污泥干化系统运行安全性及危险预防措施

胡中意

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 概述

在污泥减量填埋、减量焚烧、无害化土地利用，以及其它污泥资源化的实践和摸索中，污泥干化逐步成为能够大规模减量、无害化和资源化处置的有效工艺之一，也是某些污泥最终处置的预处理方法。

上世纪90年代末，欧洲、北美等国家市政污水处理设施的普及，大量的市政污泥产生，污泥干化厂数量增加，污泥得到了较好的处置。但污泥干化厂的事故时有发生，从污泥的自燃，到设备的爆炸；从个别小型附属设备，到整个干燥生产线；无论安全措施设计得多么复杂、完备，污泥干化厂事故始终没有断绝；究其原因主要是早期人们对干燥污泥的性质认识不足。

在污泥热干化过程中，存在着严重的自燃与粉尘爆炸的危险。污泥在全干状态下（含固率大于80%）一般呈微细颗粒状，粒径较小，同时由于污泥之间、污泥与干燥器之间、污泥与介质之间的摩擦、碰撞，使得干化环境中可能产生大量粒径低于150μm的粉尘。这种高有机质含量的粉尘，在一定的氧气、温度和点燃能量条件下可能发生燃烧和爆炸，即所谓的粉尘爆炸。

2 污泥干化事故风险特性

污泥干化工艺中粉尘爆炸特性主要包括粉尘浓度、含氧量、点燃能量、含湿量4个参数。

2.1 粉尘浓度

发生粉尘爆炸必须达到一定的浓度，该浓度被称为该有机质的“粉尘爆炸浓度下限”。粉尘细度没有统一的规定，考虑其危险性，一般以150μm以下的粉尘颗粒作为判断标准。

粉尘的细度是不均一的，污泥干化产品粒度分布变化范围极广。根据有关粉体的研究，在粗粉（>150μm）中掺入5%～10%的细粉，就足以使有机粉尘混合物成为可爆炸的混合物，且爆炸组分可出现最大的爆炸压力。混合比大大影响爆炸强度，只有当可燃粉尘的粒度均大于400μm时，即使有强点燃源也不能使粉尘发生爆炸。

一般认为有机质粉尘爆炸浓度下限在20～60 g/m3，市政污泥的取值大约在40～60 g/m3。

2.2 含氧量

氧气作为助燃气体，是形成危险状况的基本要素之一。绝大多数干化工艺因为无法进一步降低粉尘浓度，因此，降低介质含氧量成为避开风险的主要手段。

填注惰性气体是降低介质含氧量的主要方式，目前，主要填注的惰性气体有：氮气、二氧化碳、蒸汽。根据英国HSE公司实验值得到以上三种气体的惰性化效率，如表1所列。

表1 惰性气体惰性化效率一览表

通过表1中实验数据可以看出，如果采用氮气进行惰性化处理，空气质量不能超过18.5%，另外81.5%需惰性气体填充；如果采用水蒸气进行惰性化处理，空气质量允许达到64%，则此时混合湿气体的相对湿度为47.5%。

根据实验数据，氮气、二氧化碳、蒸汽进行惰性化处理含氧量的操作值分别为4%、6%、10%。在实际工程运行过程中，为保证操作的安全性、可靠性，需将最低含氧量降低2%，即氮气、二氧化碳、蒸汽进行惰性化处理含氧量分别为2%，4%、8%。

2.3 点燃能量

污泥干化过程中产生的粉尘发生爆炸需一定的点燃能量。摩擦、静电、炽热颗粒物、机械碰撞等产生的火花均可成为点燃能量的提供点。

干燥温度的高低与点燃能量没有直接的联系。点燃能量是指粉尘环境下瞬间给出的能量，它与粉尘粒径的大小关系密切；而点燃温度是指在粉尘云环境下无点燃源时所需温度或厚度为5 mm的粉尘层在一个静态金属热表面上导致燃烧的温度。点燃能量可在20℃的环境中由金属摩擦产生，而污泥的粉尘云点燃温度高达360～550℃，粉尘层的点燃温度约为160～375℃。

较低的能量就可以满足污泥粉尘的点燃，因此只要粉尘浓度和含氧量超标，任何点燃源都可以造成粉尘爆炸的危险。

2.4 含湿量

当干燥气体的湿度较大时，亲水性粉尘会吸附水分，从而使粉尘难以弥散和着火，传播火焰的速度也会减小。根据有关研究，有机粉尘的湿度超过30%便不易引起爆燃，超过50%是绝对安全的。水分的存在可大大提升粉尘爆炸的浓度下限，也就是提高了干燥介质的最低需氧浓度。

