污泥干化焚燒技術的應用

李黎杰，田輝，顏廷山，李旭東，石曉東，程益峰

（中國城市建設研究院有限公司，北京 100120）

1 我國污泥處理處置現狀及處理方法

目前，我國的污泥處理處置中污泥農用約占44.8%，填埋約占31.0%，其他處置約占10.5%，尚未處置的約占13.7%。據統計，我國城市污水處理廠用于污泥處理處置的投資占總投資的20%～50%［1］。

由于我國污水處理廠建設存在嚴重的“重水輕泥”現象，導致污泥處理處置處于嚴重滯后狀態，80%污水處理廠建有污泥的濃縮脫水設施；80%污泥沒有得到穩定化處理處置［2］。

隨著許多大中型污水廠的建設，一個中等規模的城市，每天產生幾百噸甚至上千噸的污泥需要清運和處理，而隨著城市化的進程原來用于消納污泥的農田變成了城區，現有的垃圾填埋場也無法處理高含水率的污泥。污泥處理的難題在一些大中城市開始出現，并向小城市蔓延。

2 溫州污泥干化焚燒項目

2.1 建設規模及工藝設計

污泥來自溫州市某污水處理廠，濕污泥設計處理量為240 t/d，濕污泥含水率為75%～82%。采用2條生產線進行處理，每條線處理能力為120 t/d。處理工藝為半干化+焚燒。

項目主要技術指標見表1。

表1 主要技術指標

2.1.1 污泥干化系統

利用焚燒系統產生的蒸汽對污泥進行干化處理，降低污泥的含水率，提高污泥熱值，減少在焚燒過程中輔助燃料的添加，降低運行成本。同時對干化過程中產生的廢氣經過洗滌塔凈化后大部分作為熱載體回用，其余的進入焚燒爐進行焚燒處理。作為熱源的水蒸氣經過干燥機后成為冷凝水，輸送至鍋爐除氧器進行回用。污泥干化工藝流程見圖1。

圖1 污泥干化工藝流程

2.1.2 污泥焚燒系統

根據污泥焚燒的特點，采用回旋流型流化床焚燒爐對污泥進行焚燒。焚燒爐處理污泥為含水率30%的干污泥和含水率80%濕污泥的混合物，混合后污泥含水率為50%。工業燃煤通過煤上料系統進入流化床內，作為輔助燃料在爐內焚燒。焚燒過程中產生的高溫煙氣進入余熱回收系統。

一次風來自污泥倉臭氣及新鮮空氣，并設置蒸汽加熱式一次風空氣預熱器，在污泥熱值較低或含水率較高時將流化空氣預熱至120℃，以提高入爐熱量，減少輔助燃料添加量。

二次風來自干化系統的部分洗滌載氣，不足時補充新鮮空氣。二次風機提供的二次風保證爐內燃料的完全燃燒，二次風沿爐膛高度分層送入焚燒爐中部的燃盡室，保證充分燃燒。

本爐采用分段進風，一次風占總風量的80%～90%，經燃燒室底部風帽送入，二次風占總風量的10%～20%。保證燃燒設備始終在低過量空氣系數下運行，以抑制NOx的生成。一、二次風總管上均設有氣動風門，運行時可調節一、二次風比來適應煤種和負荷變化需求。

2.1.3 煙氣凈化系統

通過在焚燒爐內加石灰石的方式脫除煙氣中的部分酸性氣體。余熱鍋爐后煙氣凈化系統采用爐內脫酸系統+半干法脫酸系統+膨脹反應器+袋式除塵的工藝流程，確保煙氣排放滿足或優于國內相關排放標準及法規。

首先，煙氣進入半干脫酸塔，與噴射出的吸收劑（石灰漿液）充分混合，煙氣中的酸性氣體與吸收劑發生化學反應，從而得到去除，少量粉塵落入塔底部經過灰斗排出。接著煙氣進入膨脹反應器，與噴入的石灰干粉接觸反應。通過石灰干粉除去煙氣中的剩余酸性氣體；在進入布袋除塵器前的煙道上，噴入活性炭粉末，通過活性炭吸附煙氣中的污染物（主要是二惡英類物質、重金屬Hg等），然后進入布袋除塵器。最后，引風機后設置在線監測系統，實時對煙氣進行檢測，以便調整工藝參數，保證煙氣達標。經過凈化的達標煙氣由引風機引出，進入煙囪高空排放。

2.1.4 余熱利用系統

余熱鍋爐主要用于回收焚燒煙氣的余熱。采用雙鍋筒縱向布置，自然循環，彈性布置結構，鍋爐受熱面受熱時能夠自由膨脹，保證鍋爐安全運行。余熱鍋爐產生的蒸汽分別送往干燥機、一次風預熱器、除氧器等。

2.1.5 灰渣處置系統

該項目產生的飛灰、爐渣分別輸送、運輸、儲存。

焚燒爐的出渣經過水冷渣斗、冷渣器水冷后由不燃物輸送機送往振動篩進行篩分，篩出的石英砂由砂提升機送回焚燒爐循環使用，灰渣由輸送機輸送至灰渣間進行儲存。余熱鍋爐、省煤器、半干脫酸塔產生的飛灰采用裝袋后外運的處理方式。布袋除塵器產生的飛灰采用氣力輸送設備至飛灰儲倉，然后裝袋外運。

2.2 設計參數

2.2.1 污泥干化系統

污泥干化系統包括干燥機、載氣洗滌塔、循環風機等。

系統設置2臺槳葉式干化機。單臺干燥機處理量為100 t/d，傳熱面積200 m2，功率74 kW。污泥在達到含水率30%，溫度約90℃時完成干化，然后送至流化床焚燒處理。

