1、國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國(guó)際上常用的污泥處置技術(shù)為土地利用、填埋和焚燒等[1,2]，由于土地資源緊張，以及其它環(huán)境污染問(wèn)題，特別是在大城市，污泥土地利用和填埋比例逐漸下降，而焚燒比例上升，并逐漸成為發(fā)達(dá)國(guó)家主要的污泥處置手段之一[2]。干化焚燒在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已成為成熟的工藝技術(shù)[3～5]。我國(guó)在該領(lǐng)域通過(guò)大量實(shí)踐[6]，但主要還停留在污泥干化焚燒原理的探討方面[7～11]，對(duì)專用設(shè)備的開(kāi)發(fā)和研制及應(yīng)用等均還處于發(fā)展階段。因此，有必要在吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，研究和開(kāi)發(fā)出適合我國(guó)國(guó)情的技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)性能好、高效安全的干化焚燒技術(shù)和工藝設(shè)備。

污泥干化焚燒技術(shù)是多學(xué)科技術(shù)應(yīng)用相互交叉融合的技術(shù)領(lǐng)域[3]，需要精確控制的復(fù)雜系統(tǒng)。例如，在干化焚燒裝置運(yùn)行中，由于始終處于高溫、高粉塵和負(fù)壓狀態(tài)，除焚燒工藝外，會(huì)引起大量的能源消耗、系統(tǒng)安全性[12]和排放問(wèn)題，從而使干化焚燒工藝的運(yùn)行和控制變得十分復(fù)雜。

為此，本研究提出采用以霧化干燥技術(shù)進(jìn)行污泥干燥，成熟的回轉(zhuǎn)式焚燒爐進(jìn)行焚燒的技術(shù)路線。為控制煙氣污染，采用旋風(fēng)分離器+生物除臭噴淋洗滌塔為煙氣凈化系統(tǒng)，形成一整套污泥干化焚燒集成系統(tǒng)，并進(jìn)行了60噸/d規(guī)模的示范工程研究。

2、工藝流程與試驗(yàn)裝置

2.1試驗(yàn)裝置

示范工程試驗(yàn)的主要裝置數(shù)量和尺寸見(jiàn)表1。

2.2工藝流程

2006年7月，北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院和浙江環(huán)興機(jī)械有限公司在杭州市蕭山區(qū)臨浦工業(yè)園區(qū)建成了一座日處理能力為60m3/d(80%WS)污泥噴霧干噪-回轉(zhuǎn)窯焚燒工藝的示范工程，采用蕭山污水處理廠的脫水污泥。其工藝流程如圖1。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)工藝流程和組成

脫水污泥經(jīng)預(yù)處理系統(tǒng)處理后，通過(guò)高壓泵入噴霧干燥塔頂部(圖2)，經(jīng)過(guò)充分的熱交換，污泥得到干化，干化后產(chǎn)生的含水率為20～30%的干燥塔污泥從干燥塔底直接進(jìn)入回轉(zhuǎn)式焚燒爐(圖3)焚燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈴膰婌F干燥系統(tǒng)頂部導(dǎo)入，排出的尾氣分別經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器、噴淋塔和生物填料除臭噴淋塔處理后，經(jīng)煙囪排放。

2.3特點(diǎn)

采用新型噴霧干燥系統(tǒng)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，投資成本僅為流化床干化系統(tǒng)的30～40%。利用焚燒高溫?zé)煔庵苯訉?duì)霧化污泥進(jìn)行直接干燥，避免了復(fù)雜換熱器熱損失，干燥器高溫?zé)煔膺M(jìn)口溫度高(400?C)，廢氣排放溫度低(70～80?C)，因此熱效率高(>75%)。采取一些熱能循環(huán)利用措施后，其熱利用效率可以提高到80%以上。

霧化干燥的難點(diǎn)是脫水污泥能否有效霧化，工藝中采用微米級(jí)粉碎設(shè)備將含水率75-80%的脫水污泥破碎，使污泥中的部分結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)殚g隙水，在提高污泥流動(dòng)性和均質(zhì)度、利于泵輸送的同時(shí)，能夠最大程度的有效霧化，與焚燒爐高溫?zé)煔庵苯咏佑|，不僅使干燥速度最大化，而且使經(jīng)氣固分離后得到的干化污泥的松密度、流動(dòng)性和粒徑分布更為合理。

為確保干化焚燒系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、安全、高效運(yùn)行，需對(duì)干燥器進(jìn)出口溫度，干燥器內(nèi)溫度、壓力和氧氣濃度、粉塵含量和干燥程度，燃燒室內(nèi)煙氣溫度、停留時(shí)間和湍流度等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。具體措施如下：

1) 通過(guò)調(diào)整噴嘴霧化粒徑，將污泥形成30～500μm的液滴，在吸附并積聚焚燒煙氣中顆粒物質(zhì)及重金屬氧化物、減少粉塵產(chǎn)生量的同時(shí)，降低安全隱患、減少后續(xù)尾氣處理難度、節(jié)約處理成本，并使干燥污泥的粒度分布在60-120目，利于焚燒。

