污泥干化焚燒技術(shù)進(jìn)展及我國(guó)典型工程概況

劉宇佳，趙旭東

（同方環(huán)境股份有限公司，北京 100083）

引言

隨著我國(guó)城市建設(shè)進(jìn)程的加快，城鎮(zhèn)污泥的產(chǎn)量越來(lái)越大，妥善處置污泥已成為迫切的任務(wù)[1]。污泥衛(wèi)生填埋是目前采用最多的一種污泥處置技術(shù)，但這種處置技術(shù)會(huì)污染土壤[2]。污泥干化焚燒技術(shù)可在短時(shí)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[3]?！冻擎?zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術(shù)指南》指出[4]，當(dāng)污泥單獨(dú)進(jìn)行焚燒時(shí)，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(lái)，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(jìn)展[5、6]，同時(shí)該技術(shù)也有一些典型的工程應(yīng)用。本文對(duì)污泥干化的主流應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了綜述，并對(duì)我國(guó)典型的污泥干化焚燒工程進(jìn)行了分析。

1 污泥干化焚燒技術(shù)進(jìn)展

在進(jìn)入焚燒爐之前，濕污泥經(jīng)干化機(jī)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(jìn)而影響整個(gè)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(jī)

槳葉式污泥干化機(jī)是常用的間接傳熱式污泥干化設(shè)備，由帶有夾套的ω形殼體和空心槳葉軸及傳動(dòng)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(yùn)行過(guò)程中，濕污泥一側(cè)，含水率75%～85%的濕污泥連續(xù)由入料口進(jìn)入干燥機(jī)內(nèi)，在中空槳葉攪拌、混合與分散的同時(shí)，受到來(lái)自中空槳葉和夾套雙重加熱作用，污泥水分蒸發(fā)，達(dá)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(jī)外；在熱介質(zhì)一側(cè)，高溫蒸氣通過(guò)ω形槽的內(nèi)壁和中空槳葉，通過(guò)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(jìn)入焚燒爐或氣體處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。同時(shí)，高溫蒸氣的熱量傳遞給濕污泥之后冷凝，冷凝的水分進(jìn)凝結(jié)水箱回收再利用。

槳葉干化機(jī)的槳葉設(shè)置一般都是鏟形或楔形的槳葉葉片（見圖1），在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，槳葉可起到自清潔的效果，因此槳葉干化機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中較少出現(xiàn)污泥在機(jī)器內(nèi)卡頓等現(xiàn)象。熱介質(zhì)一般采用高溫蒸氣，蒸氣溫度一般為180℃～220℃，且干化機(jī)出口的污泥含水率可以通過(guò)其轉(zhuǎn)軸的速度調(diào)整，可滿足不同的污泥焚燒爐對(duì)入爐污泥的含水率要求。槳葉式干化機(jī)維修簡(jiǎn)單，當(dāng)槳葉出現(xiàn)磨損時(shí)用耐磨噴漆噴涂葉片表面就可以實(shí)現(xiàn)槳葉的修復(fù)。據(jù)工程項(xiàng)目匯總，槳葉式干化機(jī)的運(yùn)行效果較好，是目前污泥焚燒廠使用最多的一種干化機(jī)。

圖1 槳葉干化機(jī)葉片排布及污泥走向

1.2 薄層干化機(jī)

薄層干化機(jī)與槳葉干化機(jī)的設(shè)計(jì)原理類似，薄層干化機(jī)機(jī)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(dòng)，外裝可變頻調(diào)速的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，薄層干化機(jī)本體如圖2。污泥通過(guò)干化機(jī)給料泵注入干化機(jī)，濕污泥被轉(zhuǎn)子打散并分布在薄層干化機(jī)的壁面，轉(zhuǎn)子上的葉片在對(duì)壁面的污泥反復(fù)翻混的同時(shí)，通過(guò)螺旋將污泥輸送到排料端。同時(shí)，從熱介質(zhì)通過(guò)干化機(jī)夾套對(duì)污泥加熱，進(jìn)行水的蒸發(fā)，污泥和葉片由于充分的熱接觸實(shí)現(xiàn)了單位面積的最大蒸發(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(yùn)送至出口。蒸氣與污泥排放方向相反，排放口在臨近進(jìn)料口處。干化機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件將污泥在加熱表面涂成一個(gè)薄層，通過(guò)污泥在加熱殼體內(nèi)表面不斷的混合、脫落，在此過(guò)程中濕污泥中的水分被蒸發(fā)出來(lái)[7]。

