工业废水处理剩余污泥的燃烧试验

工业废水处理剩余污泥的燃烧试验魏昆生1，徐品虎1，丁大勇1，芮新红2，周强黍3，张宁生3(1.中国石化仪征化纤股份有限公司给排水厂；2.南京工程学院动力系，3．东南大学动力系)摘要：将脱水后含水率为85％的化工污水处理的剩余污泥，按不同的比例掺混在燃煤中，通过CRF半工业化热态试验台的模拟燃烧，研究了污泥掺混后对锅炉受热面的工作安全性、燃烧稳定性、燃烧效率以及烟气排放、灰渣成分的变化情况。污泥掺混比例不大于6％，对煤粉锅炉受热面工作安全性不会产生不良影响，掺混比例不大于2％时，排放的烟气能够满足环保要求。最佳掺混比例为2％。关键词：污水处理；污泥处置；煤粉锅炉；燃烧试验ACombustionTestofResidualSludgefromIndustrialWastewaterTreatmentWEIKun-sheng1，XUPin-hu1，DINGDa-yong1，RUIXin-hong2，ZHOUQiang-tai3，ZHANGNing-sheng3(1.TheWaterSupplyandDrainagePlantofSINOPECYizhengChemicalFibreCO.，Ltd.，yizheng211900,China；2.ThePowerEngineeringDepartmentofNanjingEngineeringInstitute，Nanjing210013，Chin；3.ThePowerEngineeringDepartmentofSoutheastUniversity,Nanjing210018,China)Abstract：Thedehydratedresidualsludgewithawatercontentof85％fromthetreatmentofchemicalwastewaterwasmixedintofuelcoalindifferentproportions．Then，ananalogcombustionofthemixturewasperformedinaCRFsemi-industrialthermalcombustiontestrigtotestworkingsafetyoftheheatedsurfaceoftheboiler，thestabilityandefficiencyofthecombustionandthechangesofoffgasdischargingandofdregscomposition.Whenthemixingratioofsludgewasbelow6percent，thecombustiondidnotproduceharmfuleffecttotheworkingsafetyoftheheatedsurfaceofthepulverizedcoalboiler；andwhenthemixingratiowas≤2percent，theoffgasdischargingcouldmeettheenvironmentalprotectionrequirements，theoptimummixingratiobeing2percent．Keywords：wastewatertreatment；s1udgedisposal；pulverizedcoalboiler；combustiontest污水处理产生的污泥是一种不稳定的、含水率较高的废弃物。根据固体废弃物的鉴别标准，城市污水处理厂产生的污泥属于一般废弃物，而精对苯二甲酸(PTA)化工污水处理装置产生的污泥属于危险废弃物，其综合利用途径更为狭窄。目前同类企业的污水处理厂对脱水后的污泥进行无害化处理的主要方法是干化或焚烧，主要设备基本上是引进国外的干化或焚烧设备，引进的设备一次性投资较大，处理85％含水率的污泥一般吨投资在25-40万元之间，吨运，行费用在100-200元之间，如此高昂的费用一般企业难以承受。结合企业的实际，提出了污泥与热电厂煤粉锅炉燃煤掺混燃烧的污泥处理方法。煤粉锅炉掺混工业废水处理脱水污泥燃烧，目前国内尚无先例，要利用热电厂锅炉对污泥进行掺混燃烧，需了解煤掺混污泥后燃烧的稳定性、燃烧效率、排放特性、结渣特性以及煤泥掺混燃烧对锅炉受热面的影响情况，确保锅炉系统的安全稳定运行。1实验装置、试验方法及试验条件1.1试验装置及工艺流程本试验是在辽宁省燃烧工程技术中心从加拿大引进的CRF（CombustionResearchFacility)试型热分析天平上进行的[1]，试验装置工艺流程见图1。CRF是一套模拟电厂煤粉锅炉燃烧的半工业化热态试验台，最大给煤量为30kg/h，燃烧热功率为1000MJ/h。主要由制粉、燃烧、除尘、压缩空气和水冷却、数据采集和控制、烟气在线取样分析系统等六部分组成。炉膛分为5节，从上到下依次标记为M1,M2,M3,M4,M5，为5台在线烟气分析仪分别连续测量烟气中的O2,CO2,CO,SO2及NOx。STA409型热分析天平式样最大重量20g，测量重量变化范围0-5000mg,最大升温速率100℃／min，最高炉温为1500℃，利用少量样品，在恒定升温速率下，对样品进行重量变化的热重分析(TC)、样品与惰性气体之间的差热分析(DTA)和燃烧分布的曲线热重微分(DTG)研究。1.2试验方法与试验条件：1.2.1试验方法将320kg原煤分成四等份。一份为原煤样，其余三份分别与1.633kg，3.333kg，5.106kg的污泥进行掺混，配制成0％，2％，4％和6％的4种不同比例的试样，用混煤机混合均匀，分别经磨煤机磨制成煤粉，在M1,M2,M3和M4布置4只硅碳棒，作为结渣试件。利用CRF在相同及燃烧稳定的条件下，测定样品燃烧时炉内温度场分布，测定烟气成分及飞灰中重金属及有害成分，飞灰及灰渣中可燃物含量。