2) 通過(guò)控制霧化干燥器的進(jìn)、出口溫度，采用輕型材料，在達(dá)到良好的保溫效果且符合結(jié)構(gòu)力學(xué)要求的同時(shí)，因避免采用笨重的耐火磚材結(jié)構(gòu)，而降低設(shè)備造價(jià);

3) 通過(guò)優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理設(shè)計(jì)噴霧塔塔身和回轉(zhuǎn)式焚燒爐爐體，充分利用焚燒系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫?zé)煔馑瑹崮芨稍镬F化污泥，降低出口余溫，充分利用余熱，使系統(tǒng)熱能綜合利用效率最大化。同時(shí)提高反饋控制，調(diào)控污泥顆粒的干燥程度，確保安全(粉塵產(chǎn)生和自燃問(wèn)題)、后續(xù)尾氣處理的經(jīng)濟(jì)有效(減少)以及污泥熱值的充分利用;

4) 通過(guò)優(yōu)化焚燒爐布風(fēng)和進(jìn)料設(shè)計(jì)，合理控制焚燒爐和二燃室內(nèi)煙氣停留時(shí)間、燃燒溫度和湍流度，使煙氣在溫度>850℃的停留時(shí)間>2s，可有效消減二惡英及其前驅(qū)物。同時(shí)，將進(jìn)入噴霧干燥塔的煙氣溫度控制在400?C左右，不僅可防止二惡英及其前驅(qū)物的再生，而且在與霧化污泥并流接觸后，可使煙氣中的粉塵和重金屬氧化物吸附在霧化污泥中，也使酸性氣體溶解在其中，并隨水蒸氣進(jìn)入后續(xù)煙氣凈化系統(tǒng)，使噴霧干燥塔具有煙氣預(yù)處理功能，而且可有效降低后續(xù)煙氣凈化設(shè)施的處理負(fù)荷和規(guī)模。

將污泥噴霧干燥和回轉(zhuǎn)式焚燒爐集成技術(shù)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有研究報(bào)導(dǎo)，本研究創(chuàng)新性的提出新的工藝技術(shù)并進(jìn)行了集成。通過(guò)理論和實(shí)踐，該項(xiàng)技術(shù)的研究填補(bǔ)我國(guó)在污泥干燥焚燒集成技術(shù)方面、設(shè)備研制以及應(yīng)用方面的空白。根據(jù)這一技術(shù)開(kāi)發(fā)一個(gè)350t/d的大型的焚燒裝置目前在杭州蕭山沼澤建設(shè)之中。

3、監(jiān)測(cè)結(jié)果與評(píng)價(jià)

3.1污泥組分和熱值分析

本研究采用的污泥有機(jī)物含量較低，平均在36%，這是由于蕭山城市污水處理廠水質(zhì)性質(zhì)所決定。在這一水質(zhì)情況下，對(duì)脫水污泥和干化污泥進(jìn)行了全分析結(jié)果如表2：

由上表可知，在污泥含水率為64.5％和28.9％的情況下，污泥的高位熱值分別為1740kcal/kg和2310kcal/kg，低位熱值分別為660kcal/k和1710kcal/kg，表明在污泥含水率降低的情況下，污泥的高位和低位熱值均有所上升�，F(xiàn)有研究結(jié)果表明[13]，當(dāng)污泥的凈熱值高于3.6MJ/kg(＝857kcal/kg)時(shí)，污泥即可維持自持燃燒。因此，當(dāng)污泥被干燥到含水率為30％以下的時(shí)候，污泥不僅能夠維持自持燃燒，而且，可以有大量的熱量富余，可以進(jìn)行諸如干燥污泥等用途。

3.2系統(tǒng)消耗和能量平衡分析

在污泥干化焚燒過(guò)程中，能耗(包括電耗和煤耗)是運(yùn)行成本的一個(gè)重要方面，因此也是需要重點(diǎn)考慮的因素。試驗(yàn)期間進(jìn)行的監(jiān)測(cè)表明，系統(tǒng)燃煤消耗、動(dòng)力消耗、水耗、化學(xué)試劑消耗均較低，如表3和圖4。

表3  系統(tǒng)消耗

本試驗(yàn)系統(tǒng)的電耗僅為63kWh/t(80%WS)，遠(yuǎn)低于《城市生活垃圾焚燒處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》(2001)規(guī)定指標(biāo)要求。此外，系統(tǒng)所消耗的熱值為5000kcal/kg的燃煤量?jī)H為44.8kg/t(80%WS)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行能量平衡分析可知，系統(tǒng)的熱能綜合利用效率高達(dá)80%以上，因此具有良好的熱能綜合利用效率和節(jié)能效果。

