化工污泥的干燥焚燒工藝設(shè)計

羊建新　翁居軾　秦恒飛　范鈞　張鎖榮　程潔紅　朱炳龍

摘 要：對某工廠污泥進行了理化性質(zhì)的研究，包括污泥含水率、元素分析、重金屬含量和pH值。結(jié)果表明該廢水污泥含水率高達90%，并含有Cr、Ni、Zn等重金屬，不適合堆肥和填埋等常規(guī)處理。在濕污泥性質(zhì)測定的基礎(chǔ)上對干污泥進行了成分分析，并制定了濕污泥干燥和干污泥焚燒的工藝路線。

關(guān)鍵詞：化工污泥；干燥；焚燒；工藝

中圖分類號：X705 文章標識碼：A 文章編號：2095-7394（2017）06-0031-04

化工污泥中含有大量的有機物，具有極易腐爛的化學性質(zhì)，會散發(fā)出強烈的惡臭味氣體，在不經(jīng)過處理的情況下易滋生寄生蟲卵、病原微生物。[1-2]污泥中含有的有機污染物不易降解且毒性殘留長，如果這些有毒物質(zhì)沒有被有效處理，而是通過其他方式再次進入循環(huán)生物圈中，必將再次產(chǎn)生污染。[3-4]

化工污泥屬于危險固體廢棄物，對環(huán)境的危害比市政污泥更大。[5]隨著化工廠的增產(chǎn)擴能，廢水污泥的數(shù)量日益增加。擬處理的化工污泥是一種高含水量的危險固廢物，日產(chǎn)量已達10 t，成為該廠急需解決的問題。受該廠的委托，要求對該污泥實現(xiàn)“減量化、無害化、資源化”處理，徹底解決該污泥的污染問題。

1 濕污泥的理化性質(zhì)測定

1.1 物理性質(zhì)

參考CJ/T221-2005《城市污水處理廠污泥檢驗方法》測定了化工廠廢水污泥的含水率、密度、pH值和導電率，其結(jié)果如表1所示：

1.2 化學性質(zhì)

1.2.1 元素分析

主要測定的元素有C、H、O、N、S，這也是構(gòu)成污泥的主要成分，它們含量的不同會導致處理工藝的不同。被測樣品在高溫條件下，經(jīng)氧氣的氧化與復合催化劑的共同作用，再使其發(fā)生氧化燃燒反應，樣品組分轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)如CO2、H2O、N2和SO2，并在載氣的推動下，送入色譜柱中。由于不同的氣體在色譜柱中流出的時間不同，因此該混合組分可以按照N、C、H、S的順序依次被測定出來。分離出來的氣體，再通過熱導檢測器分析測量，不同的氣體的導熱系數(shù)不同，因此熱導檢測器能根據(jù)不同的組分讀出不同的數(shù)值，再把熱導檢測器產(chǎn)生的數(shù)值和標準樣品進行對比，就可以達到定量分析的目的。其結(jié)果見表2。

1.2.2 重金屬含量測定

由于重金屬對環(huán)境極具破壞力，因此重金屬的存在與否和含量高低決定了污泥最終的處置方式。在元素周期表中原子序數(shù)在21～83中間或相對密度在5以上的金屬元素稱為重金屬，其中鉛（Pb）、汞（Hg）、鋅（Zn）、鉻（Cr）、砷（As）、銅（Cu）、鎘（Cd）、鎳（Ni）等是這些重金屬中毒性較強，極易造成環(huán)境污染的元素。

本實驗的重金屬含量測定是由型號為M6的美國的原子吸收光譜儀測定的。測定結(jié)果其結(jié)果見下表3。

由上表的測定結(jié)果可知，污泥中重金屬含量最高的是Ni元素，其次Zn、Se等重金屬的含量同樣相對較高。As、Be、Cd、Pb未在該廠污泥中發(fā)現(xiàn)。重金屬元素的存在要求該污泥的最終處理方式必須要把重金屬固化，把重金屬對環(huán)境造成的危害降至最低。

2 干污泥的性質(zhì)分析

根據(jù)干燥后含水率（濕基）為10%的污泥作為原料進行了元素分析、熱值分析和工業(yè)分析，了解其焚燒價值和基本特性，設(shè)計了針對化工廠污泥的流化床焚燒爐。

2.1 干污泥的元素

分析干污泥中的C、H、O、N、S決定了污泥焚燒所需的空氣量。其中，N和S元素的含量也會影響到焚燒后尾氣的排放。因此在設(shè)計焚燒爐之前有必要先進行元素測定。干污泥的元素分析結(jié)果見表4。

2.2 干污泥的工業(yè)分析

污泥的工業(yè)分析主要是為了測定其中的水分、揮發(fā)分、固定碳和灰分的含量。

2.2.1水分含量的測定步驟

稱取一定質(zhì)量的污泥置于烘箱內(nèi)在105℃的條件下干燥6 h，后取出冷卻至室溫，再稱重，減少的重量即為干污泥中水分的含量。水分的百分數(shù)含量Mad按以下公式確定：

