市政污泥干化焚燒工藝設計與思考

周志強 張騰 王美蓉

（江蘇優(yōu)聯(lián)環(huán)境發(fā)展有限公司，江蘇南通 226010）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)廢水、生活污水的排放量與日俱增，廢水處理過程中產(chǎn)生的污泥量不斷增加。污泥中含有大量的病原微生物、寄生蟲卵、重金屬及鹽類等成分，處理不當易造成嚴重的環(huán)境污染。同時，污泥中含有大量有機質(zhì)、P、K 等元素，具有一定的利用價值。

結合國內(nèi)的污泥特性和國外的工程案例，遵循“穩(wěn)定化、減量化、資源化和無害化”的原則，我國已研究出成熟的污泥處置技術，主要包括污泥發(fā)酵后進行土地利用、厭氧消化制沼氣、污泥干化后土地利用、污泥干化焚燒、污泥協(xié)同焚燒等。其中，“污泥干化+焚燒”的處置工藝是減量化、無害化效果最好的處置方式之一，但其建設成本和運行成本相對較高［1］。目前已建成的污泥干化焚燒工程主要在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，如上海市石洞口片區(qū)污泥干化焚燒處理工程、上海市竹園污泥干化焚燒工程、上海市白龍港污泥干化焚燒處理工程、蘇州工業(yè)園區(qū)污泥干化焚燒工程。

2 工程概況

南方某污泥干化焚燒工程采用“干化+焚燒發(fā)電”的污泥處置工藝，主要用來處理當?shù)厥姓勰嗪陀∪酒髽I(yè)的印染污泥，工程設計處理能力為100 tDS/d，經(jīng)過半干化、焚燒處理后，污泥減量化達90%以上，剩余產(chǎn)物性能穩(wěn)定，可用于制磚或其他建筑材料。工程于2017 年7 月開始建設，2019 年年底建成投產(chǎn)。

3 工程工藝設計及特點

3.1 總體工藝設計

污泥處置工程采用“污泥離心干化+循環(huán)流化床焚燒發(fā)電”的處置工藝，工藝流程見圖1。離心干化機將含水率為80%左右的污泥半干化至25%～30%，半干化的污泥成為循環(huán)流化床鍋爐的主要燃料，汽輪發(fā)電機組與余熱鍋爐配套使用，將污泥焚燒的熱能轉(zhuǎn)化為電能，為廠區(qū)設備供電。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各污染物都在處理后達標排放。

圖1 系統(tǒng)工藝流程

3.2 干化系統(tǒng)

3.2.1 工藝流程

80%含水率的外來污泥儲存于濕污泥料倉中，經(jīng)螺旋輸送機和螺桿泵輸送至離心干化機。離心干化機以1.0 MPa、180 ℃的飽和蒸汽為熱源，將污泥含水率由80%干化至25%～30%，半干化的污泥通過皮帶機和斗提機輸送至干污泥料倉儲存。干化廢氣經(jīng)板式換熱器冷卻除濕后，輸送至鍋爐焚燒處理，干化廢水排放至廢水處理系統(tǒng)。

3.2.2 主要設計參數(shù)

干化系統(tǒng)主要設計參數(shù)見表1。

表1 干化系統(tǒng)主要設計參數(shù)

3.2.3 系統(tǒng)設計

濕污泥料倉為地下式設計，污泥運輸車可在地面直接傾倒。濕污泥的輸送方式設計為“螺旋輸送機+螺桿泵”的輸送組合，輸送穩(wěn)定。

干化系統(tǒng)中離心干化機的加熱方式為多段式單獨進汽方式，根據(jù)污泥的干化特性，可調(diào)整污泥黏滯區(qū)的進汽量，降低污泥在黏滯區(qū)的停留時間，提高設備運行穩(wěn)定性。

