一種污泥干化焚燒處理設備的設計

劉銘洋，張玉蓮，張晨

（浙江海洋大學，浙江 舟山 316000）

0 引言

隨著中國工業化和城鎮化進程的日益發展, 人們的生活水平在日益改善的同時也釋放了大批需要處理的工業廢水和城市污水，與此同時也帶來了污泥產量的增加，對環境造成了二次污染，這對我們的日常生活和人體健康是非常不利的[1-2]。污泥是在處置污泥的過程中所形成的沉淀，其中含有大量的有害成分，如可能會對人體健康帶來威脅的病原物和寄生蟲，還有鋅、銅、汞等重金屬以及一些難降解的有機污染物，同時散發著令人難以接受的臭氣[1-4]。若不對污泥加以相應的處置,任由它裸露于自然環境中, 將對自然環境和人類身心健康產生巨大危害和重大沖擊，比如若污泥中的重金屬被魚、蝦等食物鏈意外吸食，最后成為一道“美食”，對人民身體健康造成極大危害[5]。因此，如何安全有效地處理污泥，使之達到減量化、穩定化、無害化和資源化是社會各界應該關注且認真思考的問題。

目前,比較常用的污泥處置方法一般有直接回填、農用堆肥、填海和焚燒等。其中填埋法由于要占有大量耕地資源,對土壤資源的利用耗費很大,而且如因處置污水時處理不當,很有可能就會對土壤和地下水等環境資源產生嚴重污染;污水中存在大量的有害成分,所以污水農用堆肥處理法在規定區域內不宜用于實際應用中;同時,污水填海法也會對海洋環境產生強烈污染,對海洋的生態環境構成嚴重損害,因此已被國際公約所限制[6-7]。污泥焚燒處理技術是目前比較普遍使用的污水處置技術, 具有效率高、應用范圍廣泛且綠色環保等優點，被認為是所有污水處理技術中最有前景的方式之一[1]。

近年來，國內外對污泥無害化處置進行了大量嘗試。但是與迫切需要處理的污泥產量相比，目前規模化、可連續、無二次污染地處理污水的工藝技術與裝置的研究還不足。因此，對污泥處理技術以及處理裝備的研究、開發刻不容緩[8]。本文設計了一種利用污泥干化焚燒的工藝方法對污泥進行無害化處理的污泥處理設備。

1 設計思路

污泥焚燒作為目前最徹底的污泥處置方式,可以最大限度地達到污泥的減量化、穩定化和無害性，且能在污泥焚燒過程中將污泥中的有機物轉化為水和二氧化碳等無害物質，并釋放大量能量，同時為了將熱量加以回收利用，可以通過余熱回收利用子系統實現能源最大化利用，達到廢物利用的目的[9-10]。污泥焚燒主要有單獨焚燒和混合焚燒。其中單獨焚燒適合處理規模較大的污泥處置項目，單獨焚燒主要有直接焚燒和干化后焚燒，其中干化后焚燒能進一步降低污泥的含水率，提高焚燒效率。污泥預處理工作和焚燒工作完成后，就要考慮污泥燃燒后的煙氣處理問題，重點要考慮污泥燃燒后形成的灰塵及微粒、酸性物質（H2S、NH3、HCl、HF、SOx、NOx、甲流醇、二甲二流醚等）、重金屬（Hg、Pb、Cr、Ni、Cd 等）及少量的有機劇毒性污染物（二惡英、呋喃等）。

1.1 污泥干化工藝的選擇

污泥是進行污水處理時所產生的固體沉淀，因此未處理過的污泥含水量通常很高，因此需要對其進行干化預處理以進一步提高污泥的含固率，提高其熱值，提高污泥焚燒效率。污泥干化是指水分迅速揮發并擴散的過程,要加快這一過程,就必須通過強外力干化的方法來加速污泥內水分的揮發,這一方法目前主要有熱力干化、微波熱干化、超聲波干化、太陽光干化和生物干化等方法。其中熱干化是比較常見的干化方法,其技術也是目前最為成熟穩定的,也是目前使用最為普遍的一類污泥干化方法[2,10]。