圖2 薄層干化機(jī)

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(shí)現(xiàn)全干化、半干化等不同要求的污泥處理。薄層干化機(jī)的葉片角度和數(shù)量都可以調(diào)節(jié)，在檢修時(shí)也可對(duì)干化機(jī)中損壞的葉片單獨(dú)更換。薄層干化機(jī)的檢修需要將整個(gè)轉(zhuǎn)軸抽出，因此薄層干化機(jī)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(jī)

圓盤式干化機(jī)主要由圓筒形外殼、圓盤及驅(qū)動(dòng)裝置組成。圓盤的中心軸是干化機(jī)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(duì)污泥有推進(jìn)、輸送和攪拌作用。圓盤干化機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 圓盤干化機(jī)

運(yùn)行時(shí)，污泥通過(guò)進(jìn)料口進(jìn)入干化機(jī)，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(shí)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)，水蒸汽進(jìn)入干化機(jī)轉(zhuǎn)子中心軸和盤片內(nèi)腔加熱盤片，傳遞完熱量后，高溫水蒸汽在圓盤空心內(nèi)腔中冷凝生成冷凝水，通過(guò)冷凝管排出干化機(jī)[8]。

圓盤干化機(jī)的問(wèn)題之一是污泥進(jìn)入后干化速率較高，導(dǎo)致污泥在干化機(jī)內(nèi)非常容易黏滯，因此污泥的剪切和破碎效果較差，在實(shí)際運(yùn)行中圓盤干化機(jī)出現(xiàn)污泥黏滯、卡頓的現(xiàn)象較多。另外圓盤面積較大，圓盤干化機(jī)整體的占地面積較小。

1.4 幾種干化機(jī)參數(shù)必選

干化系統(tǒng)在整個(gè)污泥處置過(guò)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(jìn)而影響整個(gè)污泥處理處置效果。幾大主流干化機(jī)的性能參數(shù)如下表。

干化機(jī)性能參數(shù)

由比較可得出，槳葉式干化機(jī)和圓盤式干化機(jī)的轉(zhuǎn)速都較慢，污泥通過(guò)葉片之間的傳動(dòng)和摩擦來(lái)推動(dòng)污泥，相應(yīng)地葉片磨損也較大，通過(guò)對(duì)葉片進(jìn)行改進(jìn)以及在表面噴涂耐磨材料可使干化機(jī)的耐用性更好。薄層干化機(jī)的轉(zhuǎn)速相對(duì)于其他干化機(jī)較快，相應(yīng)的污泥在其內(nèi)部的干化停留時(shí)間也較短。不過(guò)薄層干化機(jī)的占地面積較大，檢修時(shí)也需要將整個(gè)中軸抽出，因此在設(shè)計(jì)時(shí)還需要預(yù)留足夠的檢修空間。

另外干化機(jī)運(yùn)行的電耗和熱耗也是干化機(jī)選型時(shí)重要的參數(shù)指標(biāo)，干化機(jī)的熱耗涉及到焚燒和余熱利用系統(tǒng)中蒸氣的產(chǎn)生量，而電耗則是經(jīng)濟(jì)性必選的重要指標(biāo)?？傮w來(lái)看，槳葉式干化機(jī)的熱耗較小，而薄層干化機(jī)的電耗相對(duì)來(lái)說(shuō)較小。

2 我國(guó)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(jì)干基高位熱值13,086kJ/kg，系統(tǒng)的工藝采用薄層干化機(jī)+鼓泡焚燒爐處理技術(shù)[9]，設(shè)置兩條干化焚燒線。

