垃圾焚燒廠協(xié)同焚燒污泥的工藝研究

喬 旭

（上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703）

現(xiàn)有垃圾焚燒廠可以協(xié)同焚燒污泥，利用廠區(qū)的蒸汽、煙氣等熱量為污泥預(yù)處理提供熱源，從而有效降低污泥處置的投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用。國內(nèi)生活垃圾協(xié)同處置污泥項目的主要工藝為干化污泥入爐焚燒，如發(fā)電廠協(xié)同焚燒干化污泥（含水率40%），此工藝在一定程度上實(shí)現(xiàn)污泥減量化及無害化，但處置過程容易產(chǎn)生二次污染，安全性差，因此大規(guī)模應(yīng)用受到限制。

近年來，新興的污泥低溫炭化技術(shù)以投資少、能耗低等優(yōu)勢，在行業(yè)內(nèi)得到廣泛關(guān)注和迅速發(fā)展。目前，國外污泥低溫炭化技術(shù)十分成熟，而國內(nèi)污泥低溫炭化技術(shù)處于起步階段，該領(lǐng)域主要依賴國外技術(shù)。毛彥霞等介紹污泥炭化技術(shù)的基本原理及國內(nèi)外污泥炭化技術(shù)的研究進(jìn)展，提出低溫炭化物具有微臭、低自燃性、高熱值等優(yōu)點(diǎn)，可作為混合燃料使用。然而，現(xiàn)階段，垃圾焚燒廠協(xié)同焚燒低溫炭化污泥的工藝及其燃燒特性鮮有報道。本文結(jié)合機(jī)械爐排式焚燒爐焚燒技術(shù)，重點(diǎn)討論生活垃圾與干化污泥、低溫炭化污泥協(xié)同焚燒的工藝特點(diǎn)，通過計算對比分析摻燒干化污泥和摻燒低溫炭化污泥對垃圾焚燒特性的影響，以期為垃圾焚燒廠協(xié)同處理污泥提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

本文以我國南方某城市為例，將其垃圾組分檢測數(shù)據(jù)作為分析對象，采樣日期為2019年12月。參照《生活垃圾采樣和分析方法》（CJ/T 313—2009），合理進(jìn)行生活垃圾采樣和分類；樣品用鼓風(fēng)恒溫烘箱在105 ℃干燥至恒重，通過稱量測定其含水率；工業(yè)分析中，灰分、揮發(fā)分、固定碳用馬弗爐測定；熱值用微電腦熱量計測定。參考《元素分析儀分析方法通則》（JY/T 0580—2020），硫、碳、氫、氮等元素用元素分析儀測定，氧元素含量由差值法計算得到。參考《離子色譜分析方法通則》（JY/T 0575—2020），氯離子用離子色譜儀測定。

經(jīng)測定，原生垃圾低位熱值（LHV）約為5 270 kJ/kg，垃圾進(jìn)入儲料坑后，進(jìn)行5 ～7 d 的熟化，滲濾析出比例按20%考慮，垃圾熱值有一定的上升空間，入爐垃圾低位熱值約為7 235 kJ/kg，如表1 所示。馬文博通過試驗手段測得干化污泥和低溫炭化污泥的組分，如表2 所示。

表1 垃圾成分分析（收到基）

表2 污泥成分對比分析

1.2 研究方法

下面以600 t/d 處理規(guī)模的生活垃圾焚燒系統(tǒng)為例，介紹兩種協(xié)同焚燒污泥的工藝路線，分析當(dāng)前垃圾熱值條件下?lián)綗苫勰鄷r垃圾焚燒鍋爐的燃燒特性和摻燒低溫炭化污泥時垃圾焚燒鍋爐的燃燒特性。設(shè)計參數(shù)如下：余熱鍋爐選用中溫次高壓（450 ℃，6.4 MPa），污泥入爐摻燒比例、含水率均為10%，過量空氣系數(shù)為1.6，省煤器出口煙溫為190 ℃。根據(jù)污泥和生活垃圾摻燒比例進(jìn)行計算，得到入爐燃料特性，如表3 所示。其中，工況1 為生活垃圾單獨(dú)焚燒（600 t/d），工況2為生活垃圾與干化污泥協(xié)同焚燒，工況3 為生活垃圾與低溫炭化污泥協(xié)同焚燒。

