文_王楠 程慶

1.北京北排裝備產(chǎn)業(yè)有限公司 2.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司

隨著我國(guó)污水處理率的不斷提高，污水處理廠污泥處理與處置越來(lái)越成為其建設(shè)與運(yùn)行中重要的考察方向。污泥焚燒是一種十分徹底的污泥處理處置方式，可使污泥中的碳水化合物轉(zhuǎn)變成CO2和H2O，同時(shí)在高溫下殺滅病毒、細(xì)菌，因此，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。污水廠排放的污泥通常需要經(jīng)過(guò)脫水處理后外運(yùn)處置。常用的帶式脫水機(jī)、離心脫水機(jī)、疊螺脫水機(jī)等工藝能夠達(dá)到80%含水率水平；如要求達(dá)到60%含水率時(shí)，需要對(duì)活性污泥細(xì)菌進(jìn)行破壁，添加石灰和鐵鹽等進(jìn)行調(diào)理，再經(jīng)過(guò)板框脫水機(jī)脫水。運(yùn)輸同樣質(zhì)量絕干污泥，60%含水率污泥的體積僅為80%含水率污泥的一半。使用板框脫水機(jī)，往往需要大量的石灰及鐵鹽等污泥物質(zhì)，如此降低了總體的熱值。因此，本文綜合考慮污泥干化脫水及污泥熱值兩方面的能量衡算，通過(guò)實(shí)例計(jì)算，比較焚燒兩種含水率污泥的節(jié)能性。

1 低溫碳化焚燒工藝介紹

低溫炭化處理污泥焚燒工藝是在低溫（≤240℃）環(huán)境下將污泥氣化、炭化制成有機(jī)炭。有機(jī)炭熱值可達(dá)3800kcal/kg,可替代一次性燃料（煤、油或氣）返回至系統(tǒng)鍋爐中（≥1000℃）燃燒供熱，熱量回用于污泥氣化、炭化處理；有機(jī)炭高溫（≥1000℃）燃燒產(chǎn)生的爐渣無(wú)重金屬浸出毒性危害，有活性，可作為水泥、磚的生產(chǎn)原料，實(shí)現(xiàn)污泥資源化利用。

本工程實(shí)例處理60%含水率污泥70t/d，80%含水率污泥50t/d，進(jìn)泥中有機(jī)物含量為55%。工藝流程如圖1 所示，污泥從料倉(cāng)經(jīng)密閉進(jìn)料裝置進(jìn)入氣化反應(yīng)器中，在氣化反應(yīng)器內(nèi)，污泥與換熱裝置發(fā)生熱交換，污泥發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，泡體結(jié)構(gòu)破壞，污泥中的水變成水蒸氣從污泥中分離出來(lái)；氣化反應(yīng)后的污泥跌落進(jìn)入炭化反應(yīng)器內(nèi)繼續(xù)反應(yīng)，污泥的含水率進(jìn)一步降低，污泥轉(zhuǎn)變成有機(jī)炭顆粒，經(jīng)密閉出料裝置進(jìn)入烘干設(shè)備中，烘干設(shè)備是利用尾氣余熱間接烘干有機(jī)炭，經(jīng)過(guò)烘干的有機(jī)炭含水率降低至25%～30%，然后經(jīng)螺旋輸送機(jī)進(jìn)入鍋爐料斗中，經(jīng)鍋爐進(jìn)料裝置進(jìn)入爐膛內(nèi)高溫燃燒，高溫燃燒產(chǎn)生的爐渣經(jīng)刮板機(jī)輸送進(jìn)入大傾角皮帶輸送機(jī)中，然后進(jìn)入爐渣料倉(cāng)中儲(chǔ)存，待料倉(cāng)滿后，運(yùn)輸車輛開(kāi)至料倉(cāng)下，開(kāi)啟料倉(cāng)門(mén)，爐渣跌落進(jìn)入運(yùn)輸車輛車斗中，外運(yùn)制磚。煤炭作為輔助燃料經(jīng)裝載機(jī)裝載進(jìn)入煤斗中，經(jīng)皮帶輸送機(jī)輸送進(jìn)入鍋爐料斗中與有機(jī)炭顆?；旌线M(jìn)入爐膛內(nèi)輔助燃燒。

有機(jī)炭和煤炭作為燃料在鍋爐中高溫燃燒，產(chǎn)生的熱量經(jīng)循環(huán)泵輸送用于污泥氣化、炭化處理，實(shí)現(xiàn)污泥熱值的循環(huán)利用。

鍋爐尾氣溫度在850 ～900℃左右，先后經(jīng)過(guò)空預(yù)器I（鍋爐尾氣與鍋爐鼓風(fēng)氣體之間的熱交換，經(jīng)過(guò)空預(yù)器I 后，鍋爐尾氣溫度迅速降低至200 ～230℃，鍋爐進(jìn)風(fēng)溫度升高至500 ～600℃，鍋爐尾氣余熱再利用，提高鍋爐熱效率）和空預(yù)器II（鍋爐尾氣與氣化、炭化反應(yīng)器進(jìn)風(fēng)發(fā)生熱交換，鍋爐尾氣降低至120℃左右，氣化、炭化反應(yīng)器進(jìn)氣加熱到180℃左右，鍋爐尾氣余熱第二次再利用，提高氣化、炭化的熱效率）連續(xù)換熱，溫度降至120℃左右，然后進(jìn)入有機(jī)炭烘干設(shè)備作為烘干熱源（鍋爐尾氣余熱第三次再利用）繼續(xù)使用，溫度降低至100℃以下，然后進(jìn)入鍋爐尾氣處理系統(tǒng)處理排放。

