（市政工程专业论文）斯图加特污水处理厂污泥焚烧工艺研究.pdf

摘要 本文通过对德国斯图加特污水处理厂污泥焚烧工艺的研究，对影响焚烧的污 泥的特性进行了较为详细的分析，同时对烟气的排放规律进行了认真的探讨。 文章首先介绍了污泥的来源和污泥的处理情况，经过论证提出了污泥的焚烧 是今后污泥处理领域发展的趋势：通过对斯图加特污水处理厂污泥焚烧技术的历 史回顾，分析了技术变革的内在原因，从工艺方面理解污泥的性质。针对污泥热 值这个污泥焚烧过程中的重要因素，分析了污泥的各项组成与其之间的关系。分 别提出了污泥中的挥发份、碳含量与污泥热值之间的关系。同时对d u l o n g 公式 进行了某些修正，使其更适合对原污泥热值的求解。针对污泥焚烧后的烟气的分 析报告，提出了影响烟气排放质量的控制条件，得出了适合于斯图加特污水处理 厂污泥焚烧的参数。最后制作了用于快速计算污泥焚烧参数的程序，可以通过输 入污泥的成分，迅速计算出焚烧时的炉温和排放的烟气量，具有一定的实际意义。 关键词：热值；焚烧；污泥；烟气排放；城市污水处理厂 a b s t r a c t a b s t r a c t 0 nt h eb a s eo f s u m m a r i z i n gt h es l u d g ei n c i n e r a t i o nt e c l l i l o l o g yt r a n s f o 肌i n gi n s t u t t g a r t w a s t e w a t e rt r e a t 1 e n tp l a n t ，t h i st h e s i s c o r n p r e h e n s i v e l y r e s e a r c h e st h e s l u d g ec h a r a c t e r t h a ti n n u e n c i n gm e s l u d g e i n c i n e r a t i o n i b b e g i nw i t h ，t h i st h e s i sb r i e n ys u m m a r i z e st h er e s o u r c eo f t h es l u d g ea n dt h e s 】u d g et r e a t 玎】e n tt e c l l l l 0 1 0 9 y ，p o i n t i n go u t 也a tt 1 1 es l u d g ei n c i n e r a _ 七i o ni st 1 1 eg u i d eo f t h es l u d g et r e a t m e n tm e t h o d s e c o n d l y ，s u m m a r i z e st h ec h a l l g eo ft h ei n c i n e r a t i o n d e v i c e sa n da n a l y s e st h er e a lr e a s o no ft h ec h a n g e t ba n a l y z i n gt h es l u d g ec h a r a c t e r c a r e f u l l y ，s u c c e s si nn n d i n go u tt h ei n 丑u e n c eo nt h ei n c i n e r a t i o nc h a r a c t e rb yt h e s l u d g e i na d d i t i o n ，s p e c i a lf b m u l a s w e r es e tu pt os h o w i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t 、v e e n t h ec o m p o n e n t so ft h es l u d g ea n dt h es l u d g eh e a tv a l u e s o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r s w e r ed i s c u s s e dt of i n d i n go u tt h eo p t i m u mo p e m t i o nv a l u et h a tl i m i t st h ed a n g e r o u s m a t e “a l so fm eo f rg a st ot h el e a s t f i n a l l y ，ap r o g r a mc a i lb eu s e dt oc a l c u l a t e 血e i n c i n e r a t i o nt e m p e r a t u r ea 王1 dt h ef l u eg a sq u a 【l t i t y i ti su s ef o rp r a c t i c a le x p e r i e n c e k e y w o r d s ：h e a t v a l u e ；i n c i n e r a t i o n ； s l u d g e ；o 昏g a s ； w w 岍 i 【 第一章绪论 第一章绪论 1 1 综述 污泥是污水处理厂处理污水的过程中出现的副产物。