【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 比抑制污泥汞的析出 。值得注意的是 在氣化條件下，即使在低溫下單質(zhì)汞也能生成并析出。[30] 本課題研究目的及內(nèi)容 本課題將詳細(xì)的研究國(guó)內(nèi)重點(diǎn)城市的污泥來(lái)源及構(gòu)成， 污泥的危害，闡述 國(guó)內(nèi)外 污泥主流處理工藝構(gòu)成及原理。 闡述 污泥的焚燒技術(shù)工藝、原理、主要設(shè)備及運(yùn)行問(wèn)題。 分析污泥燃燒發(fā)電的可行性，并設(shè)計(jì)和計(jì)算污泥燃燒發(fā)電的相關(guān)數(shù)據(jù)。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 第 2 章 污泥燃燒特性 本文中選取城市污水處理廠的城市生活污泥（下文簡(jiǎn)稱為污泥）作為研究 對(duì)象。本章首先對(duì)污泥進(jìn)行了工業(yè)分析、化學(xué)成分分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)污泥進(jìn)行熱分析，研究了污泥的燃燒特性。 污泥成分分析 污泥的工業(yè)分析包括水分，灰分，揮發(fā)份，固定碳和發(fā)熱量。樣品來(lái)自 上海程橋污水處理廠。 分析結(jié)果如 表 21所示。 表 21 污泥工業(yè)分析 Mad Aad Vad FCad /kJkg 1 9810 從表 21可以看出因?yàn)槌鞘形勰嘀泻休^多的揮發(fā)分和固定碳，致使污泥發(fā)熱量很高。由于城市污泥中含有較高的熱值，其在 循環(huán)流化床鍋爐 中 焚燒 時(shí)可以 替代部分燃料，但要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整用煤量。 污泥燃燒分析 實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn) 采用的儀器是由德國(guó) NETSCH公司和 BRUKER公司聯(lián)合制造的 TGAFTIR熱綜合分析儀 ,其 TGA 部分是 NETZSCH 的 STA409 熱重分析儀。 （其具體結(jié)構(gòu)見圖 12） 其主要特征是可同時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行 TG分析和對(duì)析出成分進(jìn)行分析。儀器主要由以下幾部分組成：天平系統(tǒng)、電加熱爐、紅外分析系統(tǒng)。溫度范圍 0~1 600℃，熱重靈敏度最高 μ m；樣品重量 0~5000 mg；熱量測(cè)量范圍 0~500 mV；差熱靈敏度約 18μ V/mW；差熱測(cè)量范圍 0~5 000μ V。測(cè)量氣氛：動(dòng)、靜態(tài)氧化、還原氣體、惰性氣體和部分腐蝕氣體、真空。[7] 實(shí)驗(yàn)樣 污泥經(jīng)過(guò)篩分 ,粒徑為 80~45目。 3個(gè)樣品稱相同重量 (20mg)。氧氣流量 80ml/min,升溫速率 30℃ /min,終溫污泥 850℃ ,。實(shí)驗(yàn)使用純氧是希望得到更為明顯的反應(yīng)效果。 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 圖 21 為 樣品 污泥的熱重曲線 ,由圖可以看出在著火燃燒之前有增重現(xiàn)象 ,最大增重約為初始重量的 2%,并伴有發(fā)熱 ,然后開始著火 ,迅速失重。對(duì)這種現(xiàn)象 ,我們認(rèn)為 ,當(dāng)污泥被加熱時(shí) ,氣相環(huán)境中氧擴(kuò)散到污泥 的外表面和內(nèi)部孔隙 ,在污泥表面上發(fā)生物理和化學(xué)吸附。由于加熱速率低 ,所以使得氧分子有足夠的時(shí)間完全覆蓋污泥的內(nèi)外表面 ,因此 ,增重現(xiàn)象可以認(rèn)為是氧吸附到污泥顆粒的表面所引起的。 