與垃圾焚燒協(xié)同的污泥熱干化工藝選擇
【蘭州純水設(shè)備http://m.smarts-edu.cn】針對(duì)生活垃圾焚燒廠摻燒污泥的應(yīng)用實(shí)踐，概述了 3 種污泥前處理熱干化工藝———直接干化、間接干化和兩段式干化，分別介紹了每種工藝的流程并結(jié)合污泥干化時(shí)的關(guān)鍵問(wèn)題分析了每種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，得出了間接干化為最適用于摻燒的污泥預(yù)處理工藝的結(jié)論。同時(shí)，還指出對(duì)于生活垃圾摻燒而言，高效率的低溫污泥熱干化將是未來(lái)的發(fā)展方向。
污泥處置的可行方式為土壤改良、衛(wèi)生填埋和摻燒等。其中污泥與垃圾摻燒的方案由于初投資小、運(yùn)行成本低、環(huán)保性好等原因，越來(lái)越受到社會(huì)的認(rèn)可。對(duì)于此工藝來(lái)說(shuō)，為了不影響垃圾的穩(wěn)定焚燒，污泥在入爐前需進(jìn)行干化處理。
因此，筆者就干化污泥送入垃圾焚燒爐摻燒這一技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)直接式、間接式、兩段式等污泥熱干化工藝進(jìn)行介紹，分析總結(jié)了最適用于當(dāng)前情況的干化工藝及設(shè)備，并提出未來(lái)污泥熱干化工藝及設(shè)備的發(fā)展方向。
1 污泥干化簡(jiǎn)介
污泥熱干化是將污泥顆粒內(nèi)部或微生物細(xì)胞內(nèi)的水分受熱脫除的過(guò)程。污泥受熱后，①微生物細(xì)胞膜破裂，內(nèi)部水分釋放；②逐步受熱蒸發(fā)，污泥含水率降低，體積縮小 1/5~1/3；③臭味減少，病原體減少；④熱值提高，為后續(xù)污泥處理處置提供了有利條件。對(duì)于干化污泥摻燒垃圾的后處理工藝來(lái)說(shuō)，主要關(guān)注干化污泥的含水率，污泥含水率越高，會(huì)造成污泥的熱值越低，煙氣流量越大，鍋爐效率降低、煙氣處理成本增加等問(wèn)題，因而摻燒污泥含水率應(yīng)在經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)盡可能的低。摻燒時(shí)干化污泥的含水率一 般為10%~40%。
2 污泥干化工藝現(xiàn)狀
2.1 直接干化工藝
直接加熱又稱對(duì)流熱干燥技術(shù)，工藝流程見(jiàn)圖 1。在污泥干化的過(guò)程中，熱介質(zhì) （一般為煙氣） 與污泥直接接觸并低速流過(guò)污泥，向污泥層傳遞熱量，使污泥中的水分蒸發(fā)，并將蒸發(fā)的水分帶走。隨著污泥含水率的降低，污泥將產(chǎn)生一定的粉塵并飄入廢氣中。廢氣一般先經(jīng)過(guò)分離器，將部分干化的污泥分離，剩余的廢氣冷凝后送入焚燒廠二次風(fēng)，廢水送入廢水處理中心。
由于一直有源源不斷的高溫低含水率氣體進(jìn)入，直接加熱技術(shù)的蒸發(fā)效率都較高，特別是對(duì)于含水率 50%以下的污泥。由于熱介質(zhì)一般采用含氧量低的煙氣，該工藝可有效降低污泥粉塵爆炸的概率。同時(shí)，廢氣作為二次風(fēng)送入焚燒廠，污泥在干化過(guò)程中揮發(fā)到煙氣中的有機(jī)質(zhì)得到了利用，避免了干化對(duì)污泥熱值的損耗。但是，為了防止設(shè)備尾部的酸腐蝕，排煙溫度大于 120 ℃，廢氣體積一直很大，煙氣管道占地龐大。設(shè)備的運(yùn)行一直處在高溫的環(huán)境中，干化時(shí)臭氣散發(fā)較多，環(huán)境友好性較差。
2.2 間接干化工藝
間接加熱式又稱熱傳導(dǎo)干燥技術(shù)，工藝流程見(jiàn)圖 2。在干燥過(guò)程中，熱介質(zhì) （蒸汽、導(dǎo)熱油等）并不直接與污泥接觸，而是通過(guò)熱交換器將熱能傳遞給濕污泥，使污泥中的水分蒸發(fā)。在整個(gè)干化過(guò)程中，熱介質(zhì)與污泥分離，完成傳熱后冷凝回收，進(jìn)入焚燒廠給水系統(tǒng)；廢氣經(jīng)冷凝后產(chǎn)生的廢水送入廢水處理中心處理；其余廢氣可作為二次風(fēng)送入焚燒爐；完成干化的污泥焚燒或填埋。
