污泥的能源化利用文档格式.docx
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36.9
污泥中含有较多的有机物。
根据日本的分析,其元素组成为:
C50.8%,H
7.56%,N6.11%,S2.00%,O33.5%。
污泥具有较高的热值,干燥后相当于褐煤,可以直接当燃料或发酵产生沼气作燃气使用等。
2、能源化技术
2.1污泥消化制沼气
2.1.1污泥厌氧消化过程
污泥厌氧消化过程如图1所示:
甲烷二氧化碳
新细胞
图1污泥厌氧消化两阶段示意图
厌氧消化是利用无氧环境下生长于污水、污泥中的厌氧菌菌群的作用,使有机物经液化、气化而分解成稳定物质,病菌、寄生虫卵被杀死,固体达到减量和无害化的方法。
这些菌群可分为两类:
兼性厌氧菌(产酸菌)和专性厌氧菌(甲烷菌)。
污泥的消化过程分为下图所示的两个阶段。
第一阶段一一酸性消化阶段,高分子有机物(污泥)首先在胞外酶的作用下,水解与液化。
这一过程把多糖水解成单糖,蛋白质水解成肽和氨基酸,脂肪水解成丙三醇、脂肪酸。
然后渗入细胞体内,在胞内酶的作用下转化为醋酸等挥发性有机酸和硫化物。
在这种场合下,常有大量的氢和少量的甲烷游离出来。
氢的产生,是消化第一阶段的特征,所以第一阶段也称“氢发酵”。
中间产物的数量和
种类均随污泥成分和消化池运行方式的不同而不同,兼性厌氧菌的分解产物或代谢产物,几乎都具酸性,因而使污泥迅速呈酸性。
所以,消化第一阶段的分解作用亦称为“酸性发酵”或“酸性消化”。
兼性厌氧菌在分解有机物过程中产生的能量几乎全部消耗作为有机物发酵所需的能源,只有少部分合成新细胞。
因此酸性消化时,细胞的增殖很少。
产酸菌在低pH值时也能生存,具有适应温度、pH值迅速变化的能力,在有氧或无氧的状态下都能生长。
第二阶段一一碱性消化阶段,专性厌氧菌将消化过程第一阶段由兼性厌氧菌产生的中间产物和代谢产物分解成二氧化碳、甲烷和氨。
由于消化过程第二阶段的特征是产生大量的甲烷气体,所以第二阶段称为“甲烷发酵”。
在这一阶段起
作用的细菌称为“甲烷菌”。
大部分的二氧化碳气体和甲烷气体都挥发了,而氨则以强碱性的亚硝酸铵的形式留在污泥中,亚硝酸铵中和了消化第一阶段产生的酸性,创造了甲烷菌生存所需的弱碱性环境。
因此,将甲烷菌进行的分解作用称为“碱性消化”。
甲烷化过程产生的能量主要用于维持细菌生存,只有很少能量用于合成新细胞,所以细胞的增殖也很少。
甲烷菌的生长条件比较苛刻,只要有空气和光的存
在就会立即停止活动,必须保持绝对厌氧。
甲烷菌生长的最适pH值是7.0—7.6,超过这个范围,其活性将会受到很大阻害。
对中温菌最适宜的温度是[(30〜37)
±
2]C,高温菌是(53±
0.5)E。
它们都对温度的变化和毒性物质非常敏感,生存条件非常苛刻。
专性厌氧菌能从其他物质的分子中摄取它生存所需的氧,而不依赖空气中的
氧。
这种细菌的酶能够溶解并分解细胞膜外的不溶性有机物,或完全分解进入细
胞内的溶解物,所以它可以使兼性厌氧菌的中间产物(乙醇、有机酸、有机盐)和
代谢产物(二氧化碳气体)溶解,用来作为其本身生长和繁殖所需的能量。
甲烷菌还具有在没有太阳能和叶绿素的情况下分解二氧化碳的能力。
二氧化碳的还原作
用是在消化第一阶段产生的氢存在的情况下进行的。
因此,好的沼气通常不含
有游离氢。
CO2十2H2fCH4十02
实践证明,甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、异丙醇和大量生成的醋酸、丙酸、丁酸、蚁酸、硬脂酸等,最终均能被甲烷菌利用。
