流化床污泥干化器循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生可燃?xì)怏w和粉塵原因分析與防治對(duì)策

李建勇 ，童 飛 ，周丕仁 ，孫 斌

（1.上海城市排水有限公司，上海 200233；2.上海石洞口污水處理廠，上海 200942）

1 概況

石洞口污水處理廠污泥干化系統(tǒng)采用了德國(guó)安德里茨的流化床干化工藝及核心設(shè)備，此干化工藝當(dāng)時(shí)屬國(guó)內(nèi)首次引進(jìn)。焚燒爐燃燒干污泥（或其他輔助燃料）提供的熱能，利用導(dǎo)熱油作為熱能的載體，通過導(dǎo)熱油管線輸送到干化器內(nèi)部盤管，盤管同循環(huán)風(fēng)及干污泥的熱交換采用介質(zhì)直接接觸和輻射方式進(jìn)行，通過在低溫（85℃左右）下污泥流化干化，去除其中的水份，形成含水率為10%以下的干化污泥。熱的導(dǎo)熱油在盤管內(nèi)流動(dòng)，濕污泥在流化狀態(tài)下既吸收導(dǎo)熱油盤管的輻射熱能又與導(dǎo)熱油盤管直接接觸換熱，從而達(dá)到污泥迅速干化的目的。

被干化后含水率小于10%呈顆粒狀的污泥作為焚燒爐燃料，用于加熱導(dǎo)熱油，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。密封工藝管道中循環(huán)風(fēng)脫水污泥在高壓風(fēng)機(jī)作用下產(chǎn)生一壓頭，并根據(jù)物料流化要求輸送一定量的風(fēng)量，保證污泥流化處在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定工藝狀態(tài)。

2 污泥干化系統(tǒng)工藝流程框圖（見圖1）

圖1 污泥干化系統(tǒng)工藝流程框圖

3 流化床干化器污泥干化過程及循環(huán)風(fēng)作用

3.1 污泥在流化床干化器過程

含固率80%左右的脫水污泥在變頻污泥螺桿泵作用下產(chǎn)生4～6 kg/cm2壓力，污泥在輸送管道中克服阻力并依一定流動(dòng)速度進(jìn)入位于干化器內(nèi)中上部的污泥破碎機(jī)，高速旋轉(zhuǎn)的破碎機(jī)刀頭將污泥破碎成粒徑0.5～1.5 mm濕污泥顆粒，并依據(jù)工藝設(shè)計(jì)要求在干化器內(nèi)部一定范圍內(nèi)均勻拋灑到正常流化的干污泥料層頂部。

破碎后形成一定粒徑的脫水污泥在自然重力作用下墜落到流化物料頂部，就迅速地與流化翻騰的干污泥混合，由于脫水污泥和流化干污泥存在65℃溫差（脫水污泥常溫一般在15℃～30℃，流化過程干污泥及循環(huán)風(fēng)在干化器內(nèi)運(yùn)行溫度是85℃～95℃），故脫水污泥在流化和混合狀態(tài)換熱后蒸發(fā)掉其中的水分，并形成相對(duì)溫度穩(wěn)定的流化狀態(tài)干污泥，繼續(xù)參與后續(xù)破碎后的脫水污泥干化，循環(huán)風(fēng)及時(shí)地將干化器中產(chǎn)生的水蒸氣和粉塵攜帶出去，參與后續(xù)工藝運(yùn)行。

循環(huán)風(fēng)攜帶的水蒸氣、粉塵沿干化器頂部的出口（為了減少循環(huán)風(fēng)所攜帶的粉塵量，此處出口壓力要求控制在零壓點(diǎn)附近）經(jīng)過管路進(jìn)入到旋風(fēng)式細(xì)粉分離器，細(xì)粉分離器能將0.1mm以上的大顆粒粉塵收集到細(xì)粉倉。經(jīng)過細(xì)粉分離器后的循環(huán)氣體進(jìn)入下一級(jí)冷凝器進(jìn)行降溫和洗滌處理，其目的是進(jìn)一步降低粉塵濃度并將部分蒸汽進(jìn)行冷凝析出。此時(shí)循環(huán)氣體中的粉塵濃度水蒸氣已經(jīng)大大下降，再經(jīng)過氣水分離將飽和濕氣中的水分進(jìn)行分離，降低循環(huán)氣中濕氣的含量。