一般是指介于液体和固 体之间的浓稠物，可以用泵输送，但难以用沉降进行固液分离。城市污水处理厂 ( w w t p ) 处理的污泥属于有机污泥，其特点是有机物含量高( 6 0 8 0 ) ，颗 粒细( o 0 2 o 2 m m ) ，密度小( 1 0 0 2 1 0 0 6 c m 3 ) ，成胶体结构，是一种亲水性 的污泥，容易管道运输，但脱水性差。这类污泥主要是由初沉污泥和二沉污泥组 成，约占总处理水量的o 3 一o 5 ( 体积) 。对这些污泥的处理成为了污水处理 领域中出现的新问题。 污泥中含有的大量的水分使污泥的体积庞大。以一座日处理污水2 0 万吨的 污水处理厂为例，每天产生的污泥可以达到1 0 0 0 m 3 ，如果进行深度处理，污泥 的量还会增加o 5 1 o 倍。如果不加处理，大量的污泥给污泥的运输和处置带来 了诸多的不便。同时，污泥中含有大量的有害物质，例如寄生虫卵、病原微生物、 细菌、合成有机物及重金属离子等，这些成分将对周围的环境产生不良的影响甚 至还会引起传染性疾病。然而，污泥中含有丰富的有机物和多种矿物质，这些成 份可以用来改善土壤结构，提高保水能力和保肥能力，是良好的土壤改良剂。同 时污泥中也含有较多的氮、磷、钾等植物养分，可以用作肥料。污泥有较高的热 值，经过干燥后的污泥的热值相当于褐煤的水平，可以直接用作燃料或发酵产生 沼气作为燃气使用。另一方面，污泥处理设备的投资会占到总投资的3 0 4 0 ， 如果采用污泥焚烧设备，则可能达到5 0 6 0 。因此无论从环境技术的角度还 是从投资的角度，污泥的处理在废水处理中占有十分重要的作用。 目前对污泥的处理方针是减量、稳定、无害化和综合利用，从而确保( 1 ) 污水的处理效果，防止二次污染；( 2 ) 使容易腐化发臭的有机物得以稳定化的处 理：( 3 ) 妥当地处理有毒和有害的物质；( 4 ) 使污泥中的有用物质得以充分的利 用，变害为利。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 污泥的来源 图1 1 是典型的城市污水处理厂污水处理的系统流程图。从图中我们可以看 到污泥的产生过程。总体来说，对于城市污水的处理可分为三个阶段：污水的物 理处理阶段：污水的生物处理阶段和污泥的处理阶段。 污水的物理处理主要是为了去除污水中含有的悬浮固体。在这个阶段内通常 采用格栅和沉砂除油设备。砂粒，悬浮物和大的颗粒被截留下来作为垃圾运往垃 圾处理厂或者直接投入焚烧炉中加以焚烧。 初沉污泥是从初沉池中排出的污泥。这是一种闻起来具有恶臭而看起来比较 稠密的液体。由于不同的污水来源会使初沉污泥具有不同的性质。但大部分的初 沉污泥是一种非溶解性的泥状物质，它们的含水率大概保持在9 4 9 8 。相对 于二沉池污泥来说，这一部分污泥含水率较低，无机物的含量较高，通常被引入 消化塔中进行消化稳定处理。 污水c = o ， c = 深度处理 图1 】污水处理厂污水处理流程图 d i a g r a m1 1 w a s t e w a t e rt r e a 廿n e n tp r o c e s si nw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp i a n t 二沉污泥是在二沉池中产生的污泥。这种污泥通常是由废水中的胶体和溶解 性的污染物经过微生物代谢后产生的。和初沉污泥不同，这部分的污泥成分简单 2 并且含水率较高( 通常为9 9 左右) 。二沉污泥的一部分作为接种污泥回流到生 化池中，另一部分作为剩余污泥在后续工艺中被处理。 1 3 污泥的处理 污水处理流程中产生的污泥通常含有9 5 的水分。除此之外，污泥中还含有 发臭体，病源菌和有毒物质。污泥处理的目的首先是去除恶臭，减少有机物的数 量，消除致病菌和提高污泥的脱水性能。处理之后的污泥在再利用和填埋的过程 之中产生的问题较少，对环境的影响较小。因此，污泥的处理是污水厂中必不可 少的一环。浓缩、稳定化和脱水是污泥处理的三个基本步骤。 1*ii r * ，。 怛i 坝 尚”古 7 i ” i l7 l ，执门 沉淀重力浓缩真空过滤 气浮气浮浓缩离心过滤 压力过滤 污泥的消化脱水预处理( 化学调节) 图1 2 污水处理厂污泥处理流程图 d i a g r a m1 2t h es l u d g em ：a t m e n tp r o c e s si nw a s t e w a t e r t r e a t m e n t p l a n t 1 3 1 污泥的浓缩 污泥的浓缩是一种减小污泥体积最经济有效的方法。污泥的含水率从9 9 降至9 6 ，污泥的体积可以减少3 4 ，减容效果明显。浓缩通常通过絮凝、离心 或者重力沉淀及气浮法加以实现。重力浓缩是浓缩过程中较常用的一种方法，它 是通过泥自身的重力作用进行的，在这种作用下，蕴藏在泥中的空隙水被挤压出， 达到减小污泥的体积，增加污泥含固率的目的。