（环境工程专业论文）造纸污泥掺入链条炉混烧处置技术的研究.pdf

摘要 摘要 改革开放以来的三十多年间，随着我国经济的高速发展，各行各业对纸的 需求逐年递增，促使造纸行业得到了长期、迅速和蓬勃的发展。与此同时，造 纸过程中需要排放大量的废水，相关数据显示2 0 0 9 年全国造纸工业废水排放量 为3 6 7 亿吨，只有9 2 的废水经过处理达标排放，废水处理过程中也将产生大 量的造纸污泥，废水与污泥的处理处置问题也日益尖锐。本课题以河南滑县光 明纸业有限责任公司的造纸污泥为研究对象，研究其在链条炉中和燃煤混烧的 可行性。 对造纸污泥进行热值分析和工业分析，发现当造纸污泥含水率为7 5 6 时， 其热值仅为1 1 2m j k g ；当造纸污泥含水率降为9 8 时，其热值升至1 2 1 8 m j k g 。 通过对造纸污泥工业分析得出：含水率为7 8 1 的造纸污泥其固定碳含量仅有 11 7 6 ，而燃煤固定碳含量为3 2 3 7 ，这是造纸污泥和燃煤热值相差较大的主 要原因。通过造纸污泥干化试验，了解到造纸污泥干化过程中可分为三阶段： 裂纹初现段、裂纹发展段和缓慢干化段。确定不同厚度的造纸污泥含水率干化 至2 5 4 之6 7 时需要4 5 天的时间。 混烧试验主要试验研究了造纸污泥在不同含水率、不同煤泥混合比、不同 工况下，与燃煤在链条炉中混烧的情况。通过观察记录链条炉蒸汽温度、排烟 温度和炉温来研究造纸污泥在各试验条件下对链条炉各参数的影响。在不同含 水率造纸污泥与燃煤混烧试验中，选取4 中不同含水率的造纸污泥与燃煤进行 混烧，发现4 8 9 含水率的造纸污泥排烟温度变化幅度最大，最高温度为18 7 1 ，最低温度为1 6 1 2 ，相差2 5 9 。c ；而9 8 含水率的造纸污泥排烟温度变化 幅度最小，最高温度为1 8 3 2 ，最低温度为1 6 5 2 ，变化幅度为1 8 。在不 同煤泥混合比的造纸污泥与燃煤混烧试验中，选取4 ：1 、3 ：1 、2 ：1 三种不同煤泥 混合比进行混烧，发现4 ：1 煤泥混合比时最高温度和最低温度相差1 3 4 。c ，而 2 ：1 煤泥混合比时最高温度和最低温度相差2 1 8 。 最后通过试验研究链条炉在不同工况下，造纸污泥和燃煤混烧的燃烧性能。 通过改变各风室的配风比和炉排速度来观察造纸污泥混烧情况，发现在加强前 端供风、减少后端供风( 前后各变化1 0 的比例) 情况下，或者是增加炉排速 摘要 度的情况下，混烧试验过程中链条炉的蒸汽温度、排烟温度和炉温均比未调整 提高；而同时调整配风比和炉排速度条件下，炉温和蒸汽温度先小幅度下降后 又上升直至一稳定值，炉温为1 0 0 9 。c ，蒸汽温度为1 7 7 7 。c ，均和起始值相差很 小。和正常运行时锅炉工况相似。 通过以上几组试验，得出以下结论，将链条炉炉排速度设置为5 m h ，各风 室配风比为2 5 、3 5 、3 0 、1 0 ，含水率3 0 的造纸污泥以燃煤：污泥= 3 ：1 的比例混烧时锅炉各项数值均能达到最佳状态。 关键词：造纸污泥含水率干化混烧试验 i i a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c et h er e f o r l t la n do p e n i n gu p ，w i t hc h i n a sr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h e n e e d so fv a r i o u si n d u s t r i e so nt h ep a p e rg r a d u a l l yi n c r e a s ee a c hy e a r t h ee c o n o m i c d e v e l o p m e n to ft h ep a p e rd e m a n df o rp r o d u c t st op r o m o t ep a p e ri n d u s t r yb o o m i n g l y i nt h ey e a ro f2 0 0 9 ，n a t i o ne m i s s i o n so fp a p e ri n d u s t r yw a s t e w a t e rw a s3 6 7b i l l i o n t o n s ，o n l y9 2 o fw h i c hh a sb e e nd i s c h a r g e dw i t h i ns t a n d a r d s al a r g en u m b e ro f p a p e rm i l ls l u d g eh a sb e e np r o d u c e dd u r i n gt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s t h i s p a p e rt o o kp a p e rs l u d g ef r o mt h eh u ac o u n t yl i g h tp a p e rc o l t df o rt h es