市政污泥干化碳化成套工藝技術(shù)介紹及產(chǎn)業(yè)化案例分享

全康環(huán)保:摘要：本文對(duì)污泥連續(xù)熱力干化耦合絕氧熱解工藝進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并以青島市即墨區(qū)300t/d污泥干化碳化處置工程為例進(jìn)行了分析。污泥熱力干化碳化技術(shù)具有減量化徹底、熱量利用率高、排放環(huán)保、重金屬固化、產(chǎn)物安全利用等優(yōu)點(diǎn)，基于上述技術(shù)和環(huán)境友好優(yōu)勢(shì)，該工藝成為實(shí)現(xiàn)污泥處置的優(yōu)選工藝之一。

在城市污水處理過程中，污水經(jīng)過一系列處理得以達(dá)標(biāo)排放，而大量污染物被富集、濃縮而轉(zhuǎn)移至污泥中。2015 年全國污泥年總產(chǎn)量接近4000 萬噸（以含水率80%計(jì)）。按照預(yù)測(cè)，到2020 年污泥產(chǎn)量將突破年6000萬噸。城鎮(zhèn)污水處理廠污泥不僅含水量高、易腐爛、有強(qiáng)烈臭味，并且含有大量病原菌、寄生蟲卵以及鉻、銅等重金屬和多環(huán)芳烴等難以降解的有毒有害及致癌物質(zhì)。污泥未經(jīng)處理隨意堆放，經(jīng)過雨水的侵蝕和滲漏作用，易對(duì)地下水、土壤等造成二次污染，直接危害人類身體健康[2-3]。

2020年7月國家發(fā)改委、住建部聯(lián)合印發(fā)的城市生活污水處理設(shè)施補(bǔ)短板強(qiáng)弱項(xiàng)實(shí)施方案》明確提出到2023年，進(jìn)一步提高城市污泥無害化處置率和資源化利用率[4]。

國內(nèi)目前污泥處置的最終去向可分為衛(wèi)生填埋、土地利用、厭氧消化、好氧堆肥、干化焚燒、炭化等。在上述技術(shù)中污泥碳化和焚燒能實(shí)現(xiàn)污泥的徹底減量化，而熱解碳化跟焚燒相比，具有煙氣排放量少、源頭抑制二?f英生成、污泥炭用途安全多樣等優(yōu)點(diǎn)，采用熱解碳化技術(shù)處置污泥越來越普遍[5-7]。

01 污泥絕氧熱解碳化成套工藝

污泥絕氧熱解碳化技術(shù)，就是將脫水后的污泥（含水率30%以下）進(jìn)行間接絕氧加熱，使污泥在500～650℃溫度下進(jìn)行熱分解，固體產(chǎn)物冷卻后成為污泥炭，熱解產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體燃燒后提供碳化所需熱量的技術(shù)。

污泥中的重金屬在碳化過程中轉(zhuǎn)化為殘?jiān)鼞B(tài)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定化，避免在自然界中釋放析出，實(shí)現(xiàn)徹底安全處置。同時(shí)污泥中的抗生素在碳化過程完全分解，徹底無害化。

污泥炭產(chǎn)物可安全消納使用，用途廣泛。在碳化過程中，污泥中豐富的N、P、K 絕大部分留存在污泥炭中，因此污泥炭可作為園林綠化營養(yǎng)土、土壤改良劑；污泥炭化學(xué)和物理性質(zhì)穩(wěn)定，可作為建材原料使用；又由于其含有較發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，可作為吸附材料直接或加工后使用；同時(shí)污泥炭含水率極低，熱值約1500大卡，也可以作為燃料使用。

因此，在目前的污泥資源化利用技術(shù)中，污泥熱解碳化技術(shù)是國際上最先進(jìn)的環(huán)保熱點(diǎn)技術(shù)之一。

02 工藝流程

1、污泥濃縮：污水處理廠含水率97%的脫水污泥通過泵輸送至調(diào)質(zhì)池中，添加藥劑后，經(jīng)疊羅濃縮機(jī)濃縮到含水率95%的泥漿。

2、污泥調(diào)質(zhì)：調(diào)配好的污泥通過泵送至污泥調(diào)理罐，加入藥劑后進(jìn)行攪拌調(diào)理，使污泥的細(xì)胞壁破壞，便于后續(xù)擠壓脫水。

