截至2018年,全國廢水排放總量達(dá)695億t,按照0.05%~0.08%含泥量測算,廢水污泥產(chǎn)量為3475萬~5560萬t(以污泥含水率為80%計),體量相當(dāng)龐大。2018年6月, 能源局、生態(tài)環(huán)境部出臺《關(guān)于燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改試點項目建設(shè)的通知》,文件所列84個技改試點項目中有29個涉及燃煤耦合污泥焚燒發(fā)電項目。將環(huán)境治理與生物質(zhì)能源革命相結(jié)合,探索電廠燃煤摻燒污泥的新思路、新工藝,逐步緩解“重水輕泥”“污泥圍城”的現(xiàn)象。由于城市污水污泥隨地域、季節(jié)不同,其成分、性狀、熱值等也會發(fā)生變化。污泥運送至電廠進(jìn)行干化焚燒時,各工藝參數(shù)無法做到一成不變,需適時進(jìn)行調(diào)整。目前,國內(nèi)電廠采用的污泥干化設(shè)備以圓盤或槳葉居多,單條污泥干化線以100t/d處理量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計建造,由于進(jìn)場污泥參數(shù)的波動,對污泥干化系統(tǒng)調(diào)試與運行的研究顯得至關(guān)重要。
本文以廣東某電廠內(nèi)建設(shè)的處理量為100t/d的圓盤式污泥干化系統(tǒng)為例,對比干化系統(tǒng)主體設(shè)備在不同運行參數(shù)下的污泥干化效果及出力等變化趨勢,為干化系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、節(jié)能運行提供參考。
1 污泥干化系統(tǒng)概述
鑒于我國市政污泥處理處置的緊迫形勢,為避免污泥大量積存引發(fā)環(huán)境安全風(fēng)險,廣東某電廠廠內(nèi)2號機組汽機房前側(cè)區(qū)域,建設(shè)日處理規(guī)模為100t的污泥干化系統(tǒng),系統(tǒng)工藝設(shè)計要求如下:
來料污泥含水率的波動范圍為75%~82%;干化后污泥含水率為30%~40%;干化系統(tǒng)的污泥處理能力為60~100t(污泥)/d;干化后污泥出口溫度為40℃~50℃;設(shè)備年工作時間≥8000h。
該干化系統(tǒng)建成后,以圓盤干燥機為主體對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試運行。依次選擇日處理量為60t、80t和100t三個工況進(jìn)行調(diào)試運行。針對系統(tǒng)不同出力情況,對系統(tǒng)內(nèi)主體設(shè)備的各個運行參數(shù)進(jìn)行分析與研究。
污泥干化系統(tǒng)主要由以下四個系統(tǒng)組成:
(1)濕泥存儲和輸送系統(tǒng):以濕泥倉和螺桿泵為主。含水率為80%的污泥儲存在濕泥倉中,濕泥倉內(nèi)有液壓驅(qū)動滑架防止污泥在倉內(nèi)發(fā)生堵塞,倉內(nèi)濕泥通過倉底螺旋輸送機送至螺桿泵,然后通過螺桿泵泵送至干燥機進(jìn)泥口。
(2)污泥干化系統(tǒng):主要設(shè)備為圓盤干燥機。濕泥從進(jìn)泥口進(jìn)入,在干燥機內(nèi)部通過污泥與熱媒(0.5MPa、160℃蒸汽)間接接觸的方式對污泥加熱脫水,污泥含水率降至35%以下,干污泥從干燥機側(cè)部出料口排出。
(3)工藝廢氣系統(tǒng):主要包括旋風(fēng)除塵器、噴淋塔、冷凝器和離心風(fēng)機。工藝廢氣主要由粉塵顆粒、水蒸氣以及其他不凝性氣體組成。廢氣首先經(jīng)過旋風(fēng)除塵器進(jìn)行除塵處理,然后經(jīng)過噴淋塔進(jìn)一步除塵并使廢氣達(dá)到飽和濕蒸汽狀態(tài),在冷凝器內(nèi)部冷凝大部分水蒸汽,剩余的不凝性氣體通過離心風(fēng)機送至下一道工序。
(4)干污泥輸送與存儲系統(tǒng):主要包括刮板機和干料倉。污泥從干燥機出泥口落入刮板機,通過刮板機送至干泥倉儲存。
2 污泥干化系統(tǒng)運行結(jié)果分析
2.1 污泥干化系統(tǒng)處理不同污泥量調(diào)試運行參數(shù)
