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吉建斌

 
 
 

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干燥污泥与含水污泥的热解动力学研究(下)  

2017-12-28 07:10:29|  分类: 废水污泥处理和资 |  标签: |举报 |字号 订阅

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3 污泥热解表观动力学参数

污泥热解反应描述为:As BsCg(A物质变为B物质+C物质,s表示固体,g表示气体)。对于污泥和大多数的生物质固体废弃物,其反应速率可表示为

da/dt = k (1?a)n    (1)

式中:k为反应速度常数;a = (m0?m?) / (m0?m)m?为试样在温度?时的质量,m0m表示该温度段试样的起始及最终质量;n为反应级数;t为反应时间

由表示化学反应速率和温度关系的Arrhenius方程可得到

k = Ae?E/(RT)    (2)

式中:A表示热解反应频率因子;E为热解反应活化能;R为理想气体常数,R = 8.314 J/(mol?K)T为反应绝对温度

将式(2)代入式(1),可得

da/dt = Ae?E/(RT) (1?a)n    (3)

本研究采用积分法进行动力学分析根据经典的Coats-Redfern方程[9],对式(3)积分,记为g(a)。两边取对数后,得

干燥污泥与含水污泥的热解动力学研究(下) - 不在眉头愁 - 吉建斌的网易博客

对一般温度范围的反应区间和大部分E值而言,E/(RT)?1,故1?(2RT)/E1。由于污泥热解过程极为复杂,因此一般采用几种常用的固态反应动力学模型[10]对其进行线性拟合,在本实验中采取的是:化学反应动力学模型(F1、F2和F3);扩散反应动力学模型(D1,D2和D3以及G-B方程);随机核化和形核生长反应动力学模型(A2和A3);相界反应动力学模型(R2和R3),具体见文献[10]。相应于正确的反应机制,ln[g(a)/T2]对1/T作图应为一条直线,可根据其斜率和截距分别求出EA

由于在含水污泥热解的第2阶段,水蒸气蒸发仍占一定比例,在很大程度上会影响该阶段机理函数的选择及动力学参数的计算,故在此仅针对干燥污泥热解第2阶段和含水污泥热解第3阶段的热重数据采用上述11种机理函数进行线性拟合,得到的动力学参数如表3和表4所示。

干燥污泥与含水污泥的热解动力学研究(下) - 不在眉头愁 - 吉建斌的网易博客
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根据回归系数尽可能大、标准方差尽可能小的原则筛选合适的动力学模型。然而,良好的线性并不能保证所选机理函数的合理性,在数据处理过程中,时常会发生同一组数据与多个机理函数拟合良好的现象,研究结果的这种不一致性有时甚至在严格的实验条件下也难以避免。从表3可见,各机理函数的回归系数相差不大,经综合比较后,对干燥污泥的F1D3G-BR3方程及含水污泥的F1F2F3方程采用Malek[9]进行检验,以筛选最为合理的机理方程g(a)。

将人为数据:aiy(ai)i = 12)和a = 0.5y(0.5)代入公式

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作出y(a)-a关系曲线,该曲线为标准曲线

将实验数据:aiTi(da/dt)ii = 12a = 0.5T0.5,(da/dt)a=0.5代入公式

干燥污泥与含水污泥的热解动力学研究(下) - 不在眉头愁 - 吉建斌的网易博客

作出y(a)-a实验曲线与实验曲线最为接近的那条标准曲线所对应的g(a),可视为该阶段的最合理动力学机理函数.拟合结果如图5和图6所示

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其中干燥污泥和含水污泥热解的实验曲线分别用DS和WS表示,其他各标准曲线用各自的机理函数符号表示。

从图中可见,模拟干燥污泥和含水污泥热解过程效果最好的机理函数分别为F1和F2。值得注意的是,尽管这些动力学模式函数能对许多固态物质的反应过程作出基本描述,但由于非均相反应本身的复杂性、实际样品颗粒几何形状的非规整性和堆积的非规则性,以及反应物质理化介质的多变性等,会出现实际模拟曲线与理想机理不能完全相符合的情况。干燥污泥与含水污泥在不同升温速率下的热解动力学参数列于表5。

干燥污泥与含水污泥的热解动力学研究(下) - 不在眉头愁 - 吉建斌的网易博客

从表5可以看出,在不同升温速率下,干燥污泥热解主体阶段的活化能差异并不明显,只是随着升温速率的增加略有降低,说明对于小粒径的干燥污泥而言,热解过程中传质传热的影响几乎可以忽略不计;而含水污泥热解主体阶段的活化能则随着升温速率的提高明显增加,说明高升温速率导致污泥颗粒内外温差加大,可能在一定程度上阻碍了内部热解反应的顺利进行。同一升温速率下,含水污泥的活化能和频率因子远高于干燥污泥,这可能是由于含水污泥在高温脱水后胶结成块,影响其传热传质效果,从而提高了热解过程的能量需求。

参考文献

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