流化床焚燒爐污泥焚燒工藝特性研究
摘要：本研究以德國stuttgart-muhLhausen污水處理廠的鼓泡式流化床焚燒爐為主要研究對象,分析了污泥處理和焚燒工 藝流程及其特點,探討了鼓泡式流化床焚燒爐污泥焚燒的工藝特性。
1 污泥處理與處置的方法
污泥處理與處置的目的與其他廢棄物的處理與處 置一樣,都是以減量化、資源化、無害化為原則。目前 在世界各國,填埋、農(nóng)用和焚燒是污泥處置的幾種主要方法, 附表[1]就一些發(fā)達國家中使用此幾種處理方 法的比例進行了比較。近幾年來,污泥焚燒技術(shù)已經(jīng) 成為處理污泥的主流,愈來愈受到重視。
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這是因為焚燒法與其它方法相比具有突出的優(yōu)點 :①焚燒可以使剩余污泥的體積減少到最小化,因而 最終需要處置的物質(zhì)很少,不存在重金屬離子的問題 ,有時焚燒灰可制成有用的產(chǎn)品,是相對比較安全的 一種污泥處置方式;②污泥處理速度快,不需要長期 儲存;③污泥可就地焚燒,不需要長距離運輸;④可以 回收能量用于發(fā)電和供熱。
2 污泥焚燒工藝的興起與發(fā)展
污泥焚燒(熱分解)是指在高溫(500～1000℃)下,污泥固形物在無氧氣或者低氧氣氛中分解成氣體、焦油以及灰等殘渣這3部分的過程。污泥焚燒的對象主要是脫水泥餅。污泥脫水后的濾餅含水率仍達45%～86%,干燥處理后污泥含水率可降至20%～40%,焚燒處理后含水率可降至0,體積很小,便于運輸與處置。
污泥焚燒的初期研究是由美國的諾亞克(noack)(于1959年)、施萊辛格(schLesinger)等人(于1960年在彼得堡能源中心 (pittsburg energy center)開始的,其共同的特點是以回收能源為目的[2]。脫水污泥(水分65%～85%,其固體熱值為7500～15000kJ kg)的熱值低,因此,焚燒過程中必需添加輔助燃料,所以應(yīng)該設(shè)計輔助燃料最少的流程。世界上第1臺焚燒污泥的流化床鍋爐在1962年建于美國 Lynnwordwashington,至今仍在運行。目前,污泥焚燒是日本、奧地利、丹麥、法國、瑞士、德國等國污泥處置的主要方法。韓國正在 kwangdong Li污水處理廠試運行污泥焚燒新工藝。泰國samutprakarn正在建設(shè)東南亞規(guī)模最大的污水處理廠,其污泥處理單元將采用焚燒工藝。在我國的城市污水廠中,只有深圳特區(qū)污水處理廠用于焚燒,對工業(yè)廢水污泥的焚燒,國內(nèi)應(yīng)用的也很少。
焚燒爐型有回轉(zhuǎn)型如回轉(zhuǎn)式焚燒爐、多段型如立式多段爐(多段豎爐)及流化床型等。流化床焚燒爐有如下特點:①由于流化層內(nèi)粒子處于激烈運動狀態(tài),粒子與氣體之間的傳質(zhì)與傳熱速度很快,單位面積的處理能力很大。②由于流化床層內(nèi)處于完全混合狀態(tài),所以加到流化床的固體廢物,除特別粗大的塊體之外,都可以瞬間分散均勻。③由于載體本身可以蓄存大量熱量,并且處于流動狀態(tài),所以床層反應(yīng)溫度均勻,很少發(fā)生局部過熱現(xiàn)象,床內(nèi)溫度容易控制。即使一次投入較多量的可燃性廢棄物,也不會產(chǎn)生急冷或急熱現(xiàn)象。④在處理含有大量易揮發(fā)性物質(zhì)時(如含油污泥),也不會像多段爐那樣有引起爆炸的危險。⑤流化床的結(jié)構(gòu)簡單,設(shè)有機械傳動部件,故障少,建造費用低。⑥空氣過剩系數(shù)可以較少。⑦特別是流化床焚燒爐還具有其本身獨特的優(yōu)點:燃料適應(yīng)性廣,易于實現(xiàn)對有害氣體so2和nox等的控制,還可獲得較高的燃燒效率,污泥焚燒的灰份有多種用途等等。因此,流化床焚燒爐得到了較好的應(yīng)用,其型式有道爾奧利弗(dorr oLiver)流化床焚燒爐、考可蘭(copeLand)式流化床焚燒爐、回旋型流化床焚燒爐、帶干燥段的流化床焚燒爐等.
