污泥干化焚燒技術(shù)進展及我國典型工程概況
行業(yè)動態(tài)
隨著我國城市建設(shè)進程的加快，城鎮(zhèn)污泥的產(chǎn)量越來越大，妥善處置污泥已成為迫切的任務(wù)。污泥衛(wèi)生填埋是目前采用較多的一種污泥處置技術(shù)，但這種處置技術(shù)會污染土壤。污泥干化焚燒技術(shù)可在短時間內(nèi)處理大量污泥，并能回收焚燒熱量，是目前處置污泥的一種高效技術(shù)手段?！冻擎?zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術(shù)指南》指出，當(dāng)污泥單獨進行焚燒時，干化和焚燒應(yīng)聯(lián)用，以提高污泥的熱能利用效率。近年來，隨著干化技術(shù)和焚燒技術(shù)的不斷優(yōu)化以及工藝的成熟，污泥干化焚燒技術(shù)有了很大進展，同時該技術(shù)也有一些典型的工程應(yīng)用。本文對污泥干化的主流應(yīng)用技術(shù)進行了綜述，并對我國典型的污泥干化焚燒工程進行了分析。
1 污泥干化焚燒技術(shù)進展
在進入焚燒爐之前，濕污泥經(jīng)干化機處理成含水率較低的干化污泥，熱介質(zhì)加熱濕污泥使其水分蒸發(fā)成為干化污泥。干化污泥的含固率高低將直接影響后續(xù)的焚燒系統(tǒng)，進而影響整個污泥處理處置的效果。目前的污泥干化大多采用間接加熱干化技術(shù)。
1.1 槳葉式干化機
槳葉式污泥干化機是常用的間接傳熱式污泥干化設(shè)備，由帶有夾套的w型殼體和空心槳葉軸及傳動裝置組成。軸上排列著中空槳葉，軸端裝有熱介質(zhì)導(dǎo)入的旋轉(zhuǎn)接頭。在運行過程中，是污泥一側(cè)，含水率75%～85%的s濕污泥連續(xù)由入料口進入干燥機內(nèi)，在中空槳葉攪拌、混合與分散的同時，受到來自中空槳葉和夾套雙重加熱作用，污泥水分蒸發(fā)，達到干燥要求的干污泥由中空槳葉輸送至出料口并排出干化機外；在熱介質(zhì)一側(cè)，高溫蒸汽通過w形槽的內(nèi)壁和中空槳葉，通過熱傳導(dǎo)使污泥中的水分蒸發(fā)。污泥中蒸出的水分與不凝氣體排出后，進入焚燒爐或氣體處理系統(tǒng)進行處理。同時，高溫蒸汽的熱量傳遞給濕污泥之后冷凝，冷凝的水分進凝結(jié)水箱回收再利用。
槳葉干化機的槳葉設(shè)置一般都是鏟形或楔形的槳葉葉片，在運轉(zhuǎn)過程中，槳葉可起到自清潔的效果，因此槳葉干化機在運行過程中較少出現(xiàn)污泥在機器內(nèi)卡頓等現(xiàn)象。熱介質(zhì)一般采用高溫蒸汽，蒸汽溫度一般為180℃～220℃，且干化機出口的污泥含水率可以通過其轉(zhuǎn)軸的速度調(diào)整，可滿足不同的污泥焚燒爐對入爐污泥的含水率要求。槳葉式干化機維修簡單，當(dāng)槳葉出現(xiàn)磨損時用耐磨噴漆噴涂葉片表面就可以實現(xiàn)槳葉的修復(fù)。據(jù)工程項目匯總，槳葉式干化機的運行效果較好，是目前污泥焚燒廠使用較多的一種干化機。
1.2 薄層干化機
薄層干化機與槳葉干化機的設(shè)計原理類似，薄層干化機機身由圓柱形加熱殼體和端蓋構(gòu)成，內(nèi)部配有可拆卸槳葉的攪拌器，兩端由軸承帶動，外裝可變頻調(diào)速的驅(qū)動系統(tǒng)。
