一种污泥干化焚烧处理设备的设计

刘铭洋，张玉莲，张晨

（浙江海洋大学，浙江 舟山 316000）

0 引言

随着中国工业化和城镇化进程的日益发展, 人们的生活水平在日益改善的同时也释放了大批需要处理的工业废水和城市污水，与此同时也带来了污泥产量的增加，对环境造成了二次污染，这对我们的日常生活和人体健康是非常不利的[1-2]。污泥是在处置污泥的过程中所形成的沉淀，其中含有大量的有害成分，如可能会对人体健康带来威胁的病原物和寄生虫，还有锌、铜、汞等重金属以及一些难降解的有机污染物，同时散发着令人难以接受的臭气[1-4]。若不对污泥加以相应的处置,任由它裸露于自然环境中, 将对自然环境和人类身心健康产生巨大危害和重大冲击，比如若污泥中的重金属被鱼、虾等食物链意外吸食，最后成为一道“美食”，对人民身体健康造成极大危害[5]。因此，如何安全有效地处理污泥，使之达到减量化、稳定化、无害化和资源化是社会各界应该关注且认真思考的问题。

目前,比较常用的污泥处置方法一般有直接回填、农用堆肥、填海和焚烧等。其中填埋法由于要占有大量耕地资源,对土壤资源的利用耗费很大,而且如因处置污水时处理不当,很有可能就会对土壤和地下水等环境资源产生严重污染;污水中存在大量的有害成分,所以污水农用堆肥处理法在规定区域内不宜用于实际应用中;同时,污水填海法也会对海洋环境产生强烈污染,对海洋的生态环境构成严重损害,因此已被国际公约所限制[6-7]。污泥焚烧处理技术是目前比较普遍使用的污水处置技术, 具有效率高、应用范围广泛且绿色环保等优点，被认为是所有污水处理技术中最有前景的方式之一[1]。

近年来，国内外对污泥无害化处置进行了大量尝试。但是与迫切需要处理的污泥产量相比，目前规模化、可连续、无二次污染地处理污水的工艺技术与装置的研究还不足。因此，对污泥处理技术以及处理装备的研究、开发刻不容缓[8]。本文设计了一种利用污泥干化焚烧的工艺方法对污泥进行无害化处理的污泥处理设备。

1 设计思路

污泥焚烧作为目前最彻底的污泥处置方式,可以最大限度地达到污泥的减量化、稳定化和无害性，且能在污泥焚烧过程中将污泥中的有机物转化为水和二氧化碳等无害物质，并释放大量能量，同时为了将热量加以回收利用，可以通过余热回收利用子系统实现能源最大化利用，达到废物利用的目的[9-10]。污泥焚烧主要有单独焚烧和混合焚烧。其中单独焚烧适合处理规模较大的污泥处置项目，单独焚烧主要有直接焚烧和干化后焚烧，其中干化后焚烧能进一步降低污泥的含水率，提高焚烧效率。污泥预处理工作和焚烧工作完成后，就要考虑污泥燃烧后的烟气处理问题，重点要考虑污泥燃烧后形成的灰尘及微粒、酸性物质（H2S、NH3、HCl、HF、SOx、NOx、甲流醇、二甲二流醚等）、重金属（Hg、Pb、Cr、Ni、Cd 等）及少量的有机剧毒性污染物（二恶英、呋喃等）。

1.1 污泥干化工艺的选择

污泥是进行污水处理时所产生的固体沉淀，因此未处理过的污泥含水量通常很高，因此需要对其进行干化预处理以进一步提高污泥的含固率，提高其热值，提高污泥焚烧效率。污泥干化是指水分迅速挥发并扩散的过程,要加快这一过程,就必须通过强外力干化的方法来加速污泥内水分的挥发,这一方法目前主要有热力干化、微波热干化、超声波干化、太阳光干化和生物干化等方法。其中热干化是比较常见的干化方法,其技术也是目前最为成熟稳定的,也是目前使用最为普遍的一类污泥干化方法[2,10]。

