（工程热物理专业论文）污泥干燥焚烧工艺的实验室研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本文主要对污泥的干燥焚烧工艺作了一些机理的探索和试验性研究。从污泥 的来源及危害，分析介绍了污泥处置的各种方法以及处理现状，认为污泥的焚烧 干燥工艺非常适合城市污泥的处理。综述了国内外流化床焚烧干湿污泥的研究成 果和工艺的基础上，确定了本文的研究内容和方向。 污泥是种成分复杂、粘性大等特殊性质的干燥物料。针对这种特殊的干燥 物料，利用鼓风干燥箱和管式炉进行热重法分析不同污泥在干燥过程中的形态变 化、物性变化、热值变化、干燥应力、探讨水分析出特性和机理、干燥曲线变化 以及污泥球中心温度变化，考察了污泥干燥的过程，并为选择污泥干燥器械和焚 烧装置奠定了基础。 选择桨叶式干燥进行污泥干燥试验。考察了污泥在桨叶式干燥机的运动过程 并经过对污泥不同转速以及混油干燥、返混六个工艺探讨污泥干燥的最佳工况以 及工艺的选择；对桨叶式干燥机干燥污泥提出死角改良、受热面尾缩等六个改良 建议。 利用小型流化床考察不同含水率下( 7 0 、5 0 、4 0 ) 的污泥在不同的床温 工况( 6 5 0 、7 5 0 、8 5 0 ) 下进行焚烧试验，考察床温、料层的稳定性，测 试焚烧产生的烟气中二次污染物的排放，并利用原子吸收光谱对焚烧后的灰渣中 七种重金属：c u 、n i 、c d 、c r 、z n 、p b 、f e 的含量以及灰渣的分布残留率作了 分析，为焚烧产物的处理以及重金属的控制处理作了探讨。 关键词：污泥干燥焚烧桨叶式干燥机重金属 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 h ed r y i n gm e c h a n i c sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fm u n i c i p a ls e w a g es l u d g ea n dt h e s y s t e mo ft h ed r y i n ga n dc o m b u s t i o ns y s t e mo fs l u d g ew e r em a i n l ys t u d i e di nt h i s p a p e r f k - s t l y , t h eo r i g i n s ，k i n d sa n dh a r m f u l n e s so fs l u d g ew e l ei n u o d u e e d , a n dt h e t r e a t m e n tm e t h o d so fs l u d g ea n dt h e 臼e a t m e n ts t a t u e so fs l u d g ei nc h i n aw e r e i n t r o d u c e d b a s e do nt h er e v i e wo fs l u d g ef l u i d i z e db e di n c i n e r a t i o nw i md r i o ds l u d g e a n dw e ts l u d g es y s t e m , t h er e s e a r c hc o n t e n t si nt h i sp a p e rw e r ed e t e r m i n e d n es l u d g ew a sak i n do fv a r i e dc o m p o n e n t sa n ds p e c i a lc h a r a c t e r sd i s t i n g u i s h e d o t h e rp u r es u b s t a n c e 皿ec h a n g e so ft h ef a b r i cc o n s t r u c t i o n , t h ec a l o r i cv a l u e , p h y s i c a la p p e a r a n c e , d r y i n gs t r e s s ，m o i s t u r es e p a r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s , d r y i n gc u r v e s a n dt h ec e n t e rt e m p e r a t u r eo fs l u d g eg l o b ew e r ed e t a i l e di nt h i sp a p e ra n dg r o u n d e d f o r t h es l u d g ed r y i n 8a n dc o m b u s t i o na t t a c h m e n t sa n d s y s t e m a sao p t i m i z e dd r y i n ge q u i p m e n t ，t h ep a d d l ed r y i n gm a c h i n ew a ss e l e c t e