基于運行經驗的污泥焚燒工程優化設計探索

彭吉良

（上海環境集團股份有限公司，上海市 200336）

1 項目概況

上海市青浦區污泥干化焚燒項目服務于轄區內10 座污水廠污泥“減量化、穩定化和無害化”處置，是長三角一體化進程中生態環境與社會經濟和諧發展的示范項目。項目位于上海市青浦工業園天辰路西段北側地塊，占地約55 畝。項目設計規模600 t/d（含水率80%），分2 期建成。1 期設計規模為300 t/d（含水率80%），設施設備按400 t/d 能力配置，生產線2條，投資約5.45 億元人民幣（含土地投資），預留2期擴建用地。

項目南側為天辰路（東西走向），北側緊貼河岸。項目主要建筑物及設施分布從南往北依次為綜合樓、2 期建設預留地、1 期廠房（含公輔間）、臭氣/ 污水等環保設施。1 期廠房西側為進泥端，2 條干化焚燒線由西向東布置。

項目干化焚燒采用“薄層干化+ 鼓泡式流化床”處理工藝；煙氣凈化選用“爐內脫硫+SNCR（選擇性非催化還原）脫硝+ 靜電除塵+ 干法脫酸+（活性炭噴射）布袋除塵+濕式脫酸”工藝；臭氣治理采用“多級物化法+生物除臭法+活性炭法（應急）”工藝；脫酸廢水及有機廢水分別選用“預處理+ 多介質過濾器”、“2 級A/O+外置式MNR+高級氧化”工藝。

煙氣、臭氣和廢水處理后，排放標準分別按上海市《生活垃圾焚燒大氣污染物排放標準》（DB 31/768—2013）、《污水綜合排放標準》（DB 31/199—2018）、《惡臭(異味）污染物排放標準》（DB 31/1025—2016）執行，其中煙氣排放指標參照“歐盟2010”中較嚴項標準執行。爐渣與一般飛灰外送填埋；布袋飛灰視檢測結果再定性，若重金屬含量不超標，按一般飛灰處置，若超出范圍，則經廠內穩定化處理后送指定填埋場處置。

上海市青浦區污泥干化焚燒項目鳥瞰圖見圖1。

圖1 上海市青浦區污泥干化焚燒項目鳥瞰圖

2 優化要點

2.1 總平面布局規劃設計優化

國內近十多年來開始建設運行市政污泥干化焚燒項目，由于項目投資高、運行成本高、污泥處置規劃不清晰等因素，建設相對遲緩[1]。與國內已建同類項目均位于污水廠界內或近鄰不同，本項目建設地址距最近的青浦第二污水廠至少5 km 以上，建設運行具“孤島”特征。按現行環保政策要求，項目除建設完備的生產生活設施外，需獨立建造廢水、臭氣處理等環保治理設施；地塊內建設設施多，用地緊張。本項目東側和北側緊鄰河岸，邊界曲折，不規則邊界不利設施布局。而且，對于項目運行中環境敏感因子臭氣的控制，在總平面布置中需提前規劃，以便項目運行管理。

2.1.1 優化敏感氣態污染物排放點布局

運行中產生的臭氣、煙氣為項目最主要氣態污染排放物。本項目需收集外排臭氣（中低濃度）總量約8～10 萬m3/h，排放高度H≥15 m；煙氣排放量（工況狀態）約2.5～3 萬m3/h，排放高度H≥60 m。根據上海市及國內同類項目的運行情況，臭氣為最敏感污染因素之一。本項目選擇氣量大、排放高度低的臭氣產生區域及排放點，置于本地塊西邊偏北方向，即常年主導風下風向。同時，結合廠界北側不規則現狀，將占地相對小、運行中有臭氣散發的廢水處理設施優先布置于北側偏西方向，以減輕生產過程對廠區自身環境的影響。此外，將人流進出通道、宿舍區、辦公樓在條件許可的前提下，盡量處于常年主導風向上方，遠離廠內環境最敏感因子，避免臭氣因素對人員的侵擾。

2.1.2 優化物料轉運組織和管線布局

根據本項目地塊特點，綜合考慮生產和生活設施之間的位置關系，將主廠房布置在地塊中部，南側布置廠前區（綜合樓），北側和東側邊界不規則區域布置生產輔助設施，通過流線優化，優化管線布置，縮短管線長度，實現減少管網投資、降低動力消耗、提高物料輸送可靠性的目標。其中，中低濃度臭氣集中散發區與臭氣凈化設施做到最近距離布置，將輸送總管道長度縮短至40 m 以內。