樣品 污泥 DTG 曲線有兩個(gè)峰 ,即可能有兩步反應(yīng) ,樣品 污泥兩個(gè)峰比較接近 ,基本上都屬于揮發(fā)分燃燒的溫度范圍 。 可以看出 ,污泥的揮發(fā)分較高 ,含碳量較低 ,如以水分蒸發(fā)段及空氣吸附段后開始 ， 迅速失重前的一個(gè)波谷值對(duì)應(yīng)的溫度為著火點(diǎn) ,則比煤低些 ,而燃盡溫度也較煤要低。 圖 21程橋污泥 的熱重曲線 這些情況與這種污泥的工業(yè)分析相 吻合 :各種污泥總失重率與污泥灰分含量之和接近100%,說(shuō)明污泥熱重實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確 。程橋污泥揮發(fā)分含量高、灰分少、含碳量也少 ,因此只在低溫區(qū)間出現(xiàn)峰值 。 用 Phadnis 方法求取反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)假設(shè)在一個(gè)有限的時(shí)間區(qū)間內(nèi) ,有一個(gè)絕熱反應(yīng) ,氣體和固體之間的反應(yīng)速率可以表示為 : dα/dt=Ae E/(RT)f(α) (1) 式中 ,α為在燃燒中消耗的燃料分額 ,A為頻率因子 ,E為活化能 ,R為氣體常數(shù) ,T 為反應(yīng)溫度。 f(α )為與固體未燃反應(yīng)物和反應(yīng)速率有關(guān)的函數(shù) ,它的大小取 決于反應(yīng)機(jī)理 [3]。在恒定的程序升溫速率下 ,Φ =dT/dt,則 dα /dT=(A/Φ )eE/(RT)f(α ) (2) 求解這個(gè)燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的方法很多 ,其中主要的是微分法和積分法 ,有不少研究者在這方面發(fā)表了有關(guān)的文章。本文采用 Phadnis 的方法推斷反應(yīng)機(jī)理 ,公式如下 f(α)g(α)= (RT2/E)[12RT/E]dα /dT (3) 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 由于 2R2T3/E2很小 ,可忽略。于是 (3)式可簡(jiǎn)化為 : f(α)g(α)= (RT2/E)(dα /dT) (4) 然后通過(guò)所作出的 f(α )g(α )T2dα /dT 圖 ,使成線性 ,其斜率為 R/E,微分法是作ln[(dα /dt)/f(α )]1/T圖 ,發(fā)現(xiàn) f(α )=(1α )1/r與 1/T的線性度比較好 ,畫出分別對(duì)應(yīng)的ln[(dα /dt)/f(α )]1/T 圖 (簡(jiǎn)稱微分圖 )和 f(α )g(α )]T2dα /dT 圖 (簡(jiǎn)稱 Phadnis 圖 )。 根 據(jù) 對(duì) 這些 圖中 數(shù) 據(jù)點(diǎn) 的 線性 擬合 得 出 , 當(dāng) r=4 時(shí) ,微 分 圖直 線 方程 為Y=, 擬合相關(guān)參數(shù)為 R=。Phadnis 圖直線方程為Y=,擬合相關(guān)參數(shù)為 R=(見 圖 22)。實(shí)際此時(shí)兩個(gè)斜率之積為。可以認(rèn)為 f(α )=(1α )1/4是基本正確的描述了這一階段反應(yīng)機(jī)理的方程 ,再由微分圖中的斜率和截距求出 :E=,A= 105l/min。 圖 22程橋污泥燃燒的 Phadns圖 第 一 步 反 應(yīng) 的 第 二 階 段 , 與 前 面 的 方 法 一 致 。 結(jié) 果 如 下 :f( α )=[(1α )1/31]1,E=,A= l/min。這個(gè)反應(yīng)機(jī)理稱為 GinstlingBrounshtein圓柱形對(duì)稱三維擴(kuò)散。 第二步反應(yīng)的研究方法與第一步反應(yīng)大致相同 ,結(jié)論是 :在 DTG 峰值之前 ,f(α )=(1α )1/4,E=,A= 106l/min。