（热能工程专业论文）干化污泥焚烧炉的试验研究与数值模拟.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济的快速发展和人口的日益增加，各种污水污泥的产量越来越大，已成为一个不容 忽视的严重污染源。近几年来，环保问题一直是人们关注的焦点，如何清洁、高效、合理地处置污 水污泥已引起了人们的高度重视。污泥处理的原则是实现污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化。 世界各国根据其地理环境和土地资源状况制订不同的方针，我国对污泥处理问题关注较晚，除了对 污泥缺乏科学认识外，也由于设备投资大、技术难度高、回报不确定等因素，国内涉足于此领域的 企业很少且规模不大。污泥处置方式很多，主要有填埋、综合利用和焚烧，而干化后焚烧作为一种 高效、彻底、干净的处理方式，也逐渐受到青睐，被认为是污泥处理得最佳实用技术之一。 本文简要介绍了上海市石洞口污水处理厂污泥干化一焚烧系统的工艺流程，通过试验研究及理 论分析证明其焚烧污泥的可靠性。进而针对东南大学热能工程研究所为该干化焚烧系统设计得鼓泡 流化床焚烧炉建立部分数学模型。考虑了炉内物料的宽筛分特性以及颗粒的破碎和磨损，根据物料 的粒径将其划分若干档，建立各档的物料平衡模型，进而求解床内物料的粒度分布，分析讨论了计 算结果，并将模拟结果和试验结果进行了分析和对比，两者吻合良好。考虑到目前的挥发份模型中 一般都假设挥发份在给料点全部析出，但是对污泥、垃圾等高挥发份燃料，该假设不够准确。因此， 研究和推导了城市污泥热解得分布活化能模型( d a e m ) ，采用直接搜索法对其求解，确定热力学参数， 并用试验数据对d a e m ； 羹型的可靠性进行了验证。结果表明：分布活化能模型( d a e m ) 能较好地描述污 泥的热解过程，可靠性好。还分析了积分上限对d a e m 模型求解精度的影响以及指前因子、平均活化 能和活化能分布的标准偏差对热解过程的影响。 关键词：污水污泥，焚烧，流化床，数值模拟，热解，活化能分布模型 东南大学硕士学位论文 a b st r a c t w i t 1t h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ei n c r e a s i n gi np o p u l a t i o ni nc h i n a t h ea m o t m to f s e w a g es l u d g ei si n c r e a s e dr a p i d l ya n db e c o m e sas e r i o u sc o n t a m i n a t i o nt h a tc a n n o tb ei g n o r e d h o wt o d e a lw i t ht h es e w a g es l u d g ec l e a n l y , e f f i c i e n t l ya n dr e a s o n a b l yh a sb e e nt h ef o c u so fp e o p l e sa t t e n t i o ni n r e c e n ty e a r st h ep r i n c i p l e so fs l u d g e d i s p o s a l a r et or e a l i z ei t sr e d u c t i o ni n c a p a c i t y , s t a b i l i z a t i o n ， i n n o c u i t ya n dr e s o u r c eu t i l i z a t i o n e a c hc o u n t r yf o r m u l a t e st h e i rs e w a g es l u d g et r e a t m e n tg u i d e l i n e s a c c o r d i n gt ot h e i rg e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n ta n ds o i lr e s o u r c e s i nc h i n a , t h er e s e a r c ho i ls l u d g ed i s p o s a l l a g sb e h i n dt h a to fd e v e l o p e dc o u n t r i e sb e c a u s eo ft h el a c k o fs c i e n t i f i cc o g n i t i o n ，h i g hi n v e s t m e n t ， t e c h n o l o g yd i f f i c u l t ya n du n c e r t a i nr e t u r no fi n v e s t m e n t s ot h e r ea r ef e wc o m p a n i e si n v o