随着我国社会经济和城市化的发展,污水产量不断增长.截至2014年底,全国设市城市、县(不含其他建制镇)累计建成污水处理厂3 717座,污水处理能力1.57亿m³·d^-1,较2013年新增约800万m³·d^-1.按此污水处理规模,全国城市污水处理厂污泥的年产量超过3 500万t(以含水率80%计)^[1],本文含水率指质量分数.根据相关预测,随着污水收集率和污水处理排放标准的提高,我国城市污泥产量在未来的10年还将有较大的增长^[1].因此,我国将面临巨大的污泥处置压力.

以焚烧为核心的处置方法是最彻底的污泥处置方法,它的减量化效果十分明显,同时可以杀死污泥中的病原菌,而且干污泥热值与褐煤相当,焚烧过程中可以回收能量用于供热或发电.与污泥填埋、堆肥处理相比,污泥干化焚烧处理技术可节省大量土地,减少污泥的二次污染,同时还充分利用了再生能源,达到了对污泥处理的减量化、无害化、资源化的目的.利用焚烧方式回收污泥中有机质热能,并将焚烧后的灰渣作为建筑材料或轻质材料的原材料,已成为污泥资源化利用的主导方向,因此采用焚烧法处理污泥具有很好的发展前景^[2].

国内外主流的污泥焚烧处理工艺是先将污水厂产生的脱水污泥进行干化,干化后的污泥送入焚烧炉进行处理,得到炉渣和飞灰,进而用于填埋或者建材利用^[3].在污泥焚烧处理工艺中,入炉污泥含水率是干化焚烧工艺中的重要参数,它直接关系到设备规格、能源消耗、运行管理等各方面.

根据国内类似市政污水处理厂的污泥特性,污泥在含水率50%～60%时为粘滞区^[2].国内外污泥干化焚烧工程中较为典型的入炉污泥含水率(指进入污泥焚烧炉的污泥含水率)分别为60%、40%、10%,这三种入炉污泥含水率各有优缺点,且在国内外均有工程应用.本文以上海某污水处理厂污泥为例,通过理论计算和工程设计分析,研究入炉污泥含水率对污泥干化焚烧工艺的影响.

污泥干化主要有直接干化和间接干化两种形式.本文主要针对间接干化,并采用蒸汽作为热媒介质.鼓泡流化床是一种较合适的污泥焚烧设备.据统计,国外污泥焚烧项目中65％以上采用流化床焚烧炉,且国内已有多项采用该类焚烧炉处理污泥工程实例^[4],故本文计算中污泥焚烧炉以鼓泡流化床为例.要使污泥在炉内稳定焚烧,必须达到一定的绝热火焰温度^[5].根据固体废弃物焚烧相关规范要求,焚烧炉燃烧温度需要控制在850 ℃以上,烟气在炉内停留时间至少达到2 s^[6].

污泥干化焚烧工艺流程如图 1所示.污泥干化系统采用蒸汽间接加热干燥机;焚烧系统采用鼓泡流化床焚烧炉;余热利用系统为余热锅炉;烟气处理系统为旋风除尘器＋半干喷淋塔＋布袋除尘器+湿式脱酸塔+烟气再热器^[7].整个干化焚烧系统热量不足部分由电厂蒸汽补充.

图 1

Fig. 1

图 1 污泥干化焚烧工艺流程 Fig. 1 Sludge drying and incineration process

以上海某污水处理厂得到的污泥为例,污泥干燥基成分如表 1所示,包括元素分析、工业分析和低位发热量,其中:元素分析中C_d、H_d、O_d、N_d、S_d分别为干燥基下污泥中元素C、H、O、N和S的质量分数;工业分析中FC_d、V_d、A_d、M_d分别为干燥基下固定碳、挥发份、灰分和水分的质量分数.

表 1 Table 1

表 1 污泥成份分析表 Tab.1 Composition of sludge 元素分析 工业分析 低位发热量/ (kJ·kg-1) Cd/% Hd/% Od/% Nd/% Sd/% FCd/% Vd/% Ad/% Md/% 28.35 3.53 16.63 4.15 1.05 6.91 46.80 46.29 0 12 190

表 1 污泥成份分析表 Tab.1 Composition of sludge

以污泥处理规模125 t·d^-1(按含水率80％计)为例,对不同干化程度下的污泥干化焚烧系统进行比较分析,选取有代表性的入炉污泥含水率(入炉含水率指进入污泥焚烧炉的污泥含水率)设计点——10%、40%和60%三种工况,就其总体工艺参数、干化系统、焚烧系统、烟气处理系统、车间土建结构、能耗等方面进行比较.

