面向水泥窑协同焚烧的污泥生物干化过程研究及工业应用
文献类型：学位论文
| 作者 | 于豹 |
| 答辩日期 | 2022-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 陈同斌 ; 郑国砥 |
| 关键词 | 水泥窑 污泥 生物干化 过程调控 工业实践 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 英文摘要 | 水泥窑协同焚烧是解决我国污泥问题的有效途径。然而，污泥含水率高、 热值低是限制水泥窑协同焚烧技术发展的关键因素。生物干化作为前处理技术， 能够快速降低污泥含水率、提高热值，且能耗低；契合水泥窑协同焚烧的需求。 目前对于污泥生物干化的研究主要集中在实验室规模；很少有在规模厂开展， 且未与后续的处置工艺对接，目的性和导向性不强。 针对水泥窑的需求和生物干化工艺存在的问题，在规模化生物干化厂（40 t/d）开展试验，明确污泥生物干化过程脱水特征；探究通风策略、调理剂等对 生物干化性能的影响，并关注物料燃烧特性的变化。解析不同通风策略下的水 热平衡以增强对生物干化过程的认识，并探究空气循环对水-热的影响，提出有 效的调控措施。返混料是降低运行成本的有效方式，通过分析生物干化特征、 微生物群落演替以及经济效益；明确了返混料的影响机制和使用策略。在水泥 厂（6000 t/d）开展协同焚烧生物干化产物的工业试验（150 t/d），评估了城市污 泥生物干化+水泥窑协同焚烧技术路线的碳减排潜力。主要结论如下： （1）规模化污泥生物干化过程初始温度高、启动快；生物干化过程能够有 效脱除水分，12 d 物料含水率降至 38.0%，第 16 d 降低至 30.8%。延长时间并不 能提升产物总热值且成本增加；12 d 的运行成本为 182.6 元/t，16 d 增加至 213.1 元/t。第 10 d 单位成本脱水量达到最大值，应根据堆体温度变化尽快结束生物干 化进程。通风对脱水效率影响较大，同样通风策略，低初始含水率获得高的生 物干化指数；通风策略应根据堆体初始状态和温度变化进行调整。 （2）调理剂对生物干化性能影响较大，7 组调理剂试验的水分去除率为 46.1%~74.5%；运行成本为 175.1 元/t~227.7 元/t，调理剂是运行成本的主要部分， 返混料的使用显著降低了运行成本。组合式调理剂在改善堆体结构，提高生物 干化性能方面具有潜力。赤泥有效改善污泥中水分分布，并益于后续生物干化 过程堆体升温和脱水；1%和 3%赤泥改性污泥组水分去除率从 17.8%增加至 21.1% 和 19.3%。调理剂的加入改善了污泥的燃烧性能，最大放热速率显著提升；生 物干化过程有机质降解，但产物的燃烧性能仍优于污泥。 （3）低通风和高通风组主要脱水阶段分别为第 9~12 d 和第 1~4 d，通风和 面向水泥窑协同焚烧的污泥生物干化过程研究及工业应用 II 堆体温度共同决定水分去除。微生物产生的热量主要被水蒸发潜热、空气显热 和辐射热等消耗。由于热损失较少，高通风组获得了较高物干化指数 I（7.04） 和热利用效率（94.1%）。空气循环曝气实现了能量回收（2135.0 MJ 和 4140.1 MJ），但携带更多的水分（1740.5 kg 和 3793.8 kg）进入堆体。 （4）使用返混料能够获得更快的升温速度和更高的堆体温度，4 组试验分 别在第 6、3、2 和 2 天达到最大堆体温度 61.9、68.8、73.7 和 69.9°C。由于堆体 结构的限制，返混料的使用需要调理剂辅助，以加强水分的去除。每组生物干 化过程微生物多样性呈下降趋势，但 4 组试验最终产物中微生物多样性增加。 每组试验过程共有微生物数量也在增加（90、119、224 和 300）；返混料的使用 提高了微生物群落结构的稳定性。然而，对比 4 种生物干化模式的成本和经济 效益发现，返混料的使用降低了运行成本(16.7%~44.4%)，但也会限制最终收益。 （5）经济评估显示湿污泥+水泥窑、生物干化+水泥窑路线的年收益为 2002 万元、4201 万元，改造投资分别为 4600 万元和 10600 万元。协同焚烧生物 干化产物（150 t/d）的工业试验表明，吨熟料耗煤量节约 5.61 kg，生物干化产 物的热利用效率为 93.7%。协同焚烧提高了烟室温度和二次风温，同时改善窑 尾稳定性。协同焚烧过程颗粒物排放浓度有所降低，氮氧化物和二氧化硫排放 浓度增加，对水泥窑的烟气处理系统带来一定的压力。生物干化+水泥窑协处置 路径在减少 CO2排放方面具有明显优势，实现减排 CO2 473.7 kg/ t 污泥。 通过本研究，对规模化污泥生物干化过程有了清晰的认识；解析了生物干 化过程水-热关系，提出了降低运行成本的有效策略，明确了返混料的影响机制； 为污泥生物干化工艺调控提供科学支撑；确立了生物干化+水泥窑协同焚烧技术 路线的优势和发展方向。 |
| 学科主题 | 环境科学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 172 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/184617]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 于豹. 面向水泥窑协同焚烧的污泥生物干化过程研究及工业应用[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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