在 DTG 峰值之后 ,f(α)=[(1 α) 1/31]1,E=245 kJ/mol,A=。 由以上的分析可知程橋污泥的反應(yīng)機(jī)理可表述為 :在典型的 TGA 加熱的條件下 ,污泥表面氧氣吸附增重之后 ,溫度不斷上升 ,在開始燃燒時(shí) ,氧濃度是過(guò)量的 ,此時(shí)的 總反應(yīng)速率應(yīng)當(dāng)取決于揮發(fā)分的析出速率和析出的揮發(fā)分與氧燃燒的反應(yīng)速率 ,而在此時(shí) ,雖然污泥的灰分都較高 ,但在燃燒初期揮發(fā)分從污泥顆粒的表面及外層部分析出 ,不會(huì)受到大的阻礙 ,所以總反應(yīng)速率是服從化學(xué)反應(yīng)速度控制的 ,其機(jī)理方程為 f(α )=(1α )1/4。其后 ,燃華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 燒繼續(xù)進(jìn)行 ,不斷放熱 ,溫度上升 ,使反應(yīng)速率加快 ,然而另一方面 ,反應(yīng)也不斷向污泥顆粒內(nèi)部推進(jìn) ,氧氣向內(nèi)部擴(kuò)散與產(chǎn)物氣體向外擴(kuò)散又相互阻礙 ,而這時(shí)溫度已經(jīng)比較高 ,揮發(fā)分和碳的燃燒都足夠快 ,因此 ,總反應(yīng)速率完全受擴(kuò)散因素的控制 ,其機(jī)理方程為f(α )=[(1α )1/31]1。由分析可以看出 ,擴(kuò)散因素控制的反應(yīng)活化能高于表面反應(yīng)的活化能 ,是符合污泥的自身特性的 ,質(zhì)地疏松 ,揮發(fā)分高易于析出 ,然而污泥的含碳量低 ,殘?zhí)既紵灰子谶M(jìn)行。 經(jīng)過(guò)分析可知樣品污泥的揮發(fā)分較高 ,含碳量較低 ,整個(gè)燃燒過(guò)程可分為三個(gè)階段 :①水分析出的階段；②揮發(fā)分析出燃燒階段；③焦碳燃燒的階段。 [6] 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 第 3 章 污泥焚燒技術(shù)的應(yīng)用 污泥焚燒處理的優(yōu)勢(shì) 對(duì)污泥的有效利用 污泥的處理方式主要 有：填埋處理，堆肥處理和焚燒處理三種。 填埋法是將污泥直接或與垃圾混合后填入大坑或洼地中 ，以利恢復(fù)地貌和維護(hù)生態(tài)平衡。但是此方法的缺點(diǎn)是土地占用量大，填埋后易造成二次污染，如污染地下水源、有害氣體四處飄散污染大氣、有害金屬在填埋場(chǎng)半徑 50km 范圍內(nèi)會(huì)形成富集圈帶以及被填埋的污泥發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷氣體等容易引發(fā)爆炸等。 堆肥法，也是農(nóng)業(yè)處理法，是將污泥運(yùn)到市郊農(nóng)村作肥田處理。此法能有效改良土壤，且處理成本低，處理量大，但由于未經(jīng)分選，使許多有用之物白白浪費(fèi)，同時(shí)許多非肥田成分，這些成分會(huì)造成二次污染，所以此法目前僅限于較小規(guī)模。 可見以上兩種的污泥處理方式都不適合大規(guī)模的應(yīng)用。隨著城市大規(guī)模的發(fā) 展，石油產(chǎn)量的不斷增大，以上兩種處理方式對(duì)環(huán)境的破壞和占用的土地等問(wèn)題就越發(fā)的暴露出來(lái)。 相比之下，焚燒法更適合未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。焚燒法是將污泥進(jìn)行焚燒處理，使其體積減小，質(zhì)量減輕（體積可縮小 90%，質(zhì)量減少 75%）。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，能有效地減少污泥的填埋量，經(jīng)焚燒后只有大約相當(dāng)于最初體積的十分之一需要填埋，且能回收能量和部分燒結(jié)渣的再次利用。一般高位發(fā)熱量大于 3400kj/kg 的污泥適于焚燒處理。