石洞口污泥處理完善工程煙氣處理系統(tǒng)試運(yùn)行效果分析

張鵬飛

ZHANG Pengfei

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

（Shanghai Municipal Engineering Design Institute（Group）Company Limited，Shanghai 200092，China）

0 引言

城市污水處理廠在生活污水處理過程中將產(chǎn)生大量的污泥，其主要成分包括有機(jī)質(zhì)、無機(jī)顆粒、膠體、水分等，隨著我國城市建設(shè)進(jìn)程的加快，污泥的產(chǎn)量越來越大，妥善處置污泥已成為各地政府的一項(xiàng)迫切 工作［1-4］。2015 年4 月，國務(wù)院頒布實(shí)施《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（即“水十條”）明確指出：“污水處理設(shè)施產(chǎn)生的污泥應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化、無害化和資源化處理處置。地級及以上城市污泥無害化處理處置率應(yīng)于2020年年底前達(dá)到90%以上”［5］。

在眾多污泥處理工藝中，焚燒技術(shù)展現(xiàn)出獨(dú)有的特點(diǎn)：可燃盡全部有機(jī)質(zhì)，殺死一切病原體，并最大限度地減少污泥體積，焚燒后污泥體積可縮小至原來的10%左右，迅速和較大程度地實(shí)現(xiàn)污泥減量化和無害化。污泥焚燒本身就是直接利用污泥有機(jī)熱值對其自身進(jìn)行處理，體現(xiàn)了能源循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展的理念，燃燒后產(chǎn)生的熱量以尾氣顯熱的形式被鍋爐回收利用。同時(shí)由于焚燒殘?jiān)谛再|(zhì)上發(fā)生了根本改變，其最終處置也相對容易。近年來，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［2］。

根據(jù)上海市污泥處理處置規(guī)劃，上海市中心城區(qū)分為三大片區(qū)：石洞口、竹園、白龍港，污水處理廠污泥處理處置方式以獨(dú)立焚燒為主。在之后上海市政府發(fā)布的《上海市水污染防治行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施方案》要求：“以中心城區(qū)三大污水片區(qū)為重點(diǎn)，加快污泥處理設(shè)施建設(shè)，確保污水處理廠污泥安全處置。繼續(xù)推進(jìn)石洞口、竹園以及白龍港污泥處理處置設(shè)施等重點(diǎn)工程建設(shè)”［6］。

石洞口片區(qū)在全國首先進(jìn)行了污泥焚燒的實(shí)踐，石洞口污水處理廠現(xiàn)有干化焚燒處理設(shè)施建成于2004 年，但隨著污水處理的不斷升級，污泥處理量缺口越來越大，煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)的提高也對設(shè)施提出了改造的要求。上海市在對石洞口原有污泥干化焚燒設(shè)施后評估的基礎(chǔ)上，提出建設(shè)石洞口污泥處理完善工程［7］。

1 項(xiàng)目概況

1.1 處理對象與工程規(guī)模

石洞口污泥處理完善工程服務(wù)對象為上海市石洞口污水片區(qū)內(nèi)石洞口、吳淞、桃浦3座污水處理廠產(chǎn)生的污泥［8］。結(jié)合這3 座污水處理廠實(shí)際生產(chǎn)情況，以及石洞口原有污泥干化焚燒系統(tǒng)后評估結(jié)論，石洞口污泥處理完善工程新建擴(kuò)容系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模50t ∕d（絕干固形物總量（TDS），下同），現(xiàn)有系統(tǒng)改造后處理能力22 t∕d，工程主體工藝采用“濃縮+脫水+干化+焚燒”工藝。

1.2 建設(shè)情況

新建擴(kuò)容系統(tǒng)于2016 年8 月正式開工，2018 年6 月組織竣工驗(yàn)收，2018 年8 月完成性能考核。目前新建擴(kuò)容系統(tǒng)已穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。

2 煙氣處理系統(tǒng)配置

2.1 煙氣處理工藝

石洞口污泥處理完善工程的煙氣處理系統(tǒng)采用“旋風(fēng)除塵+半干法噴淋+活性炭噴射吸附+布袋除塵+脫酸洗滌+煙氣再熱”工藝，如圖1所示。

2.2 煙氣處理目標(biāo)

