入爐污泥含水率對污泥干化焚燒工藝影響研究

盧駿營

摘要：以上海某污水處理廠為例，通過理論計算和工程設計分析，研究了入爐污泥含水率（質量分數）對污泥干化焚燒工藝的影響.結果表明，隨著干化程度的提高，對干燥機處理能力的要求提高，對干燥機型式的選擇余地縮小，對焚燒爐、余熱鍋爐等設備的要求也將提高，對設備材質、系統安裝、運行管理的要求也將相應提高.隨著污泥干化程度的降低，進料量和煙氣量增大，導致焚燒和煙氣處理設備體積龐大.由于污泥泥質特性隨時間變化大，在污泥熱值整體偏低的地區，采用60%入爐污泥含水率存在一定的風險.污泥入爐含水率對污泥焚燒處理工程中的工藝選擇及布置影響較大，工程設計中不應簡單照搬國內外類似工程，而應根據當地污泥泥質特性、熱值、輔助熱源等實際情況，合理選擇入爐污泥含水率.

關鍵詞：污泥； 干化； 焚燒； 入爐含水率

中圖分類號： X 701 文獻標志碼： A

Abstract：Taking a sludge sample from a wastewater treatment plant in Shanghai as an example，influence of moisture content on sludge drying and incineration process was investigated by theoretical calculation and engineering design analysis.The results showed that increasing the degree of drying resulted in increased processing capacity of the drier and thus the model selection of drier became limited.The requirements for incinerator，heat recovery steam generator and other equipment were improved.For the sake of security，the demands for the equipment material，system installation，operation and management were improved as well.With the reduction of the degree of sludge drying，the feeding rate and flue gas flow became larger，leading to huge bulk of the incinerator and flue gas treatment equipment.Due to the changes of sludge properties over time，some risks existed when the sludge moisture content of 60% was selected in some areas，the sludge heating value of which was low.The sludge moisture content had a great influence on the selection and arrangement of incineration process.The copy from similar projects at home and abroad should not be allowed during the engineering design of sludge incineration process.A reasonable moisture content of the sludge should be selected according to the local conditions such as sludge properties，heating value，auxiliary heat source and so on.

Keywords：sludge； drying； incineration； moisture content

隨著我國社會經濟和城市化的發展，污水產量不斷增長.截至2014年底，全國設市城市、縣（不含其他建制鎮）累計建成污水處理廠3 717座，污水處理能力1.57億m3·d-1，較2013年新增約800萬m3·d-1.按此污水處理規模，全國城市污水處理廠污泥的年產量超過3 500萬t（以含水率80%計）[1]，本文含水率指質量分數.根據相關預測，隨著污水收集率和污水處理排放標準的提高，我國城市污泥產量在未來的10年還將有較大的增長[1].因此，我國將面臨巨大的污泥處置壓力.

以焚燒為核心的處置方法是最徹底的污泥處置方法，它的減量化效果十分明顯，同時可以殺死污泥中的病原菌，而且干污泥熱值與褐煤相當，焚燒過程中可以回收能量用于供熱或發電.與污泥填埋、堆肥處理相比，污泥干化焚燒處理技術可節省大量土地，減少污泥的二次污染，同時還充分利用了再生能源，達到了對污泥處理的減量化、無害化、資源化的目的.利用焚燒方式回收污泥中有機質熱能，并將焚燒后的灰渣作為建筑材料或輕質材料的原材料，已成為污泥資源化利用的主導方向，因此采用焚燒法處理污泥具有很好的發展前景[2].

國內外主流的污泥焚燒處理工藝是先將污水廠產生的脫水污泥進行干化，干化后的污泥送入焚燒爐進行處理，得到爐渣和飛灰，進而用于填埋或者建材利用[3].在污泥焚燒處理工藝中，入爐污泥含水率是干化焚燒工藝中的重要參數，它直接關系到設備規格、能源消耗、運行管理等各方面.

根據國內類似市政污水處理廠的污泥特性，污泥在含水率50%～60%時為粘滯區[2].國內外污泥干化焚燒工程中較為典型的入爐污泥含水率（指進入污泥焚燒爐的污泥含水率）分別為60%、40%、10%，這三種入爐污泥含水率各有優缺點，且在國內外均有工程應用.本文以上海某污水處理廠污泥為例，通過理論計算和工程設計分析，研究入爐污泥含水率對污泥干化焚燒工藝的影響.

