引言

通過梳理近十年國家在污泥處理處置的相關政策、技術路線發現,污泥資源化問題一直在強調但落地效果差,污泥脫水填埋的處置方式占比仍然較大;處置收費上,政策用詞逐步強硬,從“不低于”到“補償”到“應當補償”再到“覆蓋”,要求將污泥處置費用納入到污水處理成本中。國家對污泥處理處置設施建設資金支持力度逐步加大,成本收費覆蓋度逐步提高。2020年7月,國家發改委和住建部聯合印發《城鎮生活污水處理設施補短板強弱項實施方案》,方案提出加快推進污泥無害化處置和資源化利用,在土地資源緊缺的大中型城市鼓勵采用“生物質利用+焚燒”處置模式,將垃圾焚燒發電廠、燃煤電廠、水泥窯等協同處置方式作為污泥處置的補充。“源頭減量-梯級利用-末端處理”是未來的發展方向[1-2]。在此背景下,污泥熱解炭化技術受到關注。該技術是污泥在無氧或缺氧條件下加熱釋放水分和有機物,“減量化”能夠達到85%以上;相比焚燒工藝,煙氣產生量少,二口惡英排放量低,更加“無害化”;熱解炭化的生物炭經過高溫處理,熱解氣循環利用,實現了污泥的“穩定化”和“資源化”。該工藝能夠解決目前污泥處理處置中存在的占地面積大、減量效果差、鄰避效應多、運行成本高以及末端出路受限等問題,在國內應用案例逐漸增多。

1工程概況

1.1項目簡介即墨污泥熱解炭化處理項目位于青島市即墨區,設計規模為300t/d(以含水率80%計),目前主要處理即墨區即發污水處理廠產生的污泥。采用污泥濃縮-深度脫水-熱干化-熱解炭化-炭渣建材利用的技術路線,其中煙氣凈化采用SNCR-旋風除塵-濕法脫硫脫硝除臭-濕式靜電除塵-活性炭吸附工藝組合。

本工程設置3條機械濃縮、4條深度脫水處理生產線,2條污泥干化、炭化生產線,2條煙氣凈化生產線。污泥炭化后產物送至當地建材企業制磚,煙氣中顆粒物、SO2、NOX排放濃度滿足《山東省區域性大氣污染物綜合排放標準》(DB37/2376-2013)表2中重點控制區標準,HCl、重金屬及二英類排放濃度滿足《生活垃圾焚燒污染控制標準》(GB18485-2014)中的排放限值。

1.2工藝說明工藝單元包括污泥接收、濃縮及儲存系統;污泥調理及脫水系統;污泥熱干化系統;污泥熱解炭化系統和煙氣凈化等五大系統。輔助單元包括炭渣輸送及儲存系統;壓縮空氣及氮氣系統和循環冷卻水等三大系統,工藝流程見圖1。污水處理廠含水率98%~99%污泥經機械濃縮后含水率達到95%~96%,泵送至污泥調理池,按序批次進入高壓板框壓濾機系統脫水,含水率降至60%~65%,進入半干污泥高位給料倉。泥餅經料倉暫存后送入回轉干燥機,在干燥機內旋轉的破碎裝置作用下,污泥與高溫煙氣進行直接接觸,水分快速蒸發至20%以下。干化后污泥輸送進入熱解炭化爐,被熱煙氣間接加熱發生熱解炭化反應。產生污泥炭排出經冷卻后,送至炭渣儲存倉。炭化產生的熱解氣進入燃燒系統,燃燒產生850~950°C的煙氣,爐內停留大于2s,并在反混尾氣中和后降至750°C左右進入炭化爐外筒,為熱解炭化提供熱量,污泥熱值較低時導致熱解氣熱量不足時,補充天然氣提供熱量。高溫煙氣經過熱解炭化爐后,溫度降至650°C左右,進入回轉干燥機,干燥后煙氣溫度降至130°C以下進入煙氣凈化系統達標排放。1.3項目特點項目采用中高溫熱解炭化工藝,熱解過程中產生焦油量很少,熱解氣燃燒溫度大于850°C,污染物分解徹底。污泥減量85%以上,污泥中重金屬固化,氮磷鉀等營養物保留在污泥炭中,滿足土地利用和建材利用等資源化要求。炭化熱解過程產生的可燃氣燃燒循環利用,減少能源消耗,一部分有機碳封存在炭渣中,減少溫室氣體排放。煙氣排放滿足國家《生活垃圾焚燒污染控制標準》(GB18485-2014)及山東省地方標準,排放量僅相當于污泥焚燒的30%~40%。熱解過程無氧,從源頭消除了二噁英產生的條件,車間內污泥全封閉管理,污泥臭氣協同燃燒凈化,環境友好。

