半干污泥流量計(jì)量方法與裝置的研究及應(yīng)用

張帥領(lǐng)，邵 欽，林莉峰

(1.上海市政設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200092；2.上海市城市排水有限公司，上海 200070)

污泥是城市污水處理廠污水處理過程中出現(xiàn)的副產(chǎn)物，其有機(jī)物含量高(40%～70%)，需要進(jìn)行妥善的處理處置以避免對環(huán)境造成二次污染。目前，對污泥的處置主要有好氧發(fā)酵、厭氧消化和干化焚燒等方法。污泥焚燒的主要目的是將污泥無害化和最大限度地減量化。20世紀(jì)90年代以來，污泥焚燒已成為一種流行的方法，在發(fā)達(dá)國家被普遍使用[1-2]。

國內(nèi)污泥的熱值普遍較低，如采用焚燒的處理工藝，需對脫水污泥進(jìn)行預(yù)干化。因干污泥顆粒度不均、黏性高、輸送時(shí)易堵塞等固有特性，目前沒有直接測量干污泥輸送流量的儀表，當(dāng)前普遍采用的污泥流量間接計(jì)量方法為螺旋計(jì)量法，即控制污泥輸送螺旋頻率的方式測量污泥流量[3-4]。由于半干污泥顆粒度不均、污泥堆積空隙不同，根據(jù)進(jìn)料螺旋定頻率輸出的半干污泥量會(huì)有偏差，入爐的污泥量時(shí)大時(shí)小，燃燒爐的燃燒工況不能保持穩(wěn)定。因此，常規(guī)的螺旋計(jì)量法進(jìn)行污泥流量計(jì)量具有固有的缺陷。

精確穩(wěn)定控制進(jìn)焚燒爐的污泥量，是焚燒爐燃燒工況穩(wěn)定的關(guān)鍵，半干污泥計(jì)量裝置作為輸送系統(tǒng)的配套裝置，對保證污泥處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。為了克服常規(guī)方法的缺點(diǎn)和不足，本文結(jié)合大型污泥焚燒項(xiàng)目，研究了半干污泥流量間接計(jì)量的新方法，并進(jìn)行了實(shí)際的工程應(yīng)用，取得了良好的效果。

1 半干污泥流量計(jì)量方法與裝置

半干污泥流量間接計(jì)量新方法——計(jì)量槽計(jì)量法：在半干污泥輸送系統(tǒng)中加入計(jì)量槽裝置，污泥計(jì)量槽是指在斗式秤的基礎(chǔ)上增加加料設(shè)備與出料輸送設(shè)備，利用料斗內(nèi)物料減少速率來計(jì)算物料流量與累計(jì)重量，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)或間斷計(jì)量與控制的稱量裝置，如圖1所示。

注：1—計(jì)量裝置進(jìn)料口；2—計(jì)量槽；3—稱重模塊；4—輸送螺旋圖1 污泥流量計(jì)量方法裝置圖Fig.1 Device Diagram of Sludge Flow Measurement Method

該方法計(jì)量半干污泥的原理如下。

1)加料過程：因倉內(nèi)物料同時(shí)進(jìn)出，不能通過單位時(shí)間內(nèi)倉內(nèi)物料重量的變化量來計(jì)算出料流量，控制器自動(dòng)進(jìn)入“容積計(jì)量配料方式”，即保持出料恒速，以加料開始前的流量值作為整個(gè)加料過程的流量值(近似值)。

2)加料停止后：采用“減量計(jì)量配料方式”計(jì)算進(jìn)料流量，具體為利用單位時(shí)間內(nèi)倉內(nèi)物料重量的變化量來計(jì)算出料實(shí)時(shí)流量，計(jì)算如式(1)。

Qi=ΔGi/Δt

(1)

其中：Qi——i-1到i時(shí)刻的半干污泥流量，t/h；

ΔGi——i-1到i時(shí)刻的物料倉半干污泥質(zhì)量變化，kg；

Δt——i-1到i時(shí)刻的時(shí)間間隔，s，一般取微小固定時(shí)長，如1 s。

對時(shí)長做累計(jì)，計(jì)算平均流量作為半干污泥在該時(shí)間段內(nèi)的流量值，如式(2)。

(2)

