城市污水污泥新型干化-焚烧示范工程研究

1、国内外研究和应用现状
  目前，国际上常用的污泥处置技术为土地利用、填埋和焚烧等[1,2]，由于土地资源紧张，以及其它环境污染问题，特别是在大城市，污泥土地利用和填埋比例逐渐下降，而焚烧比例上升，并逐渐成为发达国家主要的污泥处置手段之一[2]。干化焚烧在欧美等发达国家已成为成熟的工艺技术[3～5]。我国在该领域通过大量实践[6]，但主要还停留在污泥干化焚烧原理的探讨方面[7～11]，对专用设备的开发和研制及应用等均还处于发展阶段。因此，有必要在吸收国外先进技术和经验的基础之上，研究和开发出适合我国国情的技术含量高、经济性能好、高效安全的干化焚烧技术和工艺设备。
  污泥干化焚烧技术是多学科技术应用相互交叉融合的技术领域[3]，需要精确控制的复杂系统。例如，在干化焚烧装置运行中，由于始终处于高温、高粉尘和负压状态，除焚烧工艺外，会引起大量的能源消耗、系统安全性[12]和排放问题，从而使干化焚烧工艺的运行和控制变得十分复杂。
  为此，本研究提出采用以雾化干燥技术进行污泥干燥，成熟的回转式焚烧炉进行焚烧的技术路线。为控制烟气污染，采用旋风分离器+生物除臭喷淋洗涤塔为烟气净化系统，形成一整套污泥干化焚烧集成系统，并进行了60吨/d规模的示范工程研究。
  2、工艺流程与试验装置
  2.1试验装置
  示范工程试验的主要装置数量和尺寸见表1。
  

城市污水污泥新型干化-焚烧示范工程研究

  
  2.2工艺流程
  2006年7月，北京市环境保护科学研究院和浙江环兴机械有限公司在杭州市萧山区临浦工业园区建成了一座日处理能力为60m3/d(80%WS)污泥喷雾干噪-回转窑焚烧工艺的示范工程，采用萧山污水处理厂的脱水污泥。其工艺流程如图1。
  

城市污水污泥新型干化-焚烧示范工程研究

  
  图1 试验系统工艺流程和组成
  脱水污泥经预处理系统处理后，通过高压泵入喷雾干燥塔顶部(图2)，经过充分的热交换，污泥得到干化，干化后产生的含水率为20～30%的干燥塔污泥从干燥塔底直接进入回转式焚烧炉(图3)焚烧，产生的高温烟气从喷雾干燥系统顶部导入，排出的尾气分别经过旋风分离器、喷淋塔和生物填料除臭喷淋塔处理后，经烟囱排放。
  

城市污水污泥新型干化-焚烧示范工程研究

  
  2.3特点
  采用新型喷雾干燥系统，由于系统结构较为简单，投资成本仅为流化床干化系统的30～40%。利用焚烧高温烟气直接对雾化污泥进行直接干燥，避免了复杂换热器热损失，干燥器高温烟气进口温度高(400?C)，废气排放温度低(70～80?C)，因此热效率高(>75%)。采取一些热能循环利用措施后，其热利用效率可以提高到80%以上。
  雾化干燥的难点是脱水污泥能否有效雾化，工艺中采用微米级粉碎设备将含水率75-80%的脱水污泥破碎，使污泥中的部分结合水转变为间隙水，在提高污泥流动性和均质度、利于泵输送的同时，能够最大程度的有效雾化，与焚烧炉高温烟气直接接触，不仅使干燥速度最大化，而且使经气固分离后得到的干化污泥的松密度、流动性和粒径分布更为合理。
  为确保干化焚烧系统经济、安全、高效运行，需对干燥器进出口温度，干燥器内温度、压力和氧气浓度、粉尘含量和干燥程度，燃烧室内烟气温度、停留时间和湍流度等工艺参数进行优化。具体措施如下：
  1) 通过调整喷嘴雾化粒径，将污泥形成30～500μm的液滴，在吸附并积聚焚烧烟气中颗粒物质及重金属氧化物、减少粉尘产生量的同时，降低安全隐患、减少后续尾气处理难度、节约处理成本，并使干燥污泥的粒度分布在60-120目，利于焚烧。
  2) 通过控制雾化干燥器的进、出口温度，采用轻型材料，在达到良好的保温效果且符合结构力学要求的同时，因避免采用笨重的耐火砖材结构，而降低设备造价;
  3) 通过优化设备结构设计，合理设计喷雾塔塔身和回转式焚烧炉炉体，充分利用焚烧系统产生的高温烟气所含热能干燥雾化污泥，降低出口余温，充分利用余热，使系统热能综合利用效率最大化。同时提高反馈控制，调控污泥颗粒的干燥程度，确保安全(粉尘产生和自燃问题)、后续尾气处理的经济有效(减少)以及污泥热值的充分利用;
  4) 通过优化焚烧炉布风和进料设计，合理控制焚烧炉和二燃室内烟气停留时间、燃烧温度和湍流度，使烟气在温度>850℃的停留时间>2s，可有效消减二恶英及其前驱物。同时，将进入喷雾干燥塔的烟气温度控制在400?C左右，不仅可防止二恶英及其前驱物的再生，而且在与雾化污泥并流接触后，可使烟气中的粉尘和重金属氧化物吸附在雾化污泥中，也使酸性气体溶解在其中，并随水蒸气进入后续烟气净化系统，使喷雾干燥塔具有烟气预处理功能，而且可有效降低后续烟气净化设施的处理负荷和规模。
  将污泥喷雾干燥和回转式焚烧炉集成技术系统在国内外还没有研究报导，本研究创新性的提出新的工艺技术并进行了集成。通过理论和实践，该项技术的研究填补我国在污泥干燥焚烧集成技术方面、设备研制以及应用方面的空白。根据这一技术开发一个350t/d的大型的焚烧装置目前在杭州萧山沼泽建设之中。
  3、监测结果与评价
  3.1污泥组分和热值分析
  本研究采用的污泥有机物含量较低，平均在36%，这是由于萧山城市污水处理厂水质性质所决定。在这一水质情况下，对脱水污泥和干化污泥进行了全分析结果如表2：
  

