城市污水污泥新型干化焚烧示范工程研究

城市污水污泥新型干化－焚烧示范工程研究王凯军1俞金海1俞其林2（1北京市环境保护科学研究院，2浙江环兴机械有效公司）摘要：本文首次探讨了将新型喷雾干燥与回转式焚烧炉相集成的污泥干化焚烧技术路线，并对开发出的新型集成装备进行了示范工程研究。研究结果表明，新型干化焚烧技术及其装备具有热能综合利用效率高（80％）、安全性好、投资和运行成本省（单位投资成本为10.8万元/t(80％WS)，单位运行成本为94.64元/t(80％WS)）等特点，而且，经合适的烟气净化技术处理，大气污染物排放远低于《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2001)设定的排放限值要求。关键词：干化焚烧，雾化干燥，回转式焚烧炉，烟气净化，二恶英和呋喃1、国内外研究和应用现状目前，国际上常用的污泥处置技术为土地利用、填埋和焚烧等[1,2]，由于土地资源紧张，以及其它环境污染问题，特别是在大城市，污泥土地利用和填埋比例逐渐下降，而焚烧比例上升，并逐渐成为发达国家主要的污泥处置手段之一[2]。干化焚烧在欧美等发达国家已成为成熟的工艺技术[3～5]。我国在该领域通过大量实践[6]，但主要还停留在污泥干化焚烧原理的探讨方面[7～11]，对专用设备的开发和研制及应用等均还处于发展阶段。因此，有必要在吸收国外先进技术和经验的基础之上，研究和开发出适合我国国情的技术含量高、经济性能好、高效安全的干化焚烧技术和工艺设备。污泥干化焚烧技术是多学科技术应用相互交叉融合的技术领域[3]，需要精确控制的复杂系统。例如，在干化焚烧装置运行中，由于始终处于高温、高粉尘和负压状态，除焚烧工艺外，会引起大量的能源消耗、系统安全性[12]和排放问题，从而使干化焚烧工艺的运行和控制变得十分复杂。为此，本研究提出采用以雾化干燥技术进行污泥干燥，成熟的回转式焚烧炉进行焚烧的技术路线。为控制烟气污染，采用旋风分离器＋生物除臭喷淋洗涤塔为烟气净化系统，形成一整套污泥干化焚烧集成系统，并进行了60吨/d规模的示范工程研究。2、工艺流程与试验装置2.1试验装置示范工程试验的主要装置数量和尺寸见表1。中国城镇水网Φ×H＝3.5m×37m2回转式焚烧炉1Φ×H＝1.7×9.0m(筒身)，内径1.0m，倾角2度3热风炉14二燃室16×1.85×2.0m5旋风除尘器1Φ1320×5727mm6生物除臭喷淋洗涤塔2Φ5.0×5.0m2.2工艺流程2006年7月，北京市环境保护科学研究院和浙江环兴机械有限公司在杭州市萧山区临浦工业园区建成了一座日处理能力为60m3/d(80％WS)污泥喷雾干噪－回转窑焚烧工艺的示范工程，采用萧山污水处理厂的脱水污泥。其工艺流程如图1。预处理系统喷雾干燥系统回转式焚烧炉系统尾气净化系统灰渣收集和贮存系统干污泥高温烟气脱水污泥含水率80％排放填埋或制砖20～30％400OC左右图1试验系统工艺流程和组成脱水污泥经预处理系统处理后，通过高压泵入喷雾干燥塔顶部(图2)，经过充分的热交换，污泥得到干化，干化后产生的含水率为20～30％的干燥塔污泥从干燥塔底直接进入回转式焚烧炉(图3)焚烧，产生的高温烟气从喷雾干燥系统顶部导入，排出的尾气分别经过旋风分离器、喷淋塔和生物填料除臭喷淋塔处理后，经烟囱排放。中国城镇水网特点采用新型喷雾干燥系统，由于系统结构较为简单，投资成本仅为流化床干化系统的30～40％。利用焚烧高温烟气直接对雾化污泥进行直接干燥，避免了复杂换热器热损失，干燥器高温烟气进口温度高（400˚C），废气排放温度低（70～80˚C），因此热效率高（75％）。采取一些热能循环利用措施后，其热利用效率可以提高到80％以上。雾化干燥的难点是脱水污泥能否有效雾化，工艺中采用微米级粉碎设备将含水率75-80%的脱水污泥破碎，使污泥中的部分结合水转变为间隙水，在提高污泥流动性和均质度、利于泵输送的同时，能够最大程度的有效雾化，与焚烧炉高温烟气直接接触，不仅使干燥速度最大化，而且使经气固分离后得到的干化污泥的松密度、流动性和粒径分布更为合理。