CN104101680A - 分析污泥燃烧特性的系统和方法 - Google Patents

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殷立宝
李畅
徐齐胜
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Abstract

一种分析污泥燃烧特性的系统，其特征是包括：内嵌控制分析软件的电脑通过数据线分别连接热天平、质谱仪和红外光谱仪，提供实验气氛氮气和氧气的气体室有气管连接至热天平，在热天平中升温反应后污泥燃烧产生的烟气经气体保温套管分别通向质谱仪和红外光谱仪。本发明还涉及采用所述系统分析污泥燃烧特性的方法。本发明可全面了解污泥燃烧特性，以促进污泥燃烧且益于环保为标准，获得较为恰当的燃烧方法，从而实现污泥无害化，资源化的利用目标。

Description

分析污泥燃烧特性的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种分析污泥燃烧特性的系统。本发明还涉及采用所述系统分析污泥燃烧特性的方法。
背景技术
污泥是流入污水处理厂的生活和工业污水处理后的泥浆状剩余物，污泥的成分很复杂，它是由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物和无机物的组成集合体。近年来，随着我国城市化的进程加快，工业生产迅速发展，城市污水处理厂的产量也急剧增加。而目前污泥的处置方法主要为填埋，堆肥和热处理。热处理方法中焚烧能够将污泥最大限度的减容，彻底的杀死污泥中的病原体，提高所含重金属的稳定性，同时也实现能源的回收利用。要更好的实现污泥的无害化和资源化，我们就需要专用的分析污泥燃烧特性的方法和系统来探究污泥的燃烧特性。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种分析污泥燃烧特性的系统。
本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种采用上述系统分析污泥燃烧特性的方法。
本发明可为研究干化污泥燃烧特性提供一种科学可靠而且全面的研究方法和系统，能够为污泥的无害化，稳定化和资源化提供科研基础方法支持。
解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种分析污泥燃烧特性的系统，其特征是包括：内嵌控制分析软件的电脑通过数据线分别连接热天平、质谱仪和红外光谱仪，提供实验气氛氮气和氧气的气体室有气管连接至热天平，在热天平中升温反应后污泥燃烧产生的烟气经气体保温套管分别通向质谱仪和红外光谱仪。
气体保温管套的作用是将热天平中污泥燃烧后所放出的气体导入质谱仪和红外光谱仪中，这样能够保证从热天平导出的气体在进入下个设备之前温度尽量保持不变。这样就可以确保质谱仪和红外光谱仪对导入气体分析的准确性。
一种采用上述系统分析污泥燃烧特性的方法，其特征是包括以下步骤：
S1取定量的污泥试样于干燥箱中，在105℃温度下将污泥完全干燥；将干燥好的污泥用磨煤机进行研磨，之后筛分为小于75mm、75～90mm、90～150mm和大于150mm四种粒径实验样品；
S2遵循单一变量原则分别改变污泥粒径、升温速率或氧气氮气配比，通过电脑实时数据的导出，从热天平相关分析软件中获得实验样品的TG(热重)和DTG(微分热重)和DSC(差示扫描量热)曲线(热天平实验获得可从软件中导出)；
如取粒径为75～90mm的实验样品10mg，将热天平反应温度设定在室温至1000℃，实验气氛通过氧气与氮气的配比为21:79，总流量为100ml/min，升温速率为30℃/min；
S3根据步骤S2获得的曲线，计算得到实验样品在整个燃烧过程中着火温度，燃尽温度和综合燃烧特性指数及活化能数据；
S4从质谱仪得到实验样品质谱图、从红外光谱仪得到实验样品光谱图，综合两者得到实验样品气体析出特性；
S5依据DTG曲线，除去升温开始阶段0-150℃温度范围内由于干化污泥失水造成的失重峰，DTG曲线还存在的两个明显失重峰，将污泥燃烧失重过程看作两个阶段，分别为污泥中不同物质集中燃烧的结果；划定每个失重峰对应的温度范围，研究这两个温度范围中对应不同物质的着火，燃尽过程以及不同阶段的综合燃烧特性指数和活化能。
通过在不同实验条件下各个数据的分析研究，随着单一控制变量的改变，我们可以获得实验样品的TG(热重)，DTG(微分热重)和DSC(差示扫描量热)曲线。依据这些曲线及数据，可以获取污泥在整个燃烧过程中着火温度，燃尽温度和综合燃烧特性指数及活化能等数据。
