污泥焚燒技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王 成，陳柏校，夏玉坤，洪根惠，李 林

（杭州國泰環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，杭州 311200）

污泥的無害化處置一直是污水處理廠及環(huán)境領(lǐng)域關(guān)注的熱點。2021年6月，國家發(fā)展和改革委員會、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》，提出2025年城市污泥無害化處置率至少達(dá)到90%?，F(xiàn)階段，我國污泥處置技術(shù)以填埋、土地利用和焚燒為主。污泥填埋處置存在污染周邊土壤和地下水的風(fēng)險，加上土地資源日趨緊缺，其逐步被淘汰。隨著污泥土地利用風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)的提高，加之市場消納能力非常有限，污泥的土地利用也穩(wěn)步減少。以焚燒為主的污泥熱處理技術(shù)具有減量化和無害化程度高、資源化綜合利用率高的優(yōu)點，受到各地的重視。

國內(nèi)廠商在爐溫控制、爐體防腐、煙氣處理等關(guān)鍵技術(shù)上取得長足進(jìn)步，污泥焚燒裝備的國產(chǎn)化率顯著提高，其投資和運行成本也逐步降低，市場接受度穩(wěn)步提升。低碳綠色的污泥處置技術(shù)是未來的發(fā)展方向，現(xiàn)有污泥焚燒技術(shù)還有較大提升空間。本文分析了國內(nèi)外污泥焚燒技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，以期提出符合碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的污泥處置技術(shù)方案。

1 污泥焚燒技術(shù)

污泥熱處理以污泥單獨或協(xié)同焚燒為主，是發(fā)達(dá)國家的主流污泥終端處置方法。目前，荷蘭的污泥均采用熱處理處置，瑞士97%、比利時89%、德國70%的污泥采用熱處理處置。我國污泥焚燒技術(shù)起步較晚，近年來發(fā)展迅速。E20 環(huán)境平臺數(shù)據(jù)顯示，2019—2021年我國新建污泥處置項目中，采用污泥焚燒工藝的占比高達(dá)70%左右。根據(jù)污泥在焚燒爐中的占比，污泥焚燒分為單獨焚燒和協(xié)同焚燒兩種。單獨焚燒中，污泥是主要熱源，進(jìn)料中污泥的質(zhì)量比通常大于85%；協(xié)同焚燒中，污泥的摻燒比常保持在5%～15%，污泥熱值對總體焚燒貢獻(xiàn)有限。

1.1 污泥單獨焚燒

根據(jù)前處理工藝的種類，污泥單獨焚燒可分為直接焚燒、半干化焚燒和全干化焚燒。常規(guī)機械脫水后，污泥含水率為80%左右，含水率仍較高，污泥熱值低，一般很難達(dá)到要求，直接焚燒過程須添加輔助燃料。因此，通過干化或深度脫水等技術(shù)將污泥含水率降至小于50%是污泥單獨焚燒、協(xié)同焚燒等后續(xù)多種處置利用途徑實施的必要前提。常用的污泥半干化焚燒工藝通過外加熱源對機械脫水后含水率80%左右的污泥進(jìn)一步干化脫水，使得污泥含水率降低（30%～40%），再經(jīng)焚燒爐焚燒，其工藝流程如圖1 所示。污泥全干化焚燒工藝與半干化焚燒類似，但污泥干化更加徹底，可將污泥含水率降到小于10%。

圖1 污泥半干化焚燒工藝的簡易流程

1.2 污泥協(xié)同焚燒

常見污泥協(xié)同焚燒工藝包括水泥窯協(xié)同焚燒、燃煤熱電廠協(xié)同焚燒和垃圾焚燒發(fā)電廠協(xié)同焚燒。

水泥窯協(xié)同焚燒的灰分能直接作為水泥熟料加以利用，且煙氣余熱用于污泥干化，其具有一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，在環(huán)保和水泥行業(yè)得到極大關(guān)注。截至2018年底，我國水泥窯協(xié)同焚燒處置污泥的生產(chǎn)線有三四十條。

