循环流化床床温控制系统及其参数优化研究

分类号 密级分类号 密级UDC学 位 论 文循环流化床床温控制系统及其参数优化研究作者姓名： 于美玲指导教师： 钱晓龙教授东北大学信息科学与工程学院申请学位级别： 硕士 学科类别：专业学位学科专业名称： 控制工程论文提交日期： 2011年6月论文答辩日期： 2011年6月学位授予日期： 2011年7月答辩委员会主席：常玉清评 阅 人 孟庆辉郑艳东北大学2011年6月AAThesisfortheDegreeofMasterinControlEngineeringResearchonBed-·TemperatureControlSystemofCirculatingFluidizedBedandItsParameterOptimizationByYuMeilingSupervisor：ProfessorQianXiaolongNortheasternUniversityJune2011独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：寺关—金日 期：囟∥争6目勿日学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年口 一年母／一年半口 两年口学位论文作者签名：孑掰 导师签名： 客妃左签字日期：沙／／每参阅阳目 签字日期：矽∥午莎厨劫碍东北大学硕士学位论文 摘要东北大学硕士学位论文 摘要循环流化床床温控制系统及其参数优化研究摘 要随着我国的社会经济和城市的蓬勃发展，城市产生大量污水和污泥，而污泥中含有大量的有毒物质，随意堆放存在二次污染风险。而循环流化床焚烧污泥具有高效、低污染、燃烧适应性广，且焚烧污泥处理速度快，处理后的污泥体积小，经脱水污泥的热值可回收其热量，因此越来越受到人们的关注。本文以杭州七格污水处理厂lOOt／d污泥焚烧示范工程为研究背景，深入研究了循环流化床床温控制系统，床层温度是一个直接影响焚烧炉能否安全连续运行的重要控制参数，而且关系到Ca／S、NOx以及CO排放量。通过分析杭州七格污泥特性，发现脱水的七格污泥含有大量的热值，且与淮北烟煤具有相反的燃烧特性，适当的改变污泥的投加量有助于减少辅助燃料，并进行污泥与煤的掺烧研究，得到不同比例的污泥与煤掺烧污泥失重曲线；同时分析了影响床温的诸多因素，构建了床温控制系统，并建立了床温控制系统的模型。由于循环流化床床温控制系统是一种具有时变特性和时滞特性的复杂控制系统，为了更精确的控制床层温度，避免其发生大的波动，以达到良好的控制效率，本文引入增益自适应Smith预估器改善滞后特性对系统的不良影响，同时由于床温控制系统的时滞参数变化范围较大，而系统的控制精度要求较高，现场运行人员只能根据经验来改变参数，反复试凑工作量较大，耗费大量的时间和精力，在实际应用中需对PID参数进行调节而获得最优效果的控制器参数，所以本文在增益自适应Smith预估器基础上引入遗传算法对控制器参数进行寻优。最后，通过仿真分析了基于增益自适应Smith预估器的遗传算法优化床温控制器参数在系统的参数发生较大波动时的床温跟踪特性，结果表明，本文采用的控制算法对系统参数变化具有较强的适应能力，能实现很好的温度控制效果。关键词：循环流化床；床温控制；Smith预估器；遗传算法东北大学硕士学位论文 Abstract东北大学硕士学位论文 AbstractResearchonBed··TemperatureControlSystemofCirculatingFluidizedBedandItsParameterOptimizationAbstractWiththedevelopmentofsocialeconomyandcity’SboominginChina,urbanhaveproducedalotofsewageandsludgewhichhavealargenumberoftoxicsubstances．Soitispiledupatwilltoexistthehighsecondarypollutionrisk．Circulatingfluidizedbedhasmanyadvantagestobumsludgesuchashighefficiency,lowpollution，wideadaptability．Burningsludgeprocessquicklyandsludgehassmallvolumeafterprocessing．Sludgehascalorificvalueafterdehydration．Therefore，thereiSmoreandmoreattentionconcerningusingcirculatingfluidizedbedtobumsludge．Thisthesistakesthesevenlatticesewagetreatmentplantinhangzhouonehundredtonsperdaysludgeincinerationprojectastheresearchbackground．Anditmakeadeepresearchoncirculatingfluidiedbedbed-temperaturecontrolsystem．Bed-temperatureisdirectlyinfluenceabletheboiler’Sparametersthatdecidetheboilertooperatecontinuoussafetywhetherornot．AndBed-temperatureisrelatedtocalciumthansulfur,theemissionsofnitrogenoxidesandcarbonoxide．Throughtheanalysisofhangzhousevenlatticesludgecharacteristics，itcontainsalargeamountofcalorificvalueafterdewateringandit’Soppositewithhuabeibituminouscoal’Scombustioncharacteristics．Therefore，thedosingquantityofsludgeCanproperlychangethatisusefultoreduceauxiliaryfuel．Throughtheresearchofsludgeandcoalmixedtobum，thepapergetsludgeweighlesscurveswithdifferentproportionsofsludgeandcoal．Thepaperalsoanalyzesthefactorsthataffectbed-temperatureandconstructthebed-temperaturecontrolsystem，andestablishthemodelofthebedtemperaturecontrolsysteml．Circulatingfluidizedbedbed-temperatm'econtrolsystemisacomplexsystemwiththecharacteroftimedelayandtime-varying．Inordertocontrolbed-temperaturemorepreciseandavoiditsfluctuations，thethesisintroducesautomaticgainbalancesmithpredictortoimprovetimedelayforthesystemabadeffect．Atthesametime，forthebed—temperaturecontrolsystem’Sparametershavealargechangerangeandthesystemrequireahighaccuracy．