燃燒產(chǎn)生的熱能可用于供熱或發(fā)電，燃燒效率可以達(dá)到 85%，熱效率可達(dá)到 50%以上?，F(xiàn)在新的煙氣渦輪增壓技術(shù)，和與 污水處理廠聯(lián)合運(yùn)行的技術(shù)可以使熱效率進(jìn)一步得到提高。 污泥焚燒設(shè)備及各設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn) 焚燒爐主要有 ：爐排爐、旋轉(zhuǎn)窯爐、循環(huán)流化床爐及融融焚燒爐。 機(jī)械式層燃爐排焚燒爐具有較長(zhǎng)的發(fā)展歷史，常用有：滾動(dòng)爐排、往后運(yùn)行爐排、希格斯路牌、 W 型爐排等。層燃爐焚燒機(jī)理是污泥送入爐膛的爐排上，燃料隨爐排往后移動(dòng)，從爐膛來(lái)的強(qiáng)烈火焰輻射使得污泥干燥，并在爐排前段有效著火，經(jīng)爐排中后段污泥在助華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 燃空氣的作用下充分燃盡。其主要特點(diǎn)為：燃料的適應(yīng)性廣，可用不同特性的燃料，運(yùn)行，操作方便，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。保持燃燒 煙氣的高溫和爐膛內(nèi)停留的時(shí)間，可減少有害氣體的排放。但燃燒效率低，易存在機(jī)械故障。 旋轉(zhuǎn)窯焚燒爐分為基本形式和有廢物干燥區(qū)兩種形式。一般的旋轉(zhuǎn)爐是一個(gè)略微傾斜而內(nèi)襯耐火磚的空心圓筒，窯體通常很大。大多數(shù)廢物料是由燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的氣體及窯壁傳輸?shù)臒崃考訜岬?。固體廢物可從前端送入窯中進(jìn)行焚燒，以定速來(lái)達(dá)到攪拌廢物的目的。旋轉(zhuǎn)時(shí)需保持適當(dāng)?shù)膬A斜度，以利固體廢物下滑。此外，廢液廢氣可以從前端，中端，后端同時(shí)配合助燃空氣送入，甚至于整桶裝的污泥也可以送入旋轉(zhuǎn)爐燃燒。有廢物干燥區(qū)的旋轉(zhuǎn)焚燒爐可以用來(lái)處理夾帶著任何液體的 和大體積的固體廢物。在干燥區(qū)，水分和揮發(fā)性有機(jī)物被蒸發(fā)掉，然后，蒸發(fā)物繞過(guò)轉(zhuǎn)窯進(jìn)入二燃室。固體物進(jìn)入轉(zhuǎn)窯之前，在通過(guò)燃燒爐排時(shí)被點(diǎn)燃。二燃室能使揮發(fā)物種的有機(jī)物和由氣體中懸浮顆粒所夾帶的有機(jī)物完全燃燒。 循環(huán)流化床鍋爐用于垃圾和污泥焚燒是最近幾十年才發(fā)展起來(lái)的，垃圾燃料進(jìn)入燃燒室與灼熱的床料充分混合焚燒，其中大塊（ 10~15mm粒狀）不可燃物由床底部的連續(xù)排渣裝置排出，經(jīng)冷渣器后排外，未燃盡細(xì)小物質(zhì)則從燃燒室上部進(jìn)入旋風(fēng)分離器，大部分被分離器收集經(jīng)反料裝置返回燃燒室繼續(xù)燃燒，這樣反復(fù)幾次循環(huán)達(dá)到燃盡的目的。 由于流化床流化特性，要求溫度均勻地保持在 850~900℃之間，使床內(nèi)能保持穩(wěn)定燃燒，污泥及其臭氣中的有害成分（二噁英等）能在爐膛內(nèi)得到裂解焚燒，而不產(chǎn)生新的有害物質(zhì)。循環(huán)流化床鍋爐有以下主要特點(diǎn)：①燃燒效率高，特別適合高水分低熱值的污泥焚燒。灰渣無(wú)臭味，可直接填埋或用于建材生產(chǎn)。②能夠有效控制垃圾分解過(guò)程中有害氣體的產(chǎn)生，由于燃燒溫度可均勻控制在 850~900℃之間，其 NOx的生成量較小。當(dāng)燃燒溫度大于 1300℃時(shí)， NOx才會(huì)大量生成。由于 二噁英是在燃燒不穩(wěn)定、爐膛燃燒溫度不均勻、燃燒溫度小于 850℃及金屬催化劑條件下生成，因而循環(huán)流化床焚燒鍋爐可以有效抑制二噁英的生成。③爐內(nèi)加石灰石，可有效脫硫。