煤化工污泥干化裝置的選型及應(yīng)用

潘 超

（內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 克什克騰 025350）

0 引 言

我國一次能源（化石能源）資源稟賦的特點為富煤貧油少氣，為平衡我國能源消費結(jié)構(gòu)，“十二五”期間現(xiàn)代煤化工行業(yè)的工程技術(shù)和規(guī)模得到快速發(fā)展［1］。煤化工項目對水資源的消耗很大，約90%的煤化工企業(yè)會采用活性污泥法對生產(chǎn)中產(chǎn)生的污水進行初步處理，污水處理系統(tǒng)會產(chǎn)生大量高含水的剩余污泥（簡稱煤化工污泥），且煤化工項目因生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品的不同等，其污泥中可能存在有害的有機物（如酚類物、醛類物、苯類物）、重金屬等，導(dǎo)致剩余污泥在裝卸、運輸、貯存、處理等過程中給企業(yè)帶來經(jīng)濟和環(huán)保方面的負擔。為實現(xiàn)煤化工污泥的減量化處理及資源化利用，采用污泥干化裝置對煤化工污泥進行深度處理是業(yè)內(nèi)的大勢所趨。

1 煤化工污泥處理現(xiàn)狀

1.1 煤化工污泥的來源及其特性

工業(yè)廢水處理過程中會產(chǎn)生大量的固體懸浮物，這些物質(zhì)統(tǒng)稱為污泥。污泥既可以是廢水中早已存在的，也可以是廢水處理過程中形成的，前者如各種自然沉淀中截留的懸浮物，后者如生物處理和化學(xué)處理過程中由原來的溶解性物質(zhì)和膠體物質(zhì)轉(zhuǎn)化而成的懸浮物。污泥組分不同，其性質(zhì)也不同，對應(yīng)的處理處置方法也不同。

煤化工企業(yè)因主生產(chǎn)系統(tǒng)工藝的不同等，所產(chǎn)生廢水的成分有很大的區(qū)別，導(dǎo)致煤化工污泥成分也有很大差異。通常而言，煤化工污泥可能具有毒性、易燃性、反應(yīng)性、放射性、腐蝕性、浸出毒性及高有機物含量、高含鹽等特性。

1.2 目前國內(nèi)煤化工污泥的處理方法

煤化工企業(yè)以及市政污水處理廠通常將含水99%左右的污泥通過濃縮（如沉淀濃縮、氣浮濃縮、離心濃縮）后，得到含水率95%左右的污泥，再使用污泥脫水設(shè)備（如帶式污泥脫水機、離心式污泥脫水機、板框式污泥脫水機等）將其含水率從95%左右降至60%～85%。目前，國內(nèi)大多數(shù)煤化工企業(yè)選擇將機械設(shè)備初步脫水后的污泥進行填埋處理。此種處置方式，運輸成本高、占地面積大，存在二次污染風(fēng)險，同時國家的環(huán)保政策及地方環(huán)保部門的監(jiān)管越來越嚴格，煤化工污泥初步脫水后填埋處理已不能滿足現(xiàn)代煤化工企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。

據(jù)調(diào)研實例，國內(nèi)某大型煤化工企業(yè)需填埋含水率約85%的濕污泥約22 000 t／a，其生產(chǎn)裝置運行已有10 a之久，配套危廢填埋場已達到封場的要求，濕污泥的處置問題已開始制約其正常生產(chǎn)運行。在此種情況下，該公司采用污泥干化技術(shù)（蒸汽加熱干化）將處理后含水率＜10%的顆粒污泥作為氣化爐摻燒原料，大大減少了填埋處理所需的占地，避免了填埋處理中的二次污染，實現(xiàn)了污泥的減量化、無害化處理。