However,thesitefieldpersonchangeparametersonlyaccordingtomeirexperiencethatneedmuchtimeandenergytotryrepeatedly．Inthepracticalapplication，thesystemneedtoadjustPIDparameterstoobtaintheoptimalcontrollerparametersoftheeffect．Therefore，thepaperintroducesgeneticalgorithmonthebasisofautomaticgain—III—bala／leebala／leesmithpredictortooptimizetemperaturecontroller’sparameterS．F1nally，theauthorusesthematlabtosimulatethebed．temperaturecontrolsVst锄wnentheparametersofthesystemOCCUlTeSmajorfluctuations，andanalyzethebed-temperaturetrackingpropertyofautomaticgainbalancesmithpredictorwithgeneticalgorithmtooptimizebed-temperaturecontroller’sparameters．Thesimulationresultsindicatethatthecontrolalgorithm'tothecontrolsysteminthispapercanacllieVegoodcontrolefleet．Keywords：Circulatingfluidizedbed；Bed—Temperaturecontrol；Smithpredietor；Geneticalgorithms一Ⅳ一东北大学硕士学位论文 目录东北大学硕士学位论文 目录目 录独创性声明 I摘 要 IIAbsl[17act．． ．． ．． ．． ． ．． ． ．． ．． ．．．．． ．．．．III第1章绪论 11．1课题研究的目的和意义 ．11．2污泥的主要处理和处置方法 ．21．2．1污泥的主要处理方法 ．．21．2．2污泥的主要处置方法 ．．31．3国内外污泥处理与处置现状 ．41．3．1国外污泥处理与处置现状 ．．41．3．2国内污泥处理与处置现状 ．．61．4循环流化床焚烧炉的控制技术研究现状 ．71．5本文的主要工作 ．9第2章污泥焚烧工艺工作过程 112．1污水污泥焚烧工艺的影响因素 112．2流化床焚烧炉焚烧工艺特性 142．2．1污泥焚烧工艺的工作原理 ．142．2．2干化系统 ．162．2．3焚烧系统 ．172．3污泥焚烧控制系统构成 192．3．1系统硬件 ．202．3．2系统监控软件 ．212．4本章小结 22第3章循环流化床焚烧炉床温控制系统分析 233．1污泥特性研究 233．1．1污泥特性分析 ．233．1．2污泥与煤掺烧研究 ．243．2循环流化床焚烧炉组成及工作原理 283．3循环流化床床层温度控制系统 29一V一东北大学硕士学位论文 目录东北大学硕士学位论文 目录3．3．1影响床层温度控制的因素 ．293．3．2循环流化床床温控制系统 ．303．4循环流化床床温模型的实验法建模研究 323．4．1试验法建模 ．323．4．2模型验证 ．373．5本章小结 ．39第4章床温控制器参数优化研究 414．1增益白适应Smith在床温系统中的应用 414．2遗传算法优化床温控制器参数设计 434．2．1遗传算法基本特性 ．434．2．2遗传算法优化控制器参数设计 ．444．3本章小结 50第5章系统仿真及结果分析 515．1仿真模型搭建 515．2仿真结果分析 535．3本章小结 ．59第6章结论与展望 61参考文献 ．．63致谢 ．．67一VI—东北大学硕士学位论文 第1章绪论东北大学硕士学位论文 第1章绪论第1章绪论1．1课题研究的目的和意义如今，中国的污泥处理处置刚刚起步，没有经过无害化的污水污泥中含有大量有机质、重金属、病原菌、寄生虫(卵)等污染物，成为环境污染的一项重大隐患。与西方国家处理污水与污泥情况不同的是，我们国家在集中精力治理污水后，才开始聚焦污泥的处理处置，因此，欠账更多，问题也更为突出。2010年底，我国已建成1992座污水处理厂，处理量达280亿立方米，产生含水率80％左右的污泥2005万吨。到“十一五”末，随着在建的2000多座污水处理厂陆续投入运行，全国年污泥总产生量将很快突破3000万吨。大量的污泥需要得到妥善处置，这样污水处理厂的建设才不会功亏一篑。污水处理和污泥处理处置是解决城市水污染问题同等重要又紧密关联的两个系统。污泥处理处置是污水处理得以最终实施的保障。在经济发达国家，污泥处理处置是极其重要的环节，其投资约占污水处理厂总投资的50％70％。发达国家在上世纪60年代，对污水处理厂污泥处理处置系统的装备已达到先进的成套产业化水平，如污泥消化系统设备、污泥浓缩脱水设备、污泥干燥焚化设备、沼气综合利用设备、污泥高温堆肥系统装备以及污泥固化工业利用技术与设备，上世纪80年代末，又应用湿式氧化技术处置污泥。污泥利用包括土地利用、低温热解制油、提取蛋白质、制建材、改性吸附剂等；无害化处置有填埋、焚烧、排海、厌氧消化和湿式氧化等。其中，污泥排海处置，由于对海洋环境的重视，许多国家已停止使用；污泥焚烧以日本、德国、奥地利等国占比例高，一般大型污水厂污泥通过焚烧实现污泥的无害化处置，产生的热能可回收利用，污泥减容减量化程度较耐11。在众多的处置方法中，焚烧以减量化、无害化和资源化的显著优点而被广泛应用【2】。污泥焚烧后剩余灰的体积只有机械脱水污泥体积的10％，焚烧过程中所有的病菌、病原体均被彻底杀灭，有毒有害的有机物被彻底氧化分解，重金属的稳定性大大提高【3】；污泥灰经适当的物理和化学方法处理后可作为建筑原材料、土地改良剂甚至吸附剂使用141。在污泥焚烧的过程中，为了尽可能降低能源消耗，污泥干化成了污泥焚烧处理的一个环节。干污泥的热值与褐煤相当【5】，通过焚烧可有效回收热量，因此将湿污泥干燥后再焚烧，可减少湿污泥直接焚烧时水分蒸发产生的热损失，更高效地达到无害化、资源化并回收热量。一1一东北大学硕士学位论文 第1章绪论东北大学硕士学位论文 第1章绪论污泥中除了含有大量的有机物和丰富的氮、磷等营养物质，还存在重金属、致病菌和寄生虫等有毒有害成分。为防止污泥造成的二次污染及保证污水处理厂的正常运行和处理效果，污水污泥的处理处置问题在城市污水处理中占有的位置已同益突出。因此，寻求经济有效的减量化、无害化和资源化的污泥处理技术具有重要意义【61。1．2污泥的主要处理和处置方法1．2．1污泥的主要处理方法污泥处理的主要方法有厌氧消化、好氧堆肥、污泥湿式氧化和石灰稳定技术等。(1)厌氧消化世界各国如今在污泥处理的领域仍以污泥厌氧消化工艺为主。厌氧消化工艺是在上世纪四五十年代开发的成熟的污泥处理工艺。英国在1977年调查的98个城市污水处理厂中有73个建有污泥消化池；美国建有污泥消化池的污水处理厂总数为4286个；欧美各国多数污水处理厂都建有污泥消化池。厌氧消化，一般是在密闭的消化槽内，在30℃下存放30天左右，主要是通过兼性厌氧细菌的作用使有机物分解，最终生成以甲烷为主的沼气，厌氧消化处理能达到污泥减量的目的，且可以回收一部分能源，也为后续处理减轻负担，但消化后的污泥含水率较高，仍需进一步脱水。(2)好氧堆肥堆肥技术探讨始于1920年，堆肥系统可分为三类：条形堆肥系统、静态好氧堆肥系统和装置式堆肥系统。城市污水处理厂的污泥中含有大量促进植物和农作物生长的氮、磷、钾等营养成分，肥效较好，经过堆肥处理可以达到稳定化、无害化及资源化的目的。堆肥是一个由嗜温菌、嗜热菌对有机物进行好氧分解的稳定过程，其特点是自身可以产生一定的热量，并且高温持续时间长，不需外加热源，即可达到无害化。