dt oc i t y t h es l u d g ea n ds t u d i e dt h em o v e m e n to fs l u d g ei n n eb e h a v i o r so fv a r i e da x i ss p e e d s l u d g em i x e dw i t ho i la n db a c km i x i n gw e r ee x a m i n e da n dc h e c k e do u tt h eb e s t s e l e c t i o na n dt h ec h a r a c t e r so ft h em a c h i n e t h eh e a t i n gs u r f a c e , i m p r o v e m e n to ft h e d e a da n g l ea n ds o0 1 1 ，t h ea d v i s ew a sl a i do u tf o rs l u d g ea f t e rt h es e v e r a le x p e r i m e n t t h ei n c i n e r a t i o ne x p e r i m e n t so fw e ts l u d g e ( 7 0 ) a n d 嘶e ds l u d g e ( 4 0 ，5 0 ) i n aa 6 0 m mf l u i d i z e db e di n c i n e r a t o ri ns e v e r a lb e dt e m p e r a t u r ew e r ee x a m i n e d a n d t h es t a b i l i z a t i o nl e v e lo fb e d ，s e c o n d a r y p o l l u t a n te m i s s i o n sa n dh e a v ym e t a l d i s t r i b u t i o nw e r em a i n l yc h e c k e da n dc o m p a r e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t st h eq u a l i 哆 o ft h ed i f f e r e n ts l u d g ec o m b u s t i o ns y s t e mw e 犯d i s t i n g u i s h e da n dt h ec o n t r o lm e t h o d s o fh e a v ym e t a l se m i s s i o nw e r ed i s c u s s e d k e yw o r d ：s l u d g e ；d r y ；c o m b u s t i o n ；p a d d l ed r y i n g ；h e a v ym e t a l i v 二号：2 0 3 0 螋 独创性声明 本人声明所呈交的学位沦文是本人在导师指导f 进行的研究r 作及取得的 埘究成果。j 盂l ：我所知，除了文t | 特别加以标注和致谢的地方外，论文中小包岔其 他人已绐发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他敦f f 4 ：j l 构的学位或证书而使用过的材料。与我一尉工作的i j 志对本研究所做的任何贡献 均已存论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：勤乡、 签字同期：z 厶年亏月彦r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸至三盘鲎有关保留，使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿基鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库 迸行检索。可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 历云 导师签名； 签字同期：z ，归辟 月争r签字只期：多n 刍年i 月孚r 浙江大学硕士学位论文 1 1 污泥的来源 第一章绪论 随着城市污水的增加，污水处理业的迅速发展，我国的城市污泥产量也越来 越广。1 9 9 0 年已建成7 8 座污水处理厂，日处理能力3 3 0 余万吨，处理率仅2 9 。2 0 0 0 年我国己建成城市污水处理厂3 0 0 余座，日处理污水8 0 0 余万吨，处 理率为8 1 0 ，日产湿污泥l 万余吨。现在全国正在运转的城市污水处理厂 4 2 7 座，处理能力1 1 3 6 亿吨。据预测，2 0 l o 年污水排放量约为4 4 0 亿吨，而2 0 2 0 年约为5 2 6 亿吨。污泥量通常占污水量的o 3 ( 体积) ，或者约为污水 处理量的1 3 ( 质量) ，如果属于深度处理，污泥量会增加0 5 1 倍。污水 处理效率的提高，必然会导致污泥数量的增加。