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利用烟气余热的污泥低温干化技术

2019年05月15日作者:苏闽华 翁焕新来源:给水排水

  污泥是一类危害性极大的固体废弃物[1,2,3],如果不加以彻底的处理与控制,将会对环境造成严重的二次污染,如何安全经济地处理污泥成为世界共同面临的环境难题。

  至2013年,我国城市污水处理量已达到1.45×108t/d,污泥的产生量已达4.0×107t/a,目前,我国大部分污泥只经过初步处理后,便进行无序地临时堆存或简单填埋[4],一方面占用大面积的土地资源,另一方面破坏生态环境和影响人体健康。面对以上现实,开辟一条符合我国国情的污泥无害化、减量化、资源化处理的新途径势在必行。

  在污泥无害化、减量化、资源化处理的目标中,减量化是污泥是否能够最终实现无害化与资源化处理的关键。实践表明,“热干化”是污泥减量最有效的方法,然而,污泥热干化需要消耗大量的能源。为了克服污泥热干化的“能耗瓶颈”,本文根据我国污泥的基本物性,提出了利用烟气余热的污泥低温干化技术,并通过实验研究和结合工程实例,从技术原理、工艺流程、尾气释放特点等方面论证了技术的可行性,最后结合我国烟气余热资源的实际状况,给出了中国污泥无害化与资源化处理的技术路线,从而为开辟以废治废、节能减排的污泥处理新途径提供科学依据和技术支撑。

1烟气干化污泥的技术原理

  污泥经过机械脱水,含水率一般在80%左右,这决定了污泥最基本的物性特点是因含水率高而呈半流体状,加上体积庞大,给运输和处置在经济上和技术上带来困难。因此,污泥深度脱水和减少体积,不仅是污泥最终处理的基础,也是污泥处理领域的技术核心。

  污泥中的水以不同的形态存在[5,6],不同形态水因与污泥结合的强度存在明显差异,而使去除的方法有所不同。图1显示了污泥中不同形态水的去除方法,从图1中可以看到,通过浓缩可以使污泥的含水率降至95%左右,调质后的污泥经过机械脱水,可以去除部分间隙水,理论上能使含水率降至70%左右,而实践中含水率一般在80%左右,热干化能够使污泥的全部间隙水、毛细水和吸附水蒸发。但是,污泥热干化需要消耗大量的能源,能耗费用通常占污泥处理总费用的80%以上[7],如果利用热电厂或水泥厂等排放的烟气余热进行污泥干化,将会使污泥处理的运行成本大大降低。由于烟气温度远低于污泥的燃点,因此,利用烟气余热干化污泥是一种低温干化过程,它可以使污泥中的水分蒸发,而使污泥的热值保存下来。

图1 污泥中水的存在形式与脱水方法 

  图1 污泥中水的存在形式与脱水方法

  热电厂或水泥厂排放的烟气量很大,烟气温度一般在120~200℃,其中蕴藏的巨大潜能,正是污泥低温干化最理想的热源。

  利用烟气余热干化污泥是将热电厂或水泥厂排放的烟气,通过引风设备送入特制的污泥干化成粒一体化装置中,在热烟气与湿污泥进行热交换反应的过程中,污泥吸收烟气中的余热,使水分蒸发而使体积减少。为了保证污泥在低温条件下,既能使污泥有效地干化,又能使污泥在干化过程中自然形成颗粒,我们设计了分段式污泥低温干化工艺[8]。这种工艺采用热烟气与污泥直接接触的方法,污泥干化在干化成粒一体化装置内进行,通过装置内的辅助设备,使污泥能够在微负压下,一方面使热烟气能够尽可能与湿污泥以最大面积接触,另一方面使湿污泥与热烟气有足够的时间进行热交换和完成造粒,从而实现污泥低温干化效率的最大化。

    烟气温度、烟气排放量和污泥处理量之间存在以下关系:

 

  式中T1———烟气的温度,℃;

  T2———经过污泥干化后的温度,℃;

  t———烟气通过污泥的时间,h;

  C———每立方米烟气降低1摄氏度所放出的热量,kJ/(m3·℃);

  G———烟气量,m3/h;

  η———热量利用率,%;

  W———污泥处理量,t;

  C1———初始污泥含水率,%;

  C2———干化后污泥含水率,%;