堆肥的一般工艺流程主要分为前处理、一次发酵、二次发酵和后处理四个过程。经过堆肥化处理后，污泥的性状改善，含水率降低(小于40％)，成为疏松、分散、细粒状，可杀灭病原菌和寄生虫(卵)，便于贮藏、运输和使用。(3)污泥湿式氧化湿式氧化法是在高温(125。C～320℃)和高压(0．5～20MPa)条件下，以空气中的氧作为氧化剂，在液相中将有机物分解为二氧化碳、水等无机物或小分子有机物的化学过程。由于剩余污泥在物质结构上与高浓度有机废水十分相似，因此这种方法也可用于处理剩余污泥。剩余污泥的湿式氧化法处理是是湿式法最成功的应用于剩余污泥的处理。污泥湿式氧化后，难生物降解有机物可被氧化，灭菌率高，反应在密闭系统内无臭，反一2一东北大学硕士学位论文东北大学硕士学位论文一 笙蔓主』堕应时间短，残渣量少，可以达到减量化、无害化、稳定化。但此方法设备昂贵，运行费用高，需要气体脱臭装置。(4)石灰稳定技术石灰稳定技术始于20世纪50年代，在投加石灰的条件下，保持一定pH值及一定时间，可以杀灭传染病菌，并防腐与抑制臭气的产生。该技术操作简单、成本较低，处理后较容易脱水。污泥最终处置可采用农用或者卫生填埋。1．2．2污泥的主要处置方法污泥处置的主要方法有卫生填埋、建材掺和、填海、堆肥和焚烧处置。(1)卫生填埋污泥卫生填埋的种种弊端，已严重影响垃圾填埋场的正常运行。且近几年来，无论欧盟国家或美国、日本，污泥卫生填埋的比例越来越小，美国已有的填埋场还将逐步关闭。在我国，近年来污泥填埋处置所占比例也在不断缩小。(2)建材掺和因污泥中有一定的灰分且其有机质具有一定的热值，将污泥作为建材产品的掺合料进行焚烧，制造砖、陶粒等建筑材料。但在技术上还有一些未能完全解决的难题，如污泥有机物焚烧后对建材的强度有一定影响，次品率上升，有机质焚烧不充分，烟气二次污染及处理等。目前该污泥处置方式仅在有条件的地方进行小规模的实验和开发。(3)污泥填海污泥填海是将没有经过处理的污泥直接排入海洋中。这一处置方法虽然方便，但其危害同样显而易见：污泥复杂的成分对海洋产生严重污染，会危害海洋生物，破坏海洋生态系统，危及人类的安全。美国早在1991年就禁止向海洋倾倒污泥，欧共体也在1991年5月颁布((DirectiveConcerningUrbanWastewaterTreatment))，规定从1998年12月31日起，不得向水体中倾倒污泥【7】。(4)堆肥污泥的农业利用很早就得到应用。按我国目前的经济条件，对多数污水厂(特别是大量小型污水厂)来说，污泥用于农田是比较可行和现实的方案。污泥农用有稳定后的污泥直接施用和污泥制肥后使用两种方式。在一些有条件的小型污水处理厂，污泥经适当浓缩、脱水后作为农肥，是常见的采用的方法。在产泥量较大的大中型污水处理厂，污泥经稳定、干化、添掺、成型等复杂工艺制成复合肥料，近年来这种方式得到一定程度的研究、开发和推广使用。污泥农用技术尽管在近年来得到业内重视，处于研发推广的上升阶段，但其前景并不十分乐观。(5)焚烧处置一气一———————————————————————————————————————————————一———————————————————————————————————————————————一查!!查堂翌主堂堡笙查一 第1章绪．! ：．：=与填埋、填海和土地农用相比，焚烧具有很多优点。第一，焚烧可以大大减少污泥的体积，相对于机械脱水的污泥来说，最终的焚烧产物体积只相当于最初产物的10％。第二，焚烧可以杀死一切病原体，通过高温处理，燃烧残渣内几乎没有病原体存在，同时还可以解决污泥的恶臭问题。第三，污泥焚烧处理速度快，不需要长期储存，而且污泥可就地焚烧，不需要长距离运输。第四，经过脱水的污泥的热值相当于褐煤的水平，可以回收能量用于发电和供热，在一定程度上减轻污泥焚烧的费用。同时，由于焚烧设备不断完善和有关污泥技术的突破，原来存在的烟气二次污染问题也得到了妥善的解决【8】污泥中含有大量的有机物和一定量的纤维素木质素，脱水后掺入适量的引燃剂、催化剂、疏松剂和固硫剂等添加物配制成“合成燃料”，可作工作炉窑或生活焚烧炉的辅助燃料。这种处置方法有利也有弊，既解决了污泥的出路问题又充分地利用污泥中的能源，而且污泥不需要作灭病原菌的处理。但是，污泥中的重金属却随着烟尘的扩散而污染空气。另一方面，污泥必须保证在比较低的含水率才能制作“合成燃料”，因此污泥需要脱水。1962年，德国建议并开始运行了欧洲第一座污泥焚烧厂，此后，焚烧的污泥量大幅增加。当今国际最流行的流化床焚烧技术，在污泥焚烧行业占有率约为60-70％。在所有的污泥处理中，焚烧方法产生的剩余物最少且无异味。但相对来说需要较高的成本和相应的污染控制技术。此外，德国等国家还利用水泥窑协同处置污泥。1．3国内外污泥处理与处置现状1．3．1国外污泥处理与处置现状近几年来，日本对污泥处理方法的要求是既要节省能源达到高效率化，又要维护管理简单易行，同时还要考虑污泥的最终出路问题。日本污泥处理基本上按两种目的考虑【9】：其一是污泥的减量化，其二是稳定化。日本有着较为先进的处理工艺，其中(1)浓缩_脱水_焚烧；(2)浓缩_消化叶脱水_焚烧；(3)浓缩一消化一脱水。3种方式处理的污泥占到日本全部污泥处理的70％以上。由此可见，日本污泥最终处置以污泥焚烧为主导工艺。近年来，欧洲的污泥产量增长趋势明显，一方面是因为污水管网的服务人口不断增加，另一方面是因为水质排放标准越来越严格【lo】。欧洲部分国家的污泥产量以及处置方法见表1．1111】。欧盟的最新统计数据表明，由于法规政策的导向作用使污泥处置方式有了很大的变化，污泥填埋所占比例大幅度下降(从1997年的41％下降到2003年的7％)，一4一东北大学硕士学位论文 第1章绪论东北大学硕士学位论文 第1章绪论这是由于欧盟提高了污泥填埋标准所致；污泥农用所占比例(25％)也有12％的下降，这是由于污泥农用受到了农民以及食品业的抵制；与此同时焚烧从1997年的11％上升到36％，成为替代工艺。从2003年的数据还可知，有10％的污泥回用于建造业，反映了污泥循环利用的趋势。在德国，污水厂污泥被划分为固体废弃物类，近十多年来其填埋比例也大幅下降，焚烧比例则明显升高(相关的法律和法规也推荐污泥焚烧技术)。目前，污泥的处置方法有污泥干化、焚烧、填地、投海、农田利用、作为能源或建材等。在世界范围内，过去主要采用三种方法。一是直接倾倒如海，但这样做会严重污染海洋环境，过去欧洲国家中采用该方式的主要是英国、爱尔兰、西班牙等国，早在1999年就已被国际明令禁止【12】。一是采用焚烧方法，虽然用此方法耗能较大，成本较高。但处理设施占地面积小，对环境保护十分有利，采用的国家和地区较多，据统计至1995年底，日本约有49％污泥采用焚烧法处理【13】；而在欧盟国家这个比例也在逐年增加，在2005年底，将有38％以上的污泥采用该方法。一是采用直接填埋，该方法是比较成熟的污泥处置工艺，在欧盟采用较多，1992年以前，欧盟国家约有40％的污泥采用此方法进行处置，但该方法对污泥的土力学性质要求较高，且需要大面积的填埋场地和大量的运输费用，地基也需要作防渗处理，若处理不好将会对地下水源造成较大的污染，因此在国际范围内采用该方式的在逐年减少，据美国环保局估计，今后几十年内，美国6500个填埋场将有5000个被关闭【14】，而在欧盟在2005年卫生填埋的比例已下降到17％左右，如表1．1所示。 纵观污泥处理处置的技术发展，其工艺依然是基本的三类：填埋、焚烧、土地利用(农用)。随着禁止污泥海洋处置法规的生效(1998年12月31日)，欧盟全部的污水厂污泥均须在陆上进行处置。由于受多方面因素的限制，农用所占比例出现了小幅度下降，填埋所占份额则大幅度削减，而焚烧所占份额急增。简言之，相关法规的日趋严格导致了处置工艺所占比例的变化，但没有出现革新的处理处置工艺。从可持续发展的角度来说，污泥焚烧将是最终出路，它不但能实现污泥减量的最大化，同时基于预干燥—流化焚烧技术的污泥焚烧厂几乎不再需要使用矿物燃料助燃，且产生的余热可用于供暖发电。