我国目前污水处理量和处理率只 有4 5 ，但城市污水处理厂每年排放干污泥约为3 0 万吨，每年还以1 0 的速 度增长u 】。所以污泥量非常庞大，处理形势严峻。 1 2 污泥的分类及危害 由于废水的来源不同及水处理方法不同，产生的污泥性质不一，污泥的种类 繁多，分类也比较复杂、目前般都按下列方法分类 2 1 ： ( 1 ) 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； ( 2 ) 按处理方法和分离过程分污泥可分为沉淀污泥( 包括物理沉淀污泥、 混凝沉淀污泥、化学沉淀污泥) 及生物处理污泥( 包括剩余污泥、生物膜法污泥) 。 随着废水治理的普及，目前废水处理厂的污泥大都是沉淀污泥和生物处理污泥的 混合污泥。 ( 3 ) 按污泥的成分和某些性质分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。 ( 4 ) 按污泥处理的不同阶段来分污泥可分为生污泥、浓缩污泥、消化污泥、 脱水污泥、干化污泥。 污泥除了高含水率，体积庞大，不便储存以外，危害主要来源于几个方面： ( 1 ) 生物菌体生物菌体病毒的繁殖腐化在污水的处理中，细菌及大部 浙江大学硕士学位论文 分寄生生物都留存在污泥中，病毒在沉淀中都吸附在污水的颗粒上。生污泥中 的病原菌数量每克以亿计，包括大肠菌、大肠粪菌、粪链球菌。噬茵体。沙门 氏菌、痢疾菌属、铜绿色极毛杆菌、寄生虫卵、蛔虫、鞭虫、肠道病毒、膜翅 目幼虫、群体鞭虫等。这些病菌在有氧的湿润环境大量繁殖腐化，不经处理就 直接进入的人的生活环境中，会给人类带来巨大的灾难。2 0 0 3 年春的非典病菌， 带给人们巨大的经验和教训，它的其中一个传染管道就是污水。这些病菌仅仅 通过一般的物理和化学方法是难以杀灭的。 ( 2 ) 重金属由于污水的来源是人类生活的环境以及超标工业污水排放 的污水管道，还含有各类重金属以及城市输送环节的重金属离子聚集。重金属 不能被微生物分解且能在生物体内富集或迁移转化，最终由食物链等途径进入 人体。人体的重金属能诱导人体细胞病变、癌变。通常人们研究最多的是汞、 铅、镉等几种重金属。这些元素由于其独特的价态和性质，更容易为人体所吸 收沉淀，产生巨大的危害。如镉，在焚烧中通常以气固态出现，分子颗粒小， 被人体摄取后容易造成神经末梢、肾等功能的癌变p 】。 ( 3 ) 富含n 、p 等元素如上所述，污泥通常是各类物质的富集体。因此 农业中的氮磷肥、生活日常用品中有机物随着污水沉淀到污泥中。污泥中的氮 磷的含量往往大大超过土地所需。 污泥具有高含水率、高致病菌、高物理非稳定性和重金属聚集。因此，如何 处理处置污泥，使之稳定、减容、无害并资源化成了整个社会共同的课题。 1 3 污泥的处理处置现状 目前污泥的处理处置方式有：堆放，填埋、土地利用、堆肥、焚烧、建材利 用州。 ( 1 ) 堆放现在我国仍有许多城市采用露天堆放的方法。造成蚊蝇滋生、环境污 染，气候变化，使得污水处理的工作变得毫无意义。方面由于污泥处理装置费 用比较高，一方面由于地方不够重视。这类现象随着人们日益对环境的重视将得 到改善。 ( 2 ) 填埋污泥的卫生填埋是一项较为成熟的技术。经过科学选址和必要的场 地防护处理，并在垃圾传统填埋的基础上具备了严格管理制度的科学的工程操作 2 浙江大学硕士学位论文 方法。优点在于处理容量大、处置简单、成本低廉，可与垃圾一并填埋，是我国 目前运用较广的污泥处理处置技术之一。但问题如下1 5 ： 污水含水率高，污泥填埋的单位面积土地容量较低：污泥最大填埋2 8 m 3 m 2 ， 而城市生活垃圾一般大于1 0 m 3 m 2 ，山谷型垃圾填埋场高达6 0 m 3 m 2 ，城市污泥 作为垃圾填埋其利用率仅为5 3 0 。 大大增加渗滤液的处理难度污泥含水率高且含有有毒有害物质，不仅加大 了污水处理量，而且使污水成分更加复杂，增加了渗滤液的处理难度。 严重影响了垃圾堆体的稳定性由于污泥含水率高，达不到填埋处置所必须 得土力学稳定指标( 剪切强度大于1 0 k p a ) ，严重影响了垃圾堆体的稳定性。污 泥的流变性使得填埋体极易变形和滑坡，成为人为的“沼泽地”，长此以往留下 极严重的安全隐患。 造成垃圾场排气排水不畅细小的污泥容易堵塞气体收集系统，使填埋气体 排气不畅，甲烷气体集聚有爆炸隐患。污泥极易堵塞垃圾坝的排水系统，使垃圾 场排水不畅而加重垃圾坝侧向推力，危及坝体安全。同时污泥也易堵塞渗滤液的 收集系统，使滤液得不到及时的排除。 增加了作业难度高粘度的城市污泥，经常使作业车辆打滑或陷车，造成作 业困难。 ( 3 ) 土地利用资源化：污泥的土地循环利用是一种积极的有机肥料资源再利用 的方式、目前主要有农田利用、林地利用、园林绿化利用、土地改良等等。 农田利用：污泥中含有大量能够促进农作物生长的n 、p 、k 及其他微量元 素，而且含量高过一般农家施肥。污泥施用于农田后，能够改良土壤结构、增加 土壤肥力、促进作物生长回收有机质等。 林地利用：污泥用于造林或成林施肥，不会威胁人类食物链，林地处理场 远离人口密集区，处理安全。植物能够吸收c d 、压等重金属元素，成为污水污 泥的过滤器和净化器，且对树木本身无甚大影响。 园林绿化利用：将污泥作为有机肥料用于城市园林绿地的建设，可以减少 园艺种植中化肥、腐叶土、壤土的用量，保护农业种植环境，并同时可以实现污 泥资源化、减害化，有一定的经济效益。 