半干污泥流量計量方法與裝置的研究及應用

張帥領，邵 欽，林莉峰

(1.上海市政設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092；2.上海市城市排水有限公司，上海 200070)

污泥是城市污水處理廠污水處理過程中出現的副產物，其有機物含量高(40%～70%)，需要進行妥善的處理處置以避免對環(huán)境造成二次污染。目前，對污泥的處置主要有好氧發(fā)酵、厭氧消化和干化焚燒等方法。污泥焚燒的主要目的是將污泥無害化和最大限度地減量化。20世紀90年代以來，污泥焚燒已成為一種流行的方法，在發(fā)達國家被普遍使用[1-2]。

國內污泥的熱值普遍較低，如采用焚燒的處理工藝，需對脫水污泥進行預干化。因干污泥顆粒度不均、黏性高、輸送時易堵塞等固有特性，目前沒有直接測量干污泥輸送流量的儀表，當前普遍采用的污泥流量間接計量方法為螺旋計量法，即控制污泥輸送螺旋頻率的方式測量污泥流量[3-4]。由于半干污泥顆粒度不均、污泥堆積空隙不同，根據進料螺旋定頻率輸出的半干污泥量會有偏差，入爐的污泥量時大時小，燃燒爐的燃燒工況不能保持穩(wěn)定。因此，常規(guī)的螺旋計量法進行污泥流量計量具有固有的缺陷。

精確穩(wěn)定控制進焚燒爐的污泥量，是焚燒爐燃燒工況穩(wěn)定的關鍵，半干污泥計量裝置作為輸送系統(tǒng)的配套裝置，對保證污泥處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行意義重大。為了克服常規(guī)方法的缺點和不足，本文結合大型污泥焚燒項目，研究了半干污泥流量間接計量的新方法，并進行了實際的工程應用，取得了良好的效果。

1 半干污泥流量計量方法與裝置

半干污泥流量間接計量新方法——計量槽計量法：在半干污泥輸送系統(tǒng)中加入計量槽裝置，污泥計量槽是指在斗式秤的基礎上增加加料設備與出料輸送設備，利用料斗內物料減少速率來計算物料流量與累計重量，從而實現連續(xù)或間斷計量與控制的稱量裝置，如圖1所示。

注：1—計量裝置進料口；2—計量槽；3—稱重模塊；4—輸送螺旋圖1 污泥流量計量方法裝置圖Fig.1 Device Diagram of Sludge Flow Measurement Method

該方法計量半干污泥的原理如下。

1)加料過程：因倉內物料同時進出，不能通過單位時間內倉內物料重量的變化量來計算出料流量，控制器自動進入“容積計量配料方式”，即保持出料恒速，以加料開始前的流量值作為整個加料過程的流量值(近似值)。

2)加料停止后：采用“減量計量配料方式”計算進料流量，具體為利用單位時間內倉內物料重量的變化量來計算出料實時流量，計算如式(1)。

Qi=ΔGi/Δt

(1)

其中：Qi——i-1到i時刻的半干污泥流量，t/h；

ΔGi——i-1到i時刻的物料倉半干污泥質量變化，kg；

Δt——i-1到i時刻的時間間隔，s，一般取微小固定時長，如1 s。

對時長做累計，計算平均流量作為半干污泥在該時間段內的流量值，如式(2)。

(2)

其中：Q——累計時間段內的半干污泥流量，t/h；

n——累計數量，通常取30。

為了能實現對計量槽裝置精細化控制，本文對其控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化，如圖2所示。干污泥計量系統(tǒng)其PID控制連續(xù)工作控制時序如圖3所示，控制原理如下。

圖2 計量槽裝置控制原理示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Control Principle of Metering Tank Device

圖3 計量槽連續(xù)工作控制時序圖Fig.3 Working Control Timing of Metering Tank

1)第一次啟動系統(tǒng)時，先判斷料倉內物料重量是否達到上限。如達到上限，無需啟動料倉加料設備，直接啟動出料設備并根據爐溫高低進行PID調節(jié)。如未達到上限，啟動料倉加料設備，經“加料穩(wěn)定時間”后(避免加料開始時物料沖擊造成上限誤判)，控制器再判斷料倉物料重量是否達到上限。達到上限時，料倉加料設備停機，經“加料穩(wěn)定時間”后，啟動出料設備并進行PID調節(jié)。

2)在出料PID調節(jié)過程中，控制器判斷料倉物料重量是否達到下限。達到下限時，啟動料倉加料設備，出料保持恒速，經“加料穩(wěn)定時間”后，判斷料倉物料重量是否達到上限，達到上限時停止加料，再次進入出料PID調節(jié)過程。