2主要設計單元和設計參數

2.1污泥接收、濃縮及儲存系統污水廠剩余污泥經疊螺濃縮機處理后,含水率達到95%~96%,然后提升至污泥調理池進行化學藥劑調理。外廠60%含水率污泥采用封閉式自卸車運輸進廠,卸入外來污泥儲存料倉,再通過螺旋輸送機提升至皮帶輸送機與本廠60%~65%含水率污泥共同進入半干污泥高位給料倉。主要設計參數如下:

①剩余污泥儲池:3座,單座尺寸12m×6m×3m,單座有效容積180m3;

②外來污泥儲存料倉:1座,尺寸6m×4m×2.5m,有效容積60m3,碳鋼內襯PE板材質;配雙軸螺旋輸送機3臺,功率7.5kW,液壓站功率45kW;

③污泥濃縮機:3臺,疊螺濃縮機,單臺進泥量60~70m3/h,功率5.75kW。2.2污泥調理、脫水系統濃縮后污泥進入調理池,投加的化學調理藥劑與污泥快速混合反應,調理改性后的污泥通過高壓泵送至板框壓濾機,壓濾后泥餅由皮帶輸送機轉運至半干污泥高位給料倉。污泥壓濾和濾布沖洗廢水進入即發污水廠處理系統。主要設計參數如下:

①污泥調理罐:3座,單座尺寸?4.5m×8m,單座有效容積100m3;配套攪拌器直徑1500mm,轉速70~100r/min,功率22kW;

②板框壓濾機:4臺,單臺處理絕干污泥能力20t/d,進泥含水率≥95%,出泥含水率≤65%;單臺壓濾面積800m2,主機功率22kW;

③配套設備:柱塞泵4臺,流量100m3/h,揚程150m,功率15kW;壓榨泵4臺,流量20m3/h,揚程202m,功率18.5kW;濾布清洗泵2臺,流量150m3/h,揚程600m,功率30kW;螺桿壓縮機2臺,氣量5Nm3/min,功率30kW;洗布水箱1臺,尺寸?1.88m×2.2m,單座有效容積5m3;壓榨水箱1臺,尺寸?2.8m×3.6m,單座有效容積20m3;PFS加藥泵3臺,流量8m3/h,揚程30m,功率3kW;PAC加藥泵3臺,流量8m3/h,揚程30m,功率3kW;PAM加藥泵3臺,流量5m3/h,揚程30m,功率2.2kW。

④半干污泥高位給料倉:1座,有效容積:40m3。配雙軸螺旋輸送機2臺,功率7.5kW,液壓站功率18.5kW。

2.3污泥熱干化系統半干污泥高位給料倉倉底設有螺旋輸送機,螺旋輸送機將半干污泥輸送至回轉干燥機進料端,污泥在回轉干燥機內打散裝置、導料板、抄板等結構的共同作用下,不斷地被打散、拋起及撒落,并與高溫煙氣充分接觸,進行污泥脫水干燥。污泥干燥后含水率降為20%以下。主要設計參數如下:

①回轉干燥機本體:2臺,單臺尺寸?2.8m×8m。配套設備:主傳動系統2套,功率30kW,污泥破碎裝置傳動系統4套,功率30kW;

②干燥進料螺旋:2臺,型號LSS250,功率4kW;

③干燥出料螺旋:2臺,型號LSS300,功率3kW;④干燥卸料閥:2臺,型號ARDV200,功率1.1kW。

2.4污泥熱解炭化系統干化后的污泥經密閉螺旋輸送機均勻送入熱解炭化爐上部,通過鎖風器進入炭化爐內部,炭化爐內部是無氧或缺氧空間,污泥從80°C左右,被加熱到600°C以上,熱解產物以氣體為主,主要為氣態的小分子碳氫化合物,還含有少量的SO2、NH3、NOx等。熱解炭化后,污泥含水率降為1%以下。干燥及熱解炭化熱量不足部分通過在熱風爐內補充天然氣燃燒獲得。主要設計參數如下:

①炭化爐本體:2臺,單臺尺寸?1.6m×18m,高溫段材質為耐熱不銹鋼310S;配套設備:主傳動系統2套,功率22kW;炭化進料密封系統2套,組合式,含氮氣密封及多重填料密封等,功率1.1kW;

②炭化進料螺旋:2臺,型號LS250,功率3kW;

③熱風爐本體:2臺,配套設備:天然氣燃燒器2臺;分級配風系統4臺,功率4kW;火焰在線監測系統2套;

④煙氣返混系統:配置高溫風機2臺,功率11kW;