3、板框脫水：調(diào)理后的污泥送入板框機(jī)進(jìn)行固液分離，污泥含水率降至60%左右。

4、熱力干化：板框脫水后的60%的泥餅送入污泥干燥機(jī)，在干燥機(jī)內(nèi)與碳化爐排出的余熱煙氣接觸，加熱蒸發(fā)水分，將含水率60%左右的污泥干燥至含水率20%以下。

在此環(huán)節(jié)，也可利用蒸汽余熱鍋爐，吸收碳化爐排出的熱煙氣產(chǎn)生蒸汽，送入污泥蒸汽干化機(jī)，與污泥間接接觸蒸發(fā)脫水。

5、熱解炭化：含水率20%左右的污泥，輸送進(jìn)入連續(xù)式絕氧熱解碳化爐，與熱煙氣間接加熱發(fā)生熱解碳化反應(yīng)，產(chǎn)生污泥炭排出經(jīng)冷卻后，送至炭渣儲(chǔ)存?zhèn)}。碳化產(chǎn)生的熱解氣進(jìn)入熱解氣燃燒系統(tǒng)燃燒。

6、熱解氣燃燒：由碳化爐產(chǎn)生的熱解氣，進(jìn)入熱解氣燃燒裝置，產(chǎn)生800~900℃的煙氣，返回碳化爐，為熱解碳化提供熱量。污泥熱值較低時(shí)導(dǎo)致熱解氣熱量不足時(shí)，由天然氣補(bǔ)充提供。

7、熱量的梯級(jí)利用：為了充分回收熱量，熱解炭化爐產(chǎn)生的熱解氣燃燒后，產(chǎn)生900℃左右的熱煙氣，熱煙氣首先進(jìn)入熱解爐，提供熱解所需熱量，從熱解爐出來的煙氣溫度為600℃左右，為脫水泥餅的熱力干燥提供熱量，干燥后煙氣溫度降至120℃后進(jìn)入煙氣處理系統(tǒng)。

8、煙氣處理系統(tǒng)：熱解氣和天然氣燃燒過程中，會(huì)產(chǎn)生氮氧化物和二氧化硫等污染物。煙氣通過脫硝、脫硫、除塵等工藝處理后達(dá)標(biāo)排放。

03 工藝優(yōu)勢(shì)

1、占地小

采用熱化學(xué)處理技術(shù)，與其它非熱化學(xué)處理技術(shù)如堆肥等相比，具有處理速度快、處理周期短，設(shè)備處理量大，占地面積小等優(yōu)勢(shì)。

2、減量化顯著

減量化徹底，一次性減少污泥體積和總量90%以上。

3、無害化徹底

熱解炭化處理后可實(shí)現(xiàn)100%殺滅各種有害病原菌，并徹底消解抗生素。

4、能耗低

污泥中的熱值通過梯級(jí)利用的方式，得到最大程度的利用，大大降低了能耗成本。

5、清潔燃燒

燃燒的為熱解過程產(chǎn)生的合成氣體，為清潔燃燒。

6、重金屬固化不再釋放

熱解炭化過程使污泥中重金屬存在形態(tài)變得更加穩(wěn)定、不會(huì)在后續(xù)利用中再釋放、無害且有廣泛的用途。

7、不受季節(jié)影響

該系統(tǒng)采用機(jī)械脫水和熱力干燥，在冬季低溫下和夏季高溫下均能穩(wěn)定運(yùn)行，不受季節(jié)和氣溫的影響。

8、產(chǎn)物可安全利用

污泥熱解炭化的產(chǎn)物為污泥生物炭，含水率極低，性質(zhì)穩(wěn)定，送至熱電廠作為輔助燃料或作為園林改良土使用，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展思路。

04 典型案例分析

1、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

山東省青島市即墨300t/d市政污泥熱解炭化項(xiàng)目，位于青島市即墨區(qū)即墨污水處理廠院內(nèi)，設(shè)計(jì)日處理污泥300噸/天，消納處理即發(fā)污水處理廠內(nèi)產(chǎn)生的污泥。

項(xiàng)目采用污泥調(diào)理+板框脫水+熱力干化+熱解炭化+尾氣處理的工藝路線，建設(shè)有4套板框脫水系統(tǒng)，2條污泥干化碳化生產(chǎn)線。運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，污泥減量化程度達(dá)到90%以上，處理后的污泥炭渣作為建材原料在當(dāng)?shù)叵{使用。