從氣水分離器出來的是經(jīng)過處理的循環(huán)氣體，此時(shí)高壓風(fēng)機(jī)經(jīng)過加壓之后作為干化器的流化風(fēng)再次重復(fù)利用。

3.2 循環(huán)風(fēng)作用

從以上流程可以看出，干化器出口位置的粉塵濃度是最高的，在氣水分離器出口其粉塵濃度達(dá)到最小。

循環(huán)風(fēng)作用有以下幾個(gè)方面：

一是提供一定風(fēng)壓壓頭和風(fēng)量，維持干化器物料流化的要求；

二是與干化器內(nèi)導(dǎo)熱油盤管密切接觸吸收盤管釋放的熱能；

三是循環(huán)風(fēng)作為熱能載體吸收的熱能與流化的干污泥充分接觸并被污泥中水分吸收形成水蒸氣被循環(huán)風(fēng)攜帶離開干化器；

四是對(duì)干化后的污泥顆粒進(jìn)行吹洗，帶走污泥干化過程中產(chǎn)生的粉塵和稀釋產(chǎn)生的可燃?xì)怏w在干化中的濃度。

而在整個(gè)循環(huán)氣重復(fù)利用系統(tǒng)中，其不凝氣即一氧化碳、甲烷、硫化氫等易燃易爆氣體因?yàn)槠湮锢砗突瘜W(xué)特性等原因并沒有減少其體積含量。

3.3 污泥干化系統(tǒng)存在的問題

石洞口污水處理廠污泥干化焚燒裝置自2004年運(yùn)行以來，由于污水來源和脫水污泥的性質(zhì)，決定了污泥在從常溫到干化至90℃過程中必然會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵和可燃?xì)怏w。當(dāng)粉塵和可燃?xì)怏w接近其爆炸極限時(shí)，必須停止工藝運(yùn)行防止事故發(fā)生，其結(jié)果是導(dǎo)致工藝無法連續(xù)運(yùn)行。如何控制粉塵和可燃?xì)怏w在可控的爆炸范圍內(nèi)，防止運(yùn)行設(shè)備事故發(fā)生又要工藝設(shè)備連續(xù)運(yùn)行是此類污泥干化工藝亟待解決的一個(gè)重要問題。

根據(jù)工藝現(xiàn)有條件，可以通過調(diào)整循環(huán)風(fēng)量和進(jìn)入干化器流化風(fēng)壓頭在有限的范圍內(nèi)降低粉塵在循環(huán)氣中的含量，將存在的粉塵濃度過高現(xiàn)象部分安全隱患減小到工藝所能達(dá)到的最好水平。但是其他如一氧化碳、硫化氫等不凝氣體確實(shí)很難在工藝中清除，隨著工藝運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，其在密閉循環(huán)氣管路中的濃度會(huì)隨著濕污泥處理量增大而增高。

從工藝運(yùn)行參數(shù)可以看出，循環(huán)氣系統(tǒng)存在以下問題：

一是循環(huán)氣中存在濃度較大粉塵，粉塵中的可燃物熱值在2600～3000 kcal/kg。

二是脫水污泥干化過程產(chǎn)生的不凝性可燃有毒氣體隨著工藝運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)而加大。

三是在運(yùn)行中由于粉塵對(duì)管道和在運(yùn)行設(shè)備的沖刷，導(dǎo)致空氣中的氧氣含量增大，降低了粉塵和可燃有毒氣體爆炸的極限。

四是利用原有惰性氣體氮?dú)馄拷M稀釋粉塵和可燃?xì)怏w濃度方法在設(shè)備密封非常良好的情況下可以實(shí)現(xiàn)，而實(shí)際運(yùn)行中管道設(shè)備的密封很難滿足要求，經(jīng)常因?yàn)榈獨(dú)馄拷M供應(yīng)不足而停車待命。安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)增大，很容易導(dǎo)致設(shè)備事故和運(yùn)行人員健康受損，甚至是中毒事故發(fā)生的危險(xiǎn)性。

五是氮?dú)獠少徍馁M(fèi)量大，致使單位生產(chǎn)成本增加，減小了經(jīng)濟(jì)效益。

4 采用的對(duì)策和方法

（1）通過檢修將部分容易受到磨損的設(shè)備或者管道更換為耐磨材質(zhì).如旋風(fēng)分離器入口及出后附近和灰倉入口改為鋼板搪瓷工藝，即減小了灰塵對(duì)這部分的摩擦阻力又增加了這部分的耐磨時(shí)間，使用周期延長(zhǎng)，防止了外部氧氣進(jìn)入密閉循環(huán)氣內(nèi)部，保證了含氧量穩(wěn)定。

