污泥焚烧工艺研究_陈萌

污泥焚烧工艺研究陈萌　张建涛　杨国录　柴朝晖(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉大学污淤泥研究中心　武汉430072)

摘　要　通过对国内外污泥处置现状的比较,得出污泥焚烧是我国污泥处置的发展趋势的结论。着重论述了污泥单独焚烧和混合燃烧的工艺及技术,指出污泥焚烧过程中的能量以及焚烧产物的资源化出处。 关键词　污泥　焚烧　资源化利用

TheStudyofSewageSludgeIncinerationProcessCHENMeng　ZHANGJiantao　YANGGuolu　CHAIZhaohui(StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineering,WuhanUniversity,SewageSludgeandSiltResearchCenter,WuhanUniversity　Wuhan430072)Abstract　Basedonthecomparisonofthecurrentsituationofsludgedisposalathomeandabroad,itisfoundoutthatincinerationisthede-velopmenttrendofsludgedisposalinourcountry;then,thetechnologiesofmono-incinerationandco-combustionaredescribedindetailsandmeanwhileitispointedouttheuseoftheenergyintheprocessandthedisposaloftheproductsafterincinerationtorealizeresourceuti-lization.KeyWords　sludge　incineration　resourceutilization

0　引言随着我国城市化进程的加快,生活废水和工业废水的排放量日益增多。污泥是污水处理厂不可避免的产物,污泥成分复杂,含水率极高且不易脱水,含有较多难降解的有机污染物、有害重金属及病原微生物等,严重地威胁着人类的生存、健康和发展。同时我国污泥处理面临管理不到位,技术不成熟等诸多问题,使得形势更加严峻。因此,对污泥的无害有效处理以及资源化利用迫在眉睫,探求一条积极有效且具有节能减排、循环经济市场构架的污泥清洁焚烧技术工艺,具有重大的经济效益和社会效益。1　污泥处理的现状和发展趋势1.1　污泥处理的现状传统的污泥处理方法有投海、稳定填埋、堆肥以及焚烧等。投海法是利用海洋巨大的稀释能力和强大的容纳能力来处理污泥,但污泥填海会对海洋生物造成危害,严重污染海洋环境,自1999年起欧盟已禁止其成员国利用海洋处置污泥[1]。填埋法是将简单灭菌处理后的污泥直接倾倒在低地或谷地,虽然投资少、见效快,但填埋不当会造成土壤和地下水的二次污染,且占用大量土地。污泥堆肥虽能回收利用污泥中的养分且能耗低,但污泥中含有大量病原体及铜、铝、锌、铬、汞等重金属和许多难降解的有害物质,故在实际应用中存在较多问题。对比研究表明,焚烧法处理污泥更为彻底,焚烧法有其显著的优点[2]:焚烧过程中可以最大限度地减少污泥体积,实现减量化;能使有机物全部碳化,杀死病原体,最大程度地降低重金属活性,能够较彻底地做到稳定性和无害化;同时,污泥焚烧过程中能够充分利用污泥潜在的有机能源,用于污泥自身的干化和发电供热,焚烧灰可制成建材,实现资源化。1.2　污泥处理的发展趋势通过我国与发达国家对污泥处理情况的比较(表1[2-3])可知:目前我国污泥处理主要以农用、填埋及其他利

用方式为主,处理方式较单一且利用率不高。虽然焚烧法具有很多优势,然而结合我国国情来讲,由于耗资较大、设备复杂、对操作人员的素质和技术水平要求高,使之与国际先进水平有较大的差距。

表1　中国与发达国家不同污泥处置技术所占的比例%国家年份焚烧农用填埋和其他美国1998601822加拿大2000431047德国200166826法国2001552718英国2002552025芬兰20009280西班牙200053398中国200634651

当前我国面临着能源短缺与环境恶化的巨大压力,积极寻找各种可再生能源来替代煤炭石油和天然气等燃料显得尤为重要。污泥中含有大量的有机质,为其能源利用提供了必要的物质基础,且焚烧法具有减量化、无害化、稳定化和资源化等显著优点,是相对安全的污泥终极处理方式。所以,积极推进污泥焚烧技术是我国污泥处置必然的发展趋势。2　污泥焚烧工艺污泥焚烧的技术方法及工艺流程具有多种方式,从燃料侧讲有单一焚烧和混合焚烧2种形式[4]。单一焚烧是指污

泥在某一特定环境中进行焚烧,混合焚烧是污泥或污泥衍生

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2011年第37卷第8期

August2011燃料和其他燃料一起完成燃烧的过程。2.1　污泥单一焚烧单一焚烧是指在专用的污泥焚烧炉内单独处置污泥。单一焚烧按是否进行脱水干化等前处理可分为直接焚烧和经脱水干化处理后再焚烧,称之为干化焚烧。由于原生污泥的初始含水率极高,内在热值较低,不支持自燃,焚烧需要的能耗过多,虽然我国目前少数地区存在直接焚烧方式,但实践证明其实施工艺很不可取。因此,一般不采用直接焚烧的方式,而是在焚烧前进行脱水干化等处理后再在专用的焚烧炉中进行焚烧。

