城市污泥磁化低溫熱解技術

黃家瑤，林秀梅

（福建莊訊環保科技有限公司，福州 350005）

1 前言

隨著人口數量的日益增加和全球社會的日益城鎮化，城市污水的產生量越來越大，作為城市污水處理副產品的污泥的數量也在急劇增加。污水處理廠每天會排放大量污泥。污泥中含有大量的有機物和豐富的氮、磷等營養物質，任意排入水體，將會大量消耗水體中的氧，導致水體水質惡化，嚴重影響水生生物的生存；污泥中的營養物質又會使水體富氧化，藻類大量繁殖，從而使水質惡化；除此以外，污泥中還有多種有毒物質、重金屬和致病菌、寄生蟲卵等有害物質，如果處理處置不當，就會傳染疾病，污染土壤和作物，并通過生物鏈轉嫁給人類。因此，污水處理廠每天產生的含水率在80%左右的污泥，如果不經妥善處理處置而任意排放和堆置，必將對水源、土壤和周圍環境造成嚴重的二次污染，使已建成的污水處理廠不能充分發揮其消除環境污染的作用。2013年9月18日國務院常務會議提出“促進污泥資源化利用”的要求，解決污水污泥的出路迫在眉睫。

國內企業自主研發的“城市污泥磁化熱解處理處置技術”，探索出了一條實現污泥處理處置減量化、穩定化、無害化和資源化的有效途徑。該污泥磁化低溫熱解機于2011年應用于福州市閩候荊溪污水處理廠建設的污泥處理處置項目，2013年8月正式投入運營。本文著重介紹了城市污泥磁化低溫熱解技術的工作原理、技術特點和系統工藝流程、檢測等情況。

2 污泥磁化低溫熱解機工作原理及技術特點

2.1 污泥磁化低溫熱解機工作原理

污泥熱解是利用污泥中有機物的熱不穩定性，在缺氧的條件下，利用熱能使污泥中有機化合物的化合鍵斷裂，由大分子的有機物轉化為小分子的可燃氣體和固體殘渣的過程。根據熱解過程操作溫度的高低可分為低溫、中溫和高溫熱解，在500℃以內的為低溫熱解，500℃～800℃為中溫熱解，800℃以上的為高溫熱解，該污泥磁化熱解是低溫熱解。

污泥磁化低溫熱解機利用了磁能、陶瓷輻射能及生物質能等使污泥中的有機物分解的原理，使污泥中所有的有機物分解成為氣體、水分及無機灰渣等物質，使污泥大幅度減量并呈穩定性狀。

該技術除了使污泥在缺氧空間進行有機物的熱分解反應外，更特別的是，通過的微量空氣經磁化器所營造的磁場，空氣中氧氣的活化能大大提高，促使熱解機內的污泥有機物質在缺氧狀態下加速被分解為氣、水、無機灰渣，所產生的分解熱同時使其它分子發生分解反應，污泥逐漸被分解減量至含水率極低的無機灰渣（為含水率80%脫水污泥體積的5%～10%）。

該低溫熱解機以有機物分子缺氧磁力分解原理（300℃～400℃）替代了傳統型的強熱氧化燃燒（700℃～1000℃），可節省能耗，熱解過程由于是在還原氣氛下進行，能有效抑制二英的合成，大大減少了二噁英等有害氣體的產生。

2.2 污泥磁化低溫熱解機構造

污泥磁化低溫熱解機是污泥處理處置系統的核心設備（磁化低溫熱解機見圖1，構造見圖2，筒內溫度分布見圖3）。

圖1 污泥磁化低溫熱解機實物外形圖

圖2 回轉式磁化低溫熱解機構造示意圖

圖3 污泥磁化低溫熱解機筒內溫度分布圖

污泥磁化低溫熱解機采用回轉窯式，轉速和傾斜度可調，設定適當轉速和傾斜度，可有效控制干化和熱解的時間，以適應不同污泥的處理。熱風與污泥進料方向逆向配置，調控進料使熱風與污泥有效接觸。熱解機滾筒內壁除了抄板外，鋪滿陶瓷球。熱解機滾筒內區分為干燥段、分解段和成灰段，污泥自進料口進入圓筒內后，因滾筒旋轉和抄板作用，翻滾向前，先經干燥段（溫度50℃～300℃），停留40～50分鐘，熱解段（溫度300℃～400℃），停留25～35分鐘，污泥熱解炭化、氣化，最后經成灰段，溫度從300℃降至80℃，停留約25分鐘，被冷卻形成顆粒狀無機粉砂，熱解后煙氣進入系統后端設備處理。熱解機熱解段經磁化器通入磁化空氣，由生物質燃燒機補充污泥熱解所需熱量，采用缺氧熱解方式，因空氣供給量較低，后續排放煙氣量也較污泥高溫焚燒少，可減少尾氣凈化系統的投資。反應溫度在300℃～450℃，不僅可節省燃料，同時降低了二英等污染物的產生和排放。