間接式加熱的熱介質(zhì)傳熱后回用，干化系統(tǒng)整體熱能利用效率高，設(shè)備運(yùn)行成本小。設(shè)備運(yùn)行時(shí)通過(guò)改變蒸汽流量來(lái)應(yīng)對(duì)入口污泥含水率的變化，相比于直接干化通過(guò)調(diào)節(jié)煙氣流量與濕度的方式，調(diào)節(jié)更靈敏，可控性更強(qiáng)。與直接干化一樣，由于和垃圾焚燒廠進(jìn)行了深度協(xié)同，載氣作為二次風(fēng)送入焚燒爐，避免了干化帶來(lái)的污泥熱值的損耗。但是由于熱介質(zhì)蒸汽品位通常不高，水分不能很快脫離污泥，干化效率一般。
2.3 兩段式干化工藝
兩段法工藝，即間接加熱薄層干化和直接加熱帶式干化組合工藝，工藝流程見(jiàn)圖 3。第 1 段將污泥在薄層蒸發(fā)器內(nèi)干燥至含水率 55%左右，隨后經(jīng)擠壓成型設(shè)備 （成型機(jī)） 形成污泥顆粒。污泥顆粒在經(jīng)過(guò)第 2 級(jí)帶式干燥機(jī)干化處理后達(dá)到所需的最終含水率。從帶式干燥機(jī)出來(lái)的熱空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)抽吸循環(huán)利用。熱空氣首先通過(guò)熱交換器冷卻，通過(guò)封閉式冷卻水回路冷凝蒸汽。循環(huán)空氣隨后利用薄層蒸發(fā)器排放的熱空氣進(jìn)行再加熱，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)薄層蒸發(fā)器的熱空氣的冷卻。最終，循環(huán)空氣由利用蒸汽的第 3 個(gè)熱交換器再加熱后，返回帶式干燥機(jī)。
熱量回收系統(tǒng)將薄層蒸發(fā)器產(chǎn)生的蒸汽能量進(jìn)行回收，用于加熱帶式干燥機(jī)的空氣，以此降低整個(gè)系統(tǒng)的能耗。污泥干化系統(tǒng)不需要返混污泥顆粒進(jìn)行二次干化處理，不易產(chǎn)生粉塵，安全性高?？諝饫鋮s器和過(guò)冷凝器由封閉的冷卻水回路進(jìn)行冷凝，工藝設(shè)備和冷卻水分離，防止冷卻水受污染，可減少設(shè)備清洗的次數(shù)。但該工藝流程復(fù)雜，涉及設(shè)備較多，設(shè)備間配合要求高，運(yùn)行穩(wěn)定性較差，系統(tǒng)整體投資高。
3 污泥干化工藝比較
對(duì)于污泥和生活垃圾摻燒而言，污泥干化的能源由焚燒廠提供，干化的廢氣進(jìn)焚燒爐焚燒，干化污泥也進(jìn)焚燒爐處理。這種協(xié)同使得污泥干化過(guò)程中的能耗降低、干燥廢氣的處理成本降低、干化污泥的處理成本降低、污泥干燥系統(tǒng)總投資降低。因而在對(duì)污泥干化工藝進(jìn)行比較時(shí)主要關(guān)注能耗、環(huán)保性、投資成本等協(xié)同影響較大的方面。同時(shí)，還考察了污泥干化過(guò)程中系統(tǒng)及設(shè)備的穩(wěn)定性、安全性、適用性、響應(yīng)時(shí)間等基本性能。蘭州去離子水設(shè)備
污泥干化時(shí)的能耗主要為熱能和電能，熱能是污泥干化系統(tǒng)主要能耗，干化系統(tǒng)的熱能損耗主要來(lái)自于 2 部分，一部分為水分蒸發(fā)所需的熱能 （2 590 kJ/kg），一部分為系統(tǒng)設(shè)備散熱、排煙或排汽、排油損失、干化污泥自帶熱量等。由于采用了與生活垃圾焚燒協(xié)同的后處理工藝，傳熱后的熱介質(zhì)作為二次風(fēng)或給水返回焚燒廠，排煙、排汽等熱介質(zhì)未完全換熱的熱損失被焚燒廠利用，系統(tǒng)整體熱損耗小。因而在有垃圾焚燒廠協(xié)同的情況下，干化能耗小，故熱能的品位 （壓力、溫度等） 與熱能的輸送條件在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中影響更大。在協(xié)同的情況下，所需電能的性質(zhì)由外部購(gòu)入變?yōu)閳?chǎng)內(nèi)自用，電能的單價(jià)降低，但協(xié)同并不能使設(shè)備的耗電量降低。
環(huán)保性是指在污泥干化過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣、廢水以及臭氣得到了有效的控制。廢氣中含有污泥中揮發(fā)出的有機(jī)物需要經(jīng)二燃室高溫燃燒處理；冷凝的廢水 BOD、COD 均超標(biāo)，需要廢水處理；干化時(shí)亦有臭氣溢出，需要設(shè)置相關(guān)除臭工藝。
