1 引言(Introduction)

　　城市污水處理廠每天產(chǎn)生大量的污泥，其中水分高(達(dá)80%以上)、體積龐大、容易腐化發(fā)臭而導(dǎo)致其難處理. 隨著市政污泥及工業(yè)污泥產(chǎn)量逐年遞增，歐盟很多國家已經(jīng)制定并實(shí)施了相關(guān)環(huán)境法令，嚴(yán)禁含有可生物降解有機(jī)物的污泥進(jìn)行填埋，鼓勵對其進(jìn)行焚燒處理. 焚燒法是一種具有減量化、無害化、資源化及回收能源等優(yōu)點(diǎn)的污泥處置技術(shù)，其處理方式包括單獨(dú)焚燒和摻燒.不同來源污泥及其混合污泥的燃燒特性進(jìn)行系統(tǒng)的研究.

　　利用熱重分析法可以獲得不同來源污泥及其與煤等可燃質(zhì)的混合燃燒特性與反應(yīng)動力學(xué)參數(shù). Font等(2001)指出具有不同理化性質(zhì)的污泥其燃燒熱重曲線差異較大; 溫俊明等(2004)從污泥的TG-DTG曲線出發(fā)，得出了由3個獨(dú)立的、連續(xù)的平行反應(yīng)組成的動力學(xué)模型; 劉敬勇等(2014)研究表明不同類別污泥的燃燒特性與污水處理廠的工藝、污泥的種類及理化性質(zhì)有很大關(guān)系; Liao和Ma(2010)發(fā)現(xiàn)污泥與煤的摻燒比例對其混合樣的著火及燃燒特性有較大影響; 段鋒等(2012)研究發(fā)現(xiàn)不同的市政污泥與煤的混合燃燒特性表現(xiàn)為污泥與煤共同作用的結(jié)果; 曾佳俊等(2015)發(fā)現(xiàn)在污泥燃燒過程中加入FeCl3/CaO后可以提高污泥的燃燒性能; 劉敬勇等(2009)發(fā)現(xiàn)堿土金屬含量和類別對污泥的燃燒性能影響顯著; Xiao等(2010)研究了不同氧含量對污泥與煤的混燒特性的影響. 目前的污泥混燃研究主要集中于污泥與煤或者與生物質(zhì)混燃，而針對不同來源污泥相互間的混燃特性的文獻(xiàn)報道不多.

　　目前研究污泥燃燒動力學(xué)的方法大多直接假定焚燒為簡單反應(yīng)，如一級反應(yīng)，通過預(yù)先設(shè)定反應(yīng)機(jī)理模型進(jìn)行數(shù)值擬合，或者對高低溫分別進(jìn)行擬合. 事實(shí)上污水污泥的熱解、燃燒過程中，灰分、揮發(fā)分的成分都比較復(fù)雜. 揮發(fā)分的析出、氧氣的擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)速率隨溫度的變化，其燃燒過程不斷從動力區(qū)向擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而且，氧氣向內(nèi)部擴(kuò)散與產(chǎn)物氣體向外擴(kuò)散又相互阻礙. 因此，簡單的假設(shè)往往掩蓋了反應(yīng)過程復(fù)雜性和機(jī)理. 另外，中國城市污泥有機(jī)質(zhì)及重金屬含量具有區(qū)域性和時空性差異(郭廣慧等，2014)，會導(dǎo)致不同來源污泥混合焚燒特性的變化，但不同種類及不同來源污泥的混燃熱力學(xué)數(shù)據(jù)較為缺乏.

　　針對上述問題，本文對廣州市具有代表性的兩個生活污水處理廠的脫水污泥(S1和S2)和兩個工業(yè)污水處理廠的脫水污泥(印染污泥S3和造紙污泥S4)進(jìn)行系統(tǒng)取樣.通過熱重分析，深入研究不同氣氛、不同升溫速率、不同比例混合污泥的燃燒特性，同時計算出各類污泥的綜合燒燃特性指數(shù)，獲得不同條件下各類污泥混燃的著火、燃盡、綜合燃燒特性參數(shù)和混燃動力學(xué)模型，有助于進(jìn)一步掌握各類污泥混燃過程，以期為污泥摻燒設(shè)備設(shè)計的優(yōu)化、運(yùn)行以及燃燒工況的組織提供指導(dǎo).

