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卧式薄层干化两段法工艺在污泥掺烧发电领域的应用现状和实例分析

北极星水处理网  来源:中国给水排水    2021/2/24 11:00:57  我要投稿  

北极星水处理网讯:摘要:本文对卧式薄层污泥干化两段法工艺进行了详细介绍,并以上海市竹园片区污泥处理处置扩建工程为例进行了分析。卧式薄层干化机单机处理能力大,安全性高,密封性好,废气量少,车间环境友好,基于卧式薄层干化两段法工艺在安全性、灵活性、经济性等方面的诸多优势,该工艺越来越多的应用于污泥掺烧发电领域,可做为国内电厂污泥处理处置项目的优选工艺之一。

随着城市的快速发展,污水量不断增加,污水处理厂提标改造进度持续加快,导致污泥产量大大增加,截止到2016 年底我国污水处理量达到1.5亿 m³/d,污泥总量近 3000 万吨,预计到2020 年以含水率80%计我国的污泥产量将突破 6000 万吨。

在城市污水的收集及处理过程中产生的污泥,可能含有重金属物质、病原体、病毒、微生物和大量的毒性有机物,如不加以妥善处理和处置,将给排放区周围环境造成严重的二次污染,威胁人类健康。污泥处理处置的问题已成为当前形势下的突出环境问题。

我国目前主要的污泥处理方式包括浓缩、调理、脱水、干化等,以浓缩、调理和脱水为主,干化率尚处于较低水平。污泥处置是指污泥经处理后的最终去向,我国目前主要的污泥处置方式有卫生填埋、土地利用、焚烧后建材利用等,其中卫生填埋是最常用的方式。一方面由于有关标准越来越严格,另一方面受制于有限的可利用土地资源,干化加焚烧的处理处置方式越来越普遍。

01 卧式薄层污泥干化两段法工艺

污泥干化是利用燃烧化石燃料所产生的热能或工业余热、废热,通过专门的工艺和设备,使污泥中水份快速蒸发的一种工艺[7]。污泥干化对污泥中的水分进行去除,从而达到干燥污泥、缩小污泥体积、提高污泥热值的目的,同步实现污泥的减量化和稳定化。

卧式薄层污泥干化两段法工艺是目前我国大型污泥干化项目的主流工艺之一,它是利用饱和蒸汽或导热油作为热媒的间接加热干化工艺。

1.1 核心设备

卧式薄层污泥干化两段法工艺的核心设备是卧式薄层干化机,由德国Buss-SMS-Canzler公司生产。Buss-SMS-Canzler公司成立于1919年,相关产品涉及石油化工、医药、食品及环境能源等领域,总部位于德国布茨巴赫,并在瑞士巴塞尔拥有完善的产品研发中心和试验基地,是难处理混合物料热分离解决方案及薄层蒸发技术的世界领先者,也是专业开发和生产用于干燥高粘性物料处理设备的全球领导企业。

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图1为卧式薄层干化机结构简图,卧式薄层干化机主要由外壳、转子和叶片、驱动装置三部分组成。外壳为压力容器,其壳体夹套内可注入饱和蒸汽或导热油作为污泥干化工艺的热媒,材质为欧标的耐高温锅炉钢,内壁作为与污泥接触的传热部分,提供主要的换热面积和污泥薄层的载体,其材质有多种材料可选,其中Naxtra700高强度结构钢覆层广泛适用于市政行业,防腐蚀性和耐磨性优于其他材料;转子为一根整体的空心轴,其特殊的加工工艺可以确保转子在受热和高速转动的同时不产生挠度,始终使叶片外沿与内壁的距离保持5-10mm,在转子的转动及叶片的涂布下,进入干化机的污泥会均匀的在内壁上形成一个动态的薄层,污泥薄层不断的被更新,在向出料口推进的过程中持续被干化。

