造纸污泥干化及焚烧系统污染物排放特性_图文

1、第 14卷第 6期2008年 12月 燃 烧 科 学 与 技 术 Journa l of Co m busti on Sc i ence and Technology Vol . 14No . 6Dec . 2008造纸污泥干化及焚烧系统污染物排放特性邓文义 , 严建华 , 李晓东 , 王 飞 , 岑可法(浙江大学能源清洁利用国家重点实验室 , 杭州 310027摘 要 :结合工程实际 , , 烧处理 , 研究了干燥焚烧系统的污染物排放 , . 研究发现 , 污泥 干燥过程将释放出烷烃 、 NH 3、 HCl 和 HCN 等无机污染气体 . 在导热油 温为 180 时 , (C 为 113.

2、6mg/L.混煤燃烧后常规污染物和二恶英的排放浓 度均显著降低 , . 8mg/m3降至 144. 5mg/m3, 二恶英国际当量浓度由 0. 144ng I 2TE Q /m3降至0104ng I 2TE Q /m3; , 其结果远低于国家标准 G B 5085. 3 1996规定的危险废物浸出液最高允许浓度值 .关键词 :造纸污泥 ; 干燥 ; 混烧 ; 污染物排放中图分类号 :X705 文献标识码 :A 文章编号 :100628740(2008 0620545206Pollut ants E m issi on Characteristi cs of Paper M illSludge

3、Dryi n g and Co mbusti on Syste mDENG W en 2yi, Y AN J ian 2hua, L I Xiao 2dong, WANG Fei, CEN Ke 2fa(State Key Laborat ory of Clean Energy U tilizati on, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China Abstract:D irected by engineering p ractice, paper m ill sludge was dried in a paddle drier and co 2c

4、ombusted with paper residue in a bubbling fluidized bed incinerat or . The pollutant e m issi on characteristics of sludge drying and combusti on p r ocess as well as the influence of coal on pollutant e m issi on were then studied . It was f ound that p lenty of volatile flue ga 2ses, including par

5、affin gases, benzene, fatty acid, NH 3, HCl and HCN, were em itted during the sludge drying p r ocess . The che m ical oxygen de mand (C OD of condensed water was 113. 6mg/Lwhen the oil te mperature of the paddle drier was 180 . After co 2combusti on with coal, the concentrati ons of general polluta

6、nts and di oxins markedly decreased . The C O concentrati on has decreased fr om 574. 8mg/m3t o 144. 5mg/m3, and the di oxin concentrati on fr om 0. 144ng I 2TE Q /m3t o 0. 04ng I 2TE Q /m3. The concentrati on of fly ash leached heavy metals was far bel ow the G B 5085. 3 1996standards . Keywords:pa

7、per m ill sludge; drying; co 2combusti on; pollutants em issi on 收稿日期 :2007207225.基金项目 :教育部科学技术研究重大基金资助项目 (307016 ; 浙江省重大科技专项基金资助项目 (2006C11009 . 作者简介 :邓文义 (1982 , 男 , 博士研究生 . 通讯作者 :严建华 , yanjhc mee . zju . edu . cn . 造纸污泥和纸渣是造纸工业排放的主要固体污染 物 . 造纸污泥是造纸废水处理过程中产生的残余沉淀 物质 , 主要包括不溶性纤维素 、 填料 、 絮凝剂以及其他 污染物

8、 ; 纸渣是造纸原料筛选过程中排放的余料 . 如何 有效处理造纸污泥和纸渣一直是制浆造纸工业所面临的一个重大课题 . 随着我国政府环保力度的不断加大 , 以往的填埋法由于其二次污染问题而逐渐被抛弃 , 新 兴的焚烧法由于能够最大限度地实现污泥的减量化 、 资源化 、 稳定化而日益受到重视 . 但由于脱水污泥含水 率仍然高达 75%85%, 直接焚烧将会消耗大量的辅 助燃料 , 尾气含有的大量水蒸气势必要配套大规模的 烟气处理设备 , 因此工业中往往先将污泥干燥至干燥 或半干燥状态再进行焚烧 122. 污泥的干燥和焚烧都 会排放大量的污染气体 . 关于造纸污泥焚烧过程污染 物的排放已有不少研究成

9、果 325, 但却鲜有针对造纸 污泥干燥以及造纸污泥和纸渣焚烧系统污染物排放的 研究 . 笔者以浙江某造纸厂采用非脱墨废纸制浆工艺 产生的造纸污泥为研究对象 , 研究了造纸污泥干燥系值 , . 1 实验部分1. 1 实验装置污泥干燥系统如图 1所示 , 污泥干燥系统由桨叶 式污泥干燥机 、 导热油炉 、 油泵 、 电机和电控柜组成 , 桨 叶式干燥机干燥面积 2m 2, 传热介质为导热油 , 导热 油采用电阻丝加热 , 传热机构由一对空心热轴组成 , 湿 污泥由进料口进入干燥机 , 空心热轴通过电机带动 搅拌污 泥 , 导 热 油 通 过 空 心 热 轴 将 热 量 传 递 给 湿 污泥 .污

