introductory

通過梳理近十年國家在污泥處理處置的相關(guān)政策、技術(shù)路線發(fā)現(xiàn),污泥資源化問題一直在強調(diào)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(yīng)當(dāng)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(shè)施建設(shè)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(fā)改委和住建部聯(lián)合印發(fā)《城鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)施補短板強弱項實施方案》,方案提出加快推進(jìn)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(zhì)利用+焚燒”處置模式,將垃圾焚燒發(fā)電廠、燃煤電廠、水泥窯等協(xié)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(fā)展方向[1-2]。在此背景下,污泥熱解炭化技術(shù)受到關(guān)注。該技術(shù)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(dá)到85%以上;相比焚燒工藝,煙氣產(chǎn)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(jīng)過高溫處理,熱解氣循環(huán)利用,實現(xiàn)了污泥的“穩(wěn)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(yīng)多、運行成本高以及末端出路受限等問題,在國內(nèi)應(yīng)用案例逐漸增多。

1 Project Overview

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(qū),設(shè)計規(guī)模為300t/d(以含水率80%計),目前主要處理即墨區(qū)即發(fā)污水處理廠產(chǎn)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(shù)路線,其中煙氣凈化采用SNCR-旋風(fēng)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(shè)置3條機械濃縮、4條深度脫水處理生產(chǎn)線,2條污泥干化、炭化生產(chǎn)線,2條煙氣凈化生產(chǎn)線。污泥炭化后產(chǎn)物送至當(dāng)?shù)亟ú钠髽I(yè)制磚,煙氣中顆粒物、SO2、NOX排放濃度滿足《山東省區(qū)域性大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB37/2376-2013)表2中重點控制區(qū)標(biāo)準(zhǔn),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(biāo)準(zhǔn)》(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(tǒng);污泥調(diào)理及脫水系統(tǒng);污泥熱干化系統(tǒng);污泥熱解炭化系統(tǒng)和煙氣凈化等五大系統(tǒng)。輔助單元包括炭渣輸送及儲存系統(tǒng);壓縮空氣及氮氣系統(tǒng)和循環(huán)冷卻水等三大系統(tǒng),工藝流程見圖1。污水處理廠含水率98%~99%污泥經(jīng)機械濃縮后含水率達(dá)到95%~96%,泵送至污泥調(diào)理池,按序批次進(jìn)入高壓板框壓濾機系統(tǒng)脫水,含水率降至60%~65%,進(jìn)入半干污泥高位給料倉。泥餅經(jīng)料倉暫存后送入回轉(zhuǎn)干燥機,在干燥機內(nèi)旋轉(zhuǎn)的破碎裝置作用下,污泥與高溫?zé)煔膺M(jìn)行直接接觸,水分快速蒸發(fā)至20%以下。干化后污泥輸送進(jìn)入熱解炭化爐,被熱煙氣間接加熱發(fā)生熱解炭化反應(yīng)。產(chǎn)生污泥炭排出經(jīng)冷卻后,送至炭渣儲存?zhèn)}。炭化產(chǎn)生的熱解氣進(jìn)入燃燒系統(tǒng),燃燒產(chǎn)生850~950°C的煙氣,爐內(nèi)停留大于2s,并在反混尾氣中和后降至750°C左右進(jìn)入炭化爐外筒,為熱解炭化提供熱量,污泥熱值較低時導(dǎo)致熱解氣熱量不足時,補充天然氣提供熱量。高溫?zé)煔饨?jīng)過熱解炭化爐后,溫度降至650°C左右,進(jìn)入回轉(zhuǎn)干燥機,干燥后煙氣溫度降至130°C以下進(jìn)入煙氣凈化系統(tǒng)達(dá)標(biāo)排放。1.3項目特點項目采用中高溫?zé)峤馓炕に?熱解過程中產(chǎn)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(yǎng)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(chǎn)生的可燃?xì)馊紵h(huán)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(biāo)準(zhǔn)》(GB18485-2014)及山東省地方標(biāo)準(zhǔn),排放量僅相當(dāng)于污泥焚燒的30%~40%。熱解過程無氧,從源頭消除了二噁英產(chǎn)生的條件,車間內(nèi)污泥全封閉管理,污泥臭氣協(xié)同燃燒凈化,環(huán)境友好。

2主要設(shè)計單元和設(shè)計參數(shù)