土地改良：严重扰动的土地包括采煤场、矿业开采场、森林采伐地、滑坡 3 浙江大学硕士学位论文 等等人为和天然灾害造成土地流失需要恢复植被地土地，改善土地结构，促进土 壤熟化。 但污水污泥中成分复杂，但总的都含有大量的病原微生物和寄生虫、重金 属、有毒有机物。庞金华等人在上海的调查研究发现，在其研究的土地上连续施 用污泥达1 0 年以上时，土壤中的c d 、z n 、c u 等含量均很高，种植的水稻、蔬 菜以及地下水受到严重的污染。且一些土地利用的地区往往偏远，来回运输极不 方便，土地适用污泥数量也有一定限度。这使土地资源利用受到客观因素的限制。 ( 4 ) 堆肥：污泥堆放是利用好氧的嗜温菌、嗜热菌的作用，将污泥中的有机物 分解并杀灭传染病菌、寄生虫卵和病毒，提高污泥肥分。堆肥主要分三个阶段： 发热、高温消毒和腐熟。特点是能自身产生一定热量、基建费用低、容易管理， 但时间周期长、占地面积大、容易对周围环境产生影响、气候因素大。须得严格 控制污水厂的有毒有害物质和重金属含量。并且某块农田使用污泥数量有一定限 度，当达到一定限度时，污泥的堆肥就得停止一段时间再继续进行。 ( 5 ) 焚烧以焚烧为核心的处理方法是污泥最彻底的处置方法。焚烧法与其他 方法相比具有突出的优点：l 、焚烧可以使剩余污泥的体积减少到最小化，因而 最终需要的处理的物质很少，不存在重金属例子的问题，焚烧灰还可制成有用的 产品，是相对比较安全的一种污泥处理方式；2 、污泥处理速度快，不需要长期 贮存；3 、污泥可就地焚烧，不需要长距离运输；4 、可以回收能量用于发电和供 热。 但焚烧也存在一些问题：a 投资和操作费用较高；b 在焚烧过程中产生飞灰、 炉渣和烟气中重金属含量聚积，处理不当容易渗漏污染地下水或是污染环境进入 人类食物链中。排放的烟气易含有较大含量的二恶英和呋喃等剧毒物质；c 污泥 中一些有用物质未得到充分的利用等等。 ( 6 ) 其他 污泥的处理处置以及再生资源化引起世界各国的关注，并开发了一些资源 化技术。如污泥在建材方面的利用，日本开发了几种烧结工艺，制成轻质混凝料、 砖等，已经全规模的生产运行达1 0 多年了。浙江大学的翁焕新教授将干化过的 污泥与粘土进行混合制砖，并获得一定的应用。t a y 等人也在这个方向进行发展。 中国环境科学研究院与中国制浆造纸工业研究所合作，对污泥替代部分纸浆用于 4 浙江大学硕士学位论文 造纸的可行性也进行了探讨。德国美国曾有学者研究利用污泥中的高蛋白质含量 制作动物饲料。日本还进行将污泥用于玻璃生产。我国也有人研究将污泥改性制 含碳吸附剂等。但商业化应用都甚少。 污泥处理是世界共同的课题。各国都按自己国家的发展和社会需要选择开 发了适合本国国情的污泥处理处置方式。随着社会的发展，我们国家已经开始对 污水处理后污泥的去留关注。我国的污泥处理处置技术工艺和管理利用都尚在起 步阶段，远远落后于发达国家和国内需要。目前我国已建成污水处理厂4 0 0 余家 6 ，而有污泥处理工艺的只占3 0 ，有污泥稳定处理设施的约2 5 ，9 0 以上污 泥处理设施不配套。我国的污泥处理还远远没有达到社会的需要。总观目前各污 水处理厂的处理技术，比例如下1 7 】。 ；一 图1 1 几种污泥技术在我国的比例 各个地区因地制宜的选择合适的污泥处理处置方式，在人口稠密的城市或是 沿海一带，焚烧处理技术由于其突然的优点成了发展的趋势。 1 4 污泥焚烧的处理工艺 在一些发达国家以及一些大型城市地区对于污泥的焚烧处理工艺已经有了 长足发展和研究，如欧美的一些国家、日本等。开发了多种污泥焚烧设备，主要 有多段炉、回转窑焚烧炉、多室焚烧炉、流化床焚烧炉等等，并得到了应用。从 理论分析和一些垃圾焚烧的经验来看，相对于其他炉型具有如下特点嗍：由于流 化层内粒子处于完全混合状态，粒子与气体之间的传质与传热速度很快，单位面 积的处理能力很大。由于流化床层内处于完全混合状态，所以加到流化床内固体 废物，除特别粗大的块体之外，都可以瞬间分散均匀由于载体本身可以蓄存大 量热量，并且处于流动状态，所以床层反应温度均匀，很少发生局部过热现象， 床内温度容易控制，即使一次投入较多量的可燃性废弃物，也不会产生急冷或急 5 浙江大学硕士学位论文 热现象。在处理含有大量易挥发性物质时，也不会像多段炉那样引起爆炸的危险。 流化床的结构简单，没有机械传动部件，故障少，建造费用低。空气过剩系数可 以较少。特别是流化床焚烧炉还具有其本身独特的优点，燃料适应性广，可获得 较高的燃烧效率等等憎，。 日本的k a s a k u r a 等人对循环流化床焚烧处理污水污泥工艺也作了研究。他 们主要研究污泥经热干燥的过程及焚烧的系统工艺。认为经干燥后，污泥的焚烧 更有价值性“o l 。 德国的t o mo g a d a 和j o a c h i mw e r t h e r 也专门对湿污泥在流化床内的燃烧状 况和特性作了研究。他们认为；湿污泥颗粒在流化床是一个经历干燥、挥发和着 火的过程。干燥、挥发均需要较长的时间。且认污泥8 0 的碳随挥发份一起析出， 污泥的焚烧不像煤的焚烧，主要是一个气相焚烧的过程【1 ”。 b o r o d u l y a 和k i k a l e n k o r 将直径在5 2 0 m m 的湿污泥投入在炉温为8 0 0 的 流化床中，发现火焰短而不连续。