利用煙氣余熱的污泥低溫干化技術(shù)研究

張江華

（深圳德爾科機(jī)電環(huán)?？萍加邢薰?，廣東深圳 518000）

1 污泥低溫干化技術(shù)基本原理和特點

污泥屬于污水處理中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，有機(jī)物含量比較多，并且容易出現(xiàn)腐化情況。同時含水率高、脫水難度大，傳統(tǒng)處理模式中，主要運用堆肥、填埋等方式。這些方式雖然可以使污泥整體產(chǎn)量多的問題得以解決，但是可能會出現(xiàn)二次污染隱患。怎樣運用經(jīng)濟(jì)、安全的方式處理污泥是當(dāng)前社會發(fā)展中應(yīng)重點關(guān)注和解決的問題，在解決這一問題時，應(yīng)盡量實現(xiàn)減量化、無害化、資源化。

在污泥中，水主要以毛細(xì)水、間隙水、結(jié)合水、吸附水等形態(tài)存在。運用機(jī)械脫水和濃縮方式可以使大量間隙水被除去，但是殘存的毛細(xì)水、吸附水等仍為微生物的滋生提供條件。機(jī)械脫水污泥中重金屬含量隨著時間的推移變化較大，這主要和工業(yè)廢水比例、來源相關(guān)，并且重金屬具有不穩(wěn)定特點。體積減小、含水量降低是污泥進(jìn)行資源化處理以及無害化處理得以實現(xiàn)的關(guān)鍵。故此，污泥堆放在外會使土壤環(huán)境等存在被污染的風(fēng)險，有必要深層次脫除污泥中的水分，并且讓重金屬成分穩(wěn)定。

低溫干化技術(shù)工作原理源自熱泵干燥技術(shù)。20世紀(jì)70年代，西方發(fā)達(dá)國家針對熱泵干燥除濕相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，我國20世紀(jì)80年代引進(jìn)了這一技術(shù)，逐漸運用于農(nóng)副產(chǎn)品行業(yè)、食品行業(yè)等領(lǐng)域，實踐中獲得了良好效果。當(dāng)前環(huán)境問題得到了廣泛重視與關(guān)注，能源節(jié)約需求推動了技術(shù)的發(fā)展，熱泵干燥設(shè)備已經(jīng)在各行各業(yè)獲得了應(yīng)用，其中包括污泥處理、蔬菜脫水、陶瓷烘焙、食品加工等。

污泥低溫干化多數(shù)采用帶式，烘干溫度處于40～75 ℃。濕泥通過切條機(jī)進(jìn)行切條以后進(jìn)入到帶式干化機(jī)鋼帶位置，通過一定速度逐漸向前輸送。切條下料速度和網(wǎng)帶速度連續(xù)可調(diào)，除濕熱泵或者其他熱源產(chǎn)生的熱空氣在干燥器內(nèi)的循環(huán)速率可調(diào)，繼而使不同烘干的工藝需求得到滿足。

經(jīng)過干燥之后的污泥從泥條變?yōu)楦捎差w粒，由出料口排出后使用運輸設(shè)備能夠直接運送到倉庫中。干燥器中攜濕回風(fēng)的熱量可以提取回用，降溫除濕后再加熱，一次循環(huán)結(jié)束以后便會進(jìn)入到下一個循環(huán)，整個過程封閉進(jìn)行。低溫干化技術(shù)杜絕了干燒、粉塵爆炸、燃?xì)庑孤兜劝踩[患。封閉循環(huán)，不會受到外界溫度影響，也不會排放高溫高濕度臭氣。干燥機(jī)組通過模塊化方式進(jìn)行生產(chǎn)，安裝簡單、維修便捷、使用壽命比較長。低溫干化時僅僅排放烘干產(chǎn)生的冷凝水，無需復(fù)雜的尾氣處理系統(tǒng)，在后處理設(shè)備方面投入成本很低。低溫干燥的整個系統(tǒng)不需要復(fù)雜的管線和燃料供應(yīng)路徑，在能源消耗、占地面積上均存在一定優(yōu)勢。

2 利用煙氣余熱進(jìn)行污泥低溫干化處理

在工業(yè)生產(chǎn)的各種熱量損耗中，排煙損失是最大的，一般在5%～12%。利用煙氣余熱干化污泥，不僅能使污泥得到安全、經(jīng)濟(jì)的處理，還能使火力發(fā)電的能源利用率提高0.16%，減少CO2排放量，非常有節(jié)能減排意義。水泥廠、熱電廠日常排放的煙氣量比較大，排入大氣的煙氣溫度在120 ℃左右。此溫度煙氣相對熱值仍然可觀，具有回收利用價值。煙氣直接干燥污泥，煙氣熱量加熱污泥，并將污泥蒸發(fā)的水分，隨煙氣一起經(jīng)過除塵、廢氣處理后，達(dá)標(biāo)排放。這種方式采取的干燥機(jī)為轉(zhuǎn)筒式干燥機(jī)，要求煙氣溫度高、流量大。雖然濕污泥會吸附一部分煙塵，但隨著干化程度加深，煙塵裹挾污泥粉塵，排氣粉塵濃度大增，現(xiàn)有垃圾焚燒電廠的煙氣凈化系統(tǒng)應(yīng)付不了，需要進(jìn)行負(fù)荷增強(qiáng)改造。同時，也不利于控制二惡英。