　　2 材料與方法

       2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

　　實(shí)驗(yàn)采用德國耐弛公司STA409PC型綜合熱分析儀，獲得試樣熱重曲線(TG)及微商熱重曲線(DTG). 其中熱天平精度: 1 μg; 最大試樣量: 1000 mg; 溫度范圍: 室溫~1400 ℃; 實(shí)驗(yàn)氣氛升溫速率范圍: 0.1~30.0 ℃ · min-1.

　　2.2 實(shí)驗(yàn)條件

　　樣品粒度小于100目，按要求混合均勻后取樣，升溫速率為10、20、25、30 ℃ · min-1; 試樣質(zhì)量:(10±0.5)mg，溫度范圍: 室溫-1000 ℃; 實(shí)驗(yàn)氣氛: 空氣、N2、CO2、不同比例N2/O2混合氣體; 載氣流量: 100 mL · min-1.

　　2.3 試樣

　　實(shí)驗(yàn)中所用的污泥取自廣州市具有代表性的大型市政污水處理廠脫水污泥(S1)、廣州市開發(fā)區(qū)某大型污水凈化廠脫水污泥(S2)、東莞某印染廠脫水污泥(S3)、廣州某造紙廠脫水污泥(S4). 4種污泥的來源情況見表 1，可見這4種污泥的來源在污水成分、處理工藝及規(guī)模等方面都有較大的區(qū)別.

　　表1 污水處理廠基本情況及污泥來源

　　在壓濾污泥終端進(jìn)行系統(tǒng)取樣，取回后的樣品放在陰涼通風(fēng)處晾干后用粉碎機(jī)粉碎，粉碎后的污泥樣品轉(zhuǎn)移到瑪瑙研缽中研磨至所有成分過100目篩，然后在恒溫烘箱內(nèi)于105 ℃干燥24 h. 實(shí)驗(yàn)所采用污泥的元素分析、工業(yè)分析見表 2. 實(shí)驗(yàn)主要以廣州市具有代表性的大型生活污水處理廠脫水污泥(S1)為主體，摻燒其他3種含工業(yè)廢水較多的污泥.

　　表2 污泥樣品的工業(yè)分析和元素分析

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 不同來源污泥混合燃燒TG-DTG熱重曲線分析

　　3.1.1 單一污泥的TG-DTG熱重曲線分析

　　考察了升溫速率為20 ℃ · min-1，空氣氣氛下4種單一污泥的TG-DTG曲線(圖 1). 由圖 1可見，污泥燃燒過程主要分為4個階段，包括自由水和結(jié)合水析出、揮發(fā)分析出和燃燒、揮發(fā)分和固定碳燃盡、殘留物燃燒和分解階段，其中揮發(fā)分析出和燃燒控制整個燃燒過程(熊思江等，2011). 以市政污泥S1為例，第一階段的溫度范圍是: 35~180 ℃，這是污泥中自由水和結(jié)合水析出的過程; 第二階段從180~400 ℃為揮發(fā)分(有機(jī)物)的析出和燃燒，主要是有機(jī)物的揮發(fā)與燃燒，是燃燒過程主要控制階段，這一階段中最大的燃燒速率出現(xiàn)在288 ℃左右; 400~650 ℃是揮發(fā)分和固定碳的燃盡，主要是未燃盡的有機(jī)物的碳化和固定碳的燃燒; 最后一階段650 ℃至最后是殘留物的燃燒和分解，主要是無機(jī)鹽類的析出和分解(高鑫等，2015). 從TG曲線看，S1與其他3種污泥相比，S1的最大失重率最小，污泥焚燒減量化最差，而S2減量化性能最好. 兩個市政污泥燃盡性能差別較大，可能與污泥成分有關(guān). DTG曲線中4種污 泥揮發(fā)分的析出和燃燒峰出現(xiàn)的時間基本相同，說明兩種污水污泥的揮發(fā)分成分相似，另外S2、S4的揮發(fā)分析出速率比S1、S3要大的多，這可能與S2、S4揮發(fā)分含量較高有關(guān). 污泥S2的揮發(fā)分2燃燒峰出現(xiàn)的最早，速率最大，而S1、S3、S4的析出時間基本相同，最大析出速率順序?yàn)镾2>S1>S3>S4，說明污泥S2的有機(jī)物易碳化，有機(jī)物揮發(fā)燃燒比其他3個樣品快. S4在800 ℃左右還有一個比較明顯的揮發(fā)峰，可能與S4中含有較多的碳酸鹽類有關(guān)，在800 ℃的時候碳酸鹽分解揮發(fā). S3和S4兩種工業(yè)污泥差別比較大，原因是兩種不同污水來源和處理工藝的不同，使得污泥的理化性質(zhì)有較大差異(肖本益和劉俊新，2008).