（2）減少工藝管道的密封接口，在不妨礙檢修部位的條件下，采用焊接型式。

（3）將原有斷續(xù)補(bǔ)充氮?dú)獾牡獨(dú)馄拷M去掉，上一套制氮機(jī)組。

（4）增加工藝自動(dòng)控制能力，減小操作人員手動(dòng)控制帶來的補(bǔ)氮不能及時(shí)有效等問題。

（5）根據(jù)改造前期的工藝運(yùn)行情況，循環(huán)氣系統(tǒng)控制的含氧量在10%以內(nèi)。即當(dāng)循環(huán)氣系統(tǒng)的含氧量達(dá)到10%時(shí)，補(bǔ)氮系統(tǒng)自動(dòng)打開，向系統(tǒng)補(bǔ)充氮?dú)猓S著氮?dú)庠谘h(huán)氣體中擴(kuò)散，當(dāng)含氧量小于等于3%時(shí)，氮?dú)獠唤o，該系統(tǒng)停止運(yùn)行。

圖2為干化器啟動(dòng)在沒有投入脫水污泥前循環(huán)氣體CO變化趨勢(shì)圖。此圖是含氧量在9%～10%波動(dòng)時(shí)的情況。

圖2 CO變化趨勢(shì)圖一

圖3為含氧量控制到6%～7%時(shí)，開始投入脫水污泥干化過程CO濃度變化趨勢(shì)圖。

圖3 CO變化趨勢(shì)圖二

說明：

（1）圖2是流化床污泥干化器啟動(dòng)過程中污泥干料逐步升溫到100℃時(shí)的CO變化情況。

（2）圖3是污泥干化器正常投入脫水污泥干化運(yùn)行過程中，干化器運(yùn)行溫度為85℃～95℃之間CO的運(yùn)行曲線。

（3）測(cè)試過程中沒有補(bǔ)充氮?dú)饣蛐箟旱炔僮?，循環(huán)氣含氧量波動(dòng)范圍相對(duì)穩(wěn)定。

該系統(tǒng)是完全可以安全長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的。

5 措施實(shí)施后的效果分析

（1）循環(huán)氣系統(tǒng)的粉塵濃度由于跟工藝運(yùn)行關(guān)聯(lián)，因此相對(duì)穩(wěn)定。

（2）脫水污泥在干化過程中是在一個(gè)密封工藝中進(jìn)行，由于脫水污泥制作過程本身殘留一定的空氣，同時(shí)常溫污泥在干化器升溫干化過程中產(chǎn)生有毒易燃不凝氣體，經(jīng)過一段運(yùn)行之后會(huì)引起密封循環(huán)氣體壓力升高，導(dǎo)致高壓風(fēng)機(jī)出口壓力升高，影響流化風(fēng)量過大，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)出口壓力超過定值后，通過旁路將循環(huán)氣卸掉一部分到焚燒爐燒掉。

（3）循環(huán)氣管道和主要設(shè)備更換后，粉塵對(duì)設(shè)備磨損大大減少，密封效果明顯。

（4）增加制氮系統(tǒng)后，由于氧量是控制量，氮?dú)夤?yīng)是被控量，自動(dòng)系統(tǒng)投入，提高了工藝系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。

（5）由于氮?dú)饽軌驖M足運(yùn)行要求，循環(huán)氣體含氧量基本穩(wěn)定在5%左右，有效地抑制了可燃?xì)怏w爆炸極限和粉塵濃度的極限范圍。

6 結(jié)語

由于流化床污泥干化方式存在循環(huán)氣體存在粉塵和可燃?xì)怏w爆炸危險(xiǎn)因素，需要從工藝設(shè)備和工藝運(yùn)行兩個(gè)方面去考慮問題的解決方法。在這個(gè)方面，石洞口污水處理廠取得了很好的經(jīng)驗(yàn)。主要經(jīng)驗(yàn)之一就是從工藝角度去考慮：一是各種易燃易爆氣體在不同氧量范圍內(nèi)爆炸極限來考慮；二是可以滿足工藝要求的控制氧量范圍。因此石洞口污泥干化系統(tǒng)基本維持在年運(yùn)行7200 h，是國(guó)內(nèi)同類系統(tǒng)運(yùn)行周期最長(zhǎng)的設(shè)備。