（机械设计及理论专业论文）城市污泥低温热解特性研究及热解装置开发.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 随着城市污泥量的不断增加，污泥低温热解技术在环境保护、可再生能源利用等方面的 优势使其成为一种非常有发展前途的污泥处理方法。 本文利用热重分析法和小型热解实验装置对污泥热解机理和热解反应特性进行了实验研 究，对污泥热解反应机理和主要反应参数对污泥热解的影响进行了分析与研究。在此基础上， 对2 0 t d 污泥干化及热解处理工程的热解反应装置进行了开发设计，回转式污泥热解反应装置 进行了尺寸和整体结构优化设计、污泥热解反应装置的测控系统等进行了开发与研究。并对 回转式污泥热解反应装置进行了热性能研究和污泥热解反应过程的模拟研究。 污泥的热解反应动力学研究表明，污泥在不同升温速率下反应过程的热解特性不同。提 高升温速率有利于增加热解反应最大失重速率，但对总失重率影响不大。污泥热解的不同反 应阶段具有不同反应机理和动力学参数，在主要的3 0 5 0 k m i n 的温升速率下，反应活化能为 2 4 - 2 9 k j m o l 。 通过污泥低温热解的实验研究，获得了不同反应参数下的污泥热解反应特性和热解产物 的分布。在2 2 0 4 6 0 热解终温范围内，热解产物的产油率和产气率随反应终温的增大而明 显增加，热解炭产率随加热终温的升高而减少。污泥低温热解反应在4 0 m i n 时达到平衡。铜 类金属催化剂能显著改善污泥热解反应特性，提高热解油产率，在2 2 0 , - , 4 6 0 油品最大产率 从2 5 6 3 增加到3 0 7 4 ，同时炭产率降低了1 3 。 在对污泥热解基础特性研究基础上，确定反应终温3 5 0 、物料停留时间4 0 m i n 作为工 业化污泥热解装置的基本设计参数，开发了干污泥处理量5 t d 的外热式回转热解反应装置。 通过对污泥在回转式反应装置内的流动特性分析，对回转式污泥热解反应装置进行了结构尺 寸优化设计。在此基础上，开发完成内径0 9 m ，有效段长度5 4 m 的回转式污泥热解装置， 对整体结构设计及辅助设备进行了系统设计，开发了污泥热解反应装置的测控系统进行了开 发。 对外热式回转污泥热解装置的热性能进行了分析，结果表明基于热解反应热力学分析的 热解炉热分析法与基于反应器热平衡的热解炉热分析方法均可应用于外热式回转热解装置的 开发设计过程。对外热式回转污泥热解装置内的传热过程进行了分析，与污泥热解过程机理 结合，进行了外热式回转热解装置内污泥热解的仿真模拟，分析了回转热解装置内的污泥热 解过程中的物料料床温度和污泥转化率及产物的得率变化，模拟结果与实验数据基本吻合。 关键词：污泥，低温热解，热解特性，回转炉 堕型皇王型垫盔兰堡主兰堡笙窒 d u et ot h ei n c r e a s i n ga m o u n to fm u n i c i p a l s e w a g es l e d g ea n dt h es h o r t a g eo ft r a d i t i o n a l t r e a t m e n to fs e w a g es l u d g e ，t h e l o w - t e m p e r a t u r ep y r o l y s i st e c h n o l o g yo fs e w a g es l u d g eh a sb e e n c o n s i d e r e dt ob eap r o m i s i n gd i s p o s a lm e t h o dw i t ht h ea d v a n t a g e so fr e c l a m a t i o n ，e n v i r o r 蛐e 删 f l i e n d l y ，a n de r e as e r i e so fe x p e r i m e n t s ，s u c ha st h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i s a n db e n c h s c a l ep y r o l y s i st e s t s w e r ec o n d u c t e di nt h i sw o r k o nt h i sb a s i s ，t h em a i np y r o l y s i sr e a c t i o np a r a m e t e r sw e r e d e t e m l i i l e d f o rt h ed e v e l o p m e n to fa i li n d u s t r i a ls c a l ep y r o l y s i sr e a c t o r a ne x t e r n a l h e a t e dr o t a r yk i l nw a s a d o p t e da n do p t i m a ld e s i g n e d ，w h i c hw a si n c l u d i n gt h ed i a m e t e r , l e n g t h ，c o n f i g u r a t