干燥機的處理量是污泥干化系統(tǒng)干燥能力的主要指標(biāo),而干化系統(tǒng)處理量的設(shè)定,主要取決于濕泥進(jìn)泥量、含水率、熱源蒸汽參數(shù)及污泥在干燥機內(nèi)停留時間。在調(diào)試過程中,進(jìn)泥量和停留時間分別通過螺桿泵的運行頻率和干燥機中軸轉(zhuǎn)動頻率的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。當(dāng)干燥機的處理量在60t/d、80t/d、100t/d三個處理工況下,干燥機中軸轉(zhuǎn)動頻率都在7~10Hz范圍內(nèi)波動。但是,隨著處理量的增加,螺桿泵的運行頻率呈增加趨勢。當(dāng)污泥處理量分別為60t/d、80t/d和100t/d時,螺桿泵的運行頻率依次為9Hz、11Hz和13Hz。
2.2 不同工況下各工藝參數(shù)對干化系統(tǒng)的影響
干燥機的蒸發(fā)能力是影響污泥干化系統(tǒng)能耗的重要指標(biāo)之一。干燥機的蒸發(fā)能力可以體現(xiàn)為蒸發(fā)每噸水的蒸汽耗量。在運行過程中,設(shè)定系統(tǒng)處理量為60t/d、80t/d、100t/d的三個不同工況下,分別控制相同的蒸汽品質(zhì)和相近的進(jìn)料、出料污泥質(zhì)量。對系統(tǒng)蒸汽耗量、干燥機廢氣排放量、載氣量等進(jìn)行監(jiān)測記錄,具體工況條件及監(jiān)測數(shù)據(jù)見下表:
項目名稱 | 單位 | 工況1 | 工況2 | 工況3 |
處理量 | t/d | 60 | 80 | 100 |
熱源蒸汽 | ℃(MPa) | 160(0.5) | 160(0.5) | 160(0.5) |
濕污泥含水率 | % | 80.59 | 80.32 | 80.21 |
干污泥含水率 | % | 33.82 | 34.25 | 32.21 |
蒸汽耗量 | t/h | 2.3 | 3.0 | 3.7 |
蒸發(fā)水量 | t/h | 1.77 | 2.34 | 2.95 |
干燥機出口廢氣量 | kg/h | 3302.5 | 4365.0 | 5514.6 |
載氣量 | kg/h | 1534 | 2030 | 2564 |
尾氣冷卻循環(huán)水量 | t/h | 120.3 | 160.1 | 200.9 |
冷凝污水量 | t/h | 1.69 | 2.25 | 2.81 |
蒸發(fā)每噸水的蒸汽耗量 | t/t | 1.30 | 1.28 | 1.25 |
從上表可知,在保證污泥入泥含水率標(biāo)準(zhǔn)的前提下,不同處理量工況系統(tǒng)出泥含水率均能滿足小于35%的要求。隨著污泥日處理量的增加,單位時間蒸汽耗量、干燥機出口廢氣量、載氣量、尾氣冷卻循環(huán)水量以及冷凝污水水量均增加。這主要體現(xiàn)為在保持干燥機內(nèi)一定微負(fù)壓的條件下,處理量增加,干燥機內(nèi)載氣量或單位時間內(nèi)濕污泥水分蒸發(fā)量有所增加。但是隨著污泥日處理量的增加,蒸發(fā)每噸水的蒸汽耗量有所下降,這是因為處理污泥量較小時,圓盤干燥機與污泥的有效接觸面積及熱利用率有所下降。相比于工況3,在工況1條件下蒸發(fā)污泥內(nèi)部每噸水的蒸汽耗量增加了4%。故從節(jié)能降耗角度考慮,應(yīng)避免或減少圓盤干燥機長期低負(fù)荷(污泥處理量<100t/d)運行。
2.3 污泥干化系統(tǒng)調(diào)試依據(jù)
污泥干化工藝系統(tǒng)調(diào)試的主要目的是在污泥處理量及干污泥質(zhì)量兩項指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求的前提下,盡可能降低運行成本。其中,干燥機處理污泥要求為100t/d,干污泥需滿足含水率不高于35%的要求。根據(jù)以往的系統(tǒng)調(diào)試工作經(jīng)驗,調(diào)試人員往往以干燥機#4段是否出現(xiàn)污泥干濕界面,作為定性判斷干燥機出料口干污泥是否滿足含水率在35%以下的重要依據(jù)。