2.1污泥接收、濃縮及儲存系統(tǒng)污水廠剩余污泥經(jīng)疊螺濃縮機處理后,含水率達(dá)到95%~96%,然后提升至污泥調(diào)理池進(jìn)行化學(xué)藥劑調(diào)理。外廠60%含水率污泥采用封閉式自卸車運輸進(jìn)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(jìn)入半干污泥高位給料倉。主要設(shè)計參數(shù)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(nèi)襯PE板材質(zhì);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(jìn)泥量60~70m3/h,功率5.75kW。2.2污泥調(diào)理、脫水系統(tǒng)濃縮后污泥進(jìn)入調(diào)理池,投加的化學(xué)調(diào)理藥劑與污泥快速混合反應(yīng),調(diào)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(zhuǎn)運至半干污泥高位給料倉。污泥壓濾和濾布沖洗廢水進(jìn)入即發(fā)污水廠處理系統(tǒng)。主要設(shè)計參數(shù)如下:

①污泥調(diào)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(zhuǎn)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(jìn)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(shè)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(tǒng)半干污泥高位給料倉倉底設(shè)有螺旋輸送機,螺旋輸送機將半干污泥輸送至回轉(zhuǎn)干燥機進(jìn)料端,污泥在回轉(zhuǎn)干燥機內(nèi)打散裝置、導(dǎo)料板、抄板等結(jié)構(gòu)的共同作用下,不斷地被打散、拋起及撒落,并與高溫?zé)煔獬浞纸佑|,進(jìn)行污泥脫水干燥。污泥干燥后含水率降為20%以下。主要設(shè)計參數(shù)如下:

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

②干燥進(jìn)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(tǒng)干化后的污泥經(jīng)密閉螺旋輸送機均勻送入熱解炭化爐上部,通過鎖風(fēng)器進(jìn)入炭化爐內(nèi)部,炭化爐內(nèi)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(chǎn)物以氣體為主,主要為氣態(tài)的小分子碳?xì)浠衔?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(fēng)爐內(nèi)補充天然氣燃燒獲得。主要設(shè)計參數(shù)如下:

①炭化爐本體:2臺,單臺尺寸?1.6m×18m,高溫段材質(zhì)為耐熱不銹鋼310S;配套設(shè)備:主傳動系統(tǒng)2套,功率22kW;炭化進(jìn)料密封系統(tǒng)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(jìn)料螺旋:2臺,型號LS250,功率3kW;

③熱風(fēng)爐本體:2臺,配套設(shè)備:天然氣燃燒器2臺;分級配風(fēng)系統(tǒng)4臺,功率4kW;火焰在線監(jiān)測系統(tǒng)2套;

④煙氣返混系統(tǒng):配置高溫風(fēng)機2臺,功率11kW;

⑤燃?xì)怙L(fēng)機:配置高溫防爆燃?xì)鈱Ｓ蔑L(fēng)機2臺,功率15kW。

2.5煙氣凈化系統(tǒng)煙氣凈化工藝首先采用旋風(fēng)除塵去除干化過程產(chǎn)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(jìn)一步除塵,最后經(jīng)過活性炭吸附塔去除重金屬和二噁英后達(dá)標(biāo)排放。污泥熱解和熱解氣燃燒過程中產(chǎn)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(nèi)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(nèi),氨水溶液與煙氣中氮氧化物進(jìn)行反應(yīng)去除氮氧化物。主要設(shè)計參數(shù)如下:

①SNCR爐內(nèi)脫硝系統(tǒng):2套,處理能量15000Nm3/h,配套設(shè)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(fēng)除塵器:2套;

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

④爐外脫硝氧化塔系統(tǒng):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(huán)泵2臺,流量60m3/h,揚程18m,功率7.5kW;吸收循環(huán)泵3臺,流量60m3/h,揚程18m,功率7.5kW;

⑤除塵除霧塔系統(tǒng):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(fēng)機系統(tǒng)2臺,功率75kW;⑥深度脫除系統(tǒng):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(tǒng)污泥炭渣顆粒經(jīng)設(shè)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(jìn)入儲存?zhèn)}之前需要進(jìn)行冷卻。螺旋輸送裝置內(nèi)設(shè)有兩級水冷裝置(循環(huán)水),可將炭渣溫度降低至60°C以下,另設(shè)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(jìn)行直接冷卻和加濕,進(jìn)入儲存?zhèn)}的炭渣含水率約10%。主要設(shè)計參數(shù)如下:

