污泥焚烧技术现状及发展趋势

王 成，陈柏校，夏玉坤，洪根惠，李 林

（杭州国泰环保科技股份有限公司，杭州 311200）

污泥的无害化处置一直是污水处理厂及环境领域关注的热点。2021年6月，国家发展和改革委员会、住房和城乡建设部联合发布《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》，提出2025年城市污泥无害化处置率至少达到90%。现阶段，我国污泥处置技术以填埋、土地利用和焚烧为主。污泥填埋处置存在污染周边土壤和地下水的风险，加上土地资源日趋紧缺，其逐步被淘汰。随着污泥土地利用风险管控标准的提高，加之市场消纳能力非常有限，污泥的土地利用也稳步减少。以焚烧为主的污泥热处理技术具有减量化和无害化程度高、资源化综合利用率高的优点，受到各地的重视。

国内厂商在炉温控制、炉体防腐、烟气处理等关键技术上取得长足进步，污泥焚烧装备的国产化率显著提高，其投资和运行成本也逐步降低，市场接受度稳步提升。低碳绿色的污泥处置技术是未来的发展方向，现有污泥焚烧技术还有较大提升空间。本文分析了国内外污泥焚烧技术现状和发展趋势，以期提出符合碳达峰碳中和目标的污泥处置技术方案。

1 污泥焚烧技术

污泥热处理以污泥单独或协同焚烧为主，是发达国家的主流污泥终端处置方法。目前，荷兰的污泥均采用热处理处置，瑞士97%、比利时89%、德国70%的污泥采用热处理处置。我国污泥焚烧技术起步较晚，近年来发展迅速。E20 环境平台数据显示，2019—2021年我国新建污泥处置项目中，采用污泥焚烧工艺的占比高达70%左右。根据污泥在焚烧炉中的占比，污泥焚烧分为单独焚烧和协同焚烧两种。单独焚烧中，污泥是主要热源，进料中污泥的质量比通常大于85%；协同焚烧中，污泥的掺烧比常保持在5%～15%，污泥热值对总体焚烧贡献有限。

1.1 污泥单独焚烧

根据前处理工艺的种类，污泥单独焚烧可分为直接焚烧、半干化焚烧和全干化焚烧。常规机械脱水后，污泥含水率为80%左右，含水率仍较高，污泥热值低，一般很难达到要求，直接焚烧过程须添加辅助燃料。因此，通过干化或深度脱水等技术将污泥含水率降至小于50%是污泥单独焚烧、协同焚烧等后续多种处置利用途径实施的必要前提。常用的污泥半干化焚烧工艺通过外加热源对机械脱水后含水率80%左右的污泥进一步干化脱水，使得污泥含水率降低（30%～40%），再经焚烧炉焚烧，其工艺流程如图1 所示。污泥全干化焚烧工艺与半干化焚烧类似，但污泥干化更加彻底，可将污泥含水率降到小于10%。

图1 污泥半干化焚烧工艺的简易流程

1.2 污泥协同焚烧

常见污泥协同焚烧工艺包括水泥窑协同焚烧、燃煤热电厂协同焚烧和垃圾焚烧发电厂协同焚烧。

水泥窑协同焚烧的灰分能直接作为水泥熟料加以利用，且烟气余热用于污泥干化，其具有一定的技术经济优势，在环保和水泥行业得到极大关注。截至2018年底，我国水泥窑协同焚烧处置污泥的生产线有三四十条。

燃煤热电厂协同焚烧是干污泥与煤掺混后直接进入锅炉进行焚烧，既可解决污泥的处置问题，又能为热电厂节省锅炉燃料，降低发电成本。但随着污泥掺烧比例的提高，混合燃料的灰熔点逐渐降低，化合物容易烧结，受热面的磨损程度与烟气流速也受到污泥掺烧比例制约，污泥掺烧比例一般控制在5%以下。

垃圾焚烧发电厂协同焚烧是将污泥与垃圾协同焚烧，相较于水泥窑协同焚烧和燃煤热电厂协同焚烧，其对锅炉的影响较小，运行成本较低。但由于垃圾成分变化较大，焚烧过程温度控制较难，焚烧灰通常需要按照危险固废处置，因而不利于污泥焚烧灰分的资源化利用。

1.3 污泥焚烧技术体系市场占比

1.3.1 国外市场占比

德国各项污泥焚烧技术的污泥处理量（以干泥计）及其占比如表1 所示。污泥单独或协同焚烧的总处理量达到156 万t/a，其中，流化床焚烧炉、燃煤热电厂协同焚烧为市场占比最大的两类技术，其占比分别达到43.0%和35.9%。由于德国新环保标准对磷的限制，2029年后其垃圾焚烧发电厂协同焚烧将不复存在，燃煤热电厂在2038年前将逐步停止服务，燃煤热电厂协同焚烧的污泥量也会越来越少。