10、泥焚烧系统如图 2所示 , 污泥焚烧系统由流化 床焚烧炉 、 螺旋给料机 、 冷却水装置 、 空气压缩机 、 空气 预热器和温控柜等组成 , 炉膛分段加热 .污泥由不锈钢螺旋给料机给入炉膛 , 螺旋臂加设 冷却循环水套以防止干污泥在行进过程中受热 , 炉膛 内径 60mm , 焚烧炉高 1000mm , 污泥在距离布风板 350mm 处给入炉膛 . 一次风通过空气预热器预热后通 入炉膛 , 二次风通过二次风口从炉膛切面进入炉膛 .; 3 温度计 ; 4 桨叶式干燥机保温层 ; 5 电控柜 ; 6 油泵 ; 7 导热油炉 ; 8 电磁调速电机 ; 9 进料口 ; 10 空心热轴图 1 污泥干燥系

11、统示意1 热电偶 ; 2 二次风口 ; 3 电热丝 ; 4 保温层 ; 5 进料斗 ; 6 螺旋进料器 ; 7 电动机 ; 8 排渣口 ; 9 布风板 ;10 空气压缩机 ; 11 加热器控制面板 ; 12 空气预热器 图 2 污泥流化床焚烧系统示意1. 2 原料准备造纸污泥和纸渣样均来源于浙江某大型造纸厂 . 造纸污泥由该厂配备的污水处理设备产生 ; 纸渣为残 余纸屑 , 并含有少量 P VC 塑料 , 纸渣呈蓬松状 , 质地 轻 , 体积大 . 造纸污泥 、 纸渣及其掺烧的无烟煤的工业 分析和元素分析见表 1.表 1 造纸污泥和煤的工业分析和元素分析样品 名称工业分析M ad /%A ad

12、 /%V ad /%F C, ad /%元素分析 w C, ad /%w H, ad /%w N, ad /%w St, ad /%w O, ad /%w Cl, ad /10-6低位发热量 / (MJ kg -1 造纸污泥 82. 908. 857. 540. 713. 020. 650. 190. 304. 09109. 3-0. 68干燥后的造纸污泥40. 0031. 0826. 482. 4410. 592. 280. 671. 0414. 38383. 42. 70废纸渣 68. 831. 1629. 650. 3921. 252. 950. 090. 045. 712281. 89

13、. 31煤 1. 3337. 936. 6554. 0954. 102. 481. 220. 332. 61298. 320. 86 1. 3 实验条件污泥干燥实验共设置了 5种工况 , 即不同的电机转速和干燥温度 , 通过调节电机转速和电阻丝加热功 率来控制 , 原生污泥连续不断地从进料口给入干燥机 , 645 燃 烧 科 学 与 技 术 第 14卷第 6期同时收集污泥干燥过程中排放的水蒸气 .污泥焚烧实验共设置了 2种工况 . 工况 1将干燥 后含水率为 40%的造纸污泥 、 纸渣和煤混合燃烧 , 三者 质量比例为 3 2 5, 混合后热值为 13. 6MJ /kg; 作为对 比 , 工况

14、 2中污泥和纸渣的比例不变 , 但不混煤燃烧 . 将混合后的物料连续给入流化床焚烧炉 , 炉内悬浮区 和密相区的温度控制在 900 , 流化床的流化风速为 3m 3/h. 在线检测焚烧过程中污染物的排放 , 同时采用美国 EP A 及飞灰中的二恶英 6, 采集装置如图 1 冷凝管 ; 2 XAD 22树脂 ; 3 变色硅胶 ; 4 抽气泵 ; 5 干气表 ; 6 三口烧瓶 ; 7 滤筒图 3 二恶英采样装置示意2 实验结果及讨论2. 1 干燥实验结果及讨论 2. 1. 1 干燥过程污染物排放污泥中含有大量有机物 , 且在低温下易分解 . Ve 2silind 7等人研究了城市污水污泥在不同温度

15、下干燥后热值的变化 , 在干燥温度为 200 的时候 , 污泥高位热 值降为未干燥时的一半 ; 当干燥温度为 400 时 , 经干 燥后的污泥热值几乎为零 . 为了研究污泥干燥过程挥 发性气体的排放 , 采用基于傅里叶红外原理的在线烟 气分析仪 Gas met 2DX4000对干燥过程中气体的排放进行在线检测 . 图 4为油温 180 时 , 不同转速下的污染 物排放 ; 图 5为转速 1. 2r/min 时 , 不同温度下的污染 物排放 . 由图可知造纸污泥在干燥过程中将会排放甲 烷 、 乙烷 、 丙烷 、 己烷 、 环己烷 、 苯 、 丙酸和乙酸等易挥发 有机气体 . 其中甲烷 , 乙烷和