3 污泥干化事故主要影响因素

通过以上分析论述，污泥的点燃能量很低，而干化工艺本身就是凭借温度进行的，加上污泥干化所涉及的一系列设备，以及污泥在干燥器内本身的流动性，即使在静电、金属碰撞等条件都得到控制的情况下，污泥燃烧所需的点火能量是难以避免的问题。因此，污泥干化工艺中粉尘爆炸的主要影响因素有以下3个方面：粉尘粒径、含湿量、环境温度与压力。

3.1 粉尘粒径

粉尘颗粒越细越易扩散。粒径小的粉尘，比表面积大，表面能大，所需点燃能量小，所以容易发生粉尘爆炸。当可燃性粉尘粒径大于150μm时，相对安全。

3.2 含湿量

采用蒸汽作为填充的惰性气体，可有效地增加污泥干化系统的湿度，同时降低了系统内粉尘的浓度，提高点燃能量，降低氧气含量，是提高干化系统安全性的重要手段。

3.3 环境温度与压力

环境温度的升高及干化系统内压力的增大，可使污泥粉尘的点燃能量降低。因此，需对污泥干化系统的环境温度及工作压力进行控制，防止由于环境因素造成的安全事故。

4 污泥干化事故预防措施

污泥是一种具有潜在粉尘爆炸性质的有机物。干化的安全性，涉及整个干化系统。大部分干化工艺具有存储、分离、除尘、过滤、筛分、传输、混合、干燥、供热、称重等设备，这些设备以串联的方式，通过管线、阀、泵等连接，在整个干化工艺生产线上，形成互相影响的复杂系统。干燥器以外的辅助设备存在的风险远高于干燥器本身。因此，污泥干化事故的预防不仅需着重关注工艺本身，而且需从整个系统来分析工艺设备的可靠性、稳定性。

此外，污泥干化产品在离开料仓后的存储过程也是较易发生干化事故的方面。

4.1 工艺安全性

工艺安全性的核心问题是“干泥返混”。由于污泥本身的物理特性，污泥在干燥的过程中易产生粘结，从而影响产品干燥的质量和干燥器的效率。为此，部分污泥干化工艺采用“干泥返混”的办法，即通过将部分已干燥的污泥与未经干化的污泥进行混合，以降低污泥的黏性，提高污泥颗粒间的透气性，提高干燥效率。

污泥返混在反复冷却加温过程中损失了大量的能量，而且产生安全性问题：

（1）返混过程中的污泥颗粒有的可能循环了一次，有的可能循环了数次，污泥干化至含固率90%以上时，具有短时间难以复水的特点，因此，当干燥污泥返混时，遇到高温，会造成部分干燥污泥颗粒过热，导致粉尘产生。

（2）干燥污泥含固率达到90%，造粒过程难以保证产品的密实，在返混过程中将出现吸湿反应，产生大量的粉尘，粉尘与污泥颗粒的混合，将导致更高的氧化速率，增大了粉尘爆炸的危险性。

因此，在实际工程中应尽量降低污泥的返混量。

4.2 设备可靠性、稳定性

现在的污泥干化技术都非常重视设备的安全性，并针对性的采取措施保证设备可靠、稳定的运行。

在含氧量方面，设备须对系统内氧气含量进行实时监测，间接加热器中填充氮气确保系统内氧气含量小于2%；直接加热器通过气体循环控制氧气含量小于8%；当氧气含量超过10%时，系统自动停机。

在颗粒温度的控制房方面，设备须严格控制污泥在干燥器内的停留时间，保持干污泥中适量的水份，以避免污泥过热燃烧。当污泥含固率达到90%时，必须离开干燥器。

设有湿污泥料仓的工艺，须控制湿污泥仓内甲烷浓度在1%以下，避免甲烷爆炸事故的发生。

4.3 产品安全性

干化后污泥产生自燃的事故原因在于氧化。污泥在氧化过程中产生放热反应，如果热量不能及时散发掉，将使污泥的堆积温度升高，反过来又加速污泥的氧化，放出更多的可燃物质及热量，造成污泥的自燃。

从氧化到自燃有一个过程，因此，避免堆积的死角和过长的储存期是避免干化污泥自燃的有效途径。

对污泥进行造粒，造粒后污泥具有较高的密度和硬度，且可供氧化面积减小，造成污泥自燃的几率降低。

为防止干污泥自然，设备须对干燥后污泥进行冷却，保证干污泥颗粒的温度在40℃以下。

5 结语

污泥干化是目前实现大规模污泥减量和污泥处置的重要措施。而安全性则是研究污泥干化的首要课题。

污泥干化系统的设计，不仅要对正常工作状况下的运行条件进行分析，而且需要从非正常工况下，考量一个污泥干化系统的稳定性和可靠性，保证污泥干化系统的安全运行。

[1] [日]废弃物学会编.金东振，金晶立，金永民，等译.废弃物手册[M].北京：科学出版社，2004.

[2] 王罗春，等主编.污泥干化与焚烧技术[M].北京：冶金工业出版社，2010.

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