但是近十年来污泥中重金属含量的大幅度下降，可能使污泥农用所占比例在未来有所增加，保证农用量增加的措施有：发展污泥农用环境质量保障体系、推广最佳污泥农用实践方法、施用污泥堆肥化产物等。对污水处理厂的污泥处理、处置系统的装备，发达国家在20世纪60年代就已达到先进的成套化水平，如污泥消化系统设备、污泥浓缩脱水设备、污泥干燥焚烧设备、沼气综合利用设备、污泥高温堆肥系统装备及污泥固化工业利用技术及设备。20世纪80年代末又启用湿式氧化技术处理污泥。在德国污泥焚烧工艺已有40年的历史，1962年第一台焚烧炉在德国投入使用，与垃圾焚烧相比，污泥焚一5一东北大学硕士学位论文 第1章绪论东北大学硕士学位论文 第1章绪论烧炉的抗干扰性更强，而且污水污泥中不含庞大的固体成分物质，便于人们设计出运行比较可靠的炉膛。表1．1欧洲部分国家的污泥产量以及处置方法!尘!曼!：!墨堕亟g皇丝曼!堕堡垒坐骂丝趔婴曼!垒Q璺垫卫型!璺Q婴盟Q￡里旦塑堡塑产量／ 各处理方法所占比例M国别 (103t干泥／a) 农用 焚烧 填埋 投海 其他瑞士 啪 钙 巧 如德国 掀 " H 舛 5丹麦 m 舛 M 加 2芬兰 啪 艿 一 乃瑞典 瑚 ∞ 一 ∞挪威 鳄 弘 一 舛荷兰 粥 拍 3 钉 20奥地利 m 倦 弭 弘 13卢森堡 8 他 一 鹊 一 一英国 ㈣ 必 7 8 ∞ u法国 溺 鼹 一 " 一 —意大利 啪 弘 ：2 钌 一 m爱尔兰 ” 他 2 钙 药 8西班牙 姗 ∞ — 弱 加 一比利时 钞 凹 5 弱 一 ●希腊 铝 m 坫 如 一 一波兰 签 鼹 一 凹 2 n1．3．2国内污泥处理与处置现状我国的污泥处理处置与利用技术总体发展较慢，不论是科研开发，还是工程实践，均远远落后于发达国家和国内需求。有些地方的污水虽然得到了有效治理，但污水处理的伴生产品——污泥却没有得到妥善的处理和处置。由于污泥处理工艺复杂、技术难度高、投资大、回报不确定等因素，国内涉足此领域的企业少且规模小，与外国先进国家相比差距较大。在我国现有的污水处理设施中，有污泥稳定处理设施的不到25％，处理工艺和配套设备完善的不到10％【l51。国外的城市污泥处理与处置已经有近百年的历史，无论是进行有效利用还是填埋处置，污泥处理与其他废物的处理一样，皆是以污泥减量化、稳定化、无害化、资源化为目的。图1．1为几种污泥处置技术在国内所占的比例【16】。一6一东北大学硕士学位论文 第1章绪论东北大学硕士学位论文 第1章绪论土地埴埋，31与垃圾混合处理，3图1．1几种污泥处置技术在国内所占的比例Fig．1．1TheproportionofseveralsludgedisposaltechnologyinChina污泥处理随着我国污水处理的发展经历了以下阶段：(1)20世纪60年代，由于我国污水处理厂较少，污泥量不多且成分简单，可简易处理后作为农肥使用，所以在此阶段污泥是资源，污泥处置尚未成为问题。从20世纪80年代至今，我国城市污水处理事业获得了跳跃性发展，城市污水处理厂从原先的400多座发展到2005年的708座。因此在这一时期污水处理事业的重点主要集中在城市污水厂的建设上，污泥处置的问题并未突现，但因在建设中未能对污泥的处理处置进行详细的规划和设计，致使各个部门受认识、资金、技术、土地等条件的制约，在污泥处置方面仍以农田利用和堆放销毁为主，由于重金属等污染问题的出现，农业利用受到限制，污泥逐渐成为隐患。(2)进入21世纪后，随着城市发展和环境污染的加剧，我国城镇污水处理厂的建设开始快速发展。2003年全国污水处理率为42．39％，其中约有27．4％的城市污水需到污水处理厂集中处理。2010年城市污水处理率不低于70％。大量污水处理厂投入运行，必将产生大量污泥，所以污泥处理处置已成为行业面临的一个难题。在20世纪90年代之前，我国城市污泥处理工艺一般采用浓缩、中温消化、干化脱水，但是缺少污泥最终处置手段，进入90年代后，我国污水厂建设规模与数量加大，但是污泥处理主要采用延时曝气和好氧消化法，污泥处置则主要采用堆肥农用、填埋和综合利用等多种形式。1．4循环流化床焚烧炉的控制技术研究现状从目前查询的资料来看，循环流化床(CFB)焚烧炉燃烧控制的研究主要集中在国内，有关英文资料也大多数出自国内学者，这与我国的能源构成有关。由于常规的PID控制无法从根本上解决CFB焚烧炉的燃烧控制问题，国内不少高校和研究单位也研究先进控制和智能控制在CFB焚烧炉燃烧过程的应用。针对CFB焚烧炉的控制难点以及CFB焚烧炉控制系统的控制要求，国内外展开了广泛深入的研究工作，主要集中在以下两个方面：一是以传统的PID控制技术为基础，然后采用其他方法和PID控制技术相结合来改善PID控制的效果；二是依靠先进的控制技术，应用人工智能控制技术如专家控制、模糊控制、神经网络控制，针对CFB焚烧炉的强耦合性，开发解耦控制系统。一7一东北大学硕士学位论文 第1章绪论东北大学硕士学位论文 第1章绪论传统的PID控制方法设计比较简单，控制方案比较容易实现，鲁棒性强，能够实现无差调节，但是常规的PID控制只能针对系统在某一平衡点附近的近似线性化模型设计，也就是说常规的PID控制器是线性的，无法适应系统运行点的改变，因而难以保证系统在强扰动下的稳定性，与工程实际的发展有一定的差距，对于CFB焚烧炉这样复杂的热力系统，很难获得满意的控制效果。因此，很多学者将其他方法和PID控制结合起来，以使控制品质得到有效改善。国外早期，由VonHippel和Leighton于1984年提出流化床焚烧炉的脱硫控制，通过控制床高来调节负荷。其流化床焚烧炉的控制系统首次基于微处理器设计，从而在PID控制策略中引进程序控制【18】；1994年KortelaU等人提出了CFB焚烧炉燃烧过程分层控制的思想，上层为流化床过程稳态运行优化层，用于优化下面控制层的稳态设定值，下面控制层提供了稳定的燃烧条件，当燃用木材艉煤时，采用了所谓CPC(combustionpowercontr01)的控制策略，它是对PI算法的一种改进，当燃用煤碳时，为稳定床温采用了带有补偿的PI控制器，补偿参数是根据递归辨识模型确定【l91。在国内，章素华采用了与常规焚烧炉控制系统类似的以PID为主的控制策略，将燃烧系统分为两部分：弱连接部分和强连接部分。弱连接部分包括：松动风系统、引风负压系统和排渣料位系统，强连接部分是给煤送风系统，对耦合问题解决的不错，但仍然难以解决其参数时变问题【201；牛培峰等人提出以PID为主，并辅以纯滞后补偿预估、串级和前馈等策略，在75t／hCFB焚烧炉的燃烧系统、主汽温控制以及给水控制上得到了一些应用成果【21】。由于CFB焚烧炉是高度耦合的多变量输入／输出非线性热工系统，很难用精确的数学模型来进行描述，因此用常规的控制理论解决这种工业过程的自动控制问题就遇到了障碍，而自适应控制、专家系统、人工神经元网络及模糊控制等先进的控制技术不需要建立精确模型，并且针对具有非线性、不确定性特点的复杂生产过程，能够取得较理想的控制效果。文献[22]根据CFB床温对象的动态特性，提出了一种自整定智能控制器。该控制器从对宏观结构模拟和行为功能模拟的观点出发，通过特征辨识、直觉推理给出了7种模态控制策略，并在此基础上，构建了CFB焚烧炉燃烧智能控制系统【231。为了提高算法的实时性，文献[24]采用调整因子实现PID参数的在线调整。在此基础上，文献[25]对CFB焚烧炉燃烧系统的常规PID控制进行了分析，提出了对焚烧炉燃烧系统进行模糊控制的3种方案，即对系数Ke，Kec，Ku，进行多变量寻优的模糊控制器。并对3种模糊控制方案进行了仿真与比较。文献[261分析了CFB焚烧炉结构与工艺特点，研究开发了基于经验的专家智能控制策略。主要控制系统有炉膛负压控制、料层差压控制、主蒸汽温度控制、减温喷水控制、汽包水位三冲量与主蒸汽温度协议控制、燃烧系统专家智能控制。