城市污水污泥新型干化焚燒示范工程研究

1、城市污水污泥新型干化焚燒示范工程研究王凱軍1 俞金海1 俞其林2（1北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院， 2浙江環(huán)興機(jī)械有效公司）摘要：本文首次探討了將新型噴霧干燥與回轉(zhuǎn)式焚燒爐相集成的污泥干化焚燒技術(shù)路線，并對開發(fā)出的新型集成裝備進(jìn)行了示范工程研究。研究結(jié)果表明，新型干化焚燒技術(shù)及其裝備具有熱能綜合利用效率高（>80）、安全性好、投資和運(yùn)行成本?。▎挝煌顿Y成本為10.8萬元/t(80ws)，單位運(yùn)行成本為94.64元/t(80ws)）等特點(diǎn)，而且，經(jīng)合適的煙氣凈化技術(shù)處理，大氣污染物排放遠(yuǎn)低于生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)(gb18485-2001)設(shè)定的排放限值要求。關(guān)鍵詞：干化焚燒，霧化干燥，回轉(zhuǎn)

2、式焚燒爐，煙氣凈化，二惡英和呋喃1、國內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀目前，國際上常用的污泥處置技術(shù)為土地利用、填埋和焚燒等1,2，由于土地資源緊張，以及其它環(huán)境污染問題，特別是在大城市，污泥土地利用和填埋比例逐漸下降，而焚燒比例上升，并逐漸成為發(fā)達(dá)國家主要的污泥處置手段之一2。干化焚燒在歐美等發(fā)達(dá)國家已成為成熟的工藝技術(shù)35。我國在該領(lǐng)域通過大量實(shí)踐6，但主要還停留在污泥干化焚燒原理的探討方面711，對專用設(shè)備的開發(fā)和研制及應(yīng)用等均還處于發(fā)展階段。因此，有必要在吸收國外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，研究和開發(fā)出適合我國國情的技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)性能好、高效安全的干化焚燒技術(shù)和工藝設(shè)備。污泥干化焚燒技術(shù)是多學(xué)科技術(shù)

3、應(yīng)用相互交叉融合的技術(shù)領(lǐng)域3，需要精確控制的復(fù)雜系統(tǒng)。例如，在干化焚燒裝置運(yùn)行中，由于始終處于高溫、高粉塵和負(fù)壓狀態(tài)，除焚燒工藝外，會引起大量的能源消耗、系統(tǒng)安全性12和排放問題，從而使干化焚燒工藝的運(yùn)行和控制變得十分復(fù)雜。為此，本研究提出采用以霧化干燥技術(shù)進(jìn)行污泥干燥，成熟的回轉(zhuǎn)式焚燒爐進(jìn)行焚燒的技術(shù)路線。為控制煙氣污染，采用旋風(fēng)分離器生物除臭噴淋洗滌塔為煙氣凈化系統(tǒng)，形成一整套污泥干化焚燒集成系統(tǒng)，并進(jìn)行了60噸/d規(guī)模的示范工程研究。2、工藝流程與試驗(yàn)裝置2.1試驗(yàn)裝置示范工程試驗(yàn)的主要裝置數(shù)量和尺寸見表1。表1 主要設(shè)備清單序號主要設(shè)備名稱數(shù)量尺寸1新型噴霧干燥器1×h3.5

4、m×37m2回轉(zhuǎn)式焚燒爐1×h1.7×9.0m(筒身)，內(nèi)徑1.0m，傾角2度3熱風(fēng)爐14二燃室16×1.85×2.0m5旋風(fēng)除塵器11320×5727mm6生物除臭噴淋洗滌塔25.0×5.0m2.2工藝流程2006年7月，北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院和浙江環(huán)興機(jī)械有限公司在杭州市蕭山區(qū)臨浦工業(yè)園區(qū)建成了一座日處理能力為60m3/d(80ws)污泥噴霧干噪回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝的示范工程，采用蕭山污水處理廠的脫水污泥。其工藝流程如圖1。圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)工藝流程和組成脫水污泥經(jīng)預(yù)處理系統(tǒng)處理后，通過高壓泵入噴霧干燥塔頂部(圖2)，經(jīng)過充分的

