城市污水污泥新型干化－焚燒示范工程研究
摘要：本文首次探討了將新型噴霧干燥與回轉式焚燒爐相集成的污泥干化焚燒技術路線，并對開發出的新型集成裝備進行了示范工程研究。研究結果表明，新型干化焚燒技術及其裝備具有熱能綜合利用效率高（>80％）、安全性好、投資和運行成本省（單位投資成本為10.8萬元/t(80％WS)，單位運行成本為94.64元/t(80％WS)）等特點，而且，經合適的煙氣凈化技術處理，大氣污染物排放遠低于《生活垃圾焚燒污染控制標準》(GB18485-2001)設定的排放限值要求。
關鍵詞：干化焚燒，霧化干燥，回轉式焚燒爐，煙氣凈化，二惡英和呋喃
1、國內外研究和應用現狀
目前，國際上常用的污泥處置技術為土地利用、填埋和焚燒等，由于土地資源緊張，以及其它環境污染問題，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，并逐漸成為發達國家主要的污泥處置手段之一。干化焚燒在歐美等發達國家已成為成熟的工藝技術。我國在該領域通過大量實踐，但主要還停留在污泥干化焚燒原理的探討方面，對專用設備的開發和研制及應用等均還處于發展階段。因此，有必要在吸收國外先進技術和經驗的基礎之上，研究和開發出適合我國國情的技術含量高、經濟性能好、高效安全的干化焚燒技術和工藝設備。
污泥干化焚燒技術是多學科技術應用相互交叉融合的技術領域，需要精確控制的復雜系統。例如，在干化焚燒裝置運行中，由于始終處于高溫、高粉塵和負壓狀態，除焚燒工藝外，會引起大量的能源消耗、系統安全性和排放問題，從而使干化焚燒工藝的運行和控制變得十分復雜。
為此，本研究提出采用以霧化干燥技術進行污泥干燥，成熟的回轉式焚燒爐進行焚燒的技術路線。為控制煙氣污染，采用旋風分離器＋生物除臭噴淋洗滌塔為煙氣凈化系統，形成一整套污泥干化焚燒集成系統，并進行了60噸/d規模的示范工程研究。
2、工藝流程與試驗裝置
2.1試驗裝置
示范工程試驗的主要裝置數量和尺寸見表1。
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2.2工藝流程
2006年7月，北京市環境保護科學研究院和浙江環興機械有限公司在杭州市蕭山區臨浦工業園區建成了一座日處理能力為60m3/d(80％WS)污泥噴霧干噪－回轉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。
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脫水污泥經預處理系統處理后，通過高壓泵入噴霧干燥塔頂部(圖2)，經過充分的熱交換，污泥得到干化，干化后產生的含水率為20～30％的干燥塔污泥從干燥塔底直接進入回轉式焚燒爐(圖3)焚燒，產生的高溫煙氣從噴霧干燥系統頂部導入，排出的尾氣分別經過旋風分離器、噴淋塔和生物填料除臭噴淋塔處理后，經煙囪排放。
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2.3特點
采用新型噴霧干燥系統，由于系統結構較為簡單，投資成本僅為流化床干化系統的30～40％。利用焚燒高溫煙氣直接對霧化污泥進行直接干燥，避免了復雜換熱器熱損失，干燥器高溫煙氣進口溫度高（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。
霧化干燥的難點是脫水污泥能否有效霧化，工藝中采用微米級粉碎設備將含水率75-80%的脫水污泥破碎，使污泥中的部分結合水轉變為間隙水，在提高污泥流動性和均質度、利于泵輸送的同時，能夠最大程度的有效霧化，與焚燒爐高溫煙氣直接接觸，不僅使干燥速度最大化，而且使經氣固分離后得到的干化污泥的松密度、流動性和粒徑分布更為合理。
為確保干化焚燒系統經濟、安全、高效運行，需對干燥器進出口溫度，干燥器內溫度、壓力和氧氣濃度、粉塵含量和干燥程度，燃燒室內煙氣溫度、停留時間和湍流度等工藝參數進行優化。具體措施如下：
1) 通過調整噴嘴霧化粒徑，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及重金屬氧化物、減少粉塵產生量的同時，降低安全隱患、減少后續尾氣處理難度、節約處理成本，并使干燥污泥的粒度分布在60-120目，利于焚燒。
2) 通過控制霧化干燥器的進、出口溫度，采用輕型材料，在達到良好的保溫效果且符合結構力學要求的同時，因避免采用笨重的耐火磚材結構，而降低設備造價；
3) 通過優化設備結構設計，合理設計噴霧塔塔身和回轉式焚燒爐爐體，充分利用焚燒系統產生的高溫煙氣所含熱能干燥霧化污泥，降低出口余溫，充分利用余熱，使系統熱能綜合利用效率最大化。同時提高反饋控制，調控污泥顆粒的干燥程度，確保安全(粉塵產生和自燃問題)、后續尾氣處理的經濟有效(減少)以及污泥熱值的充分利用；
4) 通過優化焚燒爐布風和進料設計，合理控制焚燒爐和二燃室內煙氣停留時間、燃燒溫度和湍流度，使煙氣在溫度>850℃的停留時間>2s，可有效消減二惡英及其前驅物。同時，將進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，并隨水蒸氣進入后續煙氣凈化系統，使噴霧干燥塔具有煙氣預處理功能，而且可有效降低后續煙氣凈化設施的處理負荷和規模。
