污泥热值计算公式探讨

污泥热值计算公式探讨 吕钜 张 岩梁小田 北京工业大学建筑工程学院北京0 0 0 2 2 摘要 本文以城市污水处理厂的污泥为研究对象 分别采集了德国斯图加特和美国迈阿 密地区污水处理厂的污泥进行分析 针对干污泥焚烧的热值进行了探讨 利用数学分析的 方法得到了新的干污泥热值的计算表达式 并对已有的热值表达式进行了验证 总结出一 系列的干污泥热值计算表达式 关键词 城市污水处理厂污泥热值 引言 污泥是城市污水处理厂污水处理的副产物 由于污泥体积庞大 有机物含量较多 同时 含有重金属 如果不妥善处理 会对环境产生二次污染 因此必须对污泥进行无害化处理 污泥焚烧作为一种能够大量减少污泥体积 杀死全部细菌和病毒 同时产生大量热能的污 泥处置方式 受到了越来越多的关注 作为北京工业大学和德国斯图加特应用技术大学 的研究交流项目 北京工业大学特派员赴德国 对具有4 0 年历史的斯图加特污水处理厂的 焚烧工艺进行了为期半年的考查 在对污泥焚烧的机理进行了较深入研究的基础上 独立 提出了干污泥中的挥发份和碳元素含量分别与热值之闯的关系式 希望对国内城市污水处 理厂污泥的处理有所帮助 丑 污泥热值计算的意义 在污泥焚烧的整套工艺设计和运行中 污泥的热值起着很重要的作用 因此 如何较 准确地得到污泥的热值是污泥焚烧中极为重要的环节 通过氧弹量热计测出污泥热值 3 固然很好 但是要想准确地测出污泥的热值 需要采集和测量相当数量的污泥样本 这需要 花费相当的费用和时间 在许多情况下无法实现 因此 污泥热值计算表达式具有实用 意义 2 污泥的来源 本文采用的污泥样本7 1 4 取自斯图加特污水处理厂 它是消化污泥和二沉池污泥混 合后的浓缩污泥 其他来源于美国 样本1 是初沉污泥和二沉池污泥混合后的污泥 样本2 是初沉污泥 样本3 4 为未经消化的二沉池污泥 样本5 6 为经过消化后的二沉池污泥 三污瑟嚣蓦豢裴 6 3 6 3 现有的干污泥热值表达式 对于干污泥热值的求解 常用的公式有两个 一个是 排水工程 下册中表述的 Q O 0 0 2 3 1 俨0 0 p v 石山 塑字 1 式中 Q 一千污泥的燃烧热值 M J k g P v 挥发份的含量 G 一机械脱水时添加的污泥混凝剂的量 g 1 0 0 9 干污泥 在此 G 一0 a b 一经验系数 新鲜污泥与消化污泥 a 一1 3 1 b 一1 0 新鲜活性污泥 a 一1 0 7 b 一5 另一个是根据D u l o n g 公式 P e r r ya n dC h i l t o n1 9 7 3 并经过分析计算得出的 Q O 3 3 9 C 1 4 4 3 H 一0 1 2 5 0 一0 0 2 2 4 9 H 0 0 0 9 3 S o 0 0 1 4 6 4 N 3 1 2 式中 Q 一干污泥的热值 M J k g C H O S N 一分别为干污 泥中碳 氢 氧 硫 氮元素的含量 g 1 0 0 9 干污泥 公式 1 建立了干污泥中的挥发份和热值之间的关系 公式 2 建立了干污泥中各个重 要元素的量和热值之间的关系 2 5 0 0 千2 0 0 0 一行 喜逞1 5 0 0 辜的 巴鳌1 00 0 5 0 0 0 0 0 1234567891 01 11 21 31 4 污泥样本 一卜 一公式 2 计算值 一公式 1 计算值 1 垒r 一千污泥的实际测量热值 图1干污泥热值计算效果比较 图1 表示的是用公式计算出的干污泥热值和测量热值之间的关系 通过计算可以得 出 公式 1 与干污泥实测值的最大偏差为3 0 而公式 2 的最大偏差为1 3 最小偏差为 3 可见公式 2 的效果明显好于公式 1 但是利用公式 1 能够在简单的试验条件下 通过测量污泥中的挥发份 计算出干污泥的热值 这一点则是公式 2 所不能达到的 因此 对于公式 1 的修正显得很重要 4 新计算表达式推导 4 1 污泥分析方法 污泥焚烧有两种主要的分析方法 工业分析法和元素分析法 分析内容如下 八论文集 第二届中国城镇水务发展国际研讨会 