生物质煤浆及其相关技术

生物质煤浆及其相关技术作者资料1·1污泥、废液1·1·1污泥在处理城镇污水的过程中会产生大量的污泥，又称生物污泥。生物污泥之所以必须处理，一是由于有机物含量高，容易腐化发臭，并往往含有许多病菌、寄生虫卵；二是因为含水率高，不便于车船运输；三是污泥中含有重金属；四是污泥若处置不当，会直接影响污水处理。而采用传统处理方式进行污泥处理，工艺繁杂，成本过高。且经处理的污泥去向，又是相当棘手的难题。经过简单处理后的污泥，稳定状态很容易被打破。一旦遇水，就可使污泥恢复原态。工业污泥，来自各类工矿企业生产过程中所产生的固体与水、油、化学污染、有机质的混合物。工业污泥的类别、来源及其组分列于表1。按照目前的处理方法，污泥存在着较大的污染，像其中的重金属、病原体和其它难以实现生物降解的有机物等。表1污泥分类类别来源组分亲水性有机污泥生活污水；食品工业废液；印染工业废液挥发性物质30～90%；动物脂肪；蛋白质病原微生物；金属氢氧化物；植物及动物废物；其它碳氢化合物亲水性无机污泥金属加工工业废液；染料工业废液；无机化工工业废液；其它工业废液金属氢氧化物；挥发性物质约30%；动物脂及少量其它有机物疏水性含油污泥钢铁加工工业废液大多为氧化铁、矿物油和油脂疏水性无机污泥钢铁工业等废液大部分为疏水性物质；亲水性氢氧化物5%；挥发性物质5%纤维性污泥造纸废液赛璐珞纤维；亲水性氢氧化物；生物处理构筑物中的挥发性物质1·1·2废液工业废液：各类工矿企业生产过程中排出一切液态废弃物的总称。工业废液的处理，是一项较为复杂的系统工程，它包括纺织类、化工类、食品类、轻工类、建材类、机械类、制药类、医院类等各种不同类型的废液。每个行业不同性质的废液，都必须使用不同的处理工艺，就是同类型的废液也会因不同的环境、处理要求、处理水量、投资与运行成本等，而采用不同的工艺。尤其是对于高悬浮物、高色度、高浓度有机物、高阴阳离子等污染程度严重的综合性工业废液，由于其中污染物种类繁多，水质水量变化大，营养物不平衡，历来是水处理行业的难点。①酸碱废液。酸碱废液排入水体改变了水体的pH值，影响水体自净，污染水体，破坏给水水源，并影响渔业生产；未经适当处理的酸碱废液进入生物处理构筑物时，会抑制微生物的生长，使水质恶化。②含油废液。含油废液中的油污分为乳化油、颗粒油等。废液中的油污不仅严重危害废水站的生化处理系统，而且对生态环境有破坏作用。③高浓度有机废液。高浓度有机废液是水处理中的一大难题，由于高浓度有机废液存在大量高分子有机物，多为很稳定的环状或苯环状结构，在生化反应中很难被氧化分解。④含酚废液。含酚废液主要来源于焦化厂、煤气发生站、炼油厂和绝缘材料厂等的生产过程。含酚废液不仅污染水体，危机人的身体健康，同时严重危害工农业生产和渔业生产。1·2污泥、废液处置产业化趋势就现状而言，“污泥处理处置”问题已成为制约水处理行业健康发展的“瓶颈”问题。用做有机肥时，没有经过专门处理的污泥中虽然含有部分有机质，但其中的重金属、病原菌和其它长效有机污染物都会对土壤产生危害，并使作物的品质受到严重影响。在一些地方随意施用污泥肥已导致土地盐害、烧苗和病虫害等现象的发生。而污泥填埋存在的问题是，由于垃圾填埋场大多为露天，经过几场雨后，恢复原态的污泥就对场地的安全构成严重的危害。不仅污泥到处蔓延，导致严重的环境和卫生风险。而且污泥对场地防护设施的腐蚀渗透现象也很严重。不少垃圾填埋场的寿命因此被大大缩短……就投资和运行成本而言，根据地区、能源成本、最终处置资源的分布、处置方式等多种因素，同等规模的处理处置能力，焚烧厂动辄投资数亿，干化厂数千万，堆肥场也要上千万。典型的污泥处理处置可能产生以下成本：填埋：浓缩－脱水－干化－运输－填埋费堆肥：浓缩－脱水－运输－堆肥－运输焚烧：浓缩－脱水－干化－运输－焚烧费－运输－填埋费建材(水泥、制砖等)：浓缩－脱水－干化－运输－处理费制浆（浆体燃料）：浓缩－煤浆制备－燃烧或气化－运输上述污泥处理处置方式的比较表明，污泥（废液）处理处置蕴含着巨大的技术和产品市场。