（热能工程专业论文）基于资源循环的城市生活垃圾和污水集成处理研究.pdf

摘要 为了避免生活垃圾和污泥在焚烧处理过程中设备重复建设，本文考虑将城市生 活垃圾和污泥集中焚烧处理。采用a s p e np l u s 软件对生活垃圾和污泥的焚烧处理 流程进行了模拟，并对模拟结果进行了能量衡算和炯量衡算。并通过热力学平衡考 察了焚烧温度、气氛及水分对垃圾和污泥中典型重金属元素的影响，结果表明，除 温度外，烟气中的h c i 气体可以促进大量重金属低温时就挥发出来，还会促进难挥 发重金属挥发出来。针对h c i 的污染及影响重金属迁移的问题，本文进而研究了甲 酸钙对h c l 气体的高温脱除实验，结果表明，高温下甲酸钙的脱氯率可达4 0 。 关键字：城市生活垃圾，污泥，焚烧，重金属，氯化氢 a b s t r a c t i no r d e rt oa v o i dt h er e p e a t e di n v e s t m e n tf r o mm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) a n d s l u d g ec o m b u s t i o n ，c o c o m b u s t i o no fm s wa n ds l u d g ew a sc o n s i d e r e d a s p e np l u s s o f t w a r ew a se m p l o y e dt os i m u l a t et h ec h e m i c a lr e a c t i o ne q u i l i b r i u ma n dp r o c e s s b a s e d o nt h er e s u l t s ，e n e r g yb a l a n c ea n de x e r g yb a l a n c ew e r ec a l c u l a t e d m o r e v e r , t h e r m o d y n a m i ce q u i l i b r i u mc a l c u l a t i o n su s i n gt h ef a c tp r o g r a mw e r ep e r f o r m e dt o d e t e r m i n et h ed i s t r i b u t i o na n dm o d eo fo c c u r r e n c eo fp o t e n t i a l l yt o x i ce l e m e n t si nt h e c o - c o m b u s t i o n t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n dg a sa t m o s p h e r e so n e q u i l i b r i u mc o m p o s i t i o nw a se v a l u a t e d r e s u l t ss h o w e dt h a tt e m p e r a t u r ea n dh c lw e r e t h ek e yf a c t o r si n f l u e n c i n gt h ev o l a t i l eb e h a v i o r , e s p e c i a l l yh c l ( g ) w a si nf a v o ro ft h e v o l a t i l eb e h a v i o ra tl o w e rt e m p e r a t u r ea n dw o u l dp r o m o t el o wv o l a t i l ee l e m e n t s v o l a t i l i z i n gp a r t l y i nv i e wo fh c ip o l l u t i o np r o b l e ma n dt h ei n f l u e n c eo nt h ef a t eo f t r a c ee l e m e n t s ，f u r t h e re x p e r i m e n tr e s e a r c ho np e r f o r m a n c eo fc a l c i u mf o r m a t ef o rh i g h t e m p e r a t u r er e m o v a lo fh c lw a sc a r r i e do u t r e s u l ts h o w e dt h a tr e m o v a lr a t eo f h c l w a s4 0 a th i g ht e m p e r a t u r e h u ox i a o h