　　圖1 4種不同來源單一污泥各自的TG和DTG曲線

　　3.1.2 不同來源污泥混燃的TG-DTG熱重曲線分析

　　重點(diǎn)考察了廣州具有代表性的市政污泥S1與其他3類不同來源污泥的混燃情況(圖 2). S1與污泥 S2混燃的TG-DTG見圖 2a和圖 2b，可以看到不同比例的混合曲線基本位于兩條單一樣品污泥曲線之間，并且混合曲線隨著S1混合比例增加，漸漸趨向于S1，兩個單一污泥DTG曲線揮發(fā)峰在混合污泥中都有體現(xiàn). S1燃燒揮發(fā)峰小，燃燒性能差，并且隨著S1混合比例增加，混合燃燒性能也變差. TG曲線中污泥S1混合比例分別為80%、90%時，其最大失重率小于單一污泥S1，這可能是由于S1及S2同為市政污泥其理化性質(zhì)相差較小，存在的交互作用較弱.

 

　　圖2 污泥S1分別與S2、S3、S4混合燃燒的TG-DTG曲線

　　市政污泥S1與印染污泥S3混合燃燒見圖 2c和2d. 兩個單一污泥燃燒TG曲線都位于混合曲線下方，污泥混合后反應(yīng)向高溫區(qū)移動，反應(yīng)時間滯后，其中S1與S3混合燃燒總失重率都小于S1和S3燃燒的失重率，表明混合燃燒沒有提高污泥的燃盡性能. 對比DTG曲線可見，混合后的DTG曲線形狀相似，第二個峰最大失重速率為0.46 mg · min-1，最大失重率比較接近，都大于單一污泥的燃燒速率，證明兩類污泥存在強(qiáng)烈的交互作用，對混合污泥燃燒影響較大. 市政污泥S1與工業(yè)污泥S3物化性質(zhì)差異較大，S3的加入可以與S1產(chǎn)生交互作用并促進(jìn)混合污泥的燃燒，并且燃燒形成了一些難以分解和揮發(fā)的物質(zhì)，這從TG曲線最大失重率減少，可以得到證實(shí).

　　對比TG-DTG曲線，市政污泥S1與造紙污泥S4混合的燃燒曲線(見圖 2e和2f)都在兩個單一曲線之間，4條混合污泥的曲線相互之間都很接近，兩種污泥的單一揮發(fā)峰都在混合曲線中有所體現(xiàn). 在DTG最大峰值右邊有明顯的波動，揮發(fā)峰出現(xiàn)時間先后不一樣，與兩種污泥區(qū)別性質(zhì)差異大有關(guān); 相似的規(guī)律同樣出現(xiàn)在有機(jī)物燃盡和固定碳燃燒峰. 對比S1單獨(dú)燃燒，S4和混合試樣在800 ℃左右出現(xiàn)明顯的無機(jī)鹽類析出峰，隨著S1比例增大，明顯變小，可能是由于引起該峰的主要是S4樣品，隨著混合樣品中S4的比例變少，樣品中可揮發(fā)物質(zhì)減少. 不同種類污泥混合燃燒，不同種類的污泥影響差異很大，相互之間影響大小與污泥的種類有很大關(guān)系(楊琳和冉景煜，2010).