城市污水污泥新型干化-焚烧示范工程研究

  
  由上表可知，在污泥含水率为64.5％和28.9％的情况下，污泥的高位热值分别为1740kcal/kg和2310kcal/kg，低位热值分别为660kcal/k和1710kcal/kg，表明在污泥含水率降低的情况下，污泥的高位和低位热值均有所上升。现有研究结果表明[13]，当污泥的净热值高于3.6MJ/kg(＝857kcal/kg)时，污泥即可维持自持燃烧。因此，当污泥被干燥到含水率为30％以下的时候，污泥不仅能够维持自持燃烧，而且，可以有大量的热量富余，可以进行诸如干燥污泥等用途。
  3.2系统消耗和能量平衡分析
  在污泥干化焚烧过程中，能耗(包括电耗和煤耗)是运行成本的一个重要方面，因此也是需要重点考虑的因素。试验期间进行的监测表明，系统燃煤消耗、动力消耗、水耗、化学试剂消耗均较低，如表3和图4。
  表3  系统消耗
  
  

序号	名称	均值	单位	备注
1	电耗	63	kWh/t(80%WS)
2	碱耗	2.5	kg/t(80%WS)
3	煤耗	44.8	kg/t(80%WS)
4	水耗	2.3	m3/t(80%WS)

  

城市污水污泥新型干化-焚烧示范工程研究

  
  本试验系统的电耗仅为63kWh/t(80%WS)，远低于《城市生活垃圾焚烧处理工程项目建设标准》(2001)规定指标要求。此外，系统所消耗的热值为5000kcal/kg的燃煤量仅为44.8kg/t(80%WS)，通过对系统进行能量平衡分析可知，系统的热能综合利用效率高达80%以上，因此具有良好的热能综合利用效率和节能效果。
  3.3系统烟气监测结果分析
  污泥焚烧高温烟气中含有很多种污染物质，如果不进行合理的处理将会对环境造成严重的二次污染，因此大气污染物排放控制至今仍是焚烧厂要解决的重要问题，尤其是其中的Hg、NOx[14,15]。此外，国内很多学者认为二恶英也应是妨碍污泥焚烧的主要障碍之一。本试验装置烟气处理系统由喷雾干燥塔、旋风除尘器和生物填料除臭喷淋洗涤塔组成，试验过程中，根据《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485～2001)中规定的检测项目，对排放尾气进行了检测，检测结果如表4：
  