综合燃烧特性指数能够评判燃料在整个燃烧过程中燃烧状态的优劣，而活化能则可以透露出燃烧反应进行的难易程度。质谱仪和红外光谱仪则可以对反应气体产物组分进行分析。特别的关注类似于酸性气体(二氧化硫，一氧化氮等)等污染气体的析出情况。进而可以较为全面的了解不同实验条件下干化污泥的燃烧特性，包括燃料的失重特性，燃料放热特性和气体析出特性等。
除了对整个燃烧过程的分析研究，此分析方法还依据DTG曲线的失重峰将整个燃烧过程分段研究。由于在升温开始阶段(0-150℃)，污泥会因为失水而形成失重峰(质谱仪和红外光谱仪都能明确检测到水为主要析出气体)。除去失水峰，DTG曲线还有两个明显失重峰，可以看作污泥主要燃烧失重过程阶段，分别为污泥中不同物质集中燃烧的结果。再划定每个失重峰对应的温度范围，分别研究这两个温度范围中对应不同物质的着火，燃尽过程以及不同阶段的综合燃烧特性指数和活化能了解其燃烧特性。同样也着重研究在两个温度范围内气体的析出情况，进而可以确定不同阶段主要的燃烧物质以及对应污染气体释放等情况。
通过对热天平的使用以及实时数据在电脑上的导出，我们可以获得实验样品的TG(热重)，DTG(微分热重)和DSC(差示扫描量热)曲线。依据这些曲线及数据，可以获取污泥燃烧过程中着火温度，燃尽温度和综合燃烧特性指数等数据。而质谱仪和红外光谱仪都可以对反应气体产物组分进行分析。不同之处是质谱仪能比较灵敏的检测出气体中无机小分子成分而红外光谱仪擅长于检测有机大分子成分。这样就可以较为全面的了解在污泥燃烧过程中气体析出特性。
有益效果：本发明可全面了解污泥燃烧特性，以促进污泥燃烧且益于环保为标准，获得较为恰当的燃烧方法，从而实现污泥无害化，资源化的利用目标。
附图说明
下面用具体实施例和附图详细说明本发明。
图1为污泥燃烧实验流程简图；
图2为实验结果分析流程简图之一；
图3为实验结果分析流程简图之二；
图4为不同升温速率条件下污泥燃烧DTG曲线及峰值划分样例。
具体实施方式
本发明的分析污泥燃烧特性的系统实施例图1所示，包括：内嵌控制分析软件的电脑通过数据线分别连接热天平、质谱仪和红外光谱仪，提供实验气氛氮气和氧气等气体的气体室有气管连接至热天平，在热天平中升温反应后污泥燃烧产生的烟气经气体保温套管分别通向质谱仪和红外光谱仪。
采用上述系统分析污泥燃烧特性的方法实施例，包括以下步骤：
S1取广州市猎德污水处理厂干化处理后污泥(含水率为82％)2kg，将污泥放入鼓风干燥箱(长沙开元仪器股份有限公司)中105℃条件下干燥至恒重；后将干燥好的污泥置于ZHM-1A磨煤机(北京合众创业科技发展有限责任公司)中研磨，之后筛分为小于75mm、75～90mm、90～150mm和大于150mm四种粒径实验样品；
S2遵循单一变量原则分别改变污泥粒径、升温速率或氧气氮气配比，通过电脑实时数据的导出，从热天平获得实验样品的TG(热重)和DTG(微分热重)和DSC(差示扫描量热)曲线；
如分别取粒径为小于75mm、75～90mm、90～150mm和大于150mm的实验样品10mg，置于STA-409pc热天平(耐驰科学仪器商贸有限公司)的坩埚中，在电脑控制软件上设定好实验条件：温度范围室温至1000℃，实验气氛通过氧气与氮气的配比为21:79，总流量为100ml/min，升温速率为30℃/min；同时开启QMS-403质谱仪(耐驰科学仪器商贸有限公司)设置测量气体质量数64,30(二氧化硫，一氧化氮)和红外光谱仪(Thermo fisher)准备对燃烧气体进程测量；
还有：取粒径为小于75mm的实验样品10mg，置于STA-409pc热天平的坩埚中，实验条件：温度范围室温至1000℃，氧气与氮气的配比为21:79，总流量为100ml/min，升温速率为10℃/min、30℃/min、50℃/min；同时开启QMS-403质谱仪设置测量气体质量数64,30(二氧化硫，一氧化氮)和红外光谱仪(Thermo fisher)准备对燃烧气体进程测量；
还有：取粒径为小于75mm的实验样品10mg，置于STA-409pc热天平的坩埚中，实验条件：温度范围室温至1000℃，氧气与氮气的配比为21:79、30:70、50:50、70:30、80:20，总流量为100ml/min，升温速率为30℃/min；同时开启QMS-403质谱仪设置测量气体质量数64,30(二氧化硫，一氧化氮)和红外光谱仪(Thermo fisher)准备对燃烧气体进程测量；
S3根据步骤S2获得的曲线，计算得到实验样品在整个燃烧过程中着火温度，燃尽温度和综合燃烧特性指数及活化能数据；参见图2；
S4从质谱仪得到实验样品质谱图、从红外光谱仪得到实验样品光谱图，综合两者得到实验样品气体析出特性；参见图3；
S5依据DTG曲线，除去升温开始阶段0-150℃存在的两个明显失重峰，将污泥燃烧失重过程看作两个阶段，分别为污泥中不同物质集中燃烧的结果；划定每个失重峰对应的温度范围，研究这两个温度范围中对应不同物质的着火，燃尽过程以及不同阶段的综合燃烧特性指数和活化能，参见图4。