表1 德国各项污泥焚烧技术的污泥处理量及市场占比

以流化床焚烧炉为主体的污泥单独焚烧技术是欧洲的主要发展方向，也是日本、美国等未来污泥焚烧项目的主流技术。随着污泥农用标准的逐步提高，污泥热处理有望成为更多发达国家首选的污泥处置技术。

1.3.2 国内市场占比

我国污泥单独焚烧项目大部分采用半干化焚烧工艺，如表2所示。项目1是上海市竹园污泥处理工程；项目2 是上海市石洞口一期污泥处理工程；项目3是上海市石洞口二期污泥处理工程（改造+新建）；项目4 是上海市白龙港污泥处理工程；项目5 是成都市第一城市污水污泥处理厂工程；项目6 是深圳市上洋污泥处理工程；项目7 是温州市污泥集中干化焚烧工程；项目8 是杭州市萧山区4 000 t/d 污泥处理工程，浓缩泥含水率为90%～98%，经深度脱水，脱水泥含水率为80%。

表2 国内部分污泥焚烧项目技术特点

干化后，污泥含水率显著降低，在该含水率下，污泥处理系统能耗较低，污泥容易成块，便于输送。 在采用半干化焚烧工艺的污泥单独焚烧项目（如上海市竹园污泥处理工程）中，为了避免干污泥黏滞，将干化泥和湿污泥混合，再送入鼓泡流化床焚烧炉燃烧。此外，上海市石洞口一期污泥处理工程采用全干化焚烧工艺，干化后污泥含水率不大于10%；成都市第一城市污水污泥处理厂工程以天然气辅助湿污泥直接焚烧。

我国燃煤热电厂数量较多，充分利用燃煤热电厂协同焚烧污泥将是今后一段时间内解决我国城市污泥处置难题的有效途径。此外，杭州市萧山区4 000 t/d污泥处理工程采用深度脱水+循环流化床焚烧炉焚烧工艺，其成功运行为我国污泥处理提供了一种新思路，其有望在更多都市圈集中污泥处置项目中获得应用。

2 污泥热干化技术

污泥热干化技术出现于20 世纪50年代，最初用于污泥农用处置领域，如生产肥料或土壤改良剂等含水率要求极低的产品。随着污泥焚烧越来越多应用于污泥的最终处置，热干化作为一种预处理方法，用以确保污泥的自持燃烧。目前，市场上有多种形式的污泥干化设备。在德国，主流设备为碟式干燥器和带式干燥器（见表3），两者市场占有率分别为33% 和24%。

表3 德国市场污泥干化设备处理能力及其占比

污泥热干化技术在应用中存在3 个主要难点。一是需要跨越污泥黏滞区（含水率35%～55%），黏滞污泥难以输送，极易损坏设备，干料返混为常用的解决方法。二是易产生粉尘颗粒，有爆炸风险，干燥设备、干泥输送设备及干泥堆场均需要考虑防爆设计。三是干化水中含有大量挥发性污染物，冷凝后需要设专门污水处理设施来控制二次污染，同时挥发性污染物的流失减少了污泥热值，不利于后续焚烧装置运行。干化过程的粉尘和臭气等二次污染物的控制也增加了投资和运行费用。目前，对于国内市场上主流的热干化（将污泥含水率降至35%左右）再焚烧的技术路线，技术经济性有待进一步提升。

3 污泥焚烧二次污染控制

3.1 烟气排放控制

与煤燃烧不同，污泥中约80%的碳都会以挥发性物质的形式被彻底燃烧，因此，污泥燃烧以挥发性物质的气态焚烧占主导。其焚烧过程的O和CO浓度变化曲线与丙烷-空气混合物焚烧近似，说明理论上污泥焚烧可以非常彻底。德国的污泥焚烧基本不需要额外的烟气脱硝设施，能保证NO控制在150 ～200 mg/m，表明流化床焚烧炉的合理设计可以使烟气达标排放。杭州市萧山区4 000 t/d 污泥处理工程的循环流化床焚烧炉及其后续烟气处理单元在实际运行中也取得较好的效果，其多项烟气排放指标低于欧盟烟气排放标准。

3.2 灰渣资源化利用

污泥灰分中的SiO、AlO和CaO 可以作为生态水泥、砖、陶瓷材料和轻质骨料的烧结原料，还可以作为火山灰组分、细骨料或填充材料等胶结材料的外加剂，实现污泥的循环利用。但是，灰渣资源化利用受市场消纳能力限制，实际运行中不能完全满足污泥焚烧产能需求。

4 结语

本文综合分析了国内外污泥焚烧技术的工程应用现状及发展趋势，发现以流化床焚烧炉为主体的污泥单独焚烧技术是国内外污泥处置的发展方向。与主流技术（热干化+流化床焚烧炉焚烧）相比，深度脱水+循环流化床焚烧炉焚烧工艺有一定的技术经济优势，为我国污泥处理提供了一种新思路。焚烧过程的烟气排放控制技术已发展得较为成熟，可满足污泥清洁焚烧的要求，但灰渣资源化利用途径往往受限，未来需要开辟更好的应用场景。