文献[27]分析了智能一8一东北大学硕士学位论文 笫1章绪论东北大学硕士学位论文 笫1章绪论控制系统和实时专家系统的基本结构、主要功能和推理机制，设计出了CFB焚烧炉燃烧系统的实时专家智能控制系统。对燃烧系统的目标参数处理和控制规则库进行了分析，给出了推理实例。文献[28]分析CFB焚烧炉燃烧控制系统运行特性、控制系统特点，详细阐述了CFB焚烧炉燃烧控制系统的模糊专家控制算法以及在集散控制系统JX一300X上的实现。 文献【29】根据准优势化法，设计了补偿式解耦控制系统。采用了运行专家的操作方式，并将其引入到系统设计中；在调节系统设计中附加模糊判据，实现主汽压和床温的解耦控制。文献[30]]提出了一种基于BP算法的人工神经网络解耦控制策略，并将其应用于流化床焚烧炉的燃烧系统中，其思想是在加入神经网络解耦环节以后，使得包括该解耦环节在内的广义被控对象的第一系数矩阵为对角矩阵。文献【31]针对床温和主汽压的强耦合，设计了基于广义预测控制的指导系统。广义预测控制器利用CFB锅炉动态模型预测床温和主汽压，然后由给定发生器产生床温和主汽压的给定，传给床温调节控制回路和主汽压控制回路，实现床温调节和主汽压控制的解耦协调控制。1．5本文的主要工作本文的主要工作大致可以分为三个部分：一部分为对污泥焚烧工艺进行学习和分析；一部分为对杭州七格污泥特性进行分析和研究，并在学习实验法建模理论知识之后对床温控制系统进行实验法建模；最后根据循环流化床床温控制系统本身的特点，具有一定的滞后特性和时变特性，学习并设计基于增益自适应Smith预估器的遗传算法优化控制器参数对床温控制系统进行控制及其仿真研究。具体而言，本论文工作包括：(1)介绍污泥处理与处置的主要方法及国内外研究现状，着重对循环流化床焚烧炉的控制技术进行学习和分析，并提出本文研究的意义和主要工作。(2)介绍流化床焚烧工艺兴起和发展，探讨影响污泥焚烧的因素，简单介绍污泥焚烧系统的硬件和监控软件，并对污泥焚烧工艺进行深入的研究，为第三章的床温控制系统分析奠定基础。(3)分析杭州七格污泥的焚烧特性，由于干化后污泥本身含有大量热值，可实现污泥与煤的优势互补，因而进行污泥与煤掺烧的研究，然后对床温控制系统的影响因素进行分析后，构建床温控制系统，并通过实验法对其建模。(4)在详细学习和研究Smith预估器及遗传算法的原理基础上，采用基于增益自适应Smith预估器与遗传算法相结合的算法对床温控制系统的床温控制器参数进行优化。(5)在Matlab／Simulink环境下的搭建仿真模型，进行仿真测试、调节与验证，并对仿真结果进行分析。一9一东北大学硕士学位论文 第1章绪论东北大学硕士学位论文 第1章绪论(6)对本课题进行总结与展望，指出下一步的研究方向。一10一东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工艺工作过程东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工艺工作过程第2章污泥焚烧工艺工作过程焚烧工艺在脱水泥饼的处理、处置方法中所占的比例来看，已成为污水污泥处理系统中必不可少的重要技术。这是因为污水污泥脱水后的滤饼含水率仍达45～86蚶32J，含水率高，体积大，用作肥料或土壤改良剂回用于农田使水分偏高，不利于分散及装袋运输。为了便于进一步的利用与处理，可将其进行干燥处理或焚烧。干燥处理后，污水污泥含水率可降至20～40％。焚烧处理，含水率可降至O，体积很小，便于运输与处置。目前世界各国的环境条件对废弃物处理所花费的时间和所占的空间都提出了十分严格的要求，宁肯消耗一定的能源，但要求处理速度快，减量化程度高的工艺。德国在1996年明确提出了污水污泥减量化、资源化和无害化处置的优先顺序。污水污泥减量化是对剩余污水污泥处置的新概念，是在对剩余污水污泥资源化基础上进一步提出的要求。因此，在许多城市的污水污泥处理厂，今后脱水泥饼的处理将不得不依靠热处理工艺(数百度以上的高温处理)。污泥焚烧的初期研究是由美国的诺亚克(Noaek)、施莱辛格(SchLesinger)等人于1960年在彼得堡能源中心(Pittsburgenergycenter)开始的，其共同的特点是以回收能源为目的【33】。脱水污泥(水分65～85％，其固体热值为7500---15000kJ／kg)的热值低，因此，焚烧过程中必需添加辅助燃料，所以应该设计辅助燃料最少的流程。世界上第l台焚烧污泥的流化床焚烧炉在1962年建于美国Washington，至今仍在运行。目前，污泥焚烧是日本、奥地利、丹麦、法国、瑞士、德国等国污泥处置的主要方法。2．1污水污泥焚烧工艺的影响因素(1)污泥焚烧的影响因素影响污泥焚烧过程的因素有许多，主要因素【34l有、停留时间、燃烧温度、污泥的性质、空气过剩系数等。其中停留时间、燃烧温度和污泥含水率是反映焚烧炉性能的主要指标。1)停留时间污泥在焚烧炉内停留时间的长短直接影响焚烧的完善程度，停留时间也是决定炉体容积尺寸的重要依据。为了使污泥能在炉内完全燃烧，污泥需要在炉内停留足够的时间。一般认为，污泥燃烧所需要的停留时间与含水量有一定的关系，含水量越大，干燥所需的时间越长，污泥在炉内的停留时间也就越长。此外，良好的搅拌与混合，使污泥的水分更易于蒸发，其所需的停留时间就较短。停留时间也意味着燃烧烟气在炉内所停留的时间，燃烧烟气在炉内停留时间的长短决定气态可燃物的完全燃烧程度。一般来说，燃东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工艺工作过程东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工艺工作过程烧烟气在炉内停留的时间越长，气态可燃物的完全燃烧程度就越高。2)焚烧温度污泥的焚烧温度一般是指污泥焚烧所能达到的最高温度。污泥的焚烧温度比其着火温度要高得多。污泥的焚烧温度越高，燃烧速度越大，污泥就焚烧得越完全，焚烧效果越好。污泥的焚烧温度与污泥的燃烧特性有直接的关系，污泥的热值越高、水分越低，焚烧温度也就越高。一般来说，提高焚烧温度有利于污泥的燃烧和干燥，并分解和破坏污泥中有机毒物。但过高的焚烧温度不仅增加了燃料消耗量，而且会增加污泥中金属的挥发量及氮氧化物的数量，引起二次污染。因此不宜随意确定较高的焚烧温度。污泥焚烧的温度与污泥在焚烧设备内的停留时间相关联，大多数有机物的焚烧温度范围在800．1100℃之间，通常在850～950℃之间。3)污泥的性质污泥的热值、成分、含水量等是影响污泥焚烧效果的主要因素。热值越高，燃烧过程越易进行，燃烧效果越好。可燃成分越多，越易着火，燃烧越快。由于水分对污泥焚烧的影响很大，2．2．2节单独进行分析。4)污泥与空气间的混合程度为了使固体污泥燃烧完全，必须往燃烧室内鼓入过量的空气。氧浓度高，燃烧速度快，这是燃烧的最基本条件。对具体的污泥燃烧过程，需要根据物料的特性和设备的类型等因素确定过剩空气量。除了过剩空气量，还要注意空气在燃烧室内的分布，燃料和空气中氧的混合如湍流程度，混合不充分，将导致不完全燃烧产物的生成。对于废液的燃烧，混合可以加速液体的蒸发；对于固体污泥的燃烧，湍流有助于破坏燃烧产物在颗粒表面形成的边界面，从而提高氧的利用率和传质速率，特别是扩散速率为控制速率时，燃烧时间随传质速率的增大而减少。5)过量空气系数在实际的燃烧系统中，氧气与可燃物质无法完全达到理想程度的混合及反应。为使燃烧完全，仅供给理论空气量很难使其完全燃烧，故实际焚烧过程中往往送入比理论空气量更多的助燃空气量，以使污泥与空气能完全混合燃烧。过剩空气系数(Y，％)用于表示实际空气与理论空气的比值，定义为：V厂=二V式中，yo为理论空气量，y为实际供应空气量。过剩空气系数对污水污泥的燃烧状况有很大的影响，供给适量的过剩空气系数是有机可燃物完全燃烧的必要条件。合适的过剩空气系数有利于污水污泥与氧气的接触混合，一12—东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工艺工作过程东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工艺工作过程强化污泥的干燥、燃烧。