入爐污泥含水率對(duì)污泥干化焚燒工藝影響研究

盧駿營(yíng)

摘要：以上海某污水處理廠為例，通過(guò)理論計(jì)算和工程設(shè)計(jì)分析，研究了入爐污泥含水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對(duì)污泥干化焚燒工藝的影響.結(jié)果表明，隨著干化程度的提高，對(duì)干燥機(jī)處理能力的要求提高，對(duì)干燥機(jī)型式的選擇余地縮小，對(duì)焚燒爐、余熱鍋爐等設(shè)備的要求也將提高，對(duì)設(shè)備材質(zhì)、系統(tǒng)安裝、運(yùn)行管理的要求也將相應(yīng)提高.隨著污泥干化程度的降低，進(jìn)料量和煙氣量增大，導(dǎo)致焚燒和煙氣處理設(shè)備體積龐大.由于污泥泥質(zhì)特性隨時(shí)間變化大，在污泥熱值整體偏低的地區(qū)，采用60%入爐污泥含水率存在一定的風(fēng)險(xiǎn).污泥入爐含水率對(duì)污泥焚燒處理工程中的工藝選擇及布置影響較大，工程設(shè)計(jì)中不應(yīng)簡(jiǎn)單照搬國(guó)內(nèi)外類似工程，而應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)匚勰嗄噘|(zhì)特性、熱值、輔助熱源等實(shí)際情況，合理選擇入爐污泥含水率.

關(guān)鍵詞：污泥； 干化； 焚燒； 入爐含水率

中圖分類號(hào)： X 701 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：Taking a sludge sample from a wastewater treatment plant in Shanghai as an example，influence of moisture content on sludge drying and incineration process was investigated by theoretical calculation and engineering design analysis.The results showed that increasing the degree of drying resulted in increased processing capacity of the drier and thus the model selection of drier became limited.The requirements for incinerator，heat recovery steam generator and other equipment were improved.For the sake of security，the demands for the equipment material，system installation，operation and management were improved as well.With the reduction of the degree of sludge drying，the feeding rate and flue gas flow became larger，leading to huge bulk of the incinerator and flue gas treatment equipment.Due to the changes of sludge properties over time，some risks existed when the sludge moisture content of 60% was selected in some areas，the sludge heating value of which was low.The sludge moisture content had a great influence on the selection and arrangement of incineration process.The copy from similar projects at home and abroad should not be allowed during the engineering design of sludge incineration process.A reasonable moisture content of the sludge should be selected according to the local conditions such as sludge properties，heating value，auxiliary heat source and so on.

Keywords：sludge； drying； incineration； moisture content

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市化的發(fā)展，污水產(chǎn)量不斷增長(zhǎng).截至2014年底，全國(guó)設(shè)市城市、縣（不含其他建制鎮(zhèn)）累計(jì)建成污水處理廠3 717座，污水處理能力1.57億m3·d-1，較2013年新增約800萬(wàn)m3·d-1.按此污水處理規(guī)模，全國(guó)城市污水處理廠污泥的年產(chǎn)量超過(guò)3 500萬(wàn)t（以含水率80%計(jì)）[1]，本文含水率指質(zhì)量分?jǐn)?shù).根據(jù)相關(guān)預(yù)測(cè)，隨著污水收集率和污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，我國(guó)城市污泥產(chǎn)量在未來(lái)的10年還將有較大的增長(zhǎng)[1].因此，我國(guó)將面臨巨大的污泥處置壓力.

以焚燒為核心的處置方法是最徹底的污泥處置方法，它的減量化效果十分明顯，同時(shí)可以殺死污泥中的病原菌，而且干污泥熱值與褐煤相當(dāng)，焚燒過(guò)程中可以回收能量用于供熱或發(fā)電.與污泥填埋、堆肥處理相比，污泥干化焚燒處理技術(shù)可節(jié)省大量土地，減少污泥的二次污染，同時(shí)還充分利用了再生能源，達(dá)到了對(duì)污泥處理的減量化、無(wú)害化、資源化的目的.利用焚燒方式回收污泥中有機(jī)質(zhì)熱能，并將焚燒后的灰渣作為建筑材料或輕質(zhì)材料的原材料，已成為污泥資源化利用的主導(dǎo)方向，因此采用焚燒法處理污泥具有很好的發(fā)展前景[2].