①污泥炭渣儲存?zhèn)}: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(tǒng):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(jìn)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(jìn)行檢測,參照國家標(biāo)準(zhǔn)《煤的工業(yè)分析方法》(GB/T212-2008)中揮發(fā)分的方法進(jìn)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(fā)分平均值為44.04%,高于30min揮發(fā)分平均值的41.96%,其中在600°C時前者比后者高出的揮發(fā)分?jǐn)?shù)值為3.24%。從溫度上分析,加熱時間對揮發(fā)分的影響在不同溫度區(qū)間,影響程度不同,加熱時間對揮發(fā)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(shù)據(jù)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(dāng)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(biāo)進(jìn)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(shù)據(jù)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(dāng)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(biāo)進(jìn)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(xiàn)[中的數(shù)據(jù)結(jié)果具有相似性,總體分為三個階段,第一階段溫度區(qū)間為室溫~135.64°C,DTG峰值出現(xiàn)在69.64°C,其失重主要因為污泥中所含的少量結(jié)合水受熱揮發(fā)。第二階段溫度區(qū)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(xiàn)在314.268°C。在該階段污泥中揮發(fā)分大量析出和分解,產(chǎn)生大量焦油及CO、H2等可燃性氣體[6]。第三階段段溫度區(qū)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(fā)物質(zhì)及少部分無機鹽,DTG在756.77°C出現(xiàn)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(fā)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(yǎng)物質(zhì)測定本工程對回轉(zhuǎn)干燥機出泥和炭化爐出泥炭渣進(jìn)行了重金屬和營養(yǎng)物質(zhì)檢測,數(shù)據(jù)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(jìn)水水質(zhì)影響,干化后污泥對于污泥農(nóng)用A級標(biāo)準(zhǔn)來說,總鋅、總汞等重金屬均有不同程度的超標(biāo)。經(jīng)過熱解炭化后,炭渣經(jīng)過浸出液檢測,重金屬指標(biāo)大幅降低,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于污泥農(nóng)用數(shù)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(yǎng)元素固化率達(dá)到59.74%、92.31%、86.51%。

3.3污泥減量化數(shù)據(jù)統(tǒng)計統(tǒng)計2021年1至3月進(jìn)泥量和炭渣數(shù)據(jù),其中進(jìn)泥量為17912t(80%含水率),炭渣產(chǎn)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(dá)到86%。

3.4煙氣排放數(shù)據(jù)表2為2021年檢測的主要污染物排放數(shù)值,均達(dá)到環(huán)評批復(fù)標(biāo)準(zhǔn)。

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(tǒng)產(chǎn)能下降。后續(xù)項目可考慮調(diào)整為連續(xù)進(jìn)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(jìn)泥不連續(xù):干燥機運行根據(jù)煙氣出口溫度控制進(jìn)泥,造成進(jìn)泥不連續(xù)。目前正在摸索煙氣出口溫度與污泥含水率的關(guān)系曲線,提高進(jìn)泥連續(xù)性。

(3)炭化爐進(jìn)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(shè)置緩沖料倉及料位開關(guān)。炭化爐進(jìn)料直接受干燥機進(jìn)料影響,兩臺設(shè)備物料給料強關(guān)聯(lián),干燥機進(jìn)料非連續(xù),炭化爐進(jìn)料波動,同時不能有效保證進(jìn)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(fā)生故障直接導(dǎo)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(xiàn)脫扣,斷鏈等故障,就需要全線降溫檢修甚至停產(chǎn)。

4技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析本工程投資估算1.39億元,設(shè)計規(guī)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(wěn)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(jié)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(wěn)定運行兩年,是目前國內(nèi)運行規(guī)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(yǎng)物質(zhì)損失小,炭渣資源化利用途徑多。本工程的順利實施為國內(nèi)污泥熱解炭化技術(shù)發(fā)展起到了很好的示范作用。本工程還需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)自動化控制水平,提高輸送設(shè)備運行的穩(wěn)定性;需要對污泥熱值進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,優(yōu)化運行參數(shù),降低天然氣消耗量;需要進(jìn)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(jīng)濟(jì)價值。

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