城市污泥焚烧工艺研究进展.pdf

城市污泥焚烧工艺研究进展 * 李辉1， 2， 5吴晓芙2蒋龙波3， 4梁婕3， 4李昌珠1， 5袁兴中3， 4肖智华3， 4郭晶晶3， 4 1． 湖南省林业科学院生物能源研究所， 长沙 410004; 2． 中南林业科技大学林学院， 长沙 410004; 3． 湖南大学环境科学与工程学院， 长沙 410082; 4. 环境生物与控制教育部重点实验室 湖南大学 ， 长沙 410082; 5． 湖南省生物柴油工程技术研究中心， 长沙 410004 摘要 污泥焚烧是可实现最大量减容的污泥处置方法， 在欧洲、 美国、 日本等发达国家， 该工艺已日臻成熟。为了探讨 污泥焚烧的可行性， 阐述了直接焚烧技术、 混合焚烧技术和新兴的污泥合成燃料的技术路线， 重点介绍了污泥焚烧设 备并指出流化床焚烧炉是目前污泥焚烧的主要设备。最后简要介绍了国内外典型的污泥焚烧系统， 并指出了污泥焚 烧存在的问题和未来的发展趋势。 关键词 污泥; 焚烧; 污泥合成燃料; 流化床焚烧炉; 焚烧设备 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201406021 PＲOGＲESS IN STUDY ON THE INCINEＲATION TECHNOLOGY OF MUNICIPAL SEWAGE SLUDGE Li Hui1， 2， 5Wu Xiaofu2Jiang Longbo3， 4Liang Jie3， 4Li Changzhu1， 5Yuan Xingzhong3， 4Xiao Zhihua3， 4Guo Jingjing3， 4 1． Institute of Bio- Energy，Hunan Academy of Forestry，Changsha 410004，China; 2． College of Forestry，Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China; 3． College of Environment Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China; 4． Key Laboratory of Environmental Biology and Pollution Control Hunan University ，Ministry of Education，Changsha 410082，China; 5． Hunan Biodiesel Ｒesearch and Engineering Center，Changsha 410004，China AbstractSludge incineration is the disposal that has the maximum amount of volume reduction，which has become more practical in Europe，America，Japan and other developed countries． In order to investigate the feasibility of sludge incineration，the present s of direct and mixed incineration technology were elaborated，as well as the emerging sludge derived fuel． Meanwhile，sludge incineration facilities were highlighted，and it was pointed out that fluidized bed incinerator was the main equipment for sludge incineration． Eventually，the typical sludge incineration systems at home and abroad were described briefly，and the problems and future trends of sludge