5、熱交換，污泥得到干化，干化后產(chǎn)生的含水率為2030的干燥塔污泥從干燥塔底直接進(jìn)入回轉(zhuǎn)式焚燒爐(圖3)焚燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈴膰婌F干燥系統(tǒng)頂部導(dǎo)入，排出的尾氣分別經(jīng)過旋風(fēng)分離器、噴淋塔和生物填料除臭噴淋塔處理后，經(jīng)煙囪排放。 圖2示范工程采用的新型噴霧干燥系統(tǒng) 圖3 示范工程采用的回轉(zhuǎn)式焚燒爐 2.3特點(diǎn)采用新型噴霧干燥系統(tǒng)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，投資成本僅為流化床干化系統(tǒng)的3040。利用焚燒高溫?zé)煔庵苯訉F化污泥進(jìn)行直接干燥，避免了復(fù)雜換熱器熱損失，干燥器高溫?zé)煔膺M(jìn)口溫度高（400c），廢氣排放溫度低（7080c），因此熱效率高（>75）。采取一些熱能循環(huán)利用措施后，其熱利用效率可以提高到

6、80以上。霧化干燥的難點(diǎn)是脫水污泥能否有效霧化，工藝中采用微米級粉碎設(shè)備將含水率75-80%的脫水污泥破碎，使污泥中的部分結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙水，在提高污泥流動性和均質(zhì)度、利于泵輸送的同時，能夠最大程度的有效霧化，與焚燒爐高溫?zé)煔庵苯咏佑|，不僅使干燥速度最大化，而且使經(jīng)氣固分離后得到的干化污泥的松密度、流動性和粒徑分布更為合理。為確保干化焚燒系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、安全、高效運(yùn)行，需對干燥器進(jìn)出口溫度，干燥器內(nèi)溫度、壓力和氧氣濃度、粉塵含量和干燥程度，燃燒室內(nèi)煙氣溫度、停留時間和湍流度等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。具體措施如下：1) 通過調(diào)整噴嘴霧化粒徑，將污泥形成30500m的液滴，在吸附并積聚焚燒煙氣中顆粒物質(zhì)及重金

7、屬氧化物、減少粉塵產(chǎn)生量的同時，降低安全隱患、減少后續(xù)尾氣處理難度、節(jié)約處理成本，并使干燥污泥的粒度分布在60-120目，利于焚燒。2) 通過控制霧化干燥器的進(jìn)、出口溫度，采用輕型材料，在達(dá)到良好的保溫效果且符合結(jié)構(gòu)力學(xué)要求的同時，因避免采用笨重的耐火磚材結(jié)構(gòu)，而降低設(shè)備造價(jià)；3) 通過優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理設(shè)計(jì)噴霧塔塔身和回轉(zhuǎn)式焚燒爐爐體，充分利用焚燒系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫?zé)煔馑瑹崮芨稍镬F化污泥，降低出口余溫，充分利用余熱，使系統(tǒng)熱能綜合利用效率最大化。同時提高反饋控制，調(diào)控污泥顆粒的干燥程度，確保安全(粉塵產(chǎn)生和自燃問題)、后續(xù)尾氣處理的經(jīng)濟(jì)有效(減少)以及污泥熱值的充分利用；4) 通過優(yōu)化焚燒

8、爐布風(fēng)和進(jìn)料設(shè)計(jì)，合理控制焚燒爐和二燃室內(nèi)煙氣停留時間、燃燒溫度和湍流度，使煙氣在溫度>850的停留時間>2s，可有效消減二惡英及其前驅(qū)物。同時，將進(jìn)入噴霧干燥塔的煙氣溫度控制在400c左右，不僅可防止二惡英及其前驅(qū)物的再生，而且在與霧化污泥并流接觸后，可使煙氣中的粉塵和重金屬氧化物吸附在霧化污泥中，也使酸性氣體溶解在其中，并隨水蒸氣進(jìn)入后續(xù)煙氣凈化系統(tǒng)，使噴霧干燥塔具有煙氣預(yù)處理功能，而且可有效降低后續(xù)煙氣凈化設(shè)施的處理負(fù)荷和規(guī)模。將污泥噴霧干燥和回轉(zhuǎn)式焚燒爐集成技術(shù)系統(tǒng)在國內(nèi)外還沒有研究報(bào)導(dǎo)，本研究創(chuàng)新性的提出新的工藝技術(shù)并進(jìn)行了集成。通過理論和實(shí)踐，該項(xiàng)技術(shù)的研究填補(bǔ)我國在污