國內(nèi)尚無污泥干化焚燒專用的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)。按照相關(guān)批復(fù)文件，該工程焚燒產(chǎn)生的煙氣排放根據(jù)環(huán)評批復(fù)執(zhí)行GB 18485—2001《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱GB 18485—2001）［9］，鎳和氟化氫執(zhí)行GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱GB 16297—1996）中［10］二級標(biāo)準(zhǔn)，氨、硫化氫執(zhí)行GB 14554—1993《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱GB 14554—1993）［11］排放標(biāo)準(zhǔn)限值，二噁英應(yīng)達(dá)到歐盟標(biāo)準(zhǔn)2010∕75∕EC 限值0.1 ng∕m3（國際毒性當(dāng)量（TEQ），下同）［12-14］。

在實(shí)際招標(biāo)階段，考慮到污泥和垃圾成分的區(qū)別、焚燒爐型的區(qū)別以及環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)提高的預(yù)期，煙氣的處理排放應(yīng)達(dá)到DB 31∕768—2013《生活垃圾焚燒大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱DB 31∕768—2013）［15］2016 年7 月1 日后標(biāo)準(zhǔn)，鎳和氟化氫執(zhí)行GB 16297—1996 中二級標(biāo)準(zhǔn)，氨、硫化氫執(zhí)行GB 14554—1993 中排放標(biāo)準(zhǔn)限值。如上述標(biāo)準(zhǔn)之間有矛盾，執(zhí)行相對嚴(yán)者。目前國內(nèi)外主要煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)對比見表1。

目前上海的污泥焚燒處理工程中煙氣排放執(zhí)行上海市地方標(biāo)準(zhǔn)，較國家標(biāo)準(zhǔn)有較大程度的提高，部分污染物排放指標(biāo)已與歐盟指標(biāo)要求相同，但與我國國內(nèi)電力行業(yè)的煙氣污染物超低排放限值對比，顆粒物、SO2、NOx的污染物限值仍有一定差距。

2.3 理論計(jì)算煙氣成分參數(shù)

按照設(shè)計(jì)階段污泥泥質(zhì)分析數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)工況下理論計(jì)算得出，進(jìn)入煙氣處理系統(tǒng)前的主要工藝節(jié)點(diǎn)，焚燒爐出口，余熱鍋爐出口的O2，N2，CO2及SO2等成分參數(shù)見表2。

2.4 主要設(shè)備配置

該工程擴(kuò)容新建擴(kuò)容系統(tǒng)共設(shè)置2條焚燒處理線及2條煙氣處理線，主要設(shè)備配置如下。

（1）2 臺(tái)鼓泡流化床焚燒爐，燃燒室煙氣溫度為850 ℃，煙氣在焚燒爐中停留時(shí)間＞2 s，助燃空氣過剩系數(shù)為1.4，熱灼減率≤5%，直徑約5 600 mm，配備啟動(dòng)燃燒器及輔助燃燒器。

（2）2 臺(tái)膜式壁單鍋筒加對流管束余熱鍋爐，利用焚燒后的高溫?zé)煔庥酂岬幕厥绽?，產(chǎn)生的飽和蒸汽供干燥機(jī)干化、空氣預(yù)熱器和煙氣再熱器使用。

（3）2 臺(tái)旋風(fēng)除塵器，單臺(tái)處理煙氣量10 016 m3∕h，除塵效率≥90%，旋風(fēng)筒徑為1 700 mm，壓力損失≤1 000 Pa，經(jīng)旋風(fēng)除塵器處理產(chǎn)生的灰渣作為一般固體廢棄物外運(yùn)進(jìn)行處理處置。

表1 主要煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)限值對比Tab.1 Comparison of main emission limits for flue gas

表2 焚燒爐及余熱鍋爐出口煙氣成分分析Tab.2 Components of the flue gas at incinerator and waste-heat boiler outlets

（4）2臺(tái)立式圓筒噴霧式半干脫酸塔，單臺(tái)處理煙氣量為10 016 m3∕h，直徑為2 000 mm，長度為11 000 mm，壓力損失≤400 Pa；配備2套噴霧設(shè)備及消石灰倉及投加系統(tǒng)，2 套活性炭倉、2 套給料裝置和2 套羅茨風(fēng)機(jī)，除用于進(jìn)入布袋除塵器煙氣溫度控制外，也用于煙氣中消石灰及活性炭的噴灑混合。

