与垃圾焚烧协同的污泥热干化工艺选择

【摘要】 针对生活垃圾焚烧厂掺烧污泥的应用实践，概述了 3 种污泥前处理热干化工艺———直接干化、间接干化和两段式干化，分别介绍了每种工艺的流程并结合污泥干化时的关键问题分析了每种工艺的优缺点，得出了间接干化为最适用于掺烧的污泥预处理工艺的结论。同时，还指出对于生活垃圾掺烧而言，高效率的低温污泥热干化将是未来的发展方向。

污泥处置的可行方式为土壤改良、卫生填埋和掺烧等。其中污泥与垃圾掺烧的方案由于初投资小、运行成本低、环保性好等原因，越来越受到社会的认可。对于此工艺来说，为了不影响垃圾的稳定焚烧，污泥在入炉前需进行干化处理。

因此，笔者就干化污泥送入垃圾焚烧炉掺烧这一技术应用场景，对直接式、间接式、两段式等污泥热干化工艺进行介绍，分析总结了最适用于当前情况的干化工艺及设备，并提出未来污泥热干化工艺及设备的发展方向。 

1 污泥干化简介

污泥热干化是将污泥颗粒内部或微生物细胞内的水分受热脱除的过程。污泥受热后，①微生物细胞膜破裂，内部水分释放；②逐步受热蒸发，污泥含水率降低，体积缩小 1/5~1/3；③臭味减少，病原体减少；④热值提高，为后续污泥处理处置提供了有利条件。对于干化污泥掺烧垃圾的后处理工艺来说，主要关注干化污泥的含水率，污泥含水率越高，会造成污泥的热值越低，烟气流量越大，锅炉效率降低、烟气处理成本增加等问题，因而掺烧污泥含水率应在经济范围内尽可能的低。掺烧时干化污泥的含水率一 般为10%~40%。

 2 污泥干化工艺现状

2.1 直接干化工艺

直接加热又称对流热干燥技术，工艺流程见图 1。在污泥干化的过程中，热介质 （一般为烟气） 与污泥直接接触并低速流过污泥，向污泥层传递热量，使污泥中的水分蒸发，并将蒸发的水分带走。随着污泥含水率的降低，污泥将产生一定的粉尘并飘入废气中。废气一般先经过分离器，将部分干化的污泥分离，剩余的废气冷凝后送入焚烧厂二次风，废水送入废水处理中心。

由于一直有源源不断的高温低含水率气体进入，直接加热技术的蒸发效率都较高，特别是对于含水率 50%以下的污泥。由于热介质一般采用含氧量低的烟气，该工艺可有效降低污泥粉尘爆炸的概率。同时，废气作为二次风送入焚烧厂，污泥在干化过程中挥发到烟气中的有机质得到了利用，避免了干化对污泥热值的损耗。但是，为了防止设备尾部的酸腐蚀，排烟温度大于 120 ℃，废气体积一直很大，烟气管道占地庞大。设备的运行一直处在高温的环境中，干化时臭气散发较多，环境友好性较差。

2.2 间接干化工艺

间接加热式又称热传导干燥技术，工艺流程见图 2。在干燥过程中，热介质 （蒸汽、导热油等）并不直接与污泥接触，而是通过热交换器将热能传递给湿污泥，使污泥中的水分蒸发。在整个干化过程中，热介质与污泥分离，完成传热后冷凝回收，进入焚烧厂给水系统；废气经冷凝后产生的废水送入废水处理中心处理；其余废气可作为二次风送入焚烧炉；完成干化的污泥焚烧或填埋。

间接式加热的热介质传热后回用，干化系统整体热能利用效率高，设备运行成本小。设备运行时通过改变蒸汽流量来应对入口污泥含水率的变化，相比于直接干化通过调节烟气流量与湿度的方式，调节更灵敏，可控性更强。与直接干化一样，由于和垃圾焚烧厂进行了深度协同，载气作为二次风送入焚烧炉，避免了干化带来的污泥热值的损耗。但是由于热介质蒸汽品位通常不高，水分不能很快脱离污泥，干化效率一般。

2.3 两段式干化工艺

两段法工艺，即间接加热薄层干化和直接加热带式干化组合工艺，工艺流程见图 3。第 1 段将污泥在薄层蒸发器内干燥至含水率 55%左右，随后经挤压成型设备 （成型机） 形成污泥颗粒。污泥颗粒在经过第 2 级带式干燥机干化处理后达到所需的最终含水率。从带式干燥机出来的热空气通过风机抽吸循环利用。热空气首先通过热交换器冷却，通过封闭式冷却水回路冷凝蒸汽。循环空气随后利用薄层蒸发器排放的热空气进行再加热，同时实现对薄层蒸发器的热空气的冷却。最终，循环空气由利用蒸汽的第 3 个热交换器再加热后，返回带式干燥机。

热量回收系统将薄层蒸发器产生的蒸汽能量进行回收，用于加热带式干燥机的空气，以此降低整个系统的能耗。污泥干化系统不需要返混污泥颗粒进行二次干化处理，不易产生粉尘，安全性高。空气冷却器和过冷凝器由封闭的冷却水回路进行冷凝，工艺设备和冷却水分离，防止冷却水受污染，可减少设备清洗的次数。但该工艺流程复杂，涉及设备较多，设备间配合要求高，运行稳定性较差，系统整体投资高。 