i o n c o n t r o l s y s t e m e t c i b i si n d u s t r i a lp y r o l y s i sa p p a r a t u sw a sc a l lb eu s e di na2 0 t ds e w a g es l u d g ed r y i n g p r o j e c t f u r t h e r m o r e ，t h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h i sa p p a r a t u sw e r gs t u d i e d t h eh e a t 衄1 s f e r a n dt h es i m u l a t i o no f p y r o l y s i sp r o c e s so f s l u d g ei nt h i sr o t a r yk i l na p p a r a t u sw e r ep r e s e n t e d c h a r a c t e r i s t i cso fp y r o l y s i sp r o c e s so fs e w a g e s l u d g ew e r ef r s y i n v e s t i g a t e dw i t ht h e t h e r m o 。g r a v i m e t r i ca n a l y z e r ( t g a ) i nn i t r o g e n t h eb a s i cp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d , s u c ha s 廿1 e i n i t i a la n df i n a lp y r o l y s i st e m p e r a t u r e ，t h et e m p e r a t u r ea tt h em a x i m u mp y r o l y s i sr a t e ，w e i g h tl o s s ， a n ds oo n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a i np y r o l y s i sr e a c t i o na p p e a r e di n2 0 0 。c 。5 0 0 。c i m r e a s e d h e a t i n gm t er e s u l t e di nt h el o w e ri n i t i a lp y r o l y s i st e m p e r a t u r ea n dt h e h i g h e rm a ) 【l o s sr a t e h o w e v e r , t h et o t a ll o s sr a t i ow a sn o tr e l a t e dt om a t i n gr a t e t h ek i n e t i cp a r a m e t e r sw e r ea n a l y z e d t h ea p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g yw a s2 4 - 2 9 1 0 m o lu n d e r3 0 5 0 k m i nm a t i n gr a t e t h eb e n c hs c a l ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho f l o w - t e m p e r a t u r ep y r o l y s i so fs e w a g es l u d g eu n d e r d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dt i m ew a sc o n d u c t e d b e t w e e n2 2 0t o4 6 0 。c ，t h ey i e l do f p y r o l y s i so i la 1 1 d g a si n c r e a s e da th i g h e rt e m p e r a t u r e ，w h i c hw a so p p o s i t et ot h ep r o d u c t i o no fp y r o l y t i cc h a r t h e p r e t e m b l er e a c t i o nt i m ef o rl o w t e m p e r a t u r ep y r o l y s i so fs l u d g ew a sa b o u t4 0 m i n c o p p e rw a s u s e d 雒c a t a l y s ti nt h er e s e a r c h i tc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ep y r o l y s i so ft