u a ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f d o n gc h a n g q i n g p r o f y a n gy o n g p i n g k e yw o r d s ：m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，s l u d g e ，c o m b u s t i o n ，h e a v ym e t a l ，h y d r o g e n c h l o r i d e 04869 7，iil_y 目录 摘要i 英文摘要i 第一章绪论1 1 1 引占1 1 2 生活垃圾和污泥的组成及危害1 1 3 生活垃圾和污泥的处置3 1 4 本文主要研究内容8 第二章城市生活垃圾和污泥热处理的数值模拟1 0 2 1 引言1 0 2 2 城市生活垃圾和污泥综合焚烧处理流程1 0 2 3a s p e np l u s 建模及计算儿 2 3 1 物流及模块1 l 2 3 2 建模假设l2 2 3 3 计算工况及参数：1 3 2 3 4 模拟结果16 2 4 炯分析1 6 2 4 1 炯的定义与组成l 7 2 4 2 炯平衡方程17 2 4 3 焚烧系统的j 炯分析1 8 2 5 焚烧系统的改进1 9 2 6 本章小结：2 3 第三章焚烧过程中重金属的迁移规律研究2 5 3 1 前言2 5 3 2 重金属的来源及危害2 5 3 3 焚烧过程中重金属的迁移规律2 6 3 3 1 重金属的挥发2 6 3 3 2 气相和表面反应2 7 3 3 3 冷凝团聚与飞灰吸附：2 7 3 4 影响重金属迁移的主要因素2 8 3 4 1 焚烧温度对重会属迁移的影响2 8 3 4 2c l 和s 的影响2 9 3 4 3 水分的影响2 9 3 5 重金属迁移的热力学平衡分析2 9 3 5 1 热力学平衡计算2 9 3 5 2 计算结果与讨论3 0 3 6 结论3 9 第四章高温烟气中h cl 的脱除研究4 0 4 1 前。言4 0 4 2h c l 生成机理4 0 4 3h c l 的脱除机理及其研究4 1 4 4h c l 的脱除实验4 2 4 4 1 实验装置4 2 4 4 4 测量结果4 4 4 4 5x 射线衍射分析4 5 4 5 本章小结4 6 第五章全文总结与展望4 7 5 1 本文研究工作总结4 7 5 2 展望4 7 参考文献4 8 致谢5 3 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 4 华北电力人学硕十学位论文 1 1 引言 第一章绪论 城市生活垃圾是指城市日常生活中产生或者为城市日常生活提供服务的活动 中产生的固体废物。随着我国城市人口的增长和居民生活水平的提高，生活垃圾问 题日趋严重，不仅垃圾成分日趋复杂，而且数量急剧增加。我国的城市生活垃圾年 排放量已超过1 5 1 0 8 t a ，并且以1 0 的速度递增【。与此同时，城市污水的产量及 其数量也在不断增长。2 0 0 8 年，全国废水排放总量为5 7 2 0 亿吨，比上年增加2 7 ； 其中工业废水排放量2 4 1 9 亿吨，比上年减少1 9 ：城镇生活污水排放量3 3 0 1 亿 吨，比上年增加6 4 ，表1 1 为2 0 0 6 至2 0 0 8 年废水排放统计数据1 2 j 。 污泥是污水处理后的副产品，呈黑色，不定形态，有腐败的气味。污泥是由有 机残片、细菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。污泥量通常占污 水量的0 5 l ( 含水率以9 5 计) ，按此计算，目前处理生活污泥而排放的污泥 量已达3 3 亿吨u j 。 表1 12 0 0 6 2 0 0 8 年仝困废水排放统计数据【2 l 废水排放量( 亿吨) 合计工业生活 2 0 0 65 3 6 8 2 4 0 22 9 6 6 2 0 0 7 5 5 6 82 4 6 63 l o 2 2 0 0 85 7 22 4 1 93 3 0 1 1 2 生活垃圾和污泥的组成及危害 城市生活垃圾的组成很复杂，其组成成分受自然环境、经济发展水平、居民生 活水平、城市规模以及居民生活习惯等诸多因素的影响；因此各国、各城市甚至各 地区的城市生活垃圾组成都有所不同。表1 2 和表1 3 分别为部分发达国家和我国 部分城市的垃圾成分情况。 同发达国家相比，我国城市生活垃圾的主要特点如下： 1 ) 含水率高。垃圾中含有大量蔬菜果皮，因此垃圾的含水率一般为4 0 - - - 5 0 。 2 ) 无机物质含量高。垃圾中的煤渣、砂石、金属、玻璃等无机物含量很高。 3 ) 有机物质含量少。在我国的垃圾组成中，有机物中的厨余垃圾较多，而纸张、 塑料、木料、纺织物、皮革等高热值物质含量少。 4 ) 热值较低。