（热能工程专业论文）污泥及其混煤燃烧与no排放特性研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：壁上邃 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：娣师签 期：j _ o o 产t i b 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 符号表v i 1 前言11 日u 舌1 1 1 研究背景及意义l 1 1 1 研究背景1 1 1 2 国内外污泥处理现状2 1 2 污泥焚烧的研究现状3 1 2 1 污泥焚烧技术及应用现状3 1 2 2 污泥焚烧设备5 1 2 3 污泥焚烧国内外研究现状8 1 3 研究目的及研究内容1 0 1 3 1 研究目的1o 1 3 2 研究内容1 1 2 试验装置和测试方法1 2 2 1 试验样品制备1 2 2 2 试验装置简介1 2 2 2 1 y x h r d 灰熔融性测定仪1 2 2 2 2 j c r 2 微机差热天平1 3 2 2 3 p a r r 6 2 0 0 量热计1 4 2 2 4 静态燃烧系统1 5 2 3 试验方法及数据处理1 6 2 3 1 污泥灰熔融性测量方法1 6 2 3 2 污泥热值测量方法1 6 2 3 3 污泥燃烧特性试验方法1 7 2 3 4 污泥燃烧特性试验数据处理1 7 2 3 5 污泥污染物排放特性试验方法及数据处理2 0 2 4 本章小结2 1 i 山东大学硕士学位论文 3 污泥基本性质2 2 3 1 污泥基本性质2 2 3 1 1 污泥的来源及成分2 2 3 1 2 污泥密度2 3 3 1 3 污泥燃烧理论所需空气量2 4 3 1 4 污泥灰熔点2 5 3 2 污泥燃烧热值2 6 3 2 1 热值概述2 6 3 2 2 污泥含水率对污泥热值的影响2 7 3 2 3 污泥不同含水率下的能量损失2 7 3 3 本章小结2 8 4 污泥燃烧基本特性及其混煤燃烧特性研究3 0 4 1 污泥单独燃烧燃烧特性试验研究3 0 4 2 升温速率对污泥燃烧特性的影响规律3 l 4 3 粒径对污泥燃烧特性的影响规律3 4 4 4 含水率对污泥燃烧特性的影响规律3 6 4 5 混煤对污泥燃烧特性的影响规律3 8 4 6 本章小结4 1 5 污泥燃烧动力学分析4 3 5 1 污泥单独燃烧动力学方程4 6 5 2 改进动力学方程4 9 5 3 拟合数据反演5 0 5 4 本章小结5 1 6 污泥燃烧氮氧化物排放特性试验研究5 2 6 1 n o x 生成机理5 2 6 2 温度对污泥燃烧n o 析出特性的影响5 3 6 3 粒径对污泥燃烧n o 析出特性的影响5 4 6 4 通气量对污泥燃烧n o 析出特性的影响5 5 6 5 本章小结5 7 i i 山东大学硕士学位论文 7 污泥干燥焚烧一体化装置热量平衡5 8 7 1 干燥焚烧一体化简介5 8 7 1 1 污泥的干化5 8 7 1 2 污泥的焚烧5 8 7 1 3 干燥焚烧一体化5 8 7 2 污泥转筒干燥流化床焚烧一体化装置中的热量平衡5 9 7 3 本章小结6 4 8 结论与建议6 5 8 1 结j 沦6 5 8 2 今后工作建议6 6 参考文献6 7 致谢7 l 硕士期间发表论文7 3 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t i a b s t r a c t i i i s y m b o lt a b l e v i 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 1 1 2s l u d g et r e a t m e n ts i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d 2 1 2r e s e a r c hs i t u a t i o no fs l u d g ei n c i n e r a t i o n 3 1 2 1s l u d g ei n c i n e r a t i o nt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o n 3 1 2 2s l u d g ei n c i n e r a t i o ne q u i p m e n t 5 1 2 3r e s e a r c hs i t u a t i o no fs l u d g ei n c i n e r a t i o na th o m ea n da b r o a d 8 1 3r e s e a r c ho b j e c t i v ea n dc o n t e n t s 1 0 1 ：；1r e s e a r c ho b j e c t i v e 1 0 1 3 2r e s e a r c hc o n t e n t s 1 l 2e x p e r i m e n te q u i p m e n ta n dt e s t i n gm e t h o d s 1 2 2 1e x p e r i m e n ts a m p l ep r e p a r a t i o n 1 2 2 2i n t r o d u c t i o no fe x p e r i m e n te q u i p m e n t 1 2 2 2 1y x - h r da s hf u s i o na n a l y z e r 1 2 2 2 2j c r 一2m i c r o c o m p u t e rd i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y z e r 1 3 ：! ：! 3p a r r6 2 0 0c a l o r i m e t e r 1 4 2 2 4s t a t i cc o m b u s t i o ns y s t e m 。