（5）2 臺(tái)脈沖布袋除塵器，單臺(tái)處理煙氣量為10 969 m3∕h，過濾面積為600㎡，外形尺寸約5 400 mm×4 400 mm（長×寬），除塵效率＞99.9%，濾袋材質(zhì)PTFE+PTFE 覆膜，336 條濾袋，阻力損失≤1 500 Pa，收集的飛灰經(jīng)密閉氣力輸送系統(tǒng)送至飛灰暫存?zhèn)}，等待外運(yùn)處置。

（6）2 座填料式濕式洗滌塔，單臺(tái)處理煙氣量為11 069 m3∕h，設(shè)置2 層填料，采用可卸換式防堵噴嘴，另配備除霧器；噴淋水在塔內(nèi)進(jìn)行循環(huán)使用，根據(jù)循環(huán)水槽內(nèi)pH 值調(diào)節(jié)廢水排放量，噴淋洗滌廢水直接排放進(jìn)入石洞口污水處理廠進(jìn)行處理。

（7）2 座間接換熱煙氣再熱器，單臺(tái)處理煙氣量為8 893 m3∕h，為充分利用污泥焚燒熱量，使用污泥焚燒產(chǎn)生的蒸汽作為熱源，確保煙氣經(jīng)熱交換后溫度達(dá)到105～110 ℃，防止煙囪排放“白煙”的情況。

（8）2套離心式引風(fēng)機(jī)，單臺(tái)風(fēng)量為12 000 m3∕h，變頻控制。

（9）煙囪及其他配套設(shè)備。

3 運(yùn)行效果分析

3.1 污泥泥質(zhì)分析數(shù)據(jù)

設(shè)計(jì)階段、試運(yùn)行階段污泥取樣熱值分析及主要元素分析見表3。

表3 污泥熱值及主要元素分析Tab.3 Calorific value and ultimate analysis of sludge

由表3 可知，試運(yùn)行與設(shè)計(jì)階段的污泥性質(zhì)基本一致，試運(yùn)行階段工況基本與設(shè)計(jì)工況相同。

3.2 主要煙氣污染物及設(shè)計(jì)去除手段

3.2.1 不完全燃燒產(chǎn)物

碳?xì)浠衔锊煌耆紵a(chǎn)物（PIC）是燃燒不良而產(chǎn)生的副產(chǎn)品，主要是一氧化碳、炭黑、烴、烯、酮、醇、有機(jī)酸及聚合物等。

流化床焚燒爐是目前國際公認(rèn)最為徹底的燃燒設(shè)備之一，不完全燃燒物質(zhì)生成量極低［17-19］，且可通過調(diào)整一次風(fēng)量確保爐內(nèi)物料完全燃燒，避免不完全燃燒產(chǎn)物的生成。焚燒爐配備輔助燃燒器，用于維持爐內(nèi)燃燒溫度，保證污泥燃盡。

3.2.2 粉塵

煙氣中的粉塵主要包括惰性金屬鹽類、金屬氧化物或不完全燃燒物質(zhì)等，可通過旋風(fēng)除塵器、布袋除塵器、濕法洗滌等方法去除。

噴灑活性炭之后的煙氣在經(jīng)過布袋除塵器后，其中的飛灰將被攔截收集，經(jīng)鑒定確認(rèn)是否為危險(xiǎn)廢棄物并運(yùn)送至對應(yīng)的處置單位進(jìn)行合理處置。

3.2.3 酸性氣體

煙氣中的酸性氣體主要包括氯化物、鹵化氫（氯以外的鹵素）、硫氧化物、氮氧化物以及磷氧化物和磷酸，可由半干法脫硫和濕式洗滌的方法去除。經(jīng)過脫酸洗滌后產(chǎn)生的廢水排入就近污水處理廠進(jìn)行處理。

3.2.4 重金屬污染物

煙氣中的重金屬污染物包括鉛（Pb）、汞（Hg）、鎘（Cd）、鉻（Cr）等的元素態(tài)、氧化物及氯化物等。煙氣中揮發(fā)態(tài)的重金屬污染物部分在溫度降低時(shí)可自行凝結(jié)成顆粒，凝結(jié)或吸附于飛灰表面，進(jìn)而被除塵設(shè)備收集去除［20］；部分無法凝結(jié)及被吸附的重金屬氯化物，可經(jīng)濕式洗滌塔后從煙氣中去除。

