污泥焚烧处置技术的研究——毕业设计

《污泥焚烧处置技术的研究——毕业设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《污泥焚烧处置技术的研究——毕业设计（40页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、华北电力大学本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）题 目污泥焚烧处置技术的研究院 系专业班级学生姓名指导教师二一年六月37摘要污泥是一种有毒有害的废物，如不妥善处置，会形成严重的二次污染，不仅会污染环境，还会影响到人类健康。目前，我国对污泥一般采取填埋的处理方式而以燃烧的方式处理污泥的做法还不普及，并且在技术上也落后于发达国家。本文以城市生活污泥为研究对象，分析了污泥的基本特性，污泥的燃烧特性。根据污泥的特点，分析发现如果想通过焚烧污泥得到高品质的工质可以采用与煤粉混燃的技术。在此基础上，研究了污泥掺混煤粉后的燃烧特性以及对烟气中有害物质的排放的影响。分析现行可燃烧污泥的燃烧设备及特点，

2、从中选用了循环流化床锅炉焚烧污泥与煤粉的混合燃料的技术。根据污泥的特性，分析了污泥与煤粉在循环流化床锅炉中焚烧对实际运行的影响。通过分析和计算获得污泥掺混煤粉后在循环流化床锅炉中燃烧特性，及燃烧效率等,并且讨论焚烧污泥对大气污染的影响。关键词：污泥，焚烧，设备，发电，污染AbstractThe sludge is a kind of virulent and harmful waste. If it is not handled properly, it will make a serious secondary pollution. It will not only pollute the

3、environment, but also have a bad effect on human health. At present, disposal of sludge by burning is not widespread in our country, and the technology is lagging behind the developed countries. This paper is a research about utilization of domestic sludge, analyzes the basic characteristics of the

4、sludge and sludges combustion behavior，research the affection of combustion while the pulverized coal mix with the sludge，analysis the present equipment which could burn the sludge and the characteristics of the equipment. After the analysis and calculation, we can get the feasibility and combustion

5、 efficiency of using the mixture of sludge and pulverized coal to generate electricity when it combust in circulating fluidized bed boiler. And research the influence of burning sludge on the air pollution.Keyword：sludge, incineration, equipment, power generation, pollution 目 录摘要IAbstractII第1章 绪 论31

6、.1本课题研究背景31.1.1目前国内污泥的来源与危害31.1.2目前国内对污泥的主要处理方式31.2国内外研究现状41.2.1常见几种类型的污泥工业分析51.2.2污泥的燃烧特性分析51.2.3 常见的污泥焚烧处理方法与焚烧设备81.2.4污泥与煤粉掺混燃烧特性分析91.2.5污泥焚烧处理对排放有害气体的影响111.3本课题研究目的及内容13第2章 污泥燃烧特性142.1污泥成分分析142.2污泥燃烧分析142.2.1实验方法142.2.2实验结果及分析15第3章 污泥焚烧技术的应用183.1污泥焚烧处理的优势183.1.1对污泥的有效利用183.1.2污泥焚烧设备及各设备优缺点183. 2

7、污泥与煤粉混燃对燃烧的影响203.2.1 污泥与煤粉混燃的燃烧特性分析203.2.2燃烧温度沿炉膛高度的分布特性213.2.3炉内床压的变化特性213.3污泥与煤粉混燃对烟气排放的影响223.3.1烟气中不完全燃烧产物的排放223.3.2温度对N2O和NOx排放的影响243.3.3水分对N2O和NOx排放的影响253.3.4煤对N2O和NOx排放的影响25第4章 污泥焚烧发电研究264.1污泥燃烧设计264.1.1选用污泥及煤粉的工业分析264.1.2选用循环流化床锅炉概况264.2热力计算274.2.1燃料燃烧计算274.2.2锅炉机组热平衡计算284.3 对循环流化床锅炉掺烧污泥在运行中的

8、问题的分析324.3.1掺烧污泥存在问题324.3.2分析相关的解决方法32第5章 全文总结34参 考 文 献35致 谢37第1章 绪 论1.1本课题研究背景1.1.1目前国内污泥的来源与危害随着我国经济的发展、城市化进程的加快以及污水处理率的提高，污泥的产量日益增加。按照我国的城市人口基数，既便只有1亿人口的污水被处理，每天也将产生25000吨含固率20的污泥泥饼，这部分泥饼如果按照最高2米来堆放，每年需要600个国际标准足球场。对于城市来说，周边土地资源已经难以满足需要。因此污泥的合理处置迟早必须进行。在石油开采、运输、炼制及含油污水处理过程中也会产生大量的含油固体废物。这种石油化工污泥中

9、一般含油率在1050%，含水率在4090%，我国石油化学行业中，平均每年产生80万t罐底泥、池底泥1，胜利油田每年产生含油污泥在10万吨以上，大港油田每年产生含油污泥约15万吨，河南油田每年产生5104m3含油污泥2。可见目前不论在工业生产还是在生活废物上都有着大量的有害污泥产生。由于污泥具有产生量大、不稳定、易腐败、有恶臭、含寄生虫卵、病原微生物及重金属等有毒有害物质的特点，如不进行妥善、科学地处理处置，将对环境造成严重的二次污染。因此，如何合理处置污水污泥，解决城市污泥的出路己成为我国非常紧迫的任务。1.1.2目前国内对污泥的主要处理方式欧共体将污泥划为“特殊垃圾”(不是“危险垃圾”)，必

10、须具有资格的企业按照规定的程序进行妥善处理，不得弃置。而在国内对于相关的政策规定还没有完善，以至于大量的废弃含油污泥常常被非法取用，造成土地的重金属积累超标、土地板结，人类居住环境和食物被无意中污染和破坏。今年从新回到人们视野中被广泛关注的地沟油事件再次为人们敲响了警钟。怎样才能够妥善、科学地处理产量巨大而且成分复杂的污泥，已经成为一项现在为国内所广泛关注的课题。而目前我国污泥处理处置方法还有很多不足，各种处置方法所占比例如图1-1所示。3 图中几种污泥处理处置方法在我国所占的比例图1-1 几种污泥处理处置方式在我国所占的比例如上饼状图所示可见，目前主要以农用、简易填埋为主。而用于焚烧的污泥处