在不考虑形成新细胞的情况下,这些有机物的分解过程可用下述Buswell—Mueller标准式表示:
CnHaObn旦bH2O--bCH4---CO2
82284284
由于甲烷菌只能在弱碱性环境中生存,如果没有外部的帮助,就不可能克服第一阶段的酸性环境,即使能克服,也很缓慢,而需要很长的时间。
正确的污泥消化方法是一开始就将pH值调整到甲烷菌能大量繁殖的弱碱性,从而使酸性的中间产物和代谢产物及时而且不断的分解。
为了使消化池内不呈酸性,必须使第一阶段与第二阶段经常保持一致。
这样通过两种细菌的共同作用,使酸性分解和碱性分解保持平衡,消化污泥就呈弱碱性。
消化过程中污泥分解为气体是产酸菌和甲烷菌共同作用的结果。
但如上所述,甲烷菌的生长条件特别严格,即使在合适的条件下其增殖速度也非常小,因
此甲烷化过程控制着整个消化进程,提高消化效率的关键是如何维持甲烷菌最适宜的生长条件。
污泥中所有的有机物被完全分解、矿化成为最终产物之前,需要很长的时间。
但经过几个星期的消化处理以后,污泥已经不再发出臭气,污泥胶体中的结合水也容易去除,这种状态的污泥叫做消化污泥。
2.1.2厌氧消化工艺
已得到研究和应用的厌氧消化工艺有:
低负荷、高负荷、厌氧接触和分相消化等四种基本工艺
、低负荷消化
低负荷工艺是最老的厌氧消化工艺,也称为普通或标准厌氧消化工艺。
在这一构造中污泥间歇进入一个没有混合,且常常没有加热的消化池。
消化池内发生分层,形成浮渣、上清液、活性消化污泥和稳定化污泥层。
上清液和稳定化污泥定期从消化池排出。
由于消化池总体积仅很小一部分含有活性消化污泥,因此若要取得良好的污泥消化效果,需要很大的池容。
此外,由于在消化池内环境条件不易控制,消化过程不稳定,效率低。
因此,这一工艺几乎不用于初沉污泥的稳定化。
无加热和没有搅拌的低负荷消化池有时用于高负荷消化池之后,用于脱水前的污泥浓缩。
在这种工艺中,初沉污泥被厌氧消化,二级消化池中发生显著的污泥浓缩现象。
如果二级处理厂的剩余污泥与初沉污泥混合在一起消化,二级消化池固液分离效果很差。
若初沉污泥与剩余污泥混合消化,在消化之前把污泥浓缩至4%……6%,二级消化池内的重力浓缩通常也非常困难。
由于这些原因,目前多数设计者避免在剩余污泥消化后用二级消化池来浓缩消化污泥。
二、高负荷消化高负荷厌氧消化是在研究证实可以控制消化池内环境条件的优点后发展起来的。
高负荷消化池的特征是:
具体加热和搅拌,稳定的进料速度,污泥消化前经过浓缩。
通过合理的设计和操作,整个消化池的大部分区域可保持较一致的条件,从而使消化池体积下降,并且消化过程的稳定性也得到了改善。
高负荷消化池既被用于中温、也用于高温消化过程。
大部分消化池在中温范围操作,中温操作需要的热能少,且过程的稳定性更好。
根据最近对全美146家污水处理厂的厌氧消化池所作的调查,有143家工厂采用中温消化。
如果存在难消化的固体或油脂含量高,采用高温消化可能是有利的。
在高温范围操作可提高消化速率,减少所需消化池体积。
尽管高温消化增加病原微生物的杀灭率,但该工艺稳定性较差,控制较困难。
高负荷消化通常设计有搅拌系统,以便达到规定百分比的活性(工作)体积。
工作体积定义为消化池总体积减去用于砂石、浮渣积累和超高的体积余量。
典型设计要求的工作体积为消化池总体积的85%〜95%(即污泥占总体积的85%—95%)。
均匀的搅拌有助于维持消化池内稳定的环境条件,避免冲击负荷和“营养过剩与营养不足”,改善过程的稳定性和消化效率。
高负荷消化池很少采用连续进料,普遍的做法是把污泥按一定的时间间隔间歇加到消化池中(例如每1〜2h)。