h es l u d g ep y r o l y s i s t h e p y r o l y s i so i lp r o d u c t i o ni n c r e a s e df r o m2 5 6 3 t o3 0 7 4 ，w h i l et h ec h a rr c d u c e da b o u t13 t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi nt h i sw o r k ，t h em a i np a r a m e t e r sw e r ed e t e m i i l l e dt ou s e f o rt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a ls l u d g ep y r o l y s i sa p p a r a t u s t h ep y r o l y s i st c m p e r a t i l r e o f3 5 0 ca n dt h er e s i d e n c et i m eo f4 0m i nw e r ea d o p t e d t h ec a p a c i t yo ft h i s e x t e m a lh e a c e d m t a r yk i l nr e a c t o rw a sa b o u t5 t df o rd r ys l u d g e t h eo p t i m a ld e s i g nw a s p e r f o r m e do nt h eb a s i so f m o v e m e n ta n a l y s i so fs l u d g ei nr o t a r y k i l n t h eo p t i m i z e dd i a m e t e ra n dh e a t i n g l e n g t ho ft h i s l i 杭州电子科技大学硕士学位论文 r o t a r y k i l lw e r e0 9 ma n d 5 4 m r e s p e c t i v e l y t h ec o n f i g u r a t i o n , c o n t r o ls y s t e m , f e e d i n ga n d d i s c h a r g i n gs y s t e mw e r ef u r t h e rd e v e l o p e d 。 t h et h e r m a lp e r f o r m a n c ea n dt h eb a l a n c eo fr o t a r ys l u d g ep y r o l y s i sa p p a r a t u sw e r ea n a l y z e d t h er e s u l tb a s e do nt h et h e r m o d y 7 n a m i ca n a l y s i so fs l u d g ew a ss i m i l a rw i t ht h a tf r o mt h ea n a l y s i so f r e a c t o rt h e r m a lb a l a n c e b o t ht h em e t h o d sc a l lb eu s e di nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h i sk h d o fp y r o l y s i s e q u i p m e n tt h e h e a t - t r a n s f e rp r o c e s sc o u p l i n gw i t ht h ep y r o l y s i sr e a c t i o ni nt h e e x t e m a lh e a t e dr o t a r yki l np y r o l y s i sa p p a r a t u sw e r es i m u l a t e di nt h i sw o r k t h ec a l c u l a t e ds l u d g e b e dt e m p e r a t u r ea n dt h em a t e r i a lc o n v e r s i o na r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t he x p e r i m e n t a ld a t a k e 删s ：s l u d g e ，l o w - t e m p e r a t u r ep y r o l y s i s ，p y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i c ，r o m yk i l lr e a c t o r i i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论帚一旱殖比 1 1 城市污泥的来源和分类 1 1 1 城市污泥的来源 城市污泥是固体废物中的一类。