市政污泥焚燒煙氣凈化工藝研究

張輝，孔華

(深圳市能源環(huán)保有限公司，廣東 深圳 518048)

市政污泥焚燒煙氣凈化工藝研究

張輝，孔華

(深圳市能源環(huán)保有限公司，廣東 深圳 518048)

市政污泥成分復(fù)雜，除含有大量的水分外，還含有大量的病原菌、寄生蟲、致病微生物，以及砷、銅、鉻、汞等重金屬和有毒有害物質(zhì)，任意堆放、排放會造成環(huán)境污染，同時也是資源的浪費。城市污水污泥的妥善處理、處置的問題十分突出，其無害化處置已經(jīng)成為各級政府和環(huán)保部門日益關(guān)注的重大環(huán)保課題。通過分析污泥成分，研究污泥處理方法，探索市政污泥焚燒方式處理。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析市政污泥焚燒過程中煙氣凈化系統(tǒng)的工藝組合，并給出了推薦方案。

市政污泥；焚燒處理；煙氣凈化；工藝系統(tǒng)；脫硫脫硝

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、市政基礎(chǔ)設(shè)施的完善，城市污水處理率不斷提高，伴生了大量的市政污泥。其成分復(fù)雜，含有大量有害物質(zhì)，如不經(jīng)處理會對人類的健康造成威脅。

目前，國內(nèi)外污泥的處置方法主要是填埋、堆肥和焚燒3種。污泥填埋要占用大量土地和花費大量的運輸費用，而且填埋場周圍的環(huán)境也會惡化，易遭受滲瀝水、臭氣的困擾。污泥堆肥時，由于不能有效去除污泥中的重金屬和有害物質(zhì)，重金屬離子易在土壤和植物體內(nèi)積累，使土地利用受到限制。而污泥焚燒與其他方法相比具有以下突出優(yōu)點：(1)可以殺死一切病原體，一切有機(jī)物在焚燒過程中均會最大限度地分解燃燒，焚燒產(chǎn)生的底渣和飛灰中幾乎沒有病原體存在；(2)可以最大限度地減少污泥體積(相對于機(jī)械脫水污泥而言，最終的焚燒產(chǎn)物體積只有最初污泥的10%)，它可以解決其他方法中污泥要占用大量空間的缺陷，這對于日益緊張的土地資源來說是很重要的；(3)焚燒后剩余污泥中的水分、有機(jī)物等都被分解，只剩下很少量的無機(jī)物成為焚燒灰，因而最終需要處置的物質(zhì)很少，不存在重金屬離子的問題，焚燒灰可制成建筑材料等有用的產(chǎn)品，是相對比較安全的一種污泥處置方式；(4)污泥處理速度快，不需要長期儲存；(5)可就地焚燒，不需要長距離運輸；(6)可以回收能量用于發(fā)電和供熱。

由于焚燒法在污泥減量化、無害化等方面與其他方法相比具有突出優(yōu)點，是最徹底的處理方法，因此近幾年來污泥焚燒技術(shù)已逐步成為處理污泥的主流，愈來愈受到世界各國的青睞，發(fā)達(dá)國家目前逐漸轉(zhuǎn)向采用焚燒的方法進(jìn)行無害化處理。

對比德、日等發(fā)達(dá)國家，我國目前的污泥處置大部分還是填埋，污泥焚燒應(yīng)用較少[1]，具體見表1。

表1 德、日、中處理污泥各方法所占比例 %

我國的城市污泥焚燒技術(shù)應(yīng)用始于2004年，隨后又通過引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的方式，成立了幾家污泥焚燒廠。國內(nèi)部分科研單位也進(jìn)行了相關(guān)工藝技術(shù)的研究和試驗，但多為基于國外技術(shù)基礎(chǔ)之上或僅針對焚燒過程進(jìn)行較為深入的研究，總體還未形成適應(yīng)自身特點的成套工藝技術(shù)。

目前，國內(nèi)外采用較多的是先將污泥干化，降低污泥的含水率后再進(jìn)行焚燒。污泥焚燒普遍采用流化床焚燒爐，這種爐型的燃料適應(yīng)性強，能保證污泥這種高水分、低熱值燃料穩(wěn)定燃燒，爐內(nèi)溫度場均勻，燃燒溫度可控制在850～950 ℃，以避免二噁英的產(chǎn)生。

