滇池底泥混燃特性及燃烧动力学分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23095

发电技术 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (1): 180-189.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.23095

• 发电及环境保护 • 上一篇

滇池底泥混燃特性及燃烧动力学分析

郑欣昱¹^,², 陈嘉霖³, 张飞³, 王随林¹, 刘磊⁴, 苑鹏⁴, 武琪⁴, 黄中²

^1.北京建筑大学环境与能源工程学院，北京市大兴区 100044
^2.热科学与动力工程教育部重点实验室(清华大学能源与动力工程系)，北京市海淀区 100084
^3.云南省能源投资集团有限公司，云南省昆明市 650000
^4.云南能投红河发电有限公司，云南省开远市 661600

收稿日期:2024-01-23 修回日期:2024-03-31 出版日期:2025-02-28 发布日期:2025-02-27
通讯作者: 黄中
作者简介:郑欣昱(1998)，女，硕士研究生，研究方向为高水分固体废弃物的掺烧利用，zhengxinyu0921@sina.com；
黄中(1983)，男，博士，研究员，主要研究方向为循环流化床锅炉技术开发与工程应用，本文通信作者，huangzhong@tsinghua.edu.cn。
基金资助:
云南省重点研发计划项目(202403AA080020);中央高校基本科研业务费专项资金资助(2022ZFJH004)

Co-combustion Characteristics and Kinetic Analysis of Sediment From Dianchi Lake

Xinyu ZHENG¹^,², Jialin CHEN³, Fei ZHANG³, Suilin WANG¹, Lei LIU⁴, Peng YUAN⁴, Qi WU⁴, Zhong HUANG²

^1.School of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Daxing District, Beijing 100044, China
^2.Key Laboratory of Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education (Department of Energy and Power Engineering, Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China
^3.Yunnan Energy Investment Group Co. , Ltd. , Kunming 650000, Yunnan Province, China
^4.Yunnan Energy Investment Honghe Power Generation Co. , Ltd. , Kaiyuan 661600, Yunnan Province, China

Received:2024-01-23 Revised:2024-03-31 Published:2025-02-28 Online:2025-02-27
Contact: Zhong HUANG
Supported by:
Key R & D Projects of Yunnan Province(202403AA080020);The Fundamental Research Funds for the Central Universities(2022ZFJH004)

摘要/Abstract

摘要：

目的城市河道及湖泊多是污水的承载体，沉积有大量含氮高、重金属元素富集的底泥，采用燃烧处置具有清洁高效、经济环保等特点，研究其燃烧动力学特性对于处置利用有重要意义。方法采用热重分析法，先对比分析滇池底泥的单燃特性，为了给实际工程应用提供参考，将底泥与煤按照底泥10%、20%、30%的比例混燃，并通过Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)、Flynn-Wall-Ozawa(FWO)和Coats-Redferm(Coats)法，选取11种常用动力学机理函数和固态反应机制函数，拟合各反应阶段活化能和机理函数。结果底泥燃烧分为4个阶段，相比于污泥煤泥，其着火温度较低，更易于燃烧，但燃尽温度较高，综合燃烧特性存在差距。底泥在不同升温速率下燃烧时，升温速率越低越利于燃烧；底泥与煤混燃存在协同效应，其相互作用对于燃尽特性有着积极影响，且随掺混比例的增加，着火性能得到了改善，但当掺混比例达到30%时，可燃特性指数明显减小，说明掺烧比例过大时，不利于改善燃料的燃烧性能。最终拟合结果显示，燃烧过程第二、三阶段反应机理一致，第四阶段不同。结论底泥可以作为一种燃料进行使用，底泥与煤混燃可以改善煤的着火性能，有利于煤的稳定燃烧，但比例不得超过30%，研究结果可为实际工程应用提供参考。

关键词: 湖泊底泥, 热重实验, 底泥燃烧, 燃烧性质, 动力学分析, 表观活化能, 反应机理函数, 掺混比例

Abstract:

Objectives Urban rivers and lakes often serve as carriers of sewage, with a large amount of sediment enriched with nitrogen and heavy metal elements. The combustion disposal method is clean, efficient, economical, and environmentally friendly. Studying the combustion kinetics of the sediment is crucial for its disposal and utilization. Methods The thermogravimetric analysis method is employed to compare and analyze the single combustion characteristics of the sediment in Dianchi Lake. In order to provide a reference for practical engineering applications, the sediment is co-combusted with coal at mixing ratios of 10%, 20%, and 30%. Using KAS, FWO, and Coats methods, 11 commonly used kinetic mechanism functions and solid-state reaction mechanism functions are selected to fit the activation energy and mechanism functions of each reaction stage. Results The combustion of sediment is divided into four stages. Compared with sludge and coal slurry, it has a lower ignition temperature, making it easier to burn, but a higher burnout temperature, indicating differences in the overall combustion characteristics. When sediment is burned at different heating rates, lower heating rates are more conducive to combustion. Co-combusting sediment with coal shows a synergistic effect, and their interaction has a positive impact on the combustion characteristics. As the mixing ratio increases, the ignition performance improves. However, when the mixing ratio reaches 30%, the combustibility index significantly decreases, indicating that excessive mixing ratio is detrimental to improving the combustion performance of the fuel. The final fitting shows that the reaction mechanisms in the second and third stages of the combustion process are consistent, while the fourth stage is different. Conclusions Sediment can be used as a fuel, burning of sediment and coal can improve the ignition performance of coal and conducive to the stable combustion of coal, but the mixing ratio should not exceed 30%. The research results provide a reference for practical engineering applications.

Key words: sediment, thermogravimetric experiment, combustion of sediment, combustion properties, kinetic analysis, apparent activation energy, reaction mechanism function, mixing ratio

中图分类号:

TK 16

郑欣昱, 陈嘉霖, 张飞, 王随林, 刘磊, 苑鹏, 武琪, 黄中. 滇池底泥混燃特性及燃烧动力学分析[J]. 发电技术, 2025, 46(1): 180-189.

Xinyu ZHENG, Jialin CHEN, Fei ZHANG, Suilin WANG, Lei LIU, Peng YUAN, Qi WU, Zhong HUANG. Co-combustion Characteristics and Kinetic Analysis of Sediment From Dianchi Lake[J]. Power Generation Technology, 2025, 46(1): 180-189.

图/表 21

表1 实验材料的工业及元素分析 (%)

Tab. 1 Industrial and elemental analysis of experimental material

样品	工业分析				元素分析
样品	M_ad	A_ad	V_ad	F_C,ad	C_d	H_d	O_d	N_d	S_d
滇池底泥	6.70	66.30	25.10	1.80	12.74	2.22	11.07	0.66	0.31
红河污泥	6.49	52.52	38.97	2.02	21.37	3.56	15.12	3.00	0.79
山东煤泥	1.29	43.06	22.07	32.95	39.96	2.52	11.45	0.73	0.37
红河褐煤	20.15	22.41	39.83	37.76	54.13	6.19	13.52	1.19	2.55

图1 脱水后滇池底泥和褐煤XRD分析

Fig. 1 XRD analysis of Dianchi Lake sediment and lignite

表2 脱水前后底泥和褐煤XRF分析 (%)

Tab. 2 XRF analysis of sediment before and after dehydration

样品	物质质量分数
样品	SiO₂	Al₂O₃	CaO	Fe₂O₃	K₂O	TiO₂	MgO	SO₃
底泥(脱水)	50.16	19.32	14.43	7.47	3.19	1.91	1.51	1.75
底泥	66.73	14.90	3.30	5.71	4.61	1.89	0.99	0.87
褐煤	35.54	29.14	10.58	8.84	0.91	1.31	1.28	11.78

图2 STA449F3综合热分析仪

Fig. 2 STA449F3 comprehensive thermal analyzer

表3 反应机理函数

Tab. 3 Reaction mechanism function

机理函数	$G (α)$	机理函数	$G (α)$
Jander二维扩散	$[1 - (1 - α) 12] 2$	Avrami-Erofeev方程 $($ n=1.5)	$[- l n (1 - α)] 1.5$
Jander三维扩散	$[1 - (1 - α) 13] 2$	Avrami-Erofeev方程 $($ n=2)	$[- l n (1 - α)] 2$
反Jander三维扩散	$[(1 + α) 13 - 1] 2$	Avrami-Erofeev方程 $($ n=3)	$[- l n (1 - α)] 3$
ZLT三维扩散	$[1 / (1 - α) 13 - 1] 2$	收缩球状(体积)	$1 - (1 - α) 13$
Mample单行法则	$- l n (1 - α)$	化学反应(2级)	$(1 - α - 1) - 1$
Valensi二维扩散	$α + (1 - α) l n (1 - α)$

