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市政污泥干化碳化成套工艺技术介绍及产业化案例分享

北极星水处理网  来源:中国给水排水    2021/3/8 9:40:29  我要投稿  

北极星水处理网讯:摘要:本文对污泥连续热力干化耦合绝氧热解工艺进行了详细介绍,并以青岛市即墨区300t/d污泥干化碳化处置工程为例进行了分析。污泥热力干化碳化技术具有减量化彻底、热量利用率高、排放环保、重金属固化、产物安全利用等优点,基于上述技术和环境友好优势,该工艺成为实现污泥处置的优选工艺之一。

城市污水处理过程中,污水经过一系列处理得以达标排放,而大量污染物被富集、浓缩而转移至污泥中。2015 年全国污泥年总产量接近4000 万吨(以含水率80%计)。按照预测,到2020 年污泥产量将突破年6000万吨。城镇污水处理厂污泥不仅含水量高、易腐烂、有强烈臭味,并且含有大量病原菌、寄生虫卵以及铬、铜等重金属和多环芳烃等难以降解的有毒有害及致癌物质。污泥未经处理随意堆放,经过雨水的侵蚀和渗漏作用,易对地下水、土壤等造成二次污染,直接危害人类身体健康[2-3]。

2020年7月国家发改委、住建部联合印发的城市生活污水处理设施补短板强弱项实施方案》明确提出到2023年,进一步提高城市污泥无害化处置率和资源化利用率[4]。

国内目前污泥处置的最终去向可分为卫生填埋、土地利用、厌氧消化、好氧堆肥、干化焚烧、炭化等。在上述技术中污泥碳化和焚烧能实现污泥的彻底减量化,而热解碳化跟焚烧相比,具有烟气排放量少、源头抑制二噁英生成、污泥炭用途安全多样等优点,采用热解碳化技术处置污泥越来越普遍[5-7]。

01 污泥绝氧热解碳化成套工艺

污泥绝氧热解碳化技术,就是将脱水后的污泥(含水率30%以下)进行间接绝氧加热,使污泥在500~650℃温度下进行热分解,固体产物冷却后成为污泥炭,热解产生的挥发性气体燃烧后提供碳化所需热量的技术。

污泥中的重金属在碳化过程中转化为残渣态,实现了稳定化,避免在自然界中释放析出,实现彻底安全处置。同时污泥中的抗生素在碳化过程完全分解,彻底无害化。

污泥炭产物可安全消纳使用,用途广泛。在碳化过程中,污泥中丰富的N、P、K 绝大部分留存在污泥炭中,因此污泥炭可作为园林绿化营养土、土壤改良剂;污泥炭化学和物理性质稳定,可作为建材原料使用;又由于其含有较发达的孔隙结构,可作为吸附材料直接或加工后使用;同时污泥炭含水率极低,热值约1500大卡,也可以作为燃料使用。

因此,在目前的污泥资源化利用技术中,污泥热解碳化技术是国际上最先进的环保热点技术之一。

02 工艺流程

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1、污泥浓缩:污水处理厂含水率97%的脱水污泥通过泵输送至调质池中,添加药剂后,经叠罗浓缩机浓缩到含水率95%的泥浆。

2、污泥调质:调配好的污泥通过泵送至污泥调理罐,加入药剂后进行搅拌调理,使污泥的细胞壁破坏,便于后续挤压脱水。

3、板框脱水:调理后的污泥送入板框机进行固液分离,污泥含水率降至60%左右。

4、热力干化:板框脱水后的60%的泥饼送入污泥干燥机,在干燥机内与碳化炉排出的余热烟气接触,加热蒸发水分,将含水率60%左右的污泥干燥至含水率20%以下。

在此环节,也可利用蒸汽余热锅炉,吸收碳化炉排出的热烟气产生蒸汽,送入污泥蒸汽干化机,与污泥间接接触蒸发脱水。

5、热解炭化:含水率20%左右的污泥,输送进入连续式绝氧热解碳化炉,与热烟气间接加热发生热解碳化反应,产生污泥炭排出经冷却后,送至炭渣储存仓。碳化产生的热解气进入热解气燃烧系统燃烧。

6、热解气燃烧:由碳化炉产生的热解气,进入热解气燃烧装置,产生800~900℃的烟气,返回碳化炉,为热解碳化提供热量。污泥热值较低时导致热解气热量不足时,由天然气补充提供。

7、热量的梯级利用:为了充分回收热量,热解炭化炉产生的热解气燃烧后,产生900℃左右的热烟气,热烟气首先进入热解炉,提供热解所需热量,从热解炉出来的烟气温度为600℃左右,为脱水泥饼的热力干燥提供热量,干燥后烟气温度降至120℃后进入烟气处理系统。