t u d y o b j e c t i v ea n ds t u d i e dt h ep a p e rs l u d g e sb u r i n gc o n d i t i o n s i nt h ep a p e rs l u d g ed r y i n ge x p e r i m e n t ，w ef o u n dt h es l u d g ed r y i n gp r o c e s sc a l l b ed i v i d e di n t ot h r e ep a n s ：t h ee a r l ys e c t i o no ft h ec r a c k ，t h ec r a c kd e v e l o p m e n ta n d s l o wd r ys e c t i o n d u r i n gt h ei n t e r v a l t h es l u d g ew a t e rc o n t e n td e c r e a s e dr a p i d l yi na s h o r tt i m e t h r o u g ht h ec a l o r i f i cv a l u eo fp a p e rm i l ls l u d g el a b o r a t o r ya n a l y s i sd o n e i nt h el a b o r a t o r ya n di n d u s t r ya n a l y s i s ，i ts h o w e dt h ew a t e rc o n t e n to fp a p e rm i l l s l u d g ea n dc a l o r i f i cv a l u ei san e g a t i v ec o r r e l a t i o n p a p e rs l u d g ec o f i r ew i t hc o a li nt h eg r a t ef u m a c ei nd i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t e x p e r i m e n t w ec a nl e a r nt h a tt h ep a p e rs l u d g ew i t h4 8 9 w a t e rc o n t e n tg o te x h a u s t t e m p e r a t u r ec h a n g e s ，t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ei s 18 7 1 ，t h el o w e s tt e m p e r a t u r ei s 1 6 1 2 t h e yh a d2 5 9 v a r i a t i o n ；a n dt h ew a t e rc o n t e n t9 8 p a p e r m a k i n gs l u d g e e x h a u s tt e m p e r a t u r ev a r i a t i o na m p l i t u d e t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r eo fm i n i m u m18 3 2 ，t h e1 0 w e s tt e m p e r a t u r er e l a t i v e l y16 5 2 ，v a r i a t i o na m p l i t u d ef o rf o r18 c s l i m e m i xi nd i f f e r e n tt h a np a p e r m a k i n gs l u d g ew i 也c o a l f i r e d & c o a lm i x i n gt r i a l s s e l e c t 4 ：1 ，3 ：l ，2 ：1t h r e ed i f f e r e n tm i x i n gr a t i o ，w ef o u n dt h a t4 ：1m i x i n gr a t i o ，h i g h e s t t e m p e r a t u r ea n dm i n i m u mt e m p e r a t u r ed i f f e r1 3 4 c o m p a r i n gt h em i xr a t i o2 ：1 w h i c hw i t h2 1 8 i ti ss m a l l f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e dp a p e rs l u d g ec o f i r i n gw i t hc o a li ng r a t e f u m a c ei nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s u g ht