且污泥直径小于1 0 m m 时，没有观察到火焰。 当投入为干燥后的污泥，火焰长且带有黑烟【1 2 1 。 s a n g e r 和w e r t h e r 通过试验，燃烧半干的污泥，烟气中n o i 的浓度高于是污 泥而低于干燥污泥。并且认为较高的一次风温有助于降低烟气中n 2 0 、c o 、n h 3 和c 0 2 的浓度【1 3 】。 布鲁日污泥焚烧厂采用了间接干燥造粒机+ 流化床焚烧炉的污泥处理工艺。 脱水污泥送入西格斯硬颗粒造粒机干燥后含固率为9 0 ，随后干颗粒和其余脱水 污泥( 含固率2 5 - 2 6 ) 混合，混合后含固率为2 9 ，随后送入焚烧炉内焚烧。 造粒机内蒸发污泥水分的所需热量来自于回收焚烧炉排出的烟气中的热量。但热 量不能完全平衡，需要添加少量的辅助燃料来维持炉内焚烧所需的温度。西格斯 硬颗粒造粒机与流化床焚烧炉的有机结合在北美和欧洲的大型污水处理厂运行。 奥地利的安德里茨公司也结合了污泥干燥技术，设计开发了自供热污泥焚烧 系统。选用了转鼓干燥机+ 流化床焚烧的污泥处理工艺【1 4 1 。如图： 6 浙江大学硕士学位论文 图1 2 安德里公司的污泥处理工艺 日本川崎公司开发的新的下水污泥处理装置。以早先开发的c p c c c o a i p a r t i a l c o m b u s t o r ) 粉尘卧式旋转熔化炉为基础，选用气流干燥机并予以回收排气热量的 技能污泥处理装置。 图1 3 日本川崎公司的下水污泥处理装置 浙江大学热能所在开发异重流化床燃烧洗煤泥的基础上，于1 9 9 2 年系统开 发了污泥流化床焚烧技术。研制开发了6 5 以污泥焚烧炉出口韩国清州用于城市 污水污泥的处理，并于1 9 9 7 年投入运行“。 蒋旭光等在深床层低风速流化床中研究了湿污泥在焚烧中水分蒸发、挥发分 7 浙江大学硕士学位论文 析出、焚烧的过程和内在规律，并编制了不同水分对各种污泥可用能和辅助能的 计算程序，建立了针对高水分的多孔介质造纸污泥的水分蒸发和挥发分析出的模 型，为设计大型污泥焚烧流化床锅炉提供的理论基础和设计方案“7 1 。 曾庭华对污泥在流化床内湿污泥的燃烧接团特性作了研究1 剐。认为除了污 泥本身的性质外，床温对污泥在流化床内结团由重大影响。在8 5 0 9 0 0 之间 结团最佳。 清华大学的邱天等对城市污水污泥焚烧特性也作了试验研究1 9 】。他们通过 用流化床对湿污泥焚烧，认为作为燃料，污泥的性质与煤性质相差甚远，主要表 现在高水分、高挥发性、低固定碳含量。污泥的焚烧时要使挥发分释放和焚烧。 同济大学的胡龙、何品晶等对于污泥热干燥焚烧工艺的能耗作了分析。认为 预干燥+ 焚烧工艺处理污泥，过程热量自持有余，成本适中，符合能源经济性的 要求，可望成为今后污泥处理和处置的主流技术 2 0 l 。 中国科学院热物理工程研究所方建华等也对于化后的污泥作了循环流化床 的燃烧试验。结果发现污泥干化后在循环流化床内燃烧，燃烧效果非常稳定，运 行操作简单口1 1 。 东南大学的陈小平等作了造纸污泥流化床焚烧技术试验研究。结论是在无辅 助燃料情况下，水分6 5 及6 0 的造纸污泥无法在流化床内稳定燃烧。水分降 至4 0 时，造纸污泥能在流化床内稳定燃烧，平均床温为8 3 0 ，并测试了烟气 排放，都满足排放要求馏1 。 李斌、池涌等在小型流化床上进行了污泥焚烧试验。考察了污泥水分、运行 床温及过量空气系数对n o ，和s o ：的排放浓度的影响。认为：流化床焚烧污泥n 0 。 排放量随水分的增加而减少；床温升高，n 0 。浓度上升；过量空气系数增大，n o , 浓度随之增大1 。 从上述的资料来看，国外对污泥焚烧的工艺和污染物排放都已经有了较大的 研究，尤其在比较湿污泥直接燃烧工艺和湿污泥经干燥后再燃烧的工艺比较方面 也作了一定的研究，尤其在燃烧和污染物排放方面阱】。我国目前在湿污泥直接 焚烧工艺以及重金属迁移、烟气排放方面研究较多，而对于干燥再焚烧工艺方面 研究较少。由于后者工艺有明显的优越性，在污泥焚烧方面有较大的可开发价值， 因此我们应该对这个工艺进行研究开发，我国的污泥处理处置技术工艺得到一定 8 浙江大学硕士学位论文 选择。 1 5 本文的研究目的 由于国内对污泥干燥焚烧工艺研究较少，因此我们要考察这个工艺可行性价 值。本文重点研究污泥干燥焚烧工艺中污泥颗粒从干燥到焚烧过程特性以及污泥 在中6 0 的小型流化床焚烧炉上进行湿污泥( 含水7 0 ) 、干污泥( 含水4 0 、5 0 ) 焚烧试验，考察床温、污泥含水率对污泥焚烧的影响，对污泥在燃烧性能、稳定 性、二次气态污染物排放、重金属在灰渣中分布两个方面对两种污泥焚烧工艺进 行比较。 参考文献： 1 余杰，田宁宁，王凯军我国污泥处理、处置技术政策探讨中国给水排 水2 0 0 5 8 v 0 1 2 1n o 8 2 赵庆祥编著污泥资源化技术 m 化学工业出版社2 0 0 2 年9 月第一版 3 张学洪，解庆林污泥农用的重金属安全性试验研究中国给水排 水2 0 0 0 1 6 ( 1 2 ) ：1 8 - 2 1 4 尹军，谭学军编著污水污泥处理处置与资源化利用 c 化学工业出版社。 