利用热分析天平测定上述试样的着火性能。1.2.2试验条件①试验材料本试验材料污泥取自仪化给排水厂污水处理装置的脱水污泥和仪化热电厂储煤场原煤，其主要成分见表1。表1试验物料元素分析及工业分析发热量Q/（kJ·kg-1)物料基准碳w(C)/%氢w（H)/%氧w(O)/%氮w(N)/%硫w(S)/%灰分w(A)/$水分w(M)/%挥发分w(V)/%固定碳w(FC)/%低位高位空气干燥基（ad)59.614.277.211.20.3525.51.8630.5642.0824508干燥基（d）60.744.357.341.220.3625.9831.1442.882395724972收到基（ar)57.764.146.991.160.3424.714.9029.6140.782278323748煤干燥无灰82.065.889.921.650.4842.0757.933236733738中国城镇水网基（daf)空气干燥基（ad)32.814.5218.195.761.2628.668.8053.429.129388干燥基（d）35.984.9519.956.325.7631.4358.5710.0010294收到基（ar)4.940.682.740.870.194.3286.268.051.3701414污泥干燥无灰基（daf)52.467.2229.099.212.0185.4214.58015011注：C，H，O，N，S为元素分析，其余为工业分析。②CRF热态试验条件试样煤粉细度控制在月R90=25％；给粉量保持在16-18kg／h；炉膛负压控制在-33Pa；炉膛出口氧量为3％-5％；M1温度控制在1350—1400℃。③热分析天平试验条件试样煤粉细度控制在R90=25％；升温速率控制为20℃／min；氧气流量保持在20mL／min。2试验结果与讨论2.1各工况试验结果为便于研究和讨论，将试样进行编号。1#为对照试验的未掺污泥试样，2#，3#，4#为掺泥2％，4％，6％的试验样本，并分别记为工况1、工况2，工况3和工况4。本研究各工况测得的M节炉膛平均温度、着火温度和固定碳燃烧速率、烟气排放、飞灰可燃物含量及重金属和有害成分含量试验结果见表2。表2各工况试验敷据平均值汇总序号项目工况1工况2工况3工况41试验样本1#2#3#4#1-1污泥掺混比例／％02462着火、燃尽性能指标2-1着火温度t／℃441.7448.6439.1441.22-2固定碳的质量分数／%40.7840.039.2038.422-3燃尽时间／min10.38.510.010.32-4固定碳平均燃烧数速率VFC/(kg·min-1)0.3960.470.3920.3732-5最大平均燃烧数速率（dW/dt)80/(kg·min-1)0.6880.6650.6750.7552-6燃烧失重开始温度/℃318.8308.6307.1298.02-7燃烧失重结束温度/℃748.7766.0783.8738.2失重／%71.0572.7868.1880.013炉膛温度变化情况3-1炉膛平均温度M1/℃1327.91327.41318.81317.23-2炉膛平均温度M2/℃1291.41298.81249.01250.83-3炉膛平均温度M3/℃1115.51114.11034.41052.23-4炉膛平均温度M4/℃840.6831.5737.4759.13-5给煤量/(kg·h-1）15.9616.0016.8016.673-6负压/Pa-0.33-0.30-0.33-0.334烟气排放物4-1w(O2)/%4.014.133.033.264-2w(CO2)/%14.314.7515.7125.644-3ρ（CO)/(g·m-3)410.9402.3301574.44-4ρ(SO2)/(g·m-3)438.1542.8851.7859.24-5ρ(NOx)/(g·m-3)333.9355.8480.3519.04-6ρ(HCL)/mg·m-3)1.911.2854.78511.644-7ρ(HF)/(mg·m-3)0.05＜0.030.170.1152.2试验结果表明2.2.1锅炉受热面工作情况①着火温度和固定碳燃烧速率从表2可以看出，各工况燃料着火温度相差不大，工况2的燃料着火温度最高，说明污泥掺入比例对混煤的着火温度影响不大。混煤的固定碳平均燃烧速率VFC介于构成混煤的各成分的相应参数值之间，并且接近于占主要成分的煤。所以煤所占比例越大，其VFC与原煤的VFC值差就越小，验证了工况2的燃料固定碳平均燃烧速率最大。②混煤燃烧的稳定性在各个工况进行过程中，通过CRF热态试验台的火焰观察孔对炉内的燃烧进行观察，发现各工况火焰均很明亮，燃烧稳定，且差别不大。样品重量变化热重分析(TC)、样品与惰性气体之间的差热分析(DTA)和燃烧分布的曲线热重微分(DTC)曲线无拖尾现象，各种比例混煤的燃料燃尽特性较好，其燃尽特性几乎没有改变。③混煤燃烧的炉膛温度根据炉膛温度分布的曲线变化(见图2)，对比4个工况的炉膛M1,M2,M3和M4位置平均温度的变化，可知随着掺人污泥的比例逐渐升高，在给煤量差别不大的情况下，炉膛温度有所下降，原因是燃料的发热量下降而导致的结果。中国城镇水网④机械不完全燃烧损失由表3可见，飞灰中的可燃物含量较高，使得机械不完全燃烧损失增大。由于CRF热态试验台上完全模拟现场的工作条件，难度很大，在燃烧过程中，CO的浓度一直保持着很高的水平，造成燃烧效率下降，实际运行中可采取适当措施避免这种情况的出现。表3飞灰可燃物含量序号项目工况1工况2工况3工况45-1可燃物的质量分数（ad)/%9.213.8813.087.885-2大渣中可燃物的质量分数（ad)/%0.593.180.185.0