2 污泥焚燒煙氣污染物種類和大小

本研究針對國內(nèi)外常用的“干化+流化床”的污泥焚燒方式進(jìn)行煙氣凈化工藝組合的研究。

我國地域廣闊，各地污泥成分相差較大，文獻(xiàn)[2-5]中各地污泥成分分析結(jié)果見表2。文獻(xiàn)[4]還給出了紹興污泥中重金屬含量(見表3)及焚燒后煙氣中污染物的濃度(見表4)。

表2 污泥元素分析結(jié)果 %

表3 重金屬元素質(zhì)量比 mg/kg

注：GB 4284—1984《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)(酸性土壤)》；CJ/T 309—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置農(nóng)用泥質(zhì)(B級污泥)》。

表4 紹興污泥焚燒煙氣中污染物質(zhì)量濃度 mg/m3

由表4可以看出，相對城市生活垃圾，污泥含硫量很大，含氯量較小，重金屬含量也較高，而且各地主要污染物S的變化很大，使得煙氣中SO2的含量變化很大。進(jìn)行污泥焚燒設(shè)計時要充分根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H污泥成分檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計。按照相關(guān)污泥焚燒煙氣凈化系統(tǒng)設(shè)計承包廠家的經(jīng)驗，目前國內(nèi)各地?zé)煔鈨艋到y(tǒng)工藝煙氣入口設(shè)計參數(shù)見表5。

表5 污泥焚燒煙氣中污染物產(chǎn)生量

注：具體數(shù)據(jù)需根據(jù)項目污泥成分檢測數(shù)據(jù)確定。

污泥焚燒產(chǎn)生的二噁英濃度很低，主要原因是：(1)污泥中的氯含量低，硫/氯摩爾比大，決定了其焚燒過程中二噁英的低排放；(2)污泥干化后形態(tài)類似于煤顆粒，是一種均質(zhì)燃料，燃燒穩(wěn)定；(3)污泥焚燒鍋爐采用流化床焚燒鍋爐，燃燒溫度均勻。從國際上近幾十年來的實踐看，污泥焚燒后排放的二噁英濃度也是很低的。

3 煙氣污染物排放要求

我國生活污水設(shè)施產(chǎn)生的污泥焚燒污染控制納入GB 18485—2014《生活垃圾污染焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》中，也就是說生活污水污泥焚燒污染物排放必須符合該標(biāo)準(zhǔn)要求的限值。歐洲污泥焚燒采用2000/76/EC標(biāo)準(zhǔn)，具體要求見表6。

4 煙氣凈化系統(tǒng)工藝組合

根據(jù)污泥成分、所采用的煙氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，可以確定需要凈化處理的煙氣污染物有如下幾類：(1) 顆粒物；(2) 酸性污染物，HCl、HF、SO2、NOx、CO等；(3)重金屬，Hg、Cd、T1、Pb、Cr等；(4) 有機(jī)污染物，二噁英/呋喃、總有機(jī)碳(TOC)等。

根據(jù)污泥焚燒煙氣特性及所采用的排放標(biāo)準(zhǔn)確定不同的凈化措施。首先通過優(yōu)化污泥焚燒控制煙氣中一氧化碳和二噁英/呋喃的含量。同時，由于煙氣中污染物種類繁多，無法用一種裝置來達(dá)到目的，因此，需要采用不同工藝的組合才能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.1顆粒物

污泥焚燒采用流化床進(jìn)行，流化床的燃燒特性以及污泥的性質(zhì)決定了焚燒煙氣中顆粒物的濃度很高，達(dá)到25 000～40 000 mg/m3。

顆粒物采用除塵器去除，常用除塵器有旋風(fēng)除塵器、靜電除塵器、袋式除塵器等。按照污泥焚燒顆粒物的濃度大小，采用袋式除塵器為佳。但按照標(biāo)準(zhǔn)要求，污泥焚燒后煙氣中顆粒物為一般工業(yè)廢物，而經(jīng)過煙氣凈化系統(tǒng)脫酸、脫除重金屬、二噁英/呋喃等后收集的顆粒物為危險廢物。由于污泥焚燒后煙氣中顆粒物為一般工業(yè)廢物，且由于流化床的特性其產(chǎn)生量很大，因此目前污泥焚燒煙氣中顆粒物的去除一般采用兩級除塵器的工藝措施：“靜電除塵器(或旋風(fēng)除塵器)+袋式除塵器”組合。

