经80目筛子(孔径0.198mm)筛分，称重后放入箱式电阻炉加热，试验温度分别设定为500℃、600℃、700℃、800℃和900℃，对污泥灼烧1小时后再取出称重。另外，为研究焚烧时间对污泥的影响，在焚烧温度为900℃的工况时，设定污泥的焚烧时间分别为30min、60min、120min进行实验，在不同的焚烧温度和焚烧时间分别计算其减重率。并通过X射线衍射分析(XRD)、X射线荧光分析(XRF)和电镜分析（SEM）对焚烧灰的成分、组成和形貌进行分析。6065070075088509002试验结果与分析2.1焚烧温度和焚烧时间对污泥失重率的影响本文采用污泥的减重率表示污泥的失重随焚烧温度和焚烧时间的变化。污泥的减重率是指焚烧过程中污泥的重量变化与污泥原始重量的比值。实验结果示于图1-图2。由图1可知，随着焚烧温度由500℃升高到700℃，污泥的减重率也相应地提高。但温度超过700℃之后减重率的增幅明显变小，这主要是因为在低温时污泥中的水分、挥发份析出、易挥发的金属挥发和一些可燃有机质的热解和燃烧造成了污泥的失重。在较高焚烧温度下，减重率增幅减小，可能是因为污泥样品中部分物质与空气中的氧气发生了反应，生成了稳定的氧化物不再析出。由图2可知，在相同的温度900℃下，随着焚烧时间的增加，城市污泥的减重率随时间先减小后增加，当焚烧时间超过60min之后,减重率有明显的提高，这可能是因为污泥中一些低温时较稳定的矿物发生分解造成的，同时也与一些温度较低时基本不析出的高沸点重金属元素如Zn，Pb等逐渐析出也有一定关系[2]。减重率/%焚烧温度/℃图1不同温度下城市污泥的失重变化Fig1Weightlosschangeofmunicipalsewagesludgeunderdifferentcombustiontemperatures2.2温度对污泥焚烧灰渣组成的影响2.2．1温度对污泥焚烧灰渣矿物组成的影响本文对500℃、700℃和900℃焚烧一小时的污泥灰渣进行XRD分析，观察各组分在焚烧灰渣中存在的物相，实验结果见图3。由图3可知，温度为500℃时，污泥焚烧灰渣中的主体成分是SiO2、CuS和Ca(Mg0.67Fe0.33)CO3，由于碳酸盐的不稳定，当温度升高到700℃时，已经检测不到Ca(Mg0.67Fe0.33)CO3，说明碳酸盐已经发生了分解。K(AlSi3O8)和CaAl2Si2O8在500℃时能检测到，但到了700℃时就检测不到了，说明它们只能在低温时稳定存在，当温度升高到700℃时已经完全分解了。在全部工况下所得的灰渣中，SiO2都是其中的主要组成部分，而且CuS也一直存在于所有工况下所得的污泥灰渣中。当温度达到900℃时基本没有新的物质形成，在700℃时存在的CaMgV2O7、(K0.22Na0.78)(AlSi3O8)和Na8[AlSiO4]6[B(OH)4]2这些物质在900℃时依然能检测到，说明它们比较稳定。Cr元素及其化合物一直是人们关注的对象。刘刚[2]在污泥焚烧灰渣的研究中发现Zn和Cr2O3在500℃、700℃焚烧温度下，比较容易以ZnCr2O4的形式存在，但在本文的研究中未能检测到，可能的原因就是Cr元素在污泥中的含量太少，致使污泥灰渣中检测不出ZnCr204。2040608010012063.063.564.064.565.065.566.0减重率/%时间/min图2不同焚烧时间下城市污泥的失重变化Fig2.Weightlosschangeofmunicipalsewagesludgeunderdifferentcombustiontime图3不同温度下城市污泥的矿物组成分析Fig3.Mineralcompositionofmunicipalsewagesludgeatdifferenttemperatures2.2.2温度对污泥焚烧灰渣化学组成的影响通过X射线荧光分析方法了解污泥在焚烧过程中化学组成发生的变化，实验结果示于图4。由图4可知，在焚烧的过程中，城市污泥中的水分和有机质含量有所大量减少，致使城市污泥焚烧灰中无机成分的含量有所增加，SiO2、P2O5、MgO和K2O等的含量有所增加，SiO2的含量是最多的，结合图3可知主要是因为一些在低温比较稳定的盐在高温发生了分解，而CaO、Al2O3、Fe2O3等的含量没有明显变化。(a)500600700800900510152025含量/%温度/℃由图5可知，随着焚烧温度的提高，一些污泥大颗粒分解为小颗粒，使得污泥的细颗粒增多，比表面积增大。电镜照片也逐步呈现疏松状，说明其中的有机成分也已经开始分解，污泥中的挥发分和气体逐渐析出，在灰渣表面形成孔隙和气孔。由图3可知，Ca(Mg0.67Fe0.33)CO3在500℃时还能检测到，到700℃时已经不存在了，发生了分解，由此也验证了污泥焚烧灰中出现的众多气孔。2.3污泥焚烧过程结构分析2.3污泥焚烧过程结构分析为了更好的说明焚烧温度对污泥灰渣结构的影响，对不同温度的污泥焚烧灰渣进行扫描电镜分析，实验结果见图5所示。(a)500℃2SiOP2O5CaOAl2O3Fe2O35006007008009000.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0K2OMgONa2OZnOCr2O3含量/%温度/℃(b)图4不同温度下渣中化学组成含量的变化Fig4.Thequantityofchemicalcompositioninmunicipalsewage(b)700℃3结论（1）污泥在低温时失重较为明显，主要是水分、挥发份、有机质燃烧以及一些气体的逸出造成的，高温时减重趋势趋于平缓，主要是因为高温时生成了稳定的氧化物不再析出。(2)由于城市污泥中的有机质在焚烧过程中消耗掉，致使无机成分有了相应地提高。SiO2、P2O5、MgO和K2O等的含量有所增加，主要是因为一些在低温比较稳定的盐在高温发生了分解，而CaO、Al2O、Fe2O3等的含量没有明显变化。（3）随着焚烧温度的升高，污泥的细颗粒增多，比表面积增大，结构呈现疏松状态，并在灰渣表面形成孔隙和气孔。参考文献1WertherJ,OgadaT,Sewagesludgecombustion.ProgressinEnergyandCombustionScience,1999,25:552刘刚.典型危险废弃物回转窑热处置特性和技术研究[D].浙江大学，2006(c)900℃图5不同温度下城市污泥扫描电镜分析Fig5Thescanelectronmicroscopyanalysisofmunicipalsewagesludgeatdifferenttemperature城市污泥焚烧特性研究作者：崔素萍，刘红，田巍，王亚丽，吴霞，刘科作者单位：崔素萍,刘红,王亚丽,吴霞(北京工业大学材料学院,北京,100022)，田巍,刘科(北京水泥厂有限责任公司,北京,102202)本文链接：