进料程序是:
①在消化污泥排出之前短时间进料和搅拌;
②进料前排出污泥。
试验结果表明,如果消化池以第②种进料方式操作,而不是以第①种进料方式操作,那么病原微生物的杀灭效果就会显著的改善。
污泥浓缩可减少通过消化池的流量,因此对给定的停留时间可以采用体积更小的消化池体积。
然而,过分浓缩可能会使消化池的混合变得困难,对毒物或负荷引起的冲击更加敏感。
三、厌氧接触消化厌氧接触工艺相当于完全混合式活性污泥厌氧工艺。
它起初用于高浓度溶解性废物的初步稳定化。
消化污泥连续从消化池排出,部分回流至入口。
由于厌氧消化污泥浓缩困难,因此厌氧接触工艺极少用于城市污水处理厂污泥的消化。
四、二相消化二相消化即按厌氧消化的原理,使消化过程的两个阶段分别在两个消化池内进行,水解和酸化阶段在一个池中进行,甲烷化阶段在另一个池中进行。
这一过程已在中试规模上得到验证,亦已用于大规模的污水处理厂的污泥消化。
二相消化过程可以减少消化池总体积,但基建费用和操作费用会有所增加。
2.1.3气体利用污泥消化气除了用于消化池搅拌外,更是一种经济的能源,它可用作热水锅炉、内燃机及焚烧炉的燃料。
在美国和其它地区,消化气经改善品质,售给当地公用系统。
为了确定消化气回收利用在经济上的可行性,通常要计算各工厂能量需求,并评价产生的消化气总量的能量价值。
这通常包括热平衡、气体回收和利用设备的主要能耗。
1、搅拌通常消化气首先用于搅拌初级消化池中的污泥。
循环搅拌是一种非消耗利用,不会影响总气体的产量。
气体搅拌系统包括一个正位移压缩机及压力控制系统,后者控制气体压力,防止压缩机过压或消化池内抽真空。
2、加热用消化气加热与用天然气或商业气体加热相似。
消化气可为本厂锅炉或换热器提供燃料加热污泥或取暖,而更普遍的用途是部分或全部作为内燃机燃料,驱动发电机或工厂其他设备。
未净化消化气中的硫化氢有潜在的腐蚀性,即二氧化硫和三氧化硫(硫化氢燃烧产物)在废气中凝结成酸,引起腐蚀。
有两种方法解决这个问题,一是在燃烧之前从气体中除去硫化氢,二是把使用未净化气体的温度保持在100C以上,
防止产生冷凝液。
锅炉要尽量避免频繁开/关,因为每次关闭时都会发生冷凝。
3、污泥干燥和焚化消化气也可用作燃料加热干燥机械脱水的污泥及作为污泥、浮渣或沙砾焚化的补充燃料。
通常,污泥在焚烧前脱水至能量平衡点,大致足以维持燃烧,当需要外加能量时(或者连续或者在启动期),可以使用消化气。
4、消化气用于发电消化气常用作内燃机或气体透平发电机的燃料,用于输送废水和污泥,驱动鼓风机、压缩机和发电机。
除去硫化氢可使发电机免遭腐蚀。
硫化氢的浓度超过大约100cm3/m3,需
要考虑增设硫化氢去除设备。
去除硫化氢的另一个目的是控制二氧化硫的排放,消化气中的硫化氢是燃烧气中二氧化硫的主要来源。
2.2污泥燃料化技术
随着污泥量的不断增加及污泥成分的变化,现有的污泥处理技术逐渐不能满足要求,例如焚烧含水率80%的污泥,每吨污泥(干基)的辅助燃料需消耗304—565L重油.能耗大;
污泥填埋必须预先脱水到含水率至少小于65%,而达到这样的含水率目前的污泥脱水技术需要消耗大量的药剂,既增加了成本,也增加了污泥量;
土地还原是目前污泥消纳量最大的处理方法,但很多工业废水中含有许多重金属和有毒有害的有机物,不能作肥料或土壤改良剂。
因此寻找一种适合处理所有污泥,又能利用污泥中有效成分,实现减量化、无害化、稳定化和资源化的污泥处理技术,是当前污泥处理技术研究开发的方向。
污泥燃料化被认为是有望取代现有的污泥处理技术最有发展前途的方法之一。
2.2.1方法