表6 我國及歐盟污泥焚燒煙氣中污染物排放標(biāo)準(zhǔn)

注：本表規(guī)定的各項標(biāo)準(zhǔn)限值，均以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下含11% O2的干煙氣為參考值換算；8,9,10,11行數(shù)據(jù)為測定均值。

4.2酸性污染物

(1)CO通過污泥的充分燃燒來達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

(2)NOx通過燃燒優(yōu)化控制可以減少其產(chǎn)生量，根據(jù)污泥中氮含量的大小以及燃燒優(yōu)化控制，流化床焚燒爐焚燒煙氣中的NOx在50～300 mg/m3之間，一般低于200 mg/m3，但考慮到存在排放超標(biāo)的風(fēng)險建議設(shè)置脫硝裝置。由于污泥焚燒規(guī)模普遍較小且煙氣排放中NOx濃度低，建議脫硝裝置選擇運行費用低、占地面積小的選擇性非催化還原(SNCR)脫硝工藝。

(3)HCl，HF，SO2，SO3等酸性污染物脫除工藝一般有干法、半干法、濕法3種，采用的吸收劑有Ca(OH)2，NaOH，NaHCO3等3種。上述酸性污染物除SO2外，其他幾種污染物均較容易脫除，且污泥焚燒煙氣以SO2為主，其他幾種產(chǎn)生量較少，因此脫酸工藝選擇主要考慮SO2的脫除工藝。

由以上分析可以看出，污泥焚燒煙氣脫酸工藝一般采用“干法 + 濕法”工藝。干法工藝吸收劑一般有Ca(OH)2和NaHCO3，采用Ca(OH)2脫硫效率很低(小于50%)，吸收劑消耗量很大，產(chǎn)生的固態(tài)廢物很多(需作為危險廢物處理處置)，而且使后續(xù)的濕法負(fù)擔(dān)太重，脫硫廢水很多；采用NaHCO3雖然使運行成本增加，但其脫硫效率較高(可大于80%)，吸收劑消耗量較少，相應(yīng)產(chǎn)生的固態(tài)廢物較少，后續(xù)的濕法負(fù)擔(dān)較輕，脫硫廢水較少，因此，干法工藝吸收劑一般采用NaHCO3粉末。

濕法工藝吸收劑一般有NaOH或CaCO3，采用NaOH脫硫效率高，進(jìn)入洗滌塔的吸收劑及產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物均為溶液狀態(tài)，系統(tǒng)及運行簡單，但該吸收劑價格高；采用CaCO3雖然吸收劑價格便宜，但進(jìn)入洗滌塔的吸收劑及產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物均為漿液狀態(tài)，設(shè)備容易結(jié)垢而影響運行穩(wěn)定性，且吸收劑漿液制備及反應(yīng)產(chǎn)物處理系統(tǒng)復(fù)雜，在處理煙氣量較小時不推薦使用，因此，濕法工藝吸收劑一般采用NaOH。

綜合以上分析，建議污泥焚燒煙氣脫硫采用“干法 + 濕法”工藝，干法工藝吸收劑采用NaHCO3，濕法工藝吸收劑采用NaOH。該工藝組合可以滿足污泥焚燒煙氣中SO2濃度在2 000～10 000 mg/m3之間時，污染物排放達(dá)到國家和歐盟現(xiàn)行煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求，且實際運行中可以根據(jù)煙氣中SO2濃度的大小，通過干法和濕法吸收劑的用量靈活調(diào)整各工藝的脫硫效果。

4.3重金屬

由于重金屬的種類不同，特性不同，所以控制方法也不同，揮發(fā)性強的汞和一部分固態(tài)重金屬主要是通過在袋式除塵器入口煙道上噴入活性炭來吸附，吸附有重金屬的活性炭和其他固態(tài)重金屬通過下游的袋式除塵器最終被收集除下。在保證袋式除塵器除塵效果的前提下，通過“活性炭來吸附+袋式除塵器”工藝，可以使煙氣中的重金屬達(dá)到國家和歐盟現(xiàn)行煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.4有機(jī)污染物