15 2 3t e s t i n gm e t h o d sa n dd a t ap r o c e s s i n g 1 6 2 3 1t e s t i n gm e t h o do fs l u d g ea s hs o f t i n gp o i n t 1 6 2 3 2t e s t i n gm e t h o do fs l u d g ec a l o r i f i cv a l u e 1 6 2 3 3t e s t i n gm e t h o do fs l u d g ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 1 7 2 3 4d a t ap r o c e s s i n go fs l u d g ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 1 7 2 3 5t e s t i n gm e t h o da n dd a t ap r o c e s s i n go fs l u d g ep o l l u t a n te m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s 2 0 山东大学硕士学位论文 2 4s u m m a r y 21 3s l u d g ef u n d a m e n t a lp r o p e r t i e s 2 2 3 1s l u d g ef u n d a m e n t a lp r o p e r t i e s 。2 2 3 1 1s l u d g ei n t r o d u c t i o n 2 2 3 1 2s l u d g e d e n s i t y 2 3 3 1 3t h e o r e t i c a la i rv o l u m eo fs l u d g ec o m b u s t i o n 2 4 3 1 4a s hs o f t i n gp o i n to fs l u d g e 2 5 3 2s l u d g ec o m b u s t i o nc a l o r i f i cv a l u e 2 6 3 2 1c a l o r i f i cv a l u ei n t r o d u c t i o n 2 6 3 2 2s l u d g em o i s t u r ec o n t e n te f f e c to ns l u d g ec a l o r i f i cv a l u e 2 7 3 2 3t h ee n e r g yl o s su n d e rd i f f e r e n ts l u d g em o i s t u r ec o n t e n t s 2 7 3 3s u m m a r y 2 8 4c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g ea n dc o a lb l e n d i n g 3 0 4 1e x p e r i m e n t a ls t u d yo fs l u d g ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 3 0 4 2h e a t i n gr a t ee f f e c to ns l u d g ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 31 4 3p a r t i c l es i z ee f f f e c to ns l u d g ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 3 4 4 4m o i s t u r ec o n t e n te f f f e c to ns l u d g ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 3 6 4 。5m i x p r o p o r t i o no fc o a le f f f e e to ns l u d g ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 3 8 4 6s u m m a r y 4 1 5t h ed y n a m i ca n a l y s i so fs l u d g ec o m b u s t i o n 4 3 ：；1t h ed y n a m i c se q u a t i o no fs l u d g ec o m b u s t i o n 4 6 5 2i m p r o v e dd y n a m i ce q u a t i o n 4 9 5 3f i t t i n gd a t ai n v e r s i o n 5 0 5 4s u m m a r y 51 6n ( ) 工e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g ec o m b u s t i o n 5 2 6 1n o 工f o r m a t i o nm e c h a n i s m 5 2 6 2t e m p e r a t u r ee f f f e c to nn oe m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s 5 3 6 3p a n i c l es i z ee f f f e c to nn oe m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s 5 4 6 4a i rf l o wr a t ee f f f e c to nn oe m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s 5 5 v 山东大学硕士学位论文 6 5s u m m a r y 5 7 7h e a tb a l a n c eo fs l u d g ed r y i n g - i n c i n e r a t i o ni n t e g r a t e dd e v i c e 58 7 1i n t r o d u c t i o no fd r y i n g i n c i n e r a t i o ni n t e g r a t i o n 58 7 1 1s l u d g ed r