气浮浓缩法和离心机浓缩法也是 污泥浓缩中常用的方法，这三种方法各有优缺点： 北京工业大学工学硕士学位论文 表1 1 污泥的浓缩法比较 t a b l e1 1 c o m p a r i s o no f s i u d g et h i c k e n i n gm e t h o d l 方法优点缺点 i 重力浓缩法贮存行泥的能力高，操占地大，以产生臭气， 作要求不高，运行费用低浓缩后的污泥非常稀薄 i 气浮浓缩法占地少，泥水分离效果运行费用较重力浓缩 好，含水率低，不易产生法高，占地比离心法多， 臭气污泥储存能力小 l 离心机浓缩法占地少，处理能力高，机械要求高，耗电大， 几乎没有臭气问题对人员的素质要求高 1 3 2 污泥的稳定 污泥的稳定作用可以使污泥在储存过程中避免厌氧分解和产生臭味，杀死污 泥中的病源菌，并且部分减小污泥的体积，改善流体性质。稳定的过程通常分为 生物稳定，化学稳定和热力稳定。生物稳定的过程又可分为污泥的厌氧消化和好 氧消化两个过程。对于大型的污水处理厂来说，最常用的稳定方法是中温厌氧消 化池。在消化池中，污泥被分解并且被转化成有机酸。这些有机酸被气化成6 5 的甲烷和3 5 的c 0 2 。这个步骤将分解4 0 的干态有机物，在此期间将有7 0 的成分将以氨氮的形式存在。化学稳定的实质是向污泥中添加各种混凝剂，使污 泥形成颗粒大、空隙多和结构强的滤饼。热稳定过程可以破坏污泥的胶体结构， 降低污泥的固体和水的亲和力，有利于固体的凝结。 1 - 3 3 污泥的脱水 污泥经过浓缩后含水率仍维持在9 5 左右，成流动状态，体积很大，对后续 处理带来了相当大的困难，需要进一步的处理。脱水过程是通过机械作用使污泥 中水分含量减小到8 5 以下。脱水后污泥呈现固体状态，体积减少为原来的1 1 0 。 常用的脱水方法有：真空过滤法、压滤法、离心法和压带法。这些方法都是通过 过滤介质在滤料两侧的压力差使水分强制通过滤料，而将固体颗粒截留在滤料 上。由于四种方法的脱水方式不同，所以脱水的效果就不一样。下表列出了使用 4 第一章绪论 各种方法后脱水污泥的含水率和状态 表1 2 污泥的脱水方法 t 铀l el 一2c o m p 耐s o n o f s l u d g ed e w a t e r i n g m e t h o d 脱水方法脱水装置脱水后的含水率脱水后的状态 真空转鼓， 真空过滤法 6 0 8 0泥饼状 真空转盘 压滤法板框式压滤机 4 5 8 0泥饼状 压带法压带式压滤机7 8 8 6泥饼状 离心法离心机 8 0 8 5泥饼状 1 4 污泥的处置 污泥的处理过程是每个污水处理厂中必不可少的一环。污泥经过了一定的减 容和稳定化的处理，此时的特性已经较未处理的污泥改善了许多。这些经过处理 的污泥的最终处置途径多种多样，一般应该根据污泥的处理方式和最终的目的来 决定。目前最常用的污泥处置方法有：作为肥料用于农业；堆放；填埋；填海和 热处理。 1 4 1 污泥运用于农业 污泥中含有大量植物需要的有机物和矿物质，因此将处理后的市政污泥用于 农田作为肥料和土壤添加剂是最佳的处理方式。这些有机物质直接通过生物循环 被植物所收，代替肥力强劲的合成肥料。以市政污泥为例，含氮量2 6 ；含 磷量1 4 ；含钾量o 2 o 4 ，其中污泥中氮和磷的含量都比农家肥高。另 外污泥中还含有硼、锰、锌等微量元素，对于农业和林业的增产有重要的作用。 但是，污泥中含有的病源菌、寄生虫和重金属离子也会进入植物体内，从而通过 生物链影响其他生物。p o l e t s c h n y 对德国的6 8 0 0 多种污泥样品做了试验，试验 结果同普通的农用土壤进行了对比，结果表明无限地将污泥应用于土壤之中可能 导致在农用土地中重金属的集聚。因此目前对于污泥在农业和林业方面的应用有 了严格的限定。为了规范污泥的使用，欧洲各国和美国均制定了相应的标准：如 北京工业大学工学硕士学位论文 e c d i r e c t i v e ( 8 6 2 7 8 e e c ) 和u s 5 0 3 条例。我国政府也规定对于运用于 农业的污泥必须符合农业部制订的农用污泥中污染物质控制标准 ( g b 4 2 8 4 8 4 ) 的要求。 1 4 2 污泥填埋 填埋具有工艺简单、成本低和适用于多种类型污泥的优点。目前在发达国家 污泥填埋也是污泥处置的主要方法。虽然污泥的填埋在今天是一种流行的方法， 但是在将来填埋这种方法将遇到许多麻烦。第一，填埋需要占据大量的土地，这 对于土地资源少或者地理条件好的地区并不适用。第二是稳定性的问题( 例如污 泥所释放出的气体，臭味) 。污泥中的有机物会在厌氧情况下降解，放出废气。 这些废气有的具有恶臭、有的对人体有害、还有一部分气体具有可燃性，在一定 条件下可以发生爆炸。第三是可控性的问题。简易的填埋场并不能阻止污泥中渗 滤液的无序排放。这些含有病源菌和重金属离子的渗滤液会严重威胁地下水资 源。而卫生填埋法技术要求严格，初投资大；同时由于土地资源的萎缩，用于污 泥填埋的土地使用费会越来越贵，这将直接导致填埋费用的上升。为了避免地表 水或地下水由于污泥中的有机物质的分解而造成的污染，欧盟要求在2 0 0 5 年填 埋的污泥中的有机物质要控制在5 之内。这就需要在污泥处置之前采用干燥或 焚烧等特殊的手段。 