表3 入爐燃料性質(zhì)（收到基）

1.3 工藝路線

1.3.1 垃圾焚燒廠協(xié)同焚燒干化污泥工藝

垃圾焚燒廠協(xié)同焚燒干化污泥是指污泥經(jīng)過干化處理后與垃圾混合焚燒。根據(jù)熱介質(zhì)與污泥接觸方式，該工藝可分為三種，即直接加熱式、間接加熱式和直接-間接聯(lián)合式，主要工藝流程如圖1 所示。污泥首先經(jīng)機(jī)械脫水至含水率80%，儲存在濕污泥料倉，再通過柱塞泵送入污泥干化機(jī)進(jìn)行干化處理。利用熱介質(zhì)（蒸汽等）直接或間接加熱污泥，使污泥中全部水分或部分水分蒸發(fā)。干化后的污泥含水率降低、熱值升高，經(jīng)造粒后送至垃圾坑，與生活垃圾充分混合后共同入爐燃燒，徹底分解污泥中的有機(jī)物和有害成分，達(dá)到減量化、無害化的處理目的。污泥干化過程釋放的廢氣經(jīng)過旋風(fēng)除塵器、冷凝器處理后可作為焚燒鍋爐一次風(fēng)或二次風(fēng)，干化廢水送入廢水處理中心。此工藝需要消耗大量能源，干化過程有粉塵爆炸和自燃的風(fēng)險，還會釋放大量臭氣，對環(huán)境造成二次污染。

圖1 垃圾焚燒廠協(xié)同焚燒干化污泥的工藝流程

1.3.2 垃圾焚燒廠協(xié)同焚燒低溫炭化污泥工藝

垃圾焚燒廠協(xié)同焚燒低溫炭化污泥是指污泥經(jīng)過低溫炭化處理后與垃圾混合焚燒，工藝流程如圖2所示。

圖2 垃圾焚燒廠協(xié)同焚燒低溫炭化污泥的工藝流程

暫存在濕污泥料倉的含水率80%污泥利用加壓泵加壓至6 ～10 MPa，然后送入污泥低溫炭化機(jī)。炭化前污泥無須干化，利用垃圾焚燒廠產(chǎn)生的煙氣（300 ～400 ℃）加熱污泥，使污泥中的有機(jī)物充分裂解，污泥中的水分和固體分離，而有利用價值的炭質(zhì)得到保留，形成裂解液。裂解液冷卻后進(jìn)行機(jī)械脫水，在垃圾坑儲存5 ～7 d，污泥含水率可降至小于10%，最終通過焚燒實(shí)現(xiàn)污泥的減量化、無害化處置。產(chǎn)生的廢水進(jìn)入廢水處理中心，炭化后的廢氣通過煙氣凈化系統(tǒng)處理達(dá)標(biāo)后排放。

污泥炭化是基于對污泥細(xì)胞結(jié)構(gòu)的分解，釋放細(xì)胞內(nèi)的水分，污泥具有高分散性、多相性和聚結(jié)不穩(wěn)定性，在熱作用下，其物理結(jié)構(gòu)遭到破壞。其技術(shù)特點(diǎn)是污泥改性后脫水性能大大提高。垃圾焚燒廠協(xié)同焚燒低溫炭化污泥，僅通過機(jī)械方法即可將污泥中75%的水分脫出。污泥在上述工藝流程中通過特種泵和管道輸送，這樣不但節(jié)省大量的輸送成本，而且操作簡單、輸送效率高。低溫炭化后的污泥極易脫水，整個生產(chǎn)過程產(chǎn)生的廢氣較少，能夠有效地避免環(huán)境的二次污染。

2 結(jié)果與討論

2.1 摻燒污泥對焚燒鍋爐的影響

干化污泥和低溫炭化污泥分別與生活垃圾摻燒時對焚燒鍋爐的影響如表4 所示。工況1、工況2 和工況3 的焚燒特性數(shù)據(jù)顯示，鍋爐蒸發(fā)量呈減小趨勢，鍋爐整體效率無明顯變化，而爐渣量和飛灰量逐漸增加。對比工況1 與工況2，摻燒干化污泥后，鍋爐蒸發(fā)量減少約2.2%，爐渣和飛灰均增加約17.4%；工況3 與工況2 相比，鍋爐蒸發(fā)量減少約2.1%，爐渣和飛灰變化幅度較小，均增加約3.2%。