污泥通過干化機給料泵注入干化機，濕污泥被轉(zhuǎn)子打散并分布在薄層干化機的壁面，轉(zhuǎn)子上的葉片在對壁面的污泥反復(fù)翻混的同時，通過螺旋將污泥輸送到排料端。同時，從熱介質(zhì)通過干化機夾套對污泥加熱，進行水的蒸發(fā)，污泥和葉片由于充分的熱接觸實現(xiàn)了單位面積的較大蒸發(fā)率。攪拌器的槳葉決定熱壁上的污泥厚度，并將污泥沿著加熱壁運送至出口。蒸汽與污泥排放方向相反，排放口在臨近進料口處。干化機內(nèi)的轉(zhuǎn)動部件將污泥在加熱表面涂成一個薄層，通過污泥在加熱殼體內(nèi)表面不斷的混合、脫落，在此過程中濕污泥的水分被蒸發(fā)出來。
薄層干化系統(tǒng)適合于處理各種污泥和工業(yè)含水廢物，熱介質(zhì)也可采用各種類型的燃料、余熱，實現(xiàn)全干化、半干化等不同要求的污泥處理。薄層干化機的葉片角度和數(shù)量都可以調(diào)節(jié)，在檢修時也可對干化機中損壞的葉片單獨更換。薄層干化機的檢修需要將整個轉(zhuǎn)軸抽出，因此薄層干化機的安裝不僅需要考慮本體的占地，還需要留有足夠的檢修空間，占地面積較大。
1.3 圓盤干化機
圓盤式干化機主要由圓筒形外殼、圓盤及驅(qū)動裝置組成。圓盤的中心軸是干化機圓盤的承載部件，轉(zhuǎn)軸是中空軸，所有空心圓盤焊接在中心軸上，圓盤也是空心的且與軸內(nèi)腔相通。圓盤邊緣裝有推泥板，對污泥有推進、輸送和攪拌作用。
運行時，污泥通過進料口進入干化機，在空心圓盤上推泥板的作用下翻轉(zhuǎn)、攪拌，不斷更新受熱面，與盤片和筒體內(nèi)壁接觸傳熱，濕污泥受熱之后水分蒸發(fā)，同時干化污泥由推泥板推向出料口，為了防止污泥黏附在圓盤上造成污泥淤積，圓盤之間裝有刮泥板，刮泥板被固定在圓筒外殼上，伸到圓盤之間的空隙中。在熱介質(zhì)一側(cè)，水蒸氣進入干化機轉(zhuǎn)子中心軸和盤片內(nèi)腔加熱盤片，傳遞完熱量后，高溫水蒸氣在圓盤空心內(nèi)腔中冷凝生成冷凝水，通過冷凝管排出干化機。
圓盤干化機的問題之一是污泥進入后干化速率較高，導(dǎo)致污泥在干化機內(nèi)非常容易粘滯，因此污泥的剪切和破碎效果較差，在實際運行中圓盤干化機出現(xiàn)污泥粘滯、卡頓的現(xiàn)象較多。另外圓盤面積比較大，圓盤干化機整體的占地面積較小。
1.4 幾種干化機參數(shù)必選
干化系統(tǒng)在整個污泥處置過程中是極為重要的部分，干化設(shè)備的選型和干化污泥的含固率將直接影響后續(xù)的焚燒系統(tǒng)，進而影響整個污泥處理處置效果。幾大主流干化機的性能參數(shù)如下表。
| 干化系統(tǒng) | 槳葉式干化機 | 薄層干化機 | 圓盤干化機 |
干化程度 | 半干化/全干化 | 半干化/全干化 | 半干化/全干化 |
轉(zhuǎn)速（r/min） | 3～12 | 90 | 5～8 |
安全性 | 粉塵含量低，氧含量低 | 粉塵含量低，氧含量低 | 粉塵含量低，氧含量低 |
熱耗（kcal/kg） | 671 | 716 | 786 |
電耗（k·Wh/t） | — | 70 | 75 |
停留時間 | 較長 | 較短 | 較長 |