在 Ca/S 為 1:2 時(shí)，脫硫效率大于 85%，尾部噴水和石灰粉可有效脫除污泥燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的 HCl、 HF、 SO2等有害氣體。④焚燒產(chǎn)生的熱能品質(zhì)高可用于生產(chǎn)蒸汽、供熱和發(fā)電等。⑤循環(huán)流化床焚燒爐無(wú)爐排爐等旋轉(zhuǎn)部件，設(shè)備故障少，容易維修，投資費(fèi)用低。 熔融焚燒爐是用高溫熔融鐵水作為焚燒爐料，溫度高達(dá) 1400℃，垃圾投入爐中迅速熔化或氣化，熱解有害氣體或焚 燒，使廢氣產(chǎn)量為傳統(tǒng)焚燒爐的幾分之一，浮渣從溢流渣口排出（液態(tài)排渣）成粒狀，是二次污染極少的一種新型焚燒爐。但目前還處于開發(fā)階段。日本已經(jīng)處于從流化床焚燒爐向熔融爐轉(zhuǎn)型階段。 [16] 華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 3. 2 污泥 與煤粉混燃對(duì)燃燒 的影響 城市污泥即使經(jīng)過(guò)脫水處理后水分仍較多 ,熱值較低 ,若直接作為燃料不易穩(wěn)定燃燒 ,而且燃燒產(chǎn)的熱量較難滿足工業(yè)鍋爐供熱和發(fā)電的需要。因此考慮將城市污泥脫水后和煤混合作為鍋爐燃料 ,為城市污泥的最終處理尋求一條經(jīng)濟(jì)合理的途徑 ,以便達(dá)到節(jié)約能源、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和保護(hù)環(huán)境的目的。為了對(duì)城市污泥和煤的混 料的燃燒規(guī)律有一個(gè)基本的了解 ,我們利用熱重分析法對(duì)其進(jìn)行了初步的研究。 污泥 與煤粉混燃的 燃燒特性分析 我們發(fā)現(xiàn)隨著在煤中摻入污泥比重的增大 ，試樣的著火溫度明顯降低了， 燃盡溫度也相應(yīng)地 有所降低 。我們看到污泥中的揮發(fā)分含量很高 ， 而比較難燃的固定碳的比重相當(dāng)小 ，因此污泥極易燃燒 ， 燃盡溫度相對(duì)也較低。煤和城市污泥相混后 ， 由于污泥中的揮發(fā)分能夠在較低的溫度下迅速析出 ， 使得試樣的著火性能得到了較大的改善。在燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)中 ， 活化能是一個(gè)十分重要的參數(shù) ， 它代表反應(yīng)物的分子由初始穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榛罨肿铀栉盏哪?量?；罨鼙戎饻囟雀軓谋举|(zhì)上描述試樣的著火性能。在煤中加入少量的污泥就可使其活化性能得到較大的提高。隨著試樣中污泥比重的增大 ， 著火溫度提前 ， 活化性能提高 ， 兩者的變化趨勢(shì)是一致的。 我們 還發(fā)現(xiàn) ， 隨著試樣中污泥比重的增大 ， 試樣的綜合燃燒特性指數(shù) 有所 減小 ， 表明其綜合燃燒性能逐漸下降。分析表 21 中的數(shù)據(jù) ， 我們發(fā)現(xiàn)盡管污泥中揮發(fā)分的含量很大 ，但是所占份額最多的是氧元素 ， 占整個(gè)揮發(fā)分含量的 %。氧雖然能助燃 ,但是它在試樣中的含量比之大氣中氧含量是微不足道的。城市污泥中的氮元素含量 (%)也要比煤中的含 量 (%)大很多 ， 但是氮既不可燃燒又無(wú)助燃作用 ， 而且在燃燒反應(yīng)中會(huì)生成有害氣體NOx。氫和硫是可燃元素 ， 其中硫的發(fā)熱量較低 ,而氫的發(fā)熱量最高。但是不管是在煤中還是在城市污泥中兩者的含量都很小且相差不大。碳元素在煤和城市污泥中的比重都是最大的 ， 且碳的發(fā)熱量很高 ， 在燃燒中起主導(dǎo)作用。通過(guò)比較表 21 中的數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn) ， 煤中碳元素的含量為 %， 而城市污泥中碳元素含量為 %， 前者將近為后者的 倍。煤