濕污泥通過(guò)輸送系統(tǒng)進(jìn)入薄層干化機(jī)的進(jìn)料口，污泥被轉(zhuǎn)子帶向熱壁表面，轉(zhuǎn)子上的槳葉對(duì)熱壁表面的污泥反復(fù)翻混，同時(shí)污泥通過(guò)螺旋輸送到排料端。在干化機(jī)的蒸氣側(cè)，余熱鍋爐產(chǎn)生的6bar飽和蒸氣通過(guò)干化機(jī)夾套對(duì)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(jī)內(nèi)部停留時(shí)間極短，依靠干化機(jī)轉(zhuǎn)子慣性，完全可以將機(jī)體內(nèi)的污泥排出[10]。干燥過(guò)程中產(chǎn)生的載氣與污泥逆向運(yùn)動(dòng)，由污泥進(jìn)料口上方的蒸氣管口排出，之后載氣經(jīng)過(guò)冷凝處理，冷凝液進(jìn)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黏滯，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(jìn)入焚燒爐爐膛，助燃的高溫流化空氣由布風(fēng)裝置送進(jìn)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(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)。焚燒爐出口的高溫?zé)煔馐紫冗M(jìn)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(jìn)入水管式余熱鍋爐，產(chǎn)生飽和蒸氣，蒸氣參數(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(jìn)入后續(xù)的煙氣凈化系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)增設(shè)了天然氣鍋爐，通過(guò)天然氣燃燒補(bǔ)充熱量，污泥在未干化狀態(tài)下可以完全焚燒，在干化機(jī)檢修期間，焚燒爐完全可以獨(dú)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(yùn)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[11]。

濕污泥經(jīng)輸送進(jìn)入干化系統(tǒng)，污泥干化系統(tǒng)由6臺(tái)槳葉式污泥干化機(jī)組成，運(yùn)行時(shí)濕污泥進(jìn)入干化機(jī)內(nèi)，在槳葉的作用下攪拌、混合并接受蒸氣釋放的熱量，干化過(guò)程中污泥釋放的氣體和水分通過(guò)循環(huán)載氣帶走，濕載氣的排氣溫度85℃～90℃。在蒸氣側(cè)，0.5～0.8MPa飽和蒸氣進(jìn)入干化機(jī)的夾套和槳葉內(nèi)，將濕污泥中的水分蒸發(fā)出來(lái)。同時(shí)蒸氣凝結(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)[12]。

干化后含水率40%以下的污泥稱重后進(jìn)入焚燒爐前的混合進(jìn)料螺旋，為了避免污泥在送料螺旋中黏滯，干污泥與含水率80%的濕污泥混合，混合后進(jìn)入焚燒爐焚燒。每臺(tái)焚燒爐前設(shè)1座干污泥緩沖料倉(cāng)，焚燒爐采用鼓泡型流化床焚燒爐，每臺(tái)焚燒爐額定熱負(fù)荷12.35MW[13、14]。污泥進(jìn)入焚燒爐后，擾動(dòng)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(jìn)入之后的高溫空氣預(yù)熱器，砂床的床料則通過(guò)斗提和給料設(shè)備循環(huán)利用。焚燒爐所需的熱風(fēng)來(lái)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(guò)兩級(jí)空預(yù)器溫度升高至300℃左右送入焚燒爐。

焚燒后的煙氣進(jìn)入高溫空預(yù)器，溫度由850℃降至740℃。之后煙氣進(jìn)入余熱鍋爐，將鍋爐給水轉(zhuǎn)化為高溫蒸氣，用于干化機(jī)供汽。煙氣從余熱鍋爐出來(lái)后進(jìn)入煙氣凈化系統(tǒng)，通過(guò)兩級(jí)除塵、活性炭脫除重金屬和脫硫設(shè)施，煙氣達(dá)標(biāo)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(guó)內(nèi)第一座污泥干化焚燒工程，于2004年建成并通過(guò)驗(yàn)收，處理能力213t/d，進(jìn)廠濕污泥設(shè)計(jì)值為含水率70%，污泥平均低位熱值12,681kJ/kg。工程采用流化床污泥干化和流化床焚燒工藝。