根据工艺流程及污泥泥质分析数据,本文依据《CJJ 131—2009城镇污水处理厂污泥处理技术规程》^[8]对三种不同入炉污泥含水率下的工艺参数进行了计算,其中干燥机热量损耗按蒸发单位水量3 090 kJ·(kg H₂O)^-1计,比蒸发速率本文取15 kg H₂O·(m²·h)^-1;排烟量指烟气处理系统进口处在标准状况下的烟气量;烟气从50 ℃再热至110 ℃左右需消耗蒸汽约260 kg·h^-1.计算得到的主要工艺参数及相应的工艺设计分别如表 2、3所示.

表 2 Table 2

表 2 不同入炉污泥含水率时的工艺参数比较 Tab.2 Comparison of process parameters with different moisture contents 参数类型 参数名称 不同含水率时的数值 10% 40% 60% 总体工艺参数 干化后泥量/(t·d-1) 27.8 41.7 62.5 干化蒸发水量/(kg·h-1) 4 051 3 472 2 604 干化需蒸汽量/(kg·h-1) 6 186 5 301 3 977 烟气再热需蒸汽量/(kg·h-1) 260 260 260 锅炉蒸汽产量/(kg·h-1) 4 260 3 590 2 450 补充蒸汽量/(kg·h-1) 2 186 1 971 1 787 干化系统 干燥机需蒸发面积/m2 270 231 173 干化系统载气量/(Nm3·h-1) 7 837 6 716 5 035 焚烧系统 入炉低位发热量/(kJ·kg-1) 10 057 5 871 3 081 入炉空气量/(Nm3·h-1) 4 106 4 106 4 106 焚烧炉处理量/(kg·h-1) 1 157 1 736 2 604 余热锅炉蒸发量/(kg·h-1) 4 260 3 590 2 450 烟气处理系统 排烟量/(Nm3·h-1) 5 102 5 791 6 825

表 2 不同入炉污泥含水率时的工艺参数比较 Tab.2 Comparison of process parameters with different moisture contents

表 3 Table 3

表 3 不同入炉污泥含水率时的工艺设计比较 Tab.3Comparison of process design with different moisture contents 参数类型 参数名称 不同含水率时的工艺设计 10% 40% 60% 干化系统 干燥机类型 流化床干燥器,需额外增加旋风除尘器 盘式干燥机、桨叶式干燥机等 盘式干燥机、桨叶式干燥机等 储存及运输 体积小,储存需充氮,安全措施要求较高 体积较大,储存运输占地较大 体积大,储存运输占地大 焚烧系统 入炉总热量 较大 居中 较小 炉膛温度及 炉内布置 870 ℃,需在炉内设置换热面 870 ℃,需在炉内设置换热面 炉膛温度无法达到870 ℃,需提高进风温度 焚烧炉+余热 锅炉类型 需在焚烧炉内设置换热器,锅炉一体化,体积较小,较适合流化床 需在焚烧炉内设置换热器,锅炉一体化,体积较小,适合流化床 锅炉分开,占地较大,适合流化床或炉排炉 烟气处理系统 烟气含湿量 较低 居中 较高 排烟热损失 较小 居中 较大 其他 车间大小 干化区大,焚烧区小 居中 干化区小,焚烧区大 安全性 较低 居中 较高

表 3 不同入炉污泥含水率时的工艺设计比较 Tab.3 Comparison of process design with different moisture contents

分析表 2、3可以发现,就该污水处理厂污泥而言,随着入炉污泥含水率升高,有:

(1) 污泥实际入炉单位热值变小,而且入炉污泥总热量也随之变小.因为随着污泥含水率的增大,入炉污泥中水分的吸热量也增大,导致实际入炉总热量变小.

(2) 锅炉炉型的设计也受到了较大的影响.在含水率较低时,需要在锅炉内设置炉内换热面,以防止炉膛温度过高,且入炉污泥含水率越低,在炉内设置的换热面面积越大;而在含水率高于45%时,炉内温度无法达到850 ℃的燃烧温度,需将入炉的流化空气温度提高至300 ℃甚至更高,方可实现焚烧炉内污泥的稳定燃烧^[6].

(3) 锅炉排烟热损失逐渐增大.主要是因为入炉污泥中的水分转化为水蒸气后,在锅炉排烟温度下无法被利用,增加了排烟热损失.