  R———水分蒸发吸热量,kJ/kg。

    2利用烟气余热干化污泥的工艺流程

  将来自热电厂或水泥厂排放的烟气,用引风机分别引入第一和第二污泥干化成粒一体化装置,由风门的开度大小控制风量。通过污泥进料装置,将污泥分割成小块状,由螺旋输送机以与烟气流速向匹配的速度,连续均匀地送入污泥干化成粒一体化装置,随着装置的转动,湿污泥与热烟气进行充分接触,进行热交换反应和造粒过程。经过第一段干化使污泥的含水率从80%左右降至60%左右,然后进行第二段干化,使污泥的含水率从60%左右降至40%以下,干化后的污泥形成粒径为2~8mm的颗粒,污泥颗粒通过封闭式皮带输送机送入成品库,在冷却过程中进一步脱水,直至含水率降至30%和体积减少至1/3以下。如果污泥的起始含水率较低,经过一段干化过程就可以了达到污泥干化和造粒的目标。干化后的污泥颗粒保存了95%以上原始热值,可以作为燃煤的辅助燃料和水泥的生产原料,也可以烧制轻质节能砖和陶粒等[9,10],从而使污泥最终实现无害化、减量化和资源化处理。为了控制污泥可能释放的异味气体,在工程实施中,污泥储存库可以设计在地下,污泥干化实行全程封闭和负压运行,污泥储存库与污泥成品库释放的气体,可以结合厂区内的绿化,设计生物土壤滤床,也可以通过收集系统,送入锅炉内高温处理。图2给出了分段式污泥低温干化工艺流程。

  图3是浙江长兴一家印染企业,利用企业内部热电厂锅炉排放的烟气余热干化印染污泥,干化后污泥颗粒作为燃煤辅助燃料的照片。该企业印染污水处理后产生的污泥量60t/d,利用2个8t/h和6t/h自备锅炉排出的烟气余热(160℃)进行污泥干化,经过干化造粒,污泥含水率从85%降至45%,并自然形成粒径为2~8mm的污泥颗粒,体积减少至1/3以下。印染污泥平均热值在3000kcal/kg左右,经干化成粒保存了95%以上的原始热值,当自然冷却含水率降至30%以下后,在850℃以上的炉温下与煤一起掺烧,不产生二英,贡献热值。

 

  图2分段式污泥低温干化工艺流程(左下角为污泥干化成粒一体化装置)

图3 长兴利用烟气余热干化污泥工程实例 

  图3 长兴利用烟气余热干化污泥工程实例

  利用烟气余热干化污泥的热源也可以来自垃圾焚烧发电排放的烟气。垃圾焚烧发电是一种相对成熟的技术,已成为城市固体废弃物处理的重要工程措施。在垃圾焚烧过程中,排放的烟气温度较高,这种烟气余热同样可以用来干化污泥,干化后的污泥可以与垃圾一起焚烧发电。因此,利用垃圾焚烧排放烟气余热的污泥干化工艺,具有实际推广意义。

    3污泥干化有害气体的释放特征

  污泥中含有大量的有机物质,污泥在干化过程中易挥发有机物会发生分解,并释放出各种气体。通过污泥干化模拟试验,对释放气体的监测结果表明,污泥在100~300℃的温度下,释放的有机物包括链状烷烃、环烷烃、芳香烃、醇类、苯酚类、醛、脂肪酮、苯胺类、酰胺类、腈类、酯类和含氮杂环化合物,其中,最主要为链状烷烃、芳香烃和含氮杂环化合物。污泥在100℃下(图4),释放的链状烷烃占到了80.90%,芳香烃和环烷烃分别为9.65%和5.27%,当温度升高至150~250℃时,链状烷烃、芳香烃仍然是释放气体中主要的有机物,但链状烷烃的比例大大降低,而芳香烃的比例大大增加,这时含氮杂环化合物也成为主要的释放物质;到300℃时,污泥释放气体中链状烷烃和芳香烃所占的比例明显减少,分别从40%多降到了4.28%和从35%左右降到了7.60%,含氮杂环化合物的总量变化不大,为19.04%,而醇类、苯酚类和腈类化合物明显增加,它们所占的比例分别达到了14.29%、14.78%和32.63%。

图4 100℃下污泥释放气体的气相色谱图 

  图4 100℃下污泥释放气体的气相色谱图

  图5显示了污泥苯系物(BTEX)释放量随温度的变化[11],从图5中可以看到,四种污泥的BTEX释放量随着污泥干化温度升高而增加,表明了干化温度对污泥释放BTEX产生明显的影响,根据污泥BTEX释放的累积百分数,在100℃以下时,四种类型污泥释放的BTEX总量只占了在50~300℃温度下BTEX总释放量的7.34%;在150℃时,四种类型污泥释放的BTEX总量占了BTEX总释放量的16.58%,四种市政污泥在相同条件下释放的BTEX总量占了BTEX总释放量的19.08%。

