石洞口污泥处理完善工程烟气处理系统试运行效果分析

张鹏飞

ZHANG Pengfei

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海200092）

（Shanghai Municipal Engineering Design Institute（Group）Company Limited，Shanghai 200092，China）

0 引言

城市污水处理厂在生活污水处理过程中将产生大量的污泥，其主要成分包括有机质、无机颗粒、胶体、水分等，随着我国城市建设进程的加快，污泥的产量越来越大，妥善处置污泥已成为各地政府的一项迫切 工作［1-4］。2015 年4 月，国务院颁布实施《水污染防治行动计划》（即“水十条”）明确指出：“污水处理设施产生的污泥应进行稳定化、无害化和资源化处理处置。地级及以上城市污泥无害化处理处置率应于2020年年底前达到90%以上”［5］。

在众多污泥处理工艺中，焚烧技术展现出独有的特点：可燃尽全部有机质，杀死一切病原体，并最大限度地减少污泥体积，焚烧后污泥体积可缩小至原来的10%左右，迅速和较大程度地实现污泥减量化和无害化。污泥焚烧本身就是直接利用污泥有机热值对其自身进行处理，体现了能源循环利用和可持续发展的理念，燃烧后产生的热量以尾气显热的形式被锅炉回收利用。同时由于焚烧残渣在性质上发生了根本改变，其最终处置也相对容易。近年来，随着干化技术和焚烧技术的不断优化以及工艺的成熟，污泥干化焚烧技术有了很大进展［2］。

根据上海市污泥处理处置规划，上海市中心城区分为三大片区：石洞口、竹园、白龙港，污水处理厂污泥处理处置方式以独立焚烧为主。在之后上海市政府发布的《上海市水污染防治行动计划实施方案》要求：“以中心城区三大污水片区为重点，加快污泥处理设施建设，确保污水处理厂污泥安全处置。继续推进石洞口、竹园以及白龙港污泥处理处置设施等重点工程建设”［6］。

石洞口片区在全国首先进行了污泥焚烧的实践，石洞口污水处理厂现有干化焚烧处理设施建成于2004 年，但随着污水处理的不断升级，污泥处理量缺口越来越大，烟气排放标准的提高也对设施提出了改造的要求。上海市在对石洞口原有污泥干化焚烧设施后评估的基础上，提出建设石洞口污泥处理完善工程［7］。

1 项目概况

1.1 处理对象与工程规模

石洞口污泥处理完善工程服务对象为上海市石洞口污水片区内石洞口、吴淞、桃浦3座污水处理厂产生的污泥［8］。结合这3 座污水处理厂实际生产情况，以及石洞口原有污泥干化焚烧系统后评估结论，石洞口污泥处理完善工程新建扩容系统设计规模50t ∕d（绝干固形物总量（TDS），下同），现有系统改造后处理能力22 t∕d，工程主体工艺采用“浓缩+脱水+干化+焚烧”工艺。

1.2 建设情况

新建扩容系统于2016 年8 月正式开工，2018 年6 月组织竣工验收，2018 年8 月完成性能考核。目前新建扩容系统已稳定连续运行。

2 烟气处理系统配置

2.1 烟气处理工艺

石洞口污泥处理完善工程的烟气处理系统采用“旋风除尘+半干法喷淋+活性炭喷射吸附+布袋除尘+脱酸洗涤+烟气再热”工艺，如图1所示。

2.2 烟气处理目标

国内尚无污泥干化焚烧专用的烟气排放标准。按照相关批复文件，该工程焚烧产生的烟气排放根据环评批复执行GB 18485—2001《生活垃圾焚烧污染控制标准》（以下简称GB 18485—2001）［9］，镍和氟化氢执行GB 16297—1996《大气污染物综合排放标准》（以下简称GB 16297—1996）中［10］二级标准，氨、硫化氢执行GB 14554—1993《恶臭污染物排放标准》（以下简称GB 14554—1993）［11］排放标准限值，二噁英应达到欧盟标准2010∕75∕EC 限值0.1 ng∕m³（国际毒性当量（TEQ），下同）［12-14］。

在实际招标阶段，考虑到污泥和垃圾成分的区别、焚烧炉型的区别以及环境标准提高的预期，烟气的处理排放应达到DB 31∕768—2013《生活垃圾焚烧大气污染物排放标准》（以下简称DB 31∕768—2013）［15］2016 年7 月1 日后标准，镍和氟化氢执行GB 16297—1996 中二级标准，氨、硫化氢执行GB 14554—1993 中排放标准限值。如上述标准之间有矛盾，执行相对严者。目前国内外主要烟气排放标准指标对比见表1。