3.2.5 二噁英類物質(zhì)

污泥焚燒產(chǎn)生的二噁英濃度很低［21］，二噁英類物質(zhì)在固體廢物焚燒爐中的形成有多種途徑，但取決于具體的爐型、工作狀態(tài)和燃燒條件。

遵循國際上通用的3T+1E 原則，采取焚燒爐內(nèi)煙氣溫度控制在850 ℃以上、煙氣停留時(shí)間2s以上、煙氣充分?jǐn)噭?dòng)、焚燒爐出口氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～10%，一氧化碳質(zhì)量濃度＜50 mg∕m3。

這樣可確保二噁英類物質(zhì)爐內(nèi)抑制產(chǎn)生及充分分解，爐后抑制再合成，其余被煙氣處理系統(tǒng)進(jìn)一步去除［22-23］。

3.2.6 氮氧化物

煙氣中的氮氧化物（NOx）通常是通過控制焚燒溫度以降低其產(chǎn)生量。本工程采用流化床焚燒爐，燃燒溫度（850 ℃）相對較低，且流化床焚燒爐采用分級送風(fēng)，可有效降低NOx產(chǎn)生量。同時(shí)爐頂配備尿素制備與投加系統(tǒng)，作為備用選擇性非催化還原（SNCR）脫硝系統(tǒng)。

3.3 實(shí)際運(yùn)行效果

石洞口污泥處理完善工程新建擴(kuò)容系統(tǒng)試運(yùn)行期間（2018-05-16—07-08）煙氣排放在線監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2所示，圖中：①為日平均質(zhì)量濃 度，mg∕m3；②為0.5 h 平 均 質(zhì) 量 濃 度，mg∕m3。

圖2 CEMS監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.2 Test data from CEMS

本工程試運(yùn)行期間的煙氣排放、重金屬及二噁英類物質(zhì)委托有資質(zhì)的第三方單位進(jìn)行取樣檢測，檢測結(jié)果按照規(guī)范要求折算后數(shù)據(jù)詳見表4。

石洞口污泥處理完善工程運(yùn)行中煙氣處理后排放污染物質(zhì)量濃度均完全滿足上海市地方標(biāo)準(zhǔn)（DB 31∕768—2013）要求限值，但顆粒物、SO2及NOx排放指標(biāo)距目前國內(nèi)電力行業(yè)的超低排放限值仍有差距。

表4 煙氣中重金屬及二噁英類物質(zhì)取樣檢測結(jié)果Tab.4 Mass concentrations of heavy metal and PCDD/Fs in sampled flue gas

4 結(jié)論

（1）煙氣作為污泥干化焚燒工藝的主要排放物之一，其凈化處理達(dá)標(biāo)排放對實(shí)現(xiàn)污泥徹底的穩(wěn)定化、減量化和無害化至關(guān)重要。結(jié)合理論分析與石洞口片區(qū)污泥干化焚燒系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，“旋風(fēng)除塵+半干法噴淋+活性炭噴射吸附+布袋除塵+脫酸洗滌+煙氣再熱”工藝技術(shù)上可行，可有效去除污泥干化焚燒煙氣中的污染物，與流化床焚燒爐配合適用于市政污泥焚燒處理及煙氣處理。

（2）實(shí)際運(yùn)行中的煙氣排放CO 質(zhì)量濃度顯著低于限值要求，充分說明流化床焚燒爐焚燒污泥的過程中燃燒充分且徹底。

（3）配合合適的設(shè)備選型，此套組合式煙氣處理工藝可確保焚燒煙氣凈化處理后達(dá)到上海地區(qū)地方標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)保要求，部分指標(biāo)已達(dá)到歐盟標(biāo)準(zhǔn)要求。但距離目前國內(nèi)電力行業(yè)的超低排放限值仍有一定差距，后續(xù)具備提標(biāo)改進(jìn)的空間，可通過采用更高效率的煙氣除塵工藝、脫硫及脫硝工藝，提高煙氣中顆粒物、硫氧化物及氮氧化物的高效去除效率，實(shí)現(xiàn)煙氣排放滿足超低排放限值的要求。