h ec h a n g e so ft h ew i n dc h a m b e r w i t hw i n ds p e e dt oo b s e r v es t o k e r w ef o u n dt h a ti n c r e a s e dt h er a t i oo ft h ef r o n to f t h ew i n dr o o ma n dr e d u c eb a c k e n d ( t h ep r o p o r t i o no fe a c hc h a n g ea r o u n1o 1u n d e r t h ec o n d i t i o no ft h es t o c k e rs p e e di n c r e a s e ，s t e a mt e m p e r a t u r e ，e x h a u s tt e m p e r a t u r e a n dt e m p e r a t u r eo fg r a t ef u m a c ea r en o ta d ju s t e dt h a ne n h a n c i n g ；w h i l et h e a d j u s t m e n tw i t hw i n ds p e e dc o n d i t i o n s ( i n c r e a s et h es p e e do fg r a t ef r o m4 2 m ht o 5 m h ) ，w ef o u n df u m a c et e m p e r a t u r ea n ds t e a mt e m p e r a t u r ed r o pf i r s ts m a l la tf i r s t t h e ni ti n c r e a s e dr a p i d l yu n t i li tr e a c h e di nt h ep o i n t10 0 9 a n d 17 7 7 c w h i c h w a ss i m i l a rt ot h ei n i t i a lc o n d i t i o n sw i t h o u ta n yc h a n g e s t h r o u g ht h ea b o v es e v e r a lg r o u p so ft e s t i n g ，w eg o tt h ec o n c l u s i o n w i t hg r a t e f u m a c eg r a t es p e e ds e t t l e da t5 m h ，w i t ht h ef o u rw i n dr o o mr a t i oa d j u s t e da t2 5 ， i i i a b s t r a e t 3 5 ，3 0 ，10 ，w i t hw a t e rc o n t e n to fp a p e rs l u d g ea r o u d3 0 ，w i t hc o a la n dp a p e r s l u d g em i x i n gr a t i oa d j u s t e d3 ：1r a t i o ，t h ec o n d i t i o no ft h eg r a t ef u r n a c ec a nr e a c ht h e b e s ts t a t e k e y w o r d s ：p a p e rs l u d g e ；w a t e rc o n t e n tr a t i o ；d r y i n g ；c o f i r i n g 1 引言 1 引言 1 1 研究背景及意义 1 1 1造纸行业的发展及其污染状况 自改革开放以来，随着我国经济的高速发展，各行各业对用纸的需求逐年 递增。经济发展对纸制品的需求使造纸行业得到了迅速蓬勃的发展，尤其是2 0 0 0 年以来，造纸行业年增长率均超过1 0 。 据中国造纸协会调查资料，2 0 0 9 年【1 】全国纸及纸板生产的企业约有3 7 0 0 家， 纸及纸板生产量8 6 4 0 万吨，消费量8 5 6 9 万吨，人均年消费量为6 4 k g ( 以1 3 3 5 亿人计算) ，比世界人均消费水平5 5 6 k g 高出8 4 k g 。2 0 0 9 年比2 0 0 0 年生产量 增长1 8 3 2 8 ，消费量增长1 3 9 6 9 。2 0 0 0 年以来，纸及纸板生产量年均增长 1 2 2 7 ，消费量年均增长1 0 2 0 。因此，我国经济伴随着城市化进程的发展， 对纸制品的需求还有巨大的空间。 造纸行业蓬勃发展的同时，也给环境带来了污染与破坏。造纸行业环境污 染的主要污染因素是造纸废水和造纸污泥。 造纸废水产生于生产中碎浆、制浆及抄纸工段，具有浓度高、产生量大、 难处理等特征，属于较难处理的工业废水。2 0 0 9 年【l 】造纸工业总产值( 规模以 上) 约4 1 6 2 亿元，约占2 0 0 9 年度全国工业总产值的2 6 ；造纸废水排放量3 6 7 亿吨，约占全国重点统计企业废水排放总量的1 7 o ；造纸废水c o d 排放量1 5 9 7 万吨，约占全国重点统计企业c o d 排放总量的3 2 4 。