11、置方式只有3.45%。而污泥焚烧是一种常见的污泥处置方法，它可破坏全部有机质，杀死一切病原体，并最大限度地减少污泥体积。对于人口稠密的沿海或是大城市，污泥中有毒有害物质含量较高，上地填埋和农田利用都受到限制，或是因远离处理场运输费用较高，使用焚烧法进行处理是值得推广的处理方法。且随着经济的发展，我国污泥的组成、产量和热值等方面变的越来越适于焚烧处理。焚烧后产生的热能可以用来发电例如平湖造纸污泥焚烧发电厂的日处理污泥为750t(含水率为85%),采用2台蒸发量为130 t/h的高温、高压流化床焚烧炉.该系统采用已在电厂汽动给水泵做功后排出的过热蒸汽对污泥进行干化预处理.4可见焚烧处理方式是我国污

12、泥处置方式的必然的发展重点。所以在本设计（论文）中将分析研究有关污泥焚烧技术工艺、原理、设备及运行。1.2国内外研究现状现在国内外主要针对污泥的干化处理，污泥燃烧动力特性，燃烧方式，催化作用以及燃烧排放特性等问题进行了相关的研究。1.2.1常见几种类型的污泥工业分析污泥不同于其它的固体废物，而且由于污泥的来源不同，在其燃烧特性上又存在着很大的差别，在此简单举出几种污泥的工业分析；56如 表1-1：表1-1 我国几种污泥的工业分析污泥工业分析污泥来源MadVadAadFCadnet/kJkg-1A7.2942.7444.585.397 846B5.1239.8851.733.268461C6.1

13、243.8445.054.989810D6.9722.6755.5114.858246式样来源：A：上海市石洞口污水处理厂； B：黄石污水处理厂； C：上海程桥污水处理厂； D：上海吴淞污水处理厂；从工业分析数据可以看出虽然不同污泥来源地工业分析结果不同，但是与煤粉相比较污泥的工业分析结果具有鲜明的特点。首先是挥发份较高，相对于煤粉污泥更易点燃。其次是含水量大，含碳量小。针对污泥的总体特点对污泥的燃烧特性进行特性分析。1.2.2污泥的燃烧特性分析目前对于燃料热解实验采用较先进的TGA-FTIR技术。（其结构图如图1-2所示）为污泥热解与燃烧装置的开发提供必要的数据。78图1-2 TGA/FTI

14、R测量系统1-DSC及TG样品架,2-样品支撑架, 3-红外防护屏,4-电炉着火特性一般由TGDTG方法，它可以直观的看到燃料在不同温度下的燃烧状况。9同时配合差温曲线分析，如图1-3反映了试样在整个燃烧过程中热量随温度的变化规律。10 图1-3实验工业污泥的差热曲线可以看出，在燃烧前期，差热曲线上有明显的放热峰，此阶段对应着挥发分的燃烧，放热峰值对应温度在 320350之间，此时挥发分剧烈燃烧，峰值对应温度和DTG曲线上最大失重速率对应温度一致。在燃烧后期，固定碳的燃烧在差热曲线上也表现明显，放热峰值对应温度在 470500之间。说明工业污泥着火温度和燃尽温度均较低，易于燃尽的特点。根据差热

15、曲线，利用微分方法可以求解污泥的反应动力学参数。气体和固体之间的反应速率可以表示为：（1）式中，污泥热解过程中消耗的量；A频率因子；E活化能；R气体常数；T反应温度；f()与热解机理相关的函数，它的大小取决于反应机理函数（2）其中 n 为反应级数。求解这个反应的动力学参数方法有很多，本文采用最常用的微分法。微分法是利用 DTG 曲线进行计算。由差热分析的 TG 曲线可以求得：（3）GT0 为物质未反应时失重率，这里定义为 MD（水分）；GT为物质在 T 温度时的失重率，；这里表示为（g-gT）/g，g 是初始的试样重量；GT,max 物质反应结束时的失重率，这里表示为（g-gT,max）/g。

16、结合公式（1）和 DTG 的定义（用V 表示），在恒定升温速率下得：（4）为升温速率。联立（1）（2）（4）得：（5）两边取对数变形得：（6）由式（6）以等式左边（Y）对 1/T（X）作TG DTG图 111210,20,40,80C/min时,不同升温速率对含油污泥着火和燃尽的影响很大.随着升温速率升高,含油污泥燃烧的着火温度和燃尽温度均有所提高,着火与燃尽时间也相应提前.在整个燃烧过程中,虽然从着火到燃尽的温差变化不大,但完成燃烧的时间明显缩短. 13如图1-4所示为城市污泥燃烧特性（材料取自徐州奎河污水处理厂未消化的污泥）14图1-4不同升温速率下污泥燃烧的TG和DTG曲线污泥燃烧特性与

17、煤粉类似，其燃烧特性与污泥种类和污泥性质有很大关系。虽然不同来源的污泥性质不同，但一般挥发分较高,含碳量较低,整个燃烧过程可分为三个阶段:水分析出的阶段;挥发分析出燃烧阶段;焦碳燃烧的阶段。151.2.3 常见的污泥焚烧处理方法与焚烧设备根据污泥所体现出来的主要特征目前国内外污泥处理技术主要发展干化污泥燃烧技术。即为污泥经“脱水-干化-焚烧-化工和建材”的一体化处理专利技术(ZL 200620049453.4):污泥首先脱水,产生的湿污泥在炉前干燥器内被热烟气加热干燥,生成的干化污泥送入循环流化床锅炉内燃烧,燃烧生成的热烟气引入炉前干燥器内作为干燥介质,燃烧生成的灰渣作为建筑、化工原材料,锅炉