垃圾热值均小于5 0 0 0 k j k g ，平均为4 5 0 0k j k g 。 l 华北电力人学硕十学位论文 表1 2 部分发达国家城市生活垃圾的平均组成【4 j 单位：w 表1 - 3 我国部分城市生活垃圾的甲均组成【4 】单位：w 由于污泥的来源及水处理方法不同，产生的污泥性质不一。按来源分，污泥主 要有生活污水污泥，工业废水污泥和给水污泥：按处理方法和分离过程分，可分为 沉淀污泥及生物处理污泥；按污泥的成分和某些性质分，可分为有机污泥和无机污 泥，亲水性污泥和疏水性污泥”j 。 大量的城市生活垃圾和污泥不能及时解决，堆放在城市周围，已经威胁到人类 自身的安全和生存。城市生活垃圾和污泥产生的危害不仅占用大量土地，而且会对 大气环境、地下水源、土壤和农作物造成污染。垃圾和污泥中含有致病菌和寄生虫 卵等危害人类健康的因素，处理不当会造成疾病的传播，影响人类的生活环境。此 外，垃圾中有机物含量较高，发酵后产生沼气，主要成分是甲烷和二氧化碳，会对 大气产生污染，阻碍植被生长，破坏臭氧层。更危险的是，垃圾集中堆放产生的甲 烷是可燃气体，当与空气混合达到一定比例时，遇火花会产生爆炸，直接威胁到人 们的生命财产安全。 与城市生活垃圾相比，由于污泥中铜、锌、铬、汞等重金属含量较高，含有盐 类以及多氯联苯、二嗯英、放射性核素等难降解的有毒有害物质，还会造成以下危 害1 5 6 j ： ( 1 ) 污泥盐分污染。污泥含盐量较高，会明显提高土壤电导率、破坏植物养分平 衡、抑制植物对养分的吸收，甚至对植物根系造成直接伤害，并且离子间的拮抗作 2 华北电力人学硕十学位论文 用会加速有效养分的淋失。 ( 2 ) 氮磷等养分的污染。在降雨量较大地区的土质疏松土地上大量施用富含n 、 p 等的污泥之后，当有机物分解速度大于植物对n 、p 的吸收速度时，n 、p 等养分 可能会随水流失而进入地表水体造成水体富营养化；进入地下则会引起地下水污 染。 ( 3 ) 有机有害物质。污泥中的有机有害物质主要来源于化学工业，特别是与碳和 氯有关的化学工业。这些有机有害物质进入动物和人体后，会在皮下脂肪中持久积 累，会对某些器官或者对免疫系统等造成损害并有可能致癌和致畸。 ( 4 ) 重金属污染。在污水处理中，7 0 - 9 0 的重金属元素通过吸附或沉淀而转 移到污泥中。重金属的危害在于它不能被微生物分解，而且会在生物体内富集( 生 物累计效应) 或形成其他毒性更强的化合物。环境中的重金属将经历地质和生化双 重循环迁移转化，最终通过大气、饮水、食物等渠道为人体所摄取而造成危害。重 金属会对人体的组织器官产生致变、致癌作用。 城市生活垃圾和污泥已经给人们的生产和生活带来了极大的危害，城市垃圾和 污泥的处理问题也越来越受到重视。人民生活水平的提高使得对城市生活垃圾和污 泥减量化、无害化处理的要求越来越高。 1 3 生活垃圾和污泥的处置 二0 叫0 乏；。 当今国内外垃圾和污泥处理处置所依循的原则均是“减量化、无害化和资源 化 ，处理要求是最终处置时对环境无害。目i j i ，垃圾和污泥处置的方法主要有卫 生填埋、堆肥、焚烧等。 ( 1 ) 土地填埋法 填埋处理分为传统填埋与卫生填埋两类。传统填埋法是在自然条件下，利用坑、 塘、洼地，将废弃物集中堆置在一起，不加掩盖，未进行灭菌、除臭、防污染等处 理的堆填。这种处置方式侵占了宝贵的土地资源，会对环境造成潜在影响和危害， 尤其是填埋场的渗滤液。研究表明【7 l ，渗滤液中有机污染物种类复杂繁多，以烷烃、 芳烃类为主，同时存在着一些酸类、酯类、醇类、酚类、酮类、醛类、酰胺类等有 机污染物，其中腐殖酸为小分子有机酸和氨基酸又合成的大分子产物，是渗滤液中 长期性的最主要有机污染物，通常有2 0 0 - 1 5 0 0m g l 的腐殖酸不能生物降解。此外， 垃圾渗滤液中有机污染物种类越来越多，除了自然界中存有的，还有人工合成的有 机物，其中有相当数量的毒害有机污染物。垃圾渗滤液中还具有c o d 、氨氮、重金 属离子浓度高、可生化性差、微生物营养元素比例失调等特点，属于难治理的高浓 度有机废水之一【8 9 1 。 由于垃圾中含有大量的有机质，其在填埋环境下经微生物厌氧降解，产生大量 华北电力大学硕十学位论文 的填埋气，其主要成分是甲烷和二氧化碳。若对填埋气的迁移和聚集不加控制，则 在填埋场中极易引起火灾或爆炸：填埋气的释放还会对填埋场周围的动植物造成生 态危害；此外，填埋气中的甲烷会造成严重的温室效应，其对温室效应造成的影响 是二氧化碳的2 1 倍1 1 0 。2 i 。 ( 2 ) 堆肥 堆肥处理是指利用微生物对废弃物中的有机物进行分解转化，最后形成类似腐 殖质土壤的物质，可作肥料或土壤改良剂。堆肥技术的特点是工艺比较简单，适合 于易腐有机质含量较高的废弃物的处理，投资较低。但是，目前我国的垃圾堆肥产 品品质较差，堆肥养分偏低，堆肥成品含有大量杂质。要加快堆肥的腐熟度及提高 堆肥品质，需要将垃圾分类收集i l 引。 