⑤燃氣風機:配置高溫防爆燃氣專用風機2臺,功率15kW。

2.5煙氣凈化系統煙氣凈化工藝首先采用旋風除塵去除干化過程產生的污泥粉塵,然后通過堿液噴淋塔去除SO2和HCl等酸性氣體,再通過濕式靜電除塵器進一步除塵,最后經過活性炭吸附塔去除重金屬和二噁英后達標排放。污泥熱解和熱解氣燃燒過程中產生氮氧化物一部分采用脫硝氧化塔去除,另一部分采用SNCR爐內脫硝工藝,使用20%氨水溶液作為還原劑,在壓縮空氣霧化條件下通過噴槍噴入氣體燃燒室內,氨水溶液與煙氣中氮氧化物進行反應去除氮氧化物。主要設計參數如下:

①SNCR爐內脫硝系統:2套,處理能量15000Nm3/h,配套設備:氨水儲罐1臺,有效容積28m3;工藝水儲罐1臺,有效容積10m3;氨水泵2臺,流量1m3/h,揚程100m,功率1.1kW;工藝水泵2臺,流量1m3/h,揚程100m,功率1.1kW;

②旋風除塵器:2套;

③脫硫塔系統:脫硫塔本體2臺,單臺尺寸?1.8m×7.5m;脫硫循環泵3臺,流量100m3/h,揚程18m,功率7.5kW;

④爐外脫硝氧化塔系統:脫硝塔本體2臺,單臺尺寸?1.8m×7.5m;脫硫輸送泵3臺,流量1m3/h,揚程15m,功率1.1kW;稀釋泵2臺,流量4m3/h,揚程15m,功率2.2kW;脫硝循環泵2臺,流量60m3/h,揚程18m,功率7.5kW;吸收循環泵3臺,流量60m3/h,揚程18m,功率7.5kW;

⑤除塵除霧塔系統:塔本體2臺,單臺尺寸?1.8m×7.5m;沖洗泵2臺,流量30m3/h,揚程30m,功率7.5kW;主引風機系統2臺,功率75kW;⑥深度脫除系統:活性炭吸附裝置2套,除塵器2套。

2.6炭渣輸送及儲存系統污泥炭渣顆粒經設備尾端的下料口落料至螺旋輸送機,由于炭渣溫度較高,為減少粉塵和防止炭渣自燃,在進入儲存倉之前需要進行冷卻。螺旋輸送裝置內設有兩級水冷裝置(循環水),可將炭渣溫度降低至60°C以下,另設有水冷噴霧裝置,炭渣輸送過程中,冷卻水呈霧狀噴出,對炭渣進行直接冷卻和加濕,進入儲存倉的炭渣含水率約10%。主要設計參數如下:

①污泥炭渣儲存倉:1座,有效容積50m3;

②干污泥管鏈輸送機:2臺,粉體輸送量3t/h,功率6kW;

③污泥炭渣管鏈輸送機:2臺,粉體輸送量1.5t/h,功率11kW;

④成品倉下料螺旋:1臺,粉體輸送量20t/h,功率5.5kW;⑤污泥炭渣冷卻系統:2套,炭渣冷卻量3t/h,包含出料卸料閥2套,功率1.1kW;⑥炭渣進出料卸料閥:各2臺,共4臺,功率1.1kW。

3運行效果分析

3.1溫度和時間對炭化效果影響檢測樣品為干燥機出泥,每次檢測樣品為2天混合樣,共檢測2次。所取樣品委托第三方檢測公司進行檢測,參照國家標準《煤的工業分析方法》(GB/T212-2008)中揮發分的方法進行測定,第一次取樣的測定時間為60min,測定溫度從300°C到800°C。第二次取樣的測定時間分別為30min和90min,測定溫度從400°C到900°C。從時間上分析,熱解90min揮發分平均值為44.04%,高于30min揮發分平均值的41.96%,其中在600°C時前者比后者高出的揮發分數值為3.24%。從溫度上分析,加熱時間對揮發分的影響在不同溫度區間,影響程度不同,加熱時間對揮發分影響在600°C左右比較明顯,在600°C以上,隨著加熱溫度升高,影響程度逐漸減小。污泥在升溫速率為10°C/min的熱重分析數據如圖3,圖中,重量(TG)曲線表示樣品在熱解過程中隨溫度/時間的重量變化,縱軸為重量百分比,表示當前溫度/時間的樣品重量與初始重量之比。熱重微分(DTG)曲線(即dm/dt曲線,將TG曲線上的各點對時間坐標進行一次微分的曲線)表示重量變化速度隨溫度/時間的變化。污泥在升溫速率為10°C/min的熱重分析數據如圖3,圖中,重量(TG)曲線表示樣品在熱解過程中隨溫度/時間的重量變化,縱軸為重量百分比,表示當前溫度/時間的樣品重量與初始重量之比。熱重微分(DTG)曲線(即dm/dt曲線,將TG曲線上的各點對時間坐標進行一次微分的曲線)表示重量變化速度隨溫度/時間的變化。與文獻[中的數據結果具有相似性,總體分為三個階段,第一階段溫度區間為室溫~135.64°C,DTG峰值出現在69.64°C,其失重主要因為污泥中所含的少量結合水受熱揮發。第二階段溫度區間為135.64~578.38°C,是污泥熱解的主要分解階段,其失重約37.8%,占整體失重率的67.17%,DTG峰值出現在314.268°C。在該階段污泥中揮發分大量析出和分解,產生大量焦油及CO、H2等可燃性氣體[6]。第三階段段溫度區間為578.38~900°C,此階段DTG曲線較平緩,整體減重速率較為緩慢,此階段分解的主要為難揮發物質及少部分無機鹽,DTG在756.77°C出現峰值。試樣在整個熱解過程中失重約為56.34%,本次試樣干燥基灰分比例為42.89%,熱解過程減重率低于試樣中揮發分及固定碳的總和,有比較好的減重效果。