18、产生的蒸汽引入传统的蒸汽-发电系统发电、供热。5燃烧设备主要采用的是垃圾焚烧炉，主要有炉排炉、旋转窑炉、循环流化床炉以及融融焚烧炉。其中循环流化床炉具有燃烧效率高，能够有效控制有害气体的产生，加入石灰石可以有效的脱硫，热能可用于工业供气、供热、发电等，无炉排等转动部件，设备故障少，容易维修，投资费用低等优点而得到了广泛的推广应用。目前日本和美国及欧洲正在研究引进熔融焚烧炉技术，正处于从普通流化床焚烧炉向熔融炉转型阶段。161.2.4污泥与煤粉掺混燃烧特性分析由于污泥与煤粉相比更易燃烧但是发热量太低，如果单独依靠污泥作为燃料很难满足发电需求。17所以在生产应用中往往采取在煤粉中掺杂污泥的方式运行

19、。由于污泥中含水量低，所以过多掺入污泥可能会导致给粉系统中出现堵塞现象。另外由于污泥的发热量低，如果掺入量过多往往会影响到锅炉的效率。如表1-2所示，反映出煤中掺入污泥后对原煤耗量的影响。可见当燃煤中掺入少量污泥(比例不大于6%),对燃料燃烧的稳定,锅炉参数和受热面工作的安全性不会产生不良影响。18对于流化床锅炉由于流化床锅炉更利于劣质燃料的燃烧所以掺混比例可以提高很多。19 物质内部结构的变化对燃烧过程的发生、发展具有重要作用。从污泥焦粒径分布可以看出污泥焦属于多孔介质，使得空气易于扩散到其中的气孔中，有利于燃烧。2021除了与煤粉的掺混燃烧方式外，掺混水煤浆燃烧也是一种可行的燃烧方式。水煤

20、浆与污泥具有不同的灰分、挥发分及固定碳,其燃烧性能与自身性质有很大关系,表现出不同的DTG曲线, 混合浆的燃烧特性比较复杂,污泥与水煤浆各自性质对其有着很大的影响,燃烧特性总体表现为两者共同作用的结果,DTG、TG曲线基本位于污泥及水煤浆单一燃烧的DTG、TG曲线之间 从污泥和水煤浆混烧的整个过程看,混合浆的燃烧特性在某些方面优于污泥和水煤浆的单一燃烧,污泥掺入后S有所升高22。另外值得关注的是湿法燃烧方式。湿式燃烧亦称湿式氧化,是将溶解和悬浮于水中的有机物或还原性的无机物,在高压加热下压入空气,使之氧化转变成CO2、H2O,以及少量惰性固体残渣,结果有机物的结构和成分发生改变,脱水性能大大改

21、善。实验证明,湿式燃烧法是处理高浓度有机废水和污泥的重要方法。23表1-2煤中掺入污泥后对原煤耗量的影响在煤中掺入城市污泥后,混合试样和煤相比其活化性能得到提高,着火温度提前,但是综合燃烧性能却是下降的。在混合试样的燃烧过程中,煤和污泥基本上保持了各自的挥发分析出特性,煤的燃烧表现得更为明显。24氧气浓度对实验样品燃烧特性有较大影响。随着氧浓度的增加,燃烧曲线向低温方向移动,混合试样的着火提前,燃烧时间缩短,失重速率加快,达到最大失重速率温度降低。25污泥因为具有很高的挥发份，所以易燃烧。可以在污泥中加入金属化合物起到助燃和催化的作用。污泥添加不同金属化合物 K2CO3、NaCl 和 Al2O

22、3后，其着火点有一定的下降，对污泥的燃烧有促进作用；如图1-5中的单一酸洗及添加不同金属化合物污泥燃烧TG和DTG图所示，不同金属元素化合物的加入对污泥燃烧性能有一定的改善，并且在燃烧的不同阶段金属化合物表现出不同的催化能力。金属化合物催化机理是金属充当氧的载体，加快氧气扩散速度，促进了氧的转移。26图1-5酸洗及添加金属化合物对污泥燃烧的影响1.2.5污泥焚烧处理对排放有害气体的影响由表2-1可以看出污泥与煤粉在含碳量和含水量上有着很大的区别，这也影响着污泥燃烧后烟气排放的问题。利用简单的锅炉（其结构如图1-6）模拟污泥的燃烧，收集排出的烟气进行成分分析。结果如图1-7所示：图1-6模拟用锅

23、炉结构图图1-7排烟分析结果各种污泥单独燃烧时SO2、NOx释放浓度较高,SO2释放主要取决于挥发分燃烧阶段,而NO的释放则取决于挥发分燃烧、半焦燃烧两个阶段;污泥燃烧时NO的释放浓度与其O/N比例有关,并且其自身含有的CaO、MgO等碱金属不仅可以固硫而且NO有积极的催化还原作用,使NO生成减少。(2)作为一种洁净煤技术,利用污泥型煤技术处理污泥可以降低气体污染物的排放,同时利用污泥作为粘结剂并利用其所含的热能,有利于能源化、洁净化处理污泥的目的。27氧的变迁转化影响着NOx 的排放特性，SOx 的排放规律，CO2排放。运用 XPS 研究了煤经氧化后其含氧官能团的变化发现：烟煤中含氧官能团在

24、燃烧过程中呈现以下变化趋势：无机氧(Al2O3/SiO2)含量上升，羟基(OH)含量下降，羰基(CO)呈波动状变化，羧基(COOH)含量先上升后下降。污泥中无机氧(Al2O3/SiO2)、羟基(OH)、羰基(CO)和羧基(COOH)等 4 种含氧官能团的变化与煤类似。煤和污泥中的含氧官能团在混烧过程中均保持了各自的独立性，未发生明显的相互作用。本实验条件下，混烧过程中煤占主导地位。28污泥焚烧过程中C2H6、C3H8、C6H14、C6H6、C6H5NH2等不完全燃烧产物的质量浓度均高于煤的焚烧,而CO的排放质量浓度却远低于煤燃烧的排放。但是与煤粉按1:1比例混合后燃烧发现排放主要为CO，并且会

25、提高煤粉的CO排放量。同时污泥燃烧过程中会产生二噁英等有毒有害物质。经国内外研究发现控制水含量和硫含量以及燃烧温度等可以有效的控制有害气体的排放。29另外固体燃料和固体废物在燃烧和气化过程中的汞排放问题在全球己经受到广泛关注。该文首先选取3个煤种和3种干城市污泥作为样本，通过热重(TG)实验了解汞在燃烧和气化过程中的基本析出行为。然后选取一个污泥样在滴管炉里燃烧，研究汞在接近实际燃烧状况下的析出行为。通过热平衡计算预测了在和实验相同条件下汞析出的变化趋势。结果表明，90%的汞在873K时己经析出，而在固定碳含量较高的燃料表现出汞析出比例较慢的特点。另外较高的cllHg促进煤中汞的析出，而较高的