占地面積 | 占地面積小 | 占地面積大，所需維修空間大 | 占地小，維修方便 |
特點 | 適用范圍廣，運行穩(wěn)定，磨損大 | 對進料無要求，無需預(yù)處理 | 占地少，磨損較大，需預(yù)處理 |
由比較得知，槳葉式干化機和圓盤式干化機的轉(zhuǎn)速都較慢，污泥通過葉片之間的傳動和摩擦來推動污泥，相應(yīng)地葉片磨損也較大，通過對葉片進行改進以及在表面噴涂耐磨材料可使干化機的耐用性更好。薄層干化機的轉(zhuǎn)速相對于其他干化機較快，相應(yīng)的污泥在其內(nèi)部的干化停留時間也較短。不過薄層干化機的占地面積較大，檢修時也需要將整個中軸抽出，因此在設(shè)計時還需要預(yù)留足夠的檢修空間。
另外干化機運行的電耗和熱耗也是干化機選型時重要的參數(shù)指標，干化機的熱能涉及到焚燒和余熱利用系統(tǒng)中蒸汽的產(chǎn)生量，而電耗則是經(jīng)濟型必選的重要指標?？傮w來看，槳葉式干化機的熱耗較小，而薄層干化機的電耗相對來說較小。
2 我國典型污泥處置工程概述
2.1 成都市第一城市污水污泥處理廠工程
該廠接收污泥含水率為80%，系統(tǒng)總處理能力400t/d，處理的濕污泥含水率為80%，設(shè)計干基高位熱值13086kj/kg，系統(tǒng)的工藝采用薄層干化機+鼓泡焚燒爐處理技術(shù)，設(shè)置兩條干化焚燒線。
濕污泥通過輸送系統(tǒng)進入薄層干化機的進料口，污泥被轉(zhuǎn)子帶向熱壁表面，轉(zhuǎn)子上的槳葉對熱壁表面的污泥反復(fù)翻混，同時污泥通過螺旋輸送到排料端。在干化機的蒸汽側(cè)，余熱鍋爐產(chǎn)生的6bar飽和蒸汽通過干化機夾套對污泥加熱，受熱后的污泥由于水蒸發(fā)含水率下降。經(jīng)干燥處理，含水率80%的濕污泥干化為含水率30%、溫度為100℃左右的干污泥，干污泥經(jīng)輸送系統(tǒng)送入焚燒單元。污泥在干化機內(nèi)部停留時間極短，依靠干化機轉(zhuǎn)子慣性，完全可以將機體內(nèi)的污泥排出。干燥過程中產(chǎn)生的載氣與污泥逆向運動，由污泥進料口上方的蒸汽管口排出，之后載氣經(jīng)過冷凝處理，冷凝液進入污水處理廠處理，不凝氣體經(jīng)處理后排放。
為了避免污泥在給料裝置中粘滯，在焚燒爐之間設(shè)置混合料斗，干化后含水率30%的污泥與含水率80%的濕污泥混合，混合后污泥的含水率約為66%。混合后的污泥由柱給料螺旋分兩路打進焚燒爐爐膛，助燃的高溫流化空氣由布風(fēng)裝置送進焚燒爐爐膛，輔助燃燒的天然氣由輔助燃燒器從爐膛濃相區(qū)噴入焚燒爐，污泥在爐內(nèi)燃燒和燃盡；高溫?zé)煔庠诓坏陀?50℃的爐膛內(nèi)停留2s以上。由于污泥的含灰特性，焚燒后灰分大部分成為飛灰隨煙氣進入后續(xù)系統(tǒng)。焚燒爐出口的高溫?zé)煔馐紫冗M入高溫空氣預(yù)熱器，將流化空氣加熱到400℃，以減少焚燒爐內(nèi)天然氣的耗量?？疹A(yù)器為立管式換熱器，煙氣走管程?？疹A(yù)器內(nèi)換熱完成后的熱煙氣（溫度約680℃）進入水管式余熱鍋爐，產(chǎn)生飽和蒸汽，蒸汽參數(shù)為0.9MPa、180℃。煙氣二次換熱后排出余熱鍋爐，排煙溫度約250℃，進入后續(xù)的煙氣凈化系統(tǒng)。