固体废物( s o l i dw a s t e ) 是指人们在从事日常生活、 工作建设等活动中产生的，在一定时间和地点内无法利用而被丢弃的污染环境的固体或 半固体物质。固体废物可分为三类：城市垃圾、工业固体废物和危险废物。 城市污水厂污泥( 简称城市污泥) 主要来源于初沉池和剩余污泥的排放，其中含有 丰富的可以利用的氮、磷等多种微量元素和有机质；同时也含有大量病原体、寄生虫 ( 卵) 、重金属等有毒有害有机污染物，这些都会影响和制约着污泥的资源化利用。目 前我国生活污水处理厂每年排放的污泥量超过4 0 0 0 万吨，而且年增长率大于1 0 i 。 1 1 2 城市污泥的分类 1 ) 按污泥的来源分类 包括生活污水污泥、工业废水污泥和给水污泥三类。 2 ) 按污泥成分或污泥的某些性质分类 包括有机污泥和无机污泥，亲水性污泥和疏水性污泥等。 3 ) 按污泥的处理方法分类 初次沉淀污泥：是指污水在一级处理过程中产生的污泥，初次沉淀污泥的性质 会随着污水的成分( 特别是混入的工业废水) 的性质变化而有所变化。 剩余活性污泥与腐殖污泥：是指污水在二级处理过程中产生的污泥。其中，采 用生物膜法处理产生的二次沉淀池沉淀物称为腐殖污泥，而由活性污泥法处理产生的二 次沉淀池沉淀物称为活性污泥；剩余活性污泥是指污泥在二级处理后扣除回流至曝气池 而剩余的部分。消化污泥来源于初次沉淀污泥、腐殖污泥与剩余活性污泥经消化处理而 产生的部分，有时又称之为熟污泥。 化学污泥：是指用化学沉淀法处理污水后产生的沉淀物：如用混凝沉淀法去除 污水中的磷过程中产生的污泥；投加硫化物去除污水中的重金属离子过程中产生的污 泥；投加石灰中和酸性水产生的沉渣以及酸、碱污水中和处理产生的沉渣等f 2 】。 1 2 城市污泥的基本特性 城市污泥具有很强的随地域分布特征，不同地域的城市污泥在成分上有很大差异， 同一地域中不同来源的城市污泥在热值、含水率、重金属含量等方面也有所不同。 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 2 1 地域分布特征 我国经济正全面发展，人们的生活节奏越来越快，但是我国的经济发展在地域上的 具有不平衡性，从而导致了各地城市污泥产量有较为明显的差异。据有关统计1 3 ，目前 城市污泥的产生主要集中在经济发达的东部地区：我国东部1 1 个省( 市) 的污泥产生 量占全国污泥总量的6 3 8 7 ；中部8 个省的污泥产生量占全国污泥总量的2 0 9 ；而 西部1 2 个省( 市) 的污泥产生量占全国污泥总量的1 5 2 3 。虽然中、西部地区由于经 济发展不如东部地区，但是随着国家环保“十二五”规划的实施，中、西部一些省( 市) 的污泥产生量不断增加，在今后几年到几十年内，中、西部将面临着高达2 3 的污泥增 长率( 东部地区污泥的平均增长率为1 6 8 2 ，低于中、西部约6 ) 。 1 2 2 成分特征 相对同一地区而言，城市污泥的主要化学组成含量受到年份的影响不大，这表明了 城市污泥的主要化学成分较为稳定。其中，污泥的无机物含量和有机物含量分别占6 0 和3 6 左右。城市污泥中含有的大量重金属，对生态环境的危害较大：重金属不能被 微生物分解，并且会在生物体内富集，从而导致处于食物链上游的人畜可能中毒，因此 污泥中主要的有毒有害物质是重金属。有研究表明，城市污泥的重金属含量随时间变化 的范围很大，会随地区和时间的不同而变化，这是由于工业废水的来源和比例不同而产 生的浮动。 1 2 3 热值与含水率 有机物质中含有大量的热值，城市污泥因含有大量的有机物质而具有比较高的热 值。城市污泥最大的价值就是可被资源化利用的热值，且与有机物质的含量成正相关关 系。一般而言，我国城市污泥有机质的含量在3 0 4 5 之间，污泥所含的热值在 1 2 0 0 。2 5 0 0 k c a l k g 。为了能够充分利用污泥的热值还必须满足另外一个条件，即污泥含 水率至少降至3 0 以下时，污泥的热值才具有利用价值。对城市污泥进行干燥处理是资 源化利用污泥的前提。污泥中的水以间隙水、毛细水、吸附水和结合水等不同的形态存 在。污水处理厂通过污泥浓缩、机械脱水等处理方式可去除大量间隙水、间隙水和部分 毛细水，一般能使污泥含水率降至8 0 左右。含水率8 0 左右的污泥仍不具有任何利 用价值，还需进一步进行干燥处理才能变废为宝。 1 3 污泥的危害及处理目的 1 3 1 城市污泥的危害 城市污泥对环境的污染相对于废水、废气和噪声对环境的危害有所不同。城市污泥 具有呆滞性大、扩散性小的特点，对环境的影响主要通过水、气和土壤进行的。例如污 染成分在土壤中的迁移，是一个比较缓慢的过程，其危害可能数年甚至数十年之后才能 杭州电子科技大学硕士学位论文 发现。从某种意义上讲，城市污泥对环境造成的危害可能要比废水、废气造成的危害更 严重得多。 1 ) 城市污泥对土壤环境的影响 城市污泥的产生量会随着城市污水的增加而增加，存放污泥不仅会占用大量的土 地、破坏地表和植被，而且还会对土壤结构和土质产生不利的影响，从而影响环境生态 系统。污泥中的有害成分如中金属等物质，不仅阻碍植物根系的发育和生长，而且还会 在植物有机体内积蓄，通过食物链危害人畜的生命。 