2.3 技術創新點及技術特點

2.3.1 技術創新點

（1）在回轉式污泥磁化熱解機上同時采用強磁場（磁場大小約4000高斯，B≈0.4T）、陶瓷球和生物質燃料棒新技術，實現污泥磁化低溫熱解。

（2）可使含水率為80%的污泥磁化熱解，減量到90%以上，形成含水率5%以下無機粉砂（灰渣），該技術實測含水率僅為0.42%，熱灼減率為1.36% 。

污泥磁化熱解機整合了量化空氣磁化、回轉筒內配置陶瓷球、生物質燃燒等技術，配套余熱利用和尾氣凈化等系統，實現了污泥磁化熱解的工業應用，可使污泥在較低的溫度下被快速熱解，降低了尾氣處理難度，殘渣可資源化利用。

2.3.2 技術特點

（1）磁化熱解：物質由原子組成，原子是由帶正電荷的原子核和包圍在原子核周圍的電子云所組成。磁力通過磁場傳遞，而“磁場”也是一種特殊物質，具有能量，可以使物體改變運動狀態。運動電荷在磁場中受洛倫茲力而發生偏轉。該項目將微量空氣經多層次、多通道強磁場導入回轉式磁化熱解機內，磁化了的空氣中的氧氣的活化能大大提高，采用磁場能與熱能共同體產生熱流磁效應，提高了污泥熱解效率，加速了污泥中有機物裂解成氣體、水分和無機物粉砂。

在磁力作用下，降低了熱解溫度和用氣量，可進行低溫缺氧熱解（300℃～500℃），比傳統型高溫氧化燃燒（700℃～1000℃）節省能耗。該項目是低溫熱解，基本上消除或顯著減少了二英的生成。

（2）陶瓷輻射：陶瓷中的原子是以其共價結合及離子結合方式構成的。該技術在筒體內壁上裝置有1000多粒可單獨回轉的特種陶瓷球，陶瓷球能儲蓄熱量，并輻射熱量。通過陶瓷輻射能摩擦生電產生電場和磁場，在熱能與陶瓷能的共同作用下，整個熱解過程促使有機物連續裂解反應，使污泥徹底熱解成可再生利用的無機粉砂。

（3）生物質燃料：常規熱解機輔助燃料用柴油或重油。該技術采用木屑、竹屑及棕櫚纖維等制成生物質燃料，并引進了馬來西亞棕櫚樹果煉油后的渣纖維自制成生物質燃料棒（熱值在4200kcal/kg左右）作輔助燃料，不僅減輕了污染排放，還節省輔助燃料費40%以上。

3 污泥磁化熱解處理處置系統工藝流程

污泥處理處置系統主要由污泥磁化低溫熱解二燃室焚燒系統、余熱利用污泥烘干系統、煙氣凈化系統及輔助系統組成。工藝流程見圖4。

圖4 污泥磁化熱解處理處置系統工藝流程

從污水處理廠收集的污泥輸送至污泥處置廠內，經地磅稱量后卸入污泥儲存間暫存。儲存間內的污泥通過螺旋送料機送入污泥烘干機進行烘干，使濕污泥部份水分蒸發汽化，烘干熱源是利用系統煙氣余熱回收產生的高溫空氣，由于濕污泥進行了預烘干，降低了污泥的含水率，有效減少了污泥熱解所需燃料。

污泥磁化低溫熱解二燃室焚燒系統，由污泥熱解磁化低溫熱解機和二燃室構成。污泥磁化低溫熱解機采用熱解原理，通過少量經磁化的空氣，由于磁化空氣可降低熱解反應能量，提高熱解效率，因此熱解氣化能在400℃左右的低溫下實現，從而降低了能源消耗。污泥磁化低溫熱解機產生的含有可燃氣體的煙氣進入二燃室繼續充分燃燒。二燃室由內襯耐火層和絕熱層的鋼構筒體構成，二燃室的一端裝有生物質燃燒機。二燃室內溫度一般保持在850℃以上，停留2s以上，使煙氣中有毒有害氣體（包括二英）得到徹底分解。二燃室在設計上要使煙氣在二燃室內激烈湍流，以提高燃燒效率，使之符合燃燒的“三T”（停留時間、溫度、湍流）原則。污泥熱解反應完全后，形成的副產品無機粉砂（灰渣）通過卸料閥排放至爐渣輸送系統。