1 4 3 污泥填海 污泥的填海是利用水体自净和水的稀释作用进行得一种污泥处置方法。这种 方法简便、易行，被沿海国家所利用。但是，越来越多的证据表明，污泥的填海 会破坏海洋脆弱的生态环境。美国纽约市每年约有1 2 0 万立方米的污泥投海，4 0 多年以来，使5 1 8 平方公里的海洋变成了“死海”，造成污泥厌气分解，污染海 区的环境卫生和感官性状。海底的重金属浓度提高了1 0 0 2 0 0 倍。1 9 9 6 年之前， 欧盟范围内有三个国家采用污泥填海的方式：爱尔兰3 5 ，英国3 0 ，西班牙 1 0 。在颁布了北海条约之后，污泥的海洋倾倒在欧盟范围内已不被允许。 l _ 4 4 污泥焚烧 焚烧技术也是一种常用的污泥处理方法，它是一种高温化学的处理方式。焚 烧技术在目前为止是处理污泥的最好的处理方法。第一，焚烧可以大量减小污泥 的体积，相对于机械脱水的污泥来说，最终的焚烧产物体积只相当于最初产物的 1 0 。第二，焚烧也可以杀死一切病原体，一切有机物在燃烧过程中都会最大程 度的被分解，病原体和细菌也不例外。通过高温处理，在燃烧残渣内几乎没有病 原体存在。此外由于焚烧过程还可以解决污泥的恶臭问题。第三，经过脱水后的 污泥的热值相当于褐煤的水平，因此在一定条件下污泥可以自燃，而不需要添加 额外的辅助燃料。这样可以在一定程度上减轻污泥焚烧的费用。 目前方面由于禁止污泥的填海处理，另一方面由于填埋中土地资源的日益 减少和填埋费用的目益上升，同时越来越严格的法令限制了污泥在农用中的使 用，因此污泥的干燥和焚烧在污泥处置方面越来越重要。制约污泥焚烧的问题主 要在于其高昂的造价和烟气处理问题。但是，直到目前为止焚烧还是污泥处置的 最好的方法。 1 。4 5 其他污泥处置的方法 除了传统的污泥处置方法之外，还有很多不同的污泥的处置和利用的方法。 污泥燃料化的方法是一种采用多级蒸发器对污泥进行蒸发，制成污泥燃料的方 法。这种方法最初是在第二次世界大战时解决燃油短缺的问题。目前有两种形式： 污泥能量回收系统，简称h e r s 法( h y p e r i o ne n e 唱yr e c o v c r ys y s t e m ) 和污泥 燃料化法，简称s f 法( s l u d g ef u e l ) 。h e r s 法是将初沉污泥和剩余污泥分别进 行厌氧消化，产生的消化气用于发电，消化后的污泥通过四效蒸发制成含水率 2 6 ，含油率0 1 5 的污泥燃料。s f 法是将为消化的混合污泥经过机械脱水后， 通过四效蒸发器蒸发，制成含水率5 ，含油率l o 以下的污泥燃料。在德国一 座小型的污泥气化焚烧厂在b a l i n g e n 建成。这座工厂每小时处理1 5 0 公斤干燥污 泥( 8 5 含固率) 。在这种处理方式中最重要的问题是安全问题。目前国外对该 方法的应用只限于特殊目的的污泥处理。 将污泥用于建材也是污泥利用的一部分。通过干燥、部分燃烧、造粒和烧结 7 北京工业丈学工学硕士学位论文 过程可以制造出符合要求的轻制陶粒。该工艺的关键在控制烧结温度1 0 0 0 “o o ，同时将残留碳的含量控制在o 5 1 0 之间。由日本荏原株式会社 开发成功的污泥熔融系统将含水率为7 5 的脱水污泥经过干燥、熔融后制成与微 晶玻璃类似的人造大理石，其外观、强度、耐热性均比熔融材料优，可作为建筑 的内外装饰材料用。以污泥为原料制成的生态水泥工艺也引起了国内外的高度重 视。在污泥制水泥的过程中，污泥中的有机成份和无机成份均得到了充分的应用， 资源化效率高；同时由于水泥的需求量大，因此可以销纳较多的污泥。但是这种 污泥中含氯盐较高会使钢筋锈蚀，应予以重视。 此外还可以将活性污泥作为粘结剂将无烟粉煤制成型煤，或是将代替白泥作 为型煤的粘结剂提高型煤的气化反应性，降低灰渣中的残碳、提高碳的转化率。 利用剩余污泥可以制作可降解的塑料。在1 9 7 4 年就有人从活性污泥中提出了聚 羟基烷酸( p h a ) 。英国的i c i 公司曾用发酵的方式生产出0 一羟基戊酸共聚体 ( p h b v ) ，但由于生产成本限制了大规模的商业生产。 1 5 本文的研究背景及研究内容 为了对污泥处理观念和技术有新的了解，借鉴和学习国外先进的污泥处理知 识和技术，北京工业大学和斯图加特应用技术大学展开了在污泥处理方面的校际 合作。作为北京工业大学的一名交换学生，我有幸在斯图加特进行了为期半年的 学习和研究工作。现在首先将斯图加特污水处理厂的基本概况予以简单的介绍。 1 5 。1 斯图加特污水处理厂简介 斯图加特污水处理厂坐落在斯图加特的东北部地区一m u h l h a u s e n 。该污水 处理厂始建于1 9 1 8 年，距今有8 0 多年的历史。现在整座污水处理厂处理的污水 来自于方圆2 6 3 k m 2 范围内，包括生活污水、处理后的工业废水和一部分雨水。 日处理能力为2 3 3 ，0 0 0 立方米的污水。和其他大型的市政污水处理厂一样，斯 图加特污水处理厂的污水经过格栅、沉砂池、预曝气池、初沉池、生化反应池和 二沉池，最后通过砂滤池排入到莱卡河中。对于污水的处理，主要采用的是a 2 0 法，通过调节供气段的长度和气量控制硝化、反硝化段的长度和程度。污水在经 过整套处理过程之后，污水中的b o d 5 浓度从2 0 4m l 3 6 0 m l 减小到 第一章绪论 1 0 m l ，去除效率为9 7 ，9 8 。 