污泥干燥與焚燒過(guò)程分析
行業(yè)動(dòng)態(tài)
填埋、堆肥、干燥熱處理和焚燒是處理污泥的主要方法。污泥干燥能使污泥顯著減容，體積可以減少4～5倍，產(chǎn)品穩(wěn)定、無(wú)臭且無(wú)病原生物，干燥處理后的污泥產(chǎn)品可以用作肥料、土壤改良劑、替代能源等。與其他污泥處理技術(shù)相比，焚燒具有很多優(yōu)點(diǎn)。
（1）焚燒可以大大減少污泥的體積，相對(duì)于機(jī)械脫水的污泥來(lái)說(shuō)，焚燒產(chǎn)物體積只相當(dāng)于起初產(chǎn)物的10%。
（2）焚燒可以殺死一切病原體。通過(guò)高溫處理，燃燒殘?jiān)鼉?nèi)幾乎沒有病原體存在，同時(shí)還可以解決污泥的惡臭問(wèn)題。
（3）污泥焚燒處理速度快，不需要長(zhǎng)期儲(chǔ)存，而且污泥可就地焚燒，不需要長(zhǎng)距離運(yùn)輸。
（4）經(jīng)過(guò)脫水的污泥的熱值相當(dāng)于褐煤的水平，可以回收能量用于發(fā)電和供熱，在一定程度上減輕污泥焚燒的費(fèi)用。同時(shí)，由于焚燒設(shè)備不斷完善和有關(guān)焚燒技術(shù)的突破，原來(lái)存在的煙氣二次污染問(wèn)題也得到了妥善的解決，污泥焚燒已成污泥處理的主要發(fā)展方向，愈來(lái)愈受到世界各國(guó)的青睞。
我國(guó)在污泥處理方面，目前大部分的研究局限于污泥的堆肥農(nóng)用，對(duì)污泥的能量化利用很少，這造成很大的能源浪費(fèi)。尤其是對(duì)污泥的焚燒處理，由于耗資大、設(shè)備復(fù)雜、對(duì)操作人員的素質(zhì)和技術(shù)水平要求高，這方面開展的工作就更少了。大規(guī)模市政污泥焚燒技術(shù)的應(yīng)用始于2004年建成運(yùn)行的上海石洞口污水處理廠污泥焚燒系統(tǒng)，但對(duì)運(yùn)營(yíng)多年，處理效果良好的其他工程案例，國(guó)內(nèi)鮮有報(bào)道。
本文擬處理1t/h的濕污泥，污泥含水率為80%，分別采用污泥干燥焚燒和直接焚燒工藝進(jìn)行焚燒處理，計(jì)算相應(yīng)的能源消耗，為選擇污泥干燥與焚燒技術(shù)提供一定理論依據(jù)。
1 污泥干燥
1.1 污泥干燥機(jī)理
污泥干燥的過(guò)程其實(shí)就是水分蒸發(fā)的過(guò)程。干燥是為了去除水分，水分的去除經(jīng)歷兩個(gè)主要過(guò)程：
（1）蒸發(fā)過(guò)程。物料表面的水分汽化，由于物料表面的水蒸氣壓低于介質(zhì)（氣體）中的水蒸氣分壓，水分從物料表面移入介質(zhì)。
（2）擴(kuò)散過(guò)程。這是與汽化密切相關(guān)的傳質(zhì)過(guò)程。當(dāng)物料表面水分被蒸發(fā)掉，物料表面的濕度低于物料內(nèi)部濕度。此時(shí)，需要熱量的推動(dòng)力將水分從內(nèi)部轉(zhuǎn)移到表面。
上述兩個(gè)過(guò)程的持續(xù)、交替進(jìn)行，基本上反映了干燥的機(jī)理。
1.2 污泥熱干燥技術(shù)
熱干燥技術(shù)通常按照要干燥的濕固體的傳熱方式進(jìn)行分類。這些技術(shù)包括對(duì)流（直接干燥）、傳導(dǎo)（間接干燥）和輻射（紅外干燥），或者是這些技術(shù)的整合。
在對(duì)流干燥（直接干燥）中，熱傳遞通過(guò)濕污泥與熱氣體的直接接觸完成。進(jìn)氣的熱量提供了污泥中液體蒸發(fā)需要的潛熱，蒸發(fā)的氣體被熱氣體所攜帶。在一定流速的干燥平衡條件下，物質(zhì)傳遞與以下因素有關(guān)：
（1）暴露的濕固體表面積。
（2）干空氣的水分含量和污泥空氣接觸溫度下飽和濕度的差值。
（3）其他因素，諸如速度和干空氣的湍流度。
直接干燥是污泥熱干燥常用的類型，閃蒸式干燥器、直接轉(zhuǎn)筒式干燥器、流化床干燥器使用的都是這種方法。
在傳導(dǎo)干燥（間接干燥）中，熱傳遞由濕污泥與熱表面的接觸來(lái)完成。金屬壁將污泥和加熱媒介（通常是蒸汽或者油）隔開，蒸發(fā)的液體從加熱媒介中被去除。城市污泥干燥的間接干燥技術(shù)包括水平槳板式，中空螺旋式或者圓盤式和垂直間接熱干燥技術(shù)。
在輻射干燥（紅外或輻射的熱干燥）中，熱傳遞由電阻元件，如燃?xì)獾哪突鸢谉霟艋蛘呒t外燈，提供輻射能來(lái)完成紅外熱干燥。