1 主要工藝及參數概況

1.1 干化焚燒工藝流程概況

污泥干化主要有直接干化和間接干化兩種形式.本文主要針對間接干化，并采用蒸汽作為熱媒介質.鼓泡流化床是一種較合適的污泥焚燒設備.據統計，國外污泥焚燒項目中65%以上采用流化床焚燒爐，且國內已有多項采用該類焚燒爐處理污泥工程實例[4]，故本文計算中污泥焚燒爐以鼓泡流化床為例.要使污泥在爐內穩定焚燒，必須達到一定的絕熱火焰溫度[5].根據固體廢棄物焚燒相關規范要求，焚燒爐燃燒溫度需要控制在850 ℃以上，煙氣在爐內停留時間至少達到2 s[6].

污泥干化焚燒工藝流程如圖1所示.污泥干化系統采用蒸汽間接加熱干燥機；焚燒系統采用鼓泡流化床焚燒爐；余熱利用系統為余熱鍋爐；煙氣處理系統為旋風除塵器+半干噴淋塔+布袋除塵器+濕式脫酸塔+煙氣再熱器[7].整個干化焚燒系統熱量不足部分由電廠蒸汽補充.

1.2 污泥泥質分析

以上海某污水處理廠得到的污泥為例，污泥干燥基成分如表1所示，包括元素分析、工業分析和低位發熱量，其中：元素分析中Cd、Hd、Od、Nd、Sd分別為干燥基下污泥中元素C、H、O、N和S的質量分數；工業分析中FCd、Vd、Ad、Md分別為干燥基下固定碳、揮發份、灰分和水分的質量分數.

以污泥處理規模125 t·d-1（按含水率80%計）為例，對不同干化程度下的污泥干化焚燒系統進行比較分析，選取有代表性的入爐污泥含水率（入爐含水率指進入污泥焚燒爐的污泥含水率）設計點——10%、40%和60%三種工況，就其總體工藝參數、干化系統、焚燒系統、煙氣處理系統、車間土建結構、能耗等方面進行比較.

2 入爐污泥含水率比較及分析

根據工藝流程及污泥泥質分析數據，本文依據《CJJ 131—2009城鎮污水處理廠污泥處理技術規程》[8]對三種不同入爐污泥含水率下的工藝參數進行了計算，其中干燥機熱量損耗按蒸發單位水量3 090 kJ·（kg H2O）-1計，比蒸發速率本文取15 kg H2O·（m2·h）-1；排煙量指煙氣處理系統進口處在標準狀況下的煙氣量；煙氣從50 ℃再熱至110 ℃左右需消耗蒸汽約260 kg·h-1.計算得到的主要工藝參數及相應的工藝設計分別如表2、3所示.

分析表2、3可以發現，就該污水處理廠污泥而言，隨著入爐污泥含水率升高，有：

（1） 污泥實際入爐單位熱值變小，而且入爐污泥總熱量也隨之變小.因為隨著污泥含水率的增大，入爐污泥中水分的吸熱量也增大，導致實際入爐總熱量變小.

（2） 鍋爐爐型的設計也受到了較大的影響.在含水率較低時，需要在鍋爐內設置爐內換熱面，以防止爐膛溫度過高，且入爐污泥含水率越低，在爐內設置的換熱面面積越大；而在含水率高于45%時，爐內溫度無法達到850 ℃的燃燒溫度，需將入爐的流化空氣溫度提高至300 ℃甚至更高，方可實現焚燒爐內污泥的穩定燃燒[6].

（3） 鍋爐排煙熱損失逐漸增大.主要是因為入爐污泥中的水分轉化為水蒸氣后，在鍋爐排煙溫度下無法被利用，增加了排煙熱損失.

（4） 熱量缺口逐漸變小.雖然入爐污泥含水率較低時鍋爐實際可回收利用的熱量較大，但是污泥在干化階段所需熱量也較大.

（5） 干化階段設備主要工藝參數，如干燥機蒸發量、干化系統載氣量等參數變小.在入爐污泥含水率較低時，由于需要將大部分水分在干化階段蒸發，導致干燥機的蒸發能力增大，同時干燥機的相關配套設備，如載氣洗滌塔、載氣循環風機等的規格也相應增大.