2.1.1　污泥脱水城市生活污水的含固率一般为1%～2%,经真空过滤脱水、离心脱水或带式压滤脱水后的污泥含水率一般仍高达80%左右,对焚烧的影响主要有2个方面:第一,污泥的含水率越高,体积越大,对其进行脱水可以减小焚烧处理过程中运输、存储的难度;第二,污泥的有机成分较高,具有一定热值,且污泥低位热值随含水率的不同而变化。一般来说,污泥的含水率越高,低位热值越低,具有的利用价值就越小,不同含水率污泥的低位热值见表2[5]。故此,污泥脱水减量处

理是污泥焚烧处置的必要前提。表2　不同含水率污泥的低位热值含水率/%8075706560555045低位热值/(kcal·kg-1)2484436398351031122814241620含水率/%403530252015100低位热值/(kcal·kg-1)18172013220924062602279830003387

污水经过一级处理和二级处理得到含水率为80%的达标排放污泥,采用机械进行深度脱水是非常困难的,影响因素主要有[6]:污泥自身性质如EPS含量,EPS中的有机物(蛋白质、多糖),颗粒的粒径分布,颗粒表面电荷,金属离子和pH值等。因此,应结合不同污泥的性质,选用不同的脱水方式。克服深度脱水的难点是污泥调理技术的研究范畴,其关键技术问题是探求污泥深度脱水调理剂。2.1.2　污泥干化就目前的脱水技术而言,只能将含水率降到60%～70%,且费用相当高。同时在实际运行过程中,焚烧炉的排烟温度在100°C以上,污泥带入炉内的水分最终以蒸汽的形态排出锅炉,而这些蒸汽以汽化潜热的形式带走了燃料中的能量,即剩余的热量才可能被焚烧炉利用[7]。进入炉内的污泥所含水分越多,能量的损失也越多。因此,综合考虑能耗和运行费用等方面,在污泥焚烧前,只进行脱水处理是不够的,干化处理是十分必要的。在实际运行中,一般利用焚烧产生的热量对污泥进行干化,干燥热源可以是焚烧过程中产生的烟气,也可以是焚烧炉中受热面吸收热量产生的蒸汽。污泥干化按热媒是否与被干化污泥直接接触分为直接干化和间接干化2种方法。直接干化是将高温烟气直接引入干化器,通过气体与湿污泥的接触与对流进行换热。间接干化是将高温烟气的热量通过热交换器,传给蒸汽或导热油等热介质,热介质在封闭的回路中循环,而不与污泥发生接触[8]。由于直接干化在安全性、经济性以及环保性等方面存在很多问题,目前已基本不再使用。与直接干化相比,间接干化需要处理的烟气量小,不会产生二次污染,环保性能更好。此外,雷海燕等[9]探索了利用混合型太阳能干燥器对污泥的干燥特性及可行性进行了研究,为进一步节约能源、降低干燥费用提供了新的方法。经干化后污泥含水率显著降低,在此基础上进行焚烧,可有效地降低能耗。2.1.3　污泥焚烧污泥单烧需建设专用的焚烧装置,主要包括进料系统、焚烧炉系统和烟气净化系统等。其中焚烧炉的选取要以污泥的特性、处理量,投资以及环境等要求为依据。污泥焚烧炉主要有回转焚烧炉、多膛式焚烧炉、流化床式焚烧炉等,由于流化床焚烧炉的焚烧效率高,处理能力较大,运行过程中故障较少,且易于实现对有害气体的控制[10],因而,当前通

常认为流化床焚烧炉较适合污泥的焚烧。污泥单独焚烧需新建焚烧系统,且工艺技术复杂,使用和维护费用高,同时存在环境污染控制困难等问题,因而在实际中应进行经济技术的综合分析比较后再进行决策。2.2　污泥混合焚烧混合焚烧是指污泥或污泥衍生燃料与其他可燃物混合进行燃烧,它能充分利用现有的技术和装置,实现污泥的焚烧过程。为了降低能耗,充分利用污泥的热值,污泥混合燃烧与单独燃烧一样,一般需要对其进行脱水干化前处理。污泥混合焚烧按是否将污泥制成燃料分为非燃料化焚烧和燃料化焚烧。其中非燃料化焚烧按混合对象的不同,可分为污泥与煤的混合焚烧,污泥与可燃固体废弃物(如垃圾等)的混合焚烧以及其他形式的焚烧[11]。污泥燃料化焚烧中,污泥

衍生燃料可用于电站锅炉、工业锅炉、垃圾炉、水泥回转窑等多种炉型。2.2.1　非燃料化焚烧2.2.1.1　与煤混合焚烧污泥与煤混合燃烧,可以改善煤的着火性能,充分利用电厂现有的技术和设备,降低运行费用,还可用于发电,有效地实现了资源化利用。肖汉敏等[12]对污泥与煤和煤矸石共燃特性进行了研究,研究发现随着污泥掺量的增加,混合物的着火温度有所降低,当污泥掺烧量达70%时,污泥与煤混合燃料的着火点明显下降。这表明污泥的掺入可以改善煤的着火性能,对煤和污泥的混合燃烧奠定了理论基础。张宁生[13]对煤粉锅炉掺混污泥燃烧的可行性进行了分析,结果表明当燃煤中污泥的掺混比例小于6%时,对燃料燃烧的稳定性、锅炉参数以及锅炉受热面工作的安全性等不会产生不良影响,对锅炉效率的影响也不大。郭名女等[14]对城镇污水厂污泥与煤混烧发电进行技术经济分析后指出,污泥干化后与煤混烧发电具有工艺灵活、干化污泥可燃性好、运行成

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