在污泥干燥前，通常使用機(jī)械方法脫水。機(jī)械脫水是一個(gè)重要的預(yù)處理過(guò)程，能減少干燥過(guò)程中必須要去除的水的含量。脫水污泥中的水在干燥器中蒸發(fā)，但是污泥中的有機(jī)物不能被破壞，干燥過(guò)程中固體溫度需保持在60～93℃。一部分干污泥和未處理的脫水污泥混合在一起進(jìn)入干燥器，能減少結(jié)塊，增大污泥與干燥介質(zhì)的接觸面積，使得干燥操作效率更高。
2 污泥焚燒
2.1 污泥焚燒原理
污泥焚燒是在一定溫度、氣相充分有氧的條件下，使污泥中的有機(jī)質(zhì)發(fā)生燃燒反應(yīng)，并轉(zhuǎn)化為CO2、H2O、N2等相應(yīng)的氣相物質(zhì)，它包括蒸發(fā)、揮發(fā)、分解、燒結(jié)、熔解和氧化還原反應(yīng)，以及相應(yīng)的傳質(zhì)和傳熱的綜合物理變化和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。
根據(jù)質(zhì)量守恒定律，輸入的物料質(zhì)量應(yīng)等于輸出的物料質(zhì)量，即：Ma+Mf-Mg-Mr=0。其中，Ma為進(jìn)入焚燒系統(tǒng)助燃空氣的質(zhì)量；Mf為進(jìn)入焚燒系統(tǒng)污泥的質(zhì)量；Mg為排出焚燒系統(tǒng)煙氣的質(zhì)量；Mr為排出焚燒系統(tǒng)飛灰的質(zhì)量。
從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)來(lái)看，焚燒系統(tǒng)是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，它將污泥燃料的化學(xué)能，通過(guò)燃燒過(guò)程，轉(zhuǎn)化成煙氣的熱能，煙氣在通過(guò)輻射、對(duì)流、導(dǎo)熱等基本傳熱方式，將熱能分配交換給工質(zhì)或排放到大氣中。在穩(wěn)定工況條件下，焚燒系統(tǒng)輸入輸出的熱量是平衡的，即Qf+Maha-Mghg-Mfhf=0。其中，Qf為污泥燃燒放出的熱量；ha為廢氣冷卻質(zhì)量流率；hg為煙氣的質(zhì)量流率；hf為飛灰的質(zhì)量流率。
2.2 污泥焚燒的影響因素
影響污泥焚燒過(guò)程的因素很多，主要因素有污泥的性質(zhì)、停留時(shí)間、燃燒溫度、焚燒傳遞條件、空氣過(guò)量系數(shù)等。
2.2.1 污泥的性質(zhì)
污泥的性質(zhì)主要包括污泥的含水率和污泥中揮發(fā)分的含量。污泥的含水率直接影響污泥焚燒設(shè)備的運(yùn)行和處理費(fèi)用，因此應(yīng)降低污泥的水分。通常情況下，污泥含水率與揮發(fā)分含量之比小于3.5，則污泥能夠維持自燃，節(jié)約燃料，如果揮發(fā)分提供的熱量不足以維持燃燒，則需補(bǔ)充熱能。
2.2.2 焚燒溫度
污泥的焚燒溫度越高，燃燒速度越快，污泥焚燒的就越完全，焚燒效果也越好。
一般來(lái)說(shuō)，提高焚燒溫度不僅有利于污泥的燃燒和干燥，還有利于分解和破壞污泥中的有機(jī)物。但過(guò)高的焚燒溫度不僅增加了燃料消耗量，而且會(huì)增加污泥中金屬的揮發(fā)量及煙氣中氮氧化物的數(shù)量，引起二次污染。因此，不宜隨意確定較高的焚燒溫度。
2.2.3 污泥焚燒的停留時(shí)間
污泥在焚燒爐內(nèi)停留時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響焚燒的完善程度，停留時(shí)間也是決定爐體容積尺寸的重要依據(jù)。為了使污泥在爐內(nèi)完全燃燒，污泥需要在爐內(nèi)停留足夠的時(shí)間。停留時(shí)間意味著燃燒煙氣在爐內(nèi)所停留的時(shí)間，燃燒煙氣在爐內(nèi)停留的時(shí)間的長(zhǎng)短決定氣態(tài)可燃物的完全燃燒程度。
污泥焚燒的氣相溫度達(dá)到800～850℃，高溫區(qū)的氣相停留時(shí)間達(dá)到2s，可分解污泥中絕大部分的有機(jī)物，但污泥中一些來(lái)自工業(yè)源的耐熱分解有機(jī)物需在溫度為1100℃時(shí)，停留時(shí)間為2s的條件下才能完全分解。
