（热能工程专业论文）油污泥的流化床焚烧处理方法及其燃烧机理.pdf

油污泥的流化床焚烧处理方法及其燃烧机理 摘要 含油污泥是石油开采和加工过程中的“伴生品 ，是一种危险废弃物，产生 在石油生产的各个环节( 原油的开采、运输、原油的精加工) 。在我国每年有近 百万吨的油污泥产量，而到目前为止还没有成熟完善的油污泥处理方法。由于工 业生产所带来的环境问题越来越受到社会的关注，对油污泥进行无害化处理已是 一个迫在眉睫的问题，科学、有效地解决含油污泥处理难题对石油行业的可持续 发展具有重要意义。 焚烧工艺被世界各国认为是污泥处理中的最佳实用技术之一，它以处理速度 快，减量化程度高，能源再利用等突出特点而著称。针对目前国内油污泥的处理 现状和污泥处理的发展趋势，文本提出了油污泥流化床焚烧处理方法，油污泥经 过焚烧处理后，污泥中的有机质被高温分解并燃烧，同时残渣体积小，热能可以 利用。油污泥在流化床内燃烧是一个崭新的课题，关于油污泥在流化床内燃烧的 研究鲜见报道。其中油污泥在流化床内的燃烧特性及机理是实现油污泥流化床焚 烧处理和稳定运行的关键，本文针对此关键问题较为系统地展开了实验、理论和 应用研究工作。 油污泥的理化特性是油污泥流化床焚烧的基础，本文第二章对油污泥的化学 成分、热化学特性、升温过程中的挥发分析出及组分等进行了实验研究，在实验 中采用了多种实验方法，主要包括：利用萃取方法分析了油污泥的有机组分；应 用色谱质谱联用仪( g c m s ) 确定了有机组分的化学成分：利用热重分析分析 了油污泥在程序升温过程中的热解、燃烧特性；利用带有火焰离子检测器的油气 评价系统分析了程序升温过程中的烃类物质的挥发释放特性；应用固定床反应器 研究了一定升温速率下热解挥发分组分随温度的析出规律。从油污泥的特性分析 入手，基于其工业分析、元素分析、成分分析及热重分析等基础数据，根据不同 升温速率下热解的烃析出曲线采用等转化率法求解了热解过程中烃析出活化能 随反应程度的变化规律，并讨论了其变化机理。 在油污泥流化床处理系统中，石英砂作为惰性床料其在床内的破碎和磨损规律对 流化床的稳定运行有重要影响。本文第三章在热态实验台上进行了石英砂破碎、 磨损规律的实验研究。在破碎实验中考虑了颗粒尺寸( 2 5 , - , 6 r a m ) 和床温( 6 5 0 9 5 0 ) 对破碎的影响。研究结果发现破碎随着床温的升高和颗粒尺寸的增大而加剧， 对于较小颗粒在床温较低的情况下，破碎主要发生在颗粒表面，破碎的主要动力 是温度梯度引起的在颗粒表面产生的压应力，其特征为产生大量的细小颗粒，而 平均粒径不发生明显变化。对于较大颗粒在床温较高的情况下，颗粒会由于颗粒 中心处的拉应力超过颗粒 摘要 的抗拉极限而发生热破碎，其特征是母颗粒会分裂成几个大小相当的子颗粒，使平均 粒径明显减小。采用正交实验的设计方法在热态实验台上进行了石英砂床料的磨损实 验，通过对不同运行参数( 颗粒平均直径、床温、流化数、床料高度) 对石英砂床料 磨损影响的级差分析，得到不同运行参数对石英砂床料磨损影响程度的主次关系依次 是流化数、平均粒径、床温、料层高度。基于灰色预测理论推导了g m ( 1 ，5 ) 灰色模型， 预测了石英砂在流化床内的磨损，实验结果验证了g m ( 1 ，5 ) 模型的准确性，其平均预 测误差仅为o 5 0 8 。 本文第四章在小型热态流化床上进行了单颗粒油污泥球的热解和燃烧实验以及 油污泥的连续燃烧实验。实验中考虑了油污泥球径的变化对热解过程中挥发分组分和 热解时间的影响；分析了燃烧过程中油污泥球径、床温、流化风速和水分含量对燃尽 时间、烟气组分和浓度的影响。在单颗粒油污泥球燃烧实验结果的基础上，研究了油 污泥连续燃烧过程中表观流化风速和床温对燃烧的影响，分析了炉膛高度方向上的烟 气成分的变化规律；最后讨论了油污泥在流化床内燃烧的成灰特性，并在小型实验台 上进行了油污泥灰的扬析实验，得到了扬析速率常数k i * 与相关因素的实验关联式。 结合油污泥流化焚烧工艺专利，在深入研究分析油污泥流化床燃烧特点的基础 上，在本文的第五章确定了油污泥洁净焚烧装置的结构设计参数，优化设计了一套完 整的洁净焚烧装置。 在本文第6 章对所设计的2 0 t h 油污泥循环流化床燃烧锅炉进行了系统的性能测 试。研究了油污泥水煤浆混烧的燃烧特性、气体污染物排放特性、灰渣特性。通过 分析沿床高的温度分布总结了油污泥一水煤浆混烧比对燃烧的影响，分析表明，采用 水煤浆作为伴烧燃料可以非常灵活地调节密相区的运行温度。应用油污泥水煤浆流 化燃烧综合数学模型，对油污泥水煤浆流化床炉内床高方向上的温度分布及烟气组 分分布进行了数值模拟，通过对模型模拟结果和实测结果的比较，表明该模型可以描 述油污泥水煤浆流化燃烧过程的主要特征。 