有機(jī)炭烘干過(guò)程和污泥氣化、炭化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生水蒸氣，水蒸氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)從設(shè)備中引出，然后經(jīng)噴淋降溫、冷凝脫水處理后引入鍋爐爐膛內(nèi)高溫焚燒轉(zhuǎn)變成鍋爐尾氣，然后經(jīng)過(guò)三次余熱再利用溫度降低至100℃左右，然后進(jìn)入文丘里噴淋塔、化學(xué)洗滌塔除塵降溫除臭，再進(jìn)入低溫等離子塔除臭脫水處理后經(jīng)煙囪達(dá)標(biāo)排放。尾氣噴淋洗滌、冷卻、除塵及除臭用水可使用自來(lái)水或垃圾滲濾液處理后的中水，廢水排入污水處理區(qū)域和垃圾滲濾液一同處理。

圖1 工藝流程圖

2 物料衡算

由于本工程污泥的來(lái)源為兩種不同含水率的污泥，根據(jù)污泥處理量的比例，確定不同含水率污泥的處理時(shí)長(zhǎng)，其中含水率60%的污泥處理時(shí)長(zhǎng)14h,含水率80%的污泥處理時(shí)長(zhǎng)10h。二類污泥處理合計(jì)消耗煤12.81t/d。由于工藝段較為復(fù)雜，計(jì)算過(guò)程以表格形式列出（表1）。

表1

物料平衡如圖2 所示。

圖2 物料平衡圖

3 能量衡算

能量衡算主要包括氣化、炭化反應(yīng)中蒸發(fā)脫水、有機(jī)炭干燥脫水、焚燒爐有機(jī)炭焚燒等過(guò)程的能量平衡計(jì)算，如表2 所示。

表2

項(xiàng)目 符號(hào) 計(jì)算公式 80% 60% 單位混合煙氣比熱容 Cy 給定 2.40 2.40 kJ/m3.℃鼓風(fēng)室熱風(fēng)溫度 Tg 給定 60 60 ℃混合煙氣排放量 Qh 給定 12000 12000 m3混合煙氣排放溫度 Tp 給定 180 180 ℃混合煙氣排放帶走熱量Z3 Cy×Qh×(Tp-Tg)×14.4/(4.18×1000) 8267.94 11575.12 Mcal鍋爐燃燒熱量缺口 Zq Qx1+Z1+Z2+Z3-Q5 16715.42 37597.53 Mcal項(xiàng)目 符號(hào) 計(jì)算公式 80% 60% 單位鍋爐焚燒熱效率 Лf3 給定 0.80 0.80 %煤炭熱值 Qt 給定 5300 5300 kcal/kg需補(bǔ)充煤炭量 Qtt Zq×1000/Лf3/Qt/1000 3.94 8.87 t/d單位濕污泥需補(bǔ)充煤炭量Qts Qtt/(G1×T1)×1000×1000 78.85 126.68 kg/t單位絕干污泥需補(bǔ)充煤炭量Qtj Qts/F1 394.23 316.69 kg/t

4 結(jié)果與討論

通過(guò)物料平衡計(jì)算，本工程每日處理污泥120t，其中，需要補(bǔ)充50t 自來(lái)水，12.81t 煤炭，每日產(chǎn)生廢氣7.07t,處理后廢水68.74t，除臭廢水50t，冷卻蒸發(fā)50t，產(chǎn)生爐渣7t。本工程絕干污泥量為44t，煤炭量為12.81t，最終形成的固體僅有7t 爐渣，其余大部分轉(zhuǎn)化為廢氣和廢水，對(duì)固廢消減作用明顯。剩余爐渣或可做建材或可直接填埋，在“環(huán)境友好，節(jié)約用地”等方面優(yōu)于其他污泥處置方式。

從能量衡算中可知，在氣化炭化過(guò)程中，80%含水率污泥比60%含水率污泥需要更多熱量以進(jìn)行水分的蒸發(fā)，單位絕干污泥消耗熱量多出2 倍。80%含水率污泥產(chǎn)生的絕干有機(jī)炭焚燒熱值K1 是60%含水率污泥的2.78 倍，因此，同樣有機(jī)炭量下，60%含水率污泥需要投加更多的外加能源（煤炭）。這主要是因?yàn)槲鬯畯S在要求低含水率污泥脫水的過(guò)程中，需要大量投加生石灰及鐵鹽進(jìn)行調(diào)理，增加的大量無(wú)機(jī)成分降低了污泥的熱值。因此，在處理同樣重量濕污泥情況下，60%含水率污泥需要補(bǔ)充更多的煤炭Qts。但是，污水處理廠處置活性污泥的最終目標(biāo)是排出絕干污泥，兩者單位絕干污泥需要補(bǔ)充的能源Qtj接近。因此，從外加能源角度，兩種污泥并沒(méi)有明顯的優(yōu)劣，但60%含水率污泥能大量節(jié)約運(yùn)費(fèi)。

本文為污水廠在進(jìn)行污泥處理與處置提供了一個(gè)新的角度。在污水廠采用焚燒方式作為最終處置時(shí)，可通過(guò)能量平衡計(jì)算，并綜合考慮污水廠脫水設(shè)備一次性投資，污泥運(yùn)費(fèi)等各種經(jīng)濟(jì)技術(shù)因素，確定污泥處理要求的含水率。