表3 反应机理函数

Tab. 3 Reaction mechanism function

机理函数	$G (α)$	机理函数	$G (α)$
Jander二维扩散	$[1 - (1 - α) 12] 2$	Avrami-Erofeev方程 $($ n=1.5)	$[- l n (1 - α)] 1.5$
Jander三维扩散	$[1 - (1 - α) 13] 2$	Avrami-Erofeev方程 $($ n=2)	$[- l n (1 - α)] 2$
反Jander三维扩散	$[(1 + α) 13 - 1] 2$	Avrami-Erofeev方程 $($ n=3)	$[- l n (1 - α)] 3$
ZLT三维扩散	$[1 / (1 - α) 13 - 1] 2$	收缩球状(体积)	$1 - (1 - α) 13$
Mample单行法则	$- l n (1 - α)$	化学反应(2级)	$(1 - α - 1) - 1$
Valensi二维扩散	$α + (1 - α) l n (1 - α)$

图3 底泥不同升温速率下的TG曲线

Fig. 3 TG curves of sediment at different heating rates

图4 不同样品在升温速率为20 K/min工况下的TG曲线

Fig. 4 TG curves under different sample heating rates of 20 K/min operating conditions

表4 不同升温速率下着火、燃尽温度和失重

Tab. 4 Ignition temperature, burnout temperature, and weight loss under different heating rates

升温速率/(K/min)	着火温度/℃	燃尽温度/℃	TG/%
10	245.4	741.3	52.20
20	257.3	746.7	69.46
30	258.1	743.9	71.52

图5 底泥不同升温速率下的DTG曲线

Fig. 5 DTG curves of sediment at different heating rates

图6 不同样品在升温速率为20 K/min工况下的DTG曲线

Fig. 6 DTG curves under different sample heating rates of 20 K/min operating conditions

表5 不同升温速率下底泥各阶段的反应温度范围 (℃)

Tab. 5 Reaction temperature range of sediment at different stages under different heating rate

反应阶段	底泥升温速率
反应阶段	10 K/min	20 K/min	30 K/min
1	30.0~245.4	30.0~240.7	30.0~248.6
2	245.4~449.2	240.7~457.2	248.6~452.5
3	449.25~653.1	457.25~673.8	452.5~656.4
4	653.1~741.4	673.8~746.7	656.4~743.9

图7 不同比例掺混在20 K/min升温速率下的TG曲线

Fig. 7 TG curves of different proportions mixed at a heating rate of 20 K/min

图8 不同比例掺混在20 K/min升温速率下的DTG曲线

Fig. 8 DTG curves of different proportions mixed at a heating rate of 20 K/min

图9 不同掺混比例下掺烧实验与理论值TG-DTG曲线

Fig. 9 Experimental and theoretical TG-DTG curve of blending under different blending ratios

图10 底泥与褐煤10%、20%、30%混燃特性

Fig. 10 Characteristics of 10%, 20%, and 30% mixed combustion of bottom mud and lignite

图11 KAS法拟合不同转化率的回归线

Fig. 11 tropic of different equal conversion rates fitted by KAS method

图12 FWO法拟合不同转化率的回归线

Fig. 12 tropic of different equal conversion rates fitted by FWO method

表6 2种方法拟合各阶段Ea平均值

Tab. 6 Two methods for fitting the average Ea values of each stage

反应阶段	表观活化能平均值/(kJ/mol)
反应阶段	FWO	KAS
2(α=0.1~0.55)	126.042 267 9	123.668 620 9
3(α=0.6~0.8)	206.459 811 5	191.462 116 4
4(α=0.8~0.9)	491.233 700 3	512.002 159 2

表7 Coats法拟合参数

Tab. 7 Coats method fitting parameters

阶段	机理函数	斜率a	截距b	活化能E	相关系数
2、3	Avrami-EROfeev(n=3)	-15 353.3	8.71	127.64	0.91
4	ZLT	-58 327.6	30.84	484.93	0.91

图13 第四阶段Coats法拟合不同机理函数的回归线

Fig. 13 Tropic of different mechanism functions fitted by Coats method in the fourth stage

图14 第二、三阶段Coats法拟合不同机理函数的回归线

Fig. 14 Tropic of different mechanism functions fitted by Coats method in the second and third stages

