真空圆盘干化技术在石化污泥减量中的应用

2022-07-05秦更生

石油化工技术与经济 2022年2期

秦更生

(上海赛科石油化工有限责任公司，上海 201507)

长期以来，我国环保处理工艺中“重水轻泥”现象较为严重，污泥产量增加迅速，对污泥减量处置的研究和应用有较大的空间。在化工企业污水处理过程中，部分有机物会转移到污泥中，含有这些有机物的这部分非稳定状态的污泥在储存和转运过程中很容易再次引起生物反应或化学反应，对环境造成污染。

某石油化工企业每年产生的生化污泥总量超过2 kt，原先对这些污泥的处置方式为全部委托第三方废料处理公司处理，处置工艺为全部外运焚烧，由此导致该企业每年在污泥外运处置上的花费较大。为了满足日益严格的安全环保法律法规的要求并改善企业污水处理场的运行环境、减少委外处理费用等需求，加上污泥减量和污泥焚烧等技术也已渐趋成熟，企业自身有必要也有条件实施合适的污泥减量方案。文章结合该石化企业污水厂污泥介质的特性，分析常见污泥减量化工艺方案，对选用的真空圆盘污泥干化减量工艺方案及成套设备进行介绍，并对新建项目开车调试过程中碰到的问题进行分析总结，探索可行的解决方案，为石化企业污泥减量方案比选、设备选型、开车调试提供参考和借鉴。

1 污泥减量工艺技术及成套设备选用

1.1 常用污泥干化(减量)工艺技术介绍

1.1.1 涡轮薄层干化(减量)技术

该技术对污泥的干燥基于涡轮技术，污泥通过单螺杆泵被送到卧式圆柱体涡轮干燥器的进料仓，再由预压双螺旋定量送入涡轮干燥器。干燥器的污泥入口同时也是工艺气体的入口，即工艺气体与污泥在干燥器内同向运动。污泥进入干化机后，由于涡轮转子旋转产生的离心作用，被高速离心到内壁上，并在紧贴着圆柱形的内部形成一个薄层。在干燥器内强涡流作用下，污泥紧贴着圆柱形的内壁进行连续的移动和很好的混合。干燥器的热交换主要依靠污泥与圆柱形容器同轴的夹套中的蒸汽热传导实现，经过预热的循环气体进入干燥器后对污泥起到输送和辅助加热的作用。预热气体在干燥器内与污泥的接触和并流运动，不会引起污泥的化学分解。

进入卧式薄层干化机的含固率20%左右的污泥在转子的带动下分布于热壁表面，转子上的桨叶在对热壁表面的污泥反复翻混的同时，将污泥输送到出泥口。在此过程中，污泥中的水分被蒸发。污泥在干化机内的停留时间在几分钟之内，可实现设备的快速启停和排空，对工艺控制反应迅速。污泥在干化机出口的含固率为70%左右。

1.1.2 真空圆盘桨叶干化(减量)技术

真空圆盘桨叶干化系统基于真空圆盘污泥干化机构件的成套污泥干化设备系统，通过测温、控压、控氧的方式实现运行的安全控制，对于含油等有机溶剂的污泥有较高的适用性和工艺安全性。真空圆盘干化机是一种在设备内部设置圆盘形换热推流桨，湿物料在圆盘的搅动下与热表面充分接触，从而使湿污泥干燥的低速搅拌干燥器。该机型属于间接传导加热型，热量均来自加热物料(一般为低压蒸汽)。热量损失仅为通过设备保温层和排湿向环境散热，所以热能利用率较高。真空圆盘干化机由圆盘转子、带有夹套的壳体、机座以及传动部分组成。物料的整个干燥过程在负压状态下进行，有机挥发气体以及异味气体在密闭条件下送至下游尾气处理装置，避免污染环境。同时，系统还具有等级较高的密封，有效控制了干化机内部的氧含量，保证了系统的安全性。

1.1.3 低温射流干化(减量)技术

低温射流干化工艺利用音障原理，采用高速风机产生的超高速气流冲击波对污泥进行破碎，使污泥和水在粉碎的过程中分离，然后再通过气、液、固三相分离装置进行脱水和固体颗粒的回收。该工艺能够在常温常压条件下将物料中的水分分离，达到干化的目的，是一种高效的利用非热传递原理的干化方法。这种工艺的优点是不需要添加剂，不需要外加热源，安全性好。缺点是产生的臭气量较大，需配套较大规模的臭气处理设施；噪声较大，需配套完善的防噪声措施。