incineration were pointed out． Keywordssewage sludge; incineration; sludge derived fuel;fluidized bed incinerator; incineration facility * 湖南省自然科学基金 13JJ4118 ; 湖南省科技计划项目 2014WK2030 ; 中 国科学院可再生能源重点实验室开发基金 y407k91001 ; 中欧中小企业节能 减排 科 研 合 作 资 金 项 目 SQ2011ZOD200002 ; 国 家 自 然 科 学 基 金 51009063 ; 第52 批博士后面上资助 2012M521519 。 收稿日期 2013 －08 －20 0引言 随着人口的日益增长和城镇化程度的不断提高， 城市污水的处理量迅速增加， 但随之而来的污泥又带 来了二次污染。其中的有害成分， 如有机污染物、 重 金属、 寄生虫、 病原菌及臭气对城市环境卫生造成了 严重影响。如何妥善和科学地处理污泥， 并充分利用 污泥中的资源，使之达到减量化、 稳定化、 无害化和 资源化具有重要的现实意义［1 ］。 中华人民共和国住房和城乡建设部、 中华人民共 和国国家发展和改革委员会联合制定并下发的关 于印发城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南 试 行 的通知 建科［ 2011134］ 号 中明确提出了污泥 处置方式包括污泥的土地利用、 焚烧、 建材利用和填 埋等。填埋法需要占用大量土地， 加剧了土地资源的 紧张局势， 且处理不当可能造成土壤和地下水的污 染; 污泥成分复杂， 有害物质较多， 限制了污泥的土地 利用; 污泥的建材利用是一种理想的资源化方法， 但 存在污泥处理量较小， 处理成本高和产品销路不畅等 88 环境工程 Environmental Engineering 问题。污泥焚烧处理不仅可以最大限度地实现污泥 的减量化和无害化， 而且焚烧渣还可以制成附属产 品， 是一种有效的污泥处置方式。污泥焚烧具有处理 速度快， 处理量大， 占地面积小， 不需要长期储存， 可 就地焚烧， 不需要长距离运输， 可以回收能量用于供 热或发电等特点 ［2 ］。污泥焚烧能够实现污泥最大程 度的减量化， 随着其应用越来越广泛， 污泥焚烧被认 为是污泥处置技术中最有发展前景的方法之一。 1污泥焚烧工艺的现状 1. 1污泥焚烧的兴起 污泥焚烧的初期研究是 1959 年美国的诺亚克 Noack 、 1960 年施莱辛格 Schlesinger 等在匹兹堡 能源中心 Pittsburg Energy Center 开始的， 其共同特 点是以回收能源为目的［2 ］。世界上第 1 台焚烧污泥 的流化床锅炉在1962 年建于美国Lynnword Washington， 至今仍在运行 ［3 ］。自此之后， 德国、 日本、 丹麦、 瑞士 和瑞典等发达国家的研究人员也先后进行了污泥焚 烧的研究。从 20 世纪 90 年代起， 污泥焚烧工艺逐渐 成熟， 发达国家逐渐开始把污泥焚烧工艺作为处理污 泥的主要方法之一［4 ］。德国有近 40 个污水处理厂多 年来采用污泥焚烧工艺， 污泥焚烧炉最早是多段竖 炉， 而后被流化床锅炉逐渐取代。在丹麦， 每年约有 25的污泥在 32 座焚烧厂中处理。焚烧法处置污泥 在日本发展迅速， 且应用最广泛， 例如 1984 年日本焚 烧处理量占污泥处置总量的 72， 1992 年占市政污 泥处理量的 75。现在日本规模较大的污水处理厂 大都采用焚烧法处理污泥。随着各国对污泥处理中 环保要求的提高， 污泥焚烧法因具有最大化的减容和 无害化效果， 越来越受到青睐。 1. 2污泥焚烧技术概述 污泥焚烧是指污泥中的有机质在一定温度、 气相 充分有氧的条件下发生燃烧反应， 并转化成 CO2和 H2O 等相应的气态物质， 包括蒸发、 挥发、 分解、 烧结、 溶融和氧化还原反应， 以及相应的传质和传热的综合 物理和化学反应过程［5 ］。目前， 污泥焚烧技术可大 致分为两类， 即直接焚烧技术和混合焚烧技术。 直接焚烧技术是在污泥含水率较低和热值较高 的前提条件下， 添加少量辅助燃料或不添加辅助燃料 进行焚烧处理。