从以上数据来看，造纸 废水在工业废水排放中占主要地位。由于过去【2 】片面追求经济发展，环境保护相 关部门和企业环境保护意识淡薄，造纸废水未经任何处理直接排放周围水体的 情况司空见惯，造纸企业周边大部分河流水质恶化、鱼虾灭绝，整体水环境质 量逐渐下降，环境质量恶化与经济可持续发展的矛盾越来越尖锐，已经引起政 府和群众的高度重视，造纸废水处理后达标排放已经成为企业正常运营的先决 条件。 般情况下，造纸废水经过处理后，占废水体积1 左右的物质会转化为污 泥沉降下来，成为造纸污泥。查阅相关资料可知，2 0 0 9 年全国规模以上造纸工 业共排放废水3 6 7 亿吨，只有9 2 的废水能够做到达标排放。由此可以估算， 1 引苦 2 0 0 9 年全国一共产生造纸污泥3 3 7 6 万吨绝干污泥。大部分【3 】污泥脱水设备仅能 将造纸污泥含水率降低至8 0 左右。按照造纸污泥含水率8 0 计算，2 0 0 9 年全 国一共产生造纸污泥1 6 8 8 万吨。造纸污泥中含有大量的短纤维物质，另外还含 有氮、磷等物质，寄生虫卵和致病菌等危害人体健康的成分，必须加以妥善处 置。过去因人们的环保意识的淡薄，造纸污泥不经任何处理就随意堆放，或作 填埋处理，对周围环境造成恶劣影响。这样的污泥处置方式不仅占用耕地，同 时也对地下水资源产生长远的影响。 近年来政府【4 】相关部门开始重视环境保护，将环境保护作为地方的一项重要 工作开展。通过中央和地方各级部门的共同努力，制定并颁布了造纸行业的相 关标准，关停关闭了一大批高污染、高能耗的小造纸厂，整合重组了大量企业， 加大了环境监管与惩罚力度。通过几年的努力，至2 0 0 9 年，9 2 i l 】的造纸废水 能够做到达标排放，以前造纸废水不经处理任意排放的现象已经基本杜绝，水 体质量逐步恢复，环境质量得以改善。修订后的造纸工业水污染物排放标准 ( 标准编号g b 3 5 4 4 2 0 0 1 ) 于2 0 0 4 年1 月l 号开始实施，标准规定我国造纸工 业废水必须经过处理达标后才能排放。这将进一步提高我国制浆造纸工业废水 的处理率和处理深度。 目前，我国大多数造纸企业的造纸废水能够做到达标排放。但与此同时， 带来的是造纸污泥产量急剧增加。相关资料【5 】表明，在同等污水量的情况下，造 纸废水处理过程中产生的污泥一般是市政污水处理厂的5 1 0 倍。如此巨量的造 纸污泥如何处置是企业及当地环保部门面临的头疼问题。随着我国造纸行业的 不断发展以及造纸废水处理率和处理深度的进一步提高，造纸污泥产量也将会 继续增大。如果选择不好科学有效的处置方式，不能够对造纸污泥进行妥善处 理，将会造成严重的二次污染，造纸污泥挤占耕地的报道也屡见不鲜。因此， 造纸污泥的无害化与资源化处理与处置己成为亟待解决的环境问题。 1 1 2 造纸污泥的性质 造纸污泥中最主要的成分是水。未经处理的原始造纸污泥中含有大量的水 分，其含水率通常达到9 9 以上。造纸污泥经过机械脱水处理后可使其含水率 降低到8 0 左右。通过降低造纸污泥的含水率从而可以极大的减小造纸污泥的 体积，这样一来不仅方便了运输也降低污泥处置及运输的费用。因此，如何有 效减少造纸污泥中的水分一直是造纸污泥处理处置过程的一个不容忽视环节。 2 1 引言 按照造纸污泥中【6 】水分的结构以及存在的不同形式，造纸污泥中的水分可分 为间隙水、表面吸附水、毛细结合水和内部水4 类水。 含水率高是造纸污泥的一个重要的特性。除此之外，造纸污泥【7 】中含有大量 的有机组分，其主要为主要含有纤维素、半纤维素和木质素等高分子有机物。 干燥后的造纸污泥中有机质含量一般在5 0 - - 7 0 之间。因此，绝干造纸污泥的 热值较高，能提供完成焚烧所需的热量。另外，造纸污泥中的有机物可以用于 改善土壤的结构，提高土壤保水、保肥的性能，是较为不错的土壤改良剂。 造纸污测8 】中含有少量的氮、磷、钾，对于植物来说，这些元素是其生长必 不可少的养分，因此，造纸污泥也可以作为肥料用于农田。但是，考虑到造纸 污泥中含有大量的病原菌和致病微生物【9 】，含有重金属和有毒、有害成分，造纸 污泥的这种有毒有害的物质【lo 】可能对农田有潜在的影响，但是国内对这方面的 研究鲜见报道，故造纸污泥用于农田还有待研究。 1 1 3 造纸污泥的危害 造纸污泥【1 1 】含有大量病原菌、寄生虫( 卵) ，盐类等难降解的有毒有害物。 造纸污泥产生的危害主要有以下几点： ( 1 ) 造纸污泥盐分污染 造纸污泥钟含盐量较高，如果将其填埋或农用处理，它会明显提高土壤导 电率，破坏植物养分平衡，抑制植物对养分的吸收，更有可能对植物根系造成 直接的伤害，离子间的拮抗作用也会加速土壤中有效养分的淋失。 ( 2 ) 病原微生物 造纸废水中含有大量的病原体( 病原微生物和寄生虫) ，经过处理后最终会 进入污泥。如果处置不当，会对动植物造成较大影响。 ( 3 ) 氮磷等养分的污染 在降雨量较大地区，由于雨水的大量冲刷作用，造纸污泥中的有机物成分 比如氮、磷等养分就有可能进入地表水体，造成水体的富营养化；部分成分或 者可能通过土地渗入地下水，造成对地下水资源的污染破坏。 ( 4 ) 环境质量的影响 以填埋和农用为处置方式时，如果处置不当，造纸污泥中的有机质很容易 滋生蚊蝇，散发恶臭，引起周围环境质量下降。 1 引言 1 2 造纸污泥处置方式与资源化利用 1 2 1造纸污泥处置的目的 造纸污泥处理与处置是造纸行业废水处理过程的重要组成部分，造纸污泥 的处理处置程度直接关系到造纸废水处理评价状况，如果造纸污泥处理处置工 作做得不够，仅仅将造纸废水处理达标，那么造纸污泥中的有害成分将会对土 壤、水源以及动植物造成危害。造纸污泥处理【坨】的主要目的有以下三方面： ( 1 ) 减小造纸污泥的体积。即降低造纸污泥的含水率，从而为造纸污泥的 输送、消化、脱水和资源化利用创造条件； ( 2 ) 使造纸污泥稳定化和无害化。造纸污泥中含有大量有机物、各种病原 体及包括重金属在内的各种有害物质，如果不进行稳定化和无害化处理，必将 成为新的污染源，污染周围水资源和土壤资源； ( 3 ) 通过处理改变造纸污泥的成分及某些特性，或者去除污泥中的有害成 分，使造纸污泥能够满足资源化利用的要求，从而将造纸污泥变废为宝。 总体来说，减量化、稳定化、无害化及资源化是国内外造纸污泥处理处置 的通用原则。 1 2 2 污泥处置方式 污泥处理处置方式主要有以下几种方式。其中海洋倾倒这一方式由于对海 洋生态环境的破坏而被大多数的国家所明令禁止。甘一萍【1 4 l 在调查了我国9 5 家造纸企业造纸污泥的处置方式，主要的方式为农用堆肥和填埋，调查结果如 图1 3 。 图1 1 造纸厂造纸污泥处置方式调查一览图 f i g u r e1 1w a y so fp a p e rm i l lp a p e r m a k i n gs l u d g ed i s p o s a l 4 1 引言 ( 1 ) 造纸污泥农用堆肥 造纸污泥中既含有相当于农肥的氮和磷，也含有钾、钙、硫、铁、镁及锌、 铜、锰、硼、钼等微量元素。其氮、磷均为有机态，可以缓慢释放【l5 j 而具有长 效性。经过生物降解，绝干造纸污测1 6 】有机成分含量高，土地农用后可提高土 壤的阳离子交换量，改善土壤对酸碱的缓冲能力，提供养分交换和吸附的活性 则可显著减少土壤的容重。可增加土壤总的孔隙容积并改善孔隙大小的分布， 从而提高对化肥的利用率。污泥堆肥因本身密度小还可增加土壤的孔隙度。 造纸污泥农用堆肥具有以下两个优点：一是使造纸污泥中含有的有机物通 过植物作用重新进入生物循环中，避免造纸污泥中营养成分流失；二是部分替 代了需要耗费大量能源而制造出的人工肥料，降低了土地使用成本。 据调查研究【1 7 】的资料显示，西方发达国家，造纸污泥用于堆肥农用非常普 遍。在美国，造纸污泥农用量占其产出总量的3 3 ，葡萄牙高达8 0 ，英国为 5 1 ，德国为2 5 。英国万历普厂【谓】是一家以生产肥料为主的企业，该公司引 用了d a n o 公司的机械堆肥技术，粉状肥料的年产量可达到4 万余吨。蚯蚓对于 耕地具有相当的价值，因此其价格不菲，每埏蚯蚓可以卖到2 0 3 0 元。波兰的 一些化工厂利用蚯蚓处理造纸污泥，可得到一种无气味的、类似腐殖质的、具 有高营养值，适作为植物生长培养基的蚯蚓肥料。 在大量研究试验的基础上，我国造纸污泥农用、堆肥技术近年也取得新的 发展。施庆珊等l l9 】对造纸污泥堆肥技术进行研究的结果表明，高温好氧性堆肥 发酵过程中达到高温阶段( 8 0 c 以上) 所需时间由原来的3 d 缩短至1 d ，高温好氧 性发酵周期由2 0 d 缩短为1 0 d ，造纸污泥中水分由5 5 降至4 0 以下，并分离 到一株高温放线菌a o i ，这株高温放线菌的形态和主要生化特征与高温放线 菌属的典型种相似，但是该菌株能耐受8 0 以上的高温，并能够维持较长的高 温期时间及缩短堆肥发酵周期。林云琴等【2 0 】对堆肥前后和种植作物前后土壤重 金属的5 种形态进行了研究。结果表明，添加造纸污泥堆肥前后的土壤中c u 、 n i 、c r 、p b 四种重金属主要以残渣态形式存在，z n 主要以f e m n 氧化态形式存 在，以残渣态和氧化态的形式存在的重金属的生物有效性都很小：而c d 主要以 碳酸结合态和可交换态存在，其生物有效性较大。山东亚太森博公司【2 l 】利用蚯 蚓处理造纸污泥，造纸污泥经过消化后的肥效和农用肥基本相当，可广泛用于 农作物、草坪、园艺花卉及市政绿化等。 造纸污泥长期用于农用肥料的潜在风险的报道国内鲜有报道。陈同斌等【2 2 】 5 1 引占 在研究我国城市污泥重金属含量时，将造纸污泥一同对比分析。造纸污泥的重 金属含量很低，农用的话对土地不会产生影i 匈。 ( 2 ) 卫生填埋法处理污泥 在欧洲【2 3 1 ，卫生填埋法处理污泥是主要手段之一。大约4 6 的污泥是通过 填埋来处理的。意大利、卢森堡和希腊通过填埋来处理的污泥量分别是8 5 、 8 8 和9 0 。2 0 0 0 年美国5 2 的污泥是通过填埋柬进行处理的。虽然目前填埋 法是一种主要的污泥处置手段，但考虑到地球上土地资源的稀缺性，其前景不 容乐观。采用填埋法处理污泥，将会使污泥中有害物质渗入土地，破坏土地的 利用价值，污染地下水资源。