2 污泥干化裝置的分類及特點

煤化工企業(yè)及市政污水處理廠產(chǎn)生的污泥是一種由水、微生物體、有機物殘片、膠體和無機顆粒等組成的非均質(zhì)體。不同含水率污泥所呈現(xiàn)的狀態(tài)如下：含水率＞90%，污泥幾乎為液體；含水率80%～90%，污泥為粥狀物；含水率70%～80%，污泥呈柔軟可塑狀；含水率60%～70%，污泥呈固狀；含水率40%～60%，污泥呈黏滯狀；含水率20%～40%，污泥呈濕潤聚散狀態(tài)；含水率10%～20%，污泥呈粉末狀；含水率10%以下，污泥呈干粉狀或堅硬顆粒狀。

污水處理過程中產(chǎn)生的污泥是典型的有機污泥［2］。有機污泥（如活性污泥及其他生物污泥）含有大量有機物，其貯存及處置過程均會不同程度地出現(xiàn)腐化和氧化，同時對環(huán)境造成一定污染，因此需對這些污泥進行減量化和穩(wěn)定化處理，使有機物氧化、分解為無機物，同時降低污泥含水量以使其穩(wěn)定。干化處理后的干污泥，其體積可以減至干化前的1／4～1／5左右；干污泥呈顆粒狀或粉狀，其性質(zhì)穩(wěn)定且無臭味、無病原體生物，易于直接用于氣化爐摻燒。

2.1 據(jù)污泥干化裝置結(jié)構(gòu)分類

市政污水處理廠污泥干化工藝主要分為自然干化、間接干化和直接干化。而煤化工污泥中還可能存在對環(huán)境有害的揮發(fā)性有機物、浸出有毒物質(zhì)、重金屬及散發(fā)惡臭氣味等，故煤化工污泥不適合采用自然干化的方式。據(jù)污泥與熱介質(zhì)的接觸方式，污泥干化分為間接干化和直接干化。間接干化具有安全性高、粉塵產(chǎn)生量少，且熱介質(zhì)無污染等優(yōu)點，在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。

目前，按污泥干化裝置結(jié)構(gòu)分類，業(yè)內(nèi)應(yīng)用最多的主要有薄膜式污泥干化裝置、槳葉式污泥干化裝置和網(wǎng)帶式污泥干化裝置等。

2.1.1 薄膜式污泥干化裝置［5］

薄膜污泥干化器是一種圓形帶夾套直筒容器，中間有旋轉(zhuǎn)軸，軸上分段裝有撓性的葉片刮刀。利用薄膜原理，可在真空條件或在惰性氣體氣霧中連續(xù)操作，其中旋轉(zhuǎn)撓性刮刀將濕物料以薄膜的形式均勻地分布在被加熱的接觸表面，接觸表面的圓筒外有載熱體的夾層，物料薄膜層由加熱面得到熱量，水分蒸發(fā)移除，干燥的物料薄膜層被旋轉(zhuǎn)的刮刀刮下，干凈的圓筒加熱表面重新被刮上濕物料，周而復(fù)始，通過調(diào)整控制得到所需干污泥。薄膜式污泥干化裝置的特點如下。

（1）干化進度可控。因使用薄膜式布料，可充分蒸發(fā)污泥中的結(jié)合水，蒸發(fā)程度高，最高可使污泥含水率降至3%。

（2）熱能利用率較高，處理量較大。

（3）對物料要求高。需要污泥質(zhì)軟且粘度大，不能含有大顆粒固體或鹽類結(jié)晶等，否則不僅易堵塞布料裝置，還會對設(shè)備造成較嚴重的磨損，大幅增加運行和維修成本。

（4）干污泥成型不穩(wěn)定。薄膜污泥干化器是將薄膜化的干污泥用刮板等裝置刮下后出料，導(dǎo)致出料的干污泥時而呈塊狀時而呈粉末狀，不利于干污泥的儲存及輸送。

（5）占地面積大。相較于其他類型的污泥干化裝置，薄膜污泥干化器需要的處理空間更大，通常為帶式干化機的2～3倍、槳葉式干化機的1.5～2.0倍。

2.1.2 槳葉式污泥干化裝置［5］

槳葉式污泥干化機主要由空心槳葉［空心槳葉一般為雙軸（或四軸）楔型葉片］、殼體、夾套和傳動裝置組成，污泥通過與空心槳葉（轉(zhuǎn)動）和夾套（固定）的換熱面接觸并翻滾被間接加熱干化。槳葉式污泥干化機可處理膏狀、粉狀、漿狀物料，可完成干燥、加熱、滅菌、反應(yīng)等單元操作。槳葉式污泥干化裝置的特點如下。