不同种类的城市污泥含有2 0 - 3 0 的碳和2 5 的腐殖质，并且n 、p 、k 及有机质含量都较高，污泥农用可回收利用污泥中的大量养分，增加土壤肥力【l 4 。 但是，由于污泥中含有大量病原体和重金属，长期使用污泥堆肥产品必然造成土壤 及水体污染。研究表明【l5 1 ，随着污泥堆肥施用量的增加，土壤和植物地上部组织的 c u 、z n 、c d 和p b 含量也呈积累趋势，当施用量为1 0 时，地上部组织的重金属含 量超过国家食品卫生标准。 冯春等1 1 6 】研究了污水污泥与锯未、粉煤灰或磷矿粉按不同比例混合堆肥前后重 金属( c u ，p b ，z n ，c d 和a s ) 总量的变化，以及重金属在交换态、碳酸盐结合态、 铁锰氧化物结合态3 种不稳定态和包括有机结合念、残渣态的稳定态含量的变化， 同时探讨了粉煤灰和磷矿粉在堆肥过程中所起的钝化效果。结果表明，锯末、粉煤 狄或磷矿粉的加入可以显著降低污泥中交换态c u ，p b ，z n ，c d 和a s 的含量，提高 其他形态的含量，但不能降低重金属总量。 ( 3 ) 焚烧 固体废物的焚烧处理，是一种高温分解和高热氧化的过程，可燃固体废物在充 分供氧的条件下，发生燃烧反应，使其氧化分解，转化为气态物质( c 0 2 和水) 和 不可燃的固态残渣，同时焚烧产生的热量在余热锅炉中被回收利用用来发电或供 热。从而达到减容、去除毒性和回收能源的目的。经过焚烧，固体废物的体积可减 少8 0 - - 9 0 。 黄平男【r 7 】等人研究了水泥窑和垃圾焚烧炉联合处理生活垃圾的情况，结果表 明，采用该技术处理城市生活垃圾不用外加燃料，并且还可替代水泥生产燃料和原 料，而垃圾中的硫和氯等污染环境的有害物质被构成水泥熟料主要成分的c a o 吸收， 对水泥熟料烧成和产品质量无不良反应，对外界环境无污染。刘国辉1 1 8 】等人利用 c f d 技术对城市生活垃圾富氧燃烧特性进行了分析，结果表明，氧气含量的增加不 仅可以提高垃圾燃烧温度，并且随着一次风中的氧气含量提高，垃圾着火位置向前 移动。较高的燃烧温度加快了水分析出速率，垃圾提前进入稳定燃烧和燃尽阶段， 4 华北电力大学硕十学位论文 灰渣中可燃物( 焦炭) 含量大幅度降低。以上研究表明，城市垃圾含有一定量的热 值，可以作为一种燃料单独或与其他燃料( 如煤、油、生物质等) 混合燃烧来产生 热量。现今全世界有上千家垃圾焚烧工厂，西欧2 0 - 2 5 的垃圾是焚烧处理的， 焚烧后体积可减8 5 。同时现代化的垃圾焚烧炉还回收热量用于城市供暖或发电。 截止至u 2 0 0 8 年9 月统计，我国共建设生活垃圾焚烧厂1 0 0 座，其中建成5 6 座，在建4 4 座【19 1 。 城市垃圾的焚烧处理方式主要有固定床炉( 炉排炉) 和流化床炉两种形式。西 方发达国家实现了城市垃圾分类收集管理，焚烧垃圾热值较高，因而重点发展炉排 炉焚烧装置。我国城市垃圾目前还未能够有效的实施分类收集管理处置，垃圾具有 多形态、多成分、多水分、热值较低等特点，当前我国垃圾焚烧技术为流化床技术。 垃圾焚烧过程中会产生二嗯英污染问题，二噫英的形成有以下三大机理：原生 垃圾中本身含有痕量的二嗯英，在焚烧中未能完全破坏或分解，继续在固体残渣和 烟气中存在；通过芳香型的驱物的热解和分子重排而生成二嗯英；二噫英的从头合 成。其中二嗯英的从头合成机理被普遍认为是二嗯英的主要生成途径，其次为前驱 物合成机理，而垃圾中所含二噫英的直接释放则是最为次要的生成途径。针：对兰噫_ 英形成的上述机理，可采取以下措施从源头上控n - 嗯英合成：采用“3 t ”技术， 即在高温下( 8 5 0 以上) 对垃圾进行充分燃烧，使得垃圾中二嗯英及其前驱物充一 分分解；烟气急速冷却，对焚烧烟气采用急冷技术进行处理，使烟气温度快速冷却 到2 0 0 以下，减少烟气在二嗯英合成温度区的停留时间，从而降低二嗯英从头反 应的几率，抑制焚烧烟气在净化过程中再合成1 2 0 。 盛：强 污泥中含有近4 0 的有机生物质，具有可燃性，利用污泥焚烧发电已成为污泥 有效利用的一个新的发展趋势。污泥发电不但可以实现污泥安全处理，同时还可以 从污泥中抽取能量，替代部分化石燃料，即节约资源和能源，又保护环境，有利于 促进我国向可持续的循环型社会的转变。 陈萌【2 i 】等人考察了城市污水处理厂污泥热值并对其影响因素进行了分析，结果 表明，含水率为6 8 污水处理厂污泥可实现自持燃烧。以污泥燃料焚烧为核心的污 泥发电是一种很好的处理污泥方法，污泥焚烧具有减容、减重率高，处理速度快， 无害化较彻底，余热可用于发电，焚烧后产生的灰渣可以用于改良土壤、筑路、制 砖瓦、陶瓷、混凝土填料等优点。美国近2 0 0 家污水处理厂采用焚烧方式处理污泥， 占全美处理总量的2 0 。 对于污泥的焚烧热解特性，国内外进行了大量研究。m k h o s s a i n l 2 2 j 等人对污 泥的热解特性进行了实验研究。