污泥減量熱解機熱解焚燒技術概述

黃家瑤，林秀梅

（福建莊訊環(huán)?？萍加邢薰?，福州 350003）

污泥減量熱解機熱解焚燒技術概述

黃家瑤，林秀梅

（福建莊訊環(huán)?？萍加邢薰?，福州 350003）

針對目前我國城市污水處理廠產生大量污泥，二次污染現(xiàn)象日益嚴重的狀況，闡述了污泥的性質特點及主要處理處置方法，介紹并分析了污泥減量熱解機熱解焚燒技術的工作原理、工作流程、技術特點，以及污泥熱解處理系統(tǒng)的主要設備。

城市污泥;二次污染;污泥處理處置;污泥減量熱解機

根據國家環(huán)保部規(guī)劃，未來10年是我國污水處理的“黃金時期”，將建成上千座污水處理廠。而城市污水處理廠在污水處理的過程中必然會產生污泥，隨著城市污水處理率的不斷提高，污泥的產量同樣在不斷增大。據測算，到2010年底，我國每天產生的污泥量（含水率80%～85%）至少已達到17.5萬噸。污水處理廠每天排放的污泥中含有大量有機物和豐富的氮、磷等營養(yǎng)物質，任其排入水體，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(yǎng)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，并通過生物鏈轉嫁人類。因此，污泥不經妥善處理處置而任意排放和堆置，必將對周圍環(huán)境造成嚴重的污染，使已建成的污水處理廠不能充分發(fā)揮其消除環(huán)境污染的作用。

國內企業(yè)引進了日本和我國臺灣地區(qū)先進的污泥處理處置專利技術，并經過引進、消化吸收和改進，充分利用污泥熱解焚燒的自身熱量對污泥進行預烘干脫水，改進技術工藝，大大降低污泥處理成本，研發(fā)出了適合我國國情的污泥減量熱解機，并已獲中國實用新型專利。本文著重介紹了該污泥減量熱解機熱解焚燒技術的工作原理、工作流程，以及污泥熱解處理系統(tǒng)的主要設備和特點。

1 污泥的種類及性質特點

1.1 污泥的種類

污泥是水處理過程中形成的以有機物為主要成分的泥狀物質，其有機物含量高，容易腐爛發(fā)臭，顆粒較細，密度較小，含水量高且不易脫水，是呈膠狀結構的親水性物質。

污泥的種類較多，分類較復雜。1）按來源分：可分為生活污水污泥（生活污水處理廠的終端廢棄物）、工業(yè)廢水污泥（如印染、造紙、電鍍、冶煉、機制、煉油、釀造、化工制藥等行業(yè)的終端排放廢棄物）和給水污泥三大類。2）按成分和性質可分為：有機污泥和無機污泥；親水性污泥和疏水性污泥。3）按污泥從水中分離過程可分為：沉淀污泥（包括初沉污泥、混凝沉淀污泥、化學沉淀污泥等）及生物污泥（包括腐殖污泥、剩余活性污泥）。4）按污泥在不同的處理階段可分為：生污泥、濃縮污泥、消化污泥（熟污泥）、脫水污泥、干污泥、干燥污泥及污泥焚燒灰等。

1.2 我國市政污水處理廠的污泥性質特點

（1）有機物含量較低

我國城市居民食品結構不同，居民住宅衛(wèi)生設施還不完善，公共廁所污水未能全部排入污水管網，加之工業(yè)廢水密度較大，城市環(huán)境衛(wèi)生比發(fā)達國家差，大量無機粉塵進入城市下水道，污泥無機物組分增加，有機物含量一般只在50%左右。而發(fā)達國家城市污水污泥的有機組分為70%～80%

（2）碳水化合物含量高

我國城市居民的食品結構以糧食、植物油、蔬菜和豆制品為主，人均消費的肉類和奶制品很少，所以污水中VSS較低，有機組分中淀粉、糖類和纖維素等碳水化合物密度大，而脂肪含量低，因此我國市政污泥屬高碳水化合物、低脂肪的污泥。如天津紀莊子污水處理廠二次沉淀池污泥的有機物中，一般碳水化合物占50%～40%，蛋白質占40%～50%，脂肪只占10%左右，與發(fā)達國家相差很大。

（3）重金屬超標

污泥中的重金屬不僅對作物、土壤，而且對污泥消化都會產生較大影響。重金屬離子對甲烷生成起抑制作用，會與酶結合產生變性物質，使酶失去活性，并通過氫氧化物的凝聚作用使酶沉淀，從而影響酶的正常生長發(fā)育。污泥中的各種水溶性重金屬中Cd、Cu、Pb含量較高，酸溶性以Cd據首，其順序為Cd＞Cu＞Zn＞Pb＞Hg，故Cd對土壤和農作物的污染最為嚴重。我國城市污水中工業(yè)廢水所占比重較大，污泥中重金屬含量較高，造成Cu、Zn、Cd等元素常常超標，影響了污泥的利用。