9、泥干燥焚燒集成技術(shù)方面、設(shè)備研制以及應(yīng)用方面的空白。根據(jù)這一技術(shù)開發(fā)一個350t/d的大型的焚燒裝置目前在杭州蕭山沼澤建設(shè)之中。3、監(jiān)測結(jié)果與評價(jià)3.1污泥組分和熱值分析本研究采用的污泥有機(jī)物含量較低，平均在36，這是由于蕭山城市污水處理廠水質(zhì)性質(zhì)所決定。在這一水質(zhì)情況下，對脫水污泥和干化污泥進(jìn)行了全分析結(jié)果如表2：表2 污泥分析名稱分析結(jié)果()mad(水分)aad(灰分)vad(揮發(fā)分)crc(18)fcad(固定碳)qadnet分析基kcalqarnet應(yīng)用基kcalmt全水分sad全硫干污泥4.1852.2237.4016.22310171028.93/脫水污泥6.3354.7835.2

10、713.62174066064.50/由上表可知，在污泥含水率為64.5和28.9的情況下，污泥的高位熱值分別為1740kcal/kg和2310kcal/kg，低位熱值分別為660kcal/k和1710kcal/kg，表明在污泥含水率降低的情況下，污泥的高位和低位熱值均有所上升?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明13，當(dāng)污泥的凈熱值高于3.6mj/kg(857kcal/kg)時，污泥即可維持自持燃燒。因此，當(dāng)污泥被干燥到含水率為30以下的時候，污泥不僅能夠維持自持燃燒，而且，可以有大量的熱量富余，可以進(jìn)行諸如干燥污泥等用途。3.2系統(tǒng)消耗和能量平衡分析在污泥干化焚燒過程中，能耗(包括電耗和煤耗)是運(yùn)行成本的一個

11、重要方面，因此也是需要重點(diǎn)考慮的因素。試驗(yàn)期間進(jìn)行的監(jiān)測表明，系統(tǒng)燃煤消耗、動力消耗、水耗、化學(xué)試劑消耗均較低，如表3和圖4。表3 系統(tǒng)消耗序號名稱均值單位備注1電耗63kwh/t(80%ws)2堿耗2.5kg/t(80%ws)3煤耗44.8kg/t(80%ws)4水耗2.3m3/t(80%ws)圖4 系統(tǒng)能量平衡圖本試驗(yàn)系統(tǒng)的電耗僅為63kwh/t(80ws)，遠(yuǎn)低于城市生活垃圾焚燒處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)(2001)規(guī)定指標(biāo)要求。此外，系統(tǒng)所消耗的熱值為5000kcal/kg的燃煤量僅為44.8kg/t(80ws)，通過對系統(tǒng)進(jìn)行能量平衡分析可知，系統(tǒng)的熱能綜合利用效率高達(dá)80以上，因此具有良

12、好的熱能綜合利用效率和節(jié)能效果。3.3系統(tǒng)煙氣監(jiān)測結(jié)果分析污泥焚燒高溫?zé)煔庵泻泻芏喾N污染物質(zhì)，如果不進(jìn)行合理的處理將會對環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染，因此大氣污染物排放控制至今仍是焚燒廠要解決的重要問題，尤其是其中的hg、nox14,15。此外，國內(nèi)很多學(xué)者認(rèn)為二惡英也應(yīng)是妨礙污泥焚燒的主要障礙之一。本試驗(yàn)裝置煙氣處理系統(tǒng)由噴霧干燥塔、旋風(fēng)除塵器和生物填料除臭噴淋洗滌塔組成，試驗(yàn)過程中，根據(jù)生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)（gb184852001）中規(guī)定的檢測項(xiàng)目，對排放尾氣進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果如表4：表4 煙氣監(jiān)測結(jié)果項(xiàng)目單位測定值標(biāo)準(zhǔn)值(gb18485-2001)煙塵濃度(mg/n.m3)75.980

13、so2(mg/n.m3)6.5260hcl(mg/n.m3)8.575cd(mg/n.m3)0.0320.1pb(mg/n.m3)1.4×10-41.6hg(mg/n.m3)0.0210.2co(mg/n.m3)74.1150nox(mg/n.m3)265400煙氣黑度林格曼黑度，級11二噁英類(i-teq)(ng/n.m3)0.0210.0060.0121.0*本表規(guī)定的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)值，均以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下含11o2的干煙氣為參考值換算。試驗(yàn)結(jié)果表明，在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中排放的各種大氣污染物質(zhì)經(jīng)旋風(fēng)除塵、噴淋塔、生物填料除臭噴淋洗滌塔處理后均遠(yuǎn)低于生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)(gb18485)中大氣