按照加热介质和污水的接触方法, 可把污水热干化工艺分成直接热干化、间接热干化和直接-间接结合热干化3类。其中污水的直接加热干化技术又称为污水对流干燥技术, 该方法的主要机理就是利用直接加热导热介质,让升温过后的加热介质和污水进行直接接触, 从而让污水中的水分进行挥发,达到污泥干化的目的。间接加热干化技术就是加热介质不与污泥发生直接接触，而是通过热能转换装置将热能通过容器表面与污泥接触，从而实现污泥干化的目的。前者效率较高，但能量损失大，烟尘净化和余热利用难度较高,其干燥系统的抑燃、耐爆条件也更为严酷；后者虽然不会造成较大的能量损失，且烟气处理难度较低，还有自动化程度比较高，但是这种干化技术是通过间接加热的方式来干化污泥中的水分，因此其干化效率较低。以上两种技术各有各的优缺点，干化方式的选择需视情况而定。本设计应用了直接热干化和间接热干化两种干化方式相结合的干化技术——直接－间接联合热干化技术，这种热干化技术有着前两者的优点，且其结构紧凑、自由度高，但其系统还是比较复杂，且电耗较高。

污泥干化技术的选择, 必须在达到相当的干化效果和无二次污染的前提下, 发挥该种污泥干化技术的优越性，同时充分利用干化产品资源化等措施，来降低干化成本和资源消耗，这将是未来污泥干化技术研究和发展的主要方向。

1.2 污泥焚烧烟气处理系统

污泥焚烧最大问题在于污泥焚烧后的烟气处理。污泥中含有大量的N、S元素，污泥在焚烧流程中还会生成氮氧化物、二氧化硫等污染物性气体，这些物质对环境和人类健康的影响极大。而且污泥焚烧会生成大量的飞灰，对环境造成粉尘污染。因此加强污泥焚烧后的烟气监控和处理，使排放的气体能够达到国家制定的排放标准[2,10]。污泥焚烧过程中会生成大量粉尘及颗粒物、酸性气体（H2S、NH3、HCl、HF、SOx、NOx、甲流醇、二甲二流醚等）、重金属（Hg、Pb、Cr、Ni、Cd等）及少量的有机剧毒性物质（二恶英、呋喃等）[8]。对以上会对自然环境和人类身体产生环境污染和危害的排放物需要进行有效控制和处理。本文采用分段喷淋及洗涤后烟气化学清洁处理的方法。

1.2.1 粉尘处理

烟尘中的粉末,一般含有惰性元素盐类、金属氧化物及未充分焚烧物料等,其主要去除手段有旋风除尘器、布袋除尘器、湿法洗涤等[11]。本文将通过布袋除尘器对烟气中的粉尘进行相应处理。

首先,可以在尾气收集器中安装布袋除尘器,用来把灰尘截留并收集出来,并对烟尘中施放活性炭,活性炭也可以吸收烟雾中重金属和剩余的二恶英。当污泥焚烧工序全部完成后用布袋除尘器抽出, 在鉴定确认是否为危害性垃圾后对其加以合理处置。

1.2.2 酸性气体处理

烟尘中的酸性废气,主要含有溴化物、卤化氢（氯之外的卤素）、硫氧化物、氮氧化物及其磷氧化物和磷酸等,此类烟气可通过分段或对其喷淋的不同制剂实现烟尘化学清洁处理。

1）针对烟气中的酸性污染物,可以碳酸氢钠作为化学吸附剂的干法吸附工艺方法对其进行化学吸附去除,同时它还能够利用物理吸附方法除去烟气中的部分有机物和无机微量化合物。该方法的操作基本原理是：把碳酸氢钠直接喷撒到高温烟气上,在高热的作用下,碳酸氢钠分解产生大苏打Na2CO3、H2O和二氧化碳。而新生成的大苏打Na2CO3在形成瞬间具有极高的化学反应活力,能自发地和烟气中的酸性污染物进行化学反应,反应化学式如下:

2）针对于烟气中的甲流醇、甲硫醚等不可溶的有机挥发性物质，应用次氯酸钠溶剂的喷淋后处理。

另外,在冷却喷淋池中设置的不锈钢网与不锈钢隔墙之间构成了烟气滤腔,滤腔中还装有环保球,在不同的不锈钢隔墙板之间构成了供烟气流动的S型管道,烟气在流动过程中能够和药液充分反应, 而环保球能够对烟气中的部分物料进行过滤净化,并具有良好的干燥效果。

3）污泥燃烧生成二恶英的途径主要取决于具体的炉型、工作条件和燃烧温度。因此对二恶英的控制主要遵循国际上通用的3T+1E原则，同时喷洒活性炭吸附残留二恶英。此外可在污泥中添加适当的煤炭,一方面能够补充流体床焚烧炉焚烧时的热能不足;另外,煤中的硫能够控制二恶英的形成。这也能有效阻止二恶英的合成。

2 设计方案

本文采用一体化的设计思路对污泥焚烧设备进行设计，如图2所示。该污泥焚烧设备采用污泥干化焚烧工艺方法来对污泥进行无害化处理，该系统包括预处理、燃烧、烟气处理与余热回收利用3个子系统。其焚烧工艺流程如图1所示。