離心干化機的每段加熱夾層下都設置疏水裝置，蒸汽、冷凝水通過疏水裝置分離。干化機進泥管道為夾層式，濕污泥經(jīng)蒸汽凝結水預熱后溫度提高10～15 ℃。蒸汽凝結水作為焚燒系統(tǒng)的補給水回收利用。

3.3 焚燒發(fā)電系統(tǒng)

3.3.1 工藝流程

焚燒發(fā)電系統(tǒng)采用“循環(huán)流化床鍋爐+余熱鍋爐+汽輪機+發(fā)電機”的工藝組合。循環(huán)流化床鍋爐以半干化污泥和生物質(zhì)為燃料，焚燒熱量被余熱鍋爐利用，將104 ℃的除鹽水加熱成4.0 MPa、400 ℃的過熱蒸汽，再通過汽輪發(fā)電機組的作用，將熱能轉(zhuǎn)化成電能，為廠區(qū)設備供電。減溫、減壓后的過熱蒸汽成為飽和蒸汽，為干化系統(tǒng)提供熱源。焚燒產(chǎn)生的廢氣進入煙氣處理系統(tǒng)處理達標后排放，爐渣經(jīng)冷渣機冷卻后，輸送至渣倉儲存，外運后用于建材，廢水排入廢水處理系統(tǒng)。

3.3.2 主要設計參數(shù)

焚燒系統(tǒng)主要設計參數(shù)見表2。

表2 焚燒系統(tǒng)主要設計參數(shù)

3.3.3 系統(tǒng)設計

污泥與生物質(zhì)的成分與熱值見表3。

表3 污泥與生物質(zhì)的成分與熱值

由表3 可知，擬處置的污泥中N，S 含量較高，燃燒中將產(chǎn)生大量的NOX，SO2，增加煙氣處理難度。選用污泥、生物質(zhì)的干基低位發(fā)熱量為1 830～2 276 kcal/kg，遠低于標煤、天然氣等常規(guī)燃料。鑒于燃料特點，焚燒爐選用循環(huán)流化床鍋爐，該鍋爐燃燒效率高、污染物產(chǎn)生量少。

設計選用的循環(huán)流化床鍋爐是在鼓泡式流化床鍋爐技術的基礎上發(fā)展起來的爐型，具有熱效率高、燃料適應性強、煙氣中有害氣體排放濃度低等特點［2］。循環(huán)流化床鍋爐比鼓泡式流化床鍋爐產(chǎn)渣率更高，可減少煙氣中粉塵的含量，達到降低生產(chǎn)運行成本的目的?？紤]到污泥和生物質(zhì)的熱值，燃燒初期爐膛升溫困難，增設點火燃燒器助燃。

經(jīng)鍋爐熱平衡計算，燃料干基低溫發(fā)熱量能滿足中溫中壓循環(huán)流化床鍋爐的自持燃燒，余熱鍋爐與1.1 MW 汽輪發(fā)電機組配套使用，合理利用過熱蒸汽的熱能，發(fā)電機供電基本滿足廠區(qū)工業(yè)設備使用。

3.4 煙氣處理系統(tǒng)

3.4.1 工藝流程

煙氣處理系統(tǒng)采用“爐內(nèi)噴鈣脫硫+SNCR 脫硝+靜電除塵+活性炭噴射+布袋除塵+鈉堿法脫硫+消白”的工藝組合，鍋爐煙氣排放標準參照《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB 18485—2014）。飛灰經(jīng)過水泥固化后填埋處置，脫硫廢水排入廢水處理系統(tǒng)。

3.4.2 系統(tǒng)設計

飛灰的處置成本是污泥干化焚燒系統(tǒng)成本的重要組成部分。設計中采用靜電除塵和布袋除塵兩級除塵方式，靜電除塵器能去除煙氣中超過98%的粉塵，這部分飛灰按照一般固體廢棄物進行處置；布袋除塵器與活性炭噴射裝置配套使用，活性炭常用于吸附煙氣中揮發(fā)性金屬、二英等污染物，布袋除塵器捕獲了前端噴射的活性炭，飛灰參照垃圾處理行業(yè)的飛灰處置規(guī)范，按照危險固體廢棄物進行處置。多段除塵的設計減少了布袋除塵飛灰的產(chǎn)量，降低了飛灰處理費用。