结果表明，污泥在固定床以1 0 m i n 的升温速度热 解时，产气主要为c o 、c 0 2 、c h 4 、c 2 h 4 、c 2 h 6 和h 2 ，其中碳氢化合物占到了5 0 ， 即可通过燃烧这些产气回收热量。同时实验表明，对于商业和工业污泥，由环境温 度加热到5 5 0 热解时，热解气焚烧释放的热量可以自维持热解过程：对于家庭产 s 华北电力人学硕+ 学位论文 生的污泥，则需添加辅助热源来维持热解过程的进行。j a m e n 6 n 1 2 3j 等人对污泥在 微波炉和电加热炉内的干燥热解特性进行了研究。实验结果表明，微波热解比电加 热炉热解快，微波热解得到的热解气中c o 和h 2 的含量达到6 2 ，而电加热炉热解 得到高热值碳氢化合物最高比例只有2 5 。p t h i p k h u n t h o d l 2 4 1 等人研究了不同污泥 的热解特性。他们发现不同污泥失重曲线不同，但热解气体成分却不随污泥种类变 化，主要为碳氢化合物，二氧化碳，乙醇和氯甲。温俊明【25 j 等利用热重分析仪研究 了污泥在空气气氛下以不同升温速率从5 0 - - 9 5 0 的燃烧特性。结果表明，污泥的 燃烧失重过程分为4 个阶段：5 0 1 5 0 左右为水分析出阶段；1 5 0 左右 - 4 0 0 左 右为挥发分析出阶段：4 0 0 左右5 3 0 左右为挥发分燃尽阶段；5 3 0 左右6 7 0 左右为固定碳燃尽阶段；随着升温速率的增大，污泥燃烧失重各阶段的起始温度、 终止温度、挥发分析出和挥发分燃尽阶段失重峰值温度以及d t a 曲线放热峰值温度 均增大：升温速率越小，污泥燃烧反应进行得越彻底，即残余物份额越小。丘纪华 【2 6 j 等对污泥的焚烧特性进行了热重分析。实验结果表明，污泥的焚烧过程由5 个阶 段组成，即水分的挥发，挥发份的低温挥发，中温挥发，高温挥发以及焦炭的燃烧。 x w a n g l 2 7 】等人研究了干燥污泥的烧结特性与机理。实验结果表明，烧结特性主要 受燃烧温度的影响。当燃烧温度由1 0 2 0 增加到1 0 5 0 时，试样的耐压强度和容积 密度都显著增加，而持水力不断降低。实验还得出，富含a l 的物质有助于提高产 物的耐压强度；污泥中的重金属主要被固化在烧结试样里。他们的实验为污泥做建 筑材料用提供了依据。b k h i a r i t 2 8 j 等人建立了污泥单个小颗粒焚烧的物理化学反应 模型。在组分和反应温度均匀的假定下，对污泥颗粒的干燥、热解以及热解产物焦 油的燃烧过程进行了研究。用该模型考察了热重分析和流化床焚烧两个工艺条件下 的反应，结果表明，流化床焚烧可通过提高颗粒的温升速率来减少燃尽时间，同时 还发现，较高的加热速率促进了焦油的生成。b k h i a r i t 2 9 j 等人对污泥在流化床中的 焚烧建立了数学模型，模型假定污泥瞬间分解，焚烧炉分五个区考虑。用二维描述 了气泡相和乳化相之间的缓冲带。对不同污泥焚烧所需的干燥程度进行了模型化计 算，干燥下限是要达到污泥焚烧热量自持，干燥上限是不超过炉膛允许的最高温度。 m o t e r o i3 0 】等人研究了煤、污泥以及两者混合燃烧的动力学。结果显示，污泥的掺 混比例小于1 0 时，对煤燃烧时失重的影响几乎没有。表明了，污泥和煤混燃的动 力学与煤燃烧的动力学相同。s c h i n t 3 l l 等人考察了富氧空气对城市垃圾和污泥混燃 的影响。实验结果表明，空气中氧气体积分数为2 2 时，在稳定燃烧的前提下，发 热量为6 7 2 m j k g 的湿污泥的最大混燃比例为3 0 。污泥的加入，使燃烧室温度比 正常焚烧温度降低1 0 0 ，但如果焚烧空气中氧气含量为2 2 时，焚烧炉温度足以 燃烧3 0 的湿污泥。他们还发现，采用富氧燃烧，烟气中氮气的热焓降低了；随着 污泥混燃比例的增加，不完全燃烧的碳减少了。 对于污泥在焚烧过程中污染物的排放这一问题，国内外也展开了大量研究。日 6 华北电力大学硕十学位论文 本的t s h i m i z u 和m t o y o n o 3 2 1 进行了循环流化床中干污泥直燃和污泥与煤的混燃实 验，考察了焚烧方式对n o 。排放的影响。结果表明，污泥直燃和与煤混燃时，灰分 的积聚不会增加n o 。的排放，而煤燃烧时，狄分的积聚则会增 j f l n o 。的排放；混燃 时，燃料中的n 向n o x 的转化不依赖燃料中固定碳的含量，而煤燃烧时，固定碳含量 越高，越利于n o x 的生成。j h a n p 3 】等人对污泥焚烧时碱金属和重金属的迁移做了研 究。他们发现，大多数重金属和碱金属的冷凝温度在6 0 0 以上，添加5 的c a c l 2 后， a s 、c u 、n a 、m g 等金属的冷凝温度降低了，而z n 和p 却没有明显影响，飞灰中p b 和c u 的含量却增加了。l z h a n g ”】等人对脱水污泥焚烧后无机颗粒物质的排放进行 了研究。