参考文献 20

1	JING L D， WU C X， LIU J T，et al ．The effects of dredging on nitrogen balance in sediment-water microcosms and implications to dredging projects[J]．Ecological Engineering，2013，52：167-174． doi:10.1016/j.ecoleng.2012.12.109
2	韩卫博，卞双，汪涛，等．燃煤电厂脱硫废水及污泥中重金属污染物控制研究进展[J]．发电技术，2020，41(5)：497-509． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20064
	HAN W B， BIAN S， WANG T，et al ．Research progress on control of heavy metals pollutants in desulfurization wastewater and sludge of coal-fired power plants[J]．Power Generation Technology，2020，41(5)：497-509． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20064
3	张宏伟，张永生，汪涛，等．电厂燃煤飞灰固化脱硫污泥重金属铅特性研究[J]．发电技术，2024，45(3)：527-534．
	ZHANG H W， ZHANG Y S， WANG T，et al ．Study on the characteristics of heavy metal lead in desulfurization sludge solidified by coal-fired fly ash in power plant[J]．Power Generation Technology，2024，45(3)：527-534．
4	王彦霖，贾里，王碧茹，等．城市污泥和煤泥混燃过程中交互作用的影响及机理[J]．中南大学学报(自然科学版)，2022，53(10)：4174-4184．
	WANG Y L， JIA L， WANG B R，et al ．Influence and mechanism of interaction in co-combustion of sewage sludge and coal slime[J]．Journal of Central South University (Science and Technology)，2022，53(10)：4174-4184．
5	何必繁，王里奥，黄川．重庆城市污泥燃烧及动力学特性分析[J]．中国电机工程学报，2010，30(35)：32-37．
	HE B F， WANG L A， HUANG C ．Study on combustion characteristics and kinetics of Chongqing municipal sewage sludge[J]．Proceedings of the CSEE，2010，30(35)：32-37．
6	李爱民，刘淑静，王伟云．大物料量污泥燃烧机理及表观动力学特性[J]．燃烧科学与技术，2009，15(5)：381-387．
	LI A M， LIU S J， WANG W Y ．Combustion mechanism and apparent kinetic characteristics of massive sewage sludge sample[J]．Journal of Combustion Science and Technology，2009，15(5)：381-387．
7	罗立群，周鹏飞，涂序．湖泊底泥燃烧特性及其热动力学分析[J]．中国矿业，2019，28(6)：149-154．
	LUO L Q， ZHOU P F， TU X ．Combustion characteristics and thermodynamic analysis of lake sediments[J]．China Mining Magazine，2019，28(6)：149-154．
8	刘秀如，吕清刚，赵科．城市污水污泥热解特性及动力学研究[J]．热能动力工程，2010，25(6)：677-680．
	LIU X R， LÜ Q G， ZHAO K ．Pyrolysis characteristics and kinetic study of urban sewage water and sludge[J]．Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2010，25(6)：677-680．
9	胡艳军，宁方勇，钟英杰．城市污水污泥热解特性及动力学规律研究[J]．热能动力工程，2012，27(2)：253-258．
	HU Y J， NING F Y， ZHONG Y J ．Study on pyrolysis characteristics and kinetics of municipal sewage sludge[J]．Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2012，27(2)：253-258．
10	HU M， CHEN Z， GUO D，et al ．Thermogravimetric study on pyrolysis kinetics of Chlorella pyrenoidosa and bloom-forming cyanobacteria[J]．Bioresource Technology，2015，177：41-50． doi:10.1016/j.biortech.2014.11.061
11	JIANG C， ZHOU W， BI H，et al ．Co-pyrolysis of coal slime and cattle manure by TG-FTIR-MS and artificial neural network modeling：Ppyrolysis behavior，kinetics，gas emission characteristics[J]．Energy，2022，247：123203． doi:10.1016/j.energy.2022.123203
12	任宁，张建军．热分析动力学数据处理方法的研究进展[J]．化学进展，2006，18(4)：410-416．
	REN N， ZHANG J J ．Progress in datum treatment methods of thermal analysis kinetics[J]．Progress in Chemistry，2006，18(4)：410-416．
13	段妮娜，王磊磊，朱勇，等．河湖底泥的来源、性质和处理处置技术：与污水厂污泥的比较[J]．城市道桥与防洪，2019(12)：166-170．
	DUAN N N， WANG L L， ZHU Y，et al ．Sources，properties and treatment and disposal technologies of river bottom sludge：comparison with sewage plant sludge[J]．Urban Roads Bridges & Flood Control，2019(12)：166-170．
14	LIU C， LIU J， SUN G，et al ．Thermogravimetric analysis of (co-) combustion of oily sludge and litchi peels：combustion characterization，interactions and kinetics[J]．Thermochimica Acta，2018，667：207-218． doi:10.1016/j.tca.2018.06.009
15	CHEN J， MU L， CAI J，et al ．Pyrolysis and oxy-fuel combustion characteristics and kinetics of petrochemical wastewater sludge using thermogravimetric analysis[J]．Bioresource Technology，2015，198：115-123． doi:10.1016/j.biortech.2015.09.011
16	LI J， FAN S， ZHANG X，et al ．Investigation on co-combustion of coal gasification fine ash and raw coal blends：thermal conversion，gas pollutant emission and kinetic analyses[J]．Energy，2022，246：123368． doi:10.1016/j.energy.2022.123368
17	LÓPEZ-GONZÁLEZ D， FERNANDEZ-LOPEZ M， VALVERDE J L，et al ．Kinetic analysis and thermal characterization of the microalgae combustion process by thermal analysis coupled to mass spectrometry[J]．Applied Energy，2014，114：227-237． doi:10.1016/j.apenergy.2013.09.055
18	李朝阳，牛胜利，韩奎华，等．次烟煤与半焦富氧混燃特性热重分析[J]．燃料化学学报，2022，50(8)：937-953． doi:10.1016/s1872-5813(21)60002-1
	LI C Y， NIU S L， HAN K H，et al ． Thermogravimetric analysis on the characteristics of oxy-fuel co-combustion of sub-bituminous coal and semi-coke[J]．Journal of Fuel Chemistry and Technology，2022，50(8)：937-953． doi:10.1016/s1872-5813(21)60002-1
19	CHEN Z， LI J， GUAN S，et al ．Kinetics，thermodynamics and gas evolution of atmospheric circulating fluidized bed coal gasification fly ash combustion in air atmosphere[J]．Fuel，2021，290：119810． doi:10.1016/j.fuel.2020.119810
20	段一航，高宁博，全翠．水热处理对含油污泥热解特性及动力学影响[J]．化工进展，2023，42(2)：603-613．
	DUAN Y H， GAO N B， QUAN C ．Effect of hydrothermal treatment on pyrolysis characteristics and kinetics of oily sludge[J]．Chemical Industry and Engineering Progress，2023，42(2)：603-613．