2 ) 城市污泥对大气环境的影响 城市污泥在堆放过程中，由于温度和水分的影响，某些有机物质发生分解，会产生 有害气体；且污泥中存在着一些腐败的废物，带有腥臭味，影响周围空气质量，造成对 大气环境的污染。 3 ) 城市污泥对水环境的影响 城市污泥在露天环境下随意堆放，在雨水的作用下会随雨水渗入土壤中，进入地下 水系，使地下水污染；流入河流活附近海域中的污泥会造成河道变窄、堵塞，使水面缩 小，进而造成更大的水体污染。污泥进入水体后，直接影响水生植物的生存环境，造成 水质下降，对水中生物的生存造成直接影响1 4 1 。 1 3 2 污泥处理的目的 城市二级污水处理厂的污泥产量约占处理水量的0 3o a 0 5 左右( 以含水率为9 7 计) 。面对日益加快的城市化建设，城市污泥的处理压力会越来越大，因此必须坚持 对城市污泥进行有效地资源化处理，才能使经济、社会和环境发展处于良性循环。污泥 处理的最终目的可以具体用以下三点概况： ( 1 ) 稳定化：保证污水处理厂能够正常运行，使污泥处理后不发生降解现象，使污泥 中容易腐化发臭的有机物得到稳定处理； ( 2 ) 无害化：大大降低污泥中寄生虫卵和病原微生物的比例，使有毒、有害物质得到 妥善处理或利用； ( 3 ) 减量化：减少污泥最终处置的体积，从而降低污泥处理及最终处置的费用； ( 4 ) 资源化：在处理污泥的同时达到化害为利、循环利用和保护环境的目的，使污泥 中的可资源化物质能够得到充分利用。 总之，污泥处理的目的是使污泥稳定、无害、减量及资源化利用1 5 l 。 1 4 污泥处置技术的现状 人们对于城市污泥的处理从随意堆放到资源化利用，渐渐形成现代的“无害化、减 量化、资源化的处理思路。随着人们的生活水平的提高和环境保护意识的增强，如何 处理好城市污泥已经成为各国非常重视的环节，且各国都投入巨大的财力和物力来改善 杭州电子科技大学硕士学位论文 城市污泥的处理现状i 酗。 一般来说，城市污泥的处理包括填埋、土地利用、焚烧、海洋倾倒和热解等途径。 城市污泥的填埋、土地利用、焚烧、海洋倾倒和热解等处理技术及设备都有相应的使用 条件，各国或各地区应该根据自身的实际情况，在坚持因地制宣、技术可行、设备可靠、 规模适度和综合利用的原则下选择合适的一种或多种污泥处理方法。只有以自身实际 情况为出发点，结合了自身的产业结构、土地资源、城市化程度等现状，才能正确地处 理城市污泥，否则会导致二次污染等问题的出现。 现有的污泥处置方法的优劣如下表1 1 所示： 表1 1 现有污泥处置方法的优劣对比 1 4 1 污泥填埋 污泥填埋根据处理程度不同可分为简单填埋和卫生填埋。简单填埋是指利用自然条 件( 坑、塘以及洼地等) 自然填埋，不加覆土掩盖和不采取防止污染措施的填埋方法。 卫生填埋最早开始运用是在2 0 世纪6 0 年代，是在传统填埋的基础上以保护环境为出发 点，经过科学选址和必要的场地防护处理，具有严格管理制度的科学的工程操作方法。 相比传统填埋，卫生填埋减少了污泥对环境的影响，卫生填埋的过程中采取了底、侧层 防渗与废气回收处理以及覆压实作业等措施，从而避免了传统填埋方式所造成的二次污 染。 卫生填埋是一项比较成熟的污泥处置技术，相比较焚烧、热解技术而言，其设施及 作业设备较为简单，一次性投资相对较小，处理容量大、见效快等。但是，卫生填埋也 存在以下四个问题： 4 一 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 ) 卫生填埋的污泥含水量较高，且渗滤液含有很高浓度的有机物质，必须收集处 理以防止二次污染； 2 ) 填埋场一般远离市区，导致污泥运输距离远，且压实机械工作难度大； 3 ) 填埋场占地面积大，且卫生状况恶劣，对周边环境造成一定的影响； 4 ) 随着人口增加，可供填埋的场地己非常有限，场址不易选择。 污泥填埋不能最终消除污染，只是起到延缓的作用，因此无法作为污泥最终处置的 手段，在国际上己逐渐成为被淘汰的污泥处置方法。据统计，今后2 0 年内美国将关闭 现有8 0 的填埋场，采用其他方法来补充。随着环保标准的日益严格，填埋场的设计和 施工标准地不断提高，其建场投资和填埋费用也相应提高，国内很多城市的垃圾填埋厂 已不接收只经过脱水处理的污泥【刀。 1 4 2 土地利用 污泥的土地利用是将污泥经过处理处置后用于农田、林地、草地、市政绿化、及严 重扰动的土地修复与重建等。污泥农用具有投资少、能耗低、运行费用低的特点，其中 的有机部分经过处理可转化成土壤改良剂成分。目前，土地利用主要以堆肥化使用、筒 状发酵制肥和干燥制复合肥等方式实现。 ( 1 ) 堆肥化：是利用土壤中的微生物作用，将不稳定的有机质转化成较为稳定的 有机质，同时降低挥发性物质含量，减少臭气，改善其物理性状。 ( 2 ) 简状发酵制肥：是将脱水污泥与辅料搅拌后提升至发酵仓内，经1 0 一- 1 5 天发 酵处理后制成肥料。 ( 3 ) 干化制肥：是将脱水污泥经过干化、破碎、营养物质混合及造粒等工序，将 污泥最终制得复合肥。 污泥用于农田、林地、草地时，可改善土壤的理化性质，增加土壤肥力，促进树木、 花卉及草坪等的生长。当确定污泥中污泥中不含有致癌物质和重金属化合物的情况下， 可施用于农田，也可用作园林绿化土壤基质及林业用肥。污泥利用于林地和市政绿化不 容易造成食物链的严重污染，因此林地和市政绿化的污泥利用是一种很有发展前途的利 用方式。