按照加熱介質和污水的接觸方法, 可把污水熱干化工藝分成直接熱干化、間接熱干化和直接-間接結合熱干化3類。其中污水的直接加熱干化技術又稱為污水對流干燥技術, 該方法的主要機理就是利用直接加熱導熱介質,讓升溫過后的加熱介質和污水進行直接接觸, 從而讓污水中的水分進行揮發,達到污泥干化的目的。間接加熱干化技術就是加熱介質不與污泥發生直接接觸，而是通過熱能轉換裝置將熱能通過容器表面與污泥接觸，從而實現污泥干化的目的。前者效率較高，但能量損失大，煙塵凈化和余熱利用難度較高,其干燥系統的抑燃、耐爆條件也更為嚴酷；后者雖然不會造成較大的能量損失，且煙氣處理難度較低，還有自動化程度比較高，但是這種干化技術是通過間接加熱的方式來干化污泥中的水分，因此其干化效率較低。以上兩種技術各有各的優缺點，干化方式的選擇需視情況而定。本設計應用了直接熱干化和間接熱干化兩種干化方式相結合的干化技術——直接－間接聯合熱干化技術，這種熱干化技術有著前兩者的優點，且其結構緊湊、自由度高，但其系統還是比較復雜，且電耗較高。

污泥干化技術的選擇, 必須在達到相當的干化效果和無二次污染的前提下, 發揮該種污泥干化技術的優越性，同時充分利用干化產品資源化等措施，來降低干化成本和資源消耗，這將是未來污泥干化技術研究和發展的主要方向。

1.2 污泥焚燒煙氣處理系統

污泥焚燒最大問題在于污泥焚燒后的煙氣處理。污泥中含有大量的N、S元素，污泥在焚燒流程中還會生成氮氧化物、二氧化硫等污染物性氣體，這些物質對環境和人類健康的影響極大。而且污泥焚燒會生成大量的飛灰，對環境造成粉塵污染。因此加強污泥焚燒后的煙氣監控和處理，使排放的氣體能夠達到國家制定的排放標準[2,10]。污泥焚燒過程中會生成大量粉塵及顆粒物、酸性氣體（H2S、NH3、HCl、HF、SOx、NOx、甲流醇、二甲二流醚等）、重金屬（Hg、Pb、Cr、Ni、Cd等）及少量的有機劇毒性物質（二惡英、呋喃等）[8]。對以上會對自然環境和人類身體產生環境污染和危害的排放物需要進行有效控制和處理。本文采用分段噴淋及洗滌后煙氣化學清潔處理的方法。

1.2.1 粉塵處理

煙塵中的粉末,一般含有惰性元素鹽類、金屬氧化物及未充分焚燒物料等,其主要去除手段有旋風除塵器、布袋除塵器、濕法洗滌等[11]。本文將通過布袋除塵器對煙氣中的粉塵進行相應處理。

首先,可以在尾氣收集器中安裝布袋除塵器,用來把灰塵截留并收集出來,并對煙塵中施放活性炭,活性炭也可以吸收煙霧中重金屬和剩余的二惡英。當污泥焚燒工序全部完成后用布袋除塵器抽出, 在鑒定確認是否為危害性垃圾后對其加以合理處置。

1.2.2 酸性氣體處理

煙塵中的酸性廢氣,主要含有溴化物、鹵化氫（氯之外的鹵素）、硫氧化物、氮氧化物及其磷氧化物和磷酸等,此類煙氣可通過分段或對其噴淋的不同制劑實現煙塵化學清潔處理。

1）針對煙氣中的酸性污染物,可以碳酸氫鈉作為化學吸附劑的干法吸附工藝方法對其進行化學吸附去除,同時它還能夠利用物理吸附方法除去煙氣中的部分有機物和無機微量化合物。該方法的操作基本原理是：把碳酸氫鈉直接噴撒到高溫煙氣上,在高熱的作用下,碳酸氫鈉分解產生大蘇打Na2CO3、H2O和二氧化碳。而新生成的大蘇打Na2CO3在形成瞬間具有極高的化學反應活力,能自發地和煙氣中的酸性污染物進行化學反應,反應化學式如下:

2）針對于煙氣中的甲流醇、甲硫醚等不可溶的有機揮發性物質，應用次氯酸鈉溶劑的噴淋后處理。

另外,在冷卻噴淋池中設置的不銹鋼網與不銹鋼隔墻之間構成了煙氣濾腔,濾腔中還裝有環保球,在不同的不銹鋼隔墻板之間構成了供煙氣流動的S型管道,煙氣在流動過程中能夠和藥液充分反應, 而環保球能夠對煙氣中的部分物料進行過濾凈化,并具有良好的干燥效果。