结果表明，无机颗粒物质主要由挥发性的和半挥发性的元素组成，包括b r ， c i ，p ，s ，n a ，k ，z n ，a s ，c u ，m n 和n i 。大部分b r ，5 0 的c l 以及4 0 的s 和p 粒径小于0 2 2 i t m ，主要存在于碱金属和重金属的化合物中，易溶于水；不溶于水的 硫化钙和磷酸钙的粒径大于0 2 2 l - t m 。水中溶解的阳离子，如n a 、k 、m n 、n i ，其含 量正比与颗粒物质中相应元素的含量，而a i 、c a 、a s 的这种相关性较差，对c u 、z n 、 f e 贝j j 不存在这种关系。a g a l v e z 3 5 l 等人对水泥原料和污泥焚烧烟气的相互作用进 行了实验研究。结果表明，水泥原料放置在污泥焚烧烟气出1 2 1 有助于降低污染物排“ 放。a e l l e d p 6 j 等人通过实验研究了城市污泥和木材在循环流化床中混燃时重金属 的迁移规律。采用热力学平衡法计算了还原性气氛和氧化性气氛下重金属的存在孵 态。计算结果表明，在氧化性气氛下，炉膛中的a s ，c d ，h g ，p b ，s e ，s b 和t l 以气。罨i 态存在，即使温度降至1 5 0 ，h g 也为气态。还原性气氛可促进a s ，c d ，p b ，s e ， s b ，t l 和z n 的挥发，但却会抑n c u 和n i 的挥发。日本的h y a o 3 7 j 对污泥焚烧过程枷h 一 重金属的排放进行了吸附研究。实验得出，在没有吸附剂的情况下，p b 和c d 元素主 要富集在粒径小于1 p m 的细小颗粒中。添加高岭土后，p b 和c d 元素与高岭土反应， 富集在粗颗粒中，不溶于水。张衍国1 38 】等对污泥焚烧过程的重金属的迁移特性进行 了研究。实验结果显示，污泥经过焚烧后，有害金属大多数都富集在残渣中，只有 a s 、h g 等大量富集在飞狄中。李爱刚 】等对污泥焚烧底狄中重金属残留特性进行了 实验研究。实验表明，p b 、c d 和c u 在灰渣中的残留率随着温度和停留时间的增加 而降低。大部分的重金属元素z n 、c u 和c r 残留在灰渣中，c d 、p b 和n i 部分残留在灰 渣中。张岩【4 0 】等对污泥焚烧过程中重金属的排放特性进行了实验研究。实验表明， 随着温度增加，烟气中挥发性重金属元素的含量明显增多，烟气中重金属元素z n 、 p b 含量随着所焚烧的污泥的水分的增加而减少，氯的添加也使重金属的挥发增加， 尤以挥发性重金属更为显著。 发达国家在研究焚烧法处理污泥的同时，也开发了多种污泥的焚烧设备，主要 有多段炉、回转窑焚烧炉、多室焚烧炉以及流化床焚烧炉等。从理论分析和国外实 践经验来看，流化床焚烧炉是比较适合污泥焚烧处理的，己被普遍采用。流化床锅 炉对燃料的适应性好，能烧高水分、低热值的燃料；流化床锅炉燃烧温度低，n o 。 7 华北电力大学硕十学位论文 排放量小；床料中加入石灰石，还可降低s 0 2 排放量；灰渣易于综合处理。流化床 锅炉的这些优点使它特别适宜焚烧污泥。随着污泥的预处理技术和高效的热回收以 及对排放的有效控制等先进技术的采用，焚烧法在国外已得到广泛的应用。 焚烧法之所以被广泛采用来处理生活垃圾和污泥，是因为焚烧处理具有突出的 优点：焚烧可以大量减少废弃物的体积和重量，焚烧飞灰只相当于最初产物的1 0 左右，并且焚烧飞灰还可以综合利用，因而最终需要处理的物质很小。焚烧可以 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。经过脱水后的污 泥的热值相当于褐煤的水平，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，可回收能量用于发电和供热。焚烧时产生的各种酸性气体可以通过在焚烧 处理装置中得到有效处理( 通常被转化成各种盐类) 。而垃圾和污泥中的重金属则 可以固化在狄渣或者飞灰中，焚烧之后的狄渣体积仅为垃圾体积的百分之几，其无 害化、减量化、资源化效果明显。焚烧过程中可能产生剧毒的p c d d s p c d f s 等二 次污染，可以通过在焚烧过程中采取合理措施控制减少并消除p c d d s p c d f s 等物 质的生成，或者在尾气处理时采取过滤器中添加活性炭吸附来脱除p c d d s p c d f s 等物质。焚烧处理速度快，不需长期储存，可以解决废弃物的恶臭问题。 近年来，垃圾中有机质及可燃垃圾成分逐年增加，垃圾热值有明显提高，并且 焚烧法采用了合适的预处理工艺，同时焚烧设备的结构不断完善以及有关焚烧技术 的突破，烟气存在的二次污染问题得到了妥善解决，这样焚烧技术满足了越来越严 格的环境要求，成为了一项环保的废弃物处置技术。另一方面由于填埋中土地资源 的同益减少和填埋费用的同益上升以及越来越严格的法令限制了垃圾污泥农用，焚 烧逐渐成为废弃物处置的趋势。 1 4 本文主要研究内容 在城市生活垃圾和污泥产量同益增长的今天，焚烧法成为处理城市生活垃圾和 污泥的趋势。