入炉污泥含水率对污泥干化焚烧工艺影响研究

北极星环保网讯:摘要：以上海某污水处理厂为例，通过理论计算和工程设计分析，研究了入炉污泥含水率(质量分数)对污泥干化焚烧工艺的影响.结果表明，随着干化程度的提高，对干燥机处理能力的要求提高，对干燥机型式的选择余地缩小，对焚烧炉、余热锅炉等设备的要求也将提高，对设备材质、系统安装、运行管理的要求也将相应提高.随着污泥干化程度的降低，进料量和烟气量增大，导致焚烧和烟气处理设备体积庞大.由于污泥泥质特性随时间变化大，在污泥热值整体偏低的地区，采用60%入炉污泥含水率存在一定的风险.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，工程设计中不应简单照搬国内外类似工程，而应根据当地污泥泥质特性、热值、辅助热源等实际情况，合理选择入炉污泥含水率.

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.

1 主要工艺及参数概况

1.1 干化焚烧工艺流程概况

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.

1.2 污泥泥质分析

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Cd、Hd、Od、Nd、Sd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FCd、Vd、Ad、Md分别为干燥基下固定碳、挥发份、灰分和水分的质量分数.

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.

2 入炉污泥含水率比较及分析

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.

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.