2.1.3 統籌運行安全和近遠期用地布局

近遠期平面布置方案優選示意圖見圖2。

圖2 近遠期平面布置方案優選示意圖

本項目分2 期建設，根據1 期工程平面布局，2期預留地塊可置于1 期廠房南側與綜合樓之間（方案一），或置于1 期廠房北側與環保設施之間（方案二）。如2 期預留地塊置于1 期車間北側，地塊上已建的各類管線設施將限制2 期施工和作業面的拓寬，并對1 期生產設施的正常運行帶來安全隱患。而將2 期預留用地置于1 期車間南側，盡管2 期施工期間對辦公區短期影響較大，但對1 期生產安全穩定進行和2 期的進度推進、安全施工創造了較好的作業空間和條件。此外，在2 期實施前，該預留地塊綠化后，可成為辦公生活區與1 期生產區的緩沖隔離地帶，提高人員工作環境質量。

2.2 污泥干化設備選型優化

根據國內污泥泥性的調查分析，結合熱量平衡計算，發現當濕污泥干化至含水率50%～60%時，呈半干化狀態污泥的低位熱值提高后可自持燃燒，能實現能量利用率最高和經濟性最優狀態[2-3]。項目濕污泥（含水率80%）對應的低位熱值低于544 kJ/kg，需通過半干化至含水率約55%，將污泥熱值上升至6 069 kJ/kg 后，才能實現污泥自持燃燒。但是，由于污泥黏滯性隨含水率變化呈突變特征，即當污泥含水率低于45%～50%或高于60%～65%時，污泥黏滯系數將顯著降低，物料流動性增強[4-5]；而當污泥含水率處于50%～60%半干狀態時，污泥黏滯性顯著增強，物料在輸送過程中極易黏附并積聚在輸送設備內腔和活動葉片或轉子表面，降低輸送設備的輸送能力，嚴重時將堵塞輸送設備，中斷污泥物料的輸送，導致后續焚燒系統無法正常運行。

目前，國內項目中槳葉式、圓盤式、薄層干化機等為污泥干化焚燒項目的主要選擇。與槳葉式、圓盤式等干化機換熱面更新和污泥軸向推送方式不同，薄層干化機通過轉子離心拋撒污泥于外筒內壁，并軸向推進將附著于內側壁的污泥翻混攤鋪成薄餅，從而提高熱傳遞效率，加速污泥干化過程。在污泥干化過程中，污泥始終處于不斷拋撒、攤薄、翻混、剝落的循環狀態中，干化進程中松散態污泥能穩定通過污泥黏滯區，避免污泥在干化設備中黏滯現象的發生。結合干化機高程布置規劃、干化污泥進爐距離最短化布置、處理規模以及設備匹配的合理考慮，本項目干化設備選擇薄層干化機，處理能力4×120 t/h（含水率80%），蒸發能力4×2 t/h。

2.3 半干污泥輸送系統優化

半干化污泥因其高黏滯特性，輸送異常困難。國內現已建成的污泥干化焚燒項目除成都、赤峰項目外，其余項目都采用“后混”進爐焚燒工藝，將部分濕污泥含固率由20%（含水率80%）提高到70%以上，這部分干化污泥再采用水平與垂直組合干泥輸送裝置送至焚燒爐前，與另一部分未干化的濕污泥（含水率80%/含固率20%）混合后進爐焚燒，即保證進爐污泥熱值趨于自持燃燒熱值，以達到熱能最佳利用狀態。

2.3.1 “后混”工藝污泥輸送問題

選擇“后混”進爐焚燒工藝，干化機一般水平布置在爐前，形成干化車間+ 焚燒車間前后布置的格局。在日常運行中，干污泥輸送系統不僅會增大輸送動力能耗，從而增加維修工作和管理成本，而且因輸送通道密封材料的老化、損壞等因素，沿線臭氣擴散不可避免所引發的臭氣環境問題，給項目生產運行環境的改善帶來較大負面影響。目前，國內已建項目中，特別是早期建設的污泥項目，因干物料輸送不穩定及衍生的臭氣問題，既給安全生產帶來隱患，也給操作人員帶來較大的環境壓力。因此，提高干化污泥輸送的穩定性、控制輸送環節的臭氣治理，已成為同類項目優先技改的重點內容[6-7]。

2.3.2 利用垂直空間縮短輸送距離

基于上海市青浦區污泥特性，對污泥自持燃燒所對應的半干化污泥狀態評估及熱值測算，借鑒赤峰項目并吸取其他項目的經驗教訓，將污泥半干化段與焚燒段的水平向布置優化為上下錯層高低布置；同時，將污泥多級提升入爐的工藝流程改變為一次提升后利用重力慣性進爐前倉的入爐方式，充分利用焚燒車間約24 m 垂直空間以縮短輸送距離，從而突破污泥黏滯特性對污泥輸送的障礙，簡化污泥流程，減少輸送系統的設備臺套數量，提高輸送效能，降低輸送能耗和檢修維護成本，避免“后混”工藝的諸多運行頑疾。具體措施為將干化機布置于焚燒主車間12.5 m 平臺，半干化污泥利用重力，自由跌落至下方平臺的半干污泥緩沖倉，再依靠短距離水平輸送，經拋料機均勻拋灑至焚燒爐焚燒。