3）污泥燃燒生成二惡英的途徑主要取決于具體的爐型、工作條件和燃燒溫度。因此對二惡英的控制主要遵循國際上通用的3T+1E原則，同時噴灑活性炭吸附殘留二惡英。此外可在污泥中添加適當的煤炭,一方面能夠補充流體床焚燒爐焚燒時的熱能不足;另外,煤中的硫能夠控制二惡英的形成。這也能有效阻止二惡英的合成。

2 設計方案

本文采用一體化的設計思路對污泥焚燒設備進行設計，如圖2所示。該污泥焚燒設備采用污泥干化焚燒工藝方法來對污泥進行無害化處理，該系統包括預處理、燃燒、煙氣處理與余熱回收利用3個子系統。其焚燒工藝流程如圖1所示。

圖1 污泥焚燒設備的焚燒工藝流程

圖2 污泥焚燒設備總裝圖

該污泥焚燒設備的焚燒工藝流程具體如下：1）首先將脫水污泥倒入污泥箱中，并在攪拌機的作用下充分攪拌，同時啟動電熱板加熱空氣，產生的熱能通過煙道熱交換器被在污泥箱中所進行的污泥預處理所利用，實現對脫水污泥的間接干化。2）脫水污泥干化處理后，將干化后的污泥放入污泥焚燒爐中，同時添加生物質顆粒作為燃料，脫水后的干污泥經焚燒爐燃燒后產生大量的高溫煙氣和固體垃圾，高溫煙氣通過高溫煙道，同時啟動加熱板，進一步加熱煙氣，其熱能在煙道熱交換器的作用下，通過間接干化的熱干化方法的作用下對脫水污泥進行干化預處理，其固體廢渣在傳送帶作用下掉入廢渣儲存箱中。3）同時高溫煙道中經加熱板加熱和煙道熱交換的高溫煙氣在鼓風機的作用下，在高溫煙道中正常流動，并被廢氣收集器收集起來，同時對煙氣進行第一步處理。高溫煙氣在廢氣收集器中進行過煙氣處理后，進入污泥箱，使用高溫煙氣與污泥直接接觸的熱干化方式對脫水污泥進行干化預處理，同時結合電熱板加熱與煙道熱交換，形成直接－間接聯合熱干化技術對脫水污泥進行干化預處理。4）高溫煙氣在熱量被污泥干化工藝利用后，經過煙氣處理系統處理，達到國家規定的排放標準后通過排氣筒進行排放。

在傳統的污泥干化焚燒工藝的基礎上，該設計方案采用了污泥直接－間接聯合熱干化工藝，當高熱煙塵進入高溫煙道之后,為進一步增加將污水干化的熱能，特意在煙道中加入3塊加熱板，其煙道內部如圖3所示，在加熱板的作用下，高溫煙氣被進一步加熱，進而利用換熱器與高溫煙塵進行熱交換, 并將熱能傳遞到污泥箱中的脫水污泥上，同時在鼓風機的作用下，將剩余有熱能的煙塵經由廢氣收集器收集出來,并對煙霧進行粉塵處理,從而吸收了煙塵中重金屬以及剩余的二惡英，然后進入污泥箱，使用高溫煙氣與污泥直接接觸的熱干化方式對脫水污泥進行干化預處理，同時結合電熱板加熱與煙道熱交換，形成直接－間接聯合熱干化技術對脫水污泥進行干化預處理。

鼓風機是根據高溫煙道中的一氧化碳的含量和溫度變化來通過切換變頻器頻率來改變電動機輸入頻率，從而實現鼓風機的調速。通過鼓風機對煙氣進行升壓輸送，從而使高溫煙氣可以正常被廢氣收集器所收集。

2.1 煙道內部構造

從圖3可以看到污泥焚燒腔與高溫煙道是相通的，另外也可以看到鼓風機、一氧化碳和溫度傳感器的位置分布，同時可以看出鼓風機、電熱板的控制和一氧化碳及溫度傳感器的信號接收器都是在電力控制柜中。其污泥焚燒設備的主電路圖如圖4所示。

圖3 煙道內部構造圖

圖4 污泥焚燒設備主電路圖

2.2 污泥焚燒設備操作面板

從圖5可以看到污泥焚燒設備的一些比較關鍵的表盤和按鈕，分別有電壓、電流、一氧化碳濃度、溫度的顯示表盤和電源燈、工作指示燈、故障警報燈，以及電熱啟動和電熱停止、撥擋啟動和撥擋停止、鼓風啟動和鼓風停止、變頻器切換等操作按鈕。