此外，污泥还可以用于严重扰动的土地，如矿场土地、建筑排废深坑、垃圾填 埋场、地表严重破坏区等需要复垦的土地。以上污泥利用方式减少了污泥对人类生活的 潜在威胁，既处置了污泥，又使生态环境得到恢复【8 】。 1 4 3 污泥焚烧 污泥焚烧是一种常用的热处理工程技术，是利用污泥的有机成分较高( 约占 7 0 8 0 ) ，具有一定热值等特点来处置污泥。污泥焚烧的技术优势在于其处理的彻底 性：处理速度快，减量率可达到9 5 左右；其有机物被完全氧化，重金属( 除汞外) 几 乎全被截留在灰渣中。该技术不仅使污泥得到减量化处理，而且污泥作为新的能源得到 杭州电子科技大学硕士学位论文 了利用，焚烧过程中产生的固体产物还可以用于制作建筑材料，其能量可以用于发电和 供热。 在美国，欧洲，日本等发达国家，污泥焚烧技术的使用率逐年增长。瑞士宣布从2 0 0 3 年开始所有污水厂污泥都要进行焚烧处理，目前日本较大规模的污水处理厂都采用焚烧 法处理污泥。虽然污泥焚烧技术已经取得很大进展，但是由于污泥含水率不太稳定、密 度小，热值较低，单一焚烧存在不容易着火、燃烧不稳定、容易结焦等问题，即使与其 它高热值燃料直接混合燃烧，也存在燃烧时间不同步、燃烧波动大，容易结焦影响正常 运转等问题f 9 】。 1 4 4 污泥热解 污泥热解是将污泥在无氧或者缺氧的状态下加热，并由此产生热作用引起化学分解 使之成为固态、气态和液态物质的化学分解反应。 2 0 世纪7 0 年代初期，热解被应用于城市固体废物的处理当中，近年来越来越多的 专家投入到污泥热解的研究中。污泥经过热解处理后不但可以得到便于储存和运输的油 品和燃料气，而且产物中的碳渣还会与物料中某些无机物与重金属成分构成硬而脆的惰 性固态产物，使其后续的填埋处置作业可以更安全和便利地进行。随着现代工业的发展， 污泥热解由于基本无二次污染，因此污泥热解处理技术已经成为很有发展前景的城市污 泥处理方法之一。 1 4 5 其他处置方式 其它处置方法包括制备建筑材料、制备微生物肥料、用作土壤改良剂，制备陶粒等。 我国在城市污泥处置及资源化方面的技术与发达国家相比还处于刚起步阶段，与发 达国家具有一定差距。表1 2 为我国和其它国家对污泥处理情况的比较。由表1 2 可知， 目前我国污泥处理以填埋和土地利用为主，其他利用方式为辅的处理现状；污泥资源化 方式比较单一，而且利用率也不高，对环境的二次污染较为严重，不利于长远发展，与 国外发达国家相比存在着工艺结构优化和技术转型等问题。尤其是在对污泥的焚烧处置 方面，由于耗资大、设备复杂、对操作人员的素质和技术水平要求高，因此这方面开展 的工作就较少，与国际先进水平有较大的差距。 表1 2 中国和其他国家的污泥处置情况 今后，随着各国对环境保护措施地进一步规范和落实，各国和地区为实现可持续发 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 展社会的需要，污泥资源化利用必然是污泥处理技术的发展趋势。目前，我国正面临巨 大的能源与环境压力，矿物能源和资源日益枯竭，利用可再生资源来替代煤炭石油和天 然气等化工燃料是今后解决能源紧缺的一种有效途径。因此，污泥热解不仅能很好地解 决污泥处置问题，同时其产物带来的经济效益也很值得深入研究，很有必要重点对污泥 热解进行概述。 1 5 污泥热解技术的现状 污泥热解是在无氧或缺氧环境下，使污泥在热作用下产生化学分解，使之分解为气 态、液态、或固态可燃物质的化学分解反应。2 0 世纪7 0 年代初期，热解被应用于城市 固体废物处理。固体废物经过热解处理后可以得到许多经过初级处理过的物质，比如得 到便于储存和运输的燃料和化学产品，得到与炭渣、无机物和重金属成分构成的惰性固 态产物，便于后续填埋与加工处理再利用。随着现代工业的发展，热解处理已经成为一 种很有发展前景的固体废物处理方法，它可以处理具有一定能量的有机固体废物，如城 市垃圾、污泥、废塑料、废橡胶、农林废物、人畜粪便等。 热解过程复杂且与诸多因素有关，例如固体废物、加热环境、加热时间等。像固体 废物种类、固体废物颗粒尺寸、加热速率、反应终温、压力、加热时间、热解气氛等都 会影响热解效率和质量。随着人们生活水平的不断提高，固体废物中的有机组分比例不 断提高，尤其是废塑料成分不断增加。对于这些有机物，可以采用焚烧的方法回收热能， 采用热解的方式获得烷类和烃类燃料f 1o 】。 1 5 1 热解工艺分类 热解工艺可按热解温度、加热方式、反应压力、热解设备的类型分类。任何一种热 解工艺，其热解产物的组成和数量都与物料构成特性、预处理程度、热解反应温度和物 料停留时间等因素有关。 污泥热解的主要工艺过程包括污泥脱水、干燥、热解、炭灰分离、油气冷凝分离、 热量回收、二次污染防治等过程。污泥热解的炉型大多采用竖式多段炉，在能够控制二 次污染物产生的范围内尽可能采用较高的燃烧率( 空燃比0 6 0 8 ) 以提高热解炉的效率。 此外，热解过程中产生的可燃气体及n h a 、h c n 等气体组分必须经过二次燃烧以实现 无害化。二燃室排放的高温气体具有很高的热值，应进行余热回收，回收的热能可用于 脱水泥饼的干燥、热分解炉助燃空气的预热、二燃室助燃空气的预热等。