3.3系統(tǒng)煙氣監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

污泥焚燒高溫?zé)煔庵泻泻芏喾N污染物質(zhì)，如果不進(jìn)行合理的處理將會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染，因此大氣污染物排放控制至今仍是焚燒廠要解決的重要問(wèn)題，尤其是其中的Hg、NOx[14,15]。此外，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者認(rèn)為二惡英也應(yīng)是妨礙污泥焚燒的主要障礙之一。本試驗(yàn)裝置煙氣處理系統(tǒng)由噴霧干燥塔、旋風(fēng)除塵器和生物填料除臭噴淋洗滌塔組成，試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18485～2001)中規(guī)定的檢測(cè)項(xiàng)目，對(duì)排放尾氣進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表4：

試驗(yàn)結(jié)果表明，在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中排放的各種大氣污染物質(zhì)經(jīng)旋風(fēng)除塵、噴淋塔、生物填料除臭噴淋洗滌塔處理后均遠(yuǎn)低于《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18485)中大氣污染物排放限值的要求。

煙氣中CO的含量是確定焚燒是否完全的指標(biāo)之一。歐盟2000/76/EC規(guī)定，除焚燒系統(tǒng)的啟動(dòng)和停機(jī)以外，燃燒氣體中CO的日均濃度不超過(guò)50mg/m3、半小時(shí)平均值不超過(guò)100mg/m3時(shí)，可以認(rèn)為廢棄物已經(jīng)完全燃燒。美國(guó)EPA認(rèn)為[10,11]，當(dāng)焚燒爐尾氣中CO≤100mg/m3時(shí)，可以說(shuō)明焚燒爐的燃燒比較安全。因此，根據(jù)煙氣檢測(cè)報(bào)告，試驗(yàn)系統(tǒng)排出的煙氣中CO小時(shí)均值為74.1mg/Nm3，低于100mg/m3，表明污泥在焚燒爐中已經(jīng)獲得完全燃燒。

4結(jié)論

1、經(jīng)濟(jì)高效：整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的總投資為650萬(wàn)元，占地面積為580m2，單位投資成本為10.8萬(wàn)元/t(80%WS)，單位運(yùn)行成本為94.64元/t(80%WS)。而國(guó)內(nèi)污泥干化焚燒的單位投資成本為25萬(wàn)元/t(80%WS)、單位運(yùn)行成本為107元/t(80%WS)[18]，因此，相比較而言，該系統(tǒng)還具有單位投資省，運(yùn)行成本低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)大規(guī)模的應(yīng)用單位投資和運(yùn)行成本還會(huì)有極大的降低潛力。

2、系統(tǒng)采用高效、安全霧化干燥系統(tǒng)：采用順風(fēng)干燥的方式，合理控制干燥系統(tǒng)內(nèi)的干燥溫度、系統(tǒng)壓力、霧化污泥液滴的粒徑、停留時(shí)間、粉塵濃度和氧濃度，確保系統(tǒng)的高效運(yùn)行。通過(guò)特制的污泥噴霧裝置將污泥形成30～500μm的高含水率液滴，提高與高溫?zé)煔饨佑|的比表面積，與高溫?zé)煔飧浞值幕旌�，從而使水分迅速蒸發(fā)，熱效率高。形成干燥顆粒狀污泥粒徑分布適度，有利于污泥顆粒含水率、粉塵產(chǎn)生量和有害物質(zhì)的控制。

3、新型霧化干燥系統(tǒng)與回轉(zhuǎn)式焚燒爐系統(tǒng)集成：在國(guó)內(nèi)首次采用新型霧化干燥系統(tǒng)與回轉(zhuǎn)式焚燒爐系統(tǒng)相集成，提高了噴霧直接干燥的熱效率。此外，通過(guò)優(yōu)化干燥器的結(jié)構(gòu)，使進(jìn)口高溫?zé)煔饪刂圃?00℃以下，排出廢氣的溫度降低到70℃以下，其熱利用效率可達(dá)到80%以上。并充分利用焚燒系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫?zé)煔馑瑹崮芨稍镬F化污泥，在省去價(jià)格高昂的高溫?zé)煔馓幚硐到y(tǒng)的同時(shí)，可使系統(tǒng)熱能回收利用率最大化，系統(tǒng)熱能綜合利用效率較高(>90%)。

4、安全可靠，污染風(fēng)險(xiǎn)低：實(shí)現(xiàn)污泥干燥焚燒尾氣高效處理和二惡英的有效控制：污泥焚燒采用煤作為輔助燃料和污泥本身的熱能燃燒產(chǎn)生熱風(fēng)，供應(yīng)干燥塔，在污泥焚燒實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)爐焚燒尾氣的零排放，同時(shí)在焚燒爐設(shè)置二燃室、干燥塔吸附和旋風(fēng)除塵、活性碳吸附，徹底避免尾氣的煙塵污染、臭氣和可能的二惡英問(wèn)題。

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