为确保干化焚烧系统经济、安全、高效运行，需对干燥器进出口温度，干燥器内温度、压力和氧气浓度、粉尘含量和干燥程度，燃烧室内烟气温度、停留时间和湍流度等工艺参数进行优化。具体措施如下：1)通过调整喷嘴雾化粒径，将污泥形成30～500μm的液滴，在吸附并积聚焚烧烟气中颗粒物质及重金属氧化物、减少粉尘产生量的同时，降低安全隐患、减少后续尾气处理难度、节约处理成本，并使干燥污泥的粒度分布在60-120目，利于焚烧。2)通过控制雾化干燥器的进、出口温度，采用轻型材料，在达到良好的保温效果且符合结构力学要求的同时，因避免采用笨重的耐火砖材结构，而降低设备造价；3)通过优化设备结构设计，合理设计喷雾塔塔身和回转式焚烧炉炉体，充分利用焚烧系统产生的高温烟气所含热能干燥雾化污泥，降低出口余温，充分利用余热，使系统热能综合利用效率最大化。同时提高反馈控制，调控污泥颗粒的干燥程度，确保安全(粉尘产生中国城镇水网和自燃问题)、后续尾气处理的经济有效(减少)以及污泥热值的充分利用；4)通过优化焚烧炉布风和进料设计，合理控制焚烧炉和二燃室内烟气停留时间、燃烧温度和湍流度，使烟气在温度850℃的停留时间2s，可有效消减二恶英及其前驱物。同时，将进入喷雾干燥塔的烟气温度控制在400˚C左右，不仅可防止二恶英及其前驱物的再生，而且在与雾化污泥并流接触后，可使烟气中的粉尘和重金属氧化物吸附在雾化污泥中，也使酸性气体溶解在其中，并随水蒸气进入后续烟气净化系统，使喷雾干燥塔具有烟气预处理功能，而且可有效降低后续烟气净化设施的处理负荷和规模。将污泥喷雾干燥和回转式焚烧炉集成技术系统在国内外还没有研究报导，本研究创新性的提出新的工艺技术并进行了集成。通过理论和实践，该项技术的研究填补我国在污泥干燥焚烧集成技术方面、设备研制以及应用方面的空白。根据这一技术开发一个350t/d的大型的焚烧装置目前在杭州萧山沼泽建设之中。3、监测结果与评价3.1污泥组分和热值分析本研究采用的污泥有机物含量较低，平均在36％，这是由于萧山城市污水处理厂水质性质所决定。在这一水质情况下，对脱水污泥和干化污泥进行了全分析结果如表2：表2污泥分析分析结果(％)名称Mad(水分)Aad(灰分)Vad(挥发分)CRC(1－8)FCad(固定碳)Qadnet分析基kcalQarnet应用基KcalMT全水分Sad全硫干污泥4.1852.2237.4016.22310171028.93/脱水污泥6.3354.7835.2713.62174066064.50/由上表可知，在污泥含水率为64.5％和28.9％的情况下，污泥的高位热值分别为1740kcal/kg和2310kcal/kg，低位热值分别为660kcal/k和1710kcal/kg，表明在污泥含水率降低的情况下，污泥的高位和低位热值均有所上升。现有研究结果表明[13]，当污泥的净热值高于3.6MJ/kg(＝857kcal/kg)时，污泥即可维持自持燃烧。因此，当污泥被干燥到含水率为30％以下的时候，污泥不仅能够维持自持燃烧，而且，可以有大量的热量富余，可以进行诸如干燥污泥等用途。3.2系统消耗和能量平衡分析在污泥干化焚烧过程中，能耗(包括电耗和煤耗)是运行成本的一个重要方面，因此也是需要重点考虑的因素。试验期间进行的监测表明，系统燃煤消耗、动力消耗、水耗、化学试剂消耗均较低，如表3和图4。