該項(xiàng)目的干化系統(tǒng)采用德國(guó)的流化床干化技術(shù)，熱源來(lái)自高溫蒸氣，高溫蒸氣盤管布置在流化床底部，高溫蒸氣的熱量傳遞給熱空氣，熱空氣進(jìn)入干化機(jī)后，一方面使床身中的污泥處于流動(dòng)化，防止污泥黏結(jié)，另一方面也與污泥進(jìn)行充分換熱蒸發(fā)其中的水分，之后污泥中蒸發(fā)出來(lái)的水分和熱空氣進(jìn)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[15、16]。

干化后的污泥為塊狀，由料斗機(jī)送入流化床焚燒爐中燃燒，由于污泥的熱值較低不足以自持燃燒，焚燒爐中通入柴油輔助燃燒。燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣經(jīng)廢熱鍋爐產(chǎn)生蒸氣以供干化機(jī)熱介質(zhì)使用，鍋爐排出的煙氣經(jīng)過(guò)兩級(jí)空氣預(yù)熱器后進(jìn)入煙氣處理系統(tǒng)，兩級(jí)空預(yù)器分別加熱鍋爐的一次風(fēng)和二次風(fēng)進(jìn)氣，鍋爐燃燒過(guò)程中的殘?jiān)懦龊笸膺\(yùn)處理。

在工藝設(shè)計(jì)上，該項(xiàng)目相對(duì)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(jìn)入余熱鍋爐中利用高溫余熱產(chǎn)蒸氣，之后煙氣再通入空預(yù)器中加熱鍋爐熱風(fēng)。在實(shí)際運(yùn)行中，由于污泥中的含砂量過(guò)高，對(duì)流化床干化機(jī)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(guò)程中也會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生較大的磨損。

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(guó)內(nèi)首個(gè)污泥與燃煤混燒的污泥協(xié)同處置項(xiàng)目。該工程于2010年投入試生產(chǎn)，入廠的污泥含水率80%，最大日處置污泥能力約為1500t。

該工程中干化系統(tǒng)配備7臺(tái)圓盤式干化機(jī)，濕污泥進(jìn)入干化機(jī)后從原盤與外殼之間通過(guò)，同時(shí)接收?qǐng)A盤內(nèi)高溫蒸氣的熱量將其水分蒸發(fā)，進(jìn)入干化機(jī)的濕污泥經(jīng)過(guò)1～2h干化后，形成含水率為35%、溫度56℃左右的干污泥，干化機(jī)中的熱介質(zhì)來(lái)自電廠中降溫?cái)U(kuò)容后的輔助蒸氣，蒸氣將熱量傳遞給濕污泥之后冷凝，冷凝液進(jìn)入全廠水系統(tǒng)循環(huán)使用。蒸發(fā)后的水蒸汽通過(guò)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(xiàng)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(jìn)入余熱鍋爐，余熱鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓蒸氣驅(qū)動(dòng)50MW背壓式汽輪機(jī)發(fā)電[17]。整個(gè)污泥焚燒綜合利用項(xiàng)目全部建成后總計(jì)新增年發(fā)電量3億千瓦時(shí)左右，節(jié)約標(biāo)煤約10萬(wàn)t/a。此外，焚燒后的爐渣還可作為建筑原料。

3 結(jié)語(yǔ)

干化機(jī)是污泥干化焚燒系統(tǒng)中重要的設(shè)備，其性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和運(yùn)行效率影響非常大，現(xiàn)有成熟技術(shù)中，不同的干化機(jī)和焚燒爐都有各自的優(yōu)勢(shì)和特色。污泥干化的技術(shù)繁多，在具體的項(xiàng)目中應(yīng)根據(jù)污泥泥質(zhì)、運(yùn)行條件、排放要求、場(chǎng)地要求等各方面因素來(lái)選定合適的干化系統(tǒng)。目前國(guó)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(xiàng)目中，工程建設(shè)問(wèn)題和運(yùn)行問(wèn)題較多。隨著污泥干化焚燒工程項(xiàng)目逐漸增多，工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，污泥干化焚燒技術(shù)在國(guó)內(nèi)將會(huì)有更大的發(fā)展。