Badania kinetyki spalania komunalnych osadów ściekowych w atmosferze wzbogaconej tlenem

Przedstawiono wyniki badań kinetyki spalania komunalnych osadów ściekowych w modyfikowanej atmosferze, realizowanych z zastosowaniem metodyki opartej na termograwimetrii. Badania termograwimetryczne przeprowadzono jako dynamiczne (nieizotermiczne) i statyczne (quasi-izotermiczne). Badania prowadzono w pięciu atmosferach gazowych, przygotowanych na bazie tlenu oraz ditlenku węgla. Udział tlenu w mieszance stanowił odpowiednio: 20, 40, 60, 80 oraz 100% obj. Eksperyment prowadzony był w zakresie temperatur 873 ÷ 1273 K. Otrzymane doświadczalnie wyniki, w oparciu o przyjęty model kurczącego się rdzenia (SCM), pozwoliły wyznaczyć podstawowe parametry kinetyczne: rząd reakcji n, współczynnik przedeksponencjalny K0, energię aktywacji Ea, oraz przeprowadzić szacowanie reaktywności osadów w szerokim zakresie parametrów. Wykazano przy tym znaczący wpływ stężenia tlenu na pozorną szybkość reakcji, w przeciwieństwie do wpływu temperatury, który okazał się nieznaczny. Zaobserwowano znaczący wpływ współczynnika szybkości nagrzewania na termiczną dekompozycję osadów ściekowych w tej samej atmosferze. Maksymalną szybkość ubytku masy próbki odnotowano przy największym współczynniku nagrzewu. Nie zaobserwowano natomiast znaczącego przesunięcia temperaturowego w kierunku wyższych wartości temperatur wraz ze wzrostem współczynnika nagrzewu, co ma miejsce przy wzroście stężenia tlenu.

The paper presents the results of combustion kinetics of municipal sewage sludge in a modified atmospheres. The studies were investigated by a thermogravimetric analysis. Thermogravimetric tests were carried out as a dynamic (non-isothermal) and static (quasi-isothermal). Tests was conducted in five gaseous atmospheres prepared from oxygen and carbon dioxide. Participation of oxygen in the mixture were as following: 20, 40, 60, 80 and 100% vol. The experiment was conducted in the temperature range 873 ÷ 1273 K. Experimentally obtained results based on the model of the shrinking core (SCM), helped establish the basic kinetic parameters such as: reaction order n, factor K0 and activation energy Ea. The values of activation energy Ea and K0 were, respectively: 45.57 kJ/mol (10.9 kcal/mol) and 0.0127 mg/m2sPa. Values of activation energy Ea of sewage sludge combustion in O2/CO2 atmosphere in the temperature range 873 ÷ 1273 K show that the limiting factor of combustion is the diffusion of oxygen, therefore the combustion reaction takes place here only in the outer layer of the unreacted core. The experimental studies in a wide range of process parameters such as temperature and partial pressure of oxygen helped to create an array of apparent reaction rates as a function of temperature and oxygen concentration in the gas reaction. It has been shown the significant effect of oxygen on the apparent reaction rate, in contrast to the effect of temperature, which was insignificant. The impact of the heating rate on sludge combustion was also investigated. For this purpose, sludge was heated from ambient temperature to a 1000°C at a four different heating rates 10, 20 and 40 K min-1 in the ° variable O2/CO2 atmosphere. With increasing heating rates TG curves get closer and closer to each other. Percentage weight loss was about 65.26% at a heating rate 10 K min-1. At 40 K min-1 percentage loss was 65.97%. From that it could be stated the the heating rate play no role in the loss of material mass. With increasing heating rate is not observed a substantial shift of the peak temperature of the sample weight loss.