對于水泥廠來說，煙氣余熱低溫干燥有效地利用了中溫脫硝、布袋除塵后溫度偏低的窯爐排氣，不必對現(xiàn)有生產(chǎn)工藝做出調(diào)整。干化過程粉塵濃度較低，無粉塵起爆風(fēng)險，安全性好。其運行電耗處于較低水平，出料含水率調(diào)節(jié)性好，滿足后續(xù)多方面資源化利用需求。煙氣余熱低溫干燥與其他干燥方式的比較見表1。

表1 煙氣余熱低溫干燥與其他干燥方式的比較

污泥干化后有機(jī)成分大都得以保留，資源化利用潛力高。污泥干固體具有很高的燃燒熱值，但是濕污泥中含有大量的水分，水分含量越高其低位熱值就越低。各地污泥的熱值差別較大，以典型干基低位熱值3 000 kcal/kg（1 2540 kJ/kg）的市政污泥為例（有機(jī)質(zhì)含量30%～45%），不同含水率狀況下污泥的低位熱值見表2。

表2 不同含水率的典型市政污泥低位熱值

從熱值上分析，1 kg 的25%含水率的市政污泥干料的低位熱值相當(dāng)于0.375 kg 的標(biāo)煤（1 kg 熱值5 600 kcal），替代燃燒可減少水泥廠的能源投入。焚燒后的污泥只留下硅酸鹽和其他金屬鹽等，重金屬成分以非常穩(wěn)定的形式存在，是建筑材料中較為理想的原料，例如做水泥熟料、環(huán)保磚、瓷磚、陶粒等。而在水泥窯協(xié)同處置中，污泥既作為原料也作為燃料，水泥窯爐既作為干化熱源提供者，又是干化物料的處置終點，由此對污泥生產(chǎn)單位、水泥生產(chǎn)單位和環(huán)境保護(hù)皆有利，整體投資得到很大程度的節(jié)省。

在使用垃圾焚燒產(chǎn)生的煙氣余熱時，雖然煙氣成分更加復(fù)雜，但仍可選用耐硫腐蝕的換熱器配置給低溫干燥機(jī)組，而污泥亦可作為燃料。含水率40%～50%的半干市政污泥低位熱值接近發(fā)電垃圾的低位熱值要求，可由垃圾機(jī)械排爐、流化床等為依托進(jìn)行協(xié)同摻燒處置。污泥與生活垃圾的摻燒比例合理且穩(wěn)定的話，不需要對已有焚燒爐的尾氣處理系統(tǒng)做出大的調(diào)整，就能達(dá)標(biāo)排放。例如，部分垃圾焚燒廠采用的“SNCR+半干法+活性炭噴射+袋式除塵器”處理工藝就可滿足歐盟2000標(biāo)準(zhǔn)，且能有效去除污泥焚燒產(chǎn)生的二惡英。垃圾焚燒爐燃燒所?；以w灰。所含成分大都是性質(zhì)穩(wěn)定的無機(jī)物，例如硅酸鹽、鋁酸鹽等，可作為建材使用，制成輕質(zhì)節(jié)能磚、石板磚、陶?；蛘咦鳛樗嘣?。

3 污泥處理技術(shù)路線工藝流程

水泥廠的廢氣主要在回轉(zhuǎn)窯和立窯中產(chǎn)生，經(jīng)過中溫脫硝、除塵等工藝，排入大氣的煙氣溫度在125℃左右。轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)、圓盤干燥機(jī)、槳葉干燥機(jī)等傳統(tǒng)干燥設(shè)備并不適合利用這種品況的余熱資源。雖然水泥廠在一些場合有高溫余熱空氣或者余熱蒸汽，但是這些熱力資源首先要滿足廠內(nèi)基本的工藝所需或者生活所需。采用低溫帶式余熱干燥，可以有效利用外排煙氣的廢熱資源。查表知一個大氣壓下，125 ℃煙氣密度0.899 5 kg/m3，熱值91.916 76 kcal/m3，即384.58 kJ/m3。煙氣經(jīng)過煙氣換熱器，加熱余熱循環(huán)熱水至80～90 ℃，在干燥箱中產(chǎn)生60～70 ℃的熱風(fēng)，可對污泥進(jìn)行較為溫和的封閉式干燥。煙氣溫度降至90 ℃，密度變?yōu)?.984 5 kg/m3，熱值90.951 6 kcal/m3（380.54 kJ/m3）。10 000 m3/h 的120 ℃煙氣經(jīng)過換熱器釋放的熱量為368 950 kJ/h=102.5 kW，可供3.4 t/d 濕污泥從80%含水率降到30%含水率。