对于泥的处理，在斯图加特污水处理厂中主要是采用消化池和浓缩池对污泥 进行处理；然后用一套干燥焚烧设备对污泥加以处置。这套设备包括脱水机、干 燥机、焚烧炉等。每天约有1 5 0 0 m 3 的污泥产生，初沉污泥占据了全部污泥的绝 大部分的体积。这些污泥全部流入消化罐中，在3 5 度的条件下进行消化反应。 二沉池中的污泥一部分回流到生化池中，另一部分作为剩余污泥和消化污泥以 2 0 ：8 0 的比例起流进浓缩池中进行浓缩。在浓缩后，污泥被传入脱水机、干 燥设备和焚烧设备进行热处理。1 9 9 2 年后，第二套污泥焚烧设备可以直接燃烧 从格栅和沉砂除油池排出的筛余物。 对于烟气的处理，污水厂采用半干法对于焚烧后的烟气进行脱酸和去除重 金属、二恶英( p c d d ) 呋喃( p c d f ) 的处理。对于c 0 、n 2 0 和n o x 的去除 则是靠控制焚烧炉的燃烧条件而实现的。 1 5 2 研究方向的选择 欧洲，尤其是在发达的工业国家，污泥的产量增长迅速。1 9 8 7 年，欧洲每 年产生5 5 0 ，0 0 0 吨干污泥，然而在1 9 9 1 年，则产生6 5 0 ，o o o 吨污泥。预期到 2 0 0 5 年时，欧洲干污泥的产量将达到1 0 1 3 ，o o o 吨。 图1 3 欧洲污泥处置情况 d i a g r a m1 3s l u d g ed i s p o s a li ne u r o p e 9 北京工业大学工学硕士学位论文 表1 3 欧洲各国污泥处置情况 t a b l e1 4s 1 u d g ed i s p o s a l i ne u r o p e l 国家农用填埋l焚烧填海 其他 比利时2 95 5 1 5o1 丹麦 5 42 02 4o2 法国 6 02 02 00o 德国 2 75 4 1 4o5 希腊 l o9 00o0 爱尔兰 1 2 4 5o3 58 意大利 3 3 5 51o1 1 卢森堡 1 28 8 ooo 芬兰 2 6 5 03o2 l 波兰3 0 6 0o0i o 西班牙 5 0 3 55l oo 英国 4 48 7 3 0 1 1 平均 3 24 8 766 表i 3 总结了欧洲各国的污泥处置方法。可以看出目前污泥的农用和填埋方 式占据了相当的比重，成为主要的污泥处置手段。在这两种处置方式中，几乎相 同数量的污泥被用于农用或填埋。而其他污泥的处置方式则只占据了较小的比 重。 在对今后污泥处置方法的展望上，污泥处置各部分发生了较大的变化，如图 1 4 所示。 1 0 第一章绪论 1 9 8 51 9 9 21 9 9 62 0 0 02 0 0 5 年f j ： 。1。h。1 f 二! 堕塑塑壅旦二! 二受堡塑堡二坚堕塑塑茎塑= 竺塑堡堡堂f 图l - 4 欧洲污泥处置发展情况 d i a g r a m 】- 4s l u d g ed i s p o s a lr o u t ei ne u r o p e 首先，对于填埋来说，这种方法在污泥处置的各种方法中简便易行，但是各 国并不对这种方法看好。这种方法已被越来越少地应用，在美国，6 5 0 0 个填埋 场在今后将有5 0 0 0 个予以关闭；在欧盟，2 0 0 0 年后填埋在污泥的处置占的比例 会迅速降低，到2 0 0 5 年将降低到l o 左右。所填埋的物质仅限于有机物含量小 于5 的废弃物。 各国广泛地将污泥用于农用，这种趋势在今后仍然会得以延续。污泥农用的 比例将平稳增加：从1 9 8 5 年的3 5 左右到2 0 0 5 年的4 5 左右。这种方式其实 是最符合自然循环利用的观念的，同时也是较为经济的一种污泥处置的方法。但 是，由于污泥中的重金属的沉积和有机物污染问题，用于农业的污泥必须被有选 择地使用。 焚烧的前景越来越被看好，这种方法最引人注目的特点是大量减少污泥的体 积，杀死一切病原体。同时由于焚烧设备的结构不断完善和有关焚烧技术的突破， 原来存在的烟气二次污染问题也得到了妥善的解决。这样焚烧技术成为了一项十 分环保的污泥处置技术。另一方面，由于污泥的填海已经在1 9 9 6 年被彻底禁止， 所以焚烧的比例将进一步的增加。据预测，焚烧所占的比重将由1 9 9 2 年的l o 到 2 0 05 年的3 8 。 o s恻：闩星旬龌删文蜡蜉啦 北京工业丈掌工学硕士学位论文 对于我国这样一个农业大国，污水处理事业正在蓬勃发展，但是由于资金有 限，对于污泥的处理的研究工作开展较少。尤其是对污泥的焚烧方面，由于耗资 巨大、设备复杂、对操作人员的素质和技术水平要求高，因此这方面开展的工作 就更少。目前只有浙江大学、中国科学研究院、华中理工大学和清华大学对污泥 的焚烧原理进行了一定的研究。在实际工程方面，尤其是对运营多年，处理效果 良好的工程事例的分析，在国内鲜有报道。 斯图加特污水处理厂中的污泥焚烧系统是于1 9 6 2 年建成并投入使用的。作 为全世界最早采用污泥焚烧系统的污水处理厂，4 0 多年的运行使其在污泥的焚 烧方面具有丰富的经验。因此将污泥焚烧工艺作为我的研究方向，对斯图加特污 水处理厂的污泥焚烧系统进行研究，给我国的污泥焚烧工作提供有益的借鉴。 