國(guó)內(nèi)外主流的污泥焚燒處理工藝是先將污水廠產(chǎn)生的脫水污泥進(jìn)行干化，干化后的污泥送入焚燒爐進(jìn)行處理，得到爐渣和飛灰，進(jìn)而用于填埋或者建材利用[3].在污泥焚燒處理工藝中，入爐污泥含水率是干化焚燒工藝中的重要參數(shù)，它直接關(guān)系到設(shè)備規(guī)格、能源消耗、運(yùn)行管理等各方面.

根據(jù)國(guó)內(nèi)類似市政污水處理廠的污泥特性，污泥在含水率50%～60%時(shí)為粘滯區(qū)[2].國(guó)內(nèi)外污泥干化焚燒工程中較為典型的入爐污泥含水率（指進(jìn)入污泥焚燒爐的污泥含水率）分別為60%、40%、10%，這三種入爐污泥含水率各有優(yōu)缺點(diǎn)，且在國(guó)內(nèi)外均有工程應(yīng)用.本文以上海某污水處理廠污泥為例，通過(guò)理論計(jì)算和工程設(shè)計(jì)分析，研究入爐污泥含水率對(duì)污泥干化焚燒工藝的影響.

1 主要工藝及參數(shù)概況

1.1 干化焚燒工藝流程概況

污泥干化主要有直接干化和間接干化兩種形式.本文主要針對(duì)間接干化，并采用蒸汽作為熱媒介質(zhì).鼓泡流化床是一種較合適的污泥焚燒設(shè)備.據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)外污泥焚燒項(xiàng)目中65%以上采用流化床焚燒爐，且國(guó)內(nèi)已有多項(xiàng)采用該類焚燒爐處理污泥工程實(shí)例[4]，故本文計(jì)算中污泥焚燒爐以鼓泡流化床為例.要使污泥在爐內(nèi)穩(wěn)定焚燒，必須達(dá)到一定的絕熱火焰溫度[5].根據(jù)固體廢棄物焚燒相關(guān)規(guī)范要求，焚燒爐燃燒溫度需要控制在850 ℃以上，煙氣在爐內(nèi)停留時(shí)間至少達(dá)到2 s[6].

污泥干化焚燒工藝流程如圖1所示.污泥干化系統(tǒng)采用蒸汽間接加熱干燥機(jī)；焚燒系統(tǒng)采用鼓泡流化床焚燒爐；余熱利用系統(tǒng)為余熱鍋爐；煙氣處理系統(tǒng)為旋風(fēng)除塵器+半干噴淋塔+布袋除塵器+濕式脫酸塔+煙氣再熱器[7].整個(gè)干化焚燒系統(tǒng)熱量不足部分由電廠蒸汽補(bǔ)充.

1.2 污泥泥質(zhì)分析

以上海某污水處理廠得到的污泥為例，污泥干燥基成分如表1所示，包括元素分析、工業(yè)分析和低位發(fā)熱量，其中：元素分析中Cd、Hd、Od、Nd、Sd分別為干燥基下污泥中元素C、H、O、N和S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；工業(yè)分析中FCd、Vd、Ad、Md分別為干燥基下固定碳、揮發(fā)份、灰分和水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

以污泥處理規(guī)模125 t·d-1（按含水率80%計(jì)）為例，對(duì)不同干化程度下的污泥干化焚燒系統(tǒng)進(jìn)行比較分析，選取有代表性的入爐污泥含水率（入爐含水率指進(jìn)入污泥焚燒爐的污泥含水率）設(shè)計(jì)點(diǎn)——10%、40%和60%三種工況，就其總體工藝參數(shù)、干化系統(tǒng)、焚燒系統(tǒng)、煙氣處理系統(tǒng)、車間土建結(jié)構(gòu)、能耗等方面進(jìn)行比較.