  
  试验结果表明，在连续运转过程中排放的各种大气污染物质经旋风除尘、喷淋塔、生物填料除臭喷淋洗涤塔处理后均远低于《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485)中大气污染物排放限值的要求。
  烟气中CO的含量是确定焚烧是否完全的指标之一。欧盟2000/76/EC规定，除焚烧系统的启动和停机以外，燃烧气体中CO的日均浓度不超过50mg/m3、半小时平均值不超过100mg/m3时，可以认为废弃物已经完全燃烧。美国EPA认为[10,11]，当焚烧炉尾气中CO≤100mg/m3时，可以说明焚烧炉的燃烧比较安全。因此，根据烟气检测报告，试验系统排出的烟气中CO小时均值为74.1mg/Nm3，低于100mg/m3，表明污泥在焚烧炉中已经获得完全燃烧。
  4结论
  1、经济高效：整个试验系统的总投资为650万元，占地面积为580m2，单位投资成本为10.8万元/t(80%WS)，单位运行成本为94.64元/t(80%WS)。而国内污泥干化焚烧的单位投资成本为25万元/t(80%WS)、单位运行成本为107元/t(80%WS)[18]，因此，相比较而言，该系统还具有单位投资省，运行成本低的优点，同时大规模的应用单位投资和运行成本还会有极大的降低潜力。
  2、系统采用高效、安全雾化干燥系统：采用顺风干燥的方式，合理控制干燥系统内的干燥温度、系统压力、雾化污泥液滴的粒径、停留时间、粉尘浓度和氧浓度，确保系统的高效运行。通过特制的污泥喷雾装置将污泥形成30～500μm的高含水率液滴，提高与高温烟气接触的比表面积，与高温烟气更充分的混合，从而使水分迅速蒸发，热效率高。形成干燥颗粒状污泥粒径分布适度，有利于污泥颗粒含水率、粉尘产生量和有害物质的控制。
  3、新型雾化干燥系统与回转式焚烧炉系统集成：在国内首次采用新型雾化干燥系统与回转式焚烧炉系统相集成，提高了喷雾直接干燥的热效率。此外，通过优化干燥器的结构，使进口高温烟气控制在400℃以下，排出废气的温度降低到70℃以下，其热利用效率可达到80%以上。并充分利用焚烧系统产生的高温烟气所含热能干燥雾化污泥，在省去价格高昂的高温烟气处理系统的同时，可使系统热能回收利用率最大化，系统热能综合利用效率较高(>90%)。
  4、安全可靠，污染风险低：实现污泥干燥焚烧尾气高效处理和二恶英的有效控制：污泥焚烧采用煤作为辅助燃料和污泥本身的热能燃烧产生热风，供应干燥塔，在污泥焚烧实现回转炉焚烧尾气的零排放，同时在焚烧炉设置二燃室、干燥塔吸附和旋风除尘、活性碳吸附，彻底避免尾气的烟尘污染、臭气和可能的二恶英问题。
  参考文献：
  1. 何品晶，顾国维，城市污泥处理与利用，北京，科学出版社，2003
  2. 李金红，何群彪，欧洲污泥处理处置概况，中国给水排水，2005年1月第21卷第1期，
  3. 黄凌军，杜红等，欧洲污泥干化焚烧处理技术的应用与发展趋势，给水排水，2003年第29卷第11期，19～22;
  4. 杨小文，杜英豪，国外污泥干化技术进展，给水排水，2002年第28卷第2期，35～36;
  5. Klaus Stanke Dr. Jürgen Geyer，污泥干化及处置ESCHER WYSS (爱雪维斯)流化床技术在欧洲国家的应用实例，污泥处理处置技术与装备国际研讨会，2003-3-22
  6. 覃广海 韩洪波，污水厂污泥快速干化焚烧及制肥新工艺，污泥处理处置技术与装备国际研讨会，2003-3-22
  7. 胡龙，何品晶等，城市污水厂污泥热干燥处理技术及其应用分析，重庆环境科学，1999年2月，第21卷第1期，51～53;
  8. 包薇红，宋贤英，宁波市城市污水处理厂污泥处置方案探讨，环境污染与防治，2005年6月，第27卷，第3期，225～229;
  9. 徐强等，污泥处理处置技术及装置，北京，化学工业出版社，2003.7
  10. 李军，李媛，H.G.Hohnecke，流化床焚烧炉污泥焚烧工艺特性研究，环境工程，2004年6月第22卷第3期
  11. 李媛，流化床焚烧工艺在城市污水厂污泥处理中的研究进展，环境保护，2003，12，23～24
  12. 陈君宏，污泥干化的安全意识及危险防范，污泥处理处置技术与装备国际研讨会，2003-3-22
  13. Integrated Pollution Prevention and Control Reference Document on the Best Available Techniques for Waste Incineration，August 2006。
  14. 范俊君，孟伟等编著，固体废物环境管理技术应用实践，北京，中国环境科学出版社,2005年7月第一版
  15. 张辰，污泥处理处置技术研究进展，北京，化学工业出版社，2005.8 来源：北京市环境保护科学研究院

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