1.2 工艺流程

离心脱水后含水率80%-85%的湿污泥通过车载运输或管道输送至湿污泥料仓,料仓内部设有滑架以防止污泥架桥,底部设有卸料螺旋和湿污泥输送泵。

湿污泥输送泵将污泥输送至薄层干化机入口,进入薄层干化机的污泥被转子上的叶片涂布于热壁表面,叶片在对热壁表面的污泥反复翻混的同时,还将其向前推送到出泥口。在此过程中,污泥中水分被加热蒸发为水蒸汽,水蒸汽在干化机内部与污泥逆向运动,由污泥进料口上方的乏汽箱进入尾气冷凝系统。

薄层干化机内产生的蒸发尾气通过乏汽箱进入冷凝系统后,首先进入冷凝器,在冷凝器中,废蒸汽通过水洗,水分从蒸发尾气中被冷凝下来。少量不凝气体(空气和污泥中挥发物)经过除雾器进行液滴分离后,由废气风机排出干化系统,进入除臭系统或进入焚烧系统处理。自干化系统排出的废气量极少,仅为系统蒸发水量的5%-10%,废气风机使整个干化系统处于负压状态,避免臭气及粉尘的外溢。

自薄层干化机产出的含水率30%-40%的干污泥进入到后续线性干化机中进一步干化,含水率最低可干化至5%。当对干污泥进行暂存时,设置污泥冷却器,线性干化机干化后的污泥先经过冷却,将污泥温度降低到50℃以下以提高安全性,防止污泥焖燃或自燃,随后依次通过卸料阀和刮板输送机送至干污泥料仓储存。当后续接焚烧系统时,干化系统可通过输送设备直接与焚烧系统串联。

卧式薄层干化两段法工艺可通过污泥中的蒸发水实现系统内自惰性化的要求,在开机及紧急情况下采用低压蒸汽、新鲜水或氮气作为干化系统的惰性化介质。在乏汽箱出口设有氧含量分析仪,通过对干化系统内氧含量的控制,实现污泥干化系统安全稳定运行。

1.3 工艺优势

1)安全:系统密闭性好,始终维持-0.5到-1kPa的微负压,无臭气和粉尘外溢;系统可自惰性化并设置多种惰性化手段,市政项目中氧含量控制在5%以下;干化机出口干污泥温度可以达到100℃,完全起到杀菌作用,符合美国环保署污泥处置规范EPA503标准;应用历史上无任何安全事故。

2)稳定:在污泥与煤协同焚烧的项目中,当进入电厂锅炉的污泥含水率较大时,易对锅炉设备产生负面影响,可能导致严重的设备损坏,一是对炉膛内墙冲刷加剧,磨损严重,二是易导致输送系统堵塞,造成停炉停机事件。薄层污泥干化两段法工艺出泥含水率低,并可通过调节干化机内蒸汽压力实现出泥含水率20%-33%之间快速调节,与其它工艺相比优势明显,对维持电厂设备和电网运行稳定起到积极作用。

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3)简单:污泥产品的均匀性和颗粒化可增强电厂锅炉运行的稳定性,其它工艺均需增加破碎或造粒设备,而薄层干化机可自造粒(图2),产品为均匀颗粒化污泥(图3),无需额外增加造粒设备;附属设备数量少,占地空间小,操作控制简单;无载气循环,无污泥返混;按照《压力容器检修规程》各类干化机需进行周期性内壁检测,薄层干化机检修无需其它吊装设备,检修方便且高效。

4)灵活:适用领域广泛,适合多种类型污泥,可接受进泥含水率65%-90%的湿污泥;两段法工艺可生产任意含固率均一的产品;启停和排空时间短,再次启动无需清掏作业。

5)经济:蒸发效率高,在污泥协同焚烧的项目中,可直接以电厂蒸汽作为热媒,薄层干化机每平米每小时蒸发水量可达45kg以上,与以蒸汽产热水作为热媒的工艺相比,蒸发效率高出5倍以上;市政项目上可与其他系统结合(如消化系统),能实现80%以上的高效率热能回收;维护成本低,每年仅需1次5-10天的年检;臭气量极小,处理费用低;全自动化控制,低监控需求。

02 卧式薄层污泥干化工艺在市政领域的应用现状

截止到2020年12月,卧式薄层干化工艺在国内共有34个业绩,共78台卧式薄层干化机,其中市政项目共有20个共62台干化机,表1展示了近几年卧式薄层干化工艺(一段法和二段法)在市政项目中的典型业绩。