26、slHg摩尔比抑制污泥汞的析出。值得注意的是在气化条件下，即使在低温下单质汞也能生成并析出。301.3本课题研究目的及内容本课题将详细的研究国内重点城市的污泥来源及构成，污泥的危害，阐述国内外污泥主流处理工艺构成及原理。阐述污泥的焚烧技术工艺、原理、主要设备及运行问题。分析污泥燃烧发电的可行性，并设计和计算污泥燃烧发电的相关数据。第2章 污泥燃烧特性本文中选取城市污水处理厂的城市生活污泥（下文简称为污泥）作为研究对象。本章首先对污泥进行了工业分析、化学成分分析，在此基础上，对污泥进行热分析，研究了污泥的燃烧特性。2.1污泥成分分析污泥的工业分析包括水分，灰分，挥发份，固定碳和发热量。样品来自上

27、海程桥污水处理厂。分析结果如表2-1所示。表2-1 污泥工业分析MadAadVadFCadnet/kJkg-16.1245.0543.844.989810从表2-1可以看出因为城市污泥中含有较多的挥发分和固定碳，致使污泥发热量很高。由于城市污泥中含有较高的热值，其在循环流化床锅炉中焚烧时可以替代部分燃料，但要适当的调整用煤量。2.2污泥燃烧分析2.2.1实验方法实验采用的仪器是由德国NETSCH公司和BRUKER公司联合制造的TGA-FTIR热综合分析仪,其TGA部分是NETZSCH的STA-409热重分析仪。（其具体结构见图1-2）其主要特征是可同时对试样进行TG分析和对析出成分进行分析。仪

28、器主要由以下几部分组成：天平系统、电加热炉、红外分析系统。温度范围01 600，热重灵敏度最高1.25m；样品重量05000 mg；热量测量范围0500 mV；差热灵敏度约18V/mW；差热测量范围05 000V。测量气氛：动、静态氧化、还原气体、惰性气体和部分腐蚀气体、真空。7实验样污泥经过筛分,粒径为8045目。3个样品称相同重量(20mg)。氧气流量80ml/min,升温速率30/min,终温污泥850,。实验使用纯氧是希望得到更为明显的反应效果。2.2.2实验结果及分析图2-1为样品污泥的热重曲线,由图可以看出在着火燃烧之前有增重现象,最大增重约为初始重量的2%,并伴有发热,然后开始着

29、火,迅速失重。对这种现象,我们认为,当污泥被加热时,气相环境中氧扩散到污泥的外表面和内部孔隙,在污泥表面上发生物理和化学吸附。由于加热速率低,所以使得氧分子有足够的时间完全覆盖污泥的内外表面,因此,增重现象可以认为是氧吸附到污泥颗粒的表面所引起的。样品污泥DTG曲线有两个峰,即可能有两步反应,样品污泥两个峰比较接近,基本上都属于挥发分燃烧的温度范围。可以看出,污泥的挥发分较高,含碳量较低,如以水分蒸发段及空气吸附段后开始，迅速失重前的一个波谷值对应的温度为着火点,则比煤低些,而燃尽温度也较煤要低。图2-1程桥污泥的热重曲线这些情况与这种污泥的工业分析相吻合:各种污泥总失重率与污泥灰分含量之和接

30、近100%,说明污泥热重实验准确;程桥污泥挥发分含量高、灰分少、含碳量也少,因此只在低温区间出现峰值。用Phadnis方法求取反应动力学参数假设在一个有限的时间区间内,有一个绝热反应,气体和固体之间的反应速率可以表示为:d/dt=Ae-E/(RT)f() (1)式中,为在燃烧中消耗的燃料分额,A为频率因子,E为活化能,R为气体常数,T为反应温度。f()为与固体未燃反应物和反应速率有关的函数,它的大小取决于反应机理3。在恒定的程序升温速率下,=dT/dt,则d/dT=(A/)e-E/(RT)f() (2)求解这个燃烧反应动力学方程的方法很多,其中主要的是微分法和积分法,有不少研究者在这方面发表了

31、有关的文章。本文采用Phadnis的方法推断反应机理,公式如下f()g()=(RT2/E)1-2RT/Ed/dT (3)由于2R2T3/E2很小,可忽略。于是(3)式可简化为:f()g()=(RT2/E)(d/dT) (4)然后通过所作出的f()g()-T2d/dT图,使成线性,其斜率为R/E,微分法是作ln(d/dt)/f()-1/T图,发现f()=(1-)1/r与1/T的线性度比较好,画出分别对应的ln(d/dt)/f()-1/T图(简称微分图)和f()g()-T2d/dT图(简称Phadnis图)。根据对这些图中数据点的线性拟合得出,当r=4时,微分图直线方程为Y=17.53549-84

32、37.9x,拟合相关参数为R=0.99482;Phadnis图直线方程为Y=0.00014x-0.00486,拟合相关参数为R=0.99777(见图2-2)。实际此时两个斜率之积为-1.181306。可以认为f()=(1-)1/4是基本正确的描述了这一阶段反应机理的方程,再由微分图中的斜率和截距求出:E=70.1kJ/mol,A=4.1105l/min。图2-2程桥污泥燃烧的Phadns图第一步反应的第二阶段,与前面的方法一致。结果如下:f()=(1-)-1/3-1-1,E=304.3kJ/mol,A=18.1 l/min。这个反应机理称为Ginstling-Brounshtein圆柱形对称三