系統(tǒng)設(shè)計時增設(shè)了天然氣鍋爐，通過天然氣燃燒補充熱量，污泥在未干化狀態(tài)下可以完全焚燒，在干化檢修期間，焚燒爐完全可以獨立焚燒含水率80%的污泥。該城市污水污泥處理廠工程于2011年完工，建成后運行狀況良好。
2.2 上海市竹園污泥處理工程
該污泥處理工程建設(shè)規(guī)模150t/d，采用半干化+焚燒處理工藝，處理脫水污泥的含水率范圍為75%～82%，干基高位熱值范圍為10～13.35MJ/kg。
濕污泥經(jīng)輸送進入干化系統(tǒng)，污泥干化系統(tǒng)由6臺槳葉式污泥干化機組成，運行時濕污泥進入干化機內(nèi)，在槳葉的作用下攪拌、混合并接受蒸汽釋放的熱量，干化過程中污泥釋放的氣體和水分通過循環(huán)載氣帶走，濕載氣的排氣溫度85℃～90℃。在蒸汽側(cè)，0.5～0.8MPa飽和蒸汽進入干化機的夾套和槳葉內(nèi)，將濕污泥中的水分蒸發(fā)出來。同時蒸汽凝結(jié)成水，凝結(jié)水?dāng)y帶的熱量部分傳給焚燒爐的一次風(fēng)，之后返回鍋爐給水系統(tǒng)。
干化后含水率40%以下的污泥稱重后進入焚燒爐前的混合進料螺旋，為了避免污泥在送料螺旋中粘滯，干污泥與含水率80%的濕污泥混合，混合后進入焚燒爐焚燒。每臺焚燒爐前設(shè)1座干污泥緩沖料倉，焚燒爐采用鼓泡型流化床焚燒爐，每臺焚燒爐額定熱負荷12.35MW。
污泥進入焚燒爐后，擾動的床料將污泥破碎并分布到砂床，被污泥與高溫空氣接觸并完全燃燒，形成的煙氣進入之后的高溫空氣預(yù)熱器，砂床的床料則通過斗提和給料設(shè)備循環(huán)利用。焚燒爐所需的熱風(fēng)來自全廠收集的臭氣和焚燒爐夾套中抽吸的熱空氣，熱空氣通過兩級空預(yù)器溫度升高至300℃左右送入焚燒爐。
焚燒后的煙氣進入高溫空預(yù)器，溫度由850℃降至740℃。之后煙氣進入余熱鍋爐，將鍋爐給水轉(zhuǎn)化為高溫蒸汽，用于干化機供氣。煙氣從余熱鍋爐出來后進入煙氣凈化系統(tǒng)，通過兩級除塵、活性炭脫除重金屬和脫硫設(shè)施，煙氣達標排放。
2.3 上海市石洞口污泥處理工程
該污泥處理工程是國內(nèi)第一座污泥干化焚燒工程，于2004年建成并通過驗收，處理能力213t/d，進廠濕污泥設(shè)計值為含水率70%，污泥平均低位熱值12681kJ/kg。工程采用流化床污泥干化和流化床焚燒工藝。
該項目的干化系統(tǒng)采用德國的流化床干化技術(shù)，熱源來自高溫蒸汽，高溫蒸汽盤管布置在流化床底部，高溫蒸汽的熱量傳遞給熱空氣，熱空氣進入干化機后，一方面使床身中的污泥處于流動化，防止污泥粘結(jié)，另一方面也與污泥進行充分換熱蒸發(fā)其中的水分，之后污泥中蒸發(fā)出來的水分和熱空氣進入載氣處理系統(tǒng)。經(jīng)干化后的污泥含水率降為10%，干污泥的溫度約為80℃，干化系統(tǒng)每蒸發(fā)1t水分，消耗熱能為2800kJ。