采用了焚燒爐摻燒的工藝后，廢氣作為二次風(fēng)送入爐膛焚燒，使其中的揮發(fā)性有機(jī)物分解；廢水送入廢水處理站；臭氣作為一次風(fēng)送入焚燒爐，使臭氣分解并保持干化車間負(fù)壓，防止臭氣散發(fā)。其中，干化過(guò)程產(chǎn)生的臭氣濃度與干化的溫度正相關(guān)，越高的干化溫度將會(huì)導(dǎo)致干化車間環(huán)境的惡化和臭氣處理成本的增加。
安全性主要是指污泥干化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的污泥粉塵，當(dāng)粉塵濃度過(guò)大時(shí)，干化設(shè)備會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。穩(wěn)定性是指系統(tǒng)能達(dá)標(biāo)連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)短，時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好。適用性是指干燥機(jī)對(duì)入口污泥含水率要求的寬廣度，對(duì)入口污泥含水率范圍要求越大，設(shè)備的適應(yīng)性越好。響應(yīng)時(shí)間是指設(shè)備收到指令到產(chǎn)生效果的時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間越短越好。
表 1 為 3 種污泥干化方式的比較結(jié)果。
兩段式工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，投資成本大。循環(huán)煙氣雖然能從一定程度上降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本，但在與焚燒廠協(xié)同的背景下，效果并不明顯。
直接干化在能源上利用焚燒廠的余熱鍋爐煙氣 （175 ℃），但是在這個(gè)溫度下，煙氣的體積會(huì)很龐大，輸送管道占地較大。并且，175 ℃的煙氣未經(jīng)凈化，煙氣中含氯、含塵較高，輸送條件不理想。在安全性上，焚燒廠的余熱鍋爐出口煙氣含氧量在 12%以下，可有效避免粉塵爆炸的情況；在環(huán)保性上，大量的煙氣帶來(lái)了尾氣處理的巨大壓力，并且煙氣的高溫也使得污泥在干燥時(shí)有更多的 VOCs 產(chǎn)生，廠區(qū)環(huán)境惡劣。
間接干化在能源上利用焚燒廠的余熱蒸汽，干化機(jī)入口蒸汽一般為 0.5 MPa 的飽和蒸汽，蒸汽熱容量大，清潔干凈，便于輸送；在安全性上，間接干化時(shí)污泥顆粒溫度在 105 ℃左右，可有效降低粉塵爆炸的風(fēng)險(xiǎn)；在環(huán)保性上，間接干化工藝采用了熱容量高的蒸汽作為熱介質(zhì)，運(yùn)行時(shí)溫度低，臭氣散發(fā)少，廠區(qū)環(huán)境友好。蘭州去離子水設(shè)備
綜上所述，兩段式工藝由于高昂的投資、不穩(wěn)定運(yùn)行情況，直接式由于煙氣的輸送問(wèn)題、環(huán)保問(wèn)題等，在工程上都不適用于污泥協(xié)同焚燒的干化。間接式干化由于蒸汽高熱容量帶來(lái)的便捷輸送條件，較低的干化溫度帶來(lái)的良好的工作環(huán)境和運(yùn)行時(shí)的安全性，是在綜合考慮能耗、環(huán)境、投資、運(yùn)行后 3 種干化方式中比較適合協(xié)同焚燒的干化工藝。
此外，在污泥干化的過(guò)程中，低溫污泥干化相比于高溫干化有很大優(yōu)勢(shì)。兩者需求能量在數(shù)值上雖然相同，但低溫干化需求的能源品質(zhì)更低，更易獲取，更易配合電廠完成能量的梯級(jí)利用，提高電廠的能量利用效率。低溫干化使污泥中的揮發(fā)分析出較少，場(chǎng)內(nèi) VOCs 濃度低，環(huán)保性好。
低溫干化設(shè)備出口污泥溫度低，出口污泥可自然冷卻，無(wú)需添加水冷系統(tǒng)，節(jié)省水資源。但是，低溫干化勢(shì)必會(huì)帶來(lái)干化速率低的問(wèn)題。因此，如何提高低溫污泥干化的效率將是未來(lái)適用于污泥和垃圾摻燒的污泥干化發(fā)展方向。
4 結(jié)論
1） 對(duì)于污泥與生活垃圾摻燒而言，間接干化工藝是目前最為可行的干化方式。 2） 對(duì)于污泥與生活垃圾摻燒而言，高效率的低溫污泥干化將是未來(lái)的發(fā)展方向。蘭州水處理設(shè)備， 工業(yè)純水設(shè)備，醫(yī)院用純水設(shè)備。
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