中国城镇水网(80%WS)2碱耗2.5kg/t(80%WS)3煤耗44.8kg/t(80%WS)4水耗2.3m3/t(80%WS)喷雾干燥塔回转式焚烧炉二燃室烟气净化系统脱水污泥2500kg/h80％WS灰渣产生量：283.8kg/h热损失:111427kJ/h飞灰产生量：129.7kg/h热损失：6111kJ/h燃煤热风炉燃煤112kg/hH＝5000kcal/kg产热量：2352000kJ/h干污泥量：666.7kg/h含水率：25％热值：1500kcal/kg产热量：4200000kJ/h蒸发耗热量：433300kJ/h不完全燃烧热损失：229299kJ/h系统散热损失:327600kJ/h水蒸发量：1833kg/h耗热：4766300kJ/h助燃空气风量：14000m3/h烟气热损失677963kJ/h图4系统能量平衡图本试验系统的电耗仅为63kWh/t(80％WS)，远低于《城市生活垃圾焚烧处理工程项目建设标准》(2001)规定指标要求。此外，系统所消耗的热值为5000kcal/kg的燃煤量仅为44.8kg/t(80％WS)，通过对系统进行能量平衡分析可知，系统的热能综合利用效率高达80％以上，因此具有良好的热能综合利用效率和节能效果。3.3系统烟气监测结果分析污泥焚烧高温烟气中含有很多种污染物质，如果不进行合理的处理将会对环境造成严重的二次污染，因此大气污染物排放控制至今仍是焚烧厂要解决的重要问题，尤其是其中的Hg、NOx[14,15]。此外，国内很多学者认为二恶英也应是妨碍污泥焚烧的主要障碍之一。本试验装置烟气处理系统由喷雾干燥塔、旋风除尘器和生物填料除臭喷淋洗涤塔组成，试验过程中，根据《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485～2001）中规定的检测项目，对排放尾气进行了检测，检测结果如表4：表4烟气监测结果项目单位测定值标准值(GB18485-2001)烟尘浓度(mg/N.m3)75.980SO2(mg/N.m3)6.5260HCl(mg/N.m3)8.575Cd(mg/N.m3)0.0320.1中国城镇水网(mg/N.m3)＜1.4×10-41.6Hg(mg/N.m3)＜0.0210.2CO(mg/N.m3)74.1150NOx(mg/N.m3)265400烟气黑度林格曼黑度，级＜11二噁英类(I-TEQ)(ng/N.m3)0.0210.0060.0121.0*本表规定的各项标准值，均以标准状态下含11％O2的干烟气为参考值换算。试验结果表明，在连续运转过程中排放的各种大气污染物质经旋风除尘、喷淋塔、生物填料除臭喷淋洗涤塔处理后均远低于《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485)中大气污染物排放限值的要求。烟气中CO的含量是确定焚烧是否完全的指标之一。欧盟2000/76/EC规定，除焚烧系统的启动和停机以外，燃烧气体中CO的日均浓度不超过50mg/m3、半小时平均值不超过100mg/m3时，可以认为废弃物已经完全燃烧。美国EPA认为[10,11]，当焚烧炉尾气中CO≤100mg/m3时，可以说明焚烧炉的燃烧比较安全。因此，根据烟气检测报告，试验系统排出的烟气中CO小时均值为74.1mg/Nm3，低于100mg/m3，表明污泥在焚烧炉中已经获得完全燃烧。4结论1、经济高效：整个试验系统的总投资为650万元，占地面积为580m2，单位投资成本为10.8万元/t(80％WS)，单位运行成本为94.64元/t(80％WS)。而国内污泥干化焚烧的单位投资成本为25万元/t(80％WS)、单位运行成本为107元/t(80％WS)[18]，因此，相比较而言，该系统还具有单位投资省，运行成本低的优点，同时大规模的应用单位投资和运行成本还会有极大的降低潜力。2、系统采用高效、安全雾化干燥系统：采用顺风干燥的方式，合理控制干燥系统内的干燥温度、系统压力、雾化污泥液滴的粒径、停留时间、粉尘浓度和氧浓度，确保系统的高效运行。通过特制的污泥喷雾装置将污泥形成30～500μm的高含水率液滴，提高与高温烟气接触的比表面积，与高温烟气更充分的混合，从而使水分迅速蒸发，热效率高。形成干燥颗粒状