在調(diào)試過程中對干燥機內(nèi)部不同階段污泥含水率進(jìn)行分析。通過調(diào)整系統(tǒng)變量將干濕界面控制在干燥機#4段出現(xiàn),測得該段含水率為41.80%~45.19%,可滿足出口污泥含水率<35%的要求。當(dāng)進(jìn)一步要求降低干污泥含水率時,可考慮通過控制變量將干濕界面向#3段方向移動來實現(xiàn)。
2.4 干燥機內(nèi)污泥特征變化情況
當(dāng)污泥干化系統(tǒng)的污泥處理量為100t/d時,在干化過程中對干燥機#1~#5段內(nèi)污泥取樣,對其含水率、pH值等相關(guān)理化性能進(jìn)行檢測,并根據(jù)各性能參數(shù)值繪制各理化性質(zhì)參數(shù)在干燥機內(nèi)部不同階段的變化趨勢。
隨著污泥在干燥機內(nèi)不斷干化,污泥含水率逐漸減少,污泥pH值沒有明顯波動,污泥的揮發(fā)分和恒容低位發(fā)熱量逐漸增加。其中,#5段污泥揮發(fā)分是#1段污泥揮發(fā)分的4.85倍,#5段污泥恒容低位發(fā)熱量是#3段污泥恒容低位發(fā)熱量的8.34倍。可見,經(jīng)過干化后的污泥更有利于在電廠中與煤混合摻燒,同時對燃煤熱值影響較小。經(jīng)計算,日干化處理100t含水率為80%的污泥至含水率在35%以下,然后送入鍋爐與煤摻燒,按系統(tǒng)年運行300d計算,相當(dāng)于每年可節(jié)約標(biāo)煤1630t。但是,隨著污泥含水率的減少,污泥的黏度在#2~#3段先快速增加,當(dāng)污泥完成半干化后呈現(xiàn)顆粒狀的污泥在#4~#5段將檢測不出黏度。在干燥機#3段,污泥黏度達(dá)到極值,出現(xiàn)黏滯區(qū),故在干燥機升級改造時應(yīng)盡量考慮通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化減少污泥黏滯造成的不利影響。
2.5 干化系統(tǒng)冷凝污水水質(zhì)特征
干化系統(tǒng)污泥處理量為100t/d時,對污泥干化系統(tǒng)冷凝水進(jìn)行了取樣,對其pH值、渾濁度、SS、CODcr、BOD5、Cl-和石油烴等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢測,為后續(xù)冷凝污水處理方式和處理工藝選型提供參考。
2.5.1 冷凝污水常規(guī)指標(biāo)釋放特性
根據(jù)其他污泥干化系統(tǒng)建設(shè)工程經(jīng)驗,冷凝污水處置通常選擇電廠回收再利用或直接排入污水管,為分析冷凝污水水質(zhì)是否滿足相應(yīng)處置方式的水質(zhì)要求,本文將測定值與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值做了對比分析。
項目 | 標(biāo)準(zhǔn)值 | 水質(zhì)指標(biāo) | 水質(zhì)限值 | 測定值 |
pH值 | 6~9 | 7.0~8.5 | 6.5~9.5 | 9.11 |
渾濁度 | 50 | ≤10 | 65 | 1350 |
SS | 70 | ≤20 | 400 | 477 |
CODcr | 100 | ≤30 | 500 | 863 |
BOD5 | 20 | ≤5 | 350 | 377 |
Cl- | - | <200 | 8 | 33.4 |
全磷 | × | <1 | 8 | 18.9 |
氰化物 | 0.5 | - | 0.5 | 0.046 |
銅 | 0.5 | - | 2 | 0.33 |
錳 | 2.0 | ≤0.2 | 2 | 0.76 |
鋅 | 2.0 | - | 5 | 0.575 |
石油烴 | 5 | ≤5 | 15 | 43.8 |
鐵 | - | ≤0.5 | 5 | 69.8 |
上表為運行階段冷凝污水的各項水質(zhì)指標(biāo)檢測值,其中,pH值和CODcr是污泥干化冷凝污水的重要指標(biāo)。根據(jù)上表可知,冷凝污水呈堿性,這是由于污泥干化過程中氨氣的釋放速度高于揮發(fā)性有機酸的釋放速度,進(jìn)而造成冷凝污水中的OH-較多。冷凝污水中的CODcr含量一般受污泥干化溫度影響較大,且隨著干化溫度的升高,CODcr含量也呈上升趨勢。采用160℃蒸汽對污泥進(jìn)行干化處理,冷凝污水中的CODcr與已有的研究結(jié)果相近。
