煤氣站-爐窯系統(tǒng)協(xié)同處置污泥的分析

苑衛(wèi)軍 楊征 王輝 韓明汝

(唐山科源環(huán)保技術(shù)裝備有限公司 河北唐山 063000)

0 引言

近十幾年來，我國(guó)污泥產(chǎn)量隨著污水處理項(xiàng)目同比增長(zhǎng)，而我國(guó)污泥處置的發(fā)展嚴(yán)重滯后于污水處理的現(xiàn)象并未明顯改觀。目前我國(guó)污泥處置占比為填埋60%～65%、好氧發(fā)酵農(nóng)用10%～15%、污泥天然干化綜合利用4%～6%、污泥焚燒2%～3%、污泥露天堆放和外運(yùn)15%～20%[1]。受環(huán)境影響和土地資源兩方面的限制，污泥焚燒和熱解等熱處置技術(shù)在歐、日等國(guó)家已經(jīng)廣泛應(yīng)用。污泥熱處置技術(shù)包括獨(dú)立焚燒熱解處置和爐窯協(xié)同處置兩種工藝，其中爐窯協(xié)同處置具有配套投資小和運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì)。我國(guó)火電廠和水泥窯協(xié)同處置污泥的應(yīng)用較多，利用氣化爐協(xié)同處置污泥也有少量試驗(yàn)性應(yīng)用。利用含水率75%的污泥制備水煤漿用于氣流床氣化[2]，利用含水率80%的污泥作為粘結(jié)劑制備污泥型煤用于常壓固定床氣化[3]，利用含水率60%的污泥與煤直接摻混在加壓固定床氣化[4]，在維持系統(tǒng)正常運(yùn)行和二次污染控制方面都取得了一定的經(jīng)驗(yàn)和成果。本文對(duì)利用KM5Q兩段式常壓固定床氣化爐和燃?xì)鉅t窯組成系統(tǒng)，協(xié)同處置高含水率污泥的技術(shù)工藝方案進(jìn)行介紹并分析，旨在拓寬利用現(xiàn)有爐窯對(duì)污泥進(jìn)行協(xié)同熱處置的工藝路線。

1 KM5Q氣化爐內(nèi)煤炭與污泥的協(xié)同反應(yīng)

KM5Q氣化爐結(jié)構(gòu)如圖1所示， 含水率95%左右的污泥通過氣化爐爐頂設(shè)置的定量噴淋降溫系統(tǒng)[5]，定量均勻地噴灑于入爐煤料的表面。污泥在氣化爐內(nèi)進(jìn)行以下處理過程：

圖1 KM5Q氣化爐示意

(1)熱干化過程：氣化爐干餾段的上部，在150～300 ℃干燥溫度條件下，煤料表面污泥中的水分及易揮發(fā)性物質(zhì)形成氣體進(jìn)入煤氣中；

(2)熱解過程：干餾段的中部至氣化段上部，煤氣溫度為300～600 ℃左右，在此溫度下，經(jīng)過干化后的污泥進(jìn)行干餾熱解產(chǎn)生干餾煤氣及焦油；

(3)氣化過程：氣化段溫度約為600～1 000 ℃，污泥熱解后產(chǎn)生的碳與入爐后同樣經(jīng)過干燥干餾后的煤料一同進(jìn)行氣化反應(yīng)，產(chǎn)生以CO/H2為主要可燃?xì)怏w的煤氣；

(4)燃燒過程：污泥中在干化、熱解和氣化過程均沒有參與反應(yīng)的物質(zhì)，與氣化反應(yīng)后剩余的殘?zhí)窟M(jìn)入氧化層，在1 000～1 100 ℃條件下與入爐空氣中的O2進(jìn)行氧化反應(yīng)，進(jìn)行高溫焚燒處理后，混于灰渣中排出爐外。氣化爐內(nèi)各反應(yīng)區(qū)域特征如表1。KM5Q氣化爐內(nèi)煤炭與污泥協(xié)同反應(yīng)過程如圖2。

圖2 KM5Q氣化爐內(nèi)煤炭與污泥協(xié)同反應(yīng)過程

表1 氣化爐內(nèi)各反應(yīng)區(qū)域特征

2 煤氣站-爐窯系統(tǒng)協(xié)同處置污泥工藝方案

2.1 工藝方案(一)

煤氣站-爐窯系統(tǒng)協(xié)同處置污泥的工藝方案(一)參見圖3，通過爐頂定量噴淋系統(tǒng)噴淋降溫，爐出煤氣溫度由450 ℃降至150 ℃左右。然后經(jīng)過洗氣除焦系統(tǒng)將煤氣降至80 ℃，同時(shí)捕除煤氣中的焦油。然后煤氣經(jīng)過終冷系統(tǒng)，其溫度降至35～45 ℃，煤氣中的一部分水分冷凝析出形成酚水，煤氣中剩余的水分以飽和水狀態(tài)存在于出站煤氣中，這部分飽和水和污泥熱解產(chǎn)生的不凝性氣體隨煤氣進(jìn)入加熱窯爐內(nèi)燃燒，煤氣在窯爐內(nèi)實(shí)際火焰燃燒溫度一般可以達(dá)到1 200～1 400 ℃，在此溫度下，這部分物質(zhì)被焚燒分解成H2O和CO2等無(wú)毒物質(zhì)排入大氣。污泥氣化后的殘?jiān)?，?jīng)過氣化爐氧化層焚燒處理后混于灰渣中。

圖3 煤氣站-爐窯系統(tǒng)協(xié)同處置污泥系統(tǒng)工藝方案(一)