1 5 3 研究内容 针对以上的问题，我从三个方面进行了分析。 1 ) 对于焚烧前的污泥处理工艺、焚烧炉和焚烧后的烟气处理工艺的衍变情 况进行阐述，讨论适合城市污水处理厂污泥焚烧的工艺过程。作为世界 上最早采用污泥焚烧技术的污水处理厂，斯图加特污水处理厂的污泥焚 烧过程其实就是整个污泥焚烧的发展过程。在焚烧设备的选择、工艺的 改造方面有许多成功的经验和失败的教训，对该污水处理厂焚烧系统的 发展过程加以分析，可以向我国的污泥焚烧处理事业提供许多可借鉴的 经验。 2 1 其次，对于影响污泥热值的因素进行分析，研究适合于污泥焚烧的污泥 热值计算公式。污泥的热值是焚烧污泥的重要参数。在具有一定热值的 污泥可以进行自行燃烧，而不需要额外提供热量。污泥的焚烧中许多技 术和设备是参照燃煤锅炉的设计和要求。但是，污泥和煤毕竟不是同一 种物质：而且污泥和污泥之间亦有区别。通过对污泥的成份进行分析和 比较，是焚烧前的重要一步。对于污泥的燃烧特性，我主要是从污泥的 热值上予以考虑的。通过使用煤的热值计算公式，将计算结果与实际测 出的值进行比较，来研究如何计算污泥的热值也是本文的一个重点。 第一章绪论 3 ) 探索符合烟气排放标准的焚烧控制参数和焚烧设备。污泥焚烧和煤的燃 烧的最大的不同是煤的燃烧追求的是在满足环保条件的情况下最大程 度地提供热量；而污泥的焚烧目的则是最大程度地减少污泥的体积，减 少焚烧产物的有机物含量和控制烟气的质量。因此对污泥焚烧后烟气质 量的控制是整个污泥焚烧过程中最重要的一环，也是选择污泥焚烧工艺 的主要因素。 最后，在学习和实践过程中总结了计算焚烧工艺参数的两种方法，通过编写 的程序可以快速计算出相应的参数，避免了繁琐的手工计算和试算工作，为工作 和实践节省了宝贵的时间。 第二章污泥焚烧工艺的选择 2 1 污泥焚烧设备简介 污泥焚烧前的工艺的选择是以焚烧炉为基础进行选择的。对于不同的焚烧炉 可能选择不同的污泥脱水或者干燥工艺。因此首先应对焚烧炉有一个初步的了 解。目前在世界各地的焚烧炉的类型有2 0 0 多种，但是使用最多的还是回转窑焚 烧炉、多层炉、流化床焚烧炉。在污泥焚烧工艺介绍前，对主要的焚烧设备进行 介绍，了解这些设备的特点，是工艺选择的前提。 2 1 1 多层焚烧炉 多层焚烧炉是一种有机械传动装置的多膛焚烧炉，在污泥焚烧设备中，多层 焚烧炉是应用最早的也是应用最多的。1 9 世纪中期多层焚烧炉首先应用于化学 工业焙烧硫铁矿，现已广泛用于污泥的焚烧处理领域。在1 9 7 0 年，在美国有1 2 0 座多层炉，而在日本多层焚烧炉占据了大部分。 避泥 辅助空气 燃烧空气 废气 冷空气 灰份 多层妒 二次燃烧室 鼓风机 燃烧室 图2 1 多室焚烧炉的结构 d i a g r a m 2 1t h ec o n s t m c t i o no f m u t i _ h e a n hf u m a c e 多层炉的结构如图2 1 所示。多层炉的炉体是一个垂直的内衬耐火材料的钢 制圆筒，内部分成许多层( 6 1 2 层) ，每层是一个炉膛。炉体中央装有一顺时针 北京工业大学工学硕士学位论文 方向旋转的双筒的带搅拌臂的中空中心轴，搅动臂的内筒与外筒分别与中心轴的 内筒外筒相联。搅动臂上装有多个方向与每层落料口的位置相配的搅拌齿。炉顶 有固体加料口，炉底有排渣口，在炉侧有空气和热风进口以及补充燃料的喷嘴。 脱水后的污泥滤饼和其他固体废物从炉顶进料口加入，由耙齿耙向中央的落 口，落入下一层，再由下一层的耙齿耙向炉壁，由四周的落料口落人第三层，以 后依次向下移动，物料在炉膛内呈螺线形运动。焚烧用的空气由中心轴的内筒的 下部进入，然后进入搅动臂的内筒流至壁端，由外筒回到中心轴的外筒，集中于 中心轴外筒的上部。由管道送至炉底空气入口处进入炉膛。热口空气被预热到 1 5 0 2 0 0 。进入炉膛的空气与灰渣逆流接触，进行热量交换，即冷却了灰渣 又冷却了空气。 炉子上部为干燥区，温度在5 0 0 以下，由加料口进入的滤饼与高温燃烧废 气接触，进行干燥。耙齿一面搅拌污泥，一面对泥饼进行破碎，使泥饼的表面积 增大从而增加了干燥速度。干燥后的污泥在炉子的中部燃烧区燃烧。由于污泥在 炉中的停留时间长，污泥几乎完全燃烧，温度上升至5 0 0 一1 0 0 0 。燃烧后的灰 渣进入下部的冷却区冷却至1 5 0 以下。灰渣由底部的排灰口排出。 多层炉的特点是废物在炉内停留时间长，能挥发较多水分，适合处理含水率 高、热值低的污泥、可以使用多种燃料，燃烧效率高，可以利用任何一层的燃料 燃烧器以提高炉内温度。但由于物料停留时间长，调节温度时较为迟缓，控制辅 助燃料的燃烧比较困难。此外该燃烧器结构繁杂、移动零件多、易出故障、维修 费用高，且排气温度较低，产生恶臭，排气需要脱臭或增加燃烧器燃烧。用于处 理有害废物则需要二次燃烧室，提高燃烧温度，以除去未燃烧完的气体物质。 2 1 2 流化床焚烧炉 流化床焚烧炉是工业上广泛采用的一种焚烧炉。典型的流化床焚烧炉的结构 见图2 2 所示。流化床焚烧炉是垂直的衬耐火材料的钢制容器，在焚烧炉的下部 安装有气流分布板，板上装载载热的惰性颗粒，典型的载热体多用砂子。空气从 焚烧炉的下部进入，经过气流分布板使床层产生流态化。污泥由炉顶或炉侧进入 炉内，被高温载热体及气流干燥、破碎和燃烧，产生热量贮存于载热体中，并将 气流的温度提高。