l v e di nt h i sf i e l d i nc h i n a m a n ya p p r o a c h e sh a v eb e e nu s e dt od e a lw i t hs l u d g e ，m o s t l yi n c l u d i n gr e c y c l i n gi na g r i c u l t u r a l ， l a n d f i l t i n g ，d u m p l i n gi n t os e aa n di n c i n e r a t i o n i n c i n e r a t i o na f t e rd r y i n ga sa l le f f i c i e n t ，t h o r o u g ha n dc l e a n s e w a g es l u d g ed i s p o s a lm e t h o dh a sb e e np r o v e na n db e e nf a v o r e db ym a n yc o u n t r i e s t h es e w a g es l u d g ed r y i n g i n c i n e r a t i o np r o c e s so fs h id o n gk o uw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ti n s h a n g h a iw a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , a n dt h ef e a s i b i l i t yo fi n c i n e r a t i o no fs e w a g es l u d g ew a st e s t i f i e db y e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s a n ds o m em a t h e m a t i c a ls u b m o d e l si n c l u d i n gm a t e r i a lm a s s b a l a n c em o d e la n dd i s t r i b u t i o na c t i v a t i o ne n e r g ym o d e lw e r ee s t a b l i s h e df o r t h eb u b b l ef l u i d i z e db e d i n c i n e r a t i o nf u r n a c ed e s i g n e db yt h e r m a le n g i n e e r i n gi n s t i t u t eo fs o u t he a s tu n i v e r s i t yi nt h em a s s b a l a n c es u b m o d e l ，t h ew e i g h ta n dp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no f t h eb e dm a t e r i a la n df l ya s hw e r ec a l c u l a t e d w i d ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ，f r a g m e n t a t i o na n da t t r i t i o no fp a r t i c l e sw e r et a k e ni n t oa c c o u n ti nt h em a s s b a l a n c es u b m o d e l ，a n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sf i tw e l lw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s c o n s i d e r i n gt h eh i g h v o l a t i l ec o n t e n ti nt h es e w a g es l u d g e ，d i s t r i b u t i o na c t i v a t i o ne n e r g ym o d e l ( d a e m ) o fp y r o l y s i sw a s d e d u c e da n dr e s e a r c h e d as i m p l ed i r e c ts e a r c hm e t h o dw a su s e df o rt h ed e t e r m i n a t i o no fd a e mk i n e t i c p a r a m e t e r sr e l i a b i l i t yo ft h