外排的煙氣已經(jīng)經(jīng)過脫硫、脫硝、除塵處理，煙氣換熱器的工作環(huán)境已經(jīng)大為改善，對材質(zhì)的耐腐性能沒有太高的要求。當(dāng)煙氣中細(xì)灰較多，可以使用垂直布置的換熱管排，并使煙氣以較高速度縱向沖刷管排，方便管底落灰清理。水—空氣換熱器置于干化機(jī)內(nèi)，用于將得自煙氣余熱的熱水水熱轉(zhuǎn)換為循環(huán)熱風(fēng)熱量。排濕回風(fēng)經(jīng)由水冷冷卻器降溫除濕。干化機(jī)內(nèi)除了換熱器外，只有風(fēng)機(jī)、網(wǎng)帶輸送機(jī)等少量部件，結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，干化程度連續(xù)可控。利用煙氣余熱干燥污泥的水泥廠協(xié)同處置流程如圖1所示。

圖1 利用煙氣余熱干燥污泥的水泥廠協(xié)同處置流程

4 污泥干化處理中有害氣體有效控制

污泥本身在開放環(huán)境中就會散放氣體，其中惡臭成分具有污染性，主要包括硫化氫、甲硫化醇、甲基硫醚等硫化物，氨氣、二甲胺等含氮化合物，低級醇、醛類、脂肪酸等其他有機(jī)物等。進(jìn)行干化處理時，還有一些有機(jī)物會分解釋放出氣體，不限于鏈狀烷烴、芳香烴以及環(huán)烷烴等。低溫干燥條件下，芳香烴、環(huán)烷烴的占比很低。

在干燥除濕的過程中，污泥中被蒸發(fā)出來的水分會被冷卻器冷凝成為液態(tài)流出于干燥機(jī)外。有些易揮發(fā)的有機(jī)質(zhì)被冷凝出的液滴吸收，包括一些細(xì)塵。外排的冷凝水流入污水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，達(dá)標(biāo)后排放。封閉干化循環(huán)，冷凝水的COD、BOD 等含量不高，污水處理負(fù)荷較低。

干化機(jī)組進(jìn)出料環(huán)節(jié)及部分檢修口有些時候可能有臭味氣體散放，為控制工作環(huán)境質(zhì)量，需要在干化車間做通風(fēng)除臭。污泥料倉和干化車間的臭味氣體被收集起來，可由一次風(fēng)機(jī)送入焚燒爐內(nèi)作為焚燒用一次風(fēng)。在水泥窯協(xié)同處置中，這些臭氣的一部分作為冷卻風(fēng)進(jìn)入水泥窯篦冷機(jī)，另一部分可被送入分解爐中高溫分解。相比其他污泥處理場合，不需要化學(xué)洗滌、生物除臭等額外配置。在檢修期間臭氣可通過活性炭除臭裝置處理后達(dá)標(biāo)排放。由于封閉干化臭味氣體泄放量少，在焚燒爐用的一次風(fēng)中摻加比例較低，不會對廠區(qū)現(xiàn)有尾氣處理系統(tǒng)增加額外負(fù)荷，不影響電力或水泥生產(chǎn)的正常運轉(zhuǎn)。

5 結(jié)束語

低溫污泥干化是安全節(jié)能的干燥技術(shù)，運營費用低。利用煙氣余熱進(jìn)行污泥低溫干化處理，不需要對火力發(fā)電站或水泥廠現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝和廢氣處理系統(tǒng)做調(diào)整。干化后泥料有機(jī)質(zhì)的熱值得到很大程度保留，資源化潛力高，可以作為原料，也可以作為燃料，節(jié)省煤炭等化石能源的消耗。封閉式的干化生產(chǎn)，臭氣等污染氣體釋放量少，且大多可被投入焚燒環(huán)節(jié)高溫分解，因此不必投入很多便能對有害氣體進(jìn)行有效控制。煙氣余熱污泥低溫干化技術(shù)可以使污泥處理變得更為經(jīng)濟(jì)、安全，也能使過程中能源利用率獲得明顯提高，實現(xiàn)一種良性循環(huán)，具有比較廣闊的發(fā)展空間和發(fā)展前景。