关键词：油污泥，焚烧处理，流化床，燃烧机理，排放特性，数值模拟 上海交通大学博1 ：学位论文 i n c i n e r a t i o no fo i l ys l u d g ei naf l u i d i z e db e db o i l e ra n di t s c o m b u s t i o nm e c h a n i s m a b s t r a c t o i ls l u d g ei sak i n do fh a z a r d o u sp e t r o l e u mw a s t e ，a n da c c u m u l a t e sf r o ma l lk i n d so f c r a f tp r o c e s s e si np e t r o l e u mp r o d u c t i o ni n c l u d i n ge x p l o i t a t i o n ，t r a n s p o r t i n ga n dr e f i n i n g p r o c e s s e s i nc h i n a ，m o r et h a n1 0 0 00 0 0t o n e so fo i ls l u d g ea r eg e n e r a t e da n n u a l l y h o w e v e r ，t h e r ei sn o tam e t h o do rc r a f tc a ne f f i c i e n t l yt r e a tt h i sk i n do fo i ls l u d g eb yn o w e n v i r o n m e n ti s s u e si ni n d u s t r i e sp r o d u c t i o nh a v ea t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ；t h e t r e a t m e n ta n dd i s p o s a lo fp e t r o l e u mo i l ys l u d g er e p r e s e n tm a j o rc h a l l e n g e sf o rp e t r o l e u m i n d u s t r i e s i n c i n e r a t i o nt e c h n o l o g yi st h o u g h ta so n eo ft h em o s tp r a c t i c a b l et e c h n o l o g yi nt h e f i e l do fs l u d g et r e a t m e n ti nt h ew o r l d a i m i n ga te x i s t i n gs t a t eo ft r e a t m e n tt e c h n o l o g yi n c h i n aa n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft r e a t m e n tt e c h n o l o g yo fs l u d g e ，f l u i d i z e db e d ( f b ) i n c i n e r a t i o nt e c h n o l o g yo ft r e a t i n go i l ys l u d g ea r ep r o p o s e dw i t hi t so b v i o u sa d v a n t a g e s s u c ha sf a s td i s p o s a ls p e e d ，d e c r e a s i n gc o m p o n e n t se f f i c i e n t l ya n dr e c y c l ee n e r g ya sw e l l i n c i n e r a t i o no fo i ls l u d g ei nf ban o ws u b j e c t , n o tm u c hh a sb e e nr e p o r t e do nt h e c o m b u s t i o nm e c h a n i s mo fo i l ys l u d g ei naf l u i d i z e db e d t h i sr e s e a r c hc o n s i d e r e dt h e a p p l i c a t i o no fi n c i n e r a t i o np r i n c i p l e st op e t r o l e u mo i l ys l u d g eu s i n g an e wt e c h n i q u e t h e f u n d a m e n t a lf u e lp r o p e r t i e sa n di t sc o m b u s t i o np r o c e s sa n dm e c h a n i s mi naf l u i d i z e db e d a r ec o n c e r n e d p h y s i c o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa r eb a s i sf o rt h eo i ls l u d g ec o m b u s t i o ni naf b ，t l l e p e t