2 污泥的處理處置方法

污泥的成分非常復雜，含有很多病原微生物、寄生蟲卵及重金屬等，必須進行適當?shù)奶幚?，才能保證污水的處理效果，避免發(fā)生更嚴重的二次污染。城市污水污泥來源于生活污水和工業(yè)廢水經集中生化處理后沉淀分離出的污濁物質。污泥對環(huán)境的危害主要包括使水源水質惡化、污染土壤和農作物等。隨著人們生活水平的提高和生產規(guī)模的擴大，污泥這種污染物質的危害性也日益明顯。因此，尋求經濟有效的減容化、穩(wěn)定化、無害化和資源化的污泥處理處置技術具有重要意義。

當前，國內外對生活污水處理廠污泥處置方法主要有：填埋法、制肥法、干燥法、高溫焚燒法等。

2.1 填埋法

該法是將污水處理廠含水率高的污泥直接運送到填埋場填埋。填埋法的處理成本較低，但污泥黏稠，不能堆積，影響垃圾填埋場的機械作業(yè)，縮短垃圾填埋場的使用壽命。由于垃圾填埋場大多為露天，簡單處理后的污泥的穩(wěn)定狀態(tài)很容易被打破，經過幾場雨后恢復原形的污泥對場地的安全會構成嚴重危害。含水率高的污泥滲濾液量也顯著增加，而且污泥很容易堵塞垃圾填埋場的滲濾液管道，影響其排水系統(tǒng)的正常運行。同時還存在滲漏污水、排放沼氣等二次污染，基本沒有實現(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化，國家已逐漸限制該法的應用。在我國，填埋法在短期內還是一個重要的過渡性處置途徑，但由于填埋法作業(yè)難度大和滲濾液對環(huán)境的污染，該方式終將會被淘汰。

2.2 制肥法

該法是將污水處理廠的污泥采用生物方法，通過微生物的作用，將污泥轉化為有機肥料。但制肥場所的工作條件惡劣，制肥過程需要大量的木屑等碳原物資，制成的有機肥料產品肥效較低，市場銷售困難，特別是有些地方的污泥重金屬超標，會對土壤產生危害，嚴重影響作物的品質。因此，該技術雖然在少數(shù)地方有使用，但難以推廣。

2.3 干燥法

該法是將污水處理廠含水率為80%的污泥利用熱能進行烘干，烘干后的污泥含水率在45%～55%，熱值在1300～1700kcal/kg，可作為燃料送往焚燒爐焚燒。但烘干污泥的成本相對較高，減量化程度也較低，且在沒有焚燒爐的地方難以推廣應用。

2.4 高溫焚燒法

該法是將污水處理廠含水率80%的污泥利用外熱或污泥焚燒熱，將污泥進行烘干，而后利用污泥有機物的熱不穩(wěn)定性，在高溫的環(huán)境下進行化學反應，使污泥達到減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化。目前常用的污泥焚燒設備有回轉焚燒爐、多段焚燒爐、流化床焚燒爐等。主流焚燒技術采用流化床焚燒技術。高溫焚燒法分為直接焚燒法和熱解焚燒法，其特點是均可以最大程度地實現(xiàn)污泥處置的減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化，但處置設施投資成本及運行成本較高，在經濟欠發(fā)達地區(qū)推廣難度較大。

污泥減量熱解機熱解焚燒技術利用污泥熱解焚燒的自身熱量對污泥進行預烘干，并對助燃空氣進行磁化，熱解反應溫度低。為此，與傳統(tǒng)的高溫焚燒法相比，其處理成本可大大降低，處理后的無機粉砂可用于制作透水磚以及用做污水處理過濾材料等。該技術可實現(xiàn)污泥處置的減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化（簡稱“四化”），而且處置成本不高，可滿足經濟發(fā)達和欠發(fā)達地區(qū)使用。

通過下表可看出，與其它方法相比，焚燒法具有的突出優(yōu)點是：1）大大減少了污泥的體積和重量，因其最終需要處理的物質很少，且焚燒灰還可制成有用的產品；2）污泥處理速度快，不需要長期儲存；3）污泥可就地焚燒，不需要長距離運輸；4）可以回收能量，用于污泥干燥、發(fā)電或供熱。因此，目前焚燒可使污泥處置達到徹底的無害化、最大程度的減量化。

