半干污泥流量计量方法与装置的研究及应用

时间：2024-07-28

张帅领，邵钦，林莉峰

(1.上海市政设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092；2.上海市城市排水有限公司，上海 200070)

污泥是城市污水处理厂污水处理过程中出现的副产物，其有机物含量高(40%～70%)，需要进行妥善的处理处置以避免对环境造成二次污染。目前，对污泥的处置主要有好氧发酵、厌氧消化和干化焚烧等方法。污泥焚烧的主要目的是将污泥无害化和最大限度地减量化。20世纪90年代以来，污泥焚烧已成为一种流行的方法，在发达国家被普遍使用[1-2]。

国内污泥的热值普遍较低，如采用焚烧的处理工艺，需对脱水污泥进行预干化。因干污泥颗粒度不均、黏性高、输送时易堵塞等固有特性，目前没有直接测量干污泥输送流量的仪表，当前普遍采用的污泥流量间接计量方法为螺旋计量法，即控制污泥输送螺旋频率的方式测量污泥流量[3-4]。由于半干污泥颗粒度不均、污泥堆积空隙不同，根据进料螺旋定频率输出的半干污泥量会有偏差，入炉的污泥量时大时小，燃烧炉的燃烧工况不能保持稳定。因此，常规的螺旋计量法进行污泥流量计量具有固有的缺陷。

精确稳定控制进焚烧炉的污泥量，是焚烧炉燃烧工况稳定的关键，半干污泥计量装置作为输送系统的配套装置，对保证污泥处理系统的稳定运行意义重大。为了克服常规方法的缺点和不足，本文结合大型污泥焚烧项目，研究了半干污泥流量间接计量的新方法，并进行了实际的工程应用，取得了良好的效果。

1 半干污泥流量计量方法与装置

半干污泥流量间接计量新方法——计量槽计量法：在半干污泥输送系统中加入计量槽装置，污泥计量槽是指在斗式秤的基础上增加加料设备与出料输送设备，利用料斗内物料减少速率来计算物料流量与累计重量，从而实现连续或间断计量与控制的称量装置，如图1所示。

注：1—计量装置进料口；2—计量槽；3—称重模块；4—输送螺旋图1 污泥流量计量方法装置图Fig.1 Device Diagram of Sludge Flow Measurement Method

该方法计量半干污泥的原理如下。

1)加料过程：因仓内物料同时进出，不能通过单位时间内仓内物料重量的变化量来计算出料流量，控制器自动进入“容积计量配料方式”，即保持出料恒速，以加料开始前的流量值作为整个加料过程的流量值(近似值)。

2)加料停止后：采用“减量计量配料方式”计算进料流量，具体为利用单位时间内仓内物料重量的变化量来计算出料实时流量，计算如式(1)。

Qi=ΔGi/Δt

(1)

其中：Qi——i-1到i时刻的半干污泥流量，t/h；

ΔGi——i-1到i时刻的物料仓半干污泥质量变化，kg；

Δt——i-1到i时刻的时间间隔，s，一般取微小固定时长，如1 s。

对时长做累计，计算平均流量作为半干污泥在该时间段内的流量值，如式(2)。

(2)

其中：Q——累计时间段内的半干污泥流量，t/h；

n——累计数量，通常取30。

为了能实现对计量槽装置精细化控制，本文对其控制系统进行了优化，如图2所示。干污泥计量系统其PID控制连续工作控制时序如图3所示，控制原理如下。

图2 计量槽装置控制原理示意图Fig.2 Schematic Diagram of Control Principle of Metering Tank Device

图3 计量槽连续工作控制时序图Fig.3 Working Control Timing of Metering Tank

1)第一次启动系统时，先判断料仓内物料重量是否达到上限。如达到上限，无需启动料仓加料设备，直接启动出料设备并根据炉温高低进行PID调节。如未达到上限，启动料仓加料设备，经“加料稳定时间”后(避免加料开始时物料冲击造成上限误判)，控制器再判断料仓物料重量是否达到上限。达到上限时，料仓加料设备停机，经“加料稳定时间”后，启动出料设备并进行PID调节。