ed a e m w a sa l s ov e r i f i e db yc o m p a r i n gc a l c u l a t i o nr e s u l t sw i t he x p e r i m e n t a l d a t a t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ed a e mc a r lp e r f e c t l yd e s c r i b et h ep y r o l y s i sp r o c e s so ft h em u n i c i p a l s l u d g ea n dh a dh i g h e rr e l i a b i l i t y o t h e r w i s e ，t h ei n f l u e n c eo fi n t e g r a lu p p e rl i m i to nt h ep r e c i s i o no f d a e m s o l v i n ga n dt h ei n f l u e n c e so f f r e q u e n c yf a c t o rk 0 ，t h em e a no f a c t i v a t i o ne n e r g yd i s t r i b u t i o ne 0a n d t h es t a n d a r dd e v i a t i o no ft h ea c t i v a t i o ne n e r g yd i s t r i b u t i o n o - e o nt h ep y r o l y s i sp r o c e s so ft h em u n i c i p a l s l u d g ew e r ea i s oa n a l y z e d k e y w o r d s ：s e w a g es l u d g e ，f l u i d i z e db e d ，i n c i n e r a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p y r o l y s i s ，d a e m h 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：纽啦拯日期：。! 业12 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：熟盛墟导师签名：燮日期：业 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 我国发展循环经济的总体战略目标是：用5 0 年左右的时间，全面建成人、自然、社会和谐统一 的、资源节约的循环型社会，资源生产率、循环利用率、废弃物的最终处理量等循环经济的主要指 标以及生态环境、可持续发展能力等达到当时世界先进水平，极大提高生态环境质量并整体改善生 存空间，全国全面进入可持续发展的良性循环。而随着社会的发展，处理生活污水和工业废水所产 生的污泥量正在急剧增加，成为一个严重的环境问题。污泥热值低、含水量大、成份复杂，与煤等 常规燃料有很大区别，如何清洁、高效、合理地处置污泥已受到人们的高度关注。世界各国根据其 地理环境和土地资源状况制订不同的方针。在我国，2 0 世纪9 0 年代城市污泥处理问题才提上议事 日程，除了对污泥缺乏科学认识外，也由于污泥设备投资大、技术难度高、回报不确定等因素，国 内涉足于此领域的企业很少且规模不大。 1 1 污泥的来源、分类及性质 1 1 1污泥的来源 随着人口的日益增加和城镇化程度的不断提高，城市污水的产生量迅速增加，生态环境面临巨 大压力，因此，城市污水的处理势在必行。污水处理会产生大量的固态、半固态废弃物一污泥，污 泥一般含有大量的有机物、丰富的氮磷等营养物、重金属以及致病菌和病原葭等，且常常伴有恶臭 气体，若不加处理而任意排放，则会对环境造成严重的二次污染 1 2 】。 1 i 2污泥的分类 由于污泥的来源及水处理方法不同，产生的污泥性质不一。污泥的种类很多，分类比较复杂， 目前一般可按以下方法分类 3 , 4 1 ： ( 1 ) 按污泥的来源：污泥主要可分为生活污水污泥、工业废水污泥和给水污泥。 ( 2 ) 按污泥的处理方法：污泥可分为初沉污泥( 指污水一级处理过程中产生的沉淀物，其性质 随污水的成份，特别是混入的工业废水的性质而发生变化) ：活性污泥( 指活性污泥法处理工业二沉 池产生的沉淀物，扣除回流到曝气池的那部分后，剩余的部分称为剩余活性污泥) ；腐殖污泥( 指生 物膜法，如生物滤池、生物转盘、部分生物接触氧化池等污水处理工业中二次沉淀池产生的沉淀物) 及化学污泥( 指化学强化一级处理或三级处理后产生的污泥) 。随着废水普及二级处理，目前一股废 水处理厂的污泥大都是上述各者的混合污泥。 ( 3 ) 按污泥的不同产生阶段：污泥可分为生污泥( 指从沉淀地，包括初沉池和二沉池排出来的 沉淀物或悬浮物的总称) ，消化污泥( 指生污泥经厌氧分解后得到的污泥) ，浓缩污泥( 指生污泥经 浓缩处理后得到的污泥) ，脱水干化污泥( 指经脱水干化处理后得到的污泥) ，干燥污泥( 指经干燥 处理后得到的污泥) 。 ( 4 ) 按污泥的成份和某些性质：污泥可分为有机污泥和无机污泥：亲水性污泥和疏水性污泥。 生活污水处理产生的混合污泥和工业废水产生的生物处理污泥是典型的有机污泥，其特性是有 机物含量高、颗粒细、密度小，呈胶体结构，是一种亲水性污泥，容易管道输送，但脱水性能差。 混凝沉淀污泥、化学沉污泥以及沉淀池产生的泥渣大都属无机污泥。它的特性是有机物含量少、颗 1 第一章绪论 粒粗、密度大、含水率低，一般呈流水性，容易脱水，但流动性差，不易用管道输送。要想科学合 理地处理和利用污泥，首先必须正确把握污泥的性质。根据污泥的性质指标选择处理工艺和合适的 处理设备。 1 1 3 污泥的性质 1 1 3 1 污泥的含水特性“3 污泥中的固体物主要为胶质，与水的亲和力很强，含 水率很高，一般为9 6 9 9 。通常认为污泥中所含水分 形态有四种，即表面吸附水、间隙水、毛细结合水和内部 结合水。毛细结合水又可分为裂隙水、空隙水和楔形水。 图1 1 为污泥中水分存在形态的示意图。 表面吸附水是指由于污泥胶粒表面的张力所吸附的 水分。由于污泥胶粒全部带有相同性质的电荷，相互排斥， 妨碍颗粒的聚集、长大，而保持稳定状态，因而这部分水 用普通的浓缩或脱水方法去除比较难。只有加入能起混凝 作用的电解质，使胶体颗粒的电荷得到中和后，颗粒呈不 稳定状态，粘附在一起，最后沉降下来。这部分水约占污 泥总含水量的7 。 戮 表面吸附水 毛细结台水( 裂隙水) 固体颗粒 毛细结合水( 空隙水) 间隙水 毛细结合水( 楔形水) 内部结合水 图1 1 污泥中水分的存在形态 间隙水是指大小污泥颗粒包围着的游离水分，它并不是与固体直接结合，因而很容易分离，只 需在浓缩池中控制适当的停留时间，利用重力作用，就能将其分离出来。间隙水约占污泥总含水量 的7 0 ，是污泥浓缩时的主要对象。 污泥由高度密集的细小固体颗粒组成，在固体颗粒接触表面上由于毛细力的作用形成的毛细结 合水称为楔形毛细结合水；固体颗粒自身裂隙中的毛细水称为裂隙毛细结合水：固体颗粒和颗粒之 间空隙中的毛细水，称为空隙毛细结合水。要分离毛细结合水，需要有较高的机械作用力和能量， 利用如真空过滤、压力过滤和离心分离等方法才能去除。这部分水约占污泥总含水量的2 0 。 内部结合水是指包含在污泥中微生物细胞体内的水分。这种内部结合水与固体结合的很紧密， 无法用机械方法去除，可以通过好氧菌和厌氧菌的作用进行生物分解。间隙水一般只占污泥总含水 量的3 左右。 由于污泥的含水率一般都比较高，体积大不利于污泥的贮存、输送、处理处置及利用，必须 对污泥进行脱水处理。但是不同性质的污泥脱水的难易程度差别很大，应根据其脱水性能，选择合 适的方法，才能取得良好的效果。 1 1 3 2 污泥的理化特性 ( 1 ) 污泥中有机物的含量及组成 污泥中一般都含有较多的有机物。表i 1 列举了国内外城市污泥的有机物的组成p 叫。我国城 市污泥中有机物的含量一般为5 0 弱，而欧美发达国家通常可以达到7 0 8 0 ( 均指初沉污泥) 。 在有机物的组成上和欧美发达国家相比，我国城市污泥中碳水化合物( 淀粉、糖类、纤维等) 含量 高，而脂肪及蛋白质含量较低。这主要是因为在我国城市居民的食品结构中，主食以植物型为主， 副食品动物型( 肉类、奶制品) 较少，城市居民住宅的卫生设施还不完善，城市公共厕所污水大多 未接入下水道等原因造成的h j 。 2 东南大学硕士学位论文 表1 1 污泥中有机物的含量和有机物的组成 污泥种类 有机物蛋白质脂肪碳水化台物 天律纪庄子初沉污泥 4 992 95 21 33 95 70 9 天津纪庄子剩余污泥6 773 77 80 ，9 46 l2 8 德国4 34 01 7 ( 2 ) 污泥中的植物营养成份 表1 2 列出了我国几个典型城市污泥中的植物营养成份 8 】。由表中数据可知，我国城市污泥中 的氮磷成份很高，总体来说是一种富含有机质( 但c n 较低，一般低于1 0 ) 、高氮、高磷而低钾的 有机肥，p h 为中性或偏酸性，其养分含量高于一般的禽畜粪便，矿化速度也比农家肥迅速。1 。 表1 2 污泥中的植物营养成份( g k g ，干重) 城市 p h n p ( p 2 0 5 ) k ( k ，o ) 北京 6 9 0 3 741 407l 天津 69 14 23 1 7 5 33 苏州i 69 3 4 82 1 3044 武汉 63 0 3 1 39 050 ( 3 ) 污泥中的有害成份 污泥中除了含有较高的有机质及无机营养物质，也含有很多重金属元素和有害物质“，主要 有氯酚( c p s ) 、氯苯( c b s ) 、硝基苯( n b s ) 、多氯联苯( p c b s ) 、多氯代二苯并二恶英吠喃( p c d d f s ) 、 邻苯二甲酸醋( p e s ) 、多环芳烃( p a h s ) 和有机农药等。其中有些在环境中稳定、持久、毒性大，部分 有致癌、致畸、致突变作用。表1 3 列出了我国部分城市污泥中无机污染物( 重金属) 的含量“7 ， 表14 列出了我国城市污泥中有机污染物的含量“。