但当污泥含水率较高， 热值较低时， 直接进入焚烧炉焚烧会消耗大量的辅助燃料， 能量利 用率低， 运行费用高 ［6 ］。GB/T 246022009城镇污 水处理厂污泥处置单独焚烧用泥质 规定了污泥单 独焚烧的理化性质， 见表 1。由表 1 可以看出 污泥 单独焚烧需要满足一定的含水率、 热值、 pH、 有机物 含量要求。因此， 采用污泥直接焚烧的技术一般先将 污泥干化后再焚烧。干化焚烧技术一般由干化、 焚烧 和尾气处理等部分组成， 可以利用焚烧产生的热量干 燥污泥， 能量利用率高， 甚至可以实现不添加辅助燃 料自持燃烧， 干化焚烧是污泥直接焚烧处理的首选工 艺。但该技术存在着投资成本、 操作运行费用高等 问题。 表 1焚烧污泥理化性质 Table 1Physical and chemical properties of sludge for incineration 控制项目 类别 pH含水率/ 低位热值/ kJ kg －1 有机物 含量/ 自持焚烧5 ～10＜50＞5000＞50 助燃焚烧5 ～10＜80＞3500＞50 干化焚烧5 ～10＜80＞3500＞50 注 干化焚烧含水率＜80 是指污泥进入干化系统的含水率; 在选择焚烧炉型时要充分考虑污泥的含砂量。 混合焚烧技术是指将污泥与其他可燃物 如煤、 生活垃圾和生物质等 进行混合燃烧。与污泥干化 焚烧的处理技术相比， 混合燃烧技术只需要建立污泥 输送系统， 而省去了污泥干化系统的投资与建设， 系 统简单， 操作方便， 但是存在以下问题［7 ］ 1 污泥含水率、 热值和掺烧率对焚烧锅炉的热 效率有较大影响， 污泥含水率高、 热值低和掺烧比例 大时， 不易燃烧， 需要补充大量辅助燃料， 增加了运行 费用。 2 作为污染物的污泥在焚烧时需要较大的空气 过剩系数， 而且污泥含水率过高， 导致烟气排量增大， 锅炉效率降低， 烟气系统磨损严重。 3 污泥脱水后， 含水率仍较高， 掺烧比例不能过 高， 一般在 10左右， 污泥处理的能力有限。污泥脱 水到 60 左右时， 黏度系数较大， 输送能耗高且易 堵塞。 针对污泥直接焚烧和混合焚烧时的问题， 国内外 学者提出了污泥合成燃料技术［8 ］。污泥合成燃料技 术主要是污泥与其他高热值的燃料 如煤、 木屑、 农 作物秸秆等 在添加少量固硫剂、 防腐剂、 粘结剂的 条件下进行混合成型， 制备成型燃料的过程［9 ］。污 泥是一种高灰分、 高挥发分、 低固定碳含量、 低热 值 ［10 ］的燃料， 具有着火容易、 着火温度低、 着火方式 为均相着火、 燃烧物质以挥发分为主等燃烧特性［11 ］。 而高挥发分燃料燃烧时， 挥发分析出速度快， 燃烧平 98 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 稳性差 ［12 ］。污泥合成燃料技术可以明显改善污泥的 燃烧特性， 使污泥中的挥发分缓慢释放， 且燃烧过程 能够保持骨架结构， 燃烧更加充分， 二次污染物减 少 ［13 ］。合成燃料可以显著降低污泥体积， 减少运输 储存成本， 而且产品无臭味， 储存过程不存在二次污 染和粉尘爆炸的危险， 具有良好的经济效益［14- 15 ］。 2污泥焚烧设备 污泥焚烧设备主要有流化床、 多层炉排炉、 带式 炉、 熔融炉、 回转窑炉和旋风炉等， 目前流化床焚烧炉 的市场占有率超过了 90， 是污泥焚烧最主要的 设备。 2. 1流化床焚烧炉 流化床技术最早由德国人 Fritz Winkler 于 1922 年获得专利。美国于 20 世纪 60 年代将此技术用于 焚烧市政污水污泥和工业废弃物［3 ］。流化床焚烧炉 主体设备是一个圆形塔体， 塔内壁衬耐火材料， 炉膛 下部布置有耐高温的布风板， 布风板上装有惰性颗 粒， 通过床下布风使床内载体“沸腾” 呈流化状态。 污泥加入后与载体接触实现快速的传质传热， 污泥处 于激烈的翻腾和循环流动中， 污泥燃烬率高 ［16 ］。 流化床焚烧炉可以直接焚烧机械脱水污泥， 也可 以焚烧干化后的污泥。两种工艺配合适当的烟气净 化系统都能使烟气达到严格的排放标准。流化床用 于污泥焚烧处理具有以下优点［2， 17- 18 ］ 1 流化床锅炉 传质传热速率很快， 能实现瞬间分散均匀。2 由于 载体处于流动状态且本身能储存大量热量， 所以床层 反应温度均匀， 床内温度能得到较好控制， 很少发生 局部过热现象。