1.1.4 带式干化(减量)技术

带式干化(减量)技术使用的干燥机其基本部件是输送带，螺旋给料机连续、均匀地将污泥摊平在输送带上。热空气穿过输送带和污泥，将污泥加热，使水分从污泥中蒸发出来，被空气带走。为保证干化效果，循环进入干化机。在该工序结束后，污泥变成颗粒状物质，干化效果较差。干化作用主要通过120 ℃的热空气实现，大部分气体在干化机内循环使用，只有小部分气体进入净化处理系统。该工艺主要通过输入的污泥量、烘干带的输送速度、输入的热能这3个参数进行过程控制。

1.2 污泥干化(减量)方案选择

1.2.1 4种污泥干化(减量)工艺对比

以10 t/d的设计处理量计算，各处理方案的对比见表1。

表1 4种方案对比

1.2.2 方案选择

该石化企业两座污水处理厂产生的污泥经叠螺式污泥脱水机脱水后，出泥的含水质量分数为80%～85%，含油质量分数为0.2%(不含重油)，还含有少量的苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、乙苯、硫化氢、氮(浓缩的)等物质，工艺组分复杂。每天湿污泥的产量为6～10 t。结合介质特性和现有装置人员配备情况，设计的处理规模、进出料规格见表2。

表2 污泥干化单元处理规模、进出料规格

实施方案除需满足表2设计方案要求外,还需要在设备方面能够满足现场实地布置情况且具有维修经济、方便操作的特点，在安全方面满足含油和挥发性有机物(VOCs)处理过程的防爆要求，在环保方面将产生的废气收集送下游处理。通过市场调研，结合项目投资回报情况，选用符合各方面要求的真空圆盘污泥干化(减量)工艺技术，并采用优异的成套设备系统。

2 真空圆盘污泥干化(减量)工艺及成套设备介绍

2.1 工艺方案介绍

2.1.1 方案内容

(1)增加污泥料斗和大口径螺杆泵，将上游脱水污泥通过管道输送至污泥干化系统配套的湿污泥料仓(新增)。污泥料斗和原有脱水机支架采取密封措施。

(2)于现有脱水机腔室、絮凝槽和污泥料斗的上部空间增加排气管道，将废气抽送至废气处理系统。新增成套设备包括湿污泥料仓、污泥干化机、污泥输送设备和尾气处理设施等。

(3)污泥干化系统的废气含有粉尘，温度较高(60 ℃以上)，采用除尘、冷凝工艺进行预处理，然后并入混合废气管网。

2.1.2 工艺流程及介绍

(1)污泥进料。经叠螺脱水后逐步固化的污泥采用密闭滑槽输送至湿污泥料仓，脱水污泥由污泥泵定量输送至干化机进口。物料被中空轴叶片及叶片上的刮片推送至另一端并从干化机底部出口排出，热介质从中流过，将热量传输给污泥，水分得到蒸发。干化后的污泥经夹套冷却水冷却后由螺杆泵输送至料斗，装袋后委外处理。

(2)废气处理。对湿污泥中水分蒸发产生的水蒸气及不可凝气体组成的尾气，采用“除尘+冷凝”方法，直接进入旋风分离器分离掉部分粉尘，然后由系统中的文丘里射水器带出，进入水箱中，水箱内设置换热器，对循环水不断进行降温。冷却后的废气接入污水预处理场的尾气处理系统，由下游装置单元的引风机带出，最终并入去锅炉的管线进行焚烧处理，然后高空排放。

(3)除尘。作为一级除尘，收集尾气中的大部分粉尘。由于尾气中有粉尘，直接进后面冷凝段容易造成堵塞，因此该段采用旋风除尘器，整体盘管后保温。底部设置小型料斗，定期对料斗进行除灰。

(4)蒸汽凝液。干化机夹套及空心轴和圆盘内的低压蒸汽经与湿污泥换热后冷凝，产生的凝液就地排入清净废水池，也可就地排放。

(5)污泥出料。污泥经过干化减量后排出，经过夹套式水冷降温后由出料螺旋输送机送至集装袋，进行后续处理。

该方案的工艺流程见图1所示。

图1 工艺流程

2.2 真空圆盘污泥干化(减量)成套设备介绍

该套设备由密封进料系统、干化主机、密封出料系统、尾气处理系统等组成。主要设备包括湿污泥料仓、双轴破拱机、进料螺杆泵、真空圆盘干化机、冷却螺旋输送机、旋风除尘器、水箱、换热器、文丘里喷射器、循环泵等。