2 0 0 5 第一版 5 俞锐等 课题研究报告杭州市城市建设 科学研究所2 0 0 4 7 6 陈尚兵等城市垃圾焚烧处理中重金属和有机氯化物的二次污染与防治环境 导报1 9 9 8 ( 6 ) 7 徐强主编污泥处理处置技术及装置北京化学工业出版社2 0 0 3 8 李军，李嫒，h f i h o h n e c h e r 流化床焚烧炉污泥焚烧工艺特性研究，环境工 程2 0 0 4 6 ：v 0 1 2 2 ，3 9 金涌，祝京旭等主编流态化工程原理清华大学出版社2 0 0 1 8 1 0t k a s a k u r a ，y i m c ) t da n dt - m o r i n g ki a p a n i n s u l a t o r s ，l t dd r y i n g t e c h n o l o g y 1 1 ( 5 ) 。8 7 1 - 9 0 0 ( 1 9 9 3 ) i1o g a d a t w e r t h e rj c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fw e ts l u d g ei naf l u i d i z e d b e d r e l e a s ea n dc o m b u s t i o no f t h e v o h t i l c s f e u l l 9 9 6 , 7 5 ( 5 ) 6 1 7 - 6 2 6 1 2b o r o d u l y av a , d i k a l c n k ov l , p a l c h o n o kg ls t a n c h i t sl k 。f h i d i z e db e d c o m b u s t i o no fs o l i do r g a n i cw a s t ea n dl o w g r a d ec o a l , r e s e a r c ha n dm o d e f i n g h e i n s c h e lk j e d j t o rp r o c e e d i n g s1 3 0i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo l lf l u i d i z e db e d c o m b u s t i o n o r a l n d o f l ：a s m 匣1 9 9 5 ：1 3 5 一1 4 2 1 3s a n g e rm ，w e r t h e rj ，o g a d at n 0 xa n dn 2 0e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sf r o m f l u i d i z e db e dc o m b u s t i o no fs e m i - d r i e dm u n i c i p a ls e w a g es l u d g e r u e l8 0 ( 2 0 0 1 ) ： 1 6 7 1 7 7 9 浙江大学硕士学位论文 1 4 徐强主编污泥处理处置技术及装置北京化学工业出版社2 0 0 3 1 5 蔡千华等摘译下水污泥的干燥、焚烧、熔化装置的开发净水技术1 9 9 1 3 1 6 蒋旭光，池涌污水污泥流化床焚烧研究及6 5 们焚烧炉设计热力发电2 0 0 0 4 1 7 蒋旭光高水分污泥流化床焚烧的试验、理论及应用研究浙江大学博士论 文1 9 9 6 1 1 1 8 曾庭华污泥在流化床的焚烧特性及其二次污染物研究浙江大学博士学位论 文1 9 9 7 3 1 9 邱天，张衍国，吴占松城市污水污泥燃烧特性试验研究热力发电2 0 0 3 ( 3 ) 2 0 胡龙，何品晶等城市污水厂污泥热干燥技术及其应用分析重庆环境科学。 1 9 9 9 2 第2 1 卷，第1 期 2 1 方建华，翟华等污泥在循环流化床炉内的燃烧和污染排放特性工程热物理 学报2 0 0 1 5 v o l 2 2 n o 3 2 2 陈晓平，赵长建等造纸污泥流化床焚烧技术试验研究燃烧科学与技 术2 0 0 0 v 0 1 6 n o 1 2 3 李斌，池涌，曾庭华等造纸污泥与非水污泥流化床焚烧时n o x 和s 0 2 的排放特 性研究工程热物理学报，1 9 9 8 。1 9 ( 6 ) ：7 7 6 - 7 7 9 2 4 刘渊源城市污水污泥在流化床中的焚烧特性及重金属排放特性研究。浙江大 学硕士毕业论文2 0 0 4 2 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章污泥干燥机理和装置 2 1 污泥干燥机理 干燥在化工工业中，经常描述为湿固体去除湿分的过程，是最常见成熟的单 元操作的一种。为了便于贮存和运输或是为了满足生产工艺对原料中含水率的要 求，通常需要对物料进行干燥。对污泥进行干燥处理也同样能稳定污泥的性质， 减容减荷，浓缩热值，方便进一步的处理。污泥是一种成分复杂的特殊物料，并 不是纯性质明确的物质或是几种物质的混合，因此干燥虽然是一种成熟了的工 艺，但应用于污泥方面我们还所知甚少。我们必须对污泥在干燥过程进行研究了 解，作为合理操作和设计的基础。 2 1 1 水分干固体的结合关系 水分与固体的结合关系是判断干燥难易以及决定干燥速度的关键。