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03 卧式薄层污泥干化两段法工艺在污泥掺烧发电领域的实例分析

上海竹园片区污泥处理处置扩建工程服务对象为竹园第一、第二污水处理厂提标改造至一级A出水标准及新建升级补量工程建成后220万m³/d 污水处理产生的脱水污泥。工程建设规模223tDS/d,折合含水率80%的污泥量1115t/d,设施配置考虑一期工程焚烧线检修工况,工程高峰处理规模为288.5tDS/d,折合含水率80%的污泥量1442.5t/d。

污泥处理工艺路线采用薄层干化两段法+电厂掺烧工艺,含水率80%的脱水污泥由自卸式卡车运输至污泥处理厂,经污泥接收、储存系统后,由湿污泥泵送至薄层污泥干化系统,然后经干化系统处理后,平均含水率降低至30%(可调节范围20%~30%),产生的干污泥由密闭式卡车运输至上海外高桥第二电厂或第三电厂与煤协同焚烧,表2为该工程污泥干化系统主要参数表。

图4为竹园片区污泥处理处置扩建工程污泥干化系统图,污泥车经过地磅称量后,将湿污泥倾倒至地下接收料仓,然后通过柱塞泵系统输送至湿污泥储存仓,随后湿污泥通过卸料螺旋和螺杆泵被输送至薄层干化机,螺杆泵为变频设备,可灵活控制进入薄层干化机的污泥量。

湿污泥进入薄层干化机进行第一段干化,干化后的污泥通过溜槽落入线性干化机中,干污泥在线性干化机中进一步干化,出泥含水率可在20%-33%范围内通过调节干化机内蒸汽压力快速完成。经二段干化后的污泥进入冷却螺旋中进行冷却,随后通过卸料阀和刮板输送至干污泥料仓进行暂存。

自干化机产生的蒸发尾气与污泥逆向运动,自干化机上方的乏汽箱进入后续尾气冷凝系统,蒸发尾气在冷凝器内被喷淋冷凝下来,不凝气体进入到后续除雾器中,在除雾器中进行液滴分离后,最终尾气通过风机排出干化系统,进入臭气处理系统进行处理。

卧式薄层干化系统所用到的公用工程条件主要有饱和蒸汽、中水、仪表风、循环冷却水、新鲜水。干化系统所用蒸汽来自电厂,经分气缸分配至10条生产线。干化系统配套有空压系统为系统供应仪表空气,凝液回收系统用于回收干化机蒸汽凝液,循环冷却水系统为系统提供循环冷却水。

干化系统产生的废水主要是使用中水喷淋洗涤蒸发尾气后的喷淋水,这部分污水将返回污水处理场进行处理。废气进入臭气处理系统集中处理。干化后的污泥送至外高桥电厂与煤协同焚烧。

竹园片区污泥处理处置扩建工程污泥干化系统于2020年8月顺利通过性能考核,项目年运行时间可达8000h,年污泥处理量可达40万吨以上,工程的建成投运将根本解决竹园片区污泥的出路问题,助力上海市经济实现可持续发展,可为国内与电厂协同焚烧的污泥处理处置项目提供参考。

04 总结

1)卧式薄层干化系统密闭性好,能实现严格的氧含量控制,安全性极高,在30多年应用历史上从未发生过任何安全事故,是当今污泥干化领域最安全的干化工艺之一。

2)在污泥掺烧发电项目中,干污泥形态及含水率的控制非常关键,将影响到干化系统后续的焚烧系统的运行,卧式薄层干化两段法工艺一方面可以生成粒径均匀且无粉尘的颗粒化产品,另一方面能通过改变蒸汽压力和二段线性干化机的转速快速实现含水率的调节,卧式薄层干化两段法工艺对干污泥形态及含水率的良好控制能保证整个系统运行稳定。

3) 卧式薄层干化两段法污泥干化协同处置是市政污泥处理处置的发展潮流,在安全性、稳定性、可靠性、先进性等方面均具有明显优势,将卧式薄层干化两段法工艺应用在协同处置污泥方面是当今市政污泥处理处置科学合理的选择。



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