图5 污泥BTEX释放量随干化温度的变化 

  图5 污泥BTEX释放量随干化温度的变化

  根据污泥干化速率变化曲线(见图6)[12],污泥干化经历加速阶段(Ⅰ)、恒速阶段(Ⅱ)和降速阶段(Ⅲ)三个阶段,利用120~200℃的烟气余热干化污泥,污泥干化进入恒速阶段(Ⅱ)水分蒸发时B点的湿球温度为50~68℃,远低于模拟污泥干化时的温度,因此,在利用烟气干化污泥的实际工程中,污泥中的有机物在低温下不会被破坏,即使有微量的异味气体释放,由于干化污泥需要>1.0×105m3/h的烟气量,在大烟气量的稀释作用下,加上与烟气之间的化学反应,再经过热电厂或水泥厂或垃圾发电厂的除尘除气装置,污泥干化产生的尾气完全达标排放。

    4烟气余热干化污泥的节能减排效应

  常压下水蒸发需要吸收热量2 675.9kJ/kg,如果1t含水率为80%的污泥,通过干化使污泥的含水率降至30%,需要蒸发水量714.3kg,这意味至少需要消耗热量1.91×106kJ,相当于65.32kg标准煤。我国污泥(含水率80%)的生产量已超过4.0×107t/a,污泥通过干化使含水率降至30%,每年需要消耗的热量为7.64×1013kJ,如果这个热量来自热电厂和水泥厂排放的烟气余热,不仅每年可以在污泥干化处理中节省>2.60×106t标准煤,而且也因为废热得到利用而直接减少了大气的热污染。

 

  图6污泥干化速率变化曲线(根据平岡正胜等,1990)

  通过现场监测和试验研究结果表明,利用烟气余热干化污泥,在热烟气与湿污泥直接接触的过程中,污泥不仅能以最大的热效率达到节能效果,而且可以使烟气中的细小的颗粒物(PM2.5和PM10)以及二氧化硫被湿污泥吸附,并被固定在污泥颗粒中。表1给出了长兴烟气干化污泥工程烟气中PM2.5和PM10的现场监测结果,从表1中可以看到,经过污泥干化后,烟气中PM2.5和PM10的含量以及占<100μm颗粒的百分比明显低于原始烟气,表明了污泥对烟气中细小颗粒物的吸附作用,对现有除尘的装置难以清除的PM2.5和PM10的去除率分别达到60.19%和43.99%。

  表1 长兴工程烟气中细小颗粒物的现场监测结果

表1 长兴工程烟气中细小颗粒物的现场监测结果 

  图7显示了污泥对烟气中的二氧化硫吸附随温度的变化[13],从图7中可以看到,干化温度在80~100℃时,含水率为75%的污泥对烟气中二氧化硫的收率可以达到22%~25%,由于被污泥吸附的SO2已转变为硫酸盐,因此,当干化后的污泥颗粒作为燃煤辅助燃料时不会再释放。

  霾是由空气中微小的灰尘、硫酸和有机碳氢化合物等粒子所组成的混合体,利用烟气余热干化污泥不仅节省了污泥干化所需要的能量,而且除了直接减少了热污染外,还因吸收了烟气中细小颗粒物和二氧化硫而减少了对大气的污染负荷,特别是污泥能够吸收烟气中大部分PM2.5,这对从源头上控制我国雾霾天气频繁发生,具有重要的现实意义,真正起到了节能减排的环境效应。

 

  图7污泥干化速率变化曲线(根据平岡正胜等,1990)

    5结语

  我国的能源结构以燃煤为主,煤炭年消费量为36亿t左右,在未来的数十年里,中国整体煤炭消费量仍将保持较高水平。目前,我国的能源利用率仅为33%[14],在众多能耗损失中,排烟损失是最大的[15],通过利用遍布全国各地大大小小的热电厂排放的烟气余热干化污泥,不仅能够使污泥就近得到安全、经济地处理,而且能够使我国的能源利用率有所提高。按照我国工业锅炉每燃烧一吨标准煤,产生二氧化碳2.18t计,利用烟气余热干化污泥,每年可少排二氧化碳566.8万t,这对我国的节能减排具有十分重大的意义。

  利用烟气余热在低温下完成污泥干化过程,可以保存污泥95%的原始热值,我国污泥的热值一般在1 500~2 500kcal/kg,干化后污泥作为燃煤的辅助燃料,每年可以提供的热量相当于2.87×106~4.78×106t标准煤。工程实践已表明,利用烟气余热干化污泥,干化后污泥进行资源化综合利用能够产生非常显著的环境、社会和经济三重效益。

 

参考文献

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