目前上海的污泥焚烧处理工程中烟气排放执行上海市地方标准，较国家标准有较大程度的提高，部分污染物排放指标已与欧盟指标要求相同，但与我国国内电力行业的烟气污染物超低排放限值对比，颗粒物、SO2、NOx的污染物限值仍有一定差距。

2.3 理论计算烟气成分参数

按照设计阶段污泥泥质分析数据，设计工况下理论计算得出，进入烟气处理系统前的主要工艺节点，焚烧炉出口，余热锅炉出口的O2，N2，CO2及SO2等成分参数见表2。

2.4 主要设备配置

该工程扩容新建扩容系统共设置2条焚烧处理线及2条烟气处理线，主要设备配置如下。

（1）2 台鼓泡流化床焚烧炉，燃烧室烟气温度为850 ℃，烟气在焚烧炉中停留时间＞2 s，助燃空气过剩系数为1.4，热灼减率≤5%，直径约5 600 mm，配备启动燃烧器及辅助燃烧器。

（2）2 台膜式壁单锅筒加对流管束余热锅炉，利用焚烧后的高温烟气余热的回收利用，产生的饱和蒸汽供干燥机干化、空气预热器和烟气再热器使用。

（3）2 台旋风除尘器，单台处理烟气量10 016 m³∕h，除尘效率≥90%，旋风筒径为1 700 mm，压力损失≤1 000 Pa，经旋风除尘器处理产生的灰渣作为一般固体废弃物外运进行处理处置。

表1 主要烟气排放标准限值对比Tab.1 Comparison of main emission limits for flue gas

表2 焚烧炉及余热锅炉出口烟气成分分析Tab.2 Components of the flue gas at incinerator and waste-heat boiler outlets

（4）2台立式圆筒喷雾式半干脱酸塔，单台处理烟气量为10 016 m³∕h，直径为2 000 mm，长度为11 000 mm，压力损失≤400 Pa；配备2套喷雾设备及消石灰仓及投加系统，2 套活性炭仓、2 套给料装置和2 套罗茨风机，除用于进入布袋除尘器烟气温度控制外，也用于烟气中消石灰及活性炭的喷洒混合。

（5）2 台脉冲布袋除尘器，单台处理烟气量为10 969 m³∕h，过滤面积为600㎡，外形尺寸约5 400 mm×4 400 mm（长×宽），除尘效率＞99.9%，滤袋材质PTFE+PTFE 覆膜，336 条滤袋，阻力损失≤1 500 Pa，收集的飞灰经密闭气力输送系统送至飞灰暂存仓，等待外运处置。

（6）2 座填料式湿式洗涤塔，单台处理烟气量为11 069 m³∕h，设置2 层填料，采用可卸换式防堵喷嘴，另配备除雾器；喷淋水在塔内进行循环使用，根据循环水槽内pH 值调节废水排放量，喷淋洗涤废水直接排放进入石洞口污水处理厂进行处理。

（7）2 座间接换热烟气再热器，单台处理烟气量为8 893 m³∕h，为充分利用污泥焚烧热量，使用污泥焚烧产生的蒸汽作为热源，确保烟气经热交换后温度达到105～110 ℃，防止烟囱排放“白烟”的情况。

（8）2套离心式引风机，单台风量为12 000 m³∕h，变频控制。

（9）烟囱及其他配套设备。

3 运行效果分析

3.1 污泥泥质分析数据

设计阶段、试运行阶段污泥取样热值分析及主要元素分析见表3。

表3 污泥热值及主要元素分析Tab.3 Calorific value and ultimate analysis of sludge

由表3 可知，试运行与设计阶段的污泥性质基本一致，试运行阶段工况基本与设计工况相同。

3.2 主要烟气污染物及设计去除手段

3.2.1 不完全燃烧产物

碳氢化合物不完全燃烧产物（PIC）是燃烧不良而产生的副产品，主要是一氧化碳、炭黑、烃、烯、酮、醇、有机酸及聚合物等。

流化床焚烧炉是目前国际公认最为彻底的燃烧设备之一，不完全燃烧物质生成量极低［17-19］，且可通过调整一次风量确保炉内物料完全燃烧，避免不完全燃烧产物的生成。焚烧炉配备辅助燃烧器，用于维持炉内燃烧温度，保证污泥燃尽。