該項(xiàng)目已于2019年建成投產(chǎn)，穩(wěn)定運(yùn)行，解決了即墨區(qū)污泥出路問題，可為國內(nèi)污泥熱解碳化處置項(xiàng)目提供參考。

2、項(xiàng)目安全性設(shè)計(jì)

1）干化單元安全性設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目污泥干化熱煙氣直接換熱干化的方式。進(jìn)入污泥脫水后含水率60%左右，含濕量大。污泥進(jìn)入干燥機(jī)，在干燥機(jī)內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的破碎裝置作用下，與污泥與煙氣進(jìn)行快速降溫蒸發(fā)過程，在干燥過程中，污泥溫度低于100℃，煙氣含氧量低，安全可靠。

2）熱解碳化單元安全性設(shè)計(jì)

干燥后的污泥（含水率20%以下）進(jìn)入碳化爐后，被煙氣爐產(chǎn)生的煙氣間接加熱，熱煙氣不與污泥直接接觸，污泥處于絕氧狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)處于微負(fù)壓狀態(tài)，通過氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)和外部氧氣的隔絕，將污泥轉(zhuǎn)化為污泥炭，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行。

具體安全設(shè)計(jì)如下：

①熱煙氣與污泥間接接觸，不直接接觸，確保安全。

②污泥碳化采用多重組合密封，包括啟動(dòng)、停機(jī)和運(yùn)行過程中的充氮保護(hù)，確保污泥熱解過程處于絕氧環(huán)境，確保運(yùn)行安全性。

③污泥碳化爐內(nèi)為微負(fù)壓，同時(shí)又有多重密封保護(hù)，避免了熱解氣外溢和空氣進(jìn)入，確保了安全性。

3）熱解氣燃燒單元安全性設(shè)計(jì)

①熱解氣燃燒爐采用負(fù)壓設(shè)計(jì)，避免煙氣外溢，實(shí)現(xiàn)安全和環(huán)保。

②天然氣作為熱解氣穩(wěn)燃火炬，持續(xù)為熱解氣的燃燒提供點(diǎn)火能量，保證熱解氣及時(shí)著火燃盡；

③熱解氣燃燒爐內(nèi)采用蓄熱結(jié)構(gòu)，高溫蓄熱材料在燃燒過程中保持在800~1000℃，當(dāng)熱解氣熱值和成分波動(dòng)時(shí)，蓄熱結(jié)構(gòu)能保證熱解氣穩(wěn)定著火燃燒；熱風(fēng)爐設(shè)置燃燒攝像頭和等離子火焰監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確監(jiān)控燃燒狀況。

上述設(shè)計(jì)確保了污泥在干化及熱解碳化過程的安全性，實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3、污泥重金屬固化效果分析

污泥炭產(chǎn)物的安全性是本技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于本項(xiàng)目產(chǎn)生的污泥生物炭樣品，按照《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別GB 5085.3-2007》進(jìn)行重金屬浸出毒性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從表2的測(cè)試結(jié)果來看，所有的重金屬經(jīng)過熱解碳化處理后，其重金屬的生物毒性降低到很低的水準(zhǔn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)限值的要求。

這意味著污泥生物炭產(chǎn)品在進(jìn)入自然界中，其中的重金屬不再會(huì)對(duì)生物鏈造成危害，是可以安全利用的。

05 總結(jié)

1、污泥調(diào)理脫水、熱力強(qiáng)化干化、連續(xù)絕氧熱解碳化技術(shù)的集成應(yīng)用，具有能量利用效率高、減量化徹底、排放環(huán)保、污泥炭安全利用等優(yōu)點(diǎn)，成為污泥處置領(lǐng)域的優(yōu)選技術(shù)。

2、污泥連續(xù)絕氧熱解碳化技術(shù)，采用中溫?zé)峤夤に?，將污泥在絕氧條件下間接加熱，產(chǎn)生的熱解氣高溫條件下低氮燃燒，符合850℃燃燒2s以上的條件，實(shí)現(xiàn)清潔燃?xì)獾娜紵瑥脑搭^上抑制了二?f英的產(chǎn)生，環(huán)保排放優(yōu)良。

3、采用熱力干化耦合絕氧連續(xù)熱解碳化技術(shù)，憑借環(huán)保方面的巨大優(yōu)勢(shì)，不易產(chǎn)生鄰避效應(yīng)，選址落地更加容易，是市政污泥處理處置的發(fā)展趨勢(shì)和方向。