化工污泥的干燥焚烧工艺设计

羊建新　翁居轼　秦恒飞　范钧　张锁荣　程洁红　朱炳龙

摘 要：对某工厂污泥进行了理化性质的研究，包括污泥含水率、元素分析、重金属含量和pH值。结果表明该废水污泥含水率高达90%，并含有Cr、Ni、Zn等重金属，不适合堆肥和填埋等常规处理。在湿污泥性质测定的基础上对干污泥进行了成分分析，并制定了湿污泥干燥和干污泥焚烧的工艺路线。

关键词：化工污泥；干燥；焚烧；工艺

中图分类号：X705 文章标识码：A 文章编号：2095-7394（2017）06-0031-04

化工污泥中含有大量的有机物，具有极易腐烂的化学性质，会散发出强烈的恶臭味气体，在不经过处理的情况下易滋生寄生虫卵、病原微生物。[1-2]污泥中含有的有机污染物不易降解且毒性残留长，如果这些有毒物质没有被有效处理，而是通过其他方式再次进入循环生物圈中，必将再次产生污染。[3-4]

化工污泥属于危险固体废弃物，对环境的危害比市政污泥更大。[5]随着化工厂的增产扩能，废水污泥的数量日益增加。拟处理的化工污泥是一种高含水量的危险固废物，日产量已达10 t，成为该厂急需解决的问题。受该厂的委托，要求对该污泥实现“减量化、无害化、资源化”处理，彻底解决该污泥的污染问题。

1 湿污泥的理化性质测定

1.1 物理性质

参考CJ/T221-2005《城市污水处理厂污泥检验方法》测定了化工厂废水污泥的含水率、密度、pH值和导电率，其结果如表1所示：

1.2 化学性质

1.2.1 元素分析

主要测定的元素有C、H、O、N、S，这也是构成污泥的主要成分，它们含量的不同会导致处理工艺的不同。被测样品在高温条件下，经氧气的氧化与复合催化剂的共同作用，再使其发生氧化燃烧反应，样品组分转化为气态物质如CO2、H2O、N2和SO2，并在载气的推动下，送入色谱柱中。由于不同的气体在色谱柱中流出的时间不同，因此该混合组分可以按照N、C、H、S的顺序依次被测定出来。分离出来的气体，再通过热导检测器分析测量，不同的气体的导热系数不同，因此热导检测器能根据不同的组分读出不同的数值，再把热导检测器产生的数值和标准样品进行对比，就可以达到定量分析的目的。其结果见表2。

1.2.2 重金属含量测定

由于重金属对环境极具破坏力，因此重金属的存在与否和含量高低决定了污泥最终的处置方式。在元素周期表中原子序數在21～83中间或相对密度在5以上的金属元素称为重金属，其中铅（Pb）、汞（Hg）、锌（Zn）、铬（Cr）、砷（As）、铜（Cu）、镉（Cd）、镍（Ni）等是这些重金属中毒性较强，极易造成环境污染的元素。

本实验的重金属含量测定是由型号为M6的美国的原子吸收光谱仪测定的。测定结果其结果见下表3。

由上表的测定结果可知，污泥中重金属含量最高的是Ni元素，其次Zn、Se等重金属的含量同样相对较高。As、Be、Cd、Pb未在该厂污泥中发现。重金属元素的存在要求该污泥的最终处理方式必须要把重金属固化，把重金属对环境造成的危害降至最低。

2 干污泥的性质分析

根据干燥后含水率（湿基）为10%的污泥作为原料进行了元素分析、热值分析和工业分析，了解其焚烧价值和基本特性，设计了针对化工厂污泥的流化床焚烧炉。

2.1 干污泥的元素

分析干污泥中的C、H、O、N、S决定了污泥焚烧所需的空气量。其中，N和S元素的含量也会影响到焚烧后尾气的排放。因此在设计焚烧炉之前有必要先进行元素测定。干污泥的元素分析结果见表4。