目前最常用的方法有两种:
一是污泥能量回收系统,简称HERS法(Hyperion
EnergyRecoverySystem,二是污泥燃料化法,简称SF法(SludgeFuel)。
2.2.1.1HERS法
工艺流程如图2所示。
它是将剩余活性污泥和初沉池污泥分别进行厌氧消化,产生的消化气经过脱硫后,用作发电的燃料。
混合消化污泥离心脱水至含水率80%,加入轻溶剂油,使其变成流动性浆液,送入四效蒸发器蒸发,然后经过脱轻油,变成含水率2.6%、含油率0.15%的污泥燃料。
轻油再返回到前端作脱水污泥的流动媒体,污泥燃料燃烧产生的蒸汽一部分用来蒸发干燥污泥,多余蒸汽发电。
分离水
图3SF法工艺简化流程
SF法工艺流程如图3所示。
它将未消化的混合污泥经过机械脱水后,加入重油,调制成流动性浆液送入四效蒸发器蒸发,然后经过脱油,变成含水率约5%、含油率10%以下,热值为2302kJ/kg的污泥燃料。
重油返回作污泥流动介质重复利用,污泥燃料燃烧产生蒸汽,作污泥干燥的热源和发电,回收能量。
221.2HERS法与SF法工艺比较
HERS法与SF法不同:
一、前者污泥先经过消化,消化气和蒸汽发电相结合回收能量。
后者不经过使污泥热值降低的消化过程,直接将生污泥蒸发干燥制成燃料。
二、HERS法使用的污泥流动媒体是轻质溶剂油,粘度低,与含水率80%左右的污泥很难均匀混合,蒸发效率低,而SF法采用的是重油,与脱水污泥混合均匀。
三、HERS法轻溶剂油回收率接近100%,而SF法重油回收率低,流动介质要不断补充。
2.2.2污泥燃料性能
污泥燃料的组成一般为固体87%,水分4%,附着油9%。
工业分析值挥发
分66%,固定碳6%,灰分24%。
低位热值16747—18003kJ/kg,与煤接近,可以作燃料使用。
煤炭的密度一般为l.3g/cm3)左右,污泥燃料为0.69g/cm3比煤小。
这是因为挥发分多,固定碳少,而且挥发分大多是呈纤维状.空隙率大的缘故。
污泥燃料比较软,容易粉碎成I〜3mm的颗粒,将其作粉煤使用是有利的,但是其含有油分,对粉碎有一定影响,选择粉碎设备时需要考虑到这一因素。
煤炭中的水分一是与空气接触,达到平衡时的吸附水,二是雨水、地下水的附着水,一般要求水分小于6%,发电用煤可控制在7%左右。
污泥燃料中的水分含量可以任意控制,能够达到5%以下,符合作为燃料使用的水分含量。
燃料中固定碳多,其热值高,但固定碳的燃烧速度慢,燃料在炉内停留时间长,炉内温度高,容易使灰分融熔,附着在炉壁和传热面上,固化后形成炉垢,降低传热性能。
所以一般要求煤炭的挥发分与固定碳的比例在0.8〜1.1。
污泥燃
料中挥发分多,燃烧速度快,燃料在炉内的停留时间短,灰分不易融熔生成炉垢。
2.2.3二次污染的防治
污泥蒸发脱水干燥过程产生的冷凝水和散发的臭气,必须妥善处理,以防止产生二次污染。
特别是臭气的处理必须重视。
冷凝水中BOD、挥发性有机酸(VFA)、NH3-N和TN的浓度都很高,而CODMn较低。
由于污泥在存放过程中腐败产生大量VFA,其中主要是乙酸和丙酸,BOD的70%是由VFA产生的。
这些挥发性脂肪酸容易被微生物代谢,但不易被KMnO4氧化,因此BOD高而CODMn低。
冷凝水的BOD高,表明可用生物法处理,而生物法处理时最担心的是油分,但冷凝水中的油含量很低,平均在5mg/L左右,对微生物没有抑制作用。
因此冷凝水可以返回到污水生化处理装置进行处理。
污泥蒸发干燥会产生臭气,主要成分是硫化氢、氨、甲硫醇、乙醛和苯乙烯。
蒸发器中的臭气浓度最高,但经过冷凝后,易溶于水的成分大部分溶解到水中,排出的气体中还剩少量甲硫醇、乙醛和苯乙烯,浓度大大降低。