2)在出料PID调节过程中，控制器判断料仓物料重量是否达到下限。达到下限时，启动料仓加料设备，出料保持恒速，经“加料稳定时间”后，判断料仓物料重量是否达到上限，达到上限时停止加料，再次进入出料PID调节过程。

3)系统工作过程中，出料设备连续工作。

2 项目应用

本项目为上海市石洞口污水处理厂污泥处理二期工程，采“脱水+干化+焚烧+烟气处理”的污泥处理工艺，污泥处理规模为128 tDS/d，配套3条脱水系统生产线、2条干化系统生产线、3条焚烧及烟气处理系统生产线。焚烧产生的烟气经余热利用和净化处理后，满足上海地标DB 31/768—2013的达标排放。工艺流程如图4所示。

图4 石洞口污水处理厂污泥处理二期工程工艺流程图Fig.4 Schematic Diagram of the Phase II Sludge Disposal Project of Shidongkou WWTP

本项目是国内首个接收外来半干污泥的污泥焚烧工程，焚烧炉系统的半干污泥入炉进料系统的计量是本工程污泥焚烧的关键技术。干化后的半干污泥和外来半干污泥在半干污泥接收坑内混合后，通过半干污泥计量装置将半干污泥输送装置送入焚烧炉进行处理，每台焚烧炉配两套进料计量装置，呈对称分布。

为了能有效分析对比常规的螺旋计量法与本文提出的计量槽计量方法，在项目实施过程中进行了对比试验。本项目配置了约3 000 m3的半干污泥接收坑，污泥在接收坑内均质后进入焚烧炉处理，对比试验期内进入接收坑的污泥泥性均未变化，半干污泥泥性基本相同。除计量方式外，对比试验中半干污泥泥质、运行工况等其他因素的影响是同一水平的。通过不同方法对半年污泥的流量进行了计算和计量(表1、图5)，并基于两种计量方法对焚烧炉燃烧工况的影响进行比较。焚烧炉温度如表1和图6所示。

由表1、图5、图6可知，通过本文提出的半干污泥计量方法和装置控制方法，可以有效控制燃烧炉内的温度波动(标准差较小)，即燃烧炉内处于相对稳定燃烧状态。

表1 试验中半干污泥流量和焚烧炉炉温结果Tab.1 Results of Flow Rate and Incinerator Temperature of Semi-Dry Sludge in Experiment

图5为通过控制螺旋频率控制入炉半干污泥的焚烧炉温度图(方案1)。入炉焚烧炉频率可根据焚烧炉炉温的高低进行PID调节，确保炉温满足850 ℃以上且不能超温。半干污泥颗粒度不均、污泥堆积空隙不同，进料螺旋定频率输出的半干污泥量会有偏差，造成入炉的污泥量时大时小，又因螺旋至焚烧炉有一定的距离，调节时会有滞后性，两者共同作用造成炉温波动较大。

图5 通过螺旋频率控制污泥流量的焚烧炉温度Fig.5 Incinerator Temperature for Sludge Flow by Spiral Frequency Control

图6为通过带称重装置的计量槽控制入炉半干污泥的焚烧炉温度图(方案2)。根据计量槽料斗内物料减少速率来计算物料流量，入炉污泥流量可根据焚烧炉炉温的高低进行PID自动调节，确保炉温满足850 ℃以上且不能超温。此种控制方法可以精确控制入炉的半干污泥量。根据实际调试时炉温曲线可以看出炉温较平稳，满足运行需求。

图6 通过计量装置控制污泥流量的焚烧炉温度Fig.6 Incinerator Temperature for Sludge Flow by Metering Device Control

根据调试经验，在调试过程中发现污泥流量计量准确性的主要影响因素为计量槽称重模块的精度、污泥颗粒度、流量计量时间间隔。建议称重模块精度为1 kg，污泥颗粒度均匀并在15 mm以内，流量计算时间间隔为小于2 s，在实际应用中应根据不同项目情况进行调整。