3 污泥干化工艺比较

对于污泥和生活垃圾掺烧而言，污泥干化的能源由焚烧厂提供，干化的废气进焚烧炉焚烧，干化污泥也进焚烧炉处理。这种协同使得污泥干化过程中的能耗降低、干燥废气的处理成本降低、干化污泥的处理成本降低、污泥干燥系统总投资降低。因而在对污泥干化工艺进行比较时主要关注能耗、环保性、投资成本等协同影响较大的方面。同时，还考察了污泥干化过程中系统及设备的稳定性、安全性、适用性、响应时间等基本性能。

污泥干化时的能耗主要为热能和电能，热能是污泥干化系统主要能耗，干化系统的热能损耗主要来自于 2 部分，一部分为水分蒸发所需的热能 （2 590 kJ/kg），一部分为系统设备散热、排烟或排汽、排油损失、干化污泥自带热量等。由于采用了与生活垃圾焚烧协同的后处理工艺，传热后的热介质作为二次风或给水返回焚烧厂，排烟、排汽等热介质未完全换热的热损失被焚烧厂利用，系统整体热损耗小。因而在有垃圾焚烧厂协同的情况下，干化能耗小，故热能的品位 （压力、温度等） 与热能的输送条件在实际的应用过程中影响更大。在协同的情况下，所需电能的性质由外部购入变为场内自用，电能的单价降低，但协同并不能使设备的耗电量降低。

环保性是指在污泥干化过程中产生的废气、废水以及臭气得到了有效的控制。废气中含有污泥中挥发出的有机物需要经二燃室高温燃烧处理；冷凝的废水 BOD、COD 均超标，需要废水处理；干化时亦有臭气溢出，需要设置相关除臭工艺。

采用了焚烧炉掺烧的工艺后，废气作为二次风送入炉膛焚烧，使其中的挥发性有机物分解；废水送入废水处理站；臭气作为一次风送入焚烧炉，使臭气分解并保持干化车间负压，防止臭气散发。其中，干化过程产生的臭气浓度与干化的温度正相关，越高的干化温度将会导致干化车间环境的恶化和臭气处理成本的增加。

安全性主要是指污泥干化过程中会产生大量的污泥粉尘，当粉尘浓度过大时，干化设备会有爆炸的危险。稳定性是指系统能达标连续运行的时间长短，时间越长，系统稳定性越好。适用性是指干燥机对入口污泥含水率要求的宽广度，对入口污泥含水率范围要求越大，设备的适应性越好。响应时间是指设备收到指令到产生效果的时间，响应时间越短越好。 

表 1 为 3 种污泥干化方式的比较结果。

两段式工艺结构复杂，系统稳定性差，投资成本大。循环烟气虽然能从一定程度上降低系统的运行成本，但在与焚烧厂协同的背景下，效果并不明显。

直接干化在能源上利用焚烧厂的余热锅炉烟气 （175 ℃），但是在这个温度下，烟气的体积会很庞大，输送管道占地较大。并且，175 ℃的烟气未经净化，烟气中含氯、含尘较高，输送条件不理想。在安全性上，焚烧厂的余热锅炉出口烟气含氧量在 12%以下，可有效避免粉尘爆炸的情况；在环保性上，大量的烟气带来了尾气处理的巨大压力，并且烟气的高温也使得污泥在干燥时有更多的 VOCs 产生，厂区环境恶劣。

间接干化在能源上利用焚烧厂的余热蒸汽，干化机入口蒸汽一般为 0.5 MPa 的饱和蒸汽，蒸汽热容量大，清洁干净，便于输送；在安全性上，间接干化时污泥颗粒温度在 105 ℃左右，可有效降低粉尘爆炸的风险；在环保性上，间接干化工艺采用了热容量高的蒸汽作为热介质，运行时温度低，臭气散发少，厂区环境友好。

综上所述，两段式工艺由于高昂的投资、不稳定运行情况，直接式由于烟气的输送问题、环保问题等，在工程上都不适用于污泥协同焚烧的干化。间接式干化由于蒸汽高热容量带来的便捷输送条件，较低的干化温度带来的良好的工作环境和运行时的安全性，是在综合考虑能耗、环境、投资、运行后 3 种干化方式中比较适合协同焚烧的干化工艺。

此外，在污泥干化的过程中，低温污泥干化相比于高温干化有很大优势。两者需求能量在数值上虽然相同，但低温干化需求的能源品质更低，更易获取，更易配合电厂完成能量的梯级利用，提高电厂的能量利用效率。低温干化使污泥中的挥发分析出较少，场内 VOCs 浓度低，环保性好。

低温干化设备出口污泥温度低，出口污泥可自然冷却，无需添加水冷系统，节省水资源。但是，低温干化势必会带来干化速率低的问题。因此，如何提高低温污泥干化的效率将是未来适用于污泥和垃圾掺烧的污泥干化发展方向。 

4 结论

1） 对于污泥与生活垃圾掺烧而言，间接干化工艺是目前最为可行的干化方式。 2） 对于污泥与生活垃圾掺烧而言，高效率的低温污泥干化将是未来的发展方向。