流化床污泥干化器循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生可燃氣體和粉塵原因分析與防治對策

李建勇 ，童 飛 ，周丕仁 ，孫 斌

（1.上海城市排水有限公司，上海 200233；2.上海石洞口污水處理廠，上海 200942）

1 概況

石洞口污水處理廠污泥干化系統(tǒng)采用了德國安德里茨的流化床干化工藝及核心設(shè)備，此干化工藝當時屬國內(nèi)首次引進。焚燒爐燃燒干污泥（或其他輔助燃料）提供的熱能，利用導熱油作為熱能的載體，通過導熱油管線輸送到干化器內(nèi)部盤管，盤管同循環(huán)風及干污泥的熱交換采用介質(zhì)直接接觸和輻射方式進行，通過在低溫（85℃左右）下污泥流化干化，去除其中的水份，形成含水率為10%以下的干化污泥。熱的導熱油在盤管內(nèi)流動，濕污泥在流化狀態(tài)下既吸收導熱油盤管的輻射熱能又與導熱油盤管直接接觸換熱，從而達到污泥迅速干化的目的。

被干化后含水率小于10%呈顆粒狀的污泥作為焚燒爐燃料，用于加熱導熱油，實現(xiàn)循環(huán)利用。密封工藝管道中循環(huán)風脫水污泥在高壓風機作用下產(chǎn)生一壓頭，并根據(jù)物料流化要求輸送一定量的風量，保證污泥流化處在一個相對穩(wěn)定工藝狀態(tài)。

2 污泥干化系統(tǒng)工藝流程框圖（見圖1）

圖1 污泥干化系統(tǒng)工藝流程框圖

3 流化床干化器污泥干化過程及循環(huán)風作用

3.1 污泥在流化床干化器過程

含固率80%左右的脫水污泥在變頻污泥螺桿泵作用下產(chǎn)生4～6 kg/cm2壓力，污泥在輸送管道中克服阻力并依一定流動速度進入位于干化器內(nèi)中上部的污泥破碎機，高速旋轉(zhuǎn)的破碎機刀頭將污泥破碎成粒徑0.5～1.5 mm濕污泥顆粒，并依據(jù)工藝設(shè)計要求在干化器內(nèi)部一定范圍內(nèi)均勻拋灑到正常流化的干污泥料層頂部。

破碎后形成一定粒徑的脫水污泥在自然重力作用下墜落到流化物料頂部，就迅速地與流化翻騰的干污泥混合，由于脫水污泥和流化干污泥存在65℃溫差（脫水污泥常溫一般在15℃～30℃，流化過程干污泥及循環(huán)風在干化器內(nèi)運行溫度是85℃～95℃），故脫水污泥在流化和混合狀態(tài)換熱后蒸發(fā)掉其中的水分，并形成相對溫度穩(wěn)定的流化狀態(tài)干污泥，繼續(xù)參與后續(xù)破碎后的脫水污泥干化，循環(huán)風及時地將干化器中產(chǎn)生的水蒸氣和粉塵攜帶出去，參與后續(xù)工藝運行。

循環(huán)風攜帶的水蒸氣、粉塵沿干化器頂部的出口（為了減少循環(huán)風所攜帶的粉塵量，此處出口壓力要求控制在零壓點附近）經(jīng)過管路進入到旋風式細粉分離器，細粉分離器能將0.1mm以上的大顆粒粉塵收集到細粉倉。經(jīng)過細粉分離器后的循環(huán)氣體進入下一級冷凝器進行降溫和洗滌處理，其目的是進一步降低粉塵濃度并將部分蒸汽進行冷凝析出。此時循環(huán)氣體中的粉塵濃度水蒸氣已經(jīng)大大下降，再經(jīng)過氣水分離將飽和濕氣中的水分進行分離，降低循環(huán)氣中濕氣的含量。

從氣水分離器出來的是經(jīng)過處理的循環(huán)氣體，此時高壓風機經(jīng)過加壓之后作為干化器的流化風再次重復利用。

3.2 循環(huán)風作用

從以上流程可以看出，干化器出口位置的粉塵濃度是最高的，在氣水分離器出口其粉塵濃度達到最小。

循環(huán)風作用有以下幾個方面：

一是提供一定風壓壓頭和風量，維持干化器物料流化的要求；

二是與干化器內(nèi)導熱油盤管密切接觸吸收盤管釋放的熱能；

三是循環(huán)風作為熱能載體吸收的熱能與流化的干污泥充分接觸并被污泥中水分吸收形成水蒸氣被循環(huán)風攜帶離開干化器；

四是對干化后的污泥顆粒進行吹洗，帶走污泥干化過程中產(chǎn)生的粉塵和稀釋產(chǎn)生的可燃氣體在干化中的濃度。

而在整個循環(huán)氣重復利用系統(tǒng)中，其不凝氣即一氧化碳、甲烷、硫化氫等易燃易爆氣體因為其物理和化學特性等原因并沒有減少其體積含量。

3.3 污泥干化系統(tǒng)存在的問題

石洞口污水處理廠污泥干化焚燒裝置自2004年運行以來，由于污水來源和脫水污泥的性質(zhì)，決定了污泥在從常溫到干化至90℃過程中必然會產(chǎn)生大量的粉塵和可燃氣體。當粉塵和可燃氣體接近其爆炸極限時，必須停止工藝運行防止事故發(fā)生，其結(jié)果是導致工藝無法連續(xù)運行。如何控制粉塵和可燃氣體在可控的爆炸范圍內(nèi)，防止運行設(shè)備事故發(fā)生又要工藝設(shè)備連續(xù)運行是此類污泥干化工藝亟待解決的一個重要問題。