但过剩空气系数过大又有一定的副作用，过剩空气系数过大既降低了炉内燃烧温度，又增大了燃烧烟气的排放量。(2)污泥水分对焚烧的影响污泥是一种高水分物质，其水分按存在形式分为四类：间隙水，存在于污泥颗粒间，约占污泥水分的70％；毛细水，污泥颗粒间的毛细管水，约占20％；表面吸附水，吸附在污泥颗粒表面，约占7％；内部水，存在于污泥颗粒内部或微生物细胞内的水，约占3％。四种水分与污泥颗粒结合的强度由大到小的次序是：内部水>表面水>毛细结合水>间隙水，该次序也是污泥脱水的难易顺序。目前焚烧炉的排烟温度大都在100"C以上，所以污泥带入炉内的水分最后都是以蒸汽的形态被排出焚烧炉的。这些蒸汽以汽化潜热的形式带走了燃料中的能量，剩余的热量才有可能为焚烧炉所用，对于l标准大气压下，水汽化潜热为2510kJ／kg。对于应用基于应用水分为M盯，干基低位发热量为Qnd．d(kJ／kg)的污泥，容易得到因水分存在造成lkg于污泥的能量(kJ／kg)损失为：坦=2510×M。，／(100一M。) (2．2)用相对值表示，相对原有干污泥能量的损失份额为q：j竺2丽西藏 ‘2。3)水分肋图2．1不同水分下能量损失份额Fig．2．ITheshareofenergylossofdifferentmoistrue图2．1为不同水分下的能量损失份额，从图中可以看出，对于干基低位发热量1000kJ／kg的污泥，水分至60％左右时，其损失达100％，即无能量可用了。污泥水分高，焚烧时需加辅助燃料，因此，为减少能量损失希望水分越低越好，这需深度脱水，但这涉及到脱水技术和脱水的经济性问题。一13—东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工艺工作过程东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工艺工作过程图2．2为杭州七格污泥不同水分对应的理论燃烧温度[351，即没有任何散热时完全燃烧能达到的最高温度，计算时假定过量空气系数为1．2。鋈求长驿贮0 300 600 900 1200 1500理论燃烧温度／℃图2．2不同水分污泥对应的理论燃烧温度Fig2．2Thetheoreticaltemperatureofcombustionofsludgewithdifferentmoisture流化床燃烧的正常温度一般在800～1000℃左右。由上图可见，随着水分的增加，理论燃烧温度显著下降，当污泥水分为40％时，其理论燃烧温度还超过1100℃，这对流化床而言，扣除燃烧损失和散热损失，合理的床温还是有保证的，但当水分升至55％以上时，理论燃烧温度降至900℃以下，单独焚烧污泥是难以维持床温的，这时就需加入一定量的辅助燃料或采用高温热空气送入。2．2流化床焚烧炉焚烧工艺特性2．2．1污泥焚烧工艺的工作原理由于污泥含水量高，直接焚烧会导致燃烧不稳定，大量的水蒸气的产生会导致损失一部分的潜热，也会对壁面产生腐蚀，并且由于目前大部分燃烧炉的设计对象是高热值或者中高热值燃料，而干化后的污泥的热值又接近褐煤，因此将污泥直接焚烧前进行干化处理是十分有必要的。传统的脱水污泥直接焚烧处理，因其发热值太低，需加入大量的辅助燃料以维持过程的自持进行，导致处理成本明显极高，这也是目前焚烧法难以推广的原因之一。因此，本文主要采用的技术路线是将含水率78％以上的城市污水污泥通过采用复合干化器干化后，制作成为污泥颗粒燃料，然后送入循环流化床焚烧炉进行焚烧，焚烧后的热量回收_-——14‘。——东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工艺工作过程东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工艺工作过程用于污泥干化，最终以污泥与煤的合适配比完成污泥的完全焚烧。杭州七格污水处理厂污泥处置系统采用了污泥干化加焚烧的处置工艺，是杭州污水厂污泥综合处置示范工程，最终实现污水处理厂脱水污泥处置的减量化、无害化、稳定化【361。处置工艺是国内自行研究开发的，工程由中国市政工程华北设计研究院设计，污泥最大日处理规模为100吨／天、(含水率为75～80％)。该工艺是将脱水后污泥经干化后送入循环流化床炉内焚烧。整个系统主要由焚烧系统、干化系统、导热油循环系统、空压系统、烟气净化系统等相关部分组成。(1)焚烧系统焚烧系统采用热载体循环流化床焚烧炉，焚烧炉床体温度保持在850。C．900+0进行干污泥焚烧。燃烧干化污泥所产生的高温烟气，经旋风分离器分离下来的循环灰通过气动分配器，大部分返回焚烧炉继续燃烧循环，另一部分进入复合干化器干化湿污泥，利用流经旋风分离器尾部的高温烟气余热回收装置加热导热油供干化污泥作为热源。经空气预热器后通过净化塔和布袋除尘装置，进行酸性气体的脱除和颗粒物捕集，达标后的气体通过吸风机的作用由烟囱排入大气。(2)干化系统湿污泥干化过程采用两种不同方式进行，先将脱水污泥通过污泥给料装置送入流化复合干化器内与焚烧炉部分热灰直接混合，在流化状态下进行干燥，在送风机的作用下再送入设有导热油换热盘管干燥器内。在流化状态下继续对污泥进一步干化。当污泥含水率降低至20％以下时，干化污泥从干化器中连续排出，由输送设备送入循环流化床内进行燃烧。干化器排出的气体及细灰，经细粉分离器、冷凝器、除雾器后经引风机和送风机循环至复合污泥干化器，多余气体通过泄压阀送入焚烧炉作焚烧处理。(3)导热油循环系统通过导热油泵的作用使其在干化和焚烧系统中周而复始循环，是进行热量交换和传递的公用系统，保持整个系统热量平衡和正常运行，也是整个系统正常运行的关键设备。(4)空压系统压缩空气的压力须保持在5～6kg／crn2，是保证干化焚烧系统正常运行的必备条件，其主要作用是自动调节各执行机构、气动分配器循环灰返料动力、烟气净化装置、焚烧炉尾部受热面吹扫，提高焚烧炉的热效率等。(5)烟气净化系统在焚烧炉运行时通过输送装置不问断向炉内送入石灰粉与焚烧所产生的烟气充分接触，脱除酸性气体，降低烟气中的酸性气体浓度，达标排放(S02S192ppm、NOx<179ppm)。布袋除尘装置对尾气排放前进行除尘处理，捕集颗粒物，降低烟气中的烟尘浓度，达标排放(<120mg／m3)。一15—东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工艺工作过程东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工艺工作过程根据污泥焚烧工艺的特点，在分析自动控制系统构成的基础上，得到污泥干化焚烧工艺流程如图2．3所示。冷导热油 扣 导油管器油加ji 空气管引口圯 一呻储油箱嗣_lI喝剐风风一槲脞～籀尘黔||翻 爹一，淄臻图2．3污泥干化焚烧工艺流程图Fig．2．3Processofsludgeincineration具体的工作过程主要包括焚烧部分和干化部分，箭头指向的方向表示气体、污泥、油的流动方向。焚烧部分主要设备包括循环流化床焚烧炉、旋风分离器及气动分配阀。焚烧部分工作过程：循环流化床焚烧干化污泥产生高温烟气，经旋风分离器分离下来的循环灰通过气动分配器，一部分(棕色线)返回焚烧炉继续燃烧，另一部分(棕色线)进入复合干化器干化污泥。从旋风分离器出来的高温烟气(蓝色线)经过换热器余热回收装置，给导热油加温，烟气经换热器降温至160℃以下，再经烟气净化器、布袋除尘器后，通过引风机由烟囱排出。干化部分主要设备包括复合干化器、分离器、冷凝器、汽水分离器。干化部分工作过程：含水率78％左右的脱水污泥通过污泥投加装置进入复合干化器，与循环热灰混和干燥；同时，受高温烟气回收装置的导热油管加热，在流化状态下进行干化。