r o l e u mo i l ys l u d g et a k e nf r o mt h eb o t t o mo f c r u d eo i ls t o r a g et a n k sw a si n v e s t i g a t e db y as e r i e so fe x p e r i m e n tt og a i no r g a n i cg r o u pc o m p o s i t i o n s ，t h ec h e m i c a lc o m p o n e n t s ，t h e t h e r m a lp r o p e r t i e si n c l u d i n gp y r o l y s i sa n dc o m b u s t i o na n de v o l u t i o no fv o l a t i l ea n d h y d r o c a r b o nr e l e a s e f o rt h e s ep r o p o s e s ，v a r i o u sa p p r o a c h e si n c l u d i n gs o l v e n te x t r a c t i o n , g c m s ，t h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i s ( t g a ) ，e l e c t r i c a l l yh e a t e df i x e db e dq u a r t zr e a c t o r c o u p l e dw i t hv a r i op l u se m i s s i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，a n do i l g a se v a l u a t i o nw o r k s t a t i o n ( o g e i i ) e q u i p p e d w i t haf l a m ei o n i z a t i o nd e t e c t o r ( f i d ) w e r eu s e d t h ec h s ( h y d r o c a r b o n s ) d a t af r o mt h e o g e 1 1w e r eu s e df o rk i n e t i ca n a l y s i sb yv y a z o v k i n - 1 1 1 - a b s t r a c t m o d e l f r e ei s o - c o n v e r s i o na p p r o a c ht oo b t a i na c t i v a t i o ne n e r g y ( 疡) d e p e n d e n c yo n c o n v e r s i o n ( a ) i nt h ep y r o l y s i so fo i ls l u d g e t h em e c h a n i s mo ft h ed e p e n d e n c yo ft h e a c t i v a t i o ne n e r g yo nt h ed e g r e eo fc o n v e r s i o nw a sa l s od i s c u s s e d f r a g m e n t a t i o na n da t t r i t i o no fb e dm a t e r i a l sa r ev e r yi m p o r t a n tf o rs t a b l eo p e r a t i o no f t h eo i ls l u d g ei n c i n e r a t o r i nt h ec h a p t e r3 ，t h ef r a g m e n t a t i o na n da t t r i t i o no fb e dm a t e r i a l s i nah o tf bw e r ei n v e s t i g a t e d i nt h ef r a g m e n t a t i o ne x p e r i m e n t ，t h ei n f l u e n c e so fa v a r i e t y o ff a c t o r ss u c ha st h eb e dt e m p e r a t u r e ( 6 5 0 - 9 5 0 0 c ) ，t h es i z eo f p a r t i c l e s ( 2 5 6 m m ) o nt h e f r a g m e n t a t i o no fq u a r t z i t ep a r t i c l e sa r es t u d i e d t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h ee x t e n to f f r a g m e