但是焚烧温度不可太高，否则床层材料出现粘结现象。焚烧残 渣可以在焚烧炉的上部与燃烧废气分离，也可另外设置分离器，将分离出的载热 ls 体回流到炉内循环使用。 进掘 辅助空气 燃烧空气 废气 流化床 = 攻燃蛲区 燃烧室 助燃空气 空气预热器 图2 2 流化床焚烧炉的结构 d i a g r 锄2 - 2 t h ec o n s t m c t i o no f t h en u i d i z e db e d 流化床焚烧炉的特点是颗粒与气体之间传热和传质速度大，炉床单位面积处 理能力大。物料在床层内几乎呈完全混合状态，投向床层的废物除大块外能迅速 分散均匀。床层的温度保持均一，避免局部过热。因此床层温度易于控制。由于 载热体贮蓄大量的热量，可以避免投料时炉温急速变化。对含挥发分多的废物， 无爆炸的危险。炉子构造简单，造价便宜，且无机械的传动零件，不易产生故障。 但是大块的废物需破碎至适合流态化的大小，以免妨碍流态化。破碎所消耗的能 量会增加处理费用，因此不适合处理粘附性高的半流动的污泥。废气中粉尘比其 他焚烧炉多。若空气分布不匀，流动化空气发生偏流，使流动层不稳定，会增加 载热体的飞出量。 将流化床焚烧炉应用于污泥焚烧领域是从2 0 世纪早期。在德国，到1 9 9 6 年 为止，共有9 座城市采用了流化床技术处理污泥。由于这类焚烧炉有相对简单的 结构和优秀的净化效果，现在有越来越多的地区采用流化床焚烧炉。 2 1 3 回转窑 回转窑结构见图2 4 。窑身为一卧式可旋转的圆柱体，它的轴线与水平稍成 倾斜( 1 l o o 1 3 0 0 ) ，窑身较长，径长比可为1 ：( 1 0 1 6 ) 。窑的下端有二次燃烧室。 1 6 北京工业大学工学硕士学位论文 重焦油、污泥等固体废物或液体废物从窑的上部进入，随着窑的转动向下端移动。 空气与物料进行的方向可以向向也可逆向。进入窑炉的物料与废气相遇，一边受 热干燥( 2 0 0 3 0 0 ) ，一边受窑炉的回转而使物料破碎，然后在窑的后段进 行分解燃烧( 7 0 0 9 0 0 ) ，在窑内来不及燃烧的挥发分，进入二次燃烧室燃烧， 焚烧的残渣在高温烧结区( 1 1 0 0 1 3 0 0 ) 熔融，而排出炉外。如果需要辅助燃 料可在焚烧炉上端或二次燃烧室内加入。通过设置回转窑的旋转速率，可以控制 污泥在回转窑内的停留时间。在某些特殊的情况下，旋转速率被设定为零或者负 数以增加污泥的停留时间。在回转窑的运行方面，窑体的密封性和渗漏的特点是 需要解决的方面。回转窑的特点是适应广，可焚烧不同性能的废物。机械零件比 较少，故障少，可以长时间连续运转。回转窑的热效率不及多层炉，如需辅助燃 料时消耗较多、排出气体的温度低、有恶臭，需要脱臭装置或导入高温后燃室焚 烧。由于窑身较长，占地面积大。 图2 3 回转窑炉的结构 d i a g r a m 2 3t h ec o n s t r u c t i o no f r o t a r yk i l n 2 1 5 多层流化焚烧炉 由l u 蟛公司开发的多室流化炉是结合了多室炉和流化床的特点和结构而 研制成的。在法兰克福污水处理厂中的多室流化床的结构是这样的：在整个炉体 的上部是一个多层炉，而在多层炉底部布置了个流化床。这种布置方式对于处 理对于处理湿污泥具有良好的效果。在上层的多层炉中，污泥首先得以预干燥， 通过预干燥的污泥在达到了一定的脱水率时可以自燃。这样节省了燃料并且减小 了流化床的横截面积。 进泥 辅助空气 预热器 回流气体 废气 热空气 燃烧室 助燃空气 流化床 多层炉 图2 4 多层流化焚烧炉的结构 d i a g r a m 2 4t h ec o n s t r u c t i o no f m u t i h e 甜h n u i d i z e d 如m a c e 2 2 污泥焚烧工艺的选择 今天，斯图加特污水处理厂的污泥焚烧工艺是4 0 年衍变的结果。从最早的 1 9 6 2 年的污泥焚烧系统到目前正在运行中的污泥焚烧系统，以及将在2 0 0 7 年将 投入使用的新的焚烧系统。斯图加特污水处理厂在不断地对污泥焚烧的工艺进行 探索。时至今日，4 0 多年的历史中，整个污泥焚烧工艺在较大范围内改进过3 4 次。每一次工艺的改进都体现了对污泥焚烧的进一步的理解。 2 2 1 1 9 6 2 年的污泥焚烧工艺 作为最早出现的污泥焚烧设备，斯图加特污水处理厂最初采用的是多层焚烧 炉，这套设备由l u r g i 公司提供。首先浓缩污泥进入离心机，离心后的污泥和 真空脱水后的泥饼混合后一起被送入到焚烧炉中进行焚烧。离心液则和混合池中 的液体混合，进入气体洗涤器中，利用从焚烧炉中排出的高温废气进行蒸发和干 燥。污泥焚烧后的废气经过洗涤之后通过烟囱排出。在该系统中固体含量较高的 泥饼被投入多层炉中进行焚烧；液体则从气体洗涤器的入口处喷入，利用焚烧后 烟气的高温进行水分蒸发。由于喷入的液珠较小，具有较大的表面积，可以部分 吸附烟气中的灰分和重金属，起着净化烟气的作用。炉灰被反复地制成泥饼，投 入焚烧炉中进行燃烧，这样一方面可以使炉灰中含有的大部分有机物在排入大气 前得以充分地分解，同时炉灰也起着调节入炉泥饼固体含量的作用。 