根據(jù)工藝現(xiàn)有條件，可以通過調(diào)整循環(huán)風量和進入干化器流化風壓頭在有限的范圍內(nèi)降低粉塵在循環(huán)氣中的含量，將存在的粉塵濃度過高現(xiàn)象部分安全隱患減小到工藝所能達到的最好水平。但是其他如一氧化碳、硫化氫等不凝氣體確實很難在工藝中清除，隨著工藝運行時間增長，其在密閉循環(huán)氣管路中的濃度會隨著濕污泥處理量增大而增高。

從工藝運行參數(shù)可以看出，循環(huán)氣系統(tǒng)存在以下問題：

一是循環(huán)氣中存在濃度較大粉塵，粉塵中的可燃物熱值在2600～3000 kcal/kg。

二是脫水污泥干化過程產(chǎn)生的不凝性可燃有毒氣體隨著工藝運行時間增長而加大。

三是在運行中由于粉塵對管道和在運行設(shè)備的沖刷，導致空氣中的氧氣含量增大，降低了粉塵和可燃有毒氣體爆炸的極限。

四是利用原有惰性氣體氮氣瓶組稀釋粉塵和可燃氣體濃度方法在設(shè)備密封非常良好的情況下可以實現(xiàn)，而實際運行中管道設(shè)備的密封很難滿足要求，經(jīng)常因為氮氣瓶組供應不足而停車待命。安全風險系數(shù)增大，很容易導致設(shè)備事故和運行人員健康受損，甚至是中毒事故發(fā)生的危險性。

五是氮氣采購耗費量大，致使單位生產(chǎn)成本增加，減小了經(jīng)濟效益。

4 采用的對策和方法

（1）通過檢修將部分容易受到磨損的設(shè)備或者管道更換為耐磨材質(zhì).如旋風分離器入口及出后附近和灰倉入口改為鋼板搪瓷工藝，即減小了灰塵對這部分的摩擦阻力又增加了這部分的耐磨時間，使用周期延長，防止了外部氧氣進入密閉循環(huán)氣內(nèi)部，保證了含氧量穩(wěn)定。

（2）減少工藝管道的密封接口，在不妨礙檢修部位的條件下，采用焊接型式。

（3）將原有斷續(xù)補充氮氣的氮氣瓶組去掉，上一套制氮機組。

（4）增加工藝自動控制能力，減小操作人員手動控制帶來的補氮不能及時有效等問題。

（5）根據(jù)改造前期的工藝運行情況，循環(huán)氣系統(tǒng)控制的含氧量在10%以內(nèi)。即當循環(huán)氣系統(tǒng)的含氧量達到10%時，補氮系統(tǒng)自動打開，向系統(tǒng)補充氮氣，隨著氮氣在循環(huán)氣體中擴散，當含氧量小于等于3%時，氮氣不給，該系統(tǒng)停止運行。

圖2為干化器啟動在沒有投入脫水污泥前循環(huán)氣體CO變化趨勢圖。此圖是含氧量在9%～10%波動時的情況。

圖2 CO變化趨勢圖一

圖3為含氧量控制到6%～7%時，開始投入脫水污泥干化過程CO濃度變化趨勢圖。

圖3 CO變化趨勢圖二

說明：

（1）圖2是流化床污泥干化器啟動過程中污泥干料逐步升溫到100℃時的CO變化情況。

（2）圖3是污泥干化器正常投入脫水污泥干化運行過程中，干化器運行溫度為85℃～95℃之間CO的運行曲線。

（3）測試過程中沒有補充氮氣或泄壓等操作，循環(huán)氣含氧量波動范圍相對穩(wěn)定。

該系統(tǒng)是完全可以安全長期穩(wěn)定運行的。

5 措施實施后的效果分析

（1）循環(huán)氣系統(tǒng)的粉塵濃度由于跟工藝運行關(guān)聯(lián)，因此相對穩(wěn)定。

（2）脫水污泥在干化過程中是在一個密封工藝中進行，由于脫水污泥制作過程本身殘留一定的空氣，同時常溫污泥在干化器升溫干化過程中產(chǎn)生有毒易燃不凝氣體，經(jīng)過一段運行之后會引起密封循環(huán)氣體壓力升高，導致高壓風機出口壓力升高，影響流化風量過大，所以當風機出口壓力超過定值后，通過旁路將循環(huán)氣卸掉一部分到焚燒爐燒掉。

（3）循環(huán)氣管道和主要設(shè)備更換后，粉塵對設(shè)備磨損大大減少，密封效果明顯。

（4）增加制氮系統(tǒng)后，由于氧量是控制量，氮氣供應是被控量，自動系統(tǒng)投入，提高了工藝系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和安全性。

（5）由于氮氣能夠滿足運行要求，循環(huán)氣體含氧量基本穩(wěn)定在5%左右，有效地抑制了可燃氣體爆炸極限和粉塵濃度的極限范圍。

6 結(jié)語

由于流化床污泥干化方式存在循環(huán)氣體存在粉塵和可燃氣體爆炸危險因素，需要從工藝設(shè)備和工藝運行兩個方面去考慮問題的解決方法。在這個方面，石洞口污水處理廠取得了很好的經(jīng)驗。主要經(jīng)驗之一就是從工藝角度去考慮：一是各種易燃易爆氣體在不同氧量范圍內(nèi)爆炸極限來考慮；二是可以滿足工藝要求的控制氧量范圍。因此石洞口污泥干化系統(tǒng)基本維持在年運行7200 h，是國內(nèi)同類系統(tǒng)運行周期最長的設(shè)備。