从表中数据可知，我国大多数城市污泥中重金 属的含量都存在超标情况。 表1 3 污泥中无机污染物( 重金属) 的含量( m g k g ，干重) 污泥来源c uz np bc dc rn i h g a s b q b 4 2 8 4 8 4 酸性土壤 2 5 05 0 03 0 056 0 01 0 057 5 农用污娓标准 中性碱性 5 0 01 0 0 01 0 0 02 01 0 0 02 0 01 57 5 桂林污水厂 1 7 96 5 73 7 61 26 7 21 2 24 7 5 天津纪庄子 4 1 b1 n 92 9 54 62 8 94 6 32 2 4 5 湖北黄石8 63 0 07 2 01 25 4 03 04 63 72 0 3 北京高碑店 4 6 01 7 9 0 48 4 50 24 752 61 2 7 7 2 05 上海曲阳3 5 03 7 4 09 9 50 8 51 5 7 73 481 2 22 3 2 表1 4 污泥中有机污染物的含量( m g k g ，干重) 污泥名称醚类氯苯类硝基苯类胺类卤代烃类邻苯二甲酸酯类多环芳烃类苯并( a ) 芘 广州污泥30 4 005 1 0l1 2 6n d0 1 0 31 80 0 73 3 0 7 l0 6 5 0 无锡污泥 16 6 0 0 7 7 0 4 4 8 9o2 2 7 02 2 22 3 4 4 8 1 5 6 9 80 0 2 4 北京污泥 1 1 8 776 8 701 5 80 3 5 91 1 42 3 43 36 3 65 0 4 7 兰州污泥77 4 369 1 71 72 2 00 7 8 032 3 82 32 1 l1 4 3 8 0 400 4 9 西安污泥 02 3 9 01 4 2 05 2 6 0 0 2 901 1 01 1 7 2 52 2 7 l0 0 6 3 第一章绪论 ( 4 ) 污泥的热值 污泥一般都含有较高热值，干燥后可以直接当作燃料或发酵产生沼气作燃气使用【”。污泥还可 以和粉煤以及其他添加剂混合制成污泥型煤，既可以作为型煤的粘结剂，又可以利用其热值“”1 。 表1 5 列出了我国某些污泥的干基热值。”1 。 表1 5 污泥的热值( m j k g ，干基) 污泥来源 污泥种类 污泥热值 天津纪庄子污水厂 初沉污怩 l o 7 2 天津纪庄子污水厂剩余污泥1 33 0 天津纪庄子污水厂消化污泥 98 9 上海东区污水厂混合污泥2 1 2 5 宁波造纸厂 混合污泥 1 3 2 9 3 杭卅l 四堡污水厂混合污泥 9 5 1 7 1 2 污泥处置的方针、现状和方法 1 2 1 国内外污泥处置的方针 污泥的产量巨大，其本身又含有众多的有机污染物，若不加以合适有效的处理处置，必将对整 个生态环境造成恶劣的影响。通常在处理污泥时要坚持以下四条方针 3 , 4 , 1 5 1 ： 1 )减量化。污泥的含水量很高，一般大于9 5 ，体积很大。因此必须采取适当措施减少污 泥的含水量，为后续处理、利用和运输创造条件。 2 )稳定化。污泥中含有大量的有机物，会发生厌氧降解，极易腐败并产生恶臭，因此需要采 用生物好氧或厌氧消化工艺，使污泥中的有机组分转化成稳定的最终产物。 3 )无害化。污泥中，尤其是初沉污泥中，含有大量病原菌，寄生虫卵及病毒，易造成传染病 大面积传播。污泥中还含有多种重金属离子和有毒有害的有机物，这些物质可以从污泥中渗滤 或挥发出来，污染水体和空气，造成二次污染。因此在污泥的处理处置过程中必须充分考虑无 害化原则。 4 )资源化。污泥中含有丰富的有机质和n 、p 、k 等植物营养元素以及各种植物生长所必须的 微量元素如c a 、m g 、z n 、f e 等。污泥还具有一定的热值可以加以利用。污泥的资源化就是通 过改善污泥的某些成份和性质，对污泥中所含有的有益成份加以充分的利用，变废为宝。 1 2 2 污泥处置的现状 目前我国城市污水处理厂每年排放的污泥量( 干重) 大约为1 3 0 万吨”1 ，而且年增长率大于1 0 特别是在我国城市化水平较高的几个城市与地区，污泥出路问题已经十分突出。如果城市污水全部 得到处理，则将产生污泥量( 干重) 为8 4 0 万吨，占我国总固体废弃物的3 2 。而现有污水处理 设施中有污泥稳定处理设施的还不到1 4 ，现有污泥消化池能够正常运行的为数也不多，有些根本 就没有运行，有些地方的污泥没有得到合理的处理和处置便直接排放，造成了严重的二次污染，这显 然违背了环境保护的原则。 世界各国根据其地理环境和土地资源状况，制订有不同的方针“。日本由于土地极为狭小，采 4 东南大学硕士学位论文 取全部焚烧的策略，这种不惜代价的焚烧，是其经济发达程度可以承受的。欧共体将污泥解释为一 种资源，因此其导引要求各国从资源利用的角度去鼓励农用和一切形式的能量利用，而限制填埋。 德国多采取干化、半干化后焚烧，使用大量森林垃圾作为补充能源。意大利旅游资源极为重要，限 制焚烧，鼓励减量，因此多为干化后填埋或做建筑材料。法国、西班牙都在积极推行干化减量和鼓 励农用的政策。在美国，因为有市政部门的财力支持，污泥和城市固体废弃物主要作为生物肥料和 土壤结构改良剂，应用前景良好。 