第六届亚太地区基础设施发展部长级论坛暨 表1 污泥的分析方法 hh 一 4 女 H h H 一 工业分析 元素分析 一 一一一 一 一 一 一一 一一 一 一 一 一 水分 水分 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 灰分 灰分 一一 一 一一 一一 一 一 一一一一一 一一 一 一 一一一 一一一 一 一 一 一 挥发份 碳 一 一 一 一 一 一 一 固定碳 氧 一 一 一 总计 1 0 0 一一 一一一 一一 一 一一一 一一4 一一一一一一 一 一一 一 一 一 一一一 一 一一一 一 氮 一一 一 一一一一 一一 一 一一一一 一一一一 一 一 一 一 一 一一 一一 一一一一一 一一一 氢 硫 一 一 一一 一 一 一 一一一 一 总计1 0 0 下面用这两种分析方法来推导干污泥热值计算表达式 4 2 干污泥挥发份含量与热值的关系式推导 对于干污泥而言 污泥中几乎不存在水分 同时污泥中的固定碳含量极低 因此 对于 干污泥的工业分析内容 是通过分析干污泥中的挥发份的含量 建立起污泥的挥发分 灰分 和污泥热值之间的模型 Q a V b A 3 式中 Q 一干污泥的热值 M J k g V 一干污泥中挥发份的量含 g 1 0 0 9 A 一千污泥中的灰分的含量 g 1 0 0 9 a b 一回归系数 V A 一1 0 0 Q a V b 1 0 0 一V 一 a b V 1 0 0 b a7 V b 7 其中 a 一a b b7 1 0 0 Xb 将污泥样本1 1 4 的挥发份含量作为x 轴 干污泥的热值作为Y 轴 绘制出图2 如下 2 5 0 0 2 0 0 0 兰猩1 5 0 0 言袋1 0 0 0 值5 0 0 0 0 0 4 0 0 05 0 0 06 0 0 07 0 0 08 0 0 09 0 0 0 干污泥中的挥发份含量 g 1 0 0 9 污泥样本1 3 7 一1 4 污泥样本4 6 线性 污泥样本卜3 7 一1 4 图2干污泥挥发份含量和热值之间的关系 三藉蕹蠢鸳豢篓喜 从图2 中可以看出 污泥样本1 3 7 1 4 的挥发份的含量和热值满足直线方程 Q 一0 1 6 8 8 V 1 5 3 4 9 M JA g 4 且二者的线性相关性较好 回归方差为0 9 7 计算值和实测值的最大偏差为6 但是 污泥样本4 5 6 并不在直线Y 一0 1 6 8 8 x 1 5 3 4 9 的附近 所以对污泥样本4 5 6 需要进 行另外的分析 一般来说 在挥发份产生的热量中碳元素的热值占据了绝对的比例 所以我们推断污 泥样本4 6 中碳含量在挥发份中占的比例可能和其他的污泥不同 因此我们对每一个污 泥样本 将挥发份中的碳元素含量除以整个挥发份的量 得到了图3 的数据 从中可以看 出 污泥样本4 6 中碳元素占挥发份的含量大于5 5 而其他的污泥中碳元素占挥发份的 含量小于5 5 因此对于公式4 碳元素 挥发份 5 5 是其使用条件 众众 吣 y 八 扩飞尸弋产弋r V l234567891 01 11 21 31 4 污泥样本 图3干污泥中碳元素所占挥发份的比例 4 3 干污泥中碳元素含量与热值的关系式推导 污泥的元素分析项目多 如果测试的精度高 分析的结果可以客观地反映出污泥的成 分和各成份的含量 污泥的元素分析项目多 如果测试的精度高 分析的结果可以客观地 反映出污泥的成分和各成份的含量 对于干污泥热值的求解 我们利用污泥中元素分析的 结果做相关性分析 得到相关系数 通过相关系数再构造出污泥热值的模型 通过分析 得知干污泥中碳含量和热值有很好的相关性 因此 可以建立起干污泥中碳 含量与热值的关系 Q a X C b 5 式中 Q 一干污泥的热值 M J k g C 一干污泥中碳的含量 g 1 0 0 9 a 一回归系数 b 一修正系数 将测得的Q 值和C 值代人方程式中得到矩阵方程 再利用线性回归的方法求出 a 一0 3 4 5 7 b 一1 8 8 0 6 