y i n g 5 8 7 1 2s l u d g ei n c i n e r a t i o n 5 8 7 1 3d r y i n ga n di n c i n e r a t i o ni n t e g r a t i o n 5 8 7 2 h e a tb a l a n c eo f s l u d g er o t a r yd r y i n g f l u i d i z e d b e di n c i n e r a t i o n i n t e g r a t e dd e v i c e 5 9 7 3s u m m a r y 6 4 8c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 6 5 8 1c o n c l u s i o n 6 5 8 2s u g g e s t i o n sf o rf u t u r ew o r k 6 6 r e f e r e n c e s 6 7 a c k n o w l e d g e m e n t 7 1 p u b l i s h e dp a p e r sd u r i n gg r a d u a t ep e r i o d 7 3 山东大学硕士学位论文 摘要 作为一种减容化、无害化、资源化的处理方式，污泥焚烧处理已被广 泛认识。与国外相比，我国污泥焚烧所占比例份额明显偏低，因此结合我 国国情，为了在环境、能源和经济问题中寻找一个处置污泥最佳的平衡点， 污泥焚烧技术的研究是十分重要的。 首先，本文研究得到了济南市政污泥在不同含水率下的恒容低位热值 以及能量损失份额。研究发现，当含水率达到8 1 时，济南市政污泥的能 量损失份额为1 0 0 。在灰熔融性测定仪上得到污泥的变形温度、软化温 度、半球温度、流动温度分别为1 1 3 8 、l l5 9 、1 2 0 5 、1 2 8 l 。 其次，本文利用热分析仪研究了试验参数以及混煤对污泥燃烧特性的 影响。研究发现，污泥燃烧过程除了前期的水分蒸发阶段外，后面有三个 燃烧阶段，分别为：第一挥发分燃烧阶段、第二挥发分燃烧阶段以及焦炭 燃烧阶段。随着升温速率的提高，污泥的着火温度升高，各燃烧阶段的最 大燃烧速率均增加，污泥的燃尽温度以及燃烧特性指数增大；最大单位温 度失重率在第一阶段稍有下降，在第二阶段和焦炭燃烧阶段则基本不变。 随着污泥粒径的增大，着火温度略有升高，最大燃烧速率和燃烧特性指数 在第一阶段略有减小，在第二阶段略有增大，但整体上对污泥燃烧特性影 响不大。 污泥与贫煤混合燃烧时，当污泥比例 4 0 时，混煤的着火温度没有明 显降低，为4 7 5 左右；当污泥比例超过4 0 时，混煤的着火温度迅速下 降，污泥比例6 0 时，着火点降到3 1 5 。随着污泥比例减小，混煤试样 第一挥发分燃烧峰值逐渐减小，对应温度下降：第二峰值逐渐消失；第三 峰值迅速增大，对应温度也略有下降。固体残余物质量分数总体呈下降趋 势。 然后，通过c o a t s r e d f e r n 方法，得出污泥燃烧过程中挥发分第一阶段、 第二阶段以及焦炭段的最佳机理函数。由于挥发分第一阶段与第二阶段 d t g 曲线有重叠的部分，传统的数据处理误差较大，本文采用挥发分第一 阶段峰值的上升沿、第二阶段峰值的下降沿进行改进处理，得到污泥挥发 山东大学硕士学位论文 分第一阶段满足二级反应模型，活化能9 4 1k j m o l ，频率因子1 2 1 0 7 m i n ，第二阶段满足三维扩散模型，活化能1 3 4 2k j m o l ，频率因子1 3 6 1 0 1 1m i n 一。经过数值模拟，该模型与试验结果具有良好的一致性。 再次，利用管式炉燃烧系统研究了燃烧温度、样品粒径以及空气流量 等对污泥燃烧氮氧化物排放的影响规律。研究发现低流量时，n o 的瞬时 排放曲线呈现双峰结构，当流量升高时，n o 的排放呈现三峰结构。通气 流量升高，n o 排放时间集中，n o 第一个释放峰值逐渐增大，第一峰值出 现时间延后；第二个释放峰值明显增大，同时，随通气流量的增大，n o 排放量增大。大流量下，随着温度的升高，n o 三个峰值逐渐增大且峰值 出现时刻提前，同时温度升高后，n o 三个峰值出现时间差也相应缩短， n o 的排放更加集中。随粒径的增大三个释放峰先减小后增大，n o 排放量 明显增大。 最后本文提出了一套污泥干燥焚烧一体化中保证污泥零库存的新型热 量计算方法。方法中考虑了干燥和焚烧之间的能量耦合关系。这对污泥干 燥焚烧一体化系统的设计具有一定的指导意义和参考价值。 关键词：污泥；混煤；燃烧特性；排放特性；动力学 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u n i c i p a ls l u d g ei n c i n e r a t i o nh a sb e e nw i d e l yr e c o g n i z e da sav o l u m e r e d u c t i o n ，h a r m l e s s n e s sa n dr e s o u r c e o r i e n t e da p p r o a c h ，b u tt h eu t i l i z a t i o ni n c h i n ai ss i g n i f i c a n t l yl e s st h a nt h o s ed e v e l o p e dc o u n t r i e s c o m b i n i n gw i t ho u r n a t i o n a lc o n d i t i o n ，i no r d e rt ol o o kf o rab e s te q u i l i b r i u mp o i n ti ns l u d g e t r e a t m e n ta m o n ge n v i r o n m e n t ，e n e r g ya n de c o n o m i c ，r e s e a r c hi nt h i sa r e ai s v e r ys i g n i f i c a n t f i r s t l y , t h i sp a p e ro b t a i n e dc o n s t a n tv o l u m en e tc a l o r