了解污泥 中水分与干固体的结合方式是研究干燥过程的基础。 结合水，就是水附着在干物料上的状态。 目前结合水分类的标准多种多样，有按蒸汽压及数量级分成三类：附着水分 ( 蒸汽压等于纯水在同温下的蒸汽压) 、毛细管水分( 小于同温下纯水的蒸汽压) 和溶胀水分( 极小于同温下纯水的蒸汽压) 【l 】。而1 7 a peowh _ ep 认为， 评价湿分与物料结合形式的唯一正确方法就是测定结合能的数值，根据结合能的 性质和数量级，将结合水分成五类：化学结合水、吸附结合水、毛细管结合水、 渗透结合水、自由水分。这是一种根据结合能以自由水分的饱和蒸汽压与温度的 关系为基础计算其他水分结合的自由能和释放热的计算方法，具有一定的客观分 析依据。 其分类方法是：在同一温度下，结合水的蒸汽分压小于自由水分的正气分压 凹。根据g i b b s - h e l m h o l t z 方程，可以导出水蒸气分压、温度和汽化牵热间的关 系为：p 。p h e x p ( - 旁( 2 - 1 ) p 一结合水蒸汽压 浙江大学硕士学位论文 p 。一纯水蒸汽压 ，一水的汽化潜热。 化学结合水化学结合水包括水分与物料的离子结合和结晶型分子结合。在 干燥过程中，通常是不能去处化学结合水的。 吸附结合水这种水分大部分处于多孔物料毛细管表面的单分子层中，水的 单分子层由于分子力场的作用而处于较高的压强中，结果液体的密度就增加了。 毛细管结合水除了靠近毛细管壁的一层是吸附结合水外，毛细管内的其余 水分都是毛细管结合水。 渗透结合水渗透结合的特征在稀溶液中表现特别明显。 自由水分自由水分通常在分散系统当中。 污泥是一种成分复杂的物质，它可能包含了所有的水分，但由表现的性质来 看，污泥( 含水8 5 ) 除了自由水分外，主要是渗透水分和毛细管结合水，同 时具有毛细管多孔物料和胶体物料的性质。 污泥种类不一，水分构成也不一样。干燥难易和干燥速度就有所差别。在脱 水的过程中，一种污泥掺入高分子凝聚剂的污泥干燥，没有明显得等速干燥阶段 和降速干燥阶段；而另种惨了铁盐石灰的污泥，却能有明显的干燥阶段嘲。 2 1 2 干燥过程中污泥的物性变化和结构变化 随着干燥的进行，水分的流失，污泥本身的结构必然会存在一定的变化，包 括硬度、粘度、热导、热容、热值、颗粒状态等等物理性质以及一些化学性质的 变化、日本吉田修一对污泥颗粒在于燥过程中的颗粒形态变化做了一个细致的描 述，投入的污泥，从近胶体一强粘性半固化颗粒一大块半硬度颗粒一小块硬度颗 粒一粉末状颗粒，并指出在半固化粘性颗粒状态的污泥存在一个塑性界限，是干 燥过程中水分最难去除的一个状态f 4 j 。 美国r b k e e y 认为多孔固体干燥分四个阶段：第一阶段，水分在孔内充满， 逐渐空气穴代替了失去的水分；第二阶段，水分退到孔的腰部，水分可以沿着毛 细管壁渗水，这一过程描述为液体参与地气相传递。进一步干燥时，液体桥全部 蒸发，仅留下吸附水分在后面，气相无阻碍的扩散运动；最后就是解吸吸附的一 浙江大学硕士学位论文 种嘲。 湿物料的热导率在不同的干燥阶段是不同的，通常的假定力= 常数往往不能客 观的反应湿物料的性质与物料湿含量和温度之间的关系如图2 】： p 车 昌 甚 蠢 静 曲 瘘 湿台量! l ，堍k 9 1 图2 1 物料是含量和温度之间的关系 沈爱民等学者也对污泥在干燥过程中的形态和污泥的形状、颗粒大小、不同 升温速率对水分析出的影响做了一些研究。经过试验得出结论：大颗粒污泥在低 温条件下干燥，水分析出是从外向内逐层推入进行的，当干燥到哪一层，哪一层 的温度会迅速升至污泥球表面温度；污泥球在干燥时，水分析出产生压力场导致 污泥球破裂，首先出现小的裂痕，慢慢变大直至形成颗粒中心空洞，且污泥硬度 越来越大；大颗粒污泥在干燥过程不同升温速率下质量、失重率、含水率和热量 等曲线会有明显变化，升温速率越大，各种变化拐点越滞后嘲。 e b r o u i l l e i t e , m s a i n * a n dc d a n e a u l t 也对造纸污泥不同含水率下 污泥的热容做了一些研究忉。如图，随着含水率的减少，湿污；y - v 污泥的热值曾 一个大幅的跳跃。 图2 2 含水率与污泥热值走势图 畸一口一ah吨*014-gt零 啪 m o 呻，l，互u鼍h。羞一 浙江大学硕士学位论文 2 1 3 干燥 干燥就是一个去除湿分得过程。存在是热量的传递交换和水分的蒸发。为了 便于分析与理解，通常把湿物料的干燥划分成两个过程，质交换和热交换。由此 我们来分别考察在两个传递当中的外界的影响和内部的变化。通过控制调整这些 因素条件，使得外部制热传递与内部质热传递相适应，达到最佳的干燥强度，选 择合适的工况。 2 1 3 1 外部质热传递 外部质热传递主要是热量的传递和水分的吸收。外部质热传递的过程和形 式由干燥机构造工艺决定。针对污泥这种特殊物料的干燥，通常选用直接干燥或 间接干燥。直接干燥的传热方式主要依靠对流，传热与吸湿同时进行；而间接干 燥的传热主要靠热传导，由热源经干燥接触面传给物料及物料的内部传递，传热 与吸湿并非同一介质。 传热：热量传递微分方程 c ，y 磊d t = d i v ( 胛r ) + ( 2 - 2 ) c ，一热容5 y 导热率5 d - t 一温度对时间的全微分 4 f v f 一温度梯度7 干燥机的热量衡算：在外部质热传递的热交换来看，提高热源与湿物料的温 度差、增加气体流速、提高热源的蒸气质量都可以促进气体放热。 