燃煤熱電廠協(xié)同焚燒是干污泥與煤摻混后直接進(jìn)入鍋爐進(jìn)行焚燒，既可解決污泥的處置問題，又能為熱電廠節(jié)省鍋爐燃料，降低發(fā)電成本。但隨著污泥摻燒比例的提高，混合燃料的灰熔點逐漸降低，化合物容易燒結(jié)，受熱面的磨損程度與煙氣流速也受到污泥摻燒比例制約，污泥摻燒比例一般控制在5%以下。

垃圾焚燒發(fā)電廠協(xié)同焚燒是將污泥與垃圾協(xié)同焚燒，相較于水泥窯協(xié)同焚燒和燃煤熱電廠協(xié)同焚燒，其對鍋爐的影響較小，運行成本較低。但由于垃圾成分變化較大，焚燒過程溫度控制較難，焚燒灰通常需要按照危險固廢處置，因而不利于污泥焚燒灰分的資源化利用。

1.3 污泥焚燒技術(shù)體系市場占比

1.3.1 國外市場占比

德國各項污泥焚燒技術(shù)的污泥處理量（以干泥計）及其占比如表1 所示。污泥單獨或協(xié)同焚燒的總處理量達(dá)到156 萬t/a，其中，流化床焚燒爐、燃煤熱電廠協(xié)同焚燒為市場占比最大的兩類技術(shù)，其占比分別達(dá)到43.0%和35.9%。由于德國新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)對磷的限制，2029年后其垃圾焚燒發(fā)電廠協(xié)同焚燒將不復(fù)存在，燃煤熱電廠在2038年前將逐步停止服務(wù)，燃煤熱電廠協(xié)同焚燒的污泥量也會越來越少。

表1 德國各項污泥焚燒技術(shù)的污泥處理量及市場占比

以流化床焚燒爐為主體的污泥單獨焚燒技術(shù)是歐洲的主要發(fā)展方向，也是日本、美國等未來污泥焚燒項目的主流技術(shù)。隨著污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，污泥熱處理有望成為更多發(fā)達(dá)國家首選的污泥處置技術(shù)。

1.3.2 國內(nèi)市場占比

我國污泥單獨焚燒項目大部分采用半干化焚燒工藝，如表2所示。項目1是上海市竹園污泥處理工程；項目2 是上海市石洞口一期污泥處理工程；項目3是上海市石洞口二期污泥處理工程（改造+新建）；項目4 是上海市白龍港污泥處理工程；項目5 是成都市第一城市污水污泥處理廠工程；項目6 是深圳市上洋污泥處理工程；項目7 是溫州市污泥集中干化焚燒工程；項目8 是杭州市蕭山區(qū)4 000 t/d 污泥處理工程，濃縮泥含水率為90%～98%，經(jīng)深度脫水，脫水泥含水率為80%。

表2 國內(nèi)部分污泥焚燒項目技術(shù)特點

干化后，污泥含水率顯著降低，在該含水率下，污泥處理系統(tǒng)能耗較低，污泥容易成塊，便于輸送。 在采用半干化焚燒工藝的污泥單獨焚燒項目（如上海市竹園污泥處理工程）中，為了避免干污泥黏滯，將干化泥和濕污泥混合，再送入鼓泡流化床焚燒爐燃燒。此外，上海市石洞口一期污泥處理工程采用全干化焚燒工藝，干化后污泥含水率不大于10%；成都市第一城市污水污泥處理廠工程以天然氣輔助濕污泥直接焚燒。

我國燃煤熱電廠數(shù)量較多，充分利用燃煤熱電廠協(xié)同焚燒污泥將是今后一段時間內(nèi)解決我國城市污泥處置難題的有效途徑。此外，杭州市蕭山區(qū)4 000 t/d污泥處理工程采用深度脫水+循環(huán)流化床焚燒爐焚燒工藝，其成功運行為我國污泥處理提供了一種新思路，其有望在更多都市圈集中污泥處置項目中獲得應(yīng)用。