3 结构简单、 燃烧效率高， 可以允许 较低的空气过剩系数， 稳定性高。4 燃料适应性广， 在处理含有大量易挥发性物质时 如含油污泥 ， 也 不会像多段炉那样有发生爆炸的风险。5 能减少有 害气体 SO2和 NOx等的排放， 对环境更友好等。因 此， 流化床焚烧炉得到了较好的应用， 其型式有道 尔 － 奥利弗 Dorr- Oliver 流化床焚烧炉、 回旋型流化 床焚烧炉 ［19 ］、 带干燥段的流化床焚烧炉等。 Murakami T 等 ［20 ］研究了污泥在烟气驱动涡轮增 压器加压的流化床焚烧炉中的燃烧特性。相对于传 统燃烧设备， 烟气中 CO、 NOX和 N2O 减少量超过 50， 能源节约约 50， CO2排放量和助燃剂量减少 约 40， 能够实现污泥焚烧的能量回收、 节约费用和 较低的环境影响。Khiari B 等 ［21 ］研究了鼓泡流化床 的瞬态数学模型， 利用模型来研究流化床的中污泥的 燃烧特性， 并用实验数据进行验证， 主要考察缓冲区 特征和污泥热解特性。流化床焚烧炉如何进一步降 低能耗、 减少成本、 减少二次污染物、 回收能量是现在 的研究重点。 2. 2多层炉排炉 发达国家早期的污泥焚烧厂基本均采用多层炉 排炉， 多层炉一般直径为 8 m， 高 14 m， 由 14 层炉排 组成， 污泥从多层炉顶部加入， 在旋转耙的作用下一 层层落入下部炉排。污泥从上部炉排到下部炉排的 燃烧可分为 3 个阶段 第 1 段为加热段， 污泥被预热 气化; 第 2 段为燃烧段， 污泥在这里进行焚烧; 第 3 段 为燃尽段， 污泥燃烧完全， 并排出炉渣 ［22 ］。这种炉排 是由耐磨和耐高温的特殊合金制成的， 炉膛侧壁和天 井由水冷或耐火砖炉壁构成， 能保证污泥在控制的温 度条件下燃烧、 燃尽。多层炉排炉的优点为热烟气直 接接触污泥， 热效率很高。多层炉排炉存在的问题主 要是干燥和燃烧分多段， 物料处理缓慢， 温度控制、 运 转操作等较复杂， 且需要较多的燃料［23 ］。 2. 3回转窑炉 回转窑炉在工业上应用比较广泛。回转窑炉一般 由一个内衬耐火材料或管式水冷壁的旋转圆筒组成。 物料从回转式转筒的上端送入， 污泥在滚筒中缓慢翻 滚， 与热烟气充分接触混合， 在高温状态下 800 ～ 1 000 ℃ 与助燃空气充分接触， 经过升温、 干燥、 着火、 焚烧和燃尽过程 ［ 24 ］。通过改变回转窑的转速可以控 制污泥在窑中的停留时间。该技术也有一些明显的缺 点， 如炉体转动缓慢， 污泥处理量不大， 燃烧不易控制， 耐火材料衬里磨损严重， 维修频率较高 ［ 22 ］。回转窑炉 效率不是很高， 主要原因是污泥在回转过程中形成球 团， 外部被烧结而内部没有完全燃烧 ［ 23 ］。 3国内外典型污泥焚烧案例简介 从 20 世纪 90 年代起， 各国开始把污泥焚烧作为 处理污泥的主要方法之一。目前， 国内外已有许多污 泥焚烧的工程案例， 它们采用不同的焚烧工艺系统， 各有优缺点。 3. 1西格斯污泥焚烧系统 Copenhagen 市政污泥处理系统采用西格斯流化 床焚烧炉系统， 该系统具有分级燃烧的特点， 能够实 现良好的温度控制， 使污泥完全燃烧。在良好工况条 件下可以降低 CO 和 NOx排放量， 而且可以在空气过 剩系数较低的情况下运行。流化床内部有一个内部 能量回收系统， 能使低热值的污泥用自身热量燃尽， 09 环境工程 Environmental Engineering 且能在内部热回收系统中预热参与燃烧的空气， 从而 降低辅助燃料的消耗［25 ］。 3. 2EcoDry 污泥处理系统 德国 Obrigheim 污水处理厂 EcoDry 污泥处理系 统由 Andritz 安德里茨 公司开发， 结合了转鼓式干 化系统与旋风炉焚烧系统。部分干化的污泥与湿污 泥返混， 使污泥含水率降低至 35 左右， 然后送入转 鼓前端， 被来自热交换器的热气流送入转鼓式干燥 器。干化后的污泥颗粒需要经过分离筛选， 细小颗粒 作为基料进入返混系统， 粗大颗粒经过粉碎后作为旋 风炉燃烧的能源。焚烧炉产生的高温烟气进入热交 换器传递热量后， 分别经过吸收器处理后排入 大气 ［26 ］。 3. 3荷兰 SNB 污泥焚烧系统 荷兰 SNB 污泥焚烧厂采用转盘式干化机与流化 床焚烧炉相结合的污泥干化焚烧系统。