因此必须在填埋前【2 4 】对污泥进行稳定化、无害化 处理，以降低污泥散发的臭气量、气体量( 如甲烷) 及渗出液。鉴于污泥采用 填埋处理对土地有潜在的危害，发达国家为了把上述问题降低到最小，制定了 严格的污泥填埋标准，这使得污泥填埋的处理成本大大增加。例如，在德国【2 5 】， 用于填埋的污泥其含水率必须低于6 5 ，这项指标仅靠一般的污泥脱水机无法 满足，必须进一步处理，增加了企业污泥处理的费用。随着各类污泥产生量的 逐渐增加，现有填埋厂可用的空间越来越少，建造新填埋厂的地点也因公众的 环保意识提高受到了诸多限制。现如今【2 6 1 ，我国土地资源严重匮乏，申请建造 一个新的填埋厂不仅费时并且烦琐。这些问题直接带动了污泥填埋处理费用的 大幅增加，故采用卫生填埋法处理污泥未来的矛盾将会越来越突出。 1 3 污泥焚烧处置方式 1 3 1 焚烧技术的发展 将污泥用于焚烧的试验研究【z 7 】最早开始于美国的n o a c k 和s c h l e s i n g e r 等 人。以能源回收为目的，他们于1 9 6 0 年在p i t t s b u r ge n e r g yc e n t e r 开始的研究污 泥的焚烧技术。世界上第1 台焚烧污泥的流化床锅炉在1 9 6 2 年建于美国 l y n n w o r dw a s h i n g t o n ，至今仍在运行。以日本研究者平冈等人1 9 7 3 年所进行的基 础研究开始，美国o l e x s e y 于1 9 7 4 年、k a l i n s k e 于1 9 7 5 年通过各自的研究都表 明污泥焚烧工艺的优越性。1 9 7 6 年l o 月在悉尼举行的第8 届国际水质污染研究 会议上由m a j i m a 等人发表了多段炉分解的应用性研究报告。t a i e d a 等人及布拉 肯b r a c k e n 等人也提出了同样的报告。1 9 7 7 年4 月在日本东京举行的日美下水 道技术会议上，由k a s h i w a y a 发表了大阪府川俣处理场的多段炉应用研究的成果 6 报告，报告中对多段炉热分解工艺的实用性做了充分的肯定。 发达国家研究焚烧技术已经有很长一段时间，在研究焚烧法处理污泥的同 时，开发了多种污泥的焚烧设备。主要有立式多段炉、回转窑焚烧炉以及流化 床、链条炉等。西方发达国家在国外【2 8 】自十九世纪五十年代开始就开始研究应 用这几种炉型，其中立式多段炉应用最广，占污泥焚烧装置的7 0 。 随着我国对污泥焚烧技术的研究不断深入，该技术已经有了一定的发展。 尤其是在我国大型的电厂，利用流化床【2 9 】焚烧污泥的技术已经有很大的应用。 1 3 2 国内外污泥焚烧技术的研究进展 在欧美日发达国家，污泥焚烧技术研究工作开展已久。科研人员主要研究 的是在焚烧过程中，污泥的燃烧特性及燃烧的稳定性，也有部分学者对焚烧过 程中污泥释放出来的污染物的排放进行研究。 v e s i l i n 和r a m s e y 3 0 1 对污泥的热值进行了研究。研究结果表明，相同大小的 污泥颗粒在加热到1 5 0 以前，污泥剩余物的热值几乎不变，一旦温度超过1 5 0 ，污泥剩余物的热值下降得很快，到4 0 0 后污泥剩余物已经没有任何热值。 k o z i n s k i 和s u n l 3 l 】通过对比不同污泥颗粒尺寸的燃烧哦情况发现，造纸污泥 的着火点随着污泥颗粒尺寸的减小而降低。此外，氧气浓度的降低或升温速率 的增大都将导致造纸污泥着火温度升高。 j e n s e n 3 2 】通过试验研究了污泥含碳量与温度的关系。在较低的热解温度下， 污泥含碳量下降了4 0 - - 6 0 ；在5 0 0 - - 7 0 0 温度范围，污泥含碳量下降了7 0 - 8 0 ：而在7 0 0 以上，温度的影响对污泥含碳量就不大明显了。 张扬等【3 3 】研究了造纸污泥在链条炉中污泥燃烧情况。他们研究发现污泥中 灰分和水分对燃烧过程有很大影响。制浆厂污泥的灰分含量通常在1 0 - - - 3 0 左 右，造纸厂的污泥灰分含量可达4 0 7 0 。试验表明，一旦灰分高于5 0 ，污 泥单独焚烧起来就有一定的困难，并且还可能引起蒸发器结构破坏，给操作与 设备的运行带来困难。造纸污泥的发热值跟污泥含水率有关。如果污泥中的含 水率较高，污泥中有机物的份额将相应的减少，从而使污泥的发热值下降。此 外，焚烧过程中要耗费大量的热量将污泥中所含水分将转变成蒸汽。故高含水 率的污泥必须混合其他燃料才能保持燃烧的持续进行。 曾庭华【3 4 】研究的方向是污泥在流化床中燃烧的结团特性。其结论是：燃烧 过程中，污泥本身的特性对其结团特性有重要影响。污泥的灰分过高不能成团， 7 1 引言 水分太高会降低其结团强度，甚至破碎。因此适当脱水是必要的；床温对污泥 结团有十分重要的影响，床温在8 5 0 9 0 0 。c 之间最佳，此时结团形态与强度都优 于其他床温；污泥水分降低时结团情况变好，但程度变化不大。 李斌、池涌【3 5 】等人利用小型流化床，针对污泥进行了一系列的试验。着重 考察了污泥水分、运行床温及过量空气系数对烟气中n o x 和s 0 2 的排放浓度与 燃料中n 、s 转化率的影响。