　　為了更好說明各混合污泥的交互作用，本論文利用混煤燃燒交互作用算法(馬國偉等，2013)計算了污水污泥S1混合其他3類污泥的交互作用，求解結(jié)果見圖 3. 由圖 3可知，S1分別與S2和S4混合燃燒的交互作用相對較小，S1與S3混合燃燒交互作用較強(qiáng)，這表明實(shí)驗(yàn)值與計算值曲線離異程度越大，則表明交互作用越強(qiáng)，這與前述結(jié)果一致.

　　圖3 不同類污泥混燃交互作用求解示意圖

　　3.1.3 不同氣氛對污泥燃燒的影響

　　分別在單一氣氛N2、CO2及不同O2含量N2/O2條件下，對市政污泥S1進(jìn)行熱重實(shí)驗(yàn)(見圖 4). 污泥S1熱解曲線(N2與CO2氣氛)在揮發(fā)分析出這一段基本是重合的，從DTG曲線可以看到在CO2條件下燃燒速率相對高一些，總的失重率基本沒有變化，表明其熱解過程雖然基本相似，但CO2氣氛更有利于污泥的熱解; 800 ℃后CO2還有一個比較明顯的失重峰，分析可能是有機(jī)物炭化后的未燃燒的固定碳在高溫條件下，被CO2氧化為一氧化碳變?yōu)闅怏w揮發(fā)出來. O2含量分別為30%和50%氣氛條件下的TG-DTG曲線見圖 5. 隨著O2濃度的升高，TG曲線向低溫區(qū)移動; 同時，DTG峰值更大，燃燒速率更快. 可見，氧濃度越高，反應(yīng)進(jìn)行得越快，有機(jī)物分解得越快，有利于反應(yīng)的進(jìn)行.

　　圖4 污泥S1分別在N2和CO2氣氛下TG-DTG曲線

　　圖5 污泥S1在不同O2濃度下TG-DTG曲線

　　3.1.4 不同升溫速率對污泥燃燒的影響

　　市政污泥S1在空氣條件下、升溫速率ф分別為10、20、25、30 ℃ · min-1的TG-DTG曲線見圖 6. 隨升溫速率從10、20、25、30℃ · min-1升至25℃ · min-1時，TG曲線向高溫區(qū)移動，升溫速率小的反應(yīng)比較充分，揮發(fā)分析出的溫度更高，但最大失重率隨著溫度升高而減小. 從DTG曲線可以看到隨著升溫速率ф的增大，DTG曲線向高溫區(qū)移動，峰值增大，燃燒區(qū)間變寬，燃燒失重速率變大，燃燒更劇烈. 可見，升溫速率越高，反應(yīng)進(jìn)行得越快，揮發(fā)分析出越快. 但是污泥中有機(jī)質(zhì)分解和燃燒需要一定時間，當(dāng)升溫速率增加時，影響到試樣之間和試樣內(nèi)外層之間的傳熱溫差和溫度梯度，部分產(chǎn)物來不及揮發(fā)而產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，從而導(dǎo)致污泥整體熱滯后現(xiàn)象的加重，致使曲線向高溫一側(cè)移動，部分可燃質(zhì)需在更高的溫度下逸出. 由于隨著升溫速率增大，TG曲線移動的距離越來越小，可見污泥焚燒存在一個最佳的升溫速率，這與揮發(fā)分析出特性指數(shù)單調(diào)遞增及增加速度減慢也是一致的.

　　圖6 不同升溫速率下污泥S1的TG-DTG曲線

　　3.2 不同來源污泥燃燒的綜合評價

　　3.2.1 揮發(fā)分釋放特性指數(shù)

　　在燃料燃燒過程中，揮發(fā)分的析出直接影響燃燒的著火溫度. 文中采用揮發(fā)分釋放特性指數(shù)D(陳建原和孫學(xué)信，1987)對試樣燃燒揮發(fā)分析出情況進(jìn)行描述:

　　由表 3可以看出，污泥的揮發(fā)分釋放特性指數(shù)在0.65×10-8~5.05×10-8 mg · K-3 · min-1之間，小于煤的揮發(fā)分釋放特性指數(shù)(聶其紅等，2001)，其中隨著升溫速率的提高，瀝滘污泥S1的著火點(diǎn)變高，要在更加高的溫度下才可以著火，相反的污泥的揮發(fā)分析出越來越好，揮發(fā)分特性指數(shù)單調(diào)遞增. 4種不同來源污泥的著火點(diǎn)S1最低，但揮發(fā)特性指數(shù)最小，S1容易著火燃燒，但揮發(fā)性能不佳; 污泥S2最大揮發(fā)速率最高，含揮發(fā)分最多; 印染污泥S3的揮發(fā)分釋放特性指數(shù)最高，燃燒性能最好. 考察混合污泥燃燒發(fā)現(xiàn)，S1與S2混合燃燒時，著火點(diǎn)和最大失重速率相似，并沒有隨著比例改變發(fā)生較大的改變，揮發(fā)分釋放特性指數(shù)波動性變化，說明這兩種污泥混燃時的交互作用受混合比例的影響較大. 污泥S1與工業(yè)污泥S3混合燃燒的揮發(fā)分釋放特性指數(shù)隨著S1混合比例的增大而增大，這是由于S1的著火點(diǎn)較低，揮發(fā)性差，混合燃燒的交互作用隨著S1含量增大而增大. S1與S4混合燃燒著火點(diǎn)隨著S1比例增大而降低，與S3相反揮發(fā)特性指數(shù)D隨著S1比例增大而減小，揮發(fā)特性指數(shù)向S1靠近，揮發(fā)性能下降; S1混合不同污泥，揮發(fā)特性影響差異較大，證明不同類型的混合污泥揮發(fā)性能并不一樣以混合比例為5:5考慮，污泥S1混合污泥S2后其揮發(fā)特性最好.

　　表3 不同來源污泥混合燃燒的揮發(fā)分釋放特性指數(shù)

　　3.2.2 燃盡指數(shù)

　　本文將試樣失重占總失重的98%時對應(yīng)的溫度定義為燃盡溫度Th.燃盡特性是表征可燃物燃燒性能的一個重要指標(biāo)，用燃盡指數(shù)Cb(聶其紅等，2001)來描述工業(yè)污泥的燃盡特性，可定義如下:

　　式中，f1為TG曲線上著火點(diǎn)對應(yīng)的試樣失重量與試樣中可燃質(zhì)含量的比值; 將試樣燃燒失重從開始到燃燒98%可燃質(zhì)的時間定義為燃盡時間τ0，τ0時刻所對應(yīng)的試樣失重量與試樣中可燃質(zhì)含量的比值定義為總?cè)急M率f，則后期燃盡率f2=f-f1. 其中，f1反映了揮發(fā)分相對含量、污泥著火特性的影響，f1越大，污泥可燃性越佳; f2反映了污泥中碳的燃盡性能，與含碳量、碳的存在形態(tài)等特性有關(guān)，f2越大，污泥的燃盡性能越佳. 由表 4可見污泥S1的燃盡指數(shù)隨著升溫速率提高而降低，不利于污泥減量化，同時初期燃盡率f1上升，有利于污泥燃燒. 不同來源污泥燃盡指數(shù)排序?yàn)镾1>S3>S2>S4，初期燃盡率f1排序?yàn)镾3>S1>S2>S4，說明S3可燃性最好，S1的燃盡特性最好. S1與其他3種污泥混燃的初期燃盡率f1基本都是隨著S1添加比例提高而增大，可燃性變好，同樣燃盡指數(shù)變大，燃盡性能越好. 混合比例為5/5的混合污泥的燃盡指數(shù)大小依次為S1+S2>S1+S3>S1+S4，說明市政污泥S1與污泥S2混燃的可燃性與燃盡參數(shù)最佳.

表4 不同來源污泥混合燃燒的燃盡指數(shù)

3.2.3 可燃性指數(shù)

　　為全面評價污泥的燃燒穩(wěn)定性情況，采用可燃性指數(shù)C(胡勤海等，2008;)來表征試樣的整體燃燒特性.