i f i cv a l u ea n de n e r g y l o s so fj i n a nm u n i c i p a ls l u d g eu n d e rd i f f e r e n tm o i s t u r ec o n t e n t s w ef o u n d t h a tt h ep r o p o r t i o no fe n e r g yl o s so fj i n a nm u n i c i p a ls l u d g ei s10 0 w h e nt h e m o i s t u r ec o n t e n ta c h i e v e d81 t h r o u g ha s hf u s i o na n a l y z e r ，as e r i e so fa s h m e l t i n gp o i n to fs l u d g ei n c l u d i n gd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ( d t ) ，s o f t e n i n g t e m p e r a t u r e ( s t ) ，h e m i s p h e r et e m p e r a t u r e ( h t ) a n df u s i n gt e m p e r a t u r e ( f t ) w e r eo b t a i n e dt h a te q u a lt o1 1 3 8 c ，1 1 5 9 c ，1 2 0 5 ca n d1 2 8 1 r e s p e c t i v e l y s e c o n d l y , t h ei n f l u e n c eo fo p e r a t i o nc o n d i t i o na n dm i x i n gc o a lo ns l u d g e c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r es t u d i e db yt h e r m a la n a l y z e r r e s e a r c hs h o w e d t h a t ，e x c e p tf o rt h ew a t e re v a p o r a t i o n ，s l u d g ec o m b u s t i o np r o c e s sc o u l db e d i v i d e di n t ot h r e es t a g e s ，w h i c hw e r et h ef i r s ta n ds e c o n dv o l a t i l ec o m b u s t i o n s a t g ea s w e l la sc h a rc o m b u s t i o ns a t g er e s p e c t i v e l y w i t ht h ei n c r e a s eo f h e a t i n gr a t e ，t h em a x i m u mc o m b u s t i o nr a t eo fe a c hs t a g e ，i g n i t i o nt e m p e r a t u r e ， b u r n o u tt e m p e r a t u r ea n dc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c si n d e xo fs l u g ei n c r e a s e d t h em a x i m u mw e i g h tl o s sp e ru n i to ft e m p e r a t u r ed e c r e a s e ds l i g h t l yd u r i n g t h ef i r s tv o l a t i l ec o m b u s t i o ns t a g ew h i l ei t sa l m o s tu n c h a n g e dd u r i n gt h e s e c o n dv o l a t i l ec o m b u s t i o ns t a g ea n dc h a rc o m b u s t i o ns t a g e a st h ei n c r e a s e o fs l u d g ep a r t i c l es i z e ，i g n i t i o nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e ds l i g h t l y , t h em a x i m u m c o m b u s t i o nr a t ea n dc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c si n d e xd e c r e a s e d s l i g h t l y d u r i n gt h ef i r s tv o l a t i l ec o m b u s t i o ns t a g ew h i l ei t si n c r e a s e ds l i g h t l yd u r i n g t h es e c o n dv o l a t i l ec o m b u s t i o n s t a g e ， b u tt h e s l u d g e c o m b u s t i o n i i i 山东大学硕士学位论文 c h a r a c t e r i s t i c sw a si n f l u e n c e dl i t t l eo nt h ew h o l e t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs l u d g em i x i n gw i t hl e a nc o a lw e r ea l s o s t u d i e d t h ei g n i t i o nt e m p e r a t u r eo fs a m p l e sc h a