目前，污泥通常与常规燃料混燃处理，并且混燃比例通常限制在5 - - 1 0 3 2 , 4 1 l 。污泥中含有大量重金属，与常规能源一起焚烧处理后，需经过更严格的 净化装置，这将进一步提高成本。此外，目前城市垃圾由环卫部门负责管理，污水 处理由自来水部门管理，这种分别处置的结果免不了要造成许多同类设施的重复建 设，造成投资的浪费。因此，本文考虑将城市生活垃圾和污泥集成处理，具体的思 路是考虑将城市垃圾焚烧发电工程与城市污水处理厂合建或两厂相邻，这种处理方 式在工程建设上具有很多有利条件：( 1 ) 污水处理厂是用电大户，垃圾焚烧发电所产 生的电能直接供污水处理厂使用，多余部分上网，既减少了电网投资及输电线损， 又节省了污水处理厂的电费。( 2 ) 污水处理厂每日产出的污泥，可以很方便的送到垃 8 华北电力火学硕士学位论文 圾处理厂进行焚烧处理，变废为宝。污水处理厂的污泥消化处理设施可以取消，即 使消化处理设施已存在，所产生的低热值沼气可直接送到垃圾焚烧炉，既有利污水 处理厂环境，也可提高垃圾处理厂发电能力。( 3 ) 垃圾处理厂产生的余热可以供污水 处理厂生产及生活使用，污水处理厂的锅炉可取消。( 4 ) 垃圾焚烧发电所需的循环冷 却水和工业用水水源可取自污水处理厂的排放水。垃圾处理厂的排污水可进入污水 处理厂与城市污水混合后处理达标排放，减少了垃圾污水处理系统的投资。 本文研究依托国家教育部科学技术研究重点项目“基于资源循环的城市生活垃 圾和污水集成处理研究 和“生活垃圾置换燃烧新概念和新工艺探索研究。基于 生活垃圾和污泥焚烧处理过程中的共性问题重金属的迁移和水分含量高，对生 活垃圾和污泥的焚烧处理提出一个新的工艺，对限制生活垃圾和污泥焚烧处理的因 素，如污泥含水率高，重金属的迁移以及烟气中影响重金属迁移的h c i 的脱除等进 行研究，具体包括以下三部分： ( 1 ) 对垃圾和污泥集成处理系统的干燥焚烧工艺进行能量分析和炯分析，得 出优化的集成方案； 一 ( 2 ) 重金属在焚烧过程中的赋存、迁移规律及其影响因素的研究； 粤，一o 。一 ( 3 ) 高温烟气中h c l 的脱除实验。 一 9 j 。舾溶 ? 警i j 岭勺以，川、；! p 。4 一 ：】 j t 气 o 华北电力大学硕十学位论文 2 1 引言 第二章城市生活垃圾和污泥热处理的数值模拟 城市生活垃圾和污泥的含水率都较高，焚烧温度低于8 5 0 时，有机有毒物质 破坏不彻底，同时会有二嗯英等有毒物质产生，因此确保混燃处理过程中温度维持 在8 5 0 及以上至关重要。目前对污泥和垃圾混烧的研究较少，主要是通过将污泥 直接投到正在焚烧垃圾的炉排上与垃圾混合焚烧的实验来测定投放污泥影响炉膛 温度、焚烧垃圾稳定性、炉排漏灰等情况。本文基于a s p e np l u s 软件，对生活垃 圾与污泥干燥焚烧处理的方案进行模拟，从经济性角度出发考虑工艺的合理性，从 而找出生活垃圾和污泥优化的焚烧处理方案。借助于软件模拟可以很好的分析不同 条件下所取得的效果，尤其是对城市生活垃圾和污泥焚烧处理的新工艺流程，通过 模拟可以省掉一些繁琐的实验研究，并且为新工艺可行与否提供依据，为劳动人员 节省大量的工作时间。 2 2 城市生活垃圾和污泥综合焚烧处理流程 本论文以3 0 万人口的城镇为例，人均垃圾产量以l k g 计，垃圾同产量为3 0 0 t ； 人均生活污水排放量3 0 0 l 人d 。将处理3 0 0 t d 生活垃圾的焚烧电厂和1x1 0 5 m 3 d 的污水处理厂规模相邻建设，对垃圾发电厂的工艺提出以下方案：经机械脱水后， 含水大约7 0 的未经消化处理的污泥运往垃圾焚烧厂，与垃圾一起焚烧。燃烧产生 的高温烟气经过余热锅炉进行热交换，产生的过热蒸汽供给汽轮机发电机组。流程 如图2 1 所示。 水 图2 1 垃圾与未经消化的污泥焚烧( 含水7 0 ) 1 0 华北电力大学硕十学位论文 2 3a s p e np l u s 建模及计算 生活垃圾和污泥在焚烧装置中的热解、气化、燃烧过程属于多相、多组分体系 的化学反应过程。在一定的温度、压力和原始反应物的条件下，将整个过程看作理 想反应体系，计算在此条件下整个焚烧体系达到热力学平衡状态时各物质的组成、 浓度及聚集状态。在化学热力学中处理复杂体系的化学平衡可用平衡常数法和 g i b b s 最小自由能法。本文采用g i b b s 最小自由能法，在一定温度和压力下，原始 反应物质加入到焚烧装置中进行复杂化学反应，当体系达到化学平衡态时，整个体 系的g i b b s 自由能为最小。以此计算平衡条件下焚烧体系内各种气态物质和固态物 质的组成和浓度。模拟流程图见图2 2 。 2 3 1 物流及模块 图2 2 垃圾和污泥焚烧处理模拟流程图 整个模拟系统设有五个物流入口t 物流w a s t e ，物流s l u d g e ，物流c a i r l ， 物流c a i r 2 和物流w a t e r ，分别是生活垃圾、污泥、燃烧所需空气量和工质水的 加入量，并考虑实际燃烧过程中空气的过量系数。