與垃圾焚燒協(xié)同的污泥熱干化工藝選擇
【蘭州純水設備http://www.firstclub.org.cn】針對生活垃圾焚燒廠摻燒污泥的應用實踐，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合污泥干化時的關鍵問題分析了每種工藝的優(yōu)缺點，得出了間接干化為最適用于摻燒的污泥預處理工藝的結論。同時，還指出對于生活垃圾摻燒而言，高效率的低溫污泥熱干化將是未來的發(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、運行成本低、環(huán)保性好等原因，越來越受到社會的認可。對于此工藝來說，為了不影響垃圾的穩(wěn)定焚燒，污泥在入爐前需進行干化處理。
因此，筆者就干化污泥送入垃圾焚燒爐摻燒這一技術應用場景，對直接式、間接式、兩段式等污泥熱干化工藝進行介紹，分析總結了最適用于當前情況的干化工藝及設備，并提出未來污泥熱干化工藝及設備的發(fā)展方向。
1 污泥干化簡介
污泥熱干化是將污泥顆粒內部或微生物細胞內的水分受熱脫除的過程。污泥受熱后，①微生物細胞膜破裂，內部水分釋放；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。對于干化污泥摻燒垃圾的后處理工藝來說，主要關注干化污泥的含水率，污泥含水率越高，會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題，因而摻燒污泥含水率應在經濟范圍內盡可能的低。摻燒時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
直接加熱又稱對流熱干燥技術，工藝流程見圖 1。在污泥干化的過程中，熱介質 （一般為煙氣） 與污泥直接接觸并低速流過污泥，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，污泥將產生一定的粉塵并飄入廢氣中。廢氣一般先經過分離器，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，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入，直接加熱技術的蒸發(fā)效率都較高，特別是對于含水率 50%以下的污泥。由于熱介質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，廢氣作為二次風送入焚燒廠，污泥在干化過程中揮發(fā)到煙氣中的有機質得到了利用，避免了干化對污泥熱值的損耗。但是，為了防止設備尾部的酸腐蝕，排煙溫度大于 120 ℃，廢氣體積一直很大，煙氣管道占地龐大。設備的運行一直處在高溫的環(huán)境中，干化時臭氣散發(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干燥技術，工藝流程見圖 2。在干燥過程中，熱介質 （蒸汽、導熱油等）并不直接與污泥接觸，而是通過熱交換器將熱能傳遞給濕污泥，使污泥中的水分蒸發(fā)。在整個干化過程中，熱介質與污泥分離，完成傳熱后冷凝回收，進入焚燒廠給水系統(tǒng)；廢氣經冷凝后產生的廢水送入廢水處理中心處理；其余廢氣可作為二次風送入焚燒爐；完成干化的污泥焚燒或填埋。
間接式加熱的熱介質傳熱后回用，干化系統(tǒng)整體熱能利用效率高，設備運行成本小。設備運行時通過改變蒸汽流量來應對入口污泥含水率的變化，相比于直接干化通過調節(jié)煙氣流量與濕度的方式，調節(jié)更靈敏，可控性更強。與直接干化一樣，由于和垃圾焚燒廠進行了深度協(xié)同，載氣作為二次風送入焚燒爐，避免了干化帶來的污泥熱值的損耗。但是由于熱介質蒸汽品位通常不高，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，工藝流程見圖 3。第 1 段將污泥在薄層蒸發(fā)器內干燥至含水率 55%左右，隨后經擠壓成型設備 （成型機） 形成污泥顆粒。污泥顆粒在經過第 2 級帶式干燥機干化處理后達到所需的最終含水率。從帶式干燥機出來的熱空氣通過風機抽吸循環(huán)利用。熱空氣首先通過熱交換器冷卻，通過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)器排放的熱空氣進行再加熱，同時實現(xiàn)對薄層蒸發(fā)器的熱空氣的冷卻。最終，循環(huán)空氣由利用蒸汽的第 3 個熱交換器再加熱后，返回帶式干燥機。