n t a t i o ni n c r e a s e sw i t l li n c r e a s i n gb e dt e m p e r a t u r ea n dp a r t i c l es i z e f o rt h es m a l l p a r t i c l e sa tl o wb e dt e m p e r a t u r e ，t h er e s e a r c hs h o w st h a t ，i ti sc o m p r e s s i v es t r e s s e sw i t h i n t h eo u t e rr e g i o no fp a r t i c l e sc a u s et h ep a r t i c l et of r a c t u r e ，w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c st h a tm a n y s m a l lf r a g m e n t sp e e l e df r o mt h es u r f a c eo ft h ep a r t i c l e sa n dt h ea v e r a g ep a r t i c l es i z ea f t e r f r a g m e n t a t i o nc h a n g ev e r yl i t t l e h o w e v e r ，f o rt h el a r g ep a r t i c l ea th i g hb e dt e m p e r a t u r e ，i t i st e n s es t r e s s e sw i t h i nt h ec e n t e ro fp a r t i c l ec a u s i n gt h ep a r t i c l et of r a c t u r e ，t h ep a r t i c l ei s d i v i d e di n t os e v e r a le q u i v a l e n ts i z ep a r t i c l e s ，a sac o n s e q u e n c e ，a n dam o r ei n t e n s es i z e r e d u c t i o na f t e rf r a g m e n t a t i o ni s g a i n e d i nt h ea t t r i t i o ne x p e r i m e n lt h ei n f l u e n c eo f o p e r a t i n gp a r a m e t e r ss u c ha sb e dt e m p e r a t u r e ，m e a nd i a m e t e ro fb e dp a r t i c l e s ，f l u i d i z i n g n u m b e ra n dh e i g h to fb e dm a t e r i a l so na t t r i t i o np r o c e s si si n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n t i a l e x t e n to fo p e r a t i n gp a r a m e t e r so na t t r i t i o ni ss e q u e n c e db ym e a no ft h er a n g ea n a l y s i s t h e r e s u l ti ss h o w na s f o l l o w ：f l u i d i z i n gn u m b e r m e a nd i a m e t e ro fp a r t i c l e s b e d t e m p e r a t u r e h e i g h to fb e dm a t e r i a l s b a s e do nt h eg r e yt h e o r y , ag r e yf o r e c a s t i n gm o d e l g m ( 1 ，5 ) i sd e v e l o p e dt op r e d i c tt h ea t t r i t i o no ft h eq u a r t z i t ep a r t i c l e si nah o tf b t h e r e s u l td e m o n s t r a t e st h a tt h ef o r e c a s t e dv a l u e sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a l d a t aw i t ht h ea v e r a g er e s i d u a le r r o rl o w e rt h a no 5 0 8 i nt h ec h a p t e r4 ，t h ec