干化后的污泥為塊狀，由料斗機送入流化床焚燒爐中燃燒，由于污泥的熱值較低不足以支持燃燒，焚燒爐中通入柴油輔助燃燒。燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣經(jīng)廢熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽以供干化機熱介質(zhì)使用，鍋爐排出的煙氣經(jīng)過兩級空氣預(yù)熱器后進入煙氣處理系統(tǒng)，兩級空預(yù)器分別加熱鍋爐的一次風(fēng)和二次風(fēng)進氣，鍋爐燃燒過程中的殘渣排出后外運處理。
在工藝設(shè)計中，該項目相對于常規(guī)的污泥焚燒處置工程有一定的特殊性：在干化系統(tǒng)中濕污泥加熱干化至含水率非常低的干污泥送入焚燒爐焚燒；在余熱利用系統(tǒng)中，焚燒爐出口的煙氣先進入余熱鍋爐中利用高溫余熱產(chǎn)蒸汽，之后煙氣再通入空預(yù)器中加熱鍋爐熱風(fēng)。在實際運行中，由于污泥中的含砂量過高，對流化床干化機中熱交換器的磨損較大，另外干化后的污泥在用料斗輸送過程中也會對設(shè)備產(chǎn)生極大的磨損。
2.4 嘉興熱電協(xié)同污泥處置工程
該污泥干化焚燒工程是國內(nèi)首個污泥與燃煤混燒的污泥協(xié)同處置項目。該工程于2010年投入試生產(chǎn)，入廠的污泥含水率80%，日處置污泥能力約為1500t。
該工程中干化系統(tǒng)配備7臺圓盤式干化機，濕污泥進入干化機后從圓盤與外殼之間通過，同時接收圓盤內(nèi)高溫蒸汽的熱量將其水分蒸發(fā)，進入干化機的濕污泥經(jīng)過1～2h干化后，形成含水率為35%、溫度56℃左右的干污泥，干化機中的熱介質(zhì)來自電廠中降溫擴容后的輔助蒸汽，蒸汽將熱量傳遞給濕污泥之后冷凝，冷凝液進入全廠水系統(tǒng)循環(huán)使用。蒸發(fā)后的水蒸氣通過載氣帶出，廢氣經(jīng)冷凝處理后抽入爐膛燃燒。
干化后的污泥與煤摻混，之后送入循環(huán)流化床焚燒爐中。該項目采用220t/h高溫高壓循環(huán)流化床焚燒鍋爐，焚燒爐出口的高溫?zé)煔膺M入余熱鍋爐，余熱鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽驅(qū)動50MW背壓式汽輪機發(fā)電。整個污泥焚燒綜合利用項目全部建成后總計新增年發(fā)電量3億千瓦時左右，節(jié)約標煤約10萬t/a。此外，焚燒后的爐渣還可作為建筑原料。
3 結(jié)語
干化機是污泥干化焚燒系統(tǒng)中重要的設(shè)備，其性能對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和運行效率影響非常大，現(xiàn)有成熟技術(shù)中，不同的干化機和焚燒爐都有各自的優(yōu)勢和特色。污泥干化的技術(shù)繁多，在具體的項目中應(yīng)根據(jù)污泥泥質(zhì)、運行條件、排放要求、場地要求等各方面因素來選定合適的干化系統(tǒng)。目前國內(nèi)污泥干化焚燒技術(shù)的發(fā)展正在起步階段，再加上市政污泥和工業(yè)污泥的泥質(zhì)成分不穩(wěn)定，導(dǎo)致已有的污泥處置項目中，工程建設(shè)問題和運行問題較多。隨著污泥干化焚燒工程項目逐漸增多，工程設(shè)計經(jīng)驗和運行經(jīng)驗的積累，污泥干化焚燒技術(shù)在國內(nèi)將會有更大的發(fā)展。