图例： 一泥饼一一一离心液洗涤液一一灰 图2 51 9 6 2 年的污泥焚烧系统 d i a g r a m 2 - 5s l u d g ei n c i n e r a t i o ns y s t e mi n1 9 6 2 2 2 21 9 6 4 年的污泥焚烧工艺 1 9 6 4 年的改进过程淘汰了离心机。因为在当时离心机的螺杆结构极易磨损， 同时密封性也不太好，这样就导致了离心脱水的效果不是很好，而且很不经济。 此时如果直接将污泥进行焚烧，则污泥中含有大量的水分在燃烧的过程中必定消 耗大量的能量，这样会增加辅助燃料的使用量。因此含水的污泥首先进入气体洗 涤器中，利用燃烧后的高温尾气给污泥进行预干燥，蒸发一部分污泥中的水分， 然后将洗涤液和灰分进行混合，投入焚烧炉内进行焚烧。另外一个明显的变化是 焚烧炉采用了外部燃烧器。这样就可以避免由于焦炭和灰份的沉积而造成的内部 燃烧器喷嘴的堵塞。 虽然1 9 6 4 年的焚烧系统较1 9 6 2 年的系统有了一些变化，但是焚烧系统仍用 焚烧炉处理固体含量较高的泥饼，气体洗涤器则蒸发液态的浓缩污泥。焚烧后的 炉渣即灰分仍作为调节剂被重复使用。 灰惋 泥饼一一一一一消化污泥，洗涤液 一 灰 图2 61 9 6 4 年的污泥焚烧系统 d i a g r 帅2 - 6 t h es l u d g ei n c i n e r a t i o ns y s t e mi n1 9 6 4 2 0 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 31 9 6 6 年的污泥焚烧工艺 经过了1 9 6 4 年的改造之后，整套焚烧设备也只能处理污水处理厂一半的污 泥产量。1 9 6 6 年另一座焚烧炉和一些其他的脱水设备投入运行。在新的系统中， 一部分灰在高压空气和水的作用下被打散，作为包裹物质；另部分灰和污泥混 合，提高了污泥中的固体含量。这样使脱水更容易进行。采用了压带脱水机后， 脱水效果明显提高。这样作为调节剂使用的灰量减少了一半，由于水分蒸发而引 起的废气量减小了。由于污泥不再直接投入烟气洗涤器中，喷射洗涤器开始替代 了文丘里洗涤器。这样就大大地提高了烟气的质量。在炉体方面，增设了循环气 体装置。从焚烧炉底部产生的热空气一部分自下而上地运动，另一部分则直接进 入焚烧炉的上部，帮助干燥新鲜污泥。这样在同相流和异相流的混合作用下，污 泥能更好地被加热。 f j f 1 储灰池1 正蛔 一 一一一j 荻份 j 泥饼一一一一一洗涤液 一一获 图2 71 9 6 6 年的污泥焚烧系统 d i a g r a m2 - 7t h es l u d g ei n c h e r a t i o ns y s t e mi n1 9 6 6 1 9 6 4 年的污泥焚烧系统的缺点也是明显的。直接利用高温烟气对消化污泥 进行干燥可以使污泥中大量的挥发份在水分蒸发的同时释放出来，在没有任何烟 气后燃烧装置的情况下，这部分挥发份中的有机物就不可能得到彻底的燃烧。因 此排出的烟气很有可能造成二恶英的污染问题。在1 9 6 6 年的新系统中，污泥经 过处理后9 中进行蒸发干燥。这样烟气洗涤器中的有机成份的含量大量减少，烟 气处理的质量得以提高。 图2 - 8 逆流与顺流焚烧炉内部温度分布的对比 d i a g r a m2 8t h et e m p e r a t u r ec o m p a r i s o no f t h ec o u n t e rn o wa n di n p h r a s en o w 2 2 41 9 8 0 年的污泥焚烧工艺 虽然在随后的十几年内，整个焚烧前的污泥处理系统在不断地改善。但是， 由于多层焚烧炉本身具有的缺点，如燃烧不充分，炉体内温度变化复杂，控制困 难等等，使其不再满足目益严格的环保要求了。在1 9 8 0 年，斯图加特污水处理 厂开始采用新型的焚烧设备一流化床焚烧炉。流化床瞬间燃烧使流化床本身不 会产生的大量灰渣，这样原来用来处理灰渣的复杂工艺过程可以变得简单得多 了。板框式压滤机也被淘汰了。因为这种脱水机采用间歇式操作，所以处理量较 低；同时昂贵的价格也是需要考虑的因素。虽然经板框式压滤机处理后的泥饼含 水量低，但仍达不到污泥自燃所要求的含固率，后续工艺仍然要采用干燥机。这 样板框式压滤机的高脱水率并不能发挥其作用，反而成为了一种浪费。因此，焚 烧前后的整套设备进行了大换血。 图2 91 9 8 0 年的污泥焚烧系统 d i a g r a m2 - 9t h es l u d g ei n c i n e r a t i o ns y s t e mi n1 9 8 0 在新系统中，从浓缩池出来的污泥首先经过废气冷凝器，在废气冷凝器中污 泥被加热，同时废气被冷却。加热后的污泥具有良好的泥水分离特性，在分离液 中溶解性的有机物增加得不多，这样对分离液的后续处理变得容易a 污泥经过废 气冷凝器后，流入离心机。离心机将污泥脱水至7 8 左右，离心后的泥饼被送到 干燥机内进一步地脱水，而热的离心液则被用于厂区的加热或者用于消化罐的加 热。斯图加特污水处理厂的干燥机采用的是圆盘干燥机，从余热锅炉中来的高温 高压气体从干燥机圆盘内部流过，污泥在圆盘外部接受加热。同时污泥被螺旋输 送器从