o m b u s t i o ne x p e r i m e n to ft h eo i ls l u d g ew a sc a r r i e do u ti na l a b o r a t o r ys c a l et h e r m a lf l u i d i z e db e d f i r s t l yt h ep y r o l y s i sa n dc o m b u s t i o np r o p e r t i e so f o i ls l u d g eb a l li nt h eh o tf ba r ei n v e s t i g a t e d i np y r o l y s i se x p e r i m e n t ，t h ei n f l u e n c eo fo i l s l u d g eb a l ld i a m e t e ro nv o l a t i l e sr e l e a s et i m ea n dc o n t e n t so fv o l a t i l e sa r ec o n s i d e r e d ；i n t h ec o m b u s t i o ne x p e r i m e n t ，t h ei n f l u e n c e so fb e dt e m p e r a t u r e ，b a l ld i a m e t e r , s u p e r f i c i a l f l u i d i z a t i o nv e l o c i t ya n dm o i s t u r ec o n t e n to nc o m b u s t i o na r es t u d i e d s e c o n d l y , u n d e rt h e s t a b l ec o m b u s t i o ns t a t eo fo i ls l u d g ei nt h ef h i d i z e db e d ，t h ei n f l u e n c e so f b e dt e m p e r a t u r e a n ds u p e r f i c i a lf l u i d i z a t i o nv e l o c i t yo nc o m b u s t i o np r o c e s sa r es t u d i e d ；t h eg a s i v - 上海交通人学博士学位论文 c o m p o s i t i o n sa l o n gt h eb e dh e i g h ta r ea n a l y z e d f i n a l l y , a s hf o r m a t i o na n di t sp r o p e r t i e si n t h ec o m b u s t i o np r o c e s si nt h e h o tf ba r ed i s c u s s e d t h ee l u t r i a t i o ne x p e r i m e n tw a s c o n d u c t e di no r d e rt od e t e r m i n et h ee l u t r i a t i o nr a t ec o n s t a n to fo i ls l u d g ea s hi nt h e f l u i d i z e db e d b a s e do nt h ep a t e n to fo i ls l u d g ei n c i n e r a t i o ni naf ba n dc o m b u s t i o nm e c h a n i s mo i l y s l u d g ei naf b ，ac r a f tp r o c e s sa n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fa ni n c i n e r a t i o nt r e a t m e n t s y s t e mo fo i l ys l u d g ea r ed e s c r i b e di nc h a p t e r5 ，t h ed e s i g np a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r eo fa 2 0 t hc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ( c f b ) b o i l e ra r ei n t r o d u c e d i nt h ec h a p t e r6 ，t h ef i e l dt e s to ft h ec o m b u s t i o no ft h eo i ls l u d g ew a sc a r r i e do u ti nt h e 2 0 t hc f bb o i l e rt r e a t i n go