2 入爐污泥含水率比較及分析

根據(jù)工藝流程及污泥泥質(zhì)分析數(shù)據(jù)，本文依據(jù)《CJJ 131—2009城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理技術(shù)規(guī)程》[8]對(duì)三種不同入爐污泥含水率下的工藝參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，其中干燥機(jī)熱量損耗按蒸發(fā)單位水量3 090 kJ·（kg H2O）-1計(jì)，比蒸發(fā)速率本文取15 kg H2O·（m2·h）-1；排煙量指煙氣處理系統(tǒng)進(jìn)口處在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的煙氣量；煙氣從50 ℃再熱至110 ℃左右需消耗蒸汽約260 kg·h-1.計(jì)算得到的主要工藝參數(shù)及相應(yīng)的工藝設(shè)計(jì)分別如表2、3所示.

分析表2、3可以發(fā)現(xiàn)，就該污水處理廠污泥而言，隨著入爐污泥含水率升高，有：

（1） 污泥實(shí)際入爐單位熱值變小，而且入爐污泥總熱量也隨之變小.因?yàn)殡S著污泥含水率的增大，入爐污泥中水分的吸熱量也增大，導(dǎo)致實(shí)際入爐總熱量變小.

（2） 鍋爐爐型的設(shè)計(jì)也受到了較大的影響.在含水率較低時(shí)，需要在鍋爐內(nèi)設(shè)置爐內(nèi)換熱面，以防止?fàn)t膛溫度過(guò)高，且入爐污泥含水率越低，在爐內(nèi)設(shè)置的換熱面面積越大；而在含水率高于45%時(shí)，爐內(nèi)溫度無(wú)法達(dá)到850 ℃的燃燒溫度，需將入爐的流化空氣溫度提高至300 ℃甚至更高，方可實(shí)現(xiàn)焚燒爐內(nèi)污泥的穩(wěn)定燃燒[6].

（3） 鍋爐排煙熱損失逐漸增大.主要是因?yàn)槿霠t污泥中的水分轉(zhuǎn)化為水蒸氣后，在鍋爐排煙溫度下無(wú)法被利用，增加了排煙熱損失.

（4） 熱量缺口逐漸變小.雖然入爐污泥含水率較低時(shí)鍋爐實(shí)際可回收利用的熱量較大，但是污泥在干化階段所需熱量也較大.

（5） 干化階段設(shè)備主要工藝參數(shù)，如干燥機(jī)蒸發(fā)量、干化系統(tǒng)載氣量等參數(shù)變小.在入爐污泥含水率較低時(shí)，由于需要將大部分水分在干化階段蒸發(fā)，導(dǎo)致干燥機(jī)的蒸發(fā)能力增大，同時(shí)干燥機(jī)的相關(guān)配套設(shè)備，如載氣洗滌塔、載氣循環(huán)風(fēng)機(jī)等的規(guī)格也相應(yīng)增大.

（6） 焚燒及煙氣處理階段設(shè)備的規(guī)格提高.由于入爐污泥含水率越大，入爐污泥總量越大，焚燒爐處理量越大，導(dǎo)致焚燒爐尺寸增大，同時(shí)也產(chǎn)生了較多的煙氣，直接導(dǎo)致后續(xù)煙氣處理設(shè)施規(guī)格提高.煙氣中水分含量較高也會(huì)影響袋式除塵器的布袋材質(zhì)和使用壽命[6].

（7） 干化后污泥儲(chǔ)存及運(yùn)輸均需占用較大的空間，而且半干污泥的長(zhǎng)期儲(chǔ)存易造成板結(jié)等問(wèn)題.

綜上所述，在入爐污泥含水率為10%左右時(shí)：由于干化程度高，對(duì)干燥機(jī)處理能力要求較高，同時(shí)對(duì)干污泥儲(chǔ)存及輸送的要求較高；由于入爐熱值高，宜采用流化床焚燒爐，并在爐內(nèi)布置受熱面，以確保爐內(nèi)溫度滿足要求；由于煙氣量較小，且含水率較低，煙氣處理系統(tǒng)整體規(guī)模較小.

污泥在含水率40%左右進(jìn)爐時(shí)，干燥機(jī)型式選擇余地較大，焚燒宜采用流化床焚燒爐，并在爐內(nèi)布置受熱面，以確保達(dá)到爐內(nèi)溫度要求[9].

