污泥高效干化方法及干化焚烧系统的优化运行研究

摘要

为实现污泥高效干化和污泥干化焚烧系统的优化运行，建立了污泥剪切试验方法和装置，搭建了桨叶式、圆盘式和倾斜桨叶式小、型污泥干化试验系统，建立了污泥干化模型和污泥干化焚烧系统能量平衡模型，开展了深入的理论研究。
　　通过对污泥固相组分及相关物理性质的详尽测定，深入分析了污泥中有机质、无机矿物质细颗粒和可结晶金属盐对污泥粘附性和粘结性的贡献。建立污泥剪切试验方法和装置，对污泥的粘附特性和粘结特性进行了研究，其中对污泥粘结特性的研究方法和结论在国内外尚属首次。研究表明，污泥在含水率区间为40％-65％时表现出显著的粘附性和粘结性，不同污泥略有差异。污泥干化全过程中，粘结剪切力均大于粘附剪切力，说明当施加在污泥上的机械外力足够大时，污泥会首先从换热面剥落，机械外力进一步加大时，污泥才可能进一步被破碎。提高换热面温度和加入添加剂均可在不同程度上影响污泥的粘附性和粘结性。
　　使用自行研制的小型桨叶式污泥干化机对污泥干化特性进行了研究。研究发现，污泥在桨叶式干化机内干化过程的第一降速区和第二降速区之间存在一个显著的波动区。将干化特性与污泥粘附和粘结特性比对后发现，波动区对应的污泥含水率范围与污泥粘附性和粘结性最大时的含水率范围基本重合。这一发现，在国内外还未见报道。污泥的粘附性和粘结性是波动区产生的根本原因，桨叶对污泥的搅拌是波动区产生的直接原因，波动区是污泥干化过程粘滞区的直接体现，桨叶的搅拌有利于克服污泥干化粘滞区的不利影响。在粘滞区内污泥自身的粘结力远大于污泥与换热面的粘附力，桨叶易将污泥剥落，却不易将污泥破碎。因此，提高对粘结污泥团块的破碎效果，是提升污泥干化速率的关键。桨叶搅拌强度对干化速率的影响主要体现在第二降速区。提高热源温度不仅可以通过增加能量传递的方式提高污泥干化速率，还可降低污泥的粘附性和粘结性。生石灰可提高波动区和第二降速区内的干化速率。胰蛋白胨作为有机质会大幅提高污泥粘附和粘结剪切力，波动区更为显著。二氧化硅在污泥含水率较高时可降低其粘附和粘结剪切力，在污泥含水率较低时会提高其粘附和粘结剪切力。石英砂可有效降低污泥粘结剪切力，使污泥更易于被破碎。
　　为比较圆盘式干化机与桨叶式干化机对污泥干化效率的差异，自行研制了小型圆盘式污泥干化机，进行了污泥干化试验，并将试验结果与小型桨叶式污泥干化机进行了对比。在以导热油为热源的情况下，圆盘式干化机较简单的导热油管路使导热油流速较高，更新较快，沿程温度也较高，可使污泥在干化过程中维持在较高的温度，有助于提升干化速率。污泥在圆盘式干化机内进入干化粘滞区时，污泥粘结并粘附在圆盘表面，圆盘转动难以对污泥进行充分的挤压、剪切和破碎，混合效果较差，难以对污泥干化速率起到改善效果。在实际应用的连续进料式圆盘干化机中，可能会出现污泥大量粘附，难以向出料端推进，处理能力下降等隐患。
　　基于桨叶式干化机克服污泥干化粘滞区不利影响的作用，在国内首次提出了倾斜式桨叶的详细改进方案（已申请专利），自行研制了改进的小型倾斜桨叶式污泥干化机，进行了污泥干化试验，并将试验结果与小型普通桨叶式污泥干化机进行了对比。改进的倾斜桨叶式干化机在污泥含水率72％-83％之间可有效提高污泥的搅拌效果，并提高污泥干化效率;当污泥干化进入粘滞区时，倾斜桨叶先是随着转动而嵌入污泥层并形成沟壑，在紧随其后的某一含水率点上，倾斜桨叶可显著发挥对污泥的剥离和破碎效果，使污泥干化效率大幅跃升。
　　根据污泥干化过程粘滞区特性的研究结果，在渗透模型基本原理的基础上，建立了更符合污泥在小型干化机内实际粘滞特性的数值模型。根据所掌握的污泥干化粘滞区含水率范围，在模型内对应的区域加入粘附热阻，可使模型符合污泥干化粘滞区的干化特性，计算结果与实际试验结果较为吻合。通过对模型中工况参数的调整，可对污泥在各种工况条件下的间接传热式干化特性进行计算。
　　通过建立污泥干化焚烧系统的物料和能量平衡模型，对污泥干化焚烧工程实例进行了分析，确定了基于节能降耗的最佳入炉污泥含水率;针对污泥含水率、污泥热值、系统运行负荷等运行参数可能出现的变化，对整个系统的能量平衡状态进行了计算和分析，对实际工程的运行具有较好的应用意义。通过对污泥干化焚烧工程实例的能量损失分析，确定能量损失最大的工艺环节为污泥干化载气洗涤水换热器的散热损失等八项，可据此有针对性的提出能量回收或节能降耗措施。
　　论文最后还对需要进一步开展或加强的工作进行了归纳和总结。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 污泥及其特点