当含水率降低到20％以下时，干化污泥从干化器中连续排出并送入循环流化床焚烧炉燃烧；复合干化器排出的废气及细灰，经细粉分离器、冷凝器、汽水分离器后，由高压风机送回复合干化器。2．2．2干化系统湿污泥干化过程采用两种不同方式进行，先将脱水污泥通过污泥给料装置送入流化一16一东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工艺工作过程东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工艺工作过程复合干化器内与焚烧炉部分热灰直接混合，然后通过送JxL机将污泥送入设有导热油换热盘管干燥器内，并在流化状态下对其进行进一步干化。当污泥含水率降低至20％以下时，干化污泥从干化器中连续排出，由输送设备送入循环流化床内进行燃烧。干化器排出的气体及细灰，经细粉分离器、冷凝器、除雾器后经引风机和送风机循环至复合污泥干化器，剩余细灰送入焚烧炉作焚烧处理。干化系统运行与操作步骤如下：(1)复合干化器填充底料，底料应淹没换热器的盘管，循环风量必须满足干料的流化。(2)循环风通过复合干化器下部的风箱，循环气体均匀进入流化床使污泥颗粒在床内流态化，并通过换热器加热污泥颗粒使水分蒸发，达到干化的目的。(3)根据料层压差，复合干化器底部卸料阀会自动启动。(4)带有粉尘和蒸发水分的循环气体(混和气体)从流化床干燥器顶部离开复合干化器，进入旋风分离器，其作用是使粉尘与流化气体分离。(5)分离后的流化气体再进入冷凝器，气体中的一些细微的粉尘再一次被洗涤分离，同时降低循环气体温度到55℃。(6)循环气体通过汽水分离器把气体中的水分分离掉。(7)被分离后的循环气体通过二台风机被循环至复合干化器的风室中。(8)系统必须在自动模式下运行，含氧量<8％。2．2．3焚烧系统焚烧系统采用热载体循环流化床焚烧炉，焚烧炉床体温度保持在850。C～950"C进行干污泥焚烧。一次风机高压风经过二级空气预热器进入风室，通过风帽对床料进行流化。二次高压风机的高压风经过一级空气预热器进入流化床密相区与稀相区之间切向喷入炉膛，在稀相区形成旋涡气流，加强流化床稀相区的扰动，使得气体与可燃物充分混合，保证了稀相区挥发分充分燃尽和飞离密相区的细灰进一步燃烧，提高燃料的燃尽率。点火燃烧器是在焚烧炉启动时加热流化床底料的设备，辅助燃烧器是在燃料不够时，起调节炉膛温度作用的。旋风分离器将燃烧过程中部分还未燃尽的颗粒分离下来，再通过气动分配器将返料仓内的一部分料送入炉膛进行二次循环燃烧，另一部分料分配到干化器中干化湿污泥。旋风分离器分离的高温烟气可加热导热油，之后的烟气流经一级和二级空气预热器对一、二次风进行加热，烟气最后通过洗涤和布袋除尘，使烟气达到净化，再通过引风机排入大气。焚烧系统中的床温是影响Ca／S、NOx以及CO排放量的最主要的因素，床温过低不但使焚烧炉效率下降而且使焚烧炉运行不稳定容易灭火，床温过高会使脱硫效率下降使一17—东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工艺工作过程东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工艺工作过程S02和NOx的排放量增加，同时使焚烧炉结焦无法『F常循环流化燃烧，而床温运行的好坏又受到焚烧系统的整体运行与操作的影响，焚烧系统运行与操作步骤如下：(1)焚烧炉启动前需进行全面检查，确认具备启动条件后按操作规程进行点火工作。启动和正常运行风量控制应根据冷态流化结果进行对应，在运行中流化风量不得低于临界风量，否则有结焦的危险，风量过大会使排烟热损失及燃烧损失增大。(2)启动前布袋除尘必须走旁路，当烟气温度≥110℃时方可切换到主路。(3)运行中当烟气温度之190℃时，烟道应切换到旁路。(4)运行风量和燃料量未增加，料层差压在逐渐增高，此时应调整燃烧，当料层差压超过9500Pa时，应采取手动排渣方式排渣，并控制排渣的速度，使料层高度逐渐降低，当料层差压降到8500Pa时，停止排渣，当料层差压低于8000Pa时，应及时补充一定量的石英砂。排渣应做到少放、勤放保持床温的稳定。(5)当风量变动时，床层温度也会发生变化，炉内含氧量也同时变化，调节床温一般靠调节燃料量来维持平衡。(6)风量控制的原则是一次风确保流化燃烧，二次风则根据检测到的含氧量来调节燃烧所需风量，运行中保持一次风室压力在一定数值范围(8000--9000)士500Pa，根据运行中具体情况再做修正。(7)燃料量的多少直接影响到床层温度，当床温偏高时，应加大送风量，减少燃料量，床温偏低时则相反。(8)正常燃烧中，在调节燃料量时幅度不应过大，以免造成床温大幅波动，影响燃烧的稳定性，燃料与风量的调节应做到增负荷时，先加风后加料，减负荷时，先减料后减风。(9)正常运行中床层温度控制在850℃～950℃之间较为合适，如果床温得不到很好的控制，就会出现高温结焦和低温熄火的危险，影响运行的稳定性。(10)当床温超过950℃左右时，应立即采取加风减料措施，采取措施后床温仍有上升趋势，此时停止向炉内进料，如床温仍得不到控制，再次加大风量，直至床温恢复到正常范围内(850℃～950℃)。(11)床温低于780℃，虽以采取加料减风措施，床温仍下降，得不到很好的控制，低于730℃有熄火可能时，应及时投入助燃油枪提高床体温度，确保焚烧炉的正常运行。(12)焚烧炉在运行过程中，烟气出口控制在一lOPa---20Pa范围之内。(13)焚烧炉需暂时停运，可进行压火操作，使焚烧炉处于热备状态，压火前可适当增加给料，床温上升到900。C左右停止进料，床温开始有下降趋势(880℃左右)时，停止送风机和引风机，并立即关严进出口风门，防止漏风产生低温结渣。(14)压火启动操作先启动引风机、后启动送风机，调整流化风量，注意床温变化，一18—CU3LCU400650。，f东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工a乙4-工作过程图2．4所示。东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工a乙4-工作过程图2．4所示。2．3．1系统硬件污泥焚烧系统的整个框架可以分为两大部分，即白控部分和上位监控站计算机监控部分。自控系统与监控计算机之间采用以太网的形式以TCP／IP协议联接。自控系统直接监测和控制各个工艺生产过程单元，进行工艺检测参数、设备运行工况信号的采集、监测和控制，并向上位监控站传送实时数据。杭州市七格污水处理厂三期lOOffd污泥焚烧工程白控系统采用罗克韦尔自动化的RSLogix5000对控制系统进行组态编程。罗克韦尔公司研制的控制系统编程软件RSLogix5000以其设计人性化，易用、功能强大著称，它具有友好的、引导性的使用界面，可靠的通信、高级诊断功能等特点。(1)污泥焚烧控制系统污泥焚烧自动控制系统采用美国罗克韦尔公司的ControlLogix系列控制系统。该系统具有全开放的特点，更适合于采集、控制、网络通信等工业环境，是具有很高性能／价格比的网络通信控制系统。它适用于现场设备、仪表、控制系统与控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、多站的通信系统，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快等特点。它可将控制、联锁、数据采集、设备管理和SCADA系统等功能集于一体。操作员站 I：程师站_墨 蚕～1厂ll—C|耄～B“图2．5污泥焚烧控制站配置图Fig．2．5Configurationofthesludgeincinerationcontrolstations为了保证系统运行的高可靠性，在生产现场设置了互为冗余的ControlLogix控制系统(LCUl和LUC2)控制站。LCUl和LCU2负责焚烧炉、气动分配阀、复合干化器控制、焚烧、干化辅助系统控制。