污泥结构松散，质地软粘，富含有机物，干燥之后可以得到宝贵类煤的固体 燃料。在干燥的过程中过高的温度容易使挥发分走私，干燥所得的物料也就缺少 燃烧的价值。经王红、周浩生等利用t g a - f t i r 仪器研究了有关污泥的挥发分析 出的时间和温度并与煤比较，发现程序升温后，挥发分析出速率在3 1 8 左右达 到高峰，低于这个温度挥发分析出速率较慢。因此在引用热源时必须考察污泥的 析出温度嘲。 1 4 浙江大学硕士学位论文 韩国的s u n g k e u nb a e 等考察了风速对污泥干燥速率的影响嘲。 - + + + z 9 + l m t i n s + - b ，- m + t 蚺- _ 图2 3 风速对污泥干燥速率的影响：( a ) 有机污泥( b ) 无机污泥 2 1 3 2 内部质热传递 内部质热传递过程就是湿物料的干燥过程。普通化工工业上干燥通常分成 三个阶段：物料预热期、恒速干燥阶段、降速干燥阶段。在物料预热期中，主要 是对湿物料进行预热，同时也有少量水分汽化。物料温度很快升到某一值，干燥 速度也达到一定值。恒速干燥阶段主要特征是空气传给物料的热量全部用来汽化 水分，即空气提供的显热全部消耗在水分汽化，干燥速度由表面的汽化速度决定。 物料表面温度不变。降速干燥阶段空气提供的热量只有一部分用来汽化水分，而 大部分来加热物料，物料表面温度升高，干燥速度降低，含水量减少缓慢。并将 恒速干燥阶段称为表面汽化控制阶段，减速阶段称为内部扩散控制阶段。 通常的，纯物质干燥或几种单物质混合干燥的时候，三个阶段中恒速干燥阶 段的存在是明显。如图。而对污泥，经试验污泥的干燥曲线通常没有明显恒速干 燥阶段，一旦加热到一定程度便进入到减速阶段，尤其是有机物含量较高的污泥， 尤为明显。因此，对于污泥来说，也无湿含量临界点。纯物料的干燥速率曲线： 湿含量m ( i 【。k g ) 图2 4 普通物科的干燥曲线 浙江大学硕士学位论文 而日本吉田所做的下水污泥的干燥曲线f 4 j ： i 垂 毯 2 1 4 水分析出理论 图2 5 污泥的干燥曲线 目前针对于水分析出有较多的理论。国内外有较多的学者对这方面足了研究 并提出自己的理论模型，主要是对湿物料干燥过程中水分析出力、物料的变化等 等做了一个普遍性的阐述和研究。 液体扩散理论这一理论认为在降速干燥阶段，物料内部水分具有浓度梯度， 使水分由含水率较高的物料内部向含水率较低的表面扩散。 n e w m a n 认为在湿物体内温度梯度较小，可以认为水分传递过程是一个等 温扩散的过程。并提出了等温扩散方程的解 5 1 ： k r i s c h e r 认为对于多孔物料真正的扩散只有在于燥终了时。尤其是对于多孔 物料。并提出有有效扩散率的概念嘲。 毛细管理论这一理论认为，对于由颗粒或纤维所组成的多孔性物料，其表 面孔径大小不等，小孔籍毛细管力，可能将水分从含水率低的大孔中移动到含水 率高的小孔中去【l l 。 奄醐 浙江大学硕士学位论文 李爱民等认为内层水分是由扩散力和毛细管力的两个共同交替作用下，且由 于外干燥曾逐渐增厚会阻碍水分的向外扩散和迁移，所以内部水分蒸发较外层的 慢，干燥速率减小同时发现在污泥的干燥过程中并没有匀速干燥阶段【1 0 】。 不同的物料有不同的水分析出方式。纯物料与混合物料当然有很大的区别。 我们因此要研究一下污泥在干燥过程中的水分析出特性、干燥曲线、分析传热方 式，并依据此选择合适的干燥器械或改良干燥器械满足污泥干燥的要求。 2 2 污泥干燥装置 干燥一般物料的装置主要要求热效率高且结构简单，操作方便。但以污泥为 对象时，适合污泥的干燥特性，要求能够经得起污泥处理量和性质的波动，能适 应热风温度的变化，废热可以回收，并有效的解决臭气问题。 2 2 1 污泥干燥装置分类 现在市场上的污泥干燥装置多种多样，按传热的方式分为两种：对流传热干 燥装置，传导加热型干燥装置。辐射干燥在大容量的污泥方面应用尚少。按工艺 流程分为间歇干燥与连续干燥。按热介质与物料的接触方式可分为直接加热，间 接加热，直接一间接联合加热三种。若按设备的进料和产品形态大致分为两种： 一种是采用干料返混系统，湿污泥在进料前先与一定比例的于泥混合，产品为球 状颗粒；另一种是湿污泥直接进料，产品多为粉末状。 现在就按传热的方式分类分别对各种污泥干燥装置进行归纳论述。 2 2 2 对流传热干燥装置 对流传热干燥装置主要有热风带式、转鼓干燥器、回转圆筒干燥器、喷雾 干燥器、流化床干燥器等。这些干燥器一般污泥与气流直接接触。 1 、热风带式干燥器 带式干燥器可分为单带式、复带式、翻板式。在多孔板或金属网上装载 3 - 1 5 c m 厚的物料，热风以0 6 一1 5 m s 的速度( 以物料层单位截面积计) ，自下 而上或自上而下穿过物料层进行干燥。连续式使用可移动的履带，宽1 - 3 m ，用 滚动挤压机加料。穿流气流带式干燥器的干燥效果较好，其原因在于加热空气 1 7 浙江大学硕士学位论文 与潮湿物料接触面积大，内部水分扩散距离短，因此它的占地面积和动力消耗 较大，可用于高度的脱水污泥干燥处理。而多层带式干燥器改良了单式的不足， 尺寸大大减小，减少占地面积，而且在物料从一条带子落到另