图1 1 为回转 窑式污泥干燥热解系统示意图，如图所示： 杭州电子科技大学硕士学位论文 液俸废物， 千嫫污泥茯；宣飞灰 图1 1 回转窑式污泥干燥热解系统示意图 污泥低温热解是在小于5 0 0 、常压和缺氧的条件下，借助污泥中所含的硅酸铝和 重金属( 尤其是铜) 的催化作用将污泥中的脂类和蛋白质转化成碳氢化合物，最终产物 为燃料油、气合炭，热解生成的油可用来发电【l l 】。根据污泥低温热解的工艺要求和热解 过程的技术特性，一般的生产流程如图1 2 所示： 图1 2 污泥低温热解工艺 1 5 2 热解方式 城市污泥在热解过程中，废物组成、物料预处理、物料含水率、反应温度和加热速 率等因素直接影响其热解产物的组成和数量。污泥热解时由于供热方式、产品特性、热 解炉结构等的不同，采取的热解方式也各不相同。 ( 1 ) 按加热方式分类 大部分热解反应为吸热反应，因此需要为反应提供热源对其进行加热。根据不同的 加热法可将热解分为直接加热法和间接加热法。 1 ) 直接加热法 热解反应需要的热量来源于被热解直接分解或向热解反应器提供补充燃料燃烧产 生的热。氧化剂分别采用纯氧、富氧或空气时，其热解所产生的可燃气的热值是不相同 杭州电子科技大学硕士学位论文 的。热解的过程中产生的二氧化碳、水蒸气等惰性气体混在热解产气当中，稀释了产气， 使热解产气的热值下降。根据有关的研究结果表明，如用空气作氧化剂对混合城市垃圾 进行热解时所得的可燃气其热值一般只有5 5 0 0 k j m 3 左右，而采用纯氧作氧化剂的热解 其产气的热值可达1 1 0 0 0 k j m 3 。 2 ) 间接加热法 间接加热法是将被热解物料与直接供热介质在热解反应器中分离开的一种热解方 法。可利用间壁式导热或以热砂料或熔化的某种金属床层的某种中间介质来传热。间壁 式导热方式热阻大、熔渣可能会包覆传热壁面而产生腐蚀，所以不能将较高的热解温度 用于热解。若采用中间介质传热方式，尽管有出现固体传热与中间介质分离的可能，两 者综合比较，后者还是较前者导热方式表现优良。但是由于固体废物的热传导效率较差， 间接加热的面积必须加大，因而使用这种方法仅局限于小规模的处理场所。 直接加热法的设各简单，可采用高温，不仅处理量大，而且产气率高。但直接加热 法产气的热值不高，作为单一燃料直接利用还不行，另外，采用高温热解还需认真考虑 n o x 产生的控制问题。间接加热法的主要优点在于其产品的品位较高，完全可当成燃气 直接燃烧利用，但其每千克物料所产生的燃气量大大低于直接法。 ( 2 ) 按热解温度分类 1 ) 高温热解 高温热解法的热解温度一般在1 0 0 0 。c 以上，其加热方式一般采用直接加热法，固体 废物的高温热解主要可获得可燃气。如果采用高温纯氧热解工艺，反应器中的氧化熔 渣区段的温度可高达1 5 0 0 c ，此时可将热解残渣的惰性固体如金属盐类及其氧化物和氧 化硅等熔化，并将以也太扎的形式排出反应器，再经水淬冷却后而粒化。这样可大大降 低固态残余物的处理困难，而且这种粒化的玻璃态渣可作建筑材料的骨料使用。 2 ) 中温热解 热解温度一般在6 0 0 7 0 0 。c 之间，主要用在比较单一的物料作能源和资源回收的工 艺上，像废轮胎、废塑料转换成类重油物质的工艺。所得到的类重油物质既可作能源， 又可做化工初级原料。 3 ) 低温热解 热解温度一般在6 0 0 。c 以下。农林产品加工后的废物产生低硫低灰炭时就可采用这 种方法。根据其原料和加工的深度不同，可制成不同等级的活性炭和水煤气原料。 ( 3 ) 按热解反应系统压力分为常压热解法和真空热解法。 ( 4 ) 按热解炉的结构可分为固定床、移动床、流动床和旋转炉等。 ( 5 ) 按热解产物的物理形态可分为气化方式、液化方式和碳化方式。 ( 6 ) 按热解过程是否生成炉渣可分为造渣型和非造渣型。 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 5 3 现阶段污泥热解的优劣 污泥热解因不同地区污泥成分不尽相同，要进行稳定地连续地热分解，在技术上和 运转操作上要求都较高，难度较大，但热解法与其他方法对比，有如下优点【l 2 ： ( 1 ) 热解氧化操作简便安全，过程便于控制( 如热解速度等) ； ( 2 ) 在热解过程中能量转化形式多样，经济性好，热解产生的燃气视其热值的高低可直 接燃烧或和其他高热值燃料混合燃烧，反应过程中产生的焦油视其性质可制成燃料 或提取化工原料； ( 3 ) 热解系统的二次污染小，可简化污染控制问题，对环境更加安全。因热解时在绝氧 或极低的氧还原条件中进行的，因此发生的no ) c 、s o ，( 、h c l 等公害物质较少，生成 的气或油能在低空气比下燃烧，隐刺废气量较小，对大气的污染也少，降低了二次 污染物排放水平，因而是一中安全的污泥处理方法； ( 4 ) 排出物密度高、致密，污泥大大被减容，而且灰渣被熔渣，污泥中的硫、重金属等 有害成分被大部分固定在炭黑中，可从中回收金属，由于保持还原条件，c 一不会 转化为c ，能防止重金属类溶出： ( 5 ) 热解残渣中，腐败性有机物量少，能防止填埋场的公害。 1 5 4 污泥低温热解技术及设备的研究现状 污泥低温热解技术是利用污泥中含有大量易挥发性有机物质，而这些有机物质中含 有可利用的能力，在低温热解之后这些能力以热量、燃料或者特殊化学品等形式释放出 来，实现污泥的价值f 1 3 】。 目前国内对热解法的研究还处于试验阶段，大多在高温阶段。