其中：Q——累計(jì)時(shí)間段內(nèi)的半干污泥流量，t/h；

n——累計(jì)數(shù)量，通常取30。

為了能實(shí)現(xiàn)對計(jì)量槽裝置精細(xì)化控制，本文對其控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖2所示。干污泥計(jì)量系統(tǒng)其PID控制連續(xù)工作控制時(shí)序如圖3所示，控制原理如下。

圖2 計(jì)量槽裝置控制原理示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Control Principle of Metering Tank Device

圖3 計(jì)量槽連續(xù)工作控制時(shí)序圖Fig.3 Working Control Timing of Metering Tank

1)第一次啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，先判斷料倉內(nèi)物料重量是否達(dá)到上限。如達(dá)到上限，無需啟動(dòng)料倉加料設(shè)備，直接啟動(dòng)出料設(shè)備并根據(jù)爐溫高低進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。如未達(dá)到上限，啟動(dòng)料倉加料設(shè)備，經(jīng)“加料穩(wěn)定時(shí)間”后(避免加料開始時(shí)物料沖擊造成上限誤判)，控制器再判斷料倉物料重量是否達(dá)到上限。達(dá)到上限時(shí)，料倉加料設(shè)備停機(jī)，經(jīng)“加料穩(wěn)定時(shí)間”后，啟動(dòng)出料設(shè)備并進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。

2)在出料PID調(diào)節(jié)過程中，控制器判斷料倉物料重量是否達(dá)到下限。達(dá)到下限時(shí)，啟動(dòng)料倉加料設(shè)備，出料保持恒速，經(jīng)“加料穩(wěn)定時(shí)間”后，判斷料倉物料重量是否達(dá)到上限，達(dá)到上限時(shí)停止加料，再次進(jìn)入出料PID調(diào)節(jié)過程。

3)系統(tǒng)工作過程中，出料設(shè)備連續(xù)工作。

2 項(xiàng)目應(yīng)用

本項(xiàng)目為上海市石洞口污水處理廠污泥處理二期工程，采“脫水+干化+焚燒+煙氣處理”的污泥處理工藝，污泥處理規(guī)模為128 tDS/d，配套3條脫水系統(tǒng)生產(chǎn)線、2條干化系統(tǒng)生產(chǎn)線、3條焚燒及煙氣處理系統(tǒng)生產(chǎn)線。焚燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)余熱利用和凈化處理后，滿足上海地標(biāo)DB 31/768—2013的達(dá)標(biāo)排放。工藝流程如圖4所示。

圖4 石洞口污水處理廠污泥處理二期工程工藝流程圖Fig.4 Schematic Diagram of the Phase II Sludge Disposal Project of Shidongkou WWTP

本項(xiàng)目是國內(nèi)首個(gè)接收外來半干污泥的污泥焚燒工程，焚燒爐系統(tǒng)的半干污泥入爐進(jìn)料系統(tǒng)的計(jì)量是本工程污泥焚燒的關(guān)鍵技術(shù)。干化后的半干污泥和外來半干污泥在半干污泥接收坑內(nèi)混合后，通過半干污泥計(jì)量裝置將半干污泥輸送裝置送入焚燒爐進(jìn)行處理，每臺焚燒爐配兩套進(jìn)料計(jì)量裝置，呈對稱分布。

為了能有效分析對比常規(guī)的螺旋計(jì)量法與本文提出的計(jì)量槽計(jì)量方法，在項(xiàng)目實(shí)施過程中進(jìn)行了對比試驗(yàn)。本項(xiàng)目配置了約3 000 m3的半干污泥接收坑，污泥在接收坑內(nèi)均質(zhì)后進(jìn)入焚燒爐處理，對比試驗(yàn)期內(nèi)進(jìn)入接收坑的污泥泥性均未變化，半干污泥泥性基本相同。除計(jì)量方式外，對比試驗(yàn)中半干污泥泥質(zhì)、運(yùn)行工況等其他因素的影響是同一水平的。通過不同方法對半年污泥的流量進(jìn)行了計(jì)算和計(jì)量(表1、圖5)，并基于兩種計(jì)量方法對焚燒爐燃燒工況的影響進(jìn)行比較。焚燒爐溫度如表1和圖6所示。