（1）適用范圍有一定的要求?？招臉~不是等截面結(jié)構(gòu)，無刮泥刀，適用于黏性不大的污泥；因污泥的干燥與排出主要靠主軸葉片的轉(zhuǎn)動，污泥在設(shè)備內(nèi)不斷攪拌摩擦，因而出料一般為粉末狀，若污泥中含有可燃物或其他有害物質(zhì)，干燥后極易產(chǎn)生粉塵，存在爆炸風(fēng)險，不便于存儲與運輸，因此不適合含可燃物和有害物污泥的干化，適用于無機物、礦石泥漿等的干化。

（2）熱能利用率高。槳葉式污泥干化機作為間接式加熱干化設(shè)備，具有較高的換熱面積，使用少量空氣吹出蒸發(fā)出的水分，熱量損失較小，熱能利用率高。

（3）密封性要求高。槳葉主軸為轉(zhuǎn)動部件，對軸頭的密封要求很高，尤其是對于粉末物料，需經(jīng)常維護，因而軸頭密封更換頻繁。

（4）易損件消耗大，維護頻繁且維修周期長。槳葉式干化機動力來自于互相嚙合的主軸葉片，通過葉片互相擠壓推動物料，主軸葉片和內(nèi)壁磨損嚴重，維修頻繁；而主軸葉片一旦磨損泄漏，只能切割葉片或返廠維修，維修周期較長。

2.1.3 網(wǎng)帶式污泥干化裝置

網(wǎng)帶式污泥干化裝置主要由濕污泥輸送、濕污泥造粒機、各層轉(zhuǎn)動網(wǎng)帶、底部刮泥板、干泥輸送等附件組成。經(jīng)機械設(shè)備脫水后的濕污泥，通過輸送部件送到濕污泥造粒機，顆粒狀污泥從造粒機進入干化裝置內(nèi)，并均勻分布在帶式干化機頂層網(wǎng)帶；網(wǎng)帶式污泥干化機為多層結(jié)構(gòu)，每層各通過一個電機驅(qū)動，污泥由上層網(wǎng)帶末端翻轉(zhuǎn)掉落到下層傳送網(wǎng)帶上，依次進入各層，整個干燥區(qū)域為一個整體模塊，熱空氣由干化機上層進入，穿過污泥層后由下層排出，污泥中的水分被加熱變?yōu)闈窨諝?，濕空氣不斷被移除，最終干燥后的污泥由底層的刮板將其送入出料倉。網(wǎng)帶式污泥干化裝置的特點如下。

（1）設(shè)備磨損小，運行穩(wěn)定。設(shè)備與物料間為相對靜止的狀態(tài)，極大地減小了設(shè)備與物料之間的摩擦，相較于槳葉式污泥干化機，維護維修少，運行更穩(wěn)定。

（2）操作環(huán)境好。干燥后的物料為顆粒狀，無粉塵；系統(tǒng)密閉且呈微負壓，尾氣集中收集處理，無異味。

（3）存儲運輸方便。干燥的硬顆粒狀物料，不易產(chǎn)生堵料，卸料、存儲、運輸方便。

（4）占地面積小，處理量大。相同處理量下，網(wǎng)帶式污泥干化裝置占地面積僅為薄膜污泥干化裝置的50%左右。

（5）熱量損失較大。由于網(wǎng)帶式干化機濕空氣排出會帶走部分熱量，因而相較于薄膜污泥干化機和槳葉式干化機，其熱量損失要大得多。

國內(nèi)某大型煤化工企業(yè)在運的日處理量40 t的網(wǎng)帶式污泥干化裝置，自投運以來運行狀況良好，處理1 t含水率85%的濕污泥消耗約2.8 t低壓蒸汽（160℃、0.6 MPa），干化后的污泥熱值約4 500 kcal／kg，被送往碎煤加壓氣化爐摻燒，實現(xiàn)廢料熱能的回收利用。需注意的是，若干化后的污泥未通過專門的焚燒設(shè)備和尾氣處理裝置，不能直接焚燒或作為熱電站（鍋爐）的燃料，因為直接焚燒可能會產(chǎn)生SOX、NOX、二噁英等污染物，易造成二次污染［3-4］。