出口设有物流g a s e s 和物流a s h ， 即燃烧后气相与固相的分离。物流c a i r l 和c a i r 2 共同组成燃烧所需的空气， c a i r l 将炉膛排出的灰分冷却至1 5 0 ，同时将自身的温度预热到2 0 0 后通入炉 膛。物流w a s t e 和s l u d g e 需要输入的参数有：样品送入反应器的温度、压力和 流量以及其元素分析( 元素c 、h 、o 、n 、s 、c i ) 、工业分析( 水分、固定碳、挥 发分、狄分) 和硫分析( 硫铁矿、硫酸盐、有机硫) ，燃料的发热量采用内置算法。 物流a i r 输入参数t 空气的温度、压力和流量以及组份比例( 7 9 的n 2 ，2 1 的0 2 ) 。 华北电力大学硕士学位论文 d e c o m p 模块将样品分解成单元素分子和灰分，再导出裂解热。该单元模块采 用a s p e np l u s 中的收率反应器r y i e l d ，它是一个仅计算收率的简单反应器。计 算中需预先设定样品分解后各个产物的收率分布，该收率分布初始值可以任意设定 对计算没有影响，其真实收率在自定义f o r t r a n 子模块m y 中计算，并将其进行修 正。对此系统，考虑其中包含元c 、h 、o 、n 、s 、c 1 的形态及含量，裂解后的产 物主要为：c 、h 2 、0 2 、n 2 、s 、c 1 2 以及a s h 。a s h 作为惰性固体，不参与反应。 模块m y 计算为： f a c t = ( 1 0 0 w a t e r ) 1 0 0( 干基应用基换算系数) h 2 0 = w a t e r 1 0 0( 水分收率) a s h = u l t ( 1 ) 1 0 0 f a c t( 灰收率) c a r b = u l t ( 2 ) 1 0 0 木f a c t ( c 的收率) h 2 = u l t ( 3 ) 1 0 0 木f a c t ( h 2 的收率) n 2 = u l t ( 4 ) 1 0 0 f a c t ( n 2 的收率) c 1 2 = u l t ( 5 ) 10 0 * f a c t ( c 1 2 的收率) s = u l t ( 6 ) 10 0 * f a c t( s 的收率) 0 2 = u l t ( 7 ) 10 0 宰f a c t( 0 2 的收率) 其中，u l t 一一元素分析向量 单元模块b u r n e r 采用平衡算法模拟组分的燃烧。进入模块b u r n e r 的反应 组分有：c 、h 2 、0 2 、n 2 、s 、c 1 2 、h 2 0 和a s h 。反应后模块出口物流中的物质组 分有：c 、h 2 、0 2 、n 2 、s 、c 1 2 、n 2 0 、h c i 、n 2 0 、n o 、n 0 2 、c o 、c 0 2 、s 0 2 、 s 0 3 和a s h 。s e p a r a t e 模块模拟气固分离，分离出的高温烟气去往蒸汽发生器 h r s g 。h r s g 是由a s p e np l u s 模型h e a t x 模拟，实现烟气与水的换热，产生 的水蒸气去往汽轮机，而换热后的烟气去空气预热器a i r p r e 。a i r h e a t 模块用 于实现将排放的灰渣降温。模块t u r b i n e 用于实现蒸汽在汽轮机中的做功，采用 等熵膨胀法。 2 3 2 建模假设 基于上述理论结果和a s p e np l u s 模拟处理过程的特殊性，给出模拟过程中的 一些假设： ( 1 ) 燃烧反应器稳定运行； ( 2 ) 燃烧反应器内不考虑压力损失： ( 3 ) 灰分为惰性组分，燃烧过程中不参与反应； ( 4 ) 煤粉颗粒温度均匀，无梯度； ( 5 ) 反应达到了平衡。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 3 3 计算工况及参数 以3 0 万人口的城镇为例，人均垃圾产量以l k g 计，垃圾日产量为3 0 0 t ：人均 生活污水排放量3 0 0 l 人d ，污泥产量计算如下： ( 1 ) 计算依据 a 、按照户外排放设计规范，生活污水的水质为： c o d 6 0 9 人 b o d3 0s | 入 b 、工业污染源，拟定为： c o d 5 0 0 m g l b o d 2 0 0 m g l c 、氨氮根据经验值确定为3 0 m g l ( 2 ) 水量数据计算依据： a 、生活污水按人均生活污水排放量3 0 0 l 人d ； b 、生产废水量按1 2 10 4 小3 d 考虑； 一 ( 3 ) 出水水质 根据城镇污水处理厂排入地表水域环境功能和保护目标，污水处理厂出水进入 水体水质按照国家三类水体标准控制，同时执行国家关于污水排放的规范和标准， 拟定出