半干污泥流量計量方法與裝置的研究及應用

張帥領，邵 欽，林莉峰

(1.上海市政設計研究總院<集團>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的副產物，其有機物含量高(40%～70%)，需要進行妥善的處理處置以避免對環境造成二次污染。目前，對污泥的處置主要有好氧發酵、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90年代以來，污泥焚燒已成為一種流行的方法，在發達國家被普遍使用[1-2]。

國內污泥的熱值普遍較低，如采用焚燒的處理工藝，需對脫水污泥進行預干化。因干污泥顆粒度不均、黏性高、輸送時易堵塞等固有特性，目前沒有直接測量干污泥輸送流量的儀表，當前普遍采用的污泥流量間接計量方法為螺旋計量法，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，根據進料螺旋定頻率輸出的半干污泥量會有偏差，入爐的污泥量時大時小，燃燒爐的燃燒工況不能保持穩定。因此，常規的螺旋計量法進行污泥流量計量具有固有的缺陷。

精確穩定控制進焚燒爐的污泥量，是焚燒爐燃燒工況穩定的關鍵，半干污泥計量裝置作為輸送系統的配套裝置，對保證污泥處理系統的穩定運行意義重大。為了克服常規方法的缺點和不足，本文結合大型污泥焚燒項目，研究了半干污泥流量間接計量的新方法，并進行了實際的工程應用，取得了良好的效果。

1 半干污泥流量計量方法與裝置

半干污泥流量間接計量新方法——計量槽計量法：在半干污泥輸送系統中加入計量槽裝置，污泥計量槽是指在斗式秤的基礎上增加加料設備與出料輸送設備，利用料斗內物料減少速率來計算物料流量與累計重量，從而實現連續或間斷計量與控制的稱量裝置，如圖1所示。

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

該方法計量半干污泥的原理如下。

1)加料過程：因倉內物料同時進出，不能通過單位時間內倉內物料重量的變化量來計算出料流量，控制器自動進入“容積計量配料方式”，即保持出料恒速，以加料開始前的流量值作為整個加料過程的流量值(近似值)。

2)加料停止后：采用“減量計量配料方式”計算進料流量，具體為利用單位時間內倉內物料重量的變化量來計算出料實時流量，計算如式(1)。

Qi=ΔGi/Δt

(1)

其中：Qi——i-1到i時刻的半干污泥流量，t/h；

ΔGi——i-1到i時刻的物料倉半干污泥質量變化，kg；

Δt——i-1到i時刻的時間間隔，s，一般取微小固定時長，如1 s。

對時長做累計，計算平均流量作為半干污泥在該時間段內的流量值，如式(2)。

(2)

其中：Q——累計時間段內的半干污泥流量，t/h；

n——累計數量，通常取30。

為了能實現對計量槽裝置精細化控制，本文對其控制系統進行了優化，如圖2所示。干污泥計量系統其PID控制連續工作控制時序如圖3所示，控制原理如下。

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

圖3 計量槽連續工作控制時序圖Fig.3 Working Control Timing of Metering Tank

1)第一次啟動系統時，先判斷料倉內物料重量是否達到上限。如達到上限，無需啟動料倉加料設備，直接啟動出料設備并根據爐溫高低進行PID調節。如未達到上限，啟動料倉加料設備，經“加料穩定時間”后(避免加料開始時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到上限。達到上限時，料倉加料設備停機，經“加料穩定時間”后，啟動出料設備并進行PID調節。

2)在出料PID調節過程中，控制器判斷料倉物料重量是否達到下限。達到下限時，啟動料倉加料設備，出料保持恒速，經“加料穩定時間”后，判斷料倉物料重量是否達到上限，達到上限時停止加料，再次進入出料PID調節過程。

3)系統工作過程中，出料設備連續工作。

2 項目應用

本項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，污泥處理規模為128 tDS/d，配套3條脫水系統生產線、2條干化系統生產線、3條焚燒及煙氣處理系統生產線。焚燒產生的煙氣經余熱利用和凈化處理后，滿足上海地標DB 31/768—2013的達標排放。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

本項目是國內首個接收外來半干污泥的污泥焚燒工程，焚燒爐系統的半干污泥入爐進料系統的計量是本工程污泥焚燒的關鍵技術。干化后的半干污泥和外來半干污泥在半干污泥接收坑內混合后，通過半干污泥計量裝置將半干污泥輸送裝置送入焚燒爐進行處理，每臺焚燒爐配兩套進料計量裝置，呈對稱分布。

為了能有效分析對比常規的螺旋計量法與本文提出的計量槽計量方法，在項目實施過程中進行了對比試驗。本項目配置了約3 000 m3的半干污泥接收坑，污泥在接收坑內均質后進入焚燒爐處理，對比試驗期內進入接收坑的污泥泥性均未變化，半干污泥泥性基本相同。除計量方式外，對比試驗中半干污泥泥質、運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行了計算和計量(表1、圖5)，并基于兩種計量方法對焚燒爐燃燒工況的影響進行比較。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量方法和裝置控制方法，可以有效控制燃燒爐內的溫度波動(標準差較小)，即燃燒爐內處于相對穩定燃燒狀態。

表1 試驗中半干污泥流量和焚燒爐爐溫結果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焚燒爐爐溫的高低進行PID調節，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，進料螺旋定頻率輸出的半干污泥量會有偏差，造成入爐的污泥量時大時小，又因螺旋至焚燒爐有一定的距離，調節時會有滯后性，兩者共同作用造成爐溫波動較大。

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量槽控制入爐半干污泥的焚燒爐溫度圖(方案2)。根據計量槽料斗內物料減少速率來計算物料流量，入爐污泥流量可根據焚燒爐爐溫的高低進行PID自動調節，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。根據實際調試時爐溫曲線可以看出爐溫較平穩，滿足運行需求。

圖6 通過計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

根據調試經驗，在調試過程中發現污泥流量計量準確性的主要影響因素為計量槽稱重模塊的精度、污泥顆粒度、流量計量時間間隔。建議稱重模塊精度為1 kg，污泥顆粒度均勻并在15 mm以內，流量計算時間間隔為小于2 s，在實際應用中應根據不同項目情況進行調整。

3 結論

(1)與常規的控制污泥輸送螺旋頻率的方式測量污泥流量方法相比，半干污泥流量計量方法可以實現半干污泥量的精確自動控制，保持焚燒爐燃燒溫度和工況相對穩定，在污泥流量計量方面準確、可靠。

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

(3)半干污泥計量裝置的自動控制，尤其是PID控制參數的設定和調節，需要一定的經驗。因此，實際應用中，在結合本文提出的半干污泥流量計量方法和裝置的基礎上，應結合具體的項目情況制定相關的控制方法和措施。