載氣洗滌塔內徑Φ1.4 m×6 m，鋼制，2套。

循環風機2臺，功率15 kW，流量4 100 m3/h，全壓5 600 Pa。

2.2.2 污泥焚燒系統

污泥焚燒系統主要設備：污泥斗式提升機、污泥給料機、地下油罐、輸油泵、燃燒器、焚燒爐、風機、一次風預熱器等。

根據污泥焚燒的特點，采用2臺回旋流型流化床焚燒爐對污泥進行焚燒。單臺處理量50 t/d，設計負荷適應范圍為50%～110%，即單臺處理量變化范圍為25～55 t/d。爐床面積7.2 m2。工作溫度為600～850℃；

2.2.3 煙氣凈化系統

煙氣凈化系統包括爐內脫酸系統、半干法脫酸系統、膨脹反應器、袋式除塵器。各段的功能及設計污染物去除率見表2。

2.2.4 余熱利用系統

余熱利用系統包括余熱鍋爐、省煤器、給水泵、分汽缸和鍋爐排污擴容器、除氧器、除氧器水泵等。余熱鍋爐參數：鍋爐蒸汽壓力0.8 MPa；鍋爐蒸汽溫度175℃；鍋爐蒸汽量4.7 t/h；鍋爐入口煙氣溫度860℃；鍋爐出口煙氣溫度220℃。

2.2.5 灰渣處理系統

本焚燒系統灰渣源及產生量見表3。

表2 煙氣凈化系統功能及設計污染物去除率

表3 灰渣源及產生量

單條焚燒線收集飛灰量為576 kg/h，年飛灰量為4 320 t；整個系統的排放灰總量1 152 kg/h，年飛灰量為8 640 t。

2.3 技術核心問題

2.3.1 熱源選擇

一般城市污水處理廠未經消化的新鮮脫水污泥，其干燥基低位發熱量為10 500～14 700 kJ/kg。因此當污泥含水率高于70%時，一般需要加輔助燃料才能維持焚燒爐的燃燒溫度［3］。在污泥干化焚燒系統中，焚燒系統的余熱鍋爐產生的蒸汽可為干化系統提供熱源，但僅僅使用該熱源，難以滿足干化系統的要求。根據現場條件，熱源可以通過向焚燒爐中摻煤、添加柴油或者采用廢熱熱泵干燥等形式。以溫州項目為例，污泥含水率設計值為80%，低位發熱值為9 223 kJ/kg，焚燒產生的熱值難以維持干燥機所需熱量，故通過向流化床焚燒爐摻煤的方式解決熱源不足的問題。

2.3.2 焚燒系統進料污泥的含水率

進入焚燒系統的污泥含水率越低，則熱值越高，產生熱量越高，需要添加的煤量越少。污泥干化系統出口污泥的含水率越高，則干化系統需要的熱量越小。因此，需要通過熱平衡計算確定最佳焚燒系統進料污泥的含水率。以溫州項目為例，進入污泥焚燒系統的混合污泥含水率為50%。

2.4 運行成本

以溫州項目為例，污泥干化焚燒工程運行成本主要包括原材料的消耗（石灰石、消石灰、活性炭）、燃料和動力費（柴油、煤、電、水）、人員成本、維修費、飛灰處理費、污水處理費、管理費等。濕污泥的處理成本在200～400元/t。

3 問題與建議

1）在現有燃煤鍋爐上直接摻燒污泥。目前部分城市，嘗試將不超過總燃料量10%的濕污泥直接摻入循環流化床燃煤鍋爐中混燒。由于污泥組分復雜，污泥中的有害組分會導致尾部受熱面腐蝕和二次污染物的潛在排放，對原有電廠運行和周邊環境造成影響。此外，這種方式污泥處理量不能太大，對于污泥產生量多的城市難以滿足要求。目前尚無相應的污泥燃煤鍋爐排放標準，從環境保護和能源利用綜合考慮，目前的研究積累還不足以支撐大規模工業性推廣活動，只能在個別項目中因地制宜，謹慎實施。

2）來料污泥脫水不到位。從溫州項目的實際運行情況來看，來料污泥脫水不到位是影響污泥干化焚燒項目處理處置成本的關鍵原因。大多數污水處理廠僅重視凈化水的指標參數是否滿足相應規范的要求，而忽視所產生污泥的品質是否滿足國家標準規范。例如污泥的含水率、礦物油脂含量等指標大部分污水處理廠無法達到，這將大大增加了污泥處理處置的難度。因此，建議對污水處理廠產生的污泥進行統一監測和管理。

3） 缺乏具有自主知識產權的污泥焚燒系統。目前已經運行的污泥處理系統中，通常的污泥干化設備有傾斜槳葉式干燥機、中溫帶式干燥機、流化床低溫干化機等，對污泥進行干化。設備投資高，運行成本為200～300元/t，我國大部分城市財政難以支撐；而目前國內還缺乏系統成熟的技術和設備，未能形成標準化和系列化。因此，限制了我國污泥焚燒技術的提高和發展。

4）加強對污泥焚燒飛灰屬性的研究。生活垃圾焚燒爐的飛灰被認定為危險廢物，而污泥焚燒飛灰的毒性，應進行充分的研究后再進行定義。

［1］杭世珺，劉旭東，梁鵬.污泥處理處置的認識誤區與控制對策［J］.中國給水排水，2004，20（12）：89-92.

［2］陳其東.徐州市區污水處理廠污泥干化焚燒發電處置研究［J］.科技致富向導，2012（3）：253-254.

［3］萬長泰.污泥干化焚燒處置在城市污水處理廠的應用［J］.化學工程與裝備，2011（5）：200-205.