將污泥噴霧干燥和回轉式焚燒爐集成技術系統在國內外還沒有研究報導，本研究創新性的提出新的工藝技術并進行了集成。通過理論和實踐，該項技術的研究填補我國在污泥干燥焚燒集成技術方面、設備研制以及應用方面的空白。根據這一技術開發一個350t/d的大型的焚燒裝置目前在杭州蕭山沼澤建設之中。
3、監測結果與評價
3.1污泥組分和熱值分析
本研究采用的污泥有機物含量較低，平均在36％，這是由于蕭山城市污水處理廠水質性質所決定。在這一水質情況下，對脫水污泥和干化污泥進行了全分析結果如表2：
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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。現有研究結果表明，當污泥的凈熱值高于3.6MJ/kg(＝857kcal/kg)時，污泥即可維持自持燃燒。因此，當污泥被干燥到含水率為30％以下的時候，污泥不僅能夠維持自持燃燒，而且，可以有大量的熱量富余，可以進行諸如干燥污泥等用途。
3.2系統消耗和能量平衡分析
在污泥干化焚燒過程中，能耗(包括電耗和煤耗)是運行成本的一個重要方面，因此也是需要重點考慮的因素。試驗期間進行的監測表明，系統燃煤消耗、動力消耗、水耗、化學試劑消耗均較低，如表3和圖4。
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本試驗系統的電耗僅為63kWh/t(80％WS)，遠低于《城市生活垃圾焚燒處理工程項目建設標準》(2001)規定指標要求。此外，系統所消耗的熱值為5000kcal/kg的燃煤量僅為44.8kg/t(80％WS)，通過對系統進行能量平衡分析可知，系統的熱能綜合利用效率高達80％以上，因此具有良好的熱能綜合利用效率和節能效果。
3.3系統煙氣監測結果分析
污泥焚燒高溫煙氣中含有很多種污染物質，如果不進行合理的處理將會對環境造成嚴重的二次污染，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題，尤其是其中的Hg、NOx。此外，國內很多學者認為二惡英也應是妨礙污泥焚燒的主要障礙之一。本試驗裝置煙氣處理系統由噴霧干燥塔、旋風除塵器和生物填料除臭噴淋洗滌塔組成，試驗過程中，根據《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB18485～2001）中規定的檢測項目，對排放尾氣進行了檢測，檢測結果如表4：
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試驗結果表明，在連續運轉過程中排放的各種大氣污染物質經旋風除塵、噴淋塔、生物填料除臭噴淋洗滌塔處理后均遠低于《生活垃圾焚燒污染控制標準》(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之一。歐盟2000/76/EC規定，除焚燒系統的啟動和停機以外，燃燒氣體中CO的日均濃度不超過50mg/m3、半小時平均值不超過100mg/m3時，可以認為廢棄物已經完全燃燒。美國EPA認為，當焚燒爐尾氣中CO≤100mg/m3時，可以說明焚燒爐的燃燒比較安全。因此，根據煙氣檢測報告，試驗系統排出的煙氣中CO小時均值為74.1mg/Nm3，低于100mg/m3，表明污泥在焚燒爐中已經獲得完全燃燒。
4結論
1、經濟高效：整個試驗系統的總投資為650萬元，占地面積為580m2，單位投資成本為10.8萬元/t(80％WS)，單位運行成本為94.64元/t(80％WS)。而國內污泥干化焚燒的單位投資成本為25萬元/t(80％WS)、單位運行成本為107元/t(80％WS)[18]，因此，相比較而言，該系統還具有單位投資省，運行成本低的優點，同時大規模的應用單位投資和運行成本還會有極大的降低潛力。
2、系統采用高效、安全霧化干燥系統：采用順風干燥的方式，合理控制干燥系統內的干燥溫度、系統壓力、霧化污泥液滴的粒徑、停留時間、粉塵濃度和氧濃度，確保系統的高效運行。通過特制的污泥噴霧裝置將污泥形成30～500μm的高含水率液滴，提高與高溫煙氣接觸的比表面積，與高溫煙氣更充分的混合，從而使水分迅速蒸發，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、粉塵產生量和有害物質的控制。
3、新型霧化干燥系統與回轉式焚燒爐系統集成：在國內首次采用新型霧化干燥系統與回轉式焚燒爐系統相集成，提高了噴霧直接干燥的熱效率。此外，通過優化干燥器的結構，使進口高溫煙氣控制在400℃以下，排出廢氣的溫度降低到70℃以下，其熱利用效率可達到80％以上。并充分利用焚燒系統產生的高溫煙氣所含熱能干燥霧化污泥，在省去價格高昂的高溫煙氣處理系統的同時，可使系統熱能回收利用率最大化，系統熱能綜合利用效率較高(>90％)。
4、安全可靠，污染風險低：實現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生熱風，供應干燥塔，在污泥焚燒實現回轉爐焚燒尾氣的零排放，同時在焚燒爐設置二燃室、干燥塔吸附和旋風除塵、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題。
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