14、污染物排放限值的要求。煙氣中co的含量是確定焚燒是否完全的指標(biāo)之一。歐盟2000/76/ec規(guī)定，除焚燒系統(tǒng)的啟動和停機(jī)以外，燃燒氣體中co的日均濃度不超過50mg/m3、半小時平均值不超過100mg/m3時，可以認(rèn)為廢棄物已經(jīng)完全燃燒。美國epa認(rèn)為10,11，當(dāng)焚燒爐尾氣中co100mg/m3時，可以說明焚燒爐的燃燒比較安全。因此，根據(jù)煙氣檢測報(bào)告，試驗(yàn)系統(tǒng)排出的煙氣中co小時均值為74.1mg/nm3，低于100mg/m3，表明污泥在焚燒爐中已經(jīng)獲得完全燃燒。4結(jié)論1、經(jīng)濟(jì)高效：整個試驗(yàn)系統(tǒng)的總投資為650萬元，占地面積為580m2，單位投資成本為10.8萬元/t(80ws)，單位運(yùn)行成

15、本為94.64元/t(80ws)。而國內(nèi)污泥干化焚燒的單位投資成本為25萬元/t(80ws)、單位運(yùn)行成本為107元/t(80ws)18，因此，相比較而言，該系統(tǒng)還具有單位投資省，運(yùn)行成本低的優(yōu)點(diǎn)，同時大規(guī)模的應(yīng)用單位投資和運(yùn)行成本還會有極大的降低潛力。2、系統(tǒng)采用高效、安全霧化干燥系統(tǒng)：采用順風(fēng)干燥的方式，合理控制干燥系統(tǒng)內(nèi)的干燥溫度、系統(tǒng)壓力、霧化污泥液滴的粒徑、停留時間、粉塵濃度和氧濃度，確保系統(tǒng)的高效運(yùn)行。通過特制的污泥噴霧裝置將污泥形成30500m的高含水率液滴，提高與高溫?zé)煔饨佑|的比表面積，與高溫?zé)煔飧浞值幕旌?，從而使水分迅速蒸發(fā)，熱效率高。形成干燥顆粒狀污泥粒徑分布適度，有利于

16、污泥顆粒含水率、粉塵產(chǎn)生量和有害物質(zhì)的控制。3、新型霧化干燥系統(tǒng)與回轉(zhuǎn)式焚燒爐系統(tǒng)集成：在國內(nèi)首次采用新型霧化干燥系統(tǒng)與回轉(zhuǎn)式焚燒爐系統(tǒng)相集成，提高了噴霧直接干燥的熱效率。此外，通過優(yōu)化干燥器的結(jié)構(gòu)，使進(jìn)口高溫?zé)煔饪刂圃?00以下，排出廢氣的溫度降低到70以下，其熱利用效率可達(dá)到80以上。并充分利用焚燒系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫?zé)煔馑瑹崮芨稍镬F化污泥，在省去價(jià)格高昂的高溫?zé)煔馓幚硐到y(tǒng)的同時，可使系統(tǒng)熱能回收利用率最大化，系統(tǒng)熱能綜合利用效率較高(>90)。4、安全可靠，污染風(fēng)險(xiǎn)低：實(shí)現(xiàn)污泥干燥焚燒尾氣高效處理和二惡英的有效控制：污泥焚燒采用煤作為輔助燃料和污泥本身的熱能燃燒產(chǎn)生熱風(fēng)，供應(yīng)干燥塔，在

17、污泥焚燒實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)爐焚燒尾氣的零排放，同時在焚燒爐設(shè)置二燃室、干燥塔吸附和旋風(fēng)除塵、活性碳吸附，徹底避免尾氣的煙塵污染、臭氣和可能的二惡英問題。參考文獻(xiàn)：1. 何品晶，顧國維，城市污泥處理與利用，北京，科學(xué)出版社，20032. 李金紅，何群彪，歐洲污泥處理處置概況，中國給水排水，2005年1月第21卷第1期，3. 黃凌軍，杜紅等，歐洲污泥干化焚燒處理技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢，給水排水，2003年第29卷第11期，1922；4. 楊小文，杜英豪，國外污泥干化技術(shù)進(jìn)展，給水排水，2002年第28卷第2期，3536；5. klaus stanke dr. jürgen geyer，污泥干化及處置

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