1．2．1 污泥的来源和分类

1．2．2 污泥的主要成分

1．2．3 污泥中水分分布

1．3 污泥干化原理和工艺

1．3．1 污泥干化原理

1．3．2 污泥干化工艺与设备

1．4 污泥干化粘滞区

1．4．1 干化粘滞区的定义

1．4．2 粘滞区的判别方法

1．4．3 粘滞区的危害及解决方法

1．5 本文的主要研究目的和研究内容

2 污泥干化过程的粘附和粘结特性

2．1 引言

2．2 试验材料、装置与方法

2．2．1 污泥样品

2．2．2 污泥干化过程剪切试验装置与方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 污泥成分对其粘附和粘结特性的贡献

2．3．2 污泥平板干化过程粘附和粘结特性

2．4．2 热壁温度对干化过程剪切应力的影响

2．4．3 碱性强电解质熟石灰对污泥干化过程剪切应力的影响

2．4．4 无机颗粒二氧化硅对污泥干化过程剪切应力的影响

2．3 小结

3 污泥在小型桨叶式干化机内的干化及粘滞特性

3．1 引言

3．2 试验装置与方法

3．2．1 小型桨叶式污泥干化系统

3．2．2 污泥干化特性的表示方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 污泥在小型桨叶式干化机内干化过程的形态特征

3．3．2 污泥在小型桨叶式干化机内的干化特性及粘滞特性

3．3．3 桨叶的搅拌作用对污泥于化特性和粘滞特性的影响

3．3．4 热源温度对污泥干化特性和粘滞特性的影响

3．3．5 添加剂对污泥干化特性和粘滞特性的影响

3．3 小结

4 污泥在小型圆盘式干化机与桨叶式干化机内干化特性比较

4．1 引言

4．2 试验装置与方法

4．2．1 小型圆盘式污泥干化系统

4．2．2 污泥干化特性的表示方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 污泥在小型圆盘式干化机内干化过程的形态特征

4．3．2 污泥在小型圆盘式干化机内的干化特性及粘滞特性

4．3．3 污泥在小型圆盘式干化机和桨叶式干化机内干化特性对比

4．3 小结

5 污泥在小型倾斜桨叶式干化机与普通桨叶式干化机内的干化和粘滞特性对比

5．1 引言

5．2 试验装置与方法

5．2．1 小型倾斜桨叶式污泥干化系统

5．2．2 污泥干化特性的表示方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 污泥在小型倾斜桨叶式干化机内干化过程的形态特征

5．3．2 污泥在小型倾斜桨叶式干化机内的干化特性及粘滞特性

5．3．3 污泥在小型倾斜桨叶式干化机和普通桨叶式干化机内干化特性的对比

5．3 小结

6 污泥在间接传热式干化机内的干化模型和计算

6．1 引言

6．2 原理和方法

6．2．1 渗透模型的基本原理

6．2．2 污泥间接传热式干化的总体传热计算

6．2．3 接触时间计算

6．2．4 干化机换热面传热计算

6．2．5 污泥床传热计算

6．2．6 污泥床表面散热计算

6．2．7 粘滞区处理

6．2．8 污泥床升温和干化速率计算

6．2．9 污泥总传热系数计算

6．3 模型计算步骤

6．4 计算结果与分析

6．4．1 计算结果与试验结果的对比

6．4．2 模型的应用

6．5 小结

7 干化焚烧系统的优化运行研究

7．1 引言

7．2 污泥干化焚烧系统能量平衡模型

7．2．1 污泥存储输送系统

7．2．2 污泥干化系统

7．2．3 污泥焚烧及余热利用系统

7．2．4 烟气处理系统

7．2．5 干化焚烧系统能量平衡模型

7．3 变工况条件下的系统运行模式研究

7．3．1 入炉污泥含水率对干化焚烧系统能量平衡的影响分析

7．3．2 运行负荷对干化焚烧系统运行的影响分析

7．3．3 污泥发热量对焚烧系统能量平衡的影响分析

7．3．4 进厂污泥初始含水率对干化系统能量平衡的影响分析

7．4 污泥干化焚烧的节能降耗途径

7．4．1 污泥干化系统能量损失分析

7．4．2 污泥焚烧及余热能量损失分析

7．4．3 烟气处理系统节能降耗

7．4．4 竹园污泥干化焚烧系统节能降耗效果

7．5 小结

8 全文总结与展望

8．1 全文总结

8．2 创新点

8．2 展望

参考文献

攻读博士期间的研究成果