湿污泥由污 泥泵送入转盘式干化机内， 在外部热源 蒸汽或导热 油 作用下加热干化至含水率 50 ～60， 变为半干 化污泥。半干化污泥进入流化床焚烧炉后， 污泥中的 水份被蒸发后燃烧， 污泥焚烧产生的大量热烟气经过 热交换器和余热锅炉冷却， 再经过尾气净化装置处理 达标后排入大气。焚烧后烟气的热量一部分通过热 交换器加热燃烧空气保证焚烧炉的稳定燃烧， 其余部 分通过余热锅炉产生蒸汽或加热导热油， 作为转盘式 干化机的热源介质， 实现热量的循环利用［26- 27 ］。 3. 4国内污泥焚烧系统 国内污泥焚烧处理起步比较晚， 污泥焚烧的比例 也不高， 但近年来， 污泥焚烧越来越受到重视。国内 污泥焚烧大体有两种技术路线 一是建设独立的污泥 焚烧处置系统; 二是依托电厂现有燃煤锅炉、 垃圾焚 烧炉等， 进行适当的改造， 将污泥与煤或垃圾等混烧。 目前国内采用独立污泥焚烧系统的较少， 主要有上海 市石洞口污泥干化焚烧工程和杭州萧山区 浙江环 兴 污泥喷雾干燥焚烧处置工程。前者采用了流化 床干化系统和流化床焚烧系统相结合的工艺; 后者采 用了污泥喷雾干燥与回转窑焚烧技术相结合的工艺 流程。两者都存在投资运行成本高、 技术不成熟、 能 耗高等问题。依托现有电厂的污泥掺烧处置系统有 1 脱水污泥直接焚烧技术， 如南京协鑫热电污泥焚 烧发电工程、 常州广源热电污泥焚烧发电工程等。 2 污泥干化焚烧技术， 如江阴康顺热电污泥处理工 程、 华电滕州新源热电污泥干化焚烧工程、 山东胶南 易通热电污泥综合利用发电项目等。脱水污泥直接 焚烧技术没有污泥干化设备、 系统简单， 但存在污泥 含水率高影响锅炉和系统效率、 输送过程易堵塞、 污 泥处理量不高、 处理烟气量大等问题。污泥干化焚烧 技术污泥处理量大、 锅炉和系统效率高， 但存在污泥 干化系统能耗高、 烟气可利用率低、 易产生二次污染 等问题。国内的污泥焚烧技术还有北京金隅新北水 水泥有限责任公司处置污水厂污泥工程时采用的水 泥窑污泥处置技术和杭州城市建设研究院提出的 “三段法” 污泥处置技术等 ［28 ］。 4污泥焚烧存在的问题及发展趋势 焚烧法所存在的问题主要如下 1 成本问题。污泥焚烧的投资运行成本高是制 约其发展的主要因素之一， 如上海石洞口污泥干化焚 烧工程建设投资 8 000 万元， 污泥处置成本 238. 8 元/t［28 ］。如何开发新的焚烧工艺， 降低投资运行成 本， 将是今后污泥焚烧的发展方向［29 ］。 2 二次污染问题。污泥燃烧时会产生有毒有害气 体和烟尘， 如 NOx、 SOx、 HCl 和二恶英等［ 4 ］。如何改造 锅炉， 提高燃烧效率， 以减少有毒气体与烟尘的产生量 并有效去除有害气体将是污泥焚烧的研究方向。 3 能量回收问题。提高污泥焚烧能源的回收率 和利用率， 不仅能够降低成本， 还能有效利用污泥 热值。 4 污泥的燃烧稳定性问题。污泥是一种高挥发 分物质， 存在燃烧不稳定、 对锅炉损伤大的问题。污 泥合成燃料技术是一种有效解决途径。 污泥焚烧可以在短时间内处理大量污泥， 且在最 大化减容、 减量的同时还能回收热能， 在目前土地资 源日趋紧张， 土壤污染和地下水污染问题日益突出的 背景下， 污泥焚烧技术无疑给污泥处置提供了最好的 出路。结合本国的实际情况， 综合考虑污泥自身性质 和焚烧工艺的特点， 以最经济、 最有效的焚烧方法处 置污泥是未来污泥处理处置的必然趋势。虽然焚烧 法也存在上述的一些问题， 但随着焚烧技术的不断优 化以及焚烧工艺的成熟和推广， 这些问题必将得到很 好地解决。从经济性和产业化应用角度来看， 降低焚 烧成本、 优化工况条件、 严格控制二次污染物、 提高燃 烧的稳定性、 提高能量利用率以及多元化利用焚烧剩 余物将是今后污泥焚烧技术的主要研究方向。随着 研究的不断深入， 污泥焚烧法和污泥合成燃料技术将 成为未来最具潜力的污泥处置方法。 19 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 参考文献 ［1］张贺飞，徐燕，曾正中，等． 国外城市污泥处理处置方式研究 及对我国的启示［J］ ． 环境工程， 2010， 28 S1 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