2.2 干污泥的工业分析

污泥的工业分析主要是为了测定其中的水分、挥发分、固定碳和灰分的含量。

2.2.1水分含量的测定步骤

称取一定质量的污泥置于烘箱内在105℃的条件下干燥6 h，后取出冷却至室温，再称重，减少的重量即为干污泥中水分的含量。水分的百分数含量Mad按以下公式确定：

式（1）中：[G1]污泥干燥前后失去的质量，单位：g；[G]污泥干燥前的质量，单位：g。

2.2.2灰分的含量

称取一定质量的样品，放入马弗炉内，在500°C下停留30分钟后继续升温至800°C，灼烧约1小时，取出坩锅，干燥至室温，称重，灰分的含量按以下公式确定：

式（2）中：[G2]污泥灼烧后残余物的质量，单位：g；[G]污泥灼烧前的质量，单位：g。

2.2.3挥发份的含量

将马弗炉预先加热到900°C，将事先称重的污泥放入带有严密盖子的坩埚置于炉中温度稳定区，加热7分钟后取出，冷却，称重，挥发份的含量按以下公式确定：

式（3）中：[G3]污泥加热后失去的重量，g；[G]污泥加热前的重量，g；[Mad]污泥的水分百分含量，单位：%。

2.2.4 固定碳的含量

污泥中的固定碳含量是根据己经测定的水分、灰分、挥发份按以下公式计算得到：

式（4）中：Mad污泥试样的水分含量，单位：%；Vad污泥试样的挥发分含量，单位：%；Aad污泥试样的灰分含量，单位：%。

经平行试验测定，污泥工业分析实验结果与分析如表5。

3 热值

在所有的污泥处理处置措施中，污泥焚烧是最为彻底的一种，而且在处理污泥的同时可以回收污泥燃烧所释放的能量维持燃烧，因此污泥的热值大小与污泥焚烧效果密切相关。单位质量燃料完全燃烧并冷却后所释放的能量称为热值，因此污泥中的可燃分和污泥含水率决定污泥热值的大小。污泥中可燃分燃烧放热，同时水分蒸发吸热，当污泥热值不够水分蒸发吸热时，水分不能移走，污泥就不能维持燃烧，甚至过量的未移除的水分会影响焚烧炉床层的状态导致停炉。

污泥熱值的测定方法主要参考标准GB/T213-2008《煤的发热量的测定方法》。采用IKAC5000控制型量热仪分别测定两种污泥干燥基及不同含水率情况下的低位热值，同时根据GB/T213-2008《煤的发热量的测定方法》中有关收到基低位发热量的计算公式，可粗略估算不同含水率湿污泥的热值。本文污泥热的低位值依公式5直接测得为1108kJ/kg。

[Qs，M=Qd×100-M100-23M] （5）

式（5）中：[Qd]煤的高位热值，单位：kJ/kg；[M]污泥中水分的质量百分含量，单位：%。

4 污泥处置技术路线

针对高含水率的化工厂废水污泥如果采用填埋或者堆肥处理，不仅运输成本高，而且不能有效的降低重金属元素对环境的危害，反而会引起二次污染，因此采用干燥焚烧联合方式处理该污泥。

综合已有的城市污泥和其他废水污泥的处理方式及技术，本文提出了针对化工厂废水污泥处理的技术路线，如图1所示。

图1路线主要由污泥干燥、焚烧、尾气处理和炉渣资源化处理四大系统组成。该路线把干燥工艺和焚烧工艺联合在一起，湿污泥由喂料机送入干燥器，与干污泥焚烧后的高温尾气接触，并传质传热，得到干燥后的污泥由旋风分离器收集后经干污泥喂料机送入焚烧炉焚烧。与已报道的工艺相比，整个工艺中污泥的热量得到充分利用，运行成本也随之下降。干燥后的尾气进入尾气处理系统。污泥经过干燥焚烧处理后实现了减量化，其中原有的重金属富集在烧剩的底灰中，作为后续研究。

参考文献：

[1] 尹军，谭学军. 污水污泥处理处置与资源化利用[M]. 北京：化学工业出版社，2005.

[2] 袁佳丽，郭宏伟. 污水污泥干燥特性研究技术[J]. 化工装备技术，2009（4）：28-30.

[3] 杨金满，贾瑞宝. 城市污泥资源化利用研究进展[J]. 工业用水与废水，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.