n g e dl i t t l ea r o u n d4 7 5 w h e n s l u d g ep e r c e n t a g el e s st h a n4 0 ，b u ti td e c r e a s e dr a p i d l ya st h ep e r c e n t a g e c h a n g e df r o m4 0 t o6 0 ，a n df i n a l l yr e a c h e d315 c w i t ht h ed e c r e a s eo f s l u d g ep r o p o r t i o n ，t h em a x i m u mv o l a t i l ec o m b u s t i o nr a t eo ft h ef i r s tp e a ka n d i t s c o r r e s p o n d i n gt e m p e r a t u r ed e c r e a s e d ，t h e s e c o n d p e a kg r a d u a l l y d i s a p p e a r e d ，a n dt h et h i r dp e a ko fc h a rc o m b u s t i o ni n c r e a s e dr a p i d l ya n di t s c o r r e s p o n d i n gt e m p e r a t u r ed e c r e a s e ds l i g h t l y t h em a s sf r a c t i o n o fs o l i d r e s i d u e sd e c l i n e do nt h ew h o l e t h i r d l y , t h i sp a p e ro b t a i n e db e s tm e c h a n i s mf u n c t i o no ft h ef i r s tv o l a t i l e c o m b u s t i o ns a t g e ，t h es e c o n dv o l a t i l ec o m b u s t i o n s a t g e a n dt h ec h a r c o m b u s t i o ns t a g et h r o u g hc o a t s r e d f e r nm e t h o d a ss o m ep a r t so ft h ef i r s t v o l a t i l ea n dt h es e c o n ds t a g ed t gc u r v e so v e r l a p p e d ，t h et r a d i t i o n a ld a t a p r o c e s s i n gm a yl e a dt ob i ge r r o r s b ya d o p t i n gt h er i s i n ge d g eo ft h ef i r s t v o l a t i l ep e a ka n dt h ef a l l i n ge d g eo ft h es e c o n dp e a k ，t h i sp a p e rm a d es o m e i m p r o v e m e n t so nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d a sar e s u l t ，t h ef i r s ts t a g eo fs l u d g e v o l a t i l em e e tt h es e c o n do r d e rr e a c t i o nm o d e l ，i nw h i c ht h ea c t i v a t i o ne n e r g y e q u a l e d9 4 1k j m o la n dt h ef r e q u e n c yf a c t o re q u a l s 1 2 10 7m i n ，a n dt h e s e c o n d s t a g em e e tt h et h r e e - d i m e n s i o n a ld i f f u s i o nm o d e l ，i n w h i c ht h e a c t i v a t i o ne n e r g y e q u a l e d 13 4 2 k j m o la n dt h ef r e q u e n c yf a c t o r e q u a l s 1 3 6 x1 0 i lm i n t h em o d e lw a sf a i r l ya g r e e dw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s f o u r t h l y , t h e e f f e c to f o p e r a t i n gp a r a m e t e r s s u c ha sc o m b u s t i o n t e m p e r a t u r e ，p a r t i c l es i z ea n da i rf l o wo nn i t r o g e no x i d e s ( n o ) e m i s s i o n so f t h es l u d g ew e r es t u d i e du s i n gad o u b l et u b e t y p ef u r n a c e t h er e s u l t ss h o w e d t h a tn or e l e a s ep r e s e n t e dd o u b l ep e a ka tl o wa i rf l o w , a n di tp r e s e n t e dt h r e e p e a k sw i t ht h ea i rf l o wi n c r e a s i n g w h e nt h ea i rf l o wi n c r e a s e d ，t h et i m eo f n op r e c i p i t a