33、维扩散。第二步反应的研究方法与第一步反应大致相同,结论是:在DTG峰值之前,f()=(1-)1/4,E=83.6kJ/mol,A=1.12106l/min;在DTG峰值之后,f()=(1-)-1/3-1-1,E=245 kJ/mol,A=27.61/min。由以上的分析可知程桥污泥的反应机理可表述为:在典型的TGA加热的条件下,污泥表面氧气吸附增重之后,温度不断上升,在开始燃烧时,氧浓度是过量的,此时的总反应速率应当取决于挥发分的析出速率和析出的挥发分与氧燃烧的反应速率,而在此时,虽然污泥的灰分都较高,但在燃烧初期挥发分从污泥颗粒的表面及外层部分析出,不会受到大的阻碍,所以总反应速率是服从化学

34、反应速度控制的,其机理方程为f()=(1-)1/4。其后,燃烧继续进行,不断放热,温度上升,使反应速率加快,然而另一方面,反应也不断向污泥颗粒内部推进,氧气向内部扩散与产物气体向外扩散又相互阻碍,而这时温度已经比较高,挥发分和碳的燃烧都足够快,因此,总反应速率完全受扩散因素的控制,其机理方程为f()=(1-)-1/3-1-1。由分析可以看出,扩散因素控制的反应活化能高于表面反应的活化能,是符合污泥的自身特性的,质地疏松,挥发分高易于析出,然而污泥的含碳量低,残碳燃烧不易于进行。经过分析可知样品污泥的挥发分较高,含碳量较低,整个燃烧过程可分为三个阶段:水分析出的阶段；挥发分析出燃烧阶段；焦碳燃烧

35、的阶段。6第3章 污泥焚烧技术的应用3.1污泥焚烧处理的优势3.1.1对污泥的有效利用污泥的处理方式主要有：填埋处理，堆肥处理和焚烧处理三种。填埋法是将污泥直接或与垃圾混合后填入大坑或洼地中，以利恢复地貌和维护生态平衡。但是此方法的缺点是土地占用量大，填埋后易造成二次污染，如污染地下水源、有害气体四处飘散污染大气、有害金属在填埋场半径50km范围内会形成富集圈带以及被填埋的污泥发酵产生的甲烷气体等容易引发爆炸等。堆肥法，也是农业处理法，是将污泥运到市郊农村作肥田处理。此法能有效改良土壤，且处理成本低，处理量大，但由于未经分选，使许多有用之物白白浪费，同时许多非肥田成分，这些成分会造成二次污染，

36、所以此法目前仅限于较小规模。可见以上两种的污泥处理方式都不适合大规模的应用。随着城市大规模的发展，石油产量的不断增大，以上两种处理方式对环境的破坏和占用的土地等问题就越发的暴露出来。相比之下，焚烧法更适合未来的发展趋势。焚烧法是将污泥进行焚烧处理，使其体积减小，质量减轻（体积可缩小90%，质量减少75%）。该方法的优点是，能有效地减少污泥的填埋量，经焚烧后只有大约相当于最初体积的十分之一需要填埋，且能回收能量和部分烧结渣的再次利用。一般高位发热量大于3400kj/kg的污泥适于焚烧处理。燃烧产生的热能可用于供热或发电，燃烧效率可以达到85%，热效率可达到50%以上。现在新的烟气涡轮增压技术，和

37、与污水处理厂联合运行的技术可以使热效率进一步得到提高。3.1.2污泥焚烧设备及各设备优缺点焚烧炉主要有：炉排炉、旋转窑炉、循环流化床炉及融融焚烧炉。机械式层燃炉排焚烧炉具有较长的发展历史，常用有：滚动炉排、往后运行炉排、希格斯路牌、W型炉排等。层燃炉焚烧机理是污泥送入炉膛的炉排上，燃料随炉排往后移动，从炉膛来的强烈火焰辐射使得污泥干燥，并在炉排前段有效着火，经炉排中后段污泥在助燃空气的作用下充分燃尽。其主要特点为：燃料的适应性广，可用不同特性的燃料，运行，操作方便，具有较高的可靠性和稳定性。保持燃烧烟气的高温和炉膛内停留的时间，可减少有害气体的排放。但燃烧效率低，易存在机械故障。旋转窑焚烧炉分

38、为基本形式和有废物干燥区两种形式。一般的旋转炉是一个略微倾斜而内衬耐火砖的空心圆筒，窑体通常很大。大多数废物料是由燃烧过程中产生的气体及窑壁传输的热量加热的。固体废物可从前端送入窑中进行焚烧，以定速来达到搅拌废物的目的。旋转时需保持适当的倾斜度，以利固体废物下滑。此外，废液废气可以从前端，中端，后端同时配合助燃空气送入，甚至于整桶装的污泥也可以送入旋转炉燃烧。有废物干燥区的旋转焚烧炉可以用来处理夹带着任何液体的和大体积的固体废物。在干燥区，水分和挥发性有机物被蒸发掉，然后，蒸发物绕过转窑进入二燃室。固体物进入转窑之前，在通过燃烧炉排时被点燃。二燃室能使挥发物种的有机物和由气体中悬浮颗粒所夹带的

39、有机物完全燃烧。循环流化床锅炉用于垃圾和污泥焚烧是最近几十年才发展起来的，垃圾燃料进入燃烧室与灼热的床料充分混合焚烧，其中大块（1015mm粒状）不可燃物由床底部的连续排渣装置排出，经冷渣器后排外，未燃尽细小物质则从燃烧室上部进入旋风分离器，大部分被分离器收集经反料装置返回燃烧室继续燃烧，这样反复几次循环达到燃尽的目的。由于流化床流化特性，要求温度均匀地保持在850900之间，使床内能保持稳定燃烧，污泥及其臭气中的有害成分（二噁英等）能在炉膛内得到裂解焚烧，而不产生新的有害物质。循环流化床锅炉有以下主要特点：燃烧效率高，特别适合高水分低热值的污泥焚烧。灰渣无臭味，可直接填埋或用于建材生产。能够

40、有效控制垃圾分解过程中有害气体的产生，由于燃烧温度可均匀控制在850900之间，其NOx的生成量较小。当燃烧温度大于1300时，NOx才会大量生成。由于二噁英是在燃烧不稳定、炉膛燃烧温度不均匀、燃烧温度小于850及金属催化剂条件下生成，因而循环流化床焚烧锅炉可以有效抑制二噁英的生成。炉内加石灰石，可有效脱硫。在Ca/S为1:2时，脱硫效率大于85%，尾部喷水和石灰粉可有效脱除污泥燃烧过程中产生的HCl、HF、SO2等有害气体。焚烧产生的热能品质高可用于生产蒸汽、供热和发电等。循环流化床焚烧炉无炉排炉等旋转部件，设备故障少，容易维修，投资费用低。熔融焚烧炉是用高温熔融铁水作为焚烧炉料，温度高达1