幾種污泥處置方法的比較表

3 污泥減量熱解機

污泥減量熱解機是新型污泥處理系統(tǒng)的核心設備（外形見圖1）。熱解是利用有機物的熱不穩(wěn)定性，在缺氧的條件下，利用熱能使化合物的化合鍵斷裂，由大分子量的有機物轉化為小分子量的可燃氣體、液體燃料和焦炭的過程。

圖1 污泥熱解機運轉實物外形圖

3.1 污泥減量熱解機工作原理

污泥減量熱解機利用了熱能、磁能及陶瓷輻射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悉數(shù)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(wěn)定性狀。

該技術除可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，可借磁化離子設備所營造的磁場產生的“磁性離子化空氣”促使有機物質氣化、水化及無機穩(wěn)定化等的加速分解。

通過磁化離子設備的微量空氣，因磁力作用而被離子化，形成強有力的帶負電氧離子，導入熱解機內，使熱解機內的污泥有機物質在缺氧狀態(tài)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分解之連鎖反應，而使連續(xù)進料的污泥有機物質連續(xù)不斷地發(fā)生水化、氣化、無機灰渣化等連鎖反應，污泥逐漸被分解減量至僅剩零含水率的無機灰渣（為含水率80%脫水污泥體積的5%～10%)。

該熱解機以有機物質分子缺氧磁力分解原理（300℃～400℃）替代了傳統(tǒng)型的強熱氧化燃燒（700℃～1000℃），可節(jié)省油耗能耗，并可減少產生二英等有害氣體。

3.2 污泥減量熱解機構造與工藝流程

污泥減量熱解機采用回轉窯式，設有一熱分解污泥有機物的三段式缺氧圓筒體，其底部設有固定座。該機的前蓋樞接在筒體的輸入端上，其上設有一排氣管用以排放熱分解的廢氣及水氣，前蓋上還設有一個進料口，可供污泥經由該進料口進入筒體內。驅動設備設在筒體固定座的中央，包括一個固定支架和一個驅動馬達，筒體在相對驅動馬達的位置上設有一齒排，通過驅動馬達帶動機筒體產生轉動。后蓋樞接在筒體的輸出端上，其上設有一點火設備，點火端穿入后蓋位于筒體中，用以點火燃燒筒體中的有機物。送風設備設于點火設備的一側，送風管上設有多個磁鐵，送風管的輸出端穿入后蓋設于筒體內，促進筒體內的有機物分子的分解及產生分解熱能。維持離子化空氣設備設于筒體內壁，并在筒體內壁設有多個陶瓷球，用以延長筒體內的污泥有機物分子的分解時間，并進行連鎖反應。多片送料葉片設于筒體內壁，并呈螺旋狀排列，當筒體旋轉熱分解時，其內部的污泥有機物可透過送料葉片的旋轉導入到筒體輸出端，并將污泥中完成干燥的有機物及熱分解后的微小灰渣粒子經由筒體輸出端底部的出口排出。

熱解機圓筒內區(qū)分為干燥段、分解段和成灰段，污泥自進料口進入圓筒內后，先經干燥段（溫度50℃～300℃），停留40～50分鐘，再經分解段（溫度300℃～400℃），停留25～35分鐘，最后經成灰段，溫度從300℃降至50℃，停留約25分鐘后，泥灰被冷卻成灰狀無機粉砂。圓筒內溫度在400℃左右，污泥在熱分解過程中不致產生二英等有害氣體，能耗更遠低于傳統(tǒng)焚燒爐。

回轉式污泥減量熱分解機工作流程見圖2；筒內溫度分布見圖3。

圖2 回轉式污泥減量熱分解機工作流程示意

圖3 筒內溫度分布圖

3.3 污泥熱解機的技術特點

通以少量經磁化的空氣的污泥減量熱解機對污泥的熱解與一般熱解的機理不同。

污泥中的可燃物及部分熱解產生的可燃產物置于還原性氣氛中，進行部分燃燒，放出熱量。利用此熱量使固體廢物中的有機物完全熱解氣化。含負離子的磁化空氣進入熱解機圓筒內補充氣體，使圓筒內的氣體產生紊流，可使鏈式反應擴散開，加速污泥中的有機物反應分解。其中有低分子還原性氣體如H2、CO、NOx等氣態(tài)污染物，低溫下也抑制了二英的生成。由于沒有像直火型焚燒爐中的攪拌作用，因而產生的飛灰很少。