1 2 3 污泥的主要处理方法 目前，国内外污泥最终处置方式主要有：填埋、综合利用和焚烧。可用于城市污水污泥的处理 技术包括：物理化学处理( 筛网、沉淀、气浮、过滤和离心分离等) 、生物处理( 厌氧消化、好氧消 化和堆肥等) 和热处理( 低温热解和焚烧等) 。 1 2 3 1 物理化学处理方法 风干脱水即自然晾晒可节约能耗；而高温脱水灭菌在烘干机中进行，温度控$ 4 0 0 - - 4 2 0 。c ，既可 以保证有机质不会分解，又可以杀灭病菌、病毒和寄生虫卵：化学脱水可以脱除多余的水分，又可以 减少一直利用高温脱水所耗费的能量。机械脱水时加入絮凝剂( p a m ) 的分子质量也明显降低，有利于 污泥的农用化。微波辐照处理后，氮磷有机质的含量有所降低，但仍是很好的有机肥原料，污泥的 卫生学指标能达到控制标准的要求。 有时还在污泥中加入石灰或水泥窑灰等碱性物质，使p h 1 2 并保持一段时间，利用其强碱性和石 灰放出的大量热能，杀灭病原体、降低恶臭和钝化重金属，处理后污泥可直接应用于农田。碱性稳 定化的两个主要处理方法是n v i r o s o i l 和a g r i s o i l 方法，前者是在机械稳定后通过机械翻堆使污泥 快速干燥，后者则是在混合碱性物料后进行堆肥。 污泥消化后经脱水再进行填埋也是目前国内许多大型污水处理厂中常采取的方式。虽然经过消 化后的污泥有机物含量减少，性能稳定，总体积相对减少，但将城市周边的土地用于填埋污泥，本 身就是资源的损失，何况污泥本身也是一种资源。此外，该法还有占地较大、选址受限及存在二次 污染隐患等问题需考虑。填埋的优点是处理成本低，缺点是污泥中的有毒有害重金属和病原微生物 会污染土地和水资源，而且必须考虑填埋场的地质、水文和土壤条件。因此今后污泥填埋处理所占比 例将会逐渐减少。 1 2 3 2 生物处理方法 生物处理的主要方法是堆肥，污泥堆肥土地利用与传统的污泥直接土地利用明显不同。在我国， 污泥堆肥主要有两种方式”：一是污泥消化或污泥和垃圾等其他物质混合堆肥后农用：二是污泥经 过堆肥发酵制成复合肥用。污泥直接消化后农用，目前比较成熟的方法是中温厌氧消化处理，它具 有产气率高、含水率低等优点，但该方法由于一些病菌( 如蛔虫卵等) 几乎没有减少，因此，其推广 应用受到限制。而混合堆肥通过堆肥过程中的生化反应，能够达到稳定化、无害化的要求，只要控 制好城市垃圾中的不稳定成份，该方法是很有发展前景的，混合堆肥工艺流程如图1 2 。 第一章绪论 金属纤维 图l2 混合堆肥工艺流程示意图 另外，还有人研究开发了污泥一化肥复合肥系列产品进行农用，该方法充分利用了污泥中的营养 元素，实现了氮、磷、钾的平衡、有机无机平衡，集用地养地功能于一体，较单纯施用化肥或有机 肥都更具有优越性。其工艺流程为：污泥一风干脱水一高温脱水灭菌一化学脱水一投配无机肥一破碎 筛选一造粒一烘干一冷却筛选一成品。 污泥堆肥是在好氧的条件下进行的，堆肥农用也是目前国内一些污水处理厂正在研究和开发的 课题，污泥除了具有肥料价值外，还有作为“土壤改良剂”的作用。但由于污泥中可能含有一些致 癌物质和重金属化合物，去除这些有害物质往往需要很高的成本，同时需要较高要求的检测手段， 目前由于检测手段跟不上要求，处理成本无法和经济效益相平衡，化肥普遍应用造成销售市场难以 开发等，使得此种处置方式尚未得到普遍的推广。 1 2 3 3 热化学处理方法“” 主要有两大类：焚烧法和低温热解法。污泥焚烧作为最彻底的处理方法，在国外特别是西欧和 日本已得到了广泛的应用，在国内由于其一次性投资高和处理成本大等问题而一直未得到应用。它 主要可分为两大类：一类是将脱水污泥直接送焚烧炉焚烧，另一类是将脱水污泥先干化再焚烧。显然， 第一类工艺由于污泥的含水率高，需要加入辅助燃料( 煤或油) ，导致燃烧效率和热效率低下。近年 来，国外发展生产了污泥专用循环流化床焚烧炉，通过尽可能多地回收燃烧烟气中的显热，把辅助 燃料的使用减至最低。该种焚烧炉具有燃烧效率高、燃料适应性广、燃料预处理系统简单等一系列 优点，并且燃烧后灰渣易于实现综合利用。 第二类焚烧工艺的关键在于干化。目前，相当多的国家已在污泥处理中采用热干燥技术。按照 热介质是否与污泥接触，现行的污泥热干燥技术可分为两类”1 ：直接热干燥技术和间接热干燥技术。 直接热干燥技术又称对流热干燥技术。在操作过程中，热介质( 热空气，燃气或蒸汽等) 与污泥直接 接触，热介质低速流过污泥层，在此过程中吸收污泥中的水分，处理后的干污泥需与热介质进行分 离。排出的废气一部分通过热量回收系统回到原系统中再用，剩余的部分经无害化处理后达标排放。 此技术热传输效率及蒸发速率较高，可使污泥的含固率从2 5 提高至8 5 9 5 ，但由于与污泥直接 接触，热介质将受到污染，排出的废水和水蒸气须经过无害化处理后才能排放：同时，热介质与干 污泥需加以分离，给操作和管理带来一定的麻烦。旋转式热干燥器以及闪蒸热干燥器都是典型的直 接热干燥装置。在间接热干燥技术中，热介质并不直接与污泥相触，而是通过热交换器将热传递给 湿污泥，使污泥中的水分得以蒸发，因而热介质不仅仅限于气体，也可用热油等液体，同时热介质 也不会受到污泥的污染，省却了后续的热介质与干污泥分离的过程。