他们的研究结果是：利用流化床焚烧污泥，n 的转 化率与污泥关系极大；焚烧过程中污泥的n o x 排放量随水分增加而减少：床温 增高，n o x 排放浓度增加；过量空气系数增大，n o x 浓度增大；污泥的s 0 2 排 放浓度随水分增大而较快减小；当污泥中s 含量较高时，需添加脱硫剂来降低 s 0 2 排放量。 王红等【3 6 】利用t g a f t i r 对比分析了污泥与煤各自的热解特性。研究发现 污泥的挥发分在某一温度时大量而迅速地析出。 李晓东和岑宇虹【3 7 】在污泥的结团特性试验研究中发现床温对污泥结团有着 十分重要的影响。不同床温下污泥均能很好地结团，并且存在最大强度。随着 床温升高，结团最大强度出现的时间逐渐提前。经过一定时间后，各强度趋于 较小值。 从文献中可以看出，国外科研人员对污泥焚烧这一课题已进行了深入广泛 的研究，并开发出了先进的污泥焚烧技术，已经成功推广应用。而我国在这方 面的研究起步较晚，也取得了一定的成绩，对污水厂的污泥焚烧技术开展了系 统的研究，特别是以流化床为焚烧设施的大型电厂做的研究较多。对于小型锅 炉、不同炉型的造纸污泥掺和燃烧特性以及辅助燃料的掺和比这方面的研究较 少。因此，就我国目前污泥处理的状况而言，应当大力加强污泥焚烧处理的理 论和试验研究，针对不同的炉型开展试验研究，尤其是针对不同污泥的具体特 征，将污泥焚烧技术推广到各行各业。 1 3 3 国内外污泥焚烧技术的应用 西方发达国家污泥焚烧技术开展研究已经很长一段时间。2 0 世纪7 0 年代， 英国已经将焚烧法作为污泥处理处置的一个方法开展研究试验。1 9 8 6 年【3 8 】在 e s h o l t 建立了第一台污泥流化床焚烧炉。流化床焚烧炉以砂为床料，床温控制在 7 5 0 8 0 0 c 之间。床温受污泥质量影响并由流化风速控制，床温过高则喷水调节。 法国g o l b e y 造纸厂【3 9 】采用一台污泥流化床焚烧炉处理造纸污泥。它克服了 8 1 引言 传统f b c 负荷调节能力差及床内埋管磨损的问题，燃料为垃圾、污泥和天然气， 污泥水分6 4 3 ，灰分1 0 8 0 ，干基高位热值5 1 5 m j k g 。树皮水分5 5 8 0 ， 灰分1 3 ，干基高位热值8 8 m j k g 。 世界上第一台焚烧污泥的流化床锅炉在1 9 6 2 年建于美国l y n n w o r d w a s h i n g t o n ，至今仍在运行【4 训。美国目前每年产生的污泥量多达数千万吨，2 0 世纪9 0 年代，采用焚烧方式处置污泥的份额占1 6 ，焚烧装置主要有流化床炉 ( 占1 8 ) 和多段炉( 约7 6 ) ，多段炉的使用有较长的历史，但污染严重， 新建的炉子大都采用流化床【4 。在美国有许多厂家生产污泥流化床焚烧炉。 日本的污泥焚烧处理技术应用的最广，在1 9 8 4 年采用焚烧处理的污泥处理 量占总量的7 2 t 4 2 1 。目前日本规模较大的污水处理厂大都采用焚烧法处理污泥， 其推广率遥遥领先。自1 9 6 3 年日本t s k 公司使用第一台立式多段焚烧炉处理污 泥以来，t s k 公司开始着重开发固体废物焚烧技术。 目前我国针对污泥的处置大部分的研究仅局限于污泥堆肥农用，而对污泥 的资源化利用很少，造成很大的浪费。我国大中城市的污水厂中，仅有深圳特 区污水处理厂的污泥用于焚烧。焚烧处置技术在工业废水污泥的应用屈指可数。 齐鲁2 0 万吨乙烯污水处理厂的污泥，采用二段串联的卧式焚烧炉焚烧，由化工 部第三设计院设计1 4 3 1 ，处理的污泥量为2 1 0 0 t h ，污泥含水率不大于8 0 。 从以上文献可知，国外污泥焚烧技术比较成熟，且应用较广泛；国内污泥 焚烧技术开展时间不长，但也有应用。随着我国用地的不断紧张，环保意识的 逐渐增强，将污泥作填埋处理越来越受到各方面的约束。污泥焚烧作为一种环 保节能的技术势必将取代填埋作为污泥处置的主要技术之一。 从查阅的相关文献中可以看出，国内外专家学者针对造纸污泥的焚烧处置 方式做了很多研究与应用，结果表明焚烧这一处置方式具有很好的发展前景。 但大多数的研究与应用都是针对大型锅炉如流化床的。我国中小造纸企业大量 使用的锅炉以链条炉为主，将造纸污泥用链条炉焚烧的研究鲜见报道，本文以 链条炉作为焚烧装置，研究造纸污泥的燃烧特性。 1 4 课题研究目的及内容 1 4 1 课题研究目的 目前，我国大部分造纸污泥的处置方式主要以填埋为主。这种处置方式不 9 1 引言 及你耗费人力物力，而且造成资源的浪费。如何将造纸污泥有效地、资源化的 处置利用，是本课题研究内容的出发点。本文以造纸污泥干化、与煤混烧为研 究对象，研究其合适的含水率及泥煤煤泥混合比，为造纸行业污泥处置提供参 考。 1 4 2 课题研究的内容 造纸污泥含水率在整个混烧试验中起主导作用，它与造纸污泥热值、煤泥 混合比及燃烧特性均有关。为较为系统的研究造纸污泥与燃煤混烧情况，本试 验从造纸污泥干化规律研究开始，依次试验分析造纸污泥的热值、不同含水率、 不同煤泥混合比及不同工况下的混烧状况，热值分析试验和干化试验作为辅助 试验为混烧试验提供参考。因此，本试验研究主要分为以下三个方面： ( 一) 造纸污泥热值分析试验 分析不同含水率的造纸污泥热值，为污泥和煤混烧提供参考。 ( 二) 造纸污泥干化试验 通过一系列干化试验，研究污泥在不同厚度、不同气象条件下含水率的变 化情况。为选择合适的含水率提供参考。 ( 三) 造纸污泥和燃煤混烧试验 混烧试验中包括三个试验。一是不同含水率的造纸污泥和燃煤以一定的比 例混烧，二是污泥与煤以不同的煤泥混合比例进行混烧，三是一定含水率、一 定的煤泥混合比例下不同工况的混烧试验。 各试验章节中试验对象均为安阳滑县光明纸业有限公司造纸污泥，该公司 采用的是带式压滤机对造纸污泥进行脱水，添加国产聚丙烯酰胺絮凝剂( p a m ) ， 分子量为4 0 0 万，溶配浓度为1 左右，投加量在0 3 0 o - - - 0 3 8 ( 以干重计) 之 间。经过该设备脱水，造纸污泥含水率一般在7 3 1 0 旷7 8 8 之间。 其中造纸污泥热值分析和工业分析委托滑县热电厂进行，造纸污泥干化试 验在公司干化场和化验室进行，造纸污泥混烧试验是在该公司锅炉房进行。 l o 2 造纸污泥理化件质分析 2 造纸污泥理化性质分析 2 1 造纸污泥热值分析 2 1 1分析目的 绝干造纸污泥【删中有机物含量5 0 7 0 ，生物质含量丰富，主要含有纤维 素、半纤维素和木质素等高分子有机物以及填料、凝聚剂等，相对于市政污泥， 造纸污泥重金属含量微少。对不同含水率的造纸污泥进行热值分析，分析研究 在不同含水率条件下，造纸污泥热值的变化规律，为选择合适的含水率提供试 验依据。 2 1 2 测定原理 在燃料化学中，热值是表示燃料质量的一种重要指标。单位质量( 或体积) 的燃料完全燃烧时所放出的热量。 使用量热仪测定可燃物质的热值，是将一定量的试样置于密封的氧弹中， 在充足的氧气条件下，令试样完全燃烧，燃烧所放出的热量被氧弹及其周围的 一定量的水( 内筒水) 吸收，水的温升与试样燃烧释放的热量成正比。在规定 的条件下预先标定出量热仪的热容量，要测定发热量时，只要严格按照标定热 容量的条件进行测定，根据试样燃烧后内筒水的温升值，就可计算出试样的发 热量。恒温式量热系统中，由于外筒水温度随室内温度的变化而变化，且内筒 与外筒之间实际存在着热交换，这些热交换就需要通过适当的模式加以校正。 2 1 3 分析对象及来源 本试验选取5 个有代表性的不同含水率的造纸污泥，统一送往滑县热电厂 化验室进行热值分析。 2 1 4 分析方法 滑县热电厂采用的是t y h w - i i i 微机自动量热仪，使用量热仪进行污泥热值 测定，共测定5 个样品。污泥热值分析试验步骤如下： ( 1 ) 称样。用坩埚称试验污泥0 9 1 克； 2 造纸污泥理化性质分析 ( 2 ) 将坩埚装入氧弹的坩锅架上，装好点火丝( 长度为l o c m ) ，往氧弹中 加入l o m l 蒸馏水，小心拧紧氧弹，应尽量少振动氧弹，注意避免坩埚和点火丝 的位置因受振动而改变； ( 3 ) 打开氧气瓶阀门，将减压阀低压表上的压力调到2 8 m p a - - 一3 m p a ，接 着将氧弹装入氧弹挂钩上： ( 4 ) 单击“开始”，输入数据，再单击“确认”后，仪器开始自动测试： ( 5 ) 试验结束后，内桶水自动放到水箱，界面显示测试结果，并自动保存； ( 6 ) 测试结束后，将氧弹各部件清洗干净，并擦干，坩埚放在电炉上烤干 并冷却后待用。 使用量热仪进行污泥热值测定，记录样品低位热值，共测定5 次。 低位热值是指燃料完全燃烧，其燃烧产物中的水蒸汽以气态存在时的发热 量，也称净热。燃料大都用于燃烧，各种锅炉的排烟温度均超过水蒸汽的凝结 温度，不可能使水蒸气的凝结热释放出来，所以在能源利用中一般都以燃料的 应用的低位发热量作为计算基础。 2 1 5 分析结果 热电厂量热仪分析的结果如下图： 8 0 7 0 6 0 乎5 0 篓4 0 妊3 0 2 0 1 0 o 、。 0 3 64 弱7 7 9 8 5 61 1 1 8 批倌m l k z 图2 1 污泥热值分析结果走势图 f i g u r e2 1a n a l y s i so fs l u d g ec a l o r i f i cv a l u er e s u l t s 分析结果表明，造纸污泥含水率和热值基本呈线性负相关关系。造纸污泥 含水率为7 5 6 时，其热值仅为1 1 2m j k g ；当造纸污泥含水率降为9 8 时，其 热值升至1 2 18 m j k g 。 目前焚烧炉【4 5 】的排烟温度大都在1 0 0 * c 以上，所以污泥带入炉内的水分最后 1 2 2 造纸污泥理化性质分析 都是以蒸汽的形态被排出焚烧炉的。这些蒸汽以汽化潜热的形式带走了燃料中 的能量，剩余的热量才有可能为焚烧炉所用。对于1 标准大气压【4 6 】下，水汽化 潜热为2 5 1 0 k j k g ，过大的含水率将使造纸污泥的燃烧价值大为下降。 张扬等【47 j 利用森博浆纸有限公司的造纸污泥进行试验。森博纸业的绝干造 纸污泥低位热值为1 1 2 4 m j k g ，当污泥的含水率为5 9 1 时，此时造纸污泥只依 靠自身燃烧所产生的热量就足以蒸发自身所含水分，无需添加其他燃料，使污 泥焚烧顺利进行。但是污泥中大量的水分对锅炉尾部受热面容易造成低温腐蚀。 贺兰海等1 4 8 j 在多次利用流化床锅炉进行造纸污泥焚