2.2 據(jù)污泥干化裝置熱源分類

（1）電能污泥干化法：將電能轉(zhuǎn)化為熱能或微波等加熱濕污泥，使污泥干化和穩(wěn)定，通常采用電加熱爐間接烘干污泥。該法電耗較高，不適合電價高、產(chǎn)泥量大的企業(yè)。

（2）熱水干化法：利用高溫?zé)崴娘@熱間接蒸發(fā)污泥中的水分，達到干化污泥的目的。該法采用間接式換熱器，對換熱器的要求較高。

（3）蒸汽干化法：利用蒸汽的熱能，借助換熱器間接加熱蒸發(fā)除去污泥中的水分，使污泥干化。該法設(shè)備簡單、操作方便、運行穩(wěn)定性好，且蒸汽屬清潔熱源，可實現(xiàn)綜合循環(huán)利用，配合熱泵技術(shù)可降低蒸汽消耗，整體熱效率高，比較適合蒸汽富足的大型化工企業(yè)和礦產(chǎn)企業(yè)。

（4）太陽能污泥干化法：以太陽能為主要能源，采用傳統(tǒng)溫室干燥工藝直接對污水處理廠的污泥進行低溫干化和穩(wěn)定化。該法具有運行費用低、操作簡單、運行安全穩(wěn)定等優(yōu)點；但以太陽能作為熱源，受氣象條件（季節(jié)、晝夜及陰晴等）的影響較大，加之裝置占地面積大，不適宜于污泥量較大的企業(yè)。

（5）天然氣（或煤氣）干化法：利用天然氣（或煤氣）作為燃料提供干化熱量將污泥干化。該法以天然氣（或煤氣）燃燒作為熱源，在污泥熱解處理時，其燃燒尾氣不存在焚燒法產(chǎn)生的二噁英等問題，是污泥無害化處理的一個發(fā)展方向，適用于天然氣資源豐富的石油化工企業(yè)以及煤氣豐富的煤炭或煤化工企業(yè)。

（6）爐窯煙氣余熱干化法：以溫度在120～300℃的爐窯煙氣作為熱源，采用直接或間接加熱的方式對污泥進行干化。爐窯煙氣是污泥低溫干化造粒的理想熱源。

3 煤化工污泥干化裝置的選型

據(jù)煤化工污泥的特點、污泥干化裝置的結(jié)構(gòu)型式，以及煤化工企業(yè)能源（資源）情況，對污泥干化裝置及其采用的熱源進行綜合比對。通常煤化工污泥產(chǎn)量大、熱值較高，而煤化工企業(yè)一般均配有燃煤鍋爐和煤氣化裝置，污泥干化裝置選型時要兼顧干污泥可作為鍋爐摻燒燃料或氣化爐摻燒原料的適應(yīng)性。

3.1 據(jù)污泥干化裝置結(jié)構(gòu)進行選型

薄膜式污泥干化裝置投資成本高、占地面積較大，且煤化工污泥常含有大顆粒物和結(jié)晶鹽，會造成設(shè)備磨損嚴重，導(dǎo)致維修成本高，因而不太適用于煤化工污泥的干化處理。

槳葉式污泥干化裝置所得的干污泥為干粉狀，極易產(chǎn)生粉塵，運輸過程中易對環(huán)境造成二次污染；槳葉式干化機的空心槳葉內(nèi)部通入蒸汽，屬于受壓原件，其設(shè)計、制造和驗收應(yīng)符合《壓力容器》（GB 150.1～GB 150.4—2011）的要求，且異型受壓元件監(jiān)測檢修困難；旋轉(zhuǎn)槳葉與殼體間密封困難，運行中易出現(xiàn)粉塵泄漏，存在安全隱患，生產(chǎn)中須加強維護與檢修管理，做好應(yīng)急處置預(yù)案。因此，槳葉式污泥干化裝置不太適用于煤化工污泥的干化處理。