污泥熱解機的主要技術特點：1）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地接觸，而熱解機圓筒內壁之陶瓷球，可產生“磁性離子化空氣”（具有強而有力的帶負電荷離子），可促進有機物氣化熱解，達到促進有機物氣化、水化及無機物穩(wěn)定化反應等效果。2）污泥減量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。3）反應溫度介于300℃～450℃，不僅可節(jié)省燃料，同時降低了二英等污染物的產生和排放，采用缺氧熱解方式，因空氣供給量較低，后續(xù)排放煙氣量也較污泥高溫焚燒低，可降低尾氣凈化系統(tǒng)的投資。4）焚燒處理含水率80%的污泥，每噸污泥燃燒需消耗大量輔助燃料，相當于200L左右重油。而污泥減量熱解焚燒系統(tǒng)處理含水率80%的污泥，每噸消耗輔助燃料僅相當于20L左右重油。通過采用污泥熱解的熱能對污泥進行預烘干，可進一步降低污泥含水率至45%～50%，提高污泥入爐的熱值，污泥熱值可達5500～7100kJ/kg（1300～1700kcal/kg），每噸消耗輔助燃料僅相當于8～10L重油，降低了燃料消耗，節(jié)約了處理成本，適合我國國情。

目前，污泥減量熱解機單臺日處理量有16t、32t、40t、50t等系列產品，可根據當?shù)氐奈勰嗵幹昧窟M行相應組合使用。

4 污泥減量熱解系統(tǒng)及主要設備

污泥處理系統(tǒng)主要由污泥減量熱解焚燒系統(tǒng)、余熱利用污泥烘干系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)組成。

4.1 污泥減量熱解系統(tǒng)工藝流程（見圖4）

圖4 污泥減量熱解系統(tǒng)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槽內暫存。儲槽內的污泥通過污泥輸送機構送入污泥烘干機進行烘干，污泥烘干機為雙螺桿烘干機采用間接加熱形式，利用煙氣余熱回收產生的高溫空氣，可將污泥烘干至40%～50%的含水率，有效減少了污泥熱解所需燃料。污泥脫出的水蒸氣經過冷凝系統(tǒng)冷凝，其中少量臭氣進入二燃室高溫燃燒。

污泥經過烘干后，進入污泥減量熱解機。污泥減量熱解機采用熱解原理，通過少量經磁化的空氣，將污泥中的可燃物和熱解產生的可燃產物部分燃燒，由于磁化空氣可降低熱解反應能量，提高熱解效率，因此熱解氣化可在350℃左右的低溫實現(xiàn)，從而降低能源消耗。污泥在熱解機內產生的熱解產物進入二燃室和過量空氣充分混合進行高溫燃燒，煙氣在二燃室內停留2s以上，使煙氣里的有毒有害物質的分子結構被徹底分解，分解效率超過99.9%。污泥熱解反應完全后，無機粉砂（爐渣）經出渣系統(tǒng)排出。

該系統(tǒng)采用熱交換器進行熱能回收利用，產生400℃～500℃的高溫空氣。高溫空氣送入到污泥烘干機烘干污泥，降溫后的空氣經過補氣后，進入熱交換器循環(huán)。

污泥熱解燃燒后產生的煙氣中帶有大量的煙塵和有害氣體，必須經過尾氣凈化系統(tǒng)處理。該尾氣凈化系統(tǒng)由干式除酸裝置和布袋除塵器組成。將石灰粉和活性炭噴入熱交換器后面的管道內，脫除煙氣中的酸性氣體，并吸附煙氣中二英等有機污染物和重金屬，然后進入布袋除塵器過濾除塵，使煙氣符合國家規(guī)定的污染物排放標準后，經過煙囪排放。

4.2 污泥熱解處理系統(tǒng)的主要設備

（1）污泥減量熱解焚燒系統(tǒng)

該系統(tǒng)由污泥熱解減量熱解機和二燃室構成。二燃室由內襯耐火層和絕熱層的鋼構筒體構成，煙氣從側面徑向進入二燃室內，二燃室的一端裝有柴油燃燒機。污泥熱解減量機產生的含有可燃氣體的煙氣進入二燃室繼續(xù)充分燃燒。在開始起爐時需利用柴油燃燒機將爐體預熱升溫，當熱解氣體能夠自燃并保持一定溫度時，則不需要噴油助燃而自動關閉，燃燒機的開啟或關閉通過設定溫度自動控制。二燃室內溫度一般保持在850℃以上，停留2s以上，使煙氣中有害氣體（包括二英）得到充分分解。二燃室在設計上采用氣旋特殊結構，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”（Time停留時間、Temperature溫度、Torrent湍流）原則。