表4 摻燒污泥對焚燒鍋爐的影響

摻燒污泥對焚燒鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生一定的負(fù)面效應(yīng)。飛灰量增加會加劇鍋爐換熱管束的積灰程度，降低受熱面的傳熱效率，縮短受熱面壽命，因此設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)加大余熱鍋爐的管束節(jié)距和受熱面面積，采用高效清灰系統(tǒng)。另外，由于熱值降低和未完全燃燒損失增大，鍋爐有效吸收熱減少導(dǎo)致鍋爐蒸發(fā)量和鍋爐效率均下降。相對于干化污泥而言，摻燒低溫炭化污泥對焚燒鍋爐提出更高的設(shè)計和運(yùn)行要求。

2.2 摻燒污泥對鍋爐出口煙氣成分的影響

污泥的加入使入爐燃料成分發(fā)生變化，其對鍋爐出口處煙氣成分的影響如表5 所示。由表5 可得，工況1、工況2、工況3 的鍋爐出口煙氣量依次減少，CO、HO、N體積濃度相似。與工況1 相比，工況2、工況3 鍋爐出口SO、NO污染物濃度均大幅度增加，SO分別增加106.3%、74.7%，NO分別增加42.0%、34.1%。對比工況2 和工況3，后者SO污染物濃度下降約15.3%，NO污染物濃度下降約4.0%。與干化污泥相比，污泥炭化后含有更少的S、N 元素，在相同焚燒條件下轉(zhuǎn)化的煙氣污染物濃度更低，煙氣指標(biāo)較易控制，各類煙氣凈化消耗品減少，更有利于垃圾焚燒廠長期運(yùn)行。

表5 摻燒污泥對鍋爐出口煙氣成分的影響

2.3 能耗及發(fā)電量分析

污泥干化通常需要將其加熱至大于100 ℃，水分蒸發(fā)過程需要吸收大量熱量，污泥低溫炭化技術(shù)通過加壓方式使得污泥水分無蒸發(fā)過程。以本項目設(shè)計條件為基礎(chǔ)，在污泥處理量和含水率相同的條件下，污泥干化所需能量折合約2 036 kJ/t 濕污泥（含水率80%），污泥低溫炭化所需能量折合約986 kJ/t濕污泥（含水率80%），后者運(yùn)行能耗比前者減少約51.6%，污泥低溫炭化技術(shù)極大地節(jié)省污泥預(yù)處理成本。

從發(fā)電量角度來看，垃圾單獨(dú)焚燒、垃圾摻燒干化污泥與垃圾摻燒低溫炭化污泥時，平均噸物料發(fā)電量分別為538.5 kW·h/t、528.6 kW·h/t 和518.2 kW·h/t。隨著污泥的加入，入爐物料熱值降低，平均噸物料發(fā)電量逐漸減少。與干化污泥相比，摻燒低溫炭化污泥的噸物料發(fā)電量僅降低2%，說明垃圾焚燒廠摻燒干化污泥和低溫炭化污泥的噸物料發(fā)電量無明顯差別。

3 結(jié)論

本文結(jié)合機(jī)械爐排式焚燒爐焚燒技術(shù)，著重介紹兩種垃圾與污泥協(xié)同焚燒工藝，通過計算對比分析摻燒干化污泥和摻燒低溫炭化污泥對垃圾焚燒特性的影響。研究表明，摻燒污泥對焚燒鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生一定的負(fù)面效應(yīng)。加入污泥焚燒后，鍋爐蒸發(fā)量呈減小趨勢，鍋爐整體效率無明顯變化，而爐渣量和飛灰量逐漸增加。與干化污泥相比，摻燒低溫炭化污泥的鍋爐蒸發(fā)量減少約2.1%，爐渣和飛灰變化幅度較小，均增加約3.2%。與垃圾單獨(dú)焚燒相比，摻燒污泥后，鍋爐出口SO、NO污染物濃度均大幅度增加，SO分別增加106.3%、74.7%，NO分別增加42.0%、34.1%。對比摻燒干化污泥和摻燒低溫炭化污泥，后者SO污染物濃度下降約15.3%，NO污染物濃度下降約4.0%。污泥低溫炭化過程所需的能耗比干化過程減少約51.6%，平均噸物料發(fā)電量僅降低2%，表明污泥低溫炭化能夠明顯降低運(yùn)行成本。污泥低溫炭化技術(shù)為垃圾焚燒廠協(xié)同焚燒污泥提供一種新途徑，具有高效、快速和減量化徹底的優(yōu)點(diǎn)，可解決現(xiàn)有干化污泥協(xié)同焚燒系統(tǒng)投資高、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高以及污泥轉(zhuǎn)移過程中引起的泄漏等問題。從安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，垃圾焚燒廠協(xié)同焚燒低溫炭化污泥的優(yōu)勢明顯，其具有重要的市場應(yīng)用價值。