經(jīng)網(wǎng)帶式污泥干化裝置處理后的干污泥為顆粒狀，方便裝卸、運輸和填埋，不產(chǎn)生二次污染；干污泥含水率可降至15%以下，熱值滿足燃燒需求，粒狀污泥可用作循環(huán)流化床鍋爐摻燒的燃料（燃燒時流化狀態(tài)穩(wěn)定）或碎煤加壓氣化爐摻燒的原料。因此，相較于薄膜式污泥干化裝置和槳葉式污泥干化裝置，網(wǎng)帶式污泥干化裝置更適用于煤化工污泥的干化處理。

3.2 據(jù)污泥干化裝置所用熱源進行選型

煤化工裝置生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的低品位余熱，如熱水、低壓蒸汽及高溫爐窯煙氣等，考慮回收成本與經(jīng)濟效益以及系統(tǒng)的消納空間，通常低品位余熱難以回收利用或得不償失（需空冷或水冷處理），而若將這些余熱作為煤化工污泥干化的熱源，使污泥干化過程中無需再消耗其他能源，既可實現(xiàn)污泥干化，又可降低利用低品位余熱的成本。因此，就污泥干化裝置的熱源而言，熱水干化法、蒸汽干化法、爐窯煙氣余熱干化法均適用于煤化工污泥干化裝置。

4 污泥干化技術(shù)應(yīng)用實例

4.1 槳葉式污泥干化機應(yīng)用案例

內(nèi)蒙古鄂爾多斯某煤化工企業(yè)污泥干化項目選用了槳葉式污泥干化機，可將污泥含水率降至20%。但其運行過程中出現(xiàn)諸多問題：槳葉之軸封漏汽嚴重，易燙傷操作人員，反復(fù)維修又反復(fù)泄漏；現(xiàn)場積存蒸汽冷凝液（槳葉式干化機軸封蒸汽泄漏形成），且物料在滾筒內(nèi)攪拌及運輸過程中產(chǎn)生粉塵，造成廠房環(huán)境衛(wèi)生難以保持。

密封泄漏問題解決建議：①選擇可靠的密封件，設(shè)置高點排汽口；②增設(shè)密封漏汽抽汽冷凝器，將漏汽定向冷凝；③更換為其他形式的污泥干化機。

粉塵泄漏問題解決建議：①做好設(shè)備密封，如進料口和卸料口處；②微負壓操作；③增加廠房或漏汽的除塵設(shè)施（如濕式洗滌除塵器）。

4.2 網(wǎng)帶式污泥干化機應(yīng)用案例

內(nèi)蒙古赤峰某煤化工企業(yè)選用了網(wǎng)帶式污泥干化機，采用生產(chǎn)系統(tǒng)富余的低壓蒸汽作為熱源，含水率85%左右的濕污泥干化后含水率可降至10%以下，粒徑1～10 mm的干污泥顆粒粉塵含量≤0.1%（粒徑0.1 mm以下），干化機已運行3 a，設(shè)備內(nèi)件完好，未見明顯腐蝕。

5 結(jié)束語

煤化工污泥干化裝置的選型，除了注重其自身的性價比與適用性等以外，還需考慮干污泥的進一步減量化處理或資源化利用（如鍋爐摻燒或氣化爐摻燒）要求?，F(xiàn)代煤化工企業(yè)，應(yīng)根據(jù)自身條件，積極采取新型污泥干化技術(shù)，或?qū)ξ勰喔苫b置運行中出現(xiàn)的問題積極提出改進需求，與供貨商及研發(fā)單位共同優(yōu)化工藝和設(shè)備，避免污泥處置過程中對環(huán)境造成二次污染，并減少污泥干化裝置的占地面積，降低污泥干化裝置的投資及運行成本，促進煤化工污泥干化技術(shù)的推廣應(yīng)用和不斷進步，助力企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。