2 污泥熱干化技術(shù)

污泥熱干化技術(shù)出現(xiàn)于20 世紀(jì)50年代，最初用于污泥農(nóng)用處置領(lǐng)域，如生產(chǎn)肥料或土壤改良劑等含水率要求極低的產(chǎn)品。隨著污泥焚燒越來越多應(yīng)用于污泥的最終處置，熱干化作為一種預(yù)處理方法，用以確保污泥的自持燃燒。目前，市場上有多種形式的污泥干化設(shè)備。在德國，主流設(shè)備為碟式干燥器和帶式干燥器（見表3），兩者市場占有率分別為33% 和24%。

表3 德國市場污泥干化設(shè)備處理能力及其占比

污泥熱干化技術(shù)在應(yīng)用中存在3 個主要難點。一是需要跨越污泥黏滯區(qū)（含水率35%～55%），黏滯污泥難以輸送，極易損壞設(shè)備，干料返混為常用的解決方法。二是易產(chǎn)生粉塵顆粒，有爆炸風(fēng)險，干燥設(shè)備、干泥輸送設(shè)備及干泥堆場均需要考慮防爆設(shè)計。三是干化水中含有大量揮發(fā)性污染物，冷凝后需要設(shè)專門污水處理設(shè)施來控制二次污染，同時揮發(fā)性污染物的流失減少了污泥熱值，不利于后續(xù)焚燒裝置運行。干化過程的粉塵和臭氣等二次污染物的控制也增加了投資和運行費用。目前，對于國內(nèi)市場上主流的熱干化（將污泥含水率降至35%左右）再焚燒的技術(shù)路線，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性有待進(jìn)一步提升。

3 污泥焚燒二次污染控制

3.1 煙氣排放控制

與煤燃燒不同，污泥中約80%的碳都會以揮發(fā)性物質(zhì)的形式被徹底燃燒，因此，污泥燃燒以揮發(fā)性物質(zhì)的氣態(tài)焚燒占主導(dǎo)。其焚燒過程的O和CO濃度變化曲線與丙烷-空氣混合物焚燒近似，說明理論上污泥焚燒可以非常徹底。德國的污泥焚燒基本不需要額外的煙氣脫硝設(shè)施，能保證NO控制在150 ～200 mg/m，表明流化床焚燒爐的合理設(shè)計可以使煙氣達(dá)標(biāo)排放。杭州市蕭山區(qū)4 000 t/d 污泥處理工程的循環(huán)流化床焚燒爐及其后續(xù)煙氣處理單元在實際運行中也取得較好的效果，其多項煙氣排放指標(biāo)低于歐盟煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 灰渣資源化利用

污泥灰分中的SiO、AlO和CaO 可以作為生態(tài)水泥、磚、陶瓷材料和輕質(zhì)骨料的燒結(jié)原料，還可以作為火山灰組分、細(xì)骨料或填充材料等膠結(jié)材料的外加劑，實現(xiàn)污泥的循環(huán)利用。但是，灰渣資源化利用受市場消納能力限制，實際運行中不能完全滿足污泥焚燒產(chǎn)能需求。

4 結(jié)語

本文綜合分析了國內(nèi)外污泥焚燒技術(shù)的工程應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，發(fā)現(xiàn)以流化床焚燒爐為主體的污泥單獨焚燒技術(shù)是國內(nèi)外污泥處置的發(fā)展方向。與主流技術(shù)（熱干化+流化床焚燒爐焚燒）相比，深度脫水+循環(huán)流化床焚燒爐焚燒工藝有一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，為我國污泥處理提供了一種新思路。焚燒過程的煙氣排放控制技術(shù)已發(fā)展得較為成熟，可滿足污泥清潔焚燒的要求，但灰渣資源化利用途徑往往受限，未來需要開辟更好的應(yīng)用場景。