煙氣處理系統(tǒng)采用濕法去除SO2和HCl 等污染物，濕法脫硫處理效率高于半干法和干法脫硫，但廢水中離子濃度高，增加了廢水處理的難度。煙氣消白系統(tǒng)采用堿液噴淋降溫的方式，在消白的同時，能夠規(guī)避煙氣污染物濃度波動的風險，保證煙氣達標排放。

4 思考

4.1 污泥原料的影響

污泥性質(zhì)是整個干化焚燒系統(tǒng)設計的核心。污泥含水率、有機質(zhì)含量、污泥雜質(zhì)等重要參數(shù)會隨生產(chǎn)要素、季節(jié)條件等波動，在設計階段將影響設計參數(shù)的確定和設備的選型。從設計工藝角度考慮，設計中需要考慮各種不利因素，確保系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行；從設計成本上考慮，各不利條件都將增加投資、運行成本。因而在設計階段，業(yè)主單位可與產(chǎn)污泥單位進行技術協(xié)商，規(guī)避一些不利因素，降低項目投資成本和生產(chǎn)成本。

4.2 汽輪發(fā)電機組的設計

汽輪發(fā)電機組是否配套設計，原料特點是主要的參考因素之一。本工程中，污泥和生物質(zhì)有較高的熱值，核算燃燒熱平衡和經(jīng)濟效益，將循環(huán)流化床鍋爐設計為中溫中壓鍋爐，配備汽輪發(fā)電機組的設計較合理。但從原料的來源考慮，設計燃料為市政污泥、印染污泥和生物質(zhì)，原料組成多樣，來源會隨生產(chǎn)條件波動，將影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，進而影響焚燒發(fā)電系統(tǒng)的整體效率。

部分采用“干化+焚燒”工藝的污泥處置單位，如上海市竹園污泥干化焚燒工程、上海市白龍港污泥干化焚燒處理工程，其采用焚燒系統(tǒng)配套低溫低壓鍋爐，余熱鍋爐的蒸汽直接用于污泥干化［3-4］。針對來源穩(wěn)定、熱值高的原料，本設計處理工藝將更合理。

4.3 爐渣與飛灰的處置

爐渣作為生活垃圾、污泥等一般固體廢棄物焚燒產(chǎn)生的副產(chǎn)物，主要用于制磚或制作其他建材，產(chǎn)渣單位的收益較低。不同于生活垃圾等燃料，污泥中含有豐富的Mg，P，K 等元素，可進行回收利用。有效回收污泥焚燒灰渣中的元素將是污泥資源化研究的重要方向。

煙氣處理中，布袋除塵器飛灰按規(guī)范要求為危險固體廢棄物，處理費遠高于一般固體廢棄物。當焚燒爐溫度低于870 ℃時，大多數(shù)的重金屬都處于未蒸發(fā)狀態(tài)，對其排放量的影響很?。?］。各地區(qū)的市政污泥、印染污泥由于水質(zhì)和工藝的差異，金屬含量各不相同；各焚燒工藝的焚燒爐膛溫度、停留時間和湍流程度互不相同，因而污泥焚燒飛灰是否參照垃圾焚燒規(guī)范定性為危險廢棄物，需要環(huán)保部門制定更科學的判定方法。這將有利于降低污泥處置的生產(chǎn)成本，有利于污泥處置行業(yè)的規(guī)范化和可持續(xù)發(fā)展。

5 結語

污泥干化焚燒工藝設計受污泥性質(zhì)、污泥來源、各地政策規(guī)范和設備性能成本等方面影響。隨著工藝設備的成熟和政策規(guī)范因地制宜地制定實施，污泥干化焚燒工藝在國內(nèi)將有越來越多的應用。