（2）余熱利用污泥烘干系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由空氣換熱器和雙螺旋污泥烘干機構成。污泥熱解燃燒前將污泥進行烘干處理，可以將污泥的含水量從80%降到45%，由于提高了污泥的熱值，使污泥易于熱解。污泥熱解過程中把水蒸發(fā)成水蒸氣需大量的燃料，將污泥進行烘干處理可以降低污泥的含水量，使污泥在熱解時節(jié)省了燃料，減少了污泥熱解產生的水蒸氣，也使煙氣的濃度不會被過分稀釋，易于煙氣在二燃室的自燃，二燃室可以少加入或不加燃料就能把煙氣中的有害氣體二英分解。

污泥熱解若產生大量的水蒸氣，勢必會增加煙氣量，給煙氣的后續(xù)處理增加難度，同時含有水蒸氣的煙氣在從煙囪排出時，煙囪口還會產生霧霾現(xiàn)象。因此污泥熱解前的烘干處理在污泥減量熱解系統(tǒng)中是極其重要的一個環(huán)節(jié)，它對整個系統(tǒng)的節(jié)能減排、減少設備的投資起到很重要的作用。

利用污泥熱解產生含有可燃氣體的煙氣，進入二燃室燃燒，產生的850℃以上的高溫煙氣經過熱交換器將空氣加熱到500℃，高溫空氣作為加熱介質通過螺旋烘干機對污泥進行烘干處理，使污泥的含水率降到45%。由于采用間接方式加熱，高溫空氣與污泥烘干產生的臭、廢氣分離，高溫空氣可以在一個密閉的氣道里循環(huán)使用，減少了熱源的消耗。應用常壓下的高溫空氣作為加熱介質，比用水蒸氣、高溫油等其他介質對烘干設備的密封、制造精度要求降低了許多。

（3）污泥減量熱解焚燒煙氣凈化系統(tǒng)

煙氣凈化系統(tǒng)主要由消石灰粉/活性炭噴粉裝置和布袋除塵器構成。

該系統(tǒng)配套專門針對污泥熱解焚燒的布袋除塵裝置，采用耐高溫、耐酸堿性、耐水解性、抗氧化性都很好的特殊過濾材料（PTFE+覆膜），對于高酸性煙氣造成的煙氣露點上升而導致的煙氣結露有良好的抵御效果，由于特殊過濾材料表面光滑、疏水，高黏性粉塵無法黏附于過濾材料表面，在保證除塵效果的前提下使清灰壓力大大降低，同時使過濾材料的使用壽命大大延長，布袋使用壽命可達4年，同時特殊的過濾結構還降低了設備的總阻力，使脈沖清灰頻率大大降低，也有益于提高布袋的使用壽命。

5 結語

目前，我國城市污水處理廠產生的污泥“二次污染”現(xiàn)象嚴重。污泥處理問題已經成為整個污水處理行業(yè)健康發(fā)展必須解決的問題。因此應針對我國城市污水污泥成分的特點，尋找適合國情的處理方法。

污泥減量熱解機熱解焚燒技術可使城市污水污泥的處理成本大大降低，同時可最大程度實現(xiàn)污泥處置的減量化、穩(wěn)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。

2010年11月26日，環(huán)保部下發(fā)《關于加強城鎮(zhèn)污水處理廠污泥污染防治工作的通知》，要求加快污泥處理設施建設。通知明確要求，污水處理廠新建、改建和擴建時，污泥處理設施應當與污水處理設施同時規(guī)劃、同時建設、同時投入運行。不具備污泥處理能力的現(xiàn)有污水處理廠，應當在本通知發(fā)布之日起兩年內建成并運行污泥處理設施。隨著科學發(fā)展觀逐步深入人心，我國生態(tài)文明和環(huán)境友好型社會建設正日益推進，污水處理廠配備污泥處理設施,“污水”、“污泥”同步并行處理必將提上各級政府的議事日程，這也將給污泥處理處置行業(yè)帶來發(fā)展的契機。

Introduction on Parolysis and Incineration Technology for Pyrolysis Apparatus of Sludge Minimum

HUANG Jia-yao, LIN Xiu-mei
(Fujian Zhuangxun Environmental Technology Co., Ltd, Fuzhou 350003, China)

Based on any amount of sludge generated in urban sludge treatment plant in our country at present time and the serious status of secondary pollution, the paper explicates the characteristics and main treatment and disposal measures of sludge, presents and analyzes the working principle, working flow and technical characteristics on incineration technology for pyrolysis apparatus of sludge minimum as well as the main equipment of pyrolysis treatment system of sludge.

urban sludge; secondary pollution; treatment and disposal of sludge; pyrolysis apparatus of sludge minimum

X703

A

1006-5377（2011）12-0050-06