3.2.2 粉尘

烟气中的粉尘主要包括惰性金属盐类、金属氧化物或不完全燃烧物质等，可通过旋风除尘器、布袋除尘器、湿法洗涤等方法去除。

喷洒活性炭之后的烟气在经过布袋除尘器后，其中的飞灰将被拦截收集，经鉴定确认是否为危险废弃物并运送至对应的处置单位进行合理处置。

3.2.3 酸性气体

烟气中的酸性气体主要包括氯化物、卤化氢（氯以外的卤素）、硫氧化物、氮氧化物以及磷氧化物和磷酸，可由半干法脱硫和湿式洗涤的方法去除。经过脱酸洗涤后产生的废水排入就近污水处理厂进行处理。

3.2.4 重金属污染物

烟气中的重金属污染物包括铅（Pb）、汞（Hg）、镉（Cd）、铬（Cr）等的元素态、氧化物及氯化物等。烟气中挥发态的重金属污染物部分在温度降低时可自行凝结成颗粒，凝结或吸附于飞灰表面，进而被除尘设备收集去除［20］；部分无法凝结及被吸附的重金属氯化物，可经湿式洗涤塔后从烟气中去除。

3.2.5 二噁英类物质

污泥焚烧产生的二噁英浓度很低［21］，二噁英类物质在固体废物焚烧炉中的形成有多种途径，但取决于具体的炉型、工作状态和燃烧条件。

遵循国际上通用的3T+1E 原则，采取焚烧炉内烟气温度控制在850 ℃以上、烟气停留时间2s以上、烟气充分搅动、焚烧炉出口氧质量分数为6%～10%，一氧化碳质量浓度＜50 mg∕m³。

这样可确保二噁英类物质炉内抑制产生及充分分解，炉后抑制再合成，其余被烟气处理系统进一步去除［22-23］。

3.2.6 氮氧化物

烟气中的氮氧化物（NOx）通常是通过控制焚烧温度以降低其产生量。本工程采用流化床焚烧炉，燃烧温度（850 ℃）相对较低，且流化床焚烧炉采用分级送风，可有效降低NOx产生量。同时炉顶配备尿素制备与投加系统，作为备用选择性非催化还原（SNCR）脱硝系统。

3.3 实际运行效果

石洞口污泥处理完善工程新建扩容系统试运行期间（2018-05-16—07-08）烟气排放在线监测系统（CEMS）监测数据如图2所示，图中：①为日平均质量浓 度，mg∕m3；②为0.5 h 平 均 质 量 浓 度，mg∕m3。

图2 CEMS监测数据Fig.2 Test data from CEMS

本工程试运行期间的烟气排放、重金属及二噁英类物质委托有资质的第三方单位进行取样检测，检测结果按照规范要求折算后数据详见表4。

石洞口污泥处理完善工程运行中烟气处理后排放污染物质量浓度均完全满足上海市地方标准（DB 31∕768—2013）要求限值，但颗粒物、SO2及NOx排放指标距目前国内电力行业的超低排放限值仍有差距。

表4 烟气中重金属及二噁英类物质取样检测结果Tab.4 Mass concentrations of heavy metal and PCDD/Fs in sampled flue gas

4 结论

（1）烟气作为污泥干化焚烧工艺的主要排放物之一，其净化处理达标排放对实现污泥彻底的稳定化、减量化和无害化至关重要。结合理论分析与石洞口片区污泥干化焚烧系统的实际运行数据，“旋风除尘+半干法喷淋+活性炭喷射吸附+布袋除尘+脱酸洗涤+烟气再热”工艺技术上可行，可有效去除污泥干化焚烧烟气中的污染物，与流化床焚烧炉配合适用于市政污泥焚烧处理及烟气处理。

（2）实际运行中的烟气排放CO 质量浓度显著低于限值要求，充分说明流化床焚烧炉焚烧污泥的过程中燃烧充分且彻底。

（3）配合合适的设备选型，此套组合式烟气处理工艺可确保焚烧烟气净化处理后达到上海地区地方标准的环保要求，部分指标已达到欧盟标准要求。但距离目前国内电力行业的超低排放限值仍有一定差距，后续具备提标改进的空间，可通过采用更高效率的烟气除尘工艺、脱硫及脱硝工艺，提高烟气中颗粒物、硫氧化物及氮氧化物的高效去除效率，实现烟气排放满足超低排放限值的要求。