从其他的设备也会排出少量臭气,因此臭气的防治还必须考虑。
本系统采取的对策是:
(1)负压操作,防止从贮槽、设备中泄漏出臭气;
(2)必须排出的高浓度臭气应引入锅炉内燃烧,使其氧化分解,一般炉温在650C以上,停留时间0.5s即可燃烧完全;
(3)各设备上方设置排风罩,收集的臭气引入脱臭塔处理。
2.2.4效益分析
处理规模100t干污泥/do
处理工艺I、脱水污泥—蒸发干燥—流化床燃烧—发电
n、脱水污泥j焚烧
重油
运行方式:
24小时连续运行。
工艺I脱水污泥含水率80%,工艺n脱水污泥含水率78%。
所有脱水污泥中可燃烧成分为70%,低位热值21269kJ/kg。
SF发电系统设备占地面积比一般焚烧系统大10%,建设费用高6.8%,但污泥发电系统能够回收能量,若按IL重油的热值等于4kW计,处理1t干污泥回收12.8kWh电,而污泥焚烧则需消耗约480kW•h电。
因此SF发电系统是一种节能型资源化的有效方法。
污泥燃料除用于发电外,还可用于水泥生产,既可节省煤炭,燃烧灰又可作水泥原料。
据估计日本东京都处理污水产生的污泥可取代年产200万吨水泥燃料的60%,燃烧灰也可取代水泥原料的4%,试验表明水泥原料中燃烧灰5%左右完全不影响水泥质量。
纸浆和造纸行业消耗大量蒸汽,生产1t纸浆平均消耗3〜5t蒸汽,而生产1t纸消耗2—3t蒸汽。
以木材为原料的纸浆造纸厂其消耗总能量的25%来自于黑液和废料。
污泥燃料非常适合制浆造纸厂应用,有利于降低造纸厂的能耗。
污泥燃料与城市垃圾混烧也具有很多优点:
①污泥燃料热值比城市垃圾高
I〜2倍,可以提高垃圾焚烧厂的发电能力,增大发电规模,也有利于提高发电效率;
②污泥燃料的性质比较稳定,可以调节垃圾性能变化幅度,使垃圾焚烧厂操作稳定,控制方便。
2.3污泥低温热解制燃料油
污泥低温热解是利用污泥有机质在加热条件下的部分热裂解过程,产生活泥
衍生燃料的技术。
经此过程污泥转化为燃烧特性优越的油、炭和可燃气,过程所需的能量由产生的燃料燃烧提供,剩余能量以燃料油形式回收。
此技术由Bayer
和Bridle进行了实验室研究,Canada进行了中试研究,证明是一个能量自给有余的过程,有可观的应用前景。
2.3.1低温热解工艺流程
污泥低温热解制油生产流程见图10-7。
污泥经脱水、干燥后在转化反应器中产生衍生燃料油和同样可燃的副产物(炭、不凝性气体和反应水),副产物在流化床中燃烧,其尾气中显热用于干燥和反应过程的加热。
污泥制油技术的核心设备是转化反应器,经中试确定采用带加热夹套的卧式搅拌反应器,其技术关键是具有螺旋密封机构将反应器分为蒸汽挥发和气团接触两个区域,两区以一个蒸汽内循环系统相连接,从而满足了反应过程对反应器韵要求。
2.3.2污泥低温热解制油的反应条件及产品特性
影响低温热解制油的主要反应条件有污泥种类、反应温度和反应时间。
Bayer
在250-320C范围内,对4种污水污泥和一种有机废物的制油过程进行了间歇实验研究,认为反应温度和停留时间的适宜值分别为300-320C和0.5h,污泥
所含的金属氧化物和盐类可对过程起催化作用,无需外加催化剂。
Campbell的研究温度范围为275〜550,原料为含二沉污泥比例不同的生污泥和厌氧发酵污泥,以有机蒸气从污泥中析出过程中止(热解反应终了)为标志来控制停留时
间,反应条件的优化标准是油得率最大化。
结果为:
(1)发酵污泥的油得率约为生污泥的一半;
(2)生污泥中二沉污泥比例大时,油得率高;
(3)各种污泥均在450C左右取得最大油得率;