煤氣冷凝過程產(chǎn)生酚水的一部分，回流至爐頂定量噴淋系統(tǒng)補(bǔ)充噴淋液。酚水的另外部分在酚水預(yù)處理系統(tǒng)經(jīng)過捕除粉塵和重質(zhì)油類，并中和調(diào)質(zhì)后，泵入氣化爐水夾套進(jìn)行濃縮汽化，汽化形成的水蒸氣代替軟化水蒸汽作為氣化劑，由爐底進(jìn)入氣化爐，酚水蒸汽經(jīng)過氣化爐的灰層進(jìn)入氧化層(溫度一般在1 000～1 200 ℃)時(shí)，其所含的酚類和輕油類物質(zhì)被焚燒裂解為水和二氧化碳，然后酚水蒸汽進(jìn)入還原層進(jìn)行造氣反應(yīng)：C+H2O=CO+H2[6]。

2.2 工藝方案(二)

煤氣站-爐窯系統(tǒng)協(xié)同處置污泥的工藝方案(二)參見圖4，通過爐頂定量噴淋降溫，將爐出煤氣溫度降至150 ℃左右，然后經(jīng)過洗氣除焦系統(tǒng)將煤氣降至80 ℃，煤氣增壓后輸送至爐窯系統(tǒng)燃燒。污泥在氣化爐中干化過程中產(chǎn)生的水分在出站煤氣中以煤氣飽和水狀態(tài)存在。當(dāng)大氣壓(絕壓)為101 300 Pa，煤氣壓力為1 500 Pa時(shí)，出站煤氣(80 ℃)飽和水量為663 g/m3[7]。這部分水和干餾出的不凝性氣體隨煤氣進(jìn)入加熱窯爐內(nèi)燃燒，氣化爐煤氣在窯爐內(nèi)高溫火焰處焚燒分解成H2O和CO2等排入大氣。

圖4 煤氣站-爐窯系統(tǒng)協(xié)同處置污泥系統(tǒng)工藝方案(二)

3 污泥協(xié)同處置方案對(duì)比分析

3.1 污泥處理量對(duì)比

KM5Q3.6氣化爐正常煤氣產(chǎn)量8 000 m3/h，參照文獻(xiàn)[8-9]進(jìn)行系統(tǒng)水平衡計(jì)算，得出表2所示的2種工藝方案的污泥處置量，可以看出方案(二)污泥處置量約為方案(一)的1.68倍，就污泥處置量而言方案(二)優(yōu)于方案(一)。

表2 兩種方案KM5Q3.6氣化爐協(xié)同處置污泥量對(duì)比

3.2 系統(tǒng)水資源的有效利用

方案(一)污泥中的水分在干化過程轉(zhuǎn)入煤氣中，然后在煤氣終冷降溫過程中又以冷凝水的形式析出，系統(tǒng)將這部分析出冷凝水經(jīng)過預(yù)處理后，代替軟化水汽化為水蒸氣作為氣化爐氣化劑應(yīng)用，節(jié)約了大量的凈水資源。

方案(二)污泥干化過程轉(zhuǎn)入煤氣中的水分，全部以煤氣飽和水的形式隨煤氣在爐窯焚燒處置，水資源沒有得到有效利用。就水資源的有效利用而言，方案(一)優(yōu)于方案(二)。

3.3 系統(tǒng)脫硫、脫硝工藝的選擇

方案(一)的出站煤氣為35～45 ℃的潔凈冷煤氣，可以通過窯前煤氣濕法脫硫的方式脫除H2S，從而保證爐窯煙氣中SO2達(dá)標(biāo)排放。方案(一)可以在“濃縮蒸發(fā)法”處理含酚廢水和煤氣濕法脫硫過程中，協(xié)同脫除煤氣中的部分NH3，從而有效降低爐窯煙氣NOx的排放強(qiáng)度，達(dá)到系統(tǒng)脫硝的效果[10]。

方案(二)的出站煤氣為80 ℃左右的半冷煤氣，無(wú)法進(jìn)行煤氣濕法脫硫(煤氣濕法脫硫的操作溫度要求35～45 ℃)，一般采取窯后煙氣脫硫的方式脫除煙氣中的SO2。方案(二)煤氣站無(wú)冷凝水析出，煤氣中的NH3全部隨煤氣在窯爐燃燒后轉(zhuǎn)化為燃料型NOx，一般采取窯后煙氣脫硝的方式脫除煙氣中的NOx。

如果污泥協(xié)同處置系統(tǒng)中的爐窯為球團(tuán)燒結(jié)或礦物煅燒類窯爐，由于物料在燒結(jié)或煅燒過程中會(huì)產(chǎn)生SO2或NOx并混入爐窯煙氣中，所以一般采用窯后煙氣脫硫、脫硝的工藝路線。

4 結(jié)論

每年我國(guó)生活和工業(yè)污泥產(chǎn)生量較大，利用現(xiàn)有爐窯對(duì)其進(jìn)行的協(xié)同處置，有利于達(dá)到低成本、高效率的處置效果。以KM5Q氣化爐煤氣站與燃?xì)飧G爐組成系統(tǒng)對(duì)污泥進(jìn)行處置，可以處置含水率95%左右的高含水污泥，污泥的熱干化、熱解、氣化和氣化殘?jiān)难趸贌跉饣癄t內(nèi)進(jìn)行，而污泥干化過程產(chǎn)生的一部分水分(煤氣飽和水)及不凝性氣體混于煤氣中，在窯爐的燃?xì)鉄旎鹧嫣庍M(jìn)行焚燒處理，污泥處置效果可靠。