2.2.1 进料系统

进料系统由湿污泥料仓、双轴破拱机、进料污泥螺杆泵以及相应的管线、仪表组成。自上游叠螺机出来的含水污泥经螺杆泵输送至湿污泥料仓暂存。为避免设备被严重腐蚀，料仓均采用不锈钢材质。暂存的污泥通过双轴破拱机破除“结块”物后，输送进入进料螺杆泵。进料螺杆泵选用变频、单螺杆类型，将湿污泥输送至干化主机进口。螺杆泵轴封采用填料密封外加冷却冲洗水。

2.2.2 干化主机

真空圆盘桨叶干化机是一种在内部设置圆盘形换热推流桨的设备。由电机驱动减速箱，通过链条将减速箱的输出轴扭矩传递给干化机传动轴。减速箱内设置高负荷齿轮油对传动部件进行润滑，链条与链轮之间定期添加润滑油脂，以增强扭矩传送效果。干化机传动轴与干化仓体的前、后间隙间采用双端面机械密封方案。

湿污泥由进料口送入干燥机后，在圆盘干化机的外壳和空心轴及桨叶(盘片)之间的空间内在桨叶的带动下做缓慢的螺旋运动，通入的蒸汽通过夹套、空心轴及轴上焊接的空心圆盘传递热量，湿污泥被间接加热干化。经加热后产生的有机挥发物和水蒸气聚集在干化机的顶部，由负压带出干化机。物料经过干化形成的颗粒经端部的旋转卸料阀排出。干化机空心盘片与轴成一定的角度，以利于湿污泥的干化和输送推进。干化机前段筒体上设有剪切螺钉，于两相邻盘片的空间内对干化过程中的污泥形成“扰流”的作用，起到破碎污泥、破坏“架桥”的作用，且在旋转过程中不断更新干燥面，提高了干化效果。干化机前后端设置的机械密封，参考API 682选用合适的机械密封方案，保证系统的密封性和真空度。

2.2.3 出料系统

出料系统由真空进料阀、真空卸料阀、冷却螺旋输送机等组成。真空进料阀、卸料阀以及各处动、静密封在保证物料进出的同时不破坏干化机内部建立的负压环境。冷却螺旋输送机为普通的双螺杆输送设备，物料进出口分别由低向高布置，夹套内通入冷却水，适当冷却干化后的粉料，并将粉料提升到一定的高度后依靠重力排入集装袋。

2.2.4 尾气处理系统

循环水泵出口管线上设置5路文丘里射水器，水流经此形成负压环境，将干化过程中产生的废气和部分水汽吸入旋风分离器。在旋风分离器中，去除掉固体粉尘颗粒后的气流于射水器侧面进入管路并与循环水流一同返回水箱。水箱内设置换热器，起到对系统降温的作用。冷却后的废气由下游尾气风机引出。尾气处理过程利用离心泵及其管路和射水器的工作，形成真空环境，将上游废气吸出并随同水流回流至水箱。在水箱内设置溢流管控制水箱水位，确保气相存于水箱上部并被下游风机抽出，同时确保水泵进口液位高度。在水箱底部内置列管式换热器，用以调节系统水流温度。

3 开车调试中存在的问题及解决方案

3.1 设备存在“跑、冒、滴、漏”现象

由于对双轴破拱机、单螺杆泵、干化主机轴承位置的密封考虑不足，这些设备的轴封大多使用填料密封，且密封层级较低，因此在试车过程中发现有少量湿污泥、润滑油脂等从设备密封点漏出。经局部改进设备密封结构，增加填料函、骨架油封，对轴承增设自动加脂器等，使问题得以解决。

3.2 系统真空度不足

项目建成初期，破拱机及单螺杆进料泵能够将污泥输送至干化主机，干化主机也能将污泥干化处理，但干化机内的废气无法被有效抽出。影响废气抽出的原因有以下几点。

(1)系统存在泄漏

可能的原因为干化机的制造质量、干化机机械密封的安装质量等问题以及系统和其他各处静密封的泄漏，对真空度造成了破坏。按照设计图纸要求对系统蒸汽管线进行压力试验，对真空形成管路系统进行真空度试验，消除了部分漏点，满足了系统要求。

(2)系统产生真空度的能力不足

3.3 影响离心泵平稳运行的其他因素

离心泵选用了有效汽蚀余量满足系统要求的泵，但实际工作中，液体仍可能夹带少量气相进入泵入口，或可考虑增设导叶轮等措施提高泵抗气蚀能力。此外，泵的方位布置未考虑泵进口直管段长度与直径关系的问题，以及泵机械密封背部设计冲洗方案的问题。经修改设计使问题得以解决，提高了影响真空度形成的关键设备离心泵的运行平稳性。