图1 污泥焚烧设备的焚烧工艺流程

图2 污泥焚烧设备总装图

该污泥焚烧设备的焚烧工艺流程具体如下：1）首先将脱水污泥倒入污泥箱中，并在搅拌机的作用下充分搅拌，同时启动电热板加热空气，产生的热能通过烟道热交换器被在污泥箱中所进行的污泥预处理所利用，实现对脱水污泥的间接干化。2）脱水污泥干化处理后，将干化后的污泥放入污泥焚烧炉中，同时添加生物质颗粒作为燃料，脱水后的干污泥经焚烧炉燃烧后产生大量的高温烟气和固体垃圾，高温烟气通过高温烟道，同时启动加热板，进一步加热烟气，其热能在烟道热交换器的作用下，通过间接干化的热干化方法的作用下对脱水污泥进行干化预处理，其固体废渣在传送带作用下掉入废渣储存箱中。3）同时高温烟道中经加热板加热和烟道热交换的高温烟气在鼓风机的作用下，在高温烟道中正常流动，并被废气收集器收集起来，同时对烟气进行第一步处理。高温烟气在废气收集器中进行过烟气处理后，进入污泥箱，使用高温烟气与污泥直接接触的热干化方式对脱水污泥进行干化预处理，同时结合电热板加热与烟道热交换，形成直接－间接联合热干化技术对脱水污泥进行干化预处理。4）高温烟气在热量被污泥干化工艺利用后，经过烟气处理系统处理，达到国家规定的排放标准后通过排气筒进行排放。

在传统的污泥干化焚烧工艺的基础上，该设计方案采用了污泥直接－间接联合热干化工艺，当高热烟尘进入高温烟道之后,为进一步增加将污水干化的热能，特意在烟道中加入3块加热板，其烟道内部如图3所示，在加热板的作用下，高温烟气被进一步加热，进而利用换热器与高温烟尘进行热交换, 并将热能传递到污泥箱中的脱水污泥上，同时在鼓风机的作用下，将剩余有热能的烟尘经由废气收集器收集出来,并对烟雾进行粉尘处理,从而吸收了烟尘中重金属以及剩余的二恶英，然后进入污泥箱，使用高温烟气与污泥直接接触的热干化方式对脱水污泥进行干化预处理，同时结合电热板加热与烟道热交换，形成直接－间接联合热干化技术对脱水污泥进行干化预处理。

鼓风机是根据高温烟道中的一氧化碳的含量和温度变化来通过切换变频器频率来改变电动机输入频率，从而实现鼓风机的调速。通过鼓风机对烟气进行升压输送，从而使高温烟气可以正常被废气收集器所收集。

2.1 烟道内部构造

从图3可以看到污泥焚烧腔与高温烟道是相通的，另外也可以看到鼓风机、一氧化碳和温度传感器的位置分布，同时可以看出鼓风机、电热板的控制和一氧化碳及温度传感器的信号接收器都是在电力控制柜中。其污泥焚烧设备的主电路图如图4所示。

图3 烟道内部构造图

图4 污泥焚烧设备主电路图

2.2 污泥焚烧设备操作面板

从图5可以看到污泥焚烧设备的一些比较关键的表盘和按钮，分别有电压、电流、一氧化碳浓度、温度的显示表盘和电源灯、工作指示灯、故障警报灯，以及电热启动和电热停止、拨挡启动和拨挡停止、鼓风启动和鼓风停止、变频器切换等操作按钮。

2.3 污泥焚烧设备电气控制

从图4可以看到污泥焚烧设备的电器控制主要有电热板控制、鼓风机控制、拨挡电动机控制和平板电动机控制等。对于这些电器设备的控制，需要结合污泥焚烧设备的操作面板来看，如图5所示。当图4中QD1闭合时，操作面板电源灯亮，这时才能进行电热启动、停止等操作。当按下操作面板上的电热启动，M1闭合，这时电热板工作；当按下操作面板上的电热停止，M1断开，电热板停止工作。同上所述，拨挡电动机和平板电动机的启动也是同理，拨挡电动机和平板电动机分别控制污泥在污泥箱中的搅拌处理和和污泥焚烧后的废渣输出，当按下相应启动按钮，M3、M4分别闭合，电动机启动；当按下相应停止按钮，M3、M4分别断开，电动机停止工作。而鼓风机的工作原理与前三者略有区别，其可以根据高温烟道中的一氧化碳的含量和温度变化