i ls l u d g e c o f i r i n go fo i ls l u d g ew i t hc o a l w a t e rs l u r r y ( c w s ) w a si n v e s t i g a t e di n t h en e wi n c i n e r a t i o ns y s t e mt o s t u d yc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ， g a s e o u sp o l l u t a n te m i s s i o n sa n da s hc h a r a c t e r i s t i c s t h ec o m b u s t i o na l o n gt h ef u r n a c e h e i g h tw a sa l s oi n v e s t i g a t e di no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ei n f l u e n c e so ff e e d i n gr a t eo fo i l s l u d g eo nt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na l o n gt h ef u r n a c eh e i g h t t h es t u d yr e s u l t ss h o wc w s a sa na u x i l i a r yf u e lc a nf l e x i b l yc o n t r o lt h ed e n s eb e dt e m p e r a t u r e sb ya d j u s t i n gi t sf e e d i n g r a t e ao n e - d i m e n t i o nc o m p r e h e n s i v em a t h e m a t i c a lc f bm o d e lf o rd e s c r i b i n gt h e c o f i r i n g p r o c e s so fo i ls l u d g ew i t hc w s i nac f bi st e s t e da g a i n s tt h ee x p e r i m e n t a ld a t af r o mt h e 2 0 t hf bb o i l e r t h em o d e lr e s u l t sf o rt h ea x i a lt e m p e r a t u r e sa n d g a sc o n c e n t r a t i o n sa l o n g t h ef u r n a c eh e i g h ta r ec o m p a r e dt oe x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t t h eg e n e r a la g r e e m e n ti s r e a c h e db e t w e e nt h ec a l c u l a t e da n dm e a s u r e dp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：o i ls l u d g e ；i n c i n e r a t i n gt r e a t m e n t ；f l u i d i z e db e d ；c o m b u s t i o nm e c h a n i s m ； e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n -v- 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：突0 旁团 日期：) 护0 子年f 月此日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。l 本学位论文属于 f 。不保密囤。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：乡1 7 墨团 日期：歹o 扩年f 歹月f1 7 日 指导教师签名：妥秀鼬 日期：) 口呵年f 二月以日 第1 章绪论 o j 一- 一 1 1 刖吾 随着我国把发展循环经济、建立循环型社会作为实施可持续发展战略的重要 途径，国内资源综合利用事业的蓬勃发展，固体废弃物的处理研究也逐渐深入。 当前工业危险废物已经成为当今世界各国共同面临的重大环境问题，联合国环境 规划署( u n e p ) 与1 9 8 9 年3 月通过了控制工业危险物废物越境及其处理的巴 塞尔公约，并于1 9 9 2 年生效，我国是该公约最早的缔约国之一；其他国际组 织，如世界卫生组织( w h o ) 、世界经合组织( o e c d ) 等也相继提出：各国 尤其是发展中国家必须建立有效的工业危险废物管理体系，对工业危险废物实施 重点控制和管理，以应对日益严重的污染压力。 