污泥低溫熱解前將污泥進行烘干處理，可降低污泥的含水量，提高污泥的熱值，使污泥易于熱解并節省輔助燃料。減少污泥熱解產生的水蒸汽，也使熱解氣的濃度不會被過分稀釋，熱解氣易于在二燃室的燃燒。污泥熱解若產生大量的水蒸汽，勢必會增加煙氣量，給煙氣的后續處理增加難度，同時含有水蒸汽的煙氣在從煙囪排出時，還會產生霧霾現象。因此污泥熱解前的烘干處理在污泥磁化低溫熱解系統中是極其重要的一個環節，它對整個系統的節能減排、減少設備投資具有重要作用。余熱利用污泥烘干系統采用熱交換器進行熱能回收利用，850℃以上的高溫煙氣由二燃室進入低溫和高溫熱交換器后，與烘干用空氣換熱，被加熱的高溫空氣進入污泥烘干機烘干污泥，換熱后的低溫空氣經循環風機再進入低溫熱交換器、高溫熱交換器，如此循環。

烘干機內污泥水分受熱蒸發汽化產生的蒸汽經旋風除塵器、蒸汽風機、水洗冷凝塔、除霧器、二燃室燃燒機的鼓風機進入二燃室。

污泥熱解后進入二燃室燃燒后產生的煙氣中帶有一定量的煙塵和有害氣體，必須經過尾氣凈化系統處理，該尾氣凈化系統由干式除酸裝置和布袋除塵器組成。消石灰粉/活性炭噴粉裝置是作為煙氣凈化系統去除煙氣中二英類物質和酸性物質的專門設備，方法為利用系統負壓向管道內噴入一定量的活性炭粉和消石灰粉，利用文丘里管使活性炭粉和消石灰粉在煙氣中均勻混合以吸附廢氣中的殘留二英類物質，并中和煙氣中的酸性氣體。系統后段的煙氣凈化系統使用布袋除塵器，吸附有二英類物質的活性炭粉和殘留的煙塵在濾袋的表面被截留。除塵器布袋的表面是活性炭和石灰粉的良好載體，增大了活性炭和消石灰粉與煙氣的接觸表面積，延長了吸附和中和反應的時間，提高了吸附二英和除酸的效率。經布袋除塵器后，使煙氣達到國家規定的污染物排放標準。

污泥低溫熱解后形成的副產品無機粉砂（灰渣）見圖5。

圖5 無機粉砂（灰渣）

1噸80%含水率的污泥經磁化低溫熱解技術磁化熱解后，產生的無機粉砂約為72kg，該無機粉砂可資源化再利用，如制作成透水磚、園林綠化、花卉用肥、污水處理過濾材料等環保用品，綜合利用效益明顯。目前，已有用戶使用磁化熱解后副產品粉砂用于花卉種植，反饋效果良好。

4 應用效果

城市污泥磁化低溫熱解技術于2013年10月通過了科技成果鑒定。有關部門依據相關標準對投產運行的回轉式污泥磁化低溫熱解機（型號：ZXHCR-16W）進行了煙氣排放和熱解殘渣檢測。測定結果見表1和表2。

目前，國內外尚無同時將強磁場、陶瓷球及生物質燃料棒技術應用于回轉式磁化熱解機上的報道。該項目整合生物質燃燒、量化空氣磁化、回轉筒內配置陶瓷球等技術，配套余熱利用和尾氣凈化等系統，實現了污泥磁化熱解的工業應用，可使污泥在較低的溫度下快速熱解，降低了尾氣處理難度，殘渣可資源化利用，并且已在福建省閩侯縣污水處理廠污泥處理項目中應用。

表1 磁化低溫熱解大氣污染排放及殘渣檢測和限值

表2 污泥低溫熱解殘渣檢測值

5 結語

目前，我國城市污水處理廠產生的污泥“二次污染”現象嚴重。污泥處理處置問題已經成為整個污水處理行業健康發展必須解決的問題。

污泥磁化低溫熱解技術，可最大程度實現污泥處置的減量化、穩定化、無害化和資源化，處理后的無機粉砂可作為綠化肥料或用于制作透水磚及用作污水處理過濾材料等，因而該技術是目前較為理想的污泥處置技術之一。