3)系統(tǒng)工作過程中，出料設備連續(xù)工作。

2 項目應用

本項目為上海市石洞口污水處理廠污泥處理二期工程，采“脫水+干化+焚燒+煙氣處理”的污泥處理工藝，污泥處理規(guī)模為128 tDS/d，配套3條脫水系統(tǒng)生產線、2條干化系統(tǒng)生產線、3條焚燒及煙氣處理系統(tǒng)生產線。焚燒產生的煙氣經余熱利用和凈化處理后，滿足上海地標DB 31/768—2013的達標排放。工藝流程如圖4所示。

圖4 石洞口污水處理廠污泥處理二期工程工藝流程圖Fig.4 Schematic Diagram of the Phase II Sludge Disposal Project of Shidongkou WWTP

本項目是國內首個接收外來半干污泥的污泥焚燒工程，焚燒爐系統(tǒng)的半干污泥入爐進料系統(tǒng)的計量是本工程污泥焚燒的關鍵技術。干化后的半干污泥和外來半干污泥在半干污泥接收坑內混合后，通過半干污泥計量裝置將半干污泥輸送裝置送入焚燒爐進行處理，每臺焚燒爐配兩套進料計量裝置，呈對稱分布。

為了能有效分析對比常規(guī)的螺旋計量法與本文提出的計量槽計量方法，在項目實施過程中進行了對比試驗。本項目配置了約3 000 m3的半干污泥接收坑，污泥在接收坑內均質后進入焚燒爐處理，對比試驗期內進入接收坑的污泥泥性均未變化，半干污泥泥性基本相同。除計量方式外，對比試驗中半干污泥泥質、運行工況等其他因素的影響是同一水平的。通過不同方法對半年污泥的流量進行了計算和計量(表1、圖5)，并基于兩種計量方法對焚燒爐燃燒工況的影響進行比較。焚燒爐溫度如表1和圖6所示。

由表1、圖5、圖6可知，通過本文提出的半干污泥計量方法和裝置控制方法，可以有效控制燃燒爐內的溫度波動(標準差較小)，即燃燒爐內處于相對穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。

表1 試驗中半干污泥流量和焚燒爐爐溫結果Tab.1 Results of Flow Rate and Incinerator Temperature of Semi-Dry Sludge in Experiment

圖5為通過控制螺旋頻率控制入爐半干污泥的焚燒爐溫度圖(方案1)。入爐焚燒爐頻率可根據焚燒爐爐溫的高低進行PID調節(jié)，確保爐溫滿足850 ℃以上且不能超溫。半干污泥顆粒度不均、污泥堆積空隙不同，進料螺旋定頻率輸出的半干污泥量會有偏差，造成入爐的污泥量時大時小，又因螺旋至焚燒爐有一定的距離，調節(jié)時會有滯后性，兩者共同作用造成爐溫波動較大。

圖5 通過螺旋頻率控制污泥流量的焚燒爐溫度Fig.5 Incinerator Temperature for Sludge Flow by Spiral Frequency Control

圖6為通過帶稱重裝置的計量槽控制入爐半干污泥的焚燒爐溫度圖(方案2)。根據計量槽料斗內物料減少速率來計算物料流量，入爐污泥流量可根據焚燒爐爐溫的高低進行PID自動調節(jié)，確保爐溫滿足850 ℃以上且不能超溫。此種控制方法可以精確控制入爐的半干污泥量。根據實際調試時爐溫曲線可以看出爐溫較平穩(wěn)，滿足運行需求。

圖6 通過計量裝置控制污泥流量的焚燒爐溫度Fig.6 Incinerator Temperature for Sludge Flow by Metering Device Control

根據調試經驗，在調試過程中發(fā)現污泥流量計量準確性的主要影響因素為計量槽稱重模塊的精度、污泥顆粒度、流量計量時間間隔。建議稱重模塊精度為1 kg，污泥顆粒度均勻并在15 mm以內，流量計算時間間隔為小于2 s，在實際應用中應根據不同項目情況進行調整。

3 結論

(1)與常規(guī)的控制污泥輸送螺旋頻率的方式測量污泥流量方法相比，半干污泥流量計量方法可以實現半干污泥量的精確自動控制，保持焚燒爐燃燒溫度和工況相對穩(wěn)定，在污泥流量計量方面準確、可靠。

(2)半干污泥流量計量方法可實現精確穩(wěn)定控制進焚燒爐的污泥量，對維持焚燒爐燃燒工況的穩(wěn)定意義重大，本文研究的污泥計量裝置在污泥干化焚燒項目中具有推廣意義。

(3)半干污泥計量裝置的自動控制，尤其是PID控制參數的設定和調節(jié)，需要一定的經驗。因此，實際應用中，在結合本文提出的半干污泥流量計量方法和裝置的基礎上，應結合具體的項目情況制定相關的控制方法和措施。