式（1）中：[G1]污泥干燥前后失去的質(zhì)量，單位：g；[G]污泥干燥前的質(zhì)量，單位：g。

2.2.2灰分的含量

稱取一定質(zhì)量的樣品，放入馬弗爐內(nèi)，在500°C下停留30分鐘后繼續(xù)升溫至800°C，灼燒約1小時，取出坩鍋，干燥至室溫，稱重，灰分的含量按以下公式確定：

式（2）中：[G2]污泥灼燒后殘余物的質(zhì)量，單位：g；[G]污泥灼燒前的質(zhì)量，單位：g。

2.2.3揮發(fā)份的含量

將馬弗爐預先加熱到900°C，將事先稱重的污泥放入帶有嚴密蓋子的坩堝置于爐中溫度穩(wěn)定區(qū)，加熱7分鐘后取出，冷卻，稱重，揮發(fā)份的含量按以下公式確定：

式（3）中：[G3]污泥加熱后失去的重量，g；[G]污泥加熱前的重量，g；[Mad]污泥的水分百分含量，單位：%。

2.2.4 固定碳的含量

污泥中的固定碳含量是根據(jù)己經(jīng)測定的水分、灰分、揮發(fā)份按以下公式計算得到：

式（4）中：Mad污泥試樣的水分含量，單位：%；Vad污泥試樣的揮發(fā)分含量，單位：%；Aad污泥試樣的灰分含量，單位：%。

經(jīng)平行試驗測定，污泥工業(yè)分析實驗結(jié)果與分析如表5。

3 熱值

在所有的污泥處理處置措施中，污泥焚燒是最為徹底的一種，而且在處理污泥的同時可以回收污泥燃燒所釋放的能量維持燃燒，因此污泥的熱值大小與污泥焚燒效果密切相關(guān)。單位質(zhì)量燃料完全燃燒并冷卻后所釋放的能量稱為熱值，因此污泥中的可燃分和污泥含水率決定污泥熱值的大小。污泥中可燃分燃燒放熱，同時水分蒸發(fā)吸熱，當污泥熱值不夠水分蒸發(fā)吸熱時，水分不能移走，污泥就不能維持燃燒，甚至過量的未移除的水分會影響焚燒爐床層的狀態(tài)導致停爐。

污泥熱值的測定方法主要參考標準GB/T213-2008《煤的發(fā)熱量的測定方法》。采用IKAC5000控制型量熱儀分別測定兩種污泥干燥基及不同含水率情況下的低位熱值，同時根據(jù)GB/T213-2008《煤的發(fā)熱量的測定方法》中有關(guān)收到基低位發(fā)熱量的計算公式，可粗略估算不同含水率濕污泥的熱值。本文污泥熱的低位值依公式5直接測得為1108kJ/kg。

[Qs，M=Qd×100-M100-23M] （5）

式（5）中：[Qd]煤的高位熱值，單位：kJ/kg；[M]污泥中水分的質(zhì)量百分含量，單位：%。

4 污泥處置技術(shù)路線

針對高含水率的化工廠廢水污泥如果采用填埋或者堆肥處理，不僅運輸成本高，而且不能有效的降低重金屬元素對環(huán)境的危害，反而會引起二次污染，因此采用干燥焚燒聯(lián)合方式處理該污泥。

綜合已有的城市污泥和其他廢水污泥的處理方式及技術(shù)，本文提出了針對化工廠廢水污泥處理的技術(shù)路線，如圖1所示。

圖1路線主要由污泥干燥、焚燒、尾氣處理和爐渣資源化處理四大系統(tǒng)組成。該路線把干燥工藝和焚燒工藝聯(lián)合在一起，濕污泥由喂料機送入干燥器，與干污泥焚燒后的高溫尾氣接觸，并傳質(zhì)傳熱，得到干燥后的污泥由旋風分離器收集后經(jīng)干污泥喂料機送入焚燒爐焚燒。與已報道的工藝相比，整個工藝中污泥的熱量得到充分利用，運行成本也隨之下降。干燥后的尾氣進入尾氣處理系統(tǒng)。污泥經(jīng)過干燥焚燒處理后實現(xiàn)了減量化，其中原有的重金屬富集在燒剩的底灰中，作為后續(xù)研究。

參考文獻：

[1] 尹軍，譚學軍. 污水污泥處理處置與資源化利用[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[2] 袁佳麗，郭宏偉. 污水污泥干燥特性研究技術(shù)[J]. 化工裝備技術(shù)，2009（4）：28-30.

[3] 楊金滿，賈瑞寶. 城市污泥資源化利用研究進展[J]. 工業(yè)用水與廢水，2011（5）：1-5.

[4] Fiali-Mekness Y，Tyagi R D，Narasiah K S. Simultaneous Sludge Digestion and Mental leaching：Effect of Aeration[J]. Process Biochemistry，2000，36：263-273.

[5] Houillon G，Jolliet O. Life cycle assessment of processes for the treatment of wastewater urban sludge： energy and global warming analysis [J]. Journal of Cleaner Production，2005，13（3）：287-299.