（6） 焚燒及煙氣處理階段設備的規格提高.由于入爐污泥含水率越大，入爐污泥總量越大，焚燒爐處理量越大，導致焚燒爐尺寸增大，同時也產生了較多的煙氣，直接導致后續煙氣處理設施規格提高.煙氣中水分含量較高也會影響袋式除塵器的布袋材質和使用壽命[6].

（7） 干化后污泥儲存及運輸均需占用較大的空間，而且半干污泥的長期儲存易造成板結等問題.

綜上所述，在入爐污泥含水率為10%左右時：由于干化程度高，對干燥機處理能力要求較高，同時對干污泥儲存及輸送的要求較高；由于入爐熱值高，宜采用流化床焚燒爐，并在爐內布置受熱面，以確保爐內溫度滿足要求；由于煙氣量較小，且含水率較低，煙氣處理系統整體規模較小.

污泥在含水率40%左右進爐時，干燥機型式選擇余地較大，焚燒宜采用流化床焚燒爐，并在爐內布置受熱面，以確保達到爐內溫度要求[9].

污泥在含水率60%左右進爐時，干燥機型式選擇余地較大，同時由于干燥機產泥的含固率宜在60%以上，故適合采用干濕泥混合進爐.由于入爐熱值低，可采用流化床等焚燒爐，同時可在焚燒爐后布置受熱面，即采用余熱鍋爐.由于煙氣量較大，且含水率較高，煙氣處理系統整體規模較大，而且對相關設施的要求較高.但半干污泥的儲存和輸送較為不便[10].

理論上而言，污泥含水率在60%左右時即能在焚燒爐中維持穩定燃燒.干化焚燒工藝在該工況下外加能量最小，且此類工程在國外有較多的成功案例.而事實上國內城市污水處理廠脫水污泥的干基熱值范圍為5 844～19 303 kJ·kg-1，均值為11 850 kJ·kg-1，比歐美等發達地區的低22.4%～37.7%[11].在污泥干基熱值低、波動大的情況下，很難保證污泥能在焚燒爐內穩定地自持燃燒.

3 結 論

本文針對上海某污水處理廠污泥，結合國內外主流的焚燒處理工藝，對不同污泥含水率下污泥干化焚燒處理的特點進行了研究分析.主要有以下結論：

（1） 隨著干化程度的提高，對干燥機處理能力要求提高，干燥機型式的選擇范圍變小.

（2） 在入爐污泥含水率較低時，焚燒爐內需設置受熱面（如埋管、水冷壁等），以確保爐內溫度處于850～950 ℃之間.當污泥含水率為60%時，可將受熱面布置于其后的余熱鍋爐中.

（3） 當入爐污泥含水率高于60%，則焚燒溫度不能達到850 ℃以上，必須添加輔助燃料，對焚燒的經濟性不利，而且水分含量越高，進料量和煙氣量越大，焚燒和煙氣處理設備體積龐大.另外，煙氣中水分含量高也會影響袋式除塵器的布袋材質和使用壽命.

（4） 污泥干化程度過高，在系統中易產生粉塵.此時全干化系統要求處在完全密閉的惰性環境，系統內要密切控制氧含量、粉塵濃度、溫度和污泥散發的可燃性氣體濃度，在儲存和運輸過程中同樣要保持惰性環境.因此，在安全上對設備材質、系統安裝、運行管理的要求高.

（5） 由于污泥泥質特性隨時間變化大，且無規律可循，在污泥熱值整體偏低的地區，采用60%的入爐污泥含水率存在一定的風險，增加了運行管理的難度.若實際運行時入爐污泥含水率偏離設計工況，將導致整體運行工況偏離設計工況，以及由于熱量缺口導致爐內噴油槍常態化運行等.

綜上所述，污泥入爐含水率對污泥焚燒處理工程中的工藝選擇及布置影響較大.污泥焚燒處理工程設計時不宜照搬國內外類似工程的入爐含水率，應根據污水處理廠污泥泥質特性、熱值、輔助熱源和運行管理等實際情況，合理選擇入爐污泥含水率.

根據本文中上海某污水處理廠污泥特性，結合工廠實際情況，建議入爐污泥含水率確定在40%左右.

參考文獻：

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