所以干污泥中碳含量和热值的关系式为 6 3 8 Q 一0 3 4 5 7 C 1 8 8 0 6 M JA g 6 八飞论炙集 第二届中国城镇水务发展国际研讨会 第六届亚太地区基础设施发展部长级论坛置 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 O O O O 挥发分中碳元素所占 的比例一 j6一 利用公式 6 和已知碳元素含量计算干污泥热值 并与实测值对比 如下图 2 2 0 0 2 0 0 0 1 8 0 0 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 A 删舞铽 杪 一 蛤 一一 u 一飞战只月太B 几刖 l2345 67 891 0 l l 1 21 31 4 一实测值 污泥样本 卜公式6 的计算值 图4 公式 6 计算的干污泥热值与实测值的对比 从图4 中可以看出 采用公式 6 的计算结果比较接近测量值 经计算最大偏差为1 3 样本1 且能用同一公式计算各种污泥的热值 不受条件的限制 5公式总结 通过以上的分析 推导 得出以下三个干污泥的求解公式 1 已知干污泥中的挥发份的含量 Q 0 1 6 8 8 V 1 5 3 4 9 M JA g C 5 5 2 已知干污泥中碳元素的含量 Q 一0 3 4 5 7 C 1 8 8 0 6 M J k g 3 已知干污泥中各重要元素的含量 Q O 3 3 9 C 1 4 4 3 H 一0 1 2 5 0 0 0 2 2 4 9 H 0 0 0 9 3 S o 0 0 1 4 6 4 N M J k g 这样在不同的条件下 采用不同的公式可以方便而准确地求解出干污泥的热值 S t u d y i n gO i lH e a tV a u eo ft h eS n u d g ef r o mW W T P L vJ i a n Z h a n gY a nL i a n gX i a o t i a n C o l l e g eo fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g B e i j i n gU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y B e i j i n 9 1 0 0 0 2 2 A b s t r a c t B a s e do nt h ed a t af r o mt h ew a s t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n t S t u t t g a r t G e r m a n y a n dM i a m i U S A n e wf o r m u l ao ft h ed r ys l u d g eh e a tv a l u ei sa c q u i r e dw i t ht h es t a t i s t i c a lm e t h o da n do l df o r m u l ai sc o n f i r m e db yt h ed a t a f i n a l l yas e r i e so ff o r m u l a sa b o u td r y s l u d g eh e a tv a l u ei ss u m m a r i z e di nt h i sp a p e r K e y w o r d s w a s t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n t W W T P s l u d g e h e a tv a l u e 9 干污泥的执一值 kg o五 污泥处理处置与资源化技术 冬 第 二 届 由 国 城 镇 6 4 0 参考文献 1 2 3 4 金儒霖等 污泥处置 中国建筑工业出版社 19 8 2 年8 月 J Z e l k o