2.3 污泥焚燒設備電氣控制

從圖4可以看到污泥焚燒設備的電器控制主要有電熱板控制、鼓風機控制、撥擋電動機控制和平板電動機控制等。對于這些電器設備的控制，需要結合污泥焚燒設備的操作面板來看，如圖5所示。當圖4中QD1閉合時，操作面板電源燈亮，這時才能進行電熱啟動、停止等操作。當按下操作面板上的電熱啟動，M1閉合，這時電熱板工作；當按下操作面板上的電熱停止，M1斷開，電熱板停止工作。同上所述，撥擋電動機和平板電動機的啟動也是同理，撥擋電動機和平板電動機分別控制污泥在污泥箱中的攪拌處理和和污泥焚燒后的廢渣輸出，當按下相應啟動按鈕，M3、M4分別閉合，電動機啟動；當按下相應停止按鈕，M3、M4分別斷開，電動機停止工作。而鼓風機的工作原理與前三者略有區別，其可以根據高溫煙道中的一氧化碳的含量和溫度變化來通過切換變頻器頻率來改變電動機輸入頻率，從而實現鼓風機的調速。當M2閉合時，鼓風機動作，且可以根據高溫煙道中的一氧化碳含量和溫度變化來通過切換變頻器頻率來改變電動機輸入頻率。另外也可以按下操作面板上的變頻器切換來主動改變變頻器頻率，從而實現鼓風機的調速。至于操作面板上的電流表、電壓表，則由電度表測得，再經過一系列換算得到電流、電壓數值；而一氧化碳變送和溫度變送則分別由一氧化碳傳感器和溫度傳感器檢測到信號之后，被電力控制柜中的接收器接收轉換，最后經過數值顯示模塊得以顯示。其操作面板與主電路圖的對應控制如表1所示。

圖5 污泥焚燒設備控制面板

表1 污泥焚燒設備操作面板與主電路圖的對應控制

3 結論

污泥無害化處理這一課題已經是目前中國的環保研究課題之一，在污泥產量日益增多的今天，傳統的污泥處置方法已不適應于當今社會的發展要求。縱觀國內外污泥焚燒處置技術與處置設備的研究和使用情況，目前大規模、可持續、無二次污染地處置污泥的技術和裝備的研究還稍顯不足。因此對污泥處理技術以及處理裝備的研究、開發刻不容緩。

本文設計了一種污泥處理設備，其在污泥干化焚燒工藝的基礎上采用了污泥直接－間接聯合熱干化技術，并使用加熱板進一步加熱空氣，保證了脫水污泥的含固量。同時應用了變頻器，根據一氧化碳含量和溫度變化實現了鼓風機的調速控制，在一定程度上節省了電力的消耗,并且增長了設備的使用壽命。另外本文對污泥焚燒設備的工作流程做了詳細的講解，并對其煙道內部構造和污泥焚燒設備電氣控制做了詳細的描述。

污泥焚燒的最大問題在于污泥焚燒后的煙氣處理。為了防止污泥焚燒排放物對環境和人體健康造成巨大的污染和影響，煙氣處理系統的設計是很有必要的。本文應用了分段噴淋及洗滌后煙氣化學清潔處理的方式。針對煙霧中的灰塵處理,首先,可以在廢氣收集器中安裝布袋除塵器,用來把灰塵阻擋并收集出來,并對煙霧中施放活性炭,活性炭也可以吸收煙塵中重金屬以及殘余的二惡英。在污泥焚燒工藝完全結束后將布袋除塵器取出，通過相應設備進行檢測后對其進行合理處置。其次是對酸性廢氣的處置,預采用的方式是利用碳酸氫鈉在高溫下分解, 產生Na2CO3、H2O和CO2后與煙氣中的酸性污染物進行化學反應的工藝方式,來處理煙塵中的酸性廢氣。對于二惡英的控制，主要遵循國際上通用的3T+1E原則，并噴灑活性炭吸附殘留二惡英，同時摻入適量的煤，從而抑制二惡英的生成。

由于中國目前污泥處置技術和設備的欠缺，安全有效地處理污泥，安全高效地處置污水,使其實現減量化、穩定化、無害化和資源化,是目前我國待處理的主要環保問題之一，也是社會各界應該關注且認真思考的問題。