⑷反应温度与停留时间呈负相关,450C时的停留时间<0.5h。
因此建议:
生污泥直接脱水干燥后进反应器,反应条件是温度450C和停留
时间0.5h。
污泥制油产生的衍生油的热值约为市售重质燃料油的90%,但粘度和氮、
硫含量高。
Boocock发展了一个简单的热处理过程(450C),处理后的油含氯量
降低50%并且可与商品柴油完全混溶,可实现衍生油在煤油取暖器和内燃机油料市场上销售。
Frost对此种油在家用取暖器中的使用进行了评价,认为其燃烧特性和尾气性质均可满足使用要求,但更现实的则是用做锅炉燃料。
2.4污泥作型煤粘结剂
我国有数千家小型合成氨厂,其中绝大多数采用粘结性较强的白泥或石灰做气化型煤粘结剂。
通常将这类粘结剂制成的型煤称为白泥型煤或石灰炭化型煤。
石灰炭化型煤气化反应性好,但成型工艺复杂,石灰添加量较多、成本也高,影响工厂经济效益。
白泥型煤生产工艺较简单,制成的型煤强度高,但型煤气化反应性差,灰渣残炭高,蒸汽耗量大。
是困扰生产厂的一大难题。
为此寻找一种粘结性高、成本低,型煤气化反应性好的粘结剂一直是化肥厂的一个重要课题。
污泥本身含有机物,如蛋白质、脂肪和多糖,具有一定的热值,又有一定的粘结性能。
活性污泥做粘结剂将无烟粉煤加工成型煤,而污泥在高温气化炉内被处理,防止了污染;
污泥作为型煤粘结剂,替代白泥可改善在高温下型煤的内部孔结构,提高了型煤的气化反应性,降低灰渣中的残炭,提高炭转化率,污泥既可作为一种粘结剂,同时也是一种疏松剂,污泥的热值也得到了利用,且污泥处理量大。
2.4.1剩余污泥做粘结剂时型煤的抗压强度
能否达到一定抗压强度,是污泥是否能用做粘结剂的关键因素。
而影响其抗
压强度的主要因素有污泥的加入量、烘干温度以及成型的压力等。
1.抗压强度与污泥添加量的关系。
当污泥加入量为2%(干基),白泥量分别为0%、0.3%、0.5%和0.9%,型煤的抗压强度都呈现一最大值。
白泥量一定,污泥加入量小于2%(干基)时,型
煤的抗压强度随污泥加入量增加而提高;
污泥加入量大于2%(干基)时,型煤的
抗压强度随污泥加入量的增加而下降。
考虑到型煤的强度要求以及制作型煤的经济性,为此可确定适宜的混合型型煤(以下简称为污泥型煤)配比为:
白泥添加量为0.3%,污泥添加量为2%。
2.抗压强度与烘干温度
在烘干温度小于150C时,型煤的抗压强度随烘干温度的升高而增加,在烘干温度大于150C时,随烘干温度的升高而略有下降趋势。
3.抗压强度与成型压力的关系型煤的抗压强度均随成型压力的提高而增加。
两种型煤增加幅度也几乎相同。
在不同成型压力下的白泥型煤的抗压强度略高于相应成型压力下的污泥型煤。
以脱水活性污泥作气化用型煤粘结剂,污泥添加量2%(干基),白泥0.3%(干基),
混炼制成污泥型煤,可达到白泥型煤相同水平的抗压强度。
该污泥和白泥添加量配比可认为是适宜于制气化用型煤的粘结剂配比,表明活性污泥有很好的粘结性
2.4.2污泥在型煤中的分散特性污泥作为型煤粘结剂首先要使活性污泥在粉煤中均匀分散。
活性污泥在粉煤中分散性对型煤气化速率也有影响。
在一定的气化时间下,当用于型煤成型的混合料过筛率较小(活性污泥在粉煤中分散不充分)时,对应的碳转化率较低;
过筛率增大,相应的碳转化率随之升高。
活性污泥是一种含大量有机物的固体,在高温加热之后首先挥发和气化,由于其充分散于粉煤之中,压制的型煤在气化时造就了良好的孔结构和丰富的内表面,良好的孔结构是提高其气化活性的关键。
型煤气化后残留灰渣的碳分析结果显示,活性污泥在粉煤中分散得越充分,相应气化活性越高,气化后残留灰渣中碳含量也越低。
2.4.3