雖然焚燒法與其它方法相比具有突出的優(yōu)點,但是另一方面隨著焚燒工藝的使用,它所存在的若干問題也日漸暴露出來。其一,焚燒需要消耗大量的能源,而能源價格又不斷上漲,焚燒的成本和運行費均很高;其二,存在煙氣污染問題,噪聲、震動、熱和輻射以及產(chǎn)生成為環(huán)境熱點的二惡英污染問題。各發(fā)達國家都在制定更嚴格地固體焚燒爐煙氣的排放標(biāo)準(zhǔn),這也將給剩余污泥的焚燒提出更高的要求。所以,開發(fā)熱效率高,并能把環(huán)境污染控制在最小限度的焚燒工藝成為當(dāng)務(wù)之急。
綜上所述,目前焚燒工藝被世界各國認為是污泥處理中的最佳實用技術(shù)之一。在歐洲、美國、日本等國家,該工藝已日漸成熟,它以處理速度快,減量化程國家,該工藝已日漸成熟,它以處理速度快,減量化程來,世界各國的環(huán)境條件均對廢棄物處理所花費的時間和所占的空間提出了更為嚴格的要求,因而污泥焚燒技術(shù)已逐步成為污泥處理的主流技術(shù),愈來愈受到世界各國的青睞。我國在廢物焚燒的研究方面起步較晚,特別是在污水廠剩余污泥焚燒這一領(lǐng)域更是缺乏系統(tǒng)的研究,因此對污泥處理中焚燒這一技術(shù)的研究就顯得日益重要。
3 流化床焚燒爐焚燒工藝特性
3．1 muLhausen污水處理廠污泥處理工藝流程
污泥處理工藝流程見圖1。
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muhLhausen污水處理廠每年產(chǎn)生的污泥量為540000m,即每日所產(chǎn)生的污泥量為1500m,污泥540000m,即每日所產(chǎn)生的污泥量為1500m,污泥540000m,即每日所產(chǎn)生的污泥量為1500m,污泥540000m,即每日所產(chǎn)生的污泥量為1500m,污泥540000m,即每日所產(chǎn)生的污泥量為1500m,污泥池產(chǎn)生的剩余污泥經(jīng)重力濃縮池,污泥體積降為原體積的一半左右,有8座污泥濃縮池,體積總計11400m。經(jīng)過離心脫水和干燥的污泥送去焚燒,有4個離心機,最大處理量為160m h,3個污泥干燥機,處理量為18t h,2座流化床焚燒爐的每日干燥污泥焚燒量為72t。
3．2 污泥焚燒工藝流程
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污泥焚燒工藝流程見圖2。流向離心脫水機的污泥是由約65%的消化污泥和35%的剩余污泥所組成的,經(jīng)機械脫水后,污泥含水率降至75%。干燥機形式為圓盤干燥機(飽和蒸汽壓為9bar),污泥經(jīng)過干燥處理后,可達到50%～55%的含固率,這種組分的污泥在流化床爐中可保證自行燃燒,無需額外添加助燃劑,可大大減少能源的浪費。煙氣和飛灰在850℃左右時在同一個方向上離開焚燒爐,在余熱鍋爐中其溫度降至210℃,在接下來的靜電除塵器Ⅰ中進行脫塵,剩余的灰塵含量約為100mg m。經(jīng)過準(zhǔn)干燥煙氣洗滌裝置凈化后的煙氣通過煙囪排放,灰塵被貯存在灰塵貯房中,稍后再利用或者運走
準(zhǔn)干燥煙氣洗滌裝置是由噴射干燥機,靜電除塵器Ⅱ,2個洗氣池所構(gòu)成的,這套裝置的目的是為了減輕空氣污染的負擔(dān),進一步去除煙氣中尚存的灰塵、重金屬和硫、氯、氟、氮氧化物等有害物質(zhì),煙塵量可以降低到目前含量的十分之一(<10mg m)。特別需要指出的是,對于去除煙氣中所含有的金屬汞單質(zhì)和汞離子,m櫣hLhausen污水廠使用了專門的去除方法———hok(膛式爐焦炭)氣流吸附法和在堿洗池添加藥劑tmt15。
在靜電除塵器Ⅰ和噴射干燥機之間的連接管道中,放有hok(膛式爐焦炭),它的目的是吸附煙氣中所含有的金屬汞單質(zhì),大約每m煙氣需 300～330ghok。這樣含有汞的顆粒在靜電除塵器Ⅱ中,可以與煙氣完全分離。接著煙氣流入到2個洗氣池中,第1個為水洗池,主要為吸附灰塵和一些硫氧化物、HCL、HF等有害氣體,ph值<1;第2個為濃度33%的naoh洗氣池,主要為去除so2等酸性氣體,該池的ph值為7左右,同時在這里,必須考慮到汞離子的去除———添加少量的tmt15,使之與hg結(jié)合。這樣通過hok氣流吸附法和使用添加到tmt15使金屬汞和汞離子從煙氣中被去除,同時沒有影響其它有害物的分離。最后積聚汞的顆粒和其它剩余物(鹽)一起從靜電除塵器Ⅱ中排除,作為特種垃圾被處理。這樣m櫣hLhausen污水處理廠所排放的煙氣經(jīng)洗氣池處理后,完全符合1986年所確定的氣體排放保護法所規(guī)定的限值。最后被凈化的煙氣以74℃經(jīng)100m高的煙囪排入大氣。