 

　　式中，Ti為著火溫度(著火點(diǎn)溫度)(K);(dw/dT)max 為最大燃燒速率; C越大表明試樣的燃燒著火穩(wěn)定性能越好. 如表 5所示，市政污泥S1隨著升溫速率提高，可燃性指數(shù)增大，燃燒越穩(wěn)定; 單一污泥燃燒穩(wěn)定性順序?yàn)? S4>S1>S2>S3，造紙S4燃燒最穩(wěn)定. S1與S2混合的樣品，燃燒穩(wěn)定性隨著S1含量增大而變差; S1與S3混合的樣品，燃燒穩(wěn)定性隨著S1含量增大而變好. 不同種類污泥混燒的穩(wěn)定性并不一樣，污泥S1與污泥S2混合可燃性指數(shù)最高，燃燒最穩(wěn)定，而造紙污泥及印染污泥燃燒性能較差. 由于污泥焚燒爐必須要考慮進(jìn)料及其燃燒的穩(wěn)定性，而不同來源污泥混燃其穩(wěn)定性差異較大，因此考慮不同種類污泥混燒對焚燒爐的設(shè)計有重要意義.

　　3.2.4 綜合燃燒特性指數(shù)

　　為全面評價試樣的燃燒情況，采用綜合燃燒特性指數(shù)S(胡勤海等，2008;沈伯雄等，2000)來表征試樣的整體燃燒特性:

 

　　式中，(dw/dτ)max為最大燃燒速率(mg · min-1);(dw/dτ)mean為平均燃燒速率(mg · min-1)，其值越大，表明燃盡越快; Th燃盡溫度試樣失重占總失重98%時對應(yīng)的溫度(K). 綜合燃燒特性指數(shù)S全面反映了試樣的著火和燃盡性能(mg2 · K-3 · min-2)，S越大說明試樣的綜合燃燒性能越佳.

　　由表 5可見，隨著升溫速率提高，平均燃燒速率和綜合燃燒指數(shù)S單調(diào)遞增，4種單一污泥綜合燃燒指數(shù)S排序?yàn)? S2>S4>S1>S3，說明S2的綜合燃燒性能最好. 以混合比例9/1為例，混合污泥的S排序?yàn)镾1+S2>S1+S4>S1+S3，兩種市政污泥S1與S2混合燃燒效果最好. 當(dāng)S1污泥中添加造紙污泥S4后，混合樣的綜合燃燒特性指數(shù)高于S1單獨(dú)樣，而摻燒S3結(jié)果相反，可見焚燒過程中不同類型的污泥混合后，其S差別較大. 向S1污泥中添加其他類污泥時，以S4為例，隨著S1含量增加反而降低其燃燒性能，可能是因?yàn)閮烧吆�量慢慢接近時，交互作用增強(qiáng)，有利于燃燒的進(jìn)行. 因此，不同種類污泥混燃的比例也是焚燒的重要考慮因素.

　　表5 不同來源污泥混合燃燒的可燃性指數(shù)與綜合燃燒特性指數(shù)

3.3 污泥混燃動力學(xué)模型

　　每個試樣的燃燒實(shí)驗(yàn)可以認(rèn)為是一系列揮發(fā)分釋放、燃燒的綜合行為，它們的活化能符合以下動力學(xué)方程(陳鏡泓和李傳儒，1985):

　　式中， α為熱解轉(zhuǎn)化率，%，E活化能(J · mol-1); A為頻率因子(min-1)，R為氣體常數(shù)，8.314 J · mol-1 · K-1，T為反應(yīng)溫度，f(x)為與燃燒機(jī)理相關(guān)的函數(shù). 經(jīng)過整理得到:

 

 

　　假設(shè)混合試樣等由3部分物質(zhì)(即揮發(fā)分1、揮發(fā)分2和固定碳)組成，從污泥及其混合物燃燒的宏觀動力學(xué)角度，把失重過程的3個階段與3個相互獨(dú)立的、連續(xù)的、平行反應(yīng)相對應(yīng)，各部分物質(zhì)在升溫過程中單獨(dú)進(jìn)行反應(yīng)(溫俊明等，2004). 在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理過程中發(fā)現(xiàn)，無論是單步反應(yīng)還是多步反應(yīng)，在每步反應(yīng)中，DTG峰值兩側(cè)的反應(yīng)機(jī)理一般不可能相同. 本研究中將試樣DTG曲線中燃燒速率較大的揮發(fā)分1、揮發(fā)分2及固定碳失重峰峰值前后采用不同的燃燒機(jī)理模型來描述. 在升溫速率為20 ℃ · min-1，空氣條件下以S1樣品第一揮發(fā)峰峰后為例擬合，分別在不同的反應(yīng)機(jī)理下將峰前峰后橫、縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)代入，并進(jìn)行線性擬合(n分別取0.5、1、1.5、2)，以可決系數(shù)R2最大來確定反應(yīng)曲線方程和活化能E，其燃燒動力學(xué)方程圖解和動力學(xué)參數(shù)圖解見圖 7、圖 8