根据焚烧工艺需要，污泥焚烧控制站模块整体配置如图2．5所示。一20一东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工艺工作过程东北大学硕士学位论文 第2章污泥焚烧工艺工作过程(2)污泥供应与冷凝水控制站控制站采用罗克韦尔的CompactLogix单机系统，完成污泥供应系统和冷凝水系统控制功能。该控制站由CompactLogix单机系统构成，根据焚烧工艺需求，污泥供应系统LCU3和冷凝水系统LCU4的配置如图2．6所示。操作员站l 操作员女占2I。作师站麓囊蠹塾。鏖囊：：j。j篓墨100M。I：业以太L一一一一一一一匦亟匾LCU3 LCU4图2．6控制站配置图Fig．2．6Configurationofthecontrolstation(3)通信网络配置方案污泥焚烧自动控制系统通信网络由从控制站到中控室的100Mbit／s以太网构成。工业以太网的特点是在网络应用层中采用了CIP协议。IP协议是在现有商用以太网基础上开发的、开放的工业网络标准，由国际现场总线组织ODVA和ControlNet+International于2000年初宣布推出的。工业控制以太网具有极为突出的网络效率，在同一介质上具有实时控制功能，提供控制的具体操作或者工艺过程中的实时数据交换。它允许在某一中心位置集中启动网络或者网络上某一个具体的网络设备，或者启动其他的基于CIP协议的网络(如EtherNet／IP、DeviceNet)，通过网络的传输实现控制目的。系统采用基于CIP协议的100Mbit／s工业以太网连接LCUl～LCU4，实现数据通信网络共享。LCUl、LCU2、17562CNBR模块与17942ANCR通过铜轴电缆组成CIP协议ControlNet，提供实时可靠的I／O通信。杭州市七格污水处理厂三期100ffd污泥焚烧工程选用专业制造商东土电信公司的KIEN2000系列产品。KIEN2000为工业级光纤交换机，其MTBF为300000h，确保运行5年。该全双工工业以太网交换机带有2个多模lOOMbit／s光纤口和6个101100Base2TX的RJ45口，用于与控制系统和中控站监控PC连接，确保了可靠和高速的网络通信。2．3．2系统监控软件上位监控站是整个污泥焚烧处置过程的实时监控管理层，上位监控站操作站和工程师站采集控制站的全部运行参数和信息，通过用户权限约定，实时监控整个焚烧处理流·_——21’_——东北大学硕士学位论丈 第2章污泥焚烧_T-艺工作过程东北大学硕士学位论丈 第2章污泥焚烧_T-艺工作过程程和设备运行状况。RSViewSE是组件化集成人机接口软件(HMI)，用来开发监视和控制自动化焚烧工艺过程监控软件。它是一个强大的管理级的监控软件，具有多服务器集群和多客户端的分布式结构，以及强大的可伸缩性，其利用RSViewEnterprise系列的共用开发环境--RSViewStudio进行软件开发。应用组态存在于各个RSViewSE服务器当中，而客户端可以任意地调用显示各服务器中的应用。同时，RSViewSE也是罗克韦尔自动化ViewAnyWare产品战略的核心组成部分，为企业提供集成的一体化的监控方案。杭州市七格污水处理厂三期工程100t／d污泥焚烧上位监控站的操作站和工程师站运行监控软件，通过冗余环网，与控制站交换数据、采集信息，遥控和管理现场各机电设备。上位监控站在监控的同时，对所收集的运行数据和状态参数进行汇总分析、统计存储、报表生成、事件记录、报警和打印等处理；同时，生成实时数据库和历史数据库，作为日常管理和决策依据，支持在线查询、修改、处理、打印等功能，数据库带有标准的SQL接口和ODBC接口，可与其他关系数据库建立共享关系，为信息化管理系统提供基础数据信息。2．4本章小结本章首先大致介绍了污泥焚烧工艺的兴起和发展，接着介绍了杭州七格污水厂三期工程的流化床焚烧炉焚烧工艺特性，其中包括污泥焚烧工艺的工作原理、干化系统运行与操作步骤以及焚烧系统运行与操作步骤，并简要介绍了污泥焚烧控制系统的硬件和监控软件。一22—东北大学硕士学位论文 第3章循环流化床焚烧炉床温控制系统分析东北大学硕士学位论文 第3章循环流化床焚烧炉床温控制系统分析第3章循环流化床焚烧炉床温控制系统分析3．1污泥特性研究3．1．1污泥特性分析杭州七格污水处理厂产生的污泥含水率在78％左右的流体状物质，初沉、二沉污泥通过螺旋输送送入复合干化器干化后污泥含水率可达到40％以下。污泥的固体成分主要是有机残片、细菌菌体、无机颗粒和胶体等，但以有机成分为主。污泥中包含对农业有潜在利用价值的N、P、K和各种微量元素养分。有机质的含量通常可占污泥干重的300／o～40％。由于污泥来源于各种污水，所以污泥中不可避免地含有各种有毒有害物质，如重金属、有机污染物和病原物等，且因为污泥含较多的易分解或腐化的成分，通常会散发出难闻的气味。污泥中有益成分和有害成分共存的特点，使其处理成为复杂化的问题。要有效地处理处置污泥，必须首先对它的性质进行研究与分析。表3．1、表3．2、表3．3给出了杭州七格污泥及辅助燃煤成分分析及热值分析【3171。表3．1污泥及辅助燃料的工业分析Table3．1Porximateindustrialanalysisofsludgeandauxiliaryfuel样品名称 七格污泥 淮北烟煤低位发热量Q晰ad／l(J／kg 13129—23—东北大学硕士学位论文 第3章循环流化床焚烧炉床温控制系统分析东北大学硕士学位论文 第3章循环流化床焚烧炉床温控制系统分析表3．2、表3．3根据污泥(干态)分基在元素分析、工业分析和低位发热量等方面与淮北烟煤有许多相似之处，尤其狄分和低位发热量相近，而固定碳的含量则低得多，可以说污泥是一种低热值高挥发分的低档燃料，不同行业的污泥有很大差别，生活污泥与工业污泥也有很大区别。污泥挥发分可在较低温度逸出燃烧，固定碳则在较高温度下燃烧，与煤的燃烧特性相反，若污泥与煤掺烧，可以实现优势互补，实现稳定、均衡的燃烧。3．1．2污泥与煤掺烧研究污泥焚烧是利用污泥中含有大量有机物，将污泥在高温下燃烧成灰，以达到减容化、稳定化、无害化和资源化的目的。污泥焚烧就是污泥中有机物的氧化过程，污泥中的C、H、S等都可以进行燃烧化学反应，放出热量。污泥完全燃烧会排放出C02、H20、N2、NOX、S02等气体，由于现实条件的限制，污泥在焚烧炉中不可能完全焚烧，因此还会排放出CO。而污泥中的无机物则变成灰渣或飞灰，需要进一步处理。污泥属于固体废物，其燃烧比液体或气体要困难的多，对燃烧反应条件要求较高污泥中的固体分子紧密地靠在一起，要使它的可燃成分与氧气接触，进行氧化反应较困难。污泥在焚烧炉中燃烧的最基本的条件有：(1)充足的氧气供给以支持燃烧；(2)良好的搅动以促使污泥与氧气充分混合；(3)足够高的温度以维持燃烧。干燥的污泥热值相当于低品位的煤，污泥中含有很高比例的挥发分，很低比例的固定碳，因此在焚烧时会产生更多的挥发分火焰。污泥的成分随着季节的变化较大，给焚烧带来了不稳定的因素。将污泥与煤以不同比例混合在不同温度下掺烧，了解其掺烧特性十分重要，对污泥与煤在焚烧炉中掺烧进行基础研究。(1)具体步骤保持其他条件不变，利用管式加热炉可以调节不同的温度，使一定量污泥与煤混合后在不同温度下进行燃烧，分析不同温度下污泥与煤的掺烧特性：1)取适量的干污泥和干煤块，用粉碎机粉碎成粉，装进烧杯中，放入干燥器保存；2)取若干只坩埚，洗净，烘干，称重，并记录数据；3)将污泥粉和煤粉分别以10：0，9：1，8：2，，1：9的质量比例混合均匀，并将它们放入105℃的鼓风干燥箱中干燥30min；4)称取10：0混合燃料29，放入坩埚中备用；5)调节管式加热炉温度为200℃，将装有10：0混合燃料的坩埚放入其中焚烧；6)30分钟后取出，冷却后称重，并记录数据；7)改变管式加热炉温度为300℃、400℃， 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