污泥垂直輸送示意圖見圖3。

圖3 污泥垂直輸送示意圖（單位：m）

2.3.3 污泥輸送系統臭氣控制優化

通過干化段與焚燒段高低錯位的布置、縮短污泥輸送距離、將污泥輸送過程全程置于可靠的密閉管道和腔體內完成、污泥干化段至爐前料倉段全密封；同時，利用干化設備抽吸不凝氣的引風機，維持輸送段、爐前倉負壓，其過程產生的高濃度臭氣全部通過風機引導，有組織地送入爐內燃燒，可徹底解決原有水平布置工藝輸送污泥過程產生的臭氣問題。

2.4 煙氣脫硫工藝優化

煙氣脫硫工藝主要包括爐內脫硫、干法脫硫、半干法脫硫、濕法脫硫等工藝。除香港T-PARK 污泥焚燒項目采用干法脫硫工藝外，國內同類型項目基本采用半干法脫硫、濕法脫硫工藝。濕法脫硫工藝成熟穩定、去除效率高，較半干法脫硫操作簡單，獨立采用可達排放標準；同時，國內同類項目的選址均位于污水廠界內或緊鄰污水廠，按現行規定廢水可準許直排，節約了脫鹽廢水處理及分離雜質鹽處置成本，因此應用更為普遍[8]。

本項目的污泥含硫率相對較高，焚燒后產生的煙氣SO2源強濃度可高達3 500 mg/L 以上。若選用濕法脫硫工藝凈化煙氣，則因“孤島”建設運行不具備廢水直排條件，廢水設施投資及處理成本較大；同時，按上海市納管標準，廢水鹽度將至少超標20 倍以上。因此，本項目通過爐內石灰石脫硫、小蘇打干法脫硫組合工藝來凈化煙氣，以實現煙氣治理的達標排放，避免高鹽濃度廢水產生。由于污泥源于10座污水廠，污泥性質較復雜，其中的含硫量存在高于設計值的可能。在極端高含硫污泥焚燒工況下，為滿足日益嚴格的環保監管要求，凈化系統末端增設濕法脫硫裝置，利用其低煙氣濃度下的高脫硫特性，與前端“爐內脫硫+ 小蘇打干法脫硫”聯用，可確保煙氣排放值100%滿足排放標準。

2.5 除臭控制措施優化設計

臭氣是困擾污泥干化焚燒項目高效運行的重要因素之一。本項目基于臭氣濃度高低進行分質控制處理來提升治理效果及運行靈活性，將高濃度、中低濃度臭氣從散發點負壓密閉、臭氣收集、臭氣處理三個方面進行優化綜合治理。具體而言，根據進爐總風量及1 次配風和2 次配風的比例關系，將污泥接收倉、儲倉、干化機等產生的高濃度低氣量臭氣，分別由1 次風機和干化機不凝氣風機引入焚燒爐燃盡。該部分高濃度臭氣占項目臭氣污染當量50%以上，將其引入爐內燃燒凈化，不僅降低了臭氣處理系統投資及運行成本，而且大幅度減少了末端臭氣處理負荷。

同時，依據中低濃度臭氣散發區域空間特征，對相關散發空間進行科學分割，以減少不必要的換氣空間，降低每個隔斷空間的單次換氣量，并根據不同臭氣濃度及不同運行工況條件，借助各隔斷空間收集支管上設置的電動調節閥，實現不同散發空間換氣總量的差異性控制，從而達到項目中低濃度臭氣凈化的最優化運行和凈化效果。通過最優氣量和靈活可控的組織方式，中低濃度臭氣量從最初測算量約20 萬m3/h 降至9 萬m3/h，大幅度降低了臭氣治理投資及運行成本。此外，在卸料車間等臭氣濃度相對高、人員工作頻次多的重點區域，增加植物液噴淋除臭設備，以改善作業工作環境。

3 結 語

（1）借鑒已建項目運行經驗，優化總平面規劃設計，對提高項目建設水平和運行管理效能切實有效。基于環境影響敏感因子分析，優化敏感氣態污染物排放點布局，結合生產工藝布置特點，統籌1、2 期生產建設關系，實現科學合理的平面布置，提升項目環境治理能力、改善環境質量，同時降低工程投資，減少運行成本。

（2）從生產實踐出發，優化污泥干化、輸送、煙氣脫硫等關鍵工藝和關鍵設備選型，實現技術創新和工藝可靠的具體結合，在高效運行的同時，踐行“節能減排”、“綠色環保”。項目重視生產運行經驗，通過識別臭氣源、區隔臭氣產生空間、分質臭氣處理的方式，對降低臭氣處理系統投資、提高廠區臭氣治理效果、提高廠區大氣環境，具有積極意義。