　　圖7 S1污泥第1析出峰燃燒動力學(xué)方程圖解

　　圖8 S1污泥第1析出峰燃燒動力學(xué)方程擬合曲線

　　在燃燒動力學(xué)參數(shù)中，活化能E是一個非常重要的參數(shù)，它代表反應(yīng)物的分子由初始穩(wěn)定狀態(tài)變 為活化分子所需要吸收的能量，活化能比著火點(diǎn)更 能從本質(zhì)上描述試樣的著火性能. 按照上述方法可得，每個樣品的峰前、峰后反應(yīng)級數(shù)都不一樣，各自的反應(yīng)動力學(xué)差異較大. 各階段擬合方程的可決系數(shù)在0.8469～0.9999之間，線性比較好，說明最終確定的各個試樣的反應(yīng)級數(shù)比較合理，動力學(xué)參數(shù)的求解結(jié)果見表 6. 由表 6可知，試樣在燃燒峰前的活化能通常比燃燒峰后的活化能小，燃燒反應(yīng)峰前通常是反應(yīng)由易變難的過程，而峰后則是反應(yīng)由易變難的過程.同時低溫段的活化能也比高溫段的活化能小，這與污泥難揮發(fā)有機(jī)物在高溫燃燒結(jié)果是一致的.

　　表6 污泥燃燒時的動力學(xué)參數(shù)

本文同時采用(Cumming，1984)提出的質(zhì)量平均表觀活化能Em的概念和計算方法計算燃燒反應(yīng)總體的表觀活化能，Em的定義如下:

 

　　式中，E1～En為各反應(yīng)區(qū)段的表觀活化能; F1～Fn為各反應(yīng)區(qū)段的燃燒質(zhì)量損失份額.對比不同升溫速率污泥S1表觀活化能，隨著升溫速率提高，表觀活化能也減小，這與污泥TG-DTG曲線向高溫區(qū)移動是一致的. 從單一污泥的燃燒所得的活化能可以看出，印染污泥S3燃燒過程的質(zhì)量平均表觀活化能Em最小，污泥S1的質(zhì)量平均表觀活化能Em最大. 對于混合試樣的燃燒來說，S1與其他3種污泥混燃的活化能均有所下降，活化能減少，燃燒更加容易進(jìn)行. S1與S2混燒時，隨著S1含量的增加，其混合樣活化能逐漸減少，這與S1和S2之間產(chǎn)生的交互作用有關(guān). 相反的是S1與S4混燃后，混合樣平均活化能有所增加，燃燒進(jìn)行緩慢，可能是S1所需活化能高、相互之間的交互作用很弱的緣故.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結(jié)論

　　1)不同來源污泥整個燃燒過程可分為4個階段，不同來源污泥焚燒特性差異較大，其燃燒特性受污水來源、處理工藝和污泥種類有關(guān)，其中揮發(fā)分的析出和燃燒階段制約著污泥的整個燃燒過程.

　　2)不同來源及摻燒比例影響污泥的摻燒特性，其中市政污泥S1混合S2污泥后，其綜合燃燒性能顯著提高，而污泥S1與印染污泥及造紙污泥混合后，其綜合燃燒指數(shù)有下降趨勢.

　　3)隨著升溫速率增加，污泥的揮發(fā)特性指數(shù)D及綜合燃燒指數(shù)S都有所增加，而燃盡指數(shù)C下降; 提高升溫速率和O2濃度都可以改善混合污泥的綜合燃燒性能.

　　4)污泥S1混合污泥S2后，其混合樣的活化能E降低最多，而S1與印染污泥及造紙污泥分別混合后，活化能下降不明顯，說明同類別污泥混燃其反應(yīng)更加容易進(jìn)行，這與混合污泥的綜合燃燒特性指數(shù)變化規(guī)律一致.