41、400，垃圾投入炉中迅速熔化或气化，热解有害气体或焚烧，使废气产量为传统焚烧炉的几分之一，浮渣从溢流渣口排出（液态排渣）成粒状，是二次污染极少的一种新型焚烧炉。但目前还处于开发阶段。日本已经处于从流化床焚烧炉向熔融炉转型阶段。163. 2污泥与煤粉混燃对燃烧的影响城市污泥即使经过脱水处理后水分仍较多,热值较低,若直接作为燃料不易稳定燃烧,而且燃烧产的热量较难满足工业锅炉供热和发电的需要。因此考虑将城市污泥脱水后和煤混合作为锅炉燃料,为城市污泥的最终处理寻求一条经济合理的途径,以便达到节约能源、提高企业经济效益和保护环境的目的。为了对城市污泥和煤的混料的燃烧规律有一个基本的了解,我们利用热重分析

42、法对其进行了初步的研究。3.2.1 污泥与煤粉混燃的燃烧特性分析我们发现随着在煤中掺入污泥比重的增大，试样的着火温度明显降低了，燃尽温度也相应地有所降低。我们看到污泥中的挥发分含量很高，而比较难燃的固定碳的比重相当小，因此污泥极易燃烧，燃尽温度相对也较低。煤和城市污泥相混后，由于污泥中的挥发分能够在较低的温度下迅速析出，使得试样的着火性能得到了较大的改善。在燃烧动力学参数中，活化能是一个十分重要的参数，它代表反应物的分子由初始稳定状态变为活化分子所需吸收的能量。活化能比着火温度更能从本质上描述试样的着火性能。在煤中加入少量的污泥就可使其活化性能得到较大的提高。随着试样中污泥比重的增大，着火温度

43、提前，活化性能提高，两者的变化趋势是一致的。我们还发现，随着试样中污泥比重的增大，试样的综合燃烧特性指数有所减小，表明其综合燃烧性能逐渐下降。分析表2-1中的数据，我们发现尽管污泥中挥发分的含量很大，但是所占份额最多的是氧元素，占整个挥发分含量的52.5%。氧虽然能助燃,但是它在试样中的含量比之大气中氧含量是微不足道的。城市污泥中的氮元素含量(4.76%)也要比煤中的含量(0.94%)大很多，但是氮既不可燃烧又无助燃作用，而且在燃烧反应中会生成有害气体NOx。氢和硫是可燃元素，其中硫的发热量较低,而氢的发热量最高。但是不管是在煤中还是在城市污泥中两者的含量都很小且相差不大。碳元素在煤和城市污泥

44、中的比重都是最大的，且碳的发热量很高，在燃烧中起主导作用。通过比较表2-1中的数据我们发现，煤中碳元素的含量为58.84%，而城市污泥中碳元素含量为23.70%，前者将近为后者的2.5倍。煤的最大燃烧速度和平均燃烧速度分别为9.974 %/min和3.982 %/min，分别大于城市污泥的5.328 %/min和2.235 %/min，可见煤燃烧起来要比城市污泥剧烈得多。当煤和城市污泥混合后尽管着火温度和燃尽温度有所提前但是燃烧的剧烈程度明显下降，其综合燃烧性能下降。由图2-1我们发现混合试样DTG曲线上的最大燃烧峰对应温度在500左右,和煤的DTG曲线燃烧峰所对应的温度基本一致；从DTG曲线

45、上还可以看到在此之前有一个次峰，所对应的温度在320左右，和污泥DTG曲线燃烧峰所对应的温度基本一致，这表明混合试样燃烧时，试样中的煤和污泥基本上保持了各自的挥发分析出特性。当混合试样中污泥含量较小或者和煤的含量相当时，次峰并不明显，只有当污泥的含量较大时次峰表现得才较为突出；在发生燃烧反应的温度区间内,混合试样DTG曲线的变化趋势和煤的DTG曲线变化趋势更为接近,这些表明在混合试样的燃烧过程中煤的燃烧表现得更为明显。针对我们所选的某城市污泥和某煤种，对其单独及按不同比例混合后进行的热重试验表明：在煤中掺入城市污泥后，混合试样和煤相比其活化性能得到提高，着火温度提前，但是综合燃烧性能却是下降的

46、。在混合试样的燃烧过程中，煤和污泥基本上保持了各自的挥发分析出特性，煤的燃烧表现得更为明显。173.2.2燃烧温度沿炉膛高度的分布特性图3-1为不同煤泥比在流化床内稳定燃烧时沿床高的温度分布。由图可见,煤和污泥在这三种比例下均能稳定燃烧,温度差别不是很大。图3-1不同煤泥比在流化床内混燃时沿床高的温度分布但煤和污泥在各比例下沿床层高度的温度差都很大(约350),这与Tom Ogada和Joachim Werther的研究结果是相反的。原因可能有以下两点:一是与燃料的特性有关,即由于煤粒较粗,致使较多的煤粒沉在炉底,增加了密相区的燃烧份额,故密相区温度较高;二是与污泥加入方式有关,即由于污泥的给

47、料装置位于炉顶,污泥在落下的过程中不断吸热干燥,使炉膛上部温度降低。试验也对煤泥比为3.56.5的污泥在流化床内的混合燃烧特性进行了研究,试验发现这种比例的污泥在不加额外辅助燃料的情况下不能在炉内稳定燃烧。试验还发现,在煤泥比为55的混燃试验中,当炉内温度在900以下时投入此种污泥,将会导致床温越来越低。3.2.3炉内床压的变化特性在煤泥比55的污泥混燃试验中,试验发现风室压力在逐渐降低,如图3-2所示。由此可以判断炉内床料量在逐渐减少。由于污泥粒径很细,燃烧后几乎都形成飞灰,无法形成床料,因此当煤泥比较低时,燃烧过程中需要补充床料,才能维持床压。图3-2风室压降随时间的变化曲线及其趋势线3.