过程中蒸发的水分到冷凝器中 加以冷凝。热介质的一部分回到原系统中再用，以节约能源。由于间接传热，该技术的热传输效率 及蒸发速率均不如直接热干燥技术，这种技术的操作设备有薄膜热干燥器、圆盘式热干燥器等。典 型的干化一焚烧联合工艺如图13 ： 6 东南大学硕士学位论文 空i 气i 脱水污泥 ，水分去除 填埋或综 封厩习垄竺 羹 陌丽磊v 剑 余热锅炉 布袋除尘器 烟囱 玎 图1 3 典型的干化一焚烧联合工艺 表1 6 显示了两种焚烧方法的综合比较。由表可见，干化一焚烧联合工艺较直接焚烧处理成本 低、一次性投资少。 表1 6 两种焚烧方法的综合比较” 项目 直接焚烧工艺( 设备全进口)干化焚烧联合工艺( 设备干化部分进口焚烧部分国产) 可靠性好焚烧炉需专门设计 占地小大 能耗 7 5 08 6 0 投资 1 1 4 6 67 9 3 2 运行成本 5 7 35 0 3 处理成本 8 0 8 6 7 3 低温热解技术是通过无氧加热干燥污泥至一定程度( 小于5 0 0 ) ，由干馏和热分解作用使污泥 转化为油、反应水、不凝性气体( n c g ) 和碳共四种可燃产物”，部分产物的燃烧可做前置干燥和热 解的热源，剩余能量以油的形式回收，这种方法是热分解油化法。工艺流程如图1 4 所示，干污泥在 无氧环境下被加热至3 0 0 - - 3 5 0 。c 保持约3 0 m i n ，然后由冷却器收集油、水混合物，在反应釜内没有压 力情况下，继续加热至1 j 4 5 0 左右，由冷却器收集轻油、焦油和气体。燃料油的产率在1 6 一2 0 左右 热值3 3 3 m j k g ，油在热解过程中以气相存在，可被明火点燃，性质稳定。同时，热解也产生炭，其 性质稳定，可以用于掺煤或直接燃烧，作为热解补充能源。这种技术正逐步经过实验室走向实际应 用阶段，该工艺技术可靠、成本小于直接焚烧的8 0 ，同时还可制油，具有很好的发展前景。 图14 低温热解实验技术路线图 7 掣f熏苄 第一章绪论 1 3 发展我国污泥流化床焚烧技术 随着将来对堆肥农用和填埋的逐步限制，对海上弃投的禁止，焚烧法及其他的一些热处置方法 成了人们关注的焦点，具有极大的发展潜力 2 2 1 。目前，在发达国家污泥的焚烧处置已经得到了相当 广泛的应用，丹麦2 4 ，法国2 0 ，比利时1 5 ，德国1 4 ，美国2 5 ，日本5 5 的污泥都采用 焚烧处置”6 i 。污泥的焚烧处置和其他处置方法相比，具有如下突出的优势| 2 22 3 2 4 2 5 】： ( 1 ) 大大减少了污泥的体积和重量( 焚烧后体积仅为机械脱水污泥体积的】1 0 ) ，因而最终 需要处理的物质很少。焚烧后飞灰很少，可以作为建筑材料，如将焚烧灰作为沥青填料、路床和路 基材料、砖瓦材料、水泥原料、熔融填料等： ( 2 ) 焚烧使污泥中含有的病菌、病原体均被彻底杀灭、有毒有害的有机物被氧化分解；焚烧 后尾气排放污染物少，稍加处理就能达到国标标准； ( 3 ) 干污泥的热值和褐煤的相当，可以回收能量用于发电和供热，实现能量的回收利用；焚 烧厂可就近建立在污泥源附近，实现污泥的就地焚烧，不需要长距离运输；污泥处理速度快，占地 面积小，不需要长期储存。 图15 是欧盟污泥处置方法 走势图“。从图中数据我们看到污 泥萄# 海己被弃用，填埋比例近年来 几乎旱直线急剧下降，农用比例变 化比较平稳，略有上升，而污泥的 焚烧处置比例近年来几乎呈直线急 剧上升。可见，污泥的焚烧处置将 是大势所趋。在我国，由于经费和 技术等多方面的原因，污泥的焚烧 处置才处于起步阶段，我国众多的 城市污水处理厂中目前只有上海市 石洞口污水处理厂设有污泥焚烧装 置。 浆 嚣 丑 咖 剥 赠 蛉 1 3 1 流化床焚烧技术介绍及优缺点 年份 图1 5 欧盟污泥处置方法走势 流化床焚烧技术是近4 0 多年来迅速发展起来的一种新型、清洁、高效的燃烧技术。流化床焚烧 炉炉膛下部布置有耐高温的布风板，其上侧为惰性床料( 一般为石英砂或灰渣粒子) ，通过床下布风 ( 次风) 使床料流化，为可燃固体的燃烧创造了良好的条件。这首先是因为流化床内废料颗粒在气 流中进行着非常强烈的端动和混合，强化了气固两相的热量和质量交换；其次，废料颗粒在料层内 上下翻滚，延长了它在炉内的停留时间；第三，料层由炽热的石英砂或灰渣粒子构成，具有很大的 蓄热量，能迅速加热废料。床料与废料的互相碰憧，使得废料颗粒不断更新表面，促进了废料的燃 尽“。废料一般从流化床上部或侧部送入炉膛，在密相区和床料混合湍动，剧烈燃烧：同时，大量 的挥发份迅速析出，在稀相区与从炉膛侧壁沿切线方向高速吹入的二次风进步混合燃烧，从而保 证了废料的充分燃烬“。 鼓泡流化床燃烧过程中带离燃烧室的细颗粒份额较大，炭未完全燃烧损失相对较高；此外由于 8 东南大学硕士学位论文 鼓泡流化床横向粒子混合特性相对较差，因此炉前给料点较多，分布复杂，不利于流化床焚烧设备 的大型化。循环流化床燃烧系统一般由流化床燃烧室、飞灰分离收集装置、飞灰回送器组成，和鼓 泡流化床相比有如下突出的优点： ( 1 ) 燃烧效率高。循环流化床的燃烧效率要比鼓泡流化床和一般的焚烧设备高，燃烧效率通常 在9 7 5 - - 9 9 5 ，可与煤粉锅炉相姻美。