3．3 鼓泡式流化床焚燒爐污泥焚燒工藝特性
muhLhausen污水處理廠所使用的鼓泡式流化床焚燒爐的結(jié)構(gòu)如圖3所示
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支配燃燒過程的因素:時間、溫度、廢物和空氣的混合程度。這些因素有著相互依賴的關(guān)系,而每一個因素又可單獨對燃燒產(chǎn)生影響。燃燒反應(yīng)所需的時間就是燒掉固體廢物的時間。這就要求固體廢物在燃燒層內(nèi)有適當(dāng)?shù)耐Ａ魰r間。固體粒度愈細,與空氣的接觸面愈大,燃燒速度快,固體在燃燒室內(nèi)的停留時間就短,燃燒時間與固體廢物粒度的1～2次方成正比;反應(yīng)速度隨溫度的升高而加快,所以在較高的溫度下燃燒時所需的時間較短;為了使固體廢物燃燒完全,必須往燃燒室內(nèi)鼓入過量的空氣。氧濃度高,燃燒速度快,這是燃燒的最基本條件。對具體的廢物燃燒過程,需要根據(jù)物料的特性和設(shè)備的類型等因素確定過剩氣量。在該焚燒爐的爐膛內(nèi),有1個懸浮的焚燒區(qū)。當(dāng)處于靜止?fàn)顟B(tài)時,爐膛內(nèi)有1個約50cm厚的細砂床置 于噴嘴式氣體分配板之上,載體為十幾孔目的石英砂 ,在焚燒爐運轉(zhuǎn)過程中,熱空氣從爐膛下部通入,并以 一定速度通過分配板,從而細砂床呈“沸騰”狀態(tài),產(chǎn)生了一個約1．5～2．0m的流化床。流化床的流化起 始速度umf為10～20cm s,空塔速度ua是umf的2～8 倍。若ua>15umf時,載體的帶出量非常大,同時床層 壓力將減少;若ua<1．5umf時,被焚燒物呈未燃燒狀態(tài),容易結(jié)成餅狀,破壞系統(tǒng)運行。污泥從塔側(cè)的投 料口投入到流化床上,在那里污泥急速的燃燒。直接 位于流化床區(qū)域上的爐區(qū)是二次燃燒區(qū)。該流化床具有的一個特性是:在焚燒過程中,污泥中有機物所產(chǎn)生的熱量,可作為污泥中所含水分蒸發(fā)所需的能量,這樣對于流化床的二次燃燒區(qū)來說,附加的燃燒室就不再需要了,從而使流化床的溫度比煙氣的出口溫度要低 25～60℃。
在燃燒過程中過剩空氣比為1．4,在高溫區(qū)(>850℃)送入二次空氣燃燒,減少co、不完全燃燒產(chǎn)物和前軀體的生成量,從而抑制二惡英的生成量所產(chǎn)生的煙氣在850～900℃的溫度范圍從爐膛上部排出,進入余熱鍋爐(在此所產(chǎn)生的9bar的飽和蒸汽用于污泥干燥機的加熱),同時煙氣在這里被冷卻到210℃。未燃燒的碳粒或多環(huán)芳烴等合成二惡英在300℃附近最顯著,因此為防止這種合成,讓除塵器低溫化,即將除塵器入口氣體溫度降至 210℃以下,抑制二惡英的生成。該流化床的另一特性是它在運轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的爐渣非常少,主要是以一種很細的灰———飛灰,散布在煙氣中,它的去除是通過余熱鍋爐后的靜電除塵器來捕集。對于煙氣中所含有的有害污染物是通過噴霧式濕法洗滌而被去除。在該水廠,共設(shè)有2個洗氣池,分別采用的是水和naoh溶液進行濕法洗滌.
4 結(jié)語
鼓泡式流化床焚燒爐,燃燒速度快,固體在燃燒室內(nèi)的停留時間短,污泥中有機物所產(chǎn)生的熱量,可作為污泥中所含水分蒸發(fā)所需的能量,無需附加燃料,且在運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的爐渣極少,其后續(xù)的靜電除塵器和煙氣洗滌系統(tǒng)可捕集去除煙氣中尚存的灰塵、重金屬和氮氧化物等有害物,確保了所排放的煙氣達標(biāo)。
參考文獻
1 李軍,楊秀山,彭永臻編著.微生物與水處理工程.北京:化工出版社,2002.
2 (日)平岡正騰,吉野善彌著.宗永平,林譯.污泥處理工程學(xué).上海:華東化工學(xué)院出版社,2000.
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