脱墨污泥+生化污泥--造纸废渣污泥基础特性研究

造纸废渣污泥基础特性研究Ξ

———造纸废渣污泥气化处理能量利用技术研究之一

周肇秋　赵增立　杨雪莲　李海滨　吴创之　陈　勇

(中国科学院广州能源研究所,广州,510070)

摘要:造纸厂废渣污泥的排放对环境造成严重污染。由于这些废渣污泥具有一定的能量价值,所以应该加以利用。为利用生物质气化技术处理废渣污泥,本文对其热解特性等进行了基础实验研究,并根据实验结果得出废渣污泥的热解动力学参数。

关键词:造纸废渣;热解;热解动力学参数

造纸工业是国民经济中一个重要的组成部份。自1992年以来,我国造纸工业的纸及纸板产量、总消费量均居世界第三位,造纸工业发展迅速。但是,在造纸过程中产生的大量的造纸废渣污泥,由于含水量高(60%以上),呈淤泥状态,成份复杂,处理利用难度大,目前大部份只采取简单的堆放和填埋,不但耗费资金,占用土地,而且对土壤、地下水及空气都造成二次污染。因此,有效地解决造纸废渣污泥排放带来的问题具有非常重要的意义。

造纸生产过程中不同的工序会产生不同种类、不同形式、不同性质的废料,它们最终混合形成废渣污泥。人们对其进行利用研究,希望变废为宝,力求从中回收资源。典型的办法是将其加工处理后制成水泥等建筑材料,或将其用作土壤改良剂;甚至还可制成饲料、纤维素酶,乙醇等。此外,废渣污泥中含有相当成份的木质、纸头和油墨渣等有机可燃成份,具有一定的热值,所以从能量回收角度出发处理废渣污泥也是一项很有意义的研究工作。国外有关的处理技术较完善,主要是在建厂时综合考虑,投巨资建立专门的废渣焚烧设备和热回收装置,直接产生蒸汽供生产使用,其中流化床燃烧方法应用较多,技术比较成熟,运行简单可靠。国内对废渣污泥焚烧处理利用技术也有一定的研究。但此方法需建立新的热利用设备(如余热锅炉等),而且由于废渣含水率高,灰份高,热值低,焚烧时往往需要外加燃油或燃气助燃。因而投资大,运行费用高,比较适合于大型的造纸厂,中小型造纸厂却难以接受。目前国内大部份造纸厂仍未进行有效处理,一般以填埋和堆放为主。

造纸废渣污泥的主要成份是木质素、糖类和盐,均有一定的能量利用价值,尤其是木质素和糖类。本研究根据它含有一定量的有机物的特点,利用生物质热解气化技术,把低品位的废渣转化为高品位的可燃气体,供工厂原有的锅炉或窑炉使用,达到节省燃料、减少污染的目的,为解决造纸厂的废渣问题寻求一条新的出路。

1　造纸废渣污泥基础热物化性研究

1.1　实验原料

实验所用的造纸废渣污泥原料取自广州造纸有限公司的脱墨污泥和生化污泥,以及广州大坦沙废水处理厂的废水污泥。三种废弃物均含有有机可燃成份,具有一定的能量利用价值。因为污泥含水量大,所以先在105℃条件下充分干燥,除去绝大部份水份,然后进行工业分析、元素分析、热分解等基础热物化性实验研究。

1.2　工业分析

表1列出了干燥后仍含有一定量残余水份的污泥样品的工业分析值。

由表1可知,脱墨污泥的挥发份最高,有利于热解气化,生化污泥次之,废水污泥最低。三者的灰份都偏高,而固定碳含量都很低,热值不高;但生化污泥的固定碳含量高于脱墨污泥,实验测得高位热值生化污泥略大于脱墨污泥(脱墨污泥12976kJ/kg,生化污泥13197kJ/kg,废水污泥4961kJ/kg)。与常规燃料相比,造纸废渣污泥的热值偏低。

Ξ广东省自然科学基金和广东省环保基金资助项目

表1样品的工业分析值(%)

类　别水　份挥发份固定碳灰　份脱墨污泥 4.2456.49 6.1233.15生化污泥10.5447.9312.5428.99废水污泥 4.7223.19 2.4469.65 1.3　元素分析

表2是污泥样品的元素分析值

表2样品的元素分析值(%)

类　别O N C S H

脱墨污泥27.740.3434.500.29 4.55

生化污泥33.38 2.2031.68 2.12 5.45

废水污泥15.96 1.7312.170.74 2.26

有研究[1]表明,即使直接燃烧处理,污泥中80%的碳将随挥发份释放出,燃烧也主要为挥发份气相燃烧,所以污泥中的C、H、O元素大部份将随挥发份析出。废渣污泥热利用处理过程会产生

NOx、SOx等气体污染,但是脱墨污泥的N、S含量少,故气化燃烧过程产生的NOx、SOx可以忽略;生化污泥的N、S含量偏高,但是因为气化过程温度较低,而且供氧量少,所以气化燃烧过程产生的气体污染物量也会很少;废水污泥的N、S含量介于前二者之间。

1.4　热解特性

对于生物质热解气化,已经进行一些研究[2,3]。不同原料的热分解产物特性不同。本热解实验在管式加热炉中进行,载气为氮气,气体产物通过排水法收集。通过可燃气成份分析仪(GC-20Shimadzu)对气体产物进行分析,得到不同热解温度下H2、CO、CH4、C2H4、C2H6、CO2等气体成份的含量。气体产物的成份决定了气体的能量密度和质量。

实验结果如图1所示。三者的热解气体成份随热解温度的升高而变化:H2、CH4、CO都呈增加趋势,但H2显著,CO较缓,CH4的增加趋势逐步减缓;C2H4先增加后减少,在850℃左右达到最大值; C2H6含量很低,且逐渐减少;CO2下降明显,气体热值随之提高。可见,在实验温度范围内

,热解温度升高使高碳氢分子成份(

C2H4、C

2

H6等)减少,相应地低碳氢分子成份(H2、CO、CH4等)则增多,这与他类生物质热解情况基本一致。此外,与木粉的热解相比,CO含量远低于木粉的CO值(40%以上),CO2则高出5%左右,从而热值相对较低;三种废弃物的热解气体产物中都含有一定量的可燃气体成份,但其中废水污泥的气体品位相对较低,这与前述废水污泥的高灰份含量相对应。

当选定热解环境气氛后,热解主要是由温度控制的。图2表示单位样品的热解气体产量随热解温度变化的关系。在实验温度范围内热解温度越高,气体产率越大。相同温度下,气体产率脱墨污泥最高,废水污泥最低。

图3表示气体产物热值随热解温度的变化情况,提高热解温度,脱墨污泥和生化污泥的气体产物热值先是快速增长,然后呈趋缓、下降的趋势;废水污泥则变化缓慢。相同温度下,气体产物热值脱墨污泥最高,废水污泥最低。

综合考虑图2、图3中温度对可燃气体产物的产率及热值的作用,为从造纸废渣污泥获得产率大且热值高的气体产物,气化过程的温度宜控制在脱墨污泥850～950℃,生化污泥及废水污泥900～950℃。

图1　热解温度对热解气体产物成份的影响

图2　污泥的气体产率与热解温度的关系

图3　热解温度对气体产物热值的影响