油污泥是石油开采和加工过程中的“伴生品 ，在石油生产的各个过程( 原 油的开采、运输、原油的精加工) 都可能产生污泥【h j 。在中国，以石油勘探开 发业为例，污泥产生量为原油产量的0 5 1 ，每年将有近百万吨的油污泥产 生1 5 j 。油污泥主要由原油、矿物质、辐射物质、腐殖质组成，其中可燃质为原油， 组成主要有烷烃、环烷烃、芳香烃、胶质、沥青质及石蜡等，油污泥中矿物油重 质组分沉积居多1 6 j 。石油类物质对人体的影响是不容忽视的，石油中的芳香烃类 物质对人体的毒性较大l 7 j 尤其是双环和三环为代表的多环芳烃( p h a ) 毒性更大， 到目前为止，总共发现了2 0 0 0 多种、四大类可致癌的化学物质。有致癌作用的 p h a 可以通过水生生物的食物链富集进入人体，进入人体后能溶解细胞膜，干 扰酶系统，引起肾和肝脏等内脏发生病变并诱发癌型8 9 j 。 我国在1 9 9 8 年7 月1 日实施的国家危险废物目录将含油污泥列入中编 号为h w 0 8 的含油废物类【1 0 】：国家清洁生产促进法和1 9 9 6 年1 月实施的中 华人民共和国固体废物环境污染防治法【i l j 也要求必须对含油污泥进行无害化 处理；国务院颁布实施的排污费征收使用管理条例和排污费征收标准管理 办法也明确规定，对以填埋方式处置危险废物不符合国家有关规定的排污费征 收标准为每次每吨1 0 0 0 元，该条例与办法已于2 0 0 3 年7 月1 日实施。按此规定 计算，初步预计中石油集团今后每年含油污泥的排放费用将超过1 0 亿元。因此 无论是从环境保护和回收能源的角度出发，还是从国家法律法规要求的角度考 虑，都必须对油污泥进行无害化处理1 8 j 。科学、有效地解决含油污泥处理难题对 石油行业的可持续发展具有重要意义。 1 2 油污泥的处理方法及现状 1 2 1 油污泥的处理方法 第l 章绪论 油污泥的处理方式主要有填埋方法、掺烧焚烧法、分离法、生物降解法、回注法、 掩埋法、堆放法等。 生物处理是目前比较成熟的一种污泥处理方法，在油污泥的处理方面亦以生物处 理方法最为常用f 1 2 - 1 9 1 ，主要方法为地耕法1 2 0 - 2 4 1 ，堆肥处理法1 2 0 2 5 1 ，生物反应器法1 2 6 1 。 不同的处理技术烃类的生物降解速度各不相同：生物反应器法 堆肥法 地耕法，并 受多种因素影响1 2 2 7 1 。生物处理法如果作为一种完全独立的含油污泥处理技术，只 能起到含油污泥无害化处理的效果，而不能进行石油类物质的回收再利用1 2 8 1 。而且， 选择合适的菌种及处理条件较难，代价高，而且仅对含油率较低的油污泥有效且易受 外界因素的影响。 物理化学方法从含油污泥中回收污油已有几十年的历史，污泥连续处理的方法和 设备比较先进、实用，原油回收率和能量回收比相对较高，但其运行费用和设备费用 很高，而且可能存在二次污染。 焚烧技术可以有效破坏废物中的有毒有害、有机废物，是实现工业危险废物减量 化、无害化的最快捷、最有效的技术。在欧洲、美国、日本等国家，该工艺己日渐成 熟，它以处理速度快，减量化程度高，能源再利用等突出特点而著称并得到了广泛的 研究和应用 2 9 - 4 1j 。主要的炉型有旋转窑焚烧炉( r k f ) 、机械炉排焚烧炉、流化焚烧 炉( f b f ) 、耙式多层( 多段) 焚烧炉( m h f ) 等多种炉型l 邛圳j 。 表1 1 几种常用的含油污泥处理技术4 1 j t a b l e1 一ls e v e r a lc o m m o nt r e a t m e n tm e t h o d so fo i ls l u d g e 几种常用的含油污泥处理技术的对比见表1 1 。焚烧法虽然投资及运行成本较高， 这会暂时阻碍垃圾焚烧技术在大部分发展中国家的推广，但焚烧法在资源化、无害化 上海交通人学博士学位论文 及减量( 容) 化等方面具有填埋和堆肥不可比拟的优点，随着环保要求的更加严格， 焚烧法的优势将逐渐显现。 1 2 2 我国油污泥的处理现状 在我国油污泥处理问题的一直没有得到有效解决【4 】。尽管国内已经积极地进行了 油污泥的治理和综合利用工作，但收效不大。各油田普遍采用直接掩埋法，农田堆肥 法处理油污泥【2 5 】。该方法直接污染了土壤、地表水和地下水并占有土地，没有根本 解决环境污染问题 4 2 4 3 】，为此东营市环保局子2 0 0 5 年向胜利油田开出9 亿元油污泥 排污罚款单，在全国引起轰动。其他的方法有焚烧法、生物法、溶剂萃取法以及利用 污泥制备建筑材料等方法等，但这些方法由于投资、处理效果及操作成本等原因均未 大范围的推广。因此，尽快研究和建立一套适合油田污泥无害化和资源化处理的新方 法和新工艺成为当务之急【4 3 】。我国绝大多数炼油厂都建有污泥焚烧装置【2 4 1 ，由于油 污泥的品质比较差，需要在燃烧前将油污泥干燥，而且在焚烧中需要大量的柴油或污 油助燃，而热量又大都没有回收利用，使处理成本增加。焚烧设备在焚烧过程中产生 气体污染物如n 2 0 、s o x 和n o x 和未完全燃尽的烃类( c h s ) ，有的还有大量灰尘， 因此处理费用比较高。