16、丙烷 , 在常温下为气态 , 说 明是由更高一级的有机物分解而得 ; 而己烷 , 环己烷和 苯在常温下为液态 , 因此这三种有机物可能存在于原 生污泥或者由更高一级的有机物分解而得 ; 丙酸和乙 酸等脂肪酸则由污泥中的糖类 、 蛋白质或脂肪水解而 得8210. 有机气体的排放以烷烃和脂肪酸为主 , 各种有机气体排放浓度随着导热油温度升高而升高 . 由图 5可知 , 当导热油温从 160 升至 200 , 烷烃类有机气体的总排放质量浓度由 71. 4mg/m3升至 333. 5mg/m 3, 脂肪酸总排放质量浓度由 69. 8mg/m3升至 148. 9mg/m3, 而热轴转速对有机气体排放质量

17、浓度的影响则没有明显规律 . 造纸污泥干燥过程还会释放大量的 无机污染气体 , 如图 6和图 7所示 , (图中污染物质量 浓度均折算为氧体积分数为 %的干烟气 实验过程 可以检测到 NH 3、 HCl 、 , 其中 , HCl , 当导热油温从 160 升至 200 , NH 3质量浓度由 8. 3mg/m3升至 26mg/m3, HCN 质量浓度由 35. 6mg/m3升至 92mg/m3; HCN 排放浓度随 着热轴转速提高有所降低 , 但 HCl 和 NH 3的变化趋势 没有明显的规律 . 污泥低温干燥过程无机污染物的排 放机理目前尚不清楚 , 将在后续的工作中进一步深入 研究 .图

18、4 不同转速下的有机污染物排放图 5 不同干燥温度下的有机污染物排放图 6 不同转速下的无机污染物排放745 2008年 12月 邓文义等 :造纸污泥干化及焚烧系统污染物排放特性 图 7 不同干燥温度下的无机污染物排放2. 1. 2 , 在 160 30%. 当导 热油温升高至 200 后 , 水蒸气体积分数也随着升高 , 达到 38. 9% . 采用 5B 23型 COD 快速测定仪检测水蒸 气冷凝液的 COD 值 , 结果如图 8所示 , 随着导热油温 升高 , 水蒸气 COD 排放值增大 , 在 180 时 , COD 值为 113. 6mg/L,这个值略低于三级废水排放标准 (120m

19、g/L ; 而 200 时的 COD 值为 142. 2mg/L,需经过 处理方可排放 .图 8 不同导热油温度下水蒸气的 COD 值2. 2 污泥焚烧实验结果及讨论 2. 2. 1 常规气体排放采用 Gas met 2DX4000在线烟气分析仪连续检测污泥焚烧后烟气中各种污染物的排放 , 排放浓度均值如 表 2所示 . 图 9和图 10为 CO 的质量浓度波动图 , 再现 了造纸污泥和纸渣在流化床内焚烧时工况的稳定性 (图中结果都折算至氧体积分数为 11%的干烟气条 件 . 由图 9可知 , 造纸污泥和纸渣混烧时燃烧工况不 大稳定 , CO 质量浓度波动较大 , 最高时可达 2000mg/m

20、 3, 最低时则几乎为零 . 这是由于造纸污泥和纸渣是两 种性质截然不同的燃料 , 干燥后的造纸污泥呈颗粒状 , 而纸渣主要为一些条状纸屑 , 和造纸污泥相比体积大 而质地轻 , 因此在相同的流化风速下 , 纸渣在炉内的停 留时间和造纸污泥相比要短 , 导致一些纸渣未能燃烧完全即被排出 . 掺入煤后 , 燃烧工况有了显著改善 , CO浓度的波动范围显著降低 , 而且烟气中 CO 、 S O 2、 NO x 、 HCN 和 CH 4的排放浓度都有所下降 . 这不仅是由于掺煤后燃料热值增加 , 优化了物料在炉内的燃烧 , 而且由 于较高的掺煤比例使得物料分布更加均匀 , 减少了由 于进料不均匀造成

21、的波动 . CO 、 NO x 和 HCl 的 G 生活垃圾焚烧污 .烟气成分均值 掺 煤不掺煤(H 2O /%51817149(CO 2 /%61505157(O 2 /%1014011105(CO /(mg m -3 1441557418(S O 2 /(mg m -3 5561993617(N 2O /(mg m -3 211910. 2(NH 3 /(mg m -3 011012(HCl /(mg m -3 44151211(HF /(mg m -3 <011016(CH 4 /(mg m -3 1124110(HCN /(mg m -3 12163315(NO x /(mg m