3.2污泥重金屬和營養物質測定本工程對回轉干燥機出泥和炭化爐出泥炭渣進行了重金屬和營養物質檢測,數據見表1。污泥炭化后減量比例為31.7%。由于受到上游污水處理廠進水水質影響,干化后污泥對于污泥農用A級標準來說,總鋅、總汞等重金屬均有不同程度的超標。經過熱解炭化后,炭渣經過浸出液檢測,重金屬指標大幅降低,已遠遠低于污泥農用數值,同時炭化后除總汞外,重金屬固化比例均超過70%。熱解炭化后,氮、磷、鉀等營養元素固化率達到59.74%、92.31%、86.51%。

3.3污泥減量化數據統計統計2021年1至3月進泥量和炭渣數據,其中進泥量為17912t(80%含水率),炭渣產量2481t(降塵噴水后,約10%含水率),污泥熱解炭化的平均減量率達到86%。

3.4煙氣排放數據表2為2021年檢測的主要污染物排放數值,均達到環評批復標準。

3.5項目提升方向

(1)半干污泥高位給料倉容積與板框處理能力匹配度較差:半干料倉容積為40m3。板框平均每批次出泥8~10m3,但主要為塊狀泥餅,空隙較大,實際運行料倉最多能接收2~3個批次的污泥,造成緩沖能力甚至系統產能下降。后續項目可考慮調整為連續進出泥的高壓帶機,也可以考慮增加板框出泥破碎裝置或增加料倉容積。

(2)干燥機進泥不連續:干燥機運行根據煙氣出口溫度控制進泥,造成進泥不連續。目前正在摸索煙氣出口溫度與污泥含水率的關系曲線,提高進泥連續性。

(3)炭化爐進泥無緩沖料倉:炭化爐爐前給料螺旋前依次是管鏈輸送加星形卸料閥,沒有設置緩沖料倉及料位開關。炭化爐進料直接受干燥機進料影響,兩臺設備物料給料強關聯,干燥機進料非連續,炭化爐進料波動,同時不能有效保證進料密封。

(4)物料輸送故障率較高:干燥機給料采用螺旋輸送,其一旦發生故障直接導致全線停機,降溫檢修。本工程由于利用原有車間,空間受限,輸送方式選擇少,干燥機到炭化爐采用管鏈輸送,一旦出現脫扣,斷鏈等故障,就需要全線降溫檢修甚至停產。

4技術經濟分析本工程投資估算1.39億元,設計規模300t/d(80%含水率),噸泥投資46萬元。本工程自2019年10月試運行,至今穩定運行時間超過2年。其中電耗約50kW·h/t,天然氣耗量約30Nm3/t,藥劑費用約40元/t,合計約180元/t(以80%含水率計)。

5結語本工程采用污泥濃縮-深度脫水-熱干化-熱解炭化-炭渣建材利用的污泥處理處置路線,至今已穩定運行兩年,是目前國內運行規模最大,運行成本較低的污泥熱解炭化項目。熱解炭化后減量明顯、重金屬固化效果好、營養物質損失小,炭渣資源化利用途徑多。本工程的順利實施為國內污泥熱解炭化技術發展起到了很好的示范作用。本工程還需要進一步提高系統自動化控制水平,提高輸送設備運行的穩定性;需要對污泥熱值進行連續監測,優化運行參數,降低天然氣消耗量;需要進一步拓展污泥炭渣出路問題,開展多元化資源化利用途徑,提高炭渣附加經濟價值。

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