(1)TOC通過污泥的充分燃燒，高溫分解來達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

(2)二噁英/呋喃的控制主要包括2個方面：一方面是控制焚燒爐內(nèi)的燃燒減少二噁英/呋喃的生成，另一方面是在袋式除塵器入口煙道噴入活性炭吸附二噁英/呋喃，最終由袋式除塵器收集除下。

燃燒控制是要確保焚燒爐爐膛的煙氣溫度不低于850 ℃，并保持此溫度的煙氣有2 s的停留時間，同時O2濃度不低于6%，并合理控制助燃空氣的風(fēng)量、溫度和注入位置，使空氣有效地進(jìn)行擾動(也稱“三T”控制法)。另外，通過下游的袋式除塵器，并在進(jìn)入袋式除塵器的煙道上噴射活性炭進(jìn)一步吸附二噁英/呋喃，最后可使污泥焚燒排放的二噁英/呋喃達(dá)到國家和歐盟現(xiàn)行煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求，甚至更低。

4.5煙氣凈化系統(tǒng)工藝組合選擇

從以上處理措施可知，污泥焚燒煙氣凈化系統(tǒng)工藝采用如下組合方式，可使其煙氣排放達(dá)到國家和歐盟現(xiàn)行煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求：SNCR+靜電除塵器+干法脫酸(NaHCO3)+ 活性炭吸附+袋式除塵器+濕法脫酸(NaOH)。

由于煙氣凈化系統(tǒng)最后的設(shè)施為濕法脫酸，煙氣出口溫度只有60 ℃左右，考慮到煙氣對煙囪的腐蝕現(xiàn)象，建議在濕法洗滌塔出口設(shè)置煙氣換熱器(GGH)以提高排放煙氣的溫度，避免腐蝕。

5 國內(nèi)污泥焚燒廠家的煙氣凈化系統(tǒng)工藝

目前，國內(nèi)污泥焚燒應(yīng)用業(yè)績還不多，主要采用國外技術(shù)。部分污泥焚燒廠的煙氣凈化系統(tǒng)工藝見表7。

表7 部分污泥焚燒廠的煙氣凈化系統(tǒng)工藝

6 結(jié)束語

我國城市污泥中污染物成分變化很大(主要為SO2)，采用“SNCR+靜電除塵器+干法脫酸(NaHCO3)+活性炭吸附+袋式除塵器+濕法脫酸(NaOH)”的煙氣凈化系統(tǒng)工藝組合，一般可以滿足國家和歐盟2000/76/EC標(biāo)準(zhǔn)要求的限值。針對具體工程，還要根據(jù)污泥中的成分進(jìn)行分析，對以上工藝組合進(jìn)行微調(diào)。

[1]王學(xué)魁,趙斌,張愛群,等.城市污水處理廠污泥處置的現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J].天津科技大學(xué)學(xué)報,2015,30(4):1-7.

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(本文責(zé)編：白銀雷)

帶有中心值的百分?jǐn)?shù)的公差表示方式

對于量值的公差，當(dāng)上、下公差相同時，無歧義的表示方式，可以使用帶有公差的中心值。例如：100 kPa±5 kPa或(100±5) kPa。但對于帶有中心值的百分?jǐn)?shù)的公差，唯一正確的表示形式是“(n±m(xù))%”，例如“(80±5)%” 。如將其表示成“80%±5%”則會產(chǎn)生歧義， 有可能誤將“±5%”理解成“80%的5%”，即變?yōu)椤?80±4)%”了。實踐中也有將其表示成“80±5%”的，這更是錯誤的， 因為它已不是百分?jǐn)?shù)的公差了。

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：1674-1951(2017)09-0063-04

2017-07-19；

:2017-09-06

張輝(1978—)，男，遼寧懷仁人，工程師，工學(xué)博士，從事環(huán)保電廠煙氣治理及節(jié)能減排方面的工作(E-mail:bolat_zhang@163.com)。