[1]	乔世超, 陈衡, 李博, 潘佩媛, 徐钢. 基于K-Means聚类与Ridge回归算法的煤炭发热量预测研究[J]. 发电技术, 2025, 46(1): 135-144.
[2]	季恩昌, 杨冬, 孙佰仲. 高水分褐煤流动性实验研究[J]. 发电技术, 2024, 45(4): 633-640.
[3]	张思海, 李超然, 万广亮, 刘印学, 徐海楠, 黄中, 杨海瑞. 330 MW 循环流化床锅炉深度调峰技术[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 199-206.
[4]	贾志军, 范伟, 任少君, 魏唐斌. 600 MW亚临界机组长时间深度调峰燃烧稳定性研究[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 216-225.
[5]	龚思琦, 云再鹏, 许明, 敖乐, 李初福, 黄凯, 孙晨. 基于三元催化剂的固体氧化物燃料电池尾气催化燃烧数值模拟[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 331-340.
[6]	陈思勤, 朱伊囡, 李晓辰, 王学海. 基于双层规划的碳减排配煤优化方法研究[J]. 发电技术, 2023, 44(2): 155-162.
[7]	朱京冀, 徐义书, 徐静颖, 王华坤, 刘小伟, 于敦喜, 马晶晶, 徐明厚. 掺烧氨燃料对煤挥发分火焰特性及颗粒物生成的影响[J]. 发电技术, 2022, 43(6): 908-917.
[8]	王洪健, 王海洋, 孔皓, 周托, 张缦, 杨海瑞. 135 MW循环流化床锅炉纯燃准东煤改造策略与运行技术研究[J]. 发电技术, 2022, 43(6): 918-926.
[9]	郝建刚, 贡文明, 丁阳, 郑丹伟, 刘勇. 模型旋流燃烧室气体燃料火焰不稳定特性分析[J]. 发电技术, 2022, 43(6): 927-934.
[10]	李振山, 陈虎, 李维成, 刘磊, 蔡宁生. 化学链燃烧中试系统的研究进展与展望[J]. 发电技术, 2022, 43(4): 544-561.
[11]	苗桢武, 沈来宏, 赵海波. 复合赤铁矿和铜矿石载氧体在化学链燃烧中的循环反应性能研究[J]. 发电技术, 2022, 43(4): 574-583.
[12]	高虎, 刘凡, 李海. 碳中和目标下氨燃料的机遇、挑战及应用前景[J]. 发电技术, 2022, 43(3): 462-467.
[13]	李源, 郭志成, 孟晓超, 陈科峰, 任利明, 毛睿, 岑可法. 基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的炉内燃烧场参数在线监测系统设计[J]. 发电技术, 2022, 43(2): 353-361.
[14]	刘福国, 刘科, 王守恩. 基于机会约束的电厂混煤煤质和成本的Pareto前沿[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 160-167.

滇池底泥混燃特性及燃烧动力学分析

Co-combustion Characteristics and Kinetic Analysis of Sediment From Dianchi Lake

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

图/表 21

参考文献 20

相关文章 14

编辑推荐

Metrics