但是，填埋、堆肥等技术或者由于适用范围小、代价高，或者由于不够成熟都难以产业化。到目前为止，国内尚无产业化推广应用的污泥（废液）资源化处理处置技术。尽管尚有某些不足，目前最有希望迅速产业化的污泥、废液处理处置方法当属生物质煤浆燃烧技术，它适应我国国情。如果运作得当，无疑可以带动并形成一个新型的节能与环保产业。1·3水煤浆技术所谓“水煤浆”，顾名思义是“水”、“煤”和“浆”混均而成的具有流变特性的浆体燃料，水是其重要组成之一。那么，水煤浆技术就是把“水”、“煤”和“浆”三者进行物理加工并应用的方式方法。追溯煤浆演变进程，可以领悟到其中的“替代”过程，即从单纯的油品液体燃料；到煤粉替代部分油料，出现煤—油混合型浆体燃料，即油煤浆；又经水替代部分油品，出现煤—乳化油（油—水）混合型浆体燃料；再到水替代全部油品，出现煤—水混合型浆体燃料，即水煤浆。水煤浆的综合优势经历了实践的确认，形成了当前的“初步工业推广应用”的局面，产业化势头发展强劲。随着技术的进步，利用水煤浆技术处置污泥、废液取得了重大突破，告别了传统处理方式的二次污染和高治理费用，使污泥、废液中的可燃物质或所含碱金属的氧、碳、氯化物对促进煤炭燃烧的催化性能得到充分利用，实现污泥、废液资源化，即生物质煤浆。之所以称做生物质煤浆，是因为污泥、废液两者中的有机物质做为能源载体同属生物质范畴。故此，生物质煤浆是利用生物污泥或有机废液的高水分特性连同煤炭通过制浆技术加工而成的浆体燃料，是将污泥、废液中的有机物质做为能源充分利用的燃料形式。生物质煤浆就是把污泥或废液与煤炭混合并通过制浆技术加工而成的一种浆体燃料。其中，污泥或废液不仅能提供热量，增强煤浆燃烧活性，而且煤炭颗粒与污泥或废液匀和而转变为流体，使煤浆能够泵送。由于水煤浆中的“水”被污泥或废液所替代，在污泥、废液被充分利用的同时，节省了大量的清水与部分煤炭；煤炭做为辅助燃料，起到稳定燃烧的作用。根据污泥（废液）高水分特性，将之直接用做煤浆原料，正是恰到好处。生物质煤浆技术不仅能很好地解决污泥（废液）资源化难题，而且能简化污泥（废液）处理与处置流程，节约污水处理系统基建投资，降低运行成本。水煤浆技术使企业变污染负效益为资源正效益，省略了“治污车间”而拥有了自己的“能源车间”。综上所述，水煤浆技术兼有能源与环保双重效应，不仅能使“煤代油”，而且更能使“垃圾代煤”、“垃圾代油”燃烧。随着我国治污力度的加大，城镇污水净化过程中所产生的污泥，以及对含有重金属、病原体和其它难以实现生物降解的废液的无害化处理，成为亟待解决的难题。水煤浆技术可将其加工利用，并一烧了之。从而将复杂的多因素环保难题大大简化，进而完整地体现出水煤浆技术广义上的环保意义，使资源/能源/环境一体化系统的目标、性质、功能从整体上得以体现出来。这是水煤浆技术最一般本质。像生物质煤浆等，都是这一本质的不同表现。2生物质煤浆燃烧技术水煤浆燃烧技术是一种新型洁净燃烧技术，在锅炉上主要采用雾化燃烧、流化燃烧以及悬浮—流化混合燃烧等形式。2·1生物质煤浆雾化燃烧技术水煤浆雾化燃烧原理：此燃烧方式供浆压力为1.3MPa，雾化蒸汽压力为1.6MPa。先用燃油使炉膛达到一定温度后，水煤浆与空气经燃烧器以射流方式进入炉膛，通过紊流扩散的外回流风以及旋转射流或钝体稳燃器产生的内回流风卷吸周围的高温烟气，促使煤浆气流与炽热烟气产生强烈混合，水分迅速蒸发；同时水煤浆气流又受到炉膛四壁和高温火焰的辐射，而将悬浮在气流中的煤颗粒迅速加热，水煤浆颗粒获得了足够的热量并达到了一定的温度就开始着火燃烧。其着火热随燃料的性质和运行工况的变化而变化。锅炉负荷降低时，炉膛平均烟温降低，燃烧器区域的烟稳也将降低，这对水煤浆的着火是不利的。所以雾化燃烧、固态排渣水煤浆锅炉最低运行负荷在50%左右，否则，就将危及着火的稳定，甚至熄火。在生物质煤浆试烧过程中发现，采用雾化燃烧方式的小型水煤浆锅炉的灰渣残碳含量比较高，有时高达17%左右。