48、3污泥与煤粉混燃对烟气排放的影响3.3.1烟气中不完全燃烧产物的排放在污泥的空气干燥基中挥发分占很高，固定炭含量很少；相反，在煤的空气干燥基中挥发分一般不高（除褐煤），固定炭含量则很高。可见煤和污泥性状性状差异巨大。图1-7为在焚烧工况为850炉温、流化风体积流量为3.1 m3/h的条件下,含水质量分数为41.5%的半干污泥和煤焚烧过程不完全燃烧产物的排放，图中CO(10-1)表示CO质量浓度为实际质量浓度的1/10.由图可知,污泥焚烧过程中C2H6、C3H8、C6H14、C6H6、C6H5NH2等不完全燃烧产物的质量浓度均高于煤的焚烧，而CO的排放质量浓度却远低于煤燃烧的排放。这是由于污泥在

49、流化床内的燃烧过程中挥发分的释放和燃烧占主导地位，,仅有少量固定炭残留在床层内燃烧, Ogada等人对湿污泥在流化床内挥发分的析出和燃烧有详尽的研究报道，并提出了挥发分燃烧模型,即挥发分的受热析出和燃烧不仅仅发生在床层内，而是在整个床层和悬浮区内进行；而在煤燃烧过程中占主导地位的则是固定炭的燃烧，挥发分则相对小的多，因此烟气中不完全燃烧产物的排放主要为CO。当污泥和煤以相同比例混合后焚烧时，污泥和煤混烧的不完全燃烧产物的排放特性非常相近，污泥焚烧排放的CO质量浓度稍高于煤的排放质量浓度，这是由于污泥中的水分降低了床层温度，可见污泥对煤燃烧过程不完全燃烧产物排放的影响是很小的。在焚烧工况为850

50、炉温、流化风体积流量为3.1 m3/h的条件下，不同水分下不完全燃烧产物的排放如图3-3所示。随着污泥含水质量分数升高, CO的排放质量浓度有所下降，但C3H8、C6H14和C6H5NH2等有机污染物的排放质量浓度明显上升，这是由于随着水分升高，密相区的焚烧温度下降，大量有机挥发分进入悬浮区造成的；相反，CO排放质量浓度的降低则是由于高水分下污泥中挥发分燃烧相对不够充分，CXHYCO的转化率降低的缘故。计算得3种水分下不完全燃烧产物中炭的排放质量浓度，当污泥的含水质量分数由7.3%升至41.5%,烟气中不完全燃烧炭的排放质量浓度由24mg/m3升至24.8 mg/m3。可见水分对烟气中不完全燃

51、烧炭的排放质量浓度的影响并不明显。图3-3不同污泥含水质量分数下不完全燃烧产物排放在观察密相区温度变化对CO排放影响的实验工况中，将悬浮段的温度维持在850、流化风体积流量为3.1 m3/h,通过改变床层温度t1同时观察CO质量浓度的变化。由图4可以发现，含水质量分数分别为7.3%和28.4%的干污泥， CO质量浓度随温度的变化趋势有所不同，以含水质量分数为7.3%的污泥为例， 850下的CO质量浓度低于750和950下的质量浓度；而含水质量分数为28.4%的污泥则不然.原因分析如下：随着密相区温度升高，挥发分的析出速率和燃烧速率也不断提高，假设在某一特定的温度工况内，挥发分的析出和燃烧保持平

52、衡，CO的排放质量浓度为定值，当温度升高后，假如此时的燃烧过程不仅能消耗掉由于温度升高而多析出的挥发分，而且能消耗掉部分平衡时期的挥发分，则进入悬浮区的挥发分质量浓度降低，CO质量浓度也相应降低，如图3-4中的和过程；假如温度升高后的燃烧过程甚至不能消耗掉由于温度升高而多析出的挥发分，则进入悬浮区的挥发分质量浓度升高，CO质量浓度也相应升高，如图3-4中的过程和过程。图3-4床层温度对CO排放的影响图3-5悬浮区温度对Xn的影响3.3.2温度对N2O和NOx排放的影响温度对N2O和NOx的影响趋势相反，温度升高对N2O的排放有抑制作用，而对NOx的排放则有促进作用。这是由于N2O的生成路径主要

53、为NCO+NON2O+CO，在高温环境下，NCO发生下述分解反应:NCO+HNH+CO, (1)NCO+ONO+CO. (2)而且随着温度的升高, HCO的分解反应也越剧烈，NCO质量浓度的降低导致了N2O排放的减少；对于NOx而言，燃烧过程中能够获得充足的氧气，随着温度的升高，,污泥中燃料氮的转化率升高，污泥高含氮质量分数是其一大特性，大部分以有机物的形态存在，本文中污泥的含氮质量分数为7.44%，燃料氮转化为NOx的转化率Xn=MoutrNOx/M (3)式中：Mout为单位质量污泥焚烧排放的干烟气的摩尔质量，rNOx为干烟气中NOx的摩尔比，M为单位质量的污泥中燃料氮的摩尔质量。由图3-

54、5可以看出，在相同的温度下，Xn随着含水质量分数升高而升高，同时也随着悬浮区温度的升高而增大。3.3.3水分对N2O和NOx排放的影响污泥的水分对N2O和NOx排放的影响趋势也相反，水分升高能够促进N2O生成，抑制NOx的生成。水分对N2O生成的促进可能是由于随着含水质量分数升高，炉内温度下降而导致的，同时水分的升高在一定程度上影响了污泥挥发分析出的种类和浓度，使其朝着有利于N2O生成的方向转变,比如徐明艳等人发现煤热解过程中引入水蒸汽能够提高NH3的排放质量浓度，但其机理还有待进一步研究；水分对燃料NOx的生成影响有两种：1)较低水分时形成的弱还原气氛能促进挥发分析出：2)水煤气反应在更高水