虽然处理比较彻底，但实际运行难度较大1 3 4 】，造成焚烧装置 的实际利用率很低【4 。 因而，可以看出在我国油污泥的处理一直不够成熟，随着对环境要求的日益严格， 对油污泥的处理已经迫在眉睫。 1 3 油污泥的流化床焚烧处理 1 3 1 流化床燃烧技术的应用 流化床内物料混合运动剧烈，气固相混合均匀，对燃料品质波动不敏感，其他锅 炉中难以燃烧的燃料，例如，劣质无烟煤、油污泥、泥炭、链条炉渣、木屑、塑料、 垃圾、市政污泥等，都可以在流化床内得到很好的燃尽【4 2 , 4 4 - 5 1 j 。另外，采用流化床处 理技术，还可以实现炉内脱硫，氮氧化物生成量少，有害气体生成易于在炉内得到控 制，是新一代清洁焚烧炉，实现了以较低的运行成本对废物进行资源化洁净利用，极 具发展前景。 1 3 2 油污泥的流化床焚烧处理方法 针对当前国内油污泥的处理现状，基于油污泥的燃料特性，吸收循环流化床的成 功设计经验和研究成果5 2 ，5 3 】，借鉴流化床市政污泥焚烧的成功技术，上海交通大学 提出了采用异密度循环流化床燃烧处理油污泥的方法( 发明专利c n 2 0 0 4 1 0 0 8 9 3 0 4 6 ) 5 4 1 ，该技术主要特点如下： 第1 章绪论 ( 1 ) 利用石灰石与石英砂构成的惰性物料，辅之于低温燃烧技术可实现炉内脱硫，有 效抑制s 0 2 的排放，且脱硫系统简单、成本低： ( 2 ) 低温燃烧( 8 5 0 1 0 5 0 ) ，可有效抑制热力型n o x 的生成与排放； ( 3 ) 良好的着火条件和足够的炉内的停留时间，使得油污泥能够在炉内很好的燃尽， 避免了二次污染； ( 4 ) 油污泥的循环流化床燃烧处理方法能适应油污泥含灰量高，热值波动大的特点， 不需要预先干燥处理，从而简化处理工艺。因此处理成本低。 在整个油污泥利用系统中，油污泥循环流化床燃烧是一个崭新的研究课题，尽管 油污泥在流化床内的焚烧已经得到了初步研究1 5 0 1 ，但还鲜见对油污泥燃烧技术的系 统研究，本课题所进行的“油污泥的流化床焚烧处理方法及其燃烧机理”的研究正是 基于这样的背景而提出来的。 1 4 流化床内燃烧过程的研究状况 1 4 1 燃料在流化床内破碎和混合的研究 燃料在流化床内的破碎以及与惰性床料的混合直接关系到流化床的动力学特性、 燃料的挥发分析出和热量的释放规律。很多文献【5 扣5 7 j 已经对流化床内颗粒的破碎规律 进行了研究。研究认为引起颗粒一级破碎的主要原因主要有两个：一是颗粒在热解期 间由于挥发分溢出产生压力梯度和气孔网络中挥发分压力增加而引起的；二是颗粒被 投入到流化床密相区后快速升温引起的，因颗粒内部存在温度梯度而产生的热应力超 过颗粒的强度极限而引起的。颗粒的物性参数( 硬度、孔容积) 和床温、煤颗粒尺寸 相比，对破碎的影响显著次序依次为：煤颗粒尺寸、床温、煤的物性参数1 57 1 。不同 种类的燃料其磨碎特性产别很大，例如对市政污泥在流化床内的燃烧实验1 4 8 表明， 颗粒的破碎不明显。 破碎过程改变了流化床内燃料颗粒的动力学特性，对于油污泥其物理和化学特性 与常规化石燃料相比有很大的区别。目前对油污泥团在流化床内的破碎研究还未见报 道，研究油污泥在高温环境下的形态变化以及油污泥团在床内的破碎、混合规律对实 现油污泥在流化床内的燃烧具有重要意义。 1 4 2 流化床内的挥发分的析出和燃烧 挥发分作为可燃成份的重要组成部分，是影响热量释放规律的重要因素。一般可 将燃料总的燃烧过程依次分为干燥、热分解和燃烧三个大的过程。实际的燃烧过程中 三者没有严格的界限，只不过有时间的先后顺序而已。 在流化床锅炉中，挥发分对燃料的着火、火焰的温度和稳定性有较大影响；挥发 分的析出是一个非常复杂的问题，燃料不同或同一燃料但反应条件不同时，挥发分成 上海交通火学博上学位论文 分以及释放量的大小都有差别。热解模型主要包括两方面内容，即挥发分的析出时间 和挥发分的成分。 1 4 2 1 挥发分的析出时间和析出温度 挥发分的析出主要与燃料种类和受热条件有关，国内外学者在研究时，多采用观 察挥发分燃烧的扩散火焰持续时间和测量反应器出口气体组份浓度变化两种方法 1 5 8 - 6 3 1 ，一般采用测量法测定的挥发分释放时间要长于采用观察法所确定的挥发分释放 时间。对于挥发分释放过程较长的工况，挥发分脱出的时间可持续1 分钟 5 8 , 5 9 1 ；挥发 分脱出的时间由煤种、床温和颗粒粒度决定【5 9 - 6 2 1 。这是由于不同煤在热解时产生的孔 隙结构不同，而孔隙结构会影响颗粒内部传质和辐射换热，进而影响挥发分释放时间。 而温度升高传热速率增大，挥发释放时间明显减小。将气氛由氮气换为空气后，由于 煤颗粒被挥发分燃烧的扩散火焰包围，传热速率增大，挥发分释放时间会有一定程度 缩矧6 1 j 。表观流化速度对挥发分释放时间基本上没有影响【6 3 】6 3 。 挥发分的析出时间一般情况下与颗粒的直径有关，可以应用如下模型来表示哗1 。 r d = k v d p n 其中k v 为常数，指数对于不同的燃料取不同的值，对于湿污泥来讲胪o 7 2 ，而 对于预先干燥的污泥n = 0 2 7 。这是由于颗粒内部的水分在蒸发过程中，会降低颗粒 表面的温度，造成挥发分析出