熱量回收系統(tǒng)將薄層蒸發(fā)器產生的蒸汽能量進行回收，用于加熱帶式干燥機的空氣，以此降低整個系統(tǒng)的能耗。污泥干化系統(tǒng)不需要返混污泥顆粒進行二次干化處理，不易產生粉塵，安全性高。空氣冷卻器和過冷凝器由封閉的冷卻水回路進行冷凝，工藝設備和冷卻水分離，防止冷卻水受污染，可減少設備清洗的次數(shù)。但該工藝流程復雜，涉及設備較多，設備間配合要求高，運行穩(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，干化的廢氣進焚燒爐焚燒，干化污泥也進焚燒爐處理。這種協(xié)同使得污泥干化過程中的能耗降低、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。因而在對污泥干化工藝進行比較時主要關注能耗、環(huán)保性、投資成本等協(xié)同影響較大的方面。同時，還考察了污泥干化過程中系統(tǒng)及設備的穩(wěn)定性、安全性、適用性、響應時間等基本性能。蘭州去離子水設備
污泥干化時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，傳熱后的熱介質作為二次風或給水返回焚燒廠，排煙、排汽等熱介質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際的應用過程中影響更大。在協(xié)同的情況下，所需電能的性質由外部購入變?yōu)閳鰞茸杂?，電能的單價降低，但協(xié)同并不能使設備的耗電量降低。
環(huán)保性是指在污泥干化過程中產生的廢氣、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)出的有機物需要經二燃室高溫燃燒處理；冷凝的廢水 BOD、COD 均超標，需要廢水處理；干化時亦有臭氣溢出，需要設置相關除臭工藝。
采用了焚燒爐摻燒的工藝后，廢氣作為二次風送入爐膛焚燒，使其中的揮發(fā)性有機物分解；廢水送入廢水處理站；臭氣作為一次風送入焚燒爐，使臭氣分解并保持干化車間負壓，防止臭氣散發(fā)。其中，干化過程產生的臭氣濃度與干化的溫度正相關，越高的干化溫度將會導致干化車間環(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程中會產生大量的污泥粉塵，當粉塵濃度過大時，干化設備會有爆炸的危險。穩(wěn)定性是指系統(tǒng)能達標連續(xù)運行的時間長短，時間越長，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好。適用性是指干燥機對入口污泥含水率要求的寬廣度，對入口污泥含水率范圍要求越大，設備的適應性越好。響應時間是指設備收到指令到產生效果的時間，響應時間越短越好。
表 1 為 3 種污泥干化方式的比較結果。
兩段式工藝結構復雜，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 ℃），但是在這個溫度下，煙氣的體積會很龐大，輸送管道占地較大。并且，175 ℃的煙氣未經凈化，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有更多的 VOCs 產生，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，間接干化時污泥顆粒溫度在 105 ℃左右，可有效降低粉塵爆炸的風險；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，運行時溫度低，臭氣散發(fā)少，廠區(qū)環(huán)境友好。蘭州去離子水設備
綜上所述，兩段式工藝由于高昂的投資、不穩(wěn)定運行情況，直接式由于煙氣的輸送問題、環(huán)保問題等，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的便捷輸送條件，較低的干化溫度帶來的良好的工作環(huán)境和運行時的安全性，是在綜合考慮能耗、環(huán)境、投資、運行后 3 種干化方式中比較適合協(xié)同焚燒的干化工藝。
此外，在污泥干化的過程中，低溫污泥干化相比于高溫干化有很大優(yōu)勢。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更低，更易獲取，更易配合電廠完成能量的梯級利用，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，場內 VOCs 濃度低，環(huán)保性好。
低溫干化設備出口污泥溫度低，出口污泥可自然冷卻，無需添加水冷系統(tǒng)，節(jié)省水資源。但是，低溫干化勢必會帶來干化速率低的問題。因此，如何提高低溫污泥干化的效率將是未來適用于污泥和垃圾摻燒的污泥干化發(fā)展方向。
4 結論
1） 對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的發(fā)展方向。蘭州水處理設備， 工業(yè)純水設備，醫(yī)院用純水設備。
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