污泥固相中有機(jī)物充分分解的溫度和停留時(shí)間則與焚燒時(shí)的傳遞條件有極大的關(guān)系。污泥顆粒越小，有機(jī)物完全分解所需的停留時(shí)間越短，如當(dāng)污泥粒徑為毫米級(jí)時(shí)（如在流化床中），則其停留時(shí)間在0.5～2min即可。
2.2.4 污泥焚燒的傳遞條件
污泥焚燒的傳遞條件包括污泥顆粒度和氣相的湍流混合程度，湍流越充分，傳遞條件越有利。一般采用50%～100%的過(guò)量空氣作為焚燒的動(dòng)力。
2.2.5 過(guò)?？諝庀禂?shù)
過(guò)?？諝庀禂?shù)（α，%）為實(shí)際空氣與理論空氣的比值。即，α=V/V0，式中，V0為理論空氣量；V為實(shí)際供應(yīng)空氣量。
過(guò)?？諝庀禂?shù)對(duì)污泥的燃燒狀況有很大的影響，供應(yīng)適量的過(guò)?？諝馐怯袡C(jī)可燃物完全燃燒的必要條件。合適的過(guò)?？諝庀禂?shù)有利于污水污泥與氧氣的接觸混合，強(qiáng)化污泥的干燥、燃燒。但過(guò)剩空氣系數(shù)過(guò)大又有一定的副作用，即會(huì)降低爐內(nèi)燃燒溫度，增大燃燒煙氣的排放量。
3 直接焚燒與干燥焚燒
污泥焚燒主要分為兩類：一類是將脫水污泥直接送入焚燒爐焚燒，即直接焚燒；另一類是先將污泥脫水至較低含水率水平后，再送焚燒爐焚燒，即干燥焚燒。
本文設(shè)計(jì)焚燒1t/h的污泥，含水率為80%，分別采用直接焚燒和干燥焚燒兩種方案，對(duì)比其能耗情況。
污泥直接焚燒能量計(jì)算數(shù)據(jù)如下：
項(xiàng)目 | 結(jié)果 |
輻射熱損失（106kJ/h） | 0.10 |
助燃空氣中水分蒸發(fā)需熱（106kJ/h） | 0.034 |
總損失熱量（106kJ/h） | 0.14 |
污泥焚燒產(chǎn)生熱量（106kJ/h） | 3.42 |
實(shí)際污泥供應(yīng)熱量（106kJ/h） | 3.28 |
污泥焚燒需熱量（106kJ/h） | 4.18 |
輔助燃料量（106kJ/h） | 0.9 |
污泥干燥過(guò)程能量計(jì)算數(shù)據(jù)如下：
項(xiàng)目 | 結(jié)果 |
污泥干燥前含水率（%） | 80 |
污泥干燥后含水率（%） | 40 |
干燥過(guò)程蒸發(fā)的水分量（kg/h） | 759 |
干燥過(guò)程水分蒸發(fā)需熱量（106kJ/h） | 1.57 |
干燥效率（%） | 80 |
干燥過(guò)程需熱量（106kJ/h） | 1.97 |
直接焚燒與干燥焚燒能源消耗產(chǎn)出對(duì)比如下：
方案 | 能源消耗（106kJ/h） | 能源產(chǎn)出（106kJ/h） | 能源產(chǎn)耗比 |
直接焚燒 | 0.9 | 0 | 0 |
干燥焚燒 | 1.97 | 2.61 | 1.32 |
由上表可以看出，污泥直接焚燒所需輔助燃料量較大，不建議過(guò)高含水率污泥直接焚燒。污泥干燥焚燒雖然干燥過(guò)程能量消耗較大，但由于干燥后污泥的熱值較高，能量利用價(jià)值較高，從而在一定程度上降低污泥焚燒費(fèi)用。
K.Okazawa和M.Hiraoka指出，干燥焚燒和直接焚燒的處理成本分別為250美元/t和300美元/t干污泥。雖然由于國(guó)情不同直接引用這些數(shù)據(jù)并不能說(shuō)明問(wèn)題，但從費(fèi)用結(jié)構(gòu)分析，干燥焚燒系統(tǒng)雖然增加了一套干燥設(shè)備，約占總投資的15%，但卻因此省去了直接焚燒所耗的約占總投資35%的輔助燃料費(fèi)用，故處理成本至少降低20%左右。從以上的能量產(chǎn)耗情況及處理成本的比較分析看，采用干燥焚燒技術(shù)，處理成本較脫水泥餅直接焚燒有明顯的下降。
4 結(jié)論
（1）污泥焚燒優(yōu)勢(shì)明顯，發(fā)展?jié)摿薮螅梢赃_(dá)到污泥減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化的要求，有望成為污泥處置的主流技術(shù)。
（2）污泥直接焚燒是可行的，相比污泥干燥焚燒，所需的輔助燃料量和煙氣排放量要大很多，因此污泥焚燒的濕污泥含水率不宜過(guò)高。
（3）污泥干燥焚燒由于干燥處理后的低含水率污泥熱值較高，能夠自持燃料，能源利用價(jià)值較高，能耗也較低，是一種節(jié)能型污泥處理方式。