22、 -31981123513图 9造纸污泥和纸渣焚烧过程中 CO 的排放图 10造纸污泥和纸渣混煤焚烧过程中 CO 的排放 845 燃 烧 科 学 与 技 术 第 14卷第 6期2. 2. 2二恶英排放实验对比了造纸污泥和纸渣混煤焚烧前后二恶英 的排放浓度对比 , 采用日本 JEOL 高分辨色质联机(HRGC /HRMS 分析造纸污泥焚烧过程中排放的二恶 英浓度 , 焚烧排放的二恶英分布特性如图 11所示 . 混煤 焚烧前后 二恶 英的 排放质 量浓 度 分 别 为 0. 144ngI 2TEQ /m3和 0. 04ng I 2TEQ /m3 .图 11焚烧排放的 2, 3, 7, 8取代 PC

23、DD /Fs质量浓度由此可见 , 混煤焚烧对二恶英减排的效果也是显 而易见的 . 这一方面是由于掺煤后 , 燃料中纸渣 、 PVC等易于生成二恶英的燃料的比例下降 , 但更主要的是 因为混煤后 , CO 和 CH 4等不完全燃烧产物降低 , 燃烧 效率提高 . CO 的浓度水平和二恶英的产生有着一定的 相关性11213, 因此 , 如果能够很好地组织燃料在焚烧炉内的焚烧 , 提高燃烧效率 , 则可以显著减少二恶英的排 放 . 由图 11可知 , 17种 2, 3, 7, 82代 2/m3的排放浓度值 . 实验按照 G B5086. 2 1997固体废物毒性浸出方 法测试了污泥焚烧过程中排放的飞

24、灰的重金属浸出浓 度值 . 1号样品为干污泥和废纸渣混合焚烧飞灰 ; 2号样 品为干污泥 、 废纸渣和煤混合焚烧飞灰 , 如表 3所示 . 造纸污泥焚烧的飞灰由于富集了大量的重金属 , 需要 进行妥善处理以防止二次污染 , 本实验将造纸污泥和纸渣焚烧排放的飞灰进行了重金属浸出液浓度的检 测 , 同时将检测的浓度和国标进行了比较 , 结果表明各 种重金属的排放浓度均远低于国家规定的危险废物浸 出液最高允许浓度值 .表 3飞灰重金属浸出液浓度mg/L重金属Hg Pb Cd Cr Cr +6Cu Zn Ba N i A s 1号飞灰 <0. 0002<0. 30. 010. 30. 08

25、6<0. 1<0. 03<20<0. 10. 0212号飞灰<0. 0002<0. 3<0. 01<0. 30. 27<0. 1<0. 03<20<0. 10. 006国标0. 0530. 3101. 55050100101. 53结 论(1 造纸污泥低温干燥过程会排放大量的甲烷 、乙烷 、 丙烷 、 己烷 、 环己烷 、 苯 、 丙酸和乙酸等易挥发有 机气体和 NH 3、 HC l 、 HCN 等无机污染物质 . 有机气体 以烷烃和脂肪酸为主 , 无机污染物质的排放以 NH 3和 HCN 等含氮污染物排放为主 . 当导热

26、油温从 160升高至 200 , 烷烃类有机气体的总排放质量浓度则由 7114m g/m3升至 333. 5m g/m3, 脂肪酸排放质量浓度由 69. 8m g/m3升至 148. 9m g/m3, NH 3质量浓度由 813mg/m3升 至 26mg/m3, HCN 由 35. 6mg/m3升 至 92mg/m3. 热轴转速对各种物质的没有一致的影响趋势 .(2 水蒸气冷凝液的 COD 值随干燥温度的升高而增大 , 由 160时的 90. 8m g/L上升至 200时的 142. 2m g/L.当导热油温不超过 180时 , COD 值符合三级废水排放标准 .(3 造纸污泥和纸渣混煤燃烧后

27、工况得到了明显的优化 , 各种常规污染物的排放浓度明显降低 , 二恶英 的排放质量浓度由混烧前的 0. 144ng I 2TEQ /m3降低 至混烧后的 0. 04ng I 2TEQ /m3.(4 混煤燃烧前后造纸污泥和纸渣焚烧飞灰的重金属浸出液浓度均远远低于国家规定的危险废物浸出 液最高允许浓度值 . 参考文献1 W erther J, Ogada T . Se wage sludge combusti on J .P ro 2gress in Energy and Co m bustion Science , 1999, 25(1 :552116.2 胡 龙 , 何品晶 , 邵立明 . 城

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