由表1、圖5、圖6可知，通過本文提出的半干污泥計(jì)量方法和裝置控制方法，可以有效控制燃燒爐內(nèi)的溫度波動(dòng)(標(biāo)準(zhǔn)差較小)，即燃燒爐內(nèi)處于相對穩(wěn)定燃燒狀態(tài)。

表1 試驗(yàn)中半干污泥流量和焚燒爐爐溫結(jié)果Tab.1 Results of Flow Rate and Incinerator Temperature of Semi-Dry Sludge in Experiment

圖5為通過控制螺旋頻率控制入爐半干污泥的焚燒爐溫度圖(方案1)。入爐焚燒爐頻率可根據(jù)焚燒爐爐溫的高低進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，確保爐溫滿足850 ℃以上且不能超溫。半干污泥顆粒度不均、污泥堆積空隙不同，進(jìn)料螺旋定頻率輸出的半干污泥量會(huì)有偏差，造成入爐的污泥量時(shí)大時(shí)小，又因螺旋至焚燒爐有一定的距離，調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)有滯后性，兩者共同作用造成爐溫波動(dòng)較大。

圖5 通過螺旋頻率控制污泥流量的焚燒爐溫度Fig.5 Incinerator Temperature for Sludge Flow by Spiral Frequency Control

圖6為通過帶稱重裝置的計(jì)量槽控制入爐半干污泥的焚燒爐溫度圖(方案2)。根據(jù)計(jì)量槽料斗內(nèi)物料減少速率來計(jì)算物料流量，入爐污泥流量可根據(jù)焚燒爐爐溫的高低進(jìn)行PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，確保爐溫滿足850 ℃以上且不能超溫。此種控制方法可以精確控制入爐的半干污泥量。根據(jù)實(shí)際調(diào)試時(shí)爐溫曲線可以看出爐溫較平穩(wěn)，滿足運(yùn)行需求。

圖6 通過計(jì)量裝置控制污泥流量的焚燒爐溫度Fig.6 Incinerator Temperature for Sludge Flow by Metering Device Control

根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)污泥流量計(jì)量準(zhǔn)確性的主要影響因素為計(jì)量槽稱重模塊的精度、污泥顆粒度、流量計(jì)量時(shí)間間隔。建議稱重模塊精度為1 kg，污泥顆粒度均勻并在15 mm以內(nèi)，流量計(jì)算時(shí)間間隔為小于2 s，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)不同項(xiàng)目情況進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié)論

(1)與常規(guī)的控制污泥輸送螺旋頻率的方式測量污泥流量方法相比，半干污泥流量計(jì)量方法可以實(shí)現(xiàn)半干污泥量的精確自動(dòng)控制，保持焚燒爐燃燒溫度和工況相對穩(wěn)定，在污泥流量計(jì)量方面準(zhǔn)確、可靠。

(2)半干污泥流量計(jì)量方法可實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定控制進(jìn)焚燒爐的污泥量，對維持焚燒爐燃燒工況的穩(wěn)定意義重大，本文研究的污泥計(jì)量裝置在污泥干化焚燒項(xiàng)目中具有推廣意義。

(3)半干污泥計(jì)量裝置的自動(dòng)控制，尤其是PID控制參數(shù)的設(shè)定和調(diào)節(jié)，需要一定的經(jīng)驗(yàn)。因此，實(shí)際應(yīng)用中，在結(jié)合本文提出的半干污泥流量計(jì)量方法和裝置的基礎(chǔ)上，應(yīng)結(jié)合具體的項(xiàng)目情況制定相關(guān)的控制方法和措施。