8、烟气处理系统:热解气和天然气燃烧过程中,会产生氮氧化物和二氧化硫等污染物。烟气通过脱硝、脱硫、除尘等工艺处理后达标排放。

03 工艺优势

1、占地小

采用热化学处理技术,与其它非热化学处理技术如堆肥等相比,具有处理速度快、处理周期短,设备处理量大,占地面积小等优势。

2、减量化显著

减量化彻底,一次性减少污泥体积和总量90%以上。

3、无害化彻底

热解炭化处理后可实现100%杀灭各种有害病原菌,并彻底消解抗生素。

4、能耗低

污泥中的热值通过梯级利用的方式,得到最大程度的利用,大大降低了能耗成本。

5、清洁燃烧

燃烧的为热解过程产生的合成气体,为清洁燃烧。

6、重金属固化不再释放

热解炭化过程使污泥中重金属存在形态变得更加稳定、不会在后续利用中再释放、无害且有广泛的用途。

7、不受季节影响

该系统采用机械脱水和热力干燥,在冬季低温下和夏季高温下均能稳定运行,不受季节和气温的影响。

8、产物可安全利用

污泥热解炭化的产物为污泥生物炭,含水率极低,性质稳定,送至热电厂作为辅助燃料或作为园林改良土使用,符合循环经济的发展思路。

04 典型案例分析

1、项目简介

山东省青岛市即墨300t/d市政污泥热解炭化项目,位于青岛市即墨区即墨污水处理厂院内,设计日处理污泥300吨/天,消纳处理即发污水处理厂内产生的污泥。

项目采用污泥调理+板框脱水+热力干化+热解炭化+尾气处理的工艺路线,建设有4套板框脱水系统,2条污泥干化碳化生产线。运行数据显示,污泥减量化程度达到90%以上,处理后的污泥炭渣作为建材原料在当地消纳使用。

该项目已于2019年建成投产,稳定运行,解决了即墨区污泥出路问题,可为国内污泥热解碳化处置项目提供参考。

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2、项目安全性设计

1)干化单元安全性设计

本项目污泥干化热烟气直接换热干化的方式。进入污泥脱水后含水率60%左右,含湿量大。污泥进入干燥机,在干燥机内高速旋转的破碎装置作用下,与污泥与烟气进行快速降温蒸发过程,在干燥过程中,污泥温度低于100℃,烟气含氧量低,安全可靠。

2)热解碳化单元安全性设计

干燥后的污泥(含水率20%以下)进入碳化炉后,被烟气炉产生的烟气间接加热,热烟气不与污泥直接接触,污泥处于绝氧状态,整个系统处于微负压状态,通过氮气密封系统实现和外部氧气的隔绝,将污泥转化为污泥炭,实现安全运行。

具体安全设计如下:

①热烟气与污泥间接接触,不直接接触,确保安全。

②污泥碳化采用多重组合密封,包括启动、停机和运行过程中的充氮保护,确保污泥热解过程处于绝氧环境,确保运行安全性。

③污泥碳化炉内为微负压,同时又有多重密封保护,避免了热解气外溢和空气进入,确保了安全性。

3)热解气燃烧单元安全性设计

①热解气燃烧炉采用负压设计,避免烟气外溢,实现安全和环保。

②天然气作为热解气稳燃火炬,持续为热解气的燃烧提供点火能量,保证热解气及时着火燃尽;

③热解气燃烧炉内采用蓄热结构,高温蓄热材料在燃烧过程中保持在800~1000℃,当热解气热值和成分波动时,蓄热结构能保证热解气稳定着火燃烧;热风炉设置燃烧摄像头和等离子火焰监测,准确监控燃烧状况。

上述设计确保了污泥在干化及热解碳化过程的安全性,实现安全稳定运行。

3、污泥重金属固化效果分析

污泥炭产物的安全性是本技术的优势,对于本项目产生的污泥生物炭样品,按照《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别GB 5085.3-2007》进行重金属浸出毒性测试,测试结果如表2所示。

从表2的测试结果来看,所有的重金属经过热解碳化处理后,其重金属的生物毒性降低到很低的水准,远远优于标准限值的要求。

这意味着污泥生物炭产品在进入自然界中,其中的重金属不再会对生物链造成危害,是可以安全利用的。

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05 总结

1、污泥调理脱水、热力强化干化、连续绝氧热解碳化技术的集成应用,具有能量利用效率高、减量化彻底、排放环保、污泥炭安全利用等优点,成为污泥处置领域的优选技术。

2、污泥连续绝氧热解碳化技术,采用中温热解工艺,将污泥在绝氧条件下间接加热,产生的热解气高温条件下低氮燃烧,符合850℃燃烧2s以上的条件,实现清洁燃气的燃烧,从源头上抑制了二噁英的产生,环保排放优良。

3、采用热力干化耦合绝氧连续热解碳化技术,凭借环保方面的巨大优势,不易产生邻避效应,选址落地更加容易,是市政污泥处理处置的发展趋势和方向。


原标题:市政污泥干化碳化成套工艺技术介绍及产业化案例分享

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