循环流化床燃烧效率高的原因在于气固混合充分，物料 的循环使其在床内的停留时间大大延长，燃烧完全； ( 2 ) 高效脱硫。由于床料中未发生脱硫反应的石灰石能再回至床内与s o 。反应，脱硫效果比鼓 泡流化床更加有效。典型的循环流化床锅炉达到9 0 脱硫效率时所需的脱硫剂化学当量比为1 5 25 ，而鼓泡流化床达到9 0 脱硫效率所需的脱硫剂化学当量比为2 5 3 ，甚至更高； ( 3 ) 燃烧强度高，炉膛截面积小。炉膛单位截面积的热负荷高是循环流化床的主要优点之一。 循环流化床的截面热负荷约为3 5 m w m 2 45 m w m 2 ，接近或高于煤粉炉。而同样热负荷下鼓泡流化 床需要的炉膛截面积要比循环流化床大2 - - 3 倍； ( 4 ) 给料点少。循环流化床的炉膛截面积较小，炉塍内的横向混合也更充分，因此所需的给料 点数大大减少。如1 3 0 t h 蒸发量的鼓泡流化床需要6 个给料点，而同容量的循环流化床设置1 2 个给料点就够了，这就大大简化了炉前给料点的布置，为流化床焚烧技术的大型化创造了条件： ( 5 ) 负荷调节范围大，负荷调节快。当负荷变化时，只需调节给料量、空气量和物料循环量， 不必像鼓泡流化床那样采用分床压火技术。此外，由于截面风速高和吸热控制容易，循环流化床的 负荷调节速率也很快； ( 6 ) 无埋管磨损。鼓泡流化床由于密相区释热份额大，通常需要布置埋管。而循环流化床由于 灰飞再循环和床料平均粒径较小，床内下部与上部释熟较均匀，因而在密相区可不布置埋管，而采 用膜式水冷壁和其他附加受热面从而消除了鼓泡流化床埋管受热面的磨损问题。 尽管流化床焚烧技术具有上述独特优点，但也存在一些缺点，主要有： ( 1 ) 不能焚烧大尺寸的固体废弃物，对废弃物必须进行预处理，将大尺寸废弃物破碎成符台要 求的细颗粒。对于污泥，由于其固体成份主要是一些细小的胶体颗粒，所以并不存在这个问题； ( 2 ) 对灰分少或粒径很细的废弃物在焚烧时需添加惰性床料，以维持正常燃烧所需的床料量。 对于污泥，由于其干燥后的颗粒较细，需要在焚烧过程中不断补充床料。 1 3 2 国内外工程应用实例 污泥的焚烧已有7 0 年的发展历史。流化床焚烧炉于2 0 世纪6 0 年代开始于欧洲，7 0 年代出现 于美国和日本，自1 9 6 2 年以来，有1 2 5 台流化床焚烧炉在美国安装，其中4 3 台是1 9 8 8 年以来安装 的”。下面主要介绍一下流化床焚烧技术的国内外工程应用。 1 德国【3 0 】 目前在德国，每年约有2 5 0 3 0 0 万吨的污水污泥产生。由于污泥中含有有害重金属，预计用于 农业方面的比例会逐年下降。又因填理土地有限，而对这方面的卫生标准日趋严格，特别是欧盟颁 布的城市废物技术指南带来更加严格的规定。己经通过的新版本明文规定，禁止填理有枧物含 量超过5 的污泥。污泥无机化处理的唯一出路就是污泥焚烧工艺。近年来，焚烧工艺变的越来越成 熟，也越来越适应环保的要求。特别是在焚烧炉烟气净化这一重要领域，烟气中的有害成份经过一 系列设备的处理后，己完全达到德国严格的大气环保要求。当然，石油危机的影响也不能被忽视， 人们在设计焚烧炉时，有意识地考虑到能量的回收利用。 日前在德国境内，己有近4 0 个污水处理厂拥有多年的污泥焚烧工艺的实际运行经验。其中l o 9 第一章绪论 家工厂混烧生活垃圾和污水污泥，2 0 多家焚烧城市污水污泥，9 家专门进行工业废水污泥的焚烧处 理。在德国，污泥焚烧炉首先始于多段竖炉，而后逐渐被流化床取代。日前，流化床焚烧炉的市场 占有率已超过9 0 ，焚烧污泥的含水率在4 5 - 8 0 之间。另外，也在考虑燃煤c f b 锅炉中混烧污泥。 在德国污泥焚烧工艺中已有4 0 年历史的德国h s m 污水处理厂，采用了流化床焚烧工艺，1 9 6 2 年第一台焚烧炉在德国投入使用。h s m 污水处理厂的污泥焚烧工艺由离心机一干燥机一流化床焚烧 炉一余热锅炉一静电除尘器一灰尘贮房一准干燥烟气洗涤装置一烟囱等几部分组成。其工艺流程如 图1 6 所示。流向离心脱水机的污泥是由约6 5 的消化污泥和3 5 的剩余污泥所组成，经机械脱水 后，污泥含水率降至7 5 。在该水厂的污泥焚烧系统中所使用的干燥机形式为圆盘干燥机( 饱和蒸 汽压为9 b a r ) ，污泥经过干燥处理后，可达到5 0 5 5 的含水率。这种组分的污泥在流化床炉中可 保证自行燃烧，无需额外添加助燃剂，可大大减少能源的浪费。 图1 6h s m 污水处理厂的污泥焚烧工艺 2 荷兰 3 0 l s n b 污泥焚烧厂是目前欧洲最大的污泥处理中心，位于荷兰。该厂处理规模约为3 0 0 t d ，处理 量约为荷兰全国总污泥量的2 7 ，除处理五个投资者的污泥外，还可以接收其它污水处理公司的污 泥。其工艺流程见图1 - 7 。运达的脱水污泥经半干化后从焚烧炉( 隋性粒子流化床焚烧炉) 上部进 入，焚烧后的烟气经热交换回收热量，回收的热能用于污泥半干化。尾气处理系统包括电除尘、酸 洗、碱洗、活性炭吸附和布袋除尘。 1 0 东南大学硕士学位论文 图1 7 荷兰s n b 污泥焚烧工艺 3 英国 ( 1 ) 英国e s h o l t 废水污泥焚烧炉 英国的第一