(4) 热量缺口逐渐变小.虽然入炉污泥含水率较低时锅炉实际可回收利用的热量较大,但是污泥在干化阶段所需热量也较大.

(5) 干化阶段设备主要工艺参数,如干燥机蒸发量、干化系统载气量等参数变小.在入炉污泥含水率较低时,由于需要将大部分水分在干化阶段蒸发,导致干燥机的蒸发能力增大,同时干燥机的相关配套设备,如载气洗涤塔、载气循环风机等的规格也相应增大.

(6) 焚烧及烟气处理阶段设备的规格提高.由于入炉污泥含水率越大,入炉污泥总量越大,焚烧炉处理量越大,导致焚烧炉尺寸增大,同时也产生了较多的烟气,直接导致后续烟气处理设施规格提高.烟气中水分含量较高也会影响袋式除尘器的布袋材质和使用寿命^[6].

(7) 干化后污泥储存及运输均需占用较大的空间,而且半干污泥的长期储存易造成板结等问题.

综上所述,在入炉污泥含水率为10%左右时:由于干化程度高,对干燥机处理能力要求较高,同时对干污泥储存及输送的要求较高;由于入炉热值高,宜采用流化床焚烧炉,并在炉内布置受热面,以确保炉内温度满足要求;由于烟气量较小,且含水率较低,烟气处理系统整体规模较小.

污泥在含水率40%左右进炉时,干燥机型式选择余地较大,焚烧宜采用流化床焚烧炉,并在炉内布置受热面,以确保达到炉内温度要求^[9].

污泥在含水率60%左右进炉时,干燥机型式选择余地较大,同时由于干燥机产泥的含固率宜在60%以上,故适合采用干湿泥混合进炉.由于入炉热值低,可采用流化床等焚烧炉,同时可在焚烧炉后布置受热面,即采用余热锅炉.由于烟气量较大,且含水率较高,烟气处理系统整体规模较大,而且对相关设施的要求较高.但半干污泥的储存和输送较为不便^[10].

理论上而言,污泥含水率在60%左右时即能在焚烧炉中维持稳定燃烧.干化焚烧工艺在该工况下外加能量最小,且此类工程在国外有较多的成功案例.而事实上国内城市污水处理厂脱水污泥的干基热值范围为5 844～19 303 kJ·kg^-1,均值为11 850 kJ·kg^-1,比欧美等发达地区的低22.4%～37.7%^[11].在污泥干基热值低、波动大的情况下,很难保证污泥能在焚烧炉内稳定地自持燃烧.

本文针对上海某污水处理厂污泥,结合国内外主流的焚烧处理工艺,对不同污泥含水率下污泥干化焚烧处理的特点进行了研究分析.主要有以下结论:

(1) 随着干化程度的提高,对干燥机处理能力要求提高,干燥机型式的选择范围变小.

(2) 在入炉污泥含水率较低时,焚烧炉内需设置受热面(如埋管、水冷壁等),以确保炉内温度处于850～950 ℃之间.当污泥含水率为60%时,可将受热面布置于其后的余热锅炉中.

(3) 当入炉污泥含水率高于60%,则焚烧温度不能达到850 ℃以上,必须添加辅助燃料,对焚烧的经济性不利,而且水分含量越高,进料量和烟气量越大,焚烧和烟气处理设备体积庞大.另外,烟气中水分含量高也会影响袋式除尘器的布袋材质和使用寿命.

(4) 污泥干化程度过高,在系统中易产生粉尘.此时全干化系统要求处在完全密闭的惰性环境,系统内要密切控制氧含量、粉尘浓度、温度和污泥散发的可燃性气体浓度,在储存和运输过程中同样要保持惰性环境.因此,在安全上对设备材质、系统安装、运行管理的要求高.

(5) 由于污泥泥质特性随时间变化大,且无规律可循,在污泥热值整体偏低的地区,采用60%的入炉污泥含水率存在一定的风险,增加了运行管理的难度.若实际运行时入炉污泥含水率偏离设计工况,将导致整体运行工况偏离设计工况,以及由于热量缺口导致炉内喷油枪常态化运行等.

综上所述,污泥入炉含水率对污泥焚烧处理工程中的工艺选择及布置影响较大.污泥焚烧处理工程设计时不宜照搬国内外类似工程的入炉含水率,应根据污水处理厂污泥泥质特性、热值、辅助热源和运行管理等实际情况,合理选择入炉污泥含水率.根据本文中上海某污水处理厂污泥特性,结合工厂实际情况,建议入炉污泥含水率确定在40%左右.