55、分时变得更加突出，可将形成的NOx还原为N2。钟北京等人在研究含水质量分数对乳化重油燃烧过程中NOx排放的影响时发现，含水质量分数升高能抑制NOx的生成。3.3.4煤对N2O和NOx排放的影响实验对比了含水质量分数为41.5%的污泥和煤单独焚烧,以及污泥和煤以质量比11混烧后的NOx及N2O排放。如图3-6所示,污泥和煤混烧的NOx排放质量浓度低于污泥焚烧的排放质量浓度,而N2O的排放质量浓度则高于污泥焚烧的排放值,可见煤掺烧后促进了NO向N2O的转化。29图3-6煤对NOx和N2O排放的影响第4章 污泥焚烧发电研究4.1污泥燃烧设计4.1.1选用污泥及煤粉的工业分析煤粉选用为平顶山烟煤，其成

56、分特性如表4-1。(采用收到基)表4-1设计所用煤种的成分特性水分（%）灰分（%）碳含量（%）氢含量（%）氧含量（%）氮含量（%）硫含量（%）挥发分（%）低位发热量（KJ/Kg）7.025.658.23.74.10.90.524.622625试验用污泥来自重庆某污水处理厂处理污水后的副产品(排放物)，它是一种接近浆状的黑色粉末状物质。其成分特性分析如表4-2所示。(采用收到基)表4-2设计所用污泥成分特性水分（%）灰分（%）碳含量（%）氢含量（%）氧含量（%）氮含量（%）挥发分（%）低位发热量（KJ/Kg）61.6526.333.552.202.038.9370.127435由于给料时炉内温度

57、对污泥与煤在循环流化床锅炉的炉内稳定燃烧很重要，当床温低于900时，投入5：5的污泥与煤混合物就极易造成炉内燃烧不稳定17。所以在本设计中煤粉与污泥的混合比例采用7：3混合。则混合后相应燃料成分特性如表4-3。表4-3混合燃料成分特性水分（%）灰分（%）碳含量（%）氢含量（%）氧含量（%）氮含量（%）硫含量（%）挥发分（%）低位发热量（KJ/Kg）23.4025.8241.813.253.483.310.538.26180684.1.2选用循环流化床锅炉概况设计使用锅炉为440t/h超高压再热循环流化床锅炉。440t/h循环流化床锅炉为超高压参数一次中间再热设计，与135MW等级汽轮机发电机组

58、匹配，可配合汽轮机定压或滑压启动和运行。循环物料的分离采用高温绝热旋风分离器。锅炉采用平衡通风。锅炉主要由炉膛、高温绝热旋风分离器、双路送灰器、尾部对流烟道和冷渣器等组成。采用支吊结合的固定方式，除分离器筒体、冷渣器和空气预热器为支撑结构外，其余均为悬吊结构。燃烧室政法受热面采用膜式水冷壁，水循环为单汽包、自然循环、单段蒸发系统。水冷式布风板安装大直径钟罩式风帽，具有布风均匀，防堵塞、放结焦和便于维修等优点。燃烧室内布置双面水冷壁以增加蒸发受热面；同时，布置屏式第二级过热器和末级再热器，以提高整个过热器系统和再热器系统的辐射传热特性，使锅炉过热气温和再热气温具有良好的调节性。两个直径为7.36

59、m的高温绝热旋风分离器，上部为圆筒形，下部为锥形。高温绝热分离器立管下布置一个非机械型送灰器，回料为自平衡式，流化密封风用高压风机单独供给。以上三部分构成了循环流化床锅炉的核心部分：物料循环回路。燃料与石灰石在燃烧室内完成燃烧及脱硫反应。经过分离器净化过的烟气进入尾部烟道。尾部对流烟道中布置着第三级、第一级过热器、冷段再热器、省煤器、空气预热器。采用低温燃烧（约为880）以降低热力型NOx形成；燃烧用风分级送入燃烧室，除从布风板送入的一次风外，还从燃烧室下部锥段分三层不同高度引入二次风，以降低燃料型NOx的生成量。脱硫剂石灰石通过石灰石输送风机，以气力运输方式直接从送灰器斜管上给入给料口内。锅

60、炉采用床上床下结合的启动方式。床下（在水冷布风板下面一次风室前的风道内）布置有两只启动燃烧器（即热烟气发生器或称风道燃烧器）；床上（布风板上3m处）布置四只启动燃烧器（油枪）。启动燃烧器采用内回油式机械雾化，油枪雾化调节比为1：3。每只启动燃烧器均配有火焰监测器，确保启动过程的安全。锅炉采用四点给煤，即共有四个给煤口。为防止炉内正压烟气反窜至给煤系统，在给煤系统中通入二次风作为正压密封风。与前墙或前后墙四点给煤方式相比，这种那个给煤方式更简单，不会发生给煤堵塞或结焦现象。锅炉配风采用并联系统，即各个风机均单独设置。锅炉共设有一次风机、二次风机、高压风机、冷渣器风机、石灰石风机及引风机，采用平衡

61、通风方式，压力平衡点设在炉膛出口。4.2热力计算4.2.1燃料燃烧计算理论空气量是指单位质量的收到基燃料完全燃烧而又没有剩余氧气存在时所需要的空气量，用V0表示，单位为m3/kg，它是指标准状况下不含水蒸气的干空气量。1kg固体燃料燃烧所需要的理论空气可按公式（4-1）计算。V0=(1.866Car/100+0.7Sar/100+5.56Har/100-0.7Oar/100)/0.21（4-1）根据混合燃料成分分析可得V0=4.48 m3/kg循环流化床锅炉燃烧所需的实际空气量总是大于理论空气量，前者与后者的比值称为过量空气系数。在烟气量计算时，用表示；在空气量计算时用表示。就锅炉炉膛而言，的大小与燃烧设备的形式、燃烧种类有关。通常1=1.11.2。燃烧1kg固体燃料所产生的实际烟气量Vy（m3/kg）可按公式（4-2）计算。Vy=VRO2+VN2+VH20+1.0161(-1)V0(4-2)其中VRO2=0.01866Car+0.007SarVN2=0.79V0+0.008NarVH20=0.111Har+0.0124Mar+0.0161V0由以上公式计算可得Vy=5.98m3/kg4.2.2锅炉机组热平衡计算