污泥在含水率60%左右進(jìn)爐時(shí)，干燥機(jī)型式選擇余地較大，同時(shí)由于干燥機(jī)產(chǎn)泥的含固率宜在60%以上，故適合采用干濕泥混合進(jìn)爐.由于入爐熱值低，可采用流化床等焚燒爐，同時(shí)可在焚燒爐后布置受熱面，即采用余熱鍋爐.由于煙氣量較大，且含水率較高，煙氣處理系統(tǒng)整體規(guī)模較大，而且對(duì)相關(guān)設(shè)施的要求較高.但半干污泥的儲(chǔ)存和輸送較為不便[10].

理論上而言，污泥含水率在60%左右時(shí)即能在焚燒爐中維持穩(wěn)定燃燒.干化焚燒工藝在該工況下外加能量最小，且此類工程在國(guó)外有較多的成功案例.而事實(shí)上國(guó)內(nèi)城市污水處理廠脫水污泥的干基熱值范圍為5 844～19 303 kJ·kg-1，均值為11 850 kJ·kg-1，比歐美等發(fā)達(dá)地區(qū)的低22.4%～37.7%[11].在污泥干基熱值低、波動(dòng)大的情況下，很難保證污泥能在焚燒爐內(nèi)穩(wěn)定地自持燃燒.

3 結(jié) 論

本文針對(duì)上海某污水處理廠污泥，結(jié)合國(guó)內(nèi)外主流的焚燒處理工藝，對(duì)不同污泥含水率下污泥干化焚燒處理的特點(diǎn)進(jìn)行了研究分析.主要有以下結(jié)論：

（1） 隨著干化程度的提高，對(duì)干燥機(jī)處理能力要求提高，干燥機(jī)型式的選擇范圍變小.

（2） 在入爐污泥含水率較低時(shí)，焚燒爐內(nèi)需設(shè)置受熱面（如埋管、水冷壁等），以確保爐內(nèi)溫度處于850～950 ℃之間.當(dāng)污泥含水率為60%時(shí)，可將受熱面布置于其后的余熱鍋爐中.

（3） 當(dāng)入爐污泥含水率高于60%，則焚燒溫度不能達(dá)到850 ℃以上，必須添加輔助燃料，對(duì)焚燒的經(jīng)濟(jì)性不利，而且水分含量越高，進(jìn)料量和煙氣量越大，焚燒和煙氣處理設(shè)備體積龐大.另外，煙氣中水分含量高也會(huì)影響袋式除塵器的布袋材質(zhì)和使用壽命.

（4） 污泥干化程度過(guò)高，在系統(tǒng)中易產(chǎn)生粉塵.此時(shí)全干化系統(tǒng)要求處在完全密閉的惰性環(huán)境，系統(tǒng)內(nèi)要密切控制氧含量、粉塵濃度、溫度和污泥散發(fā)的可燃性氣體濃度，在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中同樣要保持惰性環(huán)境.因此，在安全上對(duì)設(shè)備材質(zhì)、系統(tǒng)安裝、運(yùn)行管理的要求高.

（5） 由于污泥泥質(zhì)特性隨時(shí)間變化大，且無(wú)規(guī)律可循，在污泥熱值整體偏低的地區(qū)，采用60%的入爐污泥含水率存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，增加了運(yùn)行管理的難度.若實(shí)際運(yùn)行時(shí)入爐污泥含水率偏離設(shè)計(jì)工況，將導(dǎo)致整體運(yùn)行工況偏離設(shè)計(jì)工況，以及由于熱量缺口導(dǎo)致爐內(nèi)噴油槍常態(tài)化運(yùn)行等.

綜上所述，污泥入爐含水率對(duì)污泥焚燒處理工程中的工藝選擇及布置影響較大.污泥焚燒處理工程設(shè)計(jì)時(shí)不宜照搬國(guó)內(nèi)外類似工程的入爐含水率，應(yīng)根據(jù)污水處理廠污泥泥質(zhì)特性、熱值、輔助熱源和運(yùn)行管理等實(shí)際情況，合理選擇入爐污泥含水率.

根據(jù)本文中上海某污水處理廠污泥特性，結(jié)合工廠實(shí)際情況，建議入爐污泥含水率確定在40%左右.

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