首先,將冷凝污水與《火電發(fā)電廠再生水深度處理設(shè)計規(guī)范》(DL/T 5483-2013)中的直接補入循環(huán)水系統(tǒng)的再生水水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)冷凝污水中各項目的測定值遠(yuǎn)高于再生水的水質(zhì)指標(biāo);然后,將冷凝污水與《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978-1996)中一級排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)冷凝污水的部分項目的測定值較高,如pH值、渾濁度、SS、CODcr、BOD5和石油烴;隨后將冷凝污水與《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 31962-2015)中水質(zhì)控制項目限值A級進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)冷凝污水的SS、CODcr、BOD5、Cl-、P、石油烴以及鐵等項目的測定值均高于限值。因此,無論是電廠回用或排入污水管網(wǎng),都應(yīng)該在電廠內(nèi)對冷凝污水進(jìn)行預(yù)處理。
2.5.2 冷凝污水重金屬釋放特征
下表為污泥干化系統(tǒng)冷凝污水中的重金屬含量。
項目 | 標(biāo)準(zhǔn)值 | 測定值 | 項目 | 標(biāo)準(zhǔn)值 | 測定值 |
總汞 | 0.05 | 0.001 | 總砷 | 0.5 | <0.2 |
總鎘 | 0.1 | <0.05 | 總鉛 | 1.0 | <0.1 |
總鉻 | 1.5 | 0.08 | 總鎳 | 1.0 | 0.130 |
六價鉻 | 0.5 | 0.072 | 總鈹 | 0.005 | <0.008 |
總銀 | 0.5 | 0.04 |
由上表可知,冷凝污水中的重金屬含量較低,遠(yuǎn)小于《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978-1996)規(guī)定的限值。在污泥干燥過程中,重金屬主要殘留在污泥固相組分中,所以實際工程中應(yīng)重點關(guān)注干化污泥中的重金屬含量。
3 結(jié)語
近年來,電廠為了響應(yīng)污泥處理處置要求,圓盤干燥機作為污泥干化+摻燒工藝的核心設(shè)備,在我國投運數(shù)量劇增。實現(xiàn)圓盤干化系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、節(jié)能運行是重要的研究方向,本文以調(diào)試運行過程中的廣東某電廠污泥干化系統(tǒng)為例,對污泥干化效果、出力及污泥干化過程中干、濕污泥理化特性等參數(shù)的變化趨勢進(jìn)行分析,同時對干化冷凝污水進(jìn)行檢測并分析,總結(jié)如下:
(1)圓盤干燥機作為污泥干化系統(tǒng)的核心設(shè)備,污泥干燥程度主要受進(jìn)泥量及干燥機轉(zhuǎn)速的影響,直接反映在對螺桿泵及干燥機運行頻率的調(diào)節(jié)上。其中,干燥機日處理60~100t污泥,含水率從80%降至35%時,螺桿泵的運行頻率為9~13Hz,干燥機的運行頻率為7~10Hz。
(2)污泥圓盤干化系統(tǒng)設(shè)計處理量為100t/d,但實際處理量為60t/d時,蒸發(fā)每噸污泥內(nèi)部水分所耗蒸汽量增加4%。故系統(tǒng)運行時,應(yīng)盡量避免或減少系統(tǒng)在低負(fù)荷下運行。另外,經(jīng)干燥機干化后的污泥的揮發(fā)分和熱值明顯提升,有利于污泥在后續(xù)工序中與煤的耦合摻燒。
(3)污泥干化過程中重金屬主要滯留在固相中,產(chǎn)生的冷凝污水中重金屬含量較小,且遠(yuǎn)小于《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978-1996)中的規(guī)定限值,但pH及CODcr等含量不滿足相應(yīng)處置方式的水質(zhì)進(jìn)水要求。故無論是電廠回用還是排放,都應(yīng)該在電廠內(nèi)對冷凝污水進(jìn)行預(yù)處理。