Claims (2)

1.一种分析污泥燃烧特性的系统，其特征是包括：内嵌控制分析软件的电脑通过数据线分别连接热天平、质谱仪和红外光谱仪，提供实验气氛氮气和氧气的气体室有气管连接至热天平，在热天平中升温反应后污泥燃烧产生的烟气经气体保温套管分别通向质谱仪和红外光谱仪。
2.一种采用如权利要求1所述系统分析污泥燃烧特性的方法，其特征是包括以下步骤：
S1取定量的污泥试样于干燥箱中，在105℃温度下将污泥完全干燥；将干燥好的污泥用磨煤机进行研磨，之后筛分为小于75mm、75～90mm、90～150mm和大于150mm四种粒径实验样品；
S2遵循单一变量原则分别改变污泥粒径、升温速率或氧气氮气配比，通过电脑实时数据的导出，从热天平相关分析软件中获得实验样品的TG和DTG和DSC曲线；
具体为取粒径为75～90mm的实验样品10mg，将热天平反应温度设定在室温至1000℃，实验气氛通过氧气与氮气的配比为21:79，总流量为100ml/min，升温速率为30℃/min；
S3根据步骤S2获得的曲线，计算得到实验样品在整个燃烧过程中着火温度，燃尽温度和综合燃烧特性指数及活化能数据；
S4从质谱仪得到实验样品质谱图、从红外光谱仪得到实验样品光谱图，综合两者得到实验样品气体析出特性；
S5依据DTG曲线，除去升温开始阶段0-150℃温度范围内由于干化污泥失水造成的失重峰，DTG曲线还存在的两个明显失重峰，将污泥燃烧失重过程看作两个阶段，分别为污泥中不同物质集中燃烧的结果；划定每个失重峰对应的温度范围，研究这两个温度范围中对应不同物质的着火，燃尽过程以及不同阶段的综合燃烧特性指数和活化能。
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