且炉型越小，煤浆颗粒燃烬程度就越低。试验证明，生物质煤浆颗粒燃烧越不充分，炉内越易发生气化反应，有CO产生，而二恶英类物质的发生量与CO的值成正比。这对生物质煤浆的影响是致命的。另外，炉型越小，其炉内容积热负荷相对较高，多采用旋流燃烧器，“稳燃”与“结渣”这对矛盾较难处理，在运行中很难防止结渣。2·2生物质煤浆流化燃烧技术当今，循环流化床燃烧技术得到飞速发展，特别是在废液、污泥、煤泥的燃烧上采用的异重流化床技术受到广泛关注。所谓的异重流化床，是指密度差异较大的不同颗粒组成的流化床系统。“异重流化床技术”做为清洁燃烧技术，运用到水煤浆的燃烧上可以解决水煤浆雾化燃烧难以解决的问题。特别是为解决我国众多的中小容量锅炉燃用水煤浆提供了一条极为有效的途径。固体粒子经与气体或液体接触而转变为类似流体的过程，称为流化过程。流化过程用于燃料燃烧，即为流化燃烧，其炉型称为流化床锅炉。流化燃烧是一种介于层状燃烧与悬浮燃烧之间的燃烧方式。燃料（颗粒一般为0～3mm）置于布风板上，空气则通过布风板由下向上吹送。当空气以较低的气流速度通过料层时，燃料颗粒在布风板上静止不动，料层厚度不变，这一阶段称为固定床。这正是燃料在层燃炉中的状态。如果气流速度继续增大，燃料颗粒间的空隙加大，料层膨胀增高，所有的燃料颗粒、灰渣颗粒纷乱混杂，上下翻腾不已，颗粒和气流之间的相对运动十分强烈。这种处于沸腾状态的料床，称为流化床。这种燃烧方式即为流化燃烧。当风速继续增大并超过一定限度时，稳定的沸腾工况就被破坏，颗粒将全部随气流飞走。物料的这种运动形式叫做气力输送，这正是煤粉在煤粉炉中随气流悬浮燃烧的情景。在流化床锅炉中按重量计，燃料仅占床料的1～3%，其余是不可燃的固体颗粒。因此，加到床层中的新鲜燃料颗粒被相当于一个“大蓄热池”的灼热灰渣颗粒所包围。由于床内混合剧烈，这些灼热的灰渣颗粒实际上起到了无穷的“理想拱”的作用，把燃料加热到着火温度而开始燃烧。在这个加热过程中，所吸收的热量只占床层总热容量的千分之几，因而对床层温度影响很小，而燃料颗粒的燃烧，又释放出热量，从而能使床层保持在一定的温度水平，这就是流化床一般着火没有困难，并且燃料适应性很广的原因所在。流化燃烧原理（燃油点火）：先用柴油通过油枪喷射到锅炉底部进风道燃烧，并将热风送进炉膛，当炉膛内的温度达到400℃以上时，将水煤浆通过供浆泵从储罐中抽出送到锅炉顶部，喷洒到燃烧室（浆压力在0.3MPa左右），燃烧室下部床层的温度在850～950℃之间。水煤浆在灼热灰渣颗粒加热下迅速析出水分、挥发分并完成着火燃烧及焦碳燃烧过程，在流化状态下颗粒状水煤浆进一步解体为细颗粒进入悬浮室继续燃烧。燃烧室出口处设置分离器，较大颗粒水煤浆和床料被分离、捕捉，返回燃烧室下部继续燃烧。这样既减少了床料的损失，又实现了煤浆循环燃烧，提高了燃烧效率。流化燃烧原理（无油点火）：等离子点火技术是以大功率电弧直接点燃煤粉，使炉膛内的温度达到400℃以上，而煤粉又能助燃，其余过程基本与上段所述相同。由于制浆技术可制得微米级的煤粉，适宜等离子点火。采用等离子点火燃烧器冷态点火起动，并在低负荷工况下使用等离子点火技术助燃，完全实现了水煤浆锅炉点火与助燃的无油化，可大大减少昂贵的燃油和运行成本。配置等离子点火燃烧器的生物质煤浆锅炉实现了燃料的循环悬浮—流化、高效洁净燃烧，克服了水煤浆雾化燃烧方式在小容量锅炉应用上存在的所有缺陷。既可用于单一燃料采用悬浮—流化的形式组织燃烧，又可用于固体燃料采用流化的形式，浆体燃料采用雾化的形式组织混合燃烧。需要强调的是，对烟气中有害物质，特别是二恶英类物质二次污染的防治措施，在整个系统中占重要地位，它的成败直接影响到利用生物质煤浆技术处置污泥与废液产业化的进程。悬浮—流化燃烧技术采取三项措施，通过改善炉内燃烧状态，使其不产生二恶英类物质的前期物质。一是保持燃烧气体的充分滞留时间（＞2S）；二是保持合适的燃烧温度（＞850℃）；三是