国外对污泥热解技术 的研究始于2 0 世纪8 0 年代，最早是由b a y e rb 提出f 1 4 1 ，研究主要集中在高温阶段。 g a l lq 1 1 5 1 用对流加热器和微波炉组合的半工业化微波设备作为反应器，它能调整功 率，其中最大的功率为2 0 0 0 w 。该设备是由一个电风扇加热器( 1 2 8 0 w ) 通过一个直径 为0 0 5 m 连接器附在微波炉外壁，这样热空气能以9 6 不变的温度传入微波炉，并在炉 内循环。该组合设备允许污泥的加热和干燥在三种不同情况下发生：1 ) 单独的对流加 热；2 ) 单独的微波加热；3 ) 微波和对流同时加热和干燥( 联合模式) 。 s e h m i d t 等f 1 6 】用流化床来作为反应器，污泥的热解在流化床中进行。流化床的主体用 抗热性好的不锈钢制成，由两个内径不同的管组成。刘连芳等【l7 】对污泥热解和焚烧试验 研究中，采用的是一炉三用，物料从炉身顶部装入。热解试验时把试验台与空气隔绝， 使之发生缺氧条件的热解反应：采用固定床焚烧时保持与空气自然相通，使之发生有氧 条件下的固定床焚烧；采用流化床焚烧时，打开风机，调节风量，使床砂沸腾起来达到 流化状态，实现物料与床砂的充分混合，然后进行焚烧试验。m e n 6 n d e zj a 等f 1 8 】在研究 微波高温热解污泥时，用多状态的微波炉使污泥的干化和热解在单一过程中完成 1 0 杭州电子科技大学硕士学位论文一 1 5 5 国内外污泥热解特性的研究现状 影响热解过程的主要因素有反应温度、反应湿度、加热速率、反应停留时间、废物 组成等。 ( 1 ) 反应温度 温度是影响热解的关键因素，热解产物的产量和成分都可通过控制反应器的温度来 有效地改变。在研究污泥低温热解转化时，一般温度控制在5 0 0 以内。从经济性和有 效性来考虑，污泥低温热解的反应温度存在一个最佳温度值，使得热解反应最强烈。但 是由于热解条件、操作方法、污泥样品等因素的影响，不同的实验研究结果不尽相同。 邵立明等f 1 9 】对污泥低温热解过程的能量平衡进行分析，认为2 7 0 c 为适宜反应温度， 即使在国内污泥有机质含量低的情况下，污泥热解过程仍是能量净输出过程。喻健良等 【2 0 】研究了反应温度对污水处理厂污泥的低温催化热解制油。研究表明，在考察温度为 2 5 0 3 2 0 时，污泥的产油率随着反应温度的升高而增加，其中当温度为2 5 0 2 7 0 时 产油率增幅显著，当反应温度高于2 7 0 后产油率的增幅趋缓。 李海英等f 2 l 】对城市生活污泥中有机混合物干燥后，在2 5 0 7 0 0 c 之间对其进行了中 低温热解的试验研究。结果表明，热解的适宜温度在4 5 0 左右，该温度固体减量化程 度高、回收燃油的性能好，同时可把气体产物作为热解所需的能源加以利用，可以实现 污泥处理的无害化、减量化、资源化。 ( 2 ) 反应湿度 热解过程中湿度会影响产气的量和成分、热解内部化学过程以及整个系统的能量平 衡。热解过程中的水分主要来自两个方面，一是来自物料自身的含水量，二是来自外加 的高温水蒸气。反应过程中生成的水分其作用接近于外加的高温蒸汽。城市污泥的含水 率一般在7 0 0 o - 8 0 之间，降低污泥的含水率能将更多的能量用于热解反应，提高热能 利用率，降低处理费用。 ( 3 ) 加热速率 加热速率对热解过程有比较大的影响，从而影响热解产物的生成。通过加热温度和 加热速度的结合，可控制热解产物中各组分的生成比例。在低温低速加热条件下，有 机物分子有足够的时间在其最薄弱接点处分解，重新结合为热稳定性固体而难以进一步 分解，因而产物中固体含量增加；在高温一高速条件下，热解速度快，有机物分子结构 发生完全裂解，生成大范围的低分子有机物，产物中气体的组分增加。 因为污泥热解是吸热反应，内部物质挥发和分解需要一定时间，所以加热速率越大， 反应物内越活跃，内部物质挥发所需时间就越少，热解速率就越大。但是，加热速率对 污泥热解的影响具有阶段性。当温度处于低温阶段时，加热速率越高，热解效率就越高： 当温度处于高温阶段时，加热速率对热解效率的影响可忽略不计。 ? 杭州电子科技大学硕士学位论文 i n g u a n z o 等【2 2 】研究了加热速率对热解产物产率的影响。研究表明，只有在低温 阶段加热速率对产物产率有明显的影响：在4 5 0 时，高的加热速率能够使热解效率更 高，产生更多的液体和气体产物；当温度高于6 5 0 c 时这种影响几乎可以忽略。目前国 内研究污泥热解时，主要处在低温阶段，所以要考虑加热速率对其的影响，但相当多的 研究没有考虑这点。 ( 4 ) 反应停留时间 反应停留时间是指反应物料完全反应在炉内停留的时间。它与许多因素有关，如物 料尺寸、物料分子结构、反应器内德温度水平、热解方式等，而且反应时间还影响热解 产物的成分和总量。 一般情况下，反应物的尺寸越小反应时间越短；物料分子结构越复杂反应时间越长： 反应温度越高反应物颗粒内外温差梯度越大，加快物料被加热的速度，缩短反应时间。 热解方式对反应时间的影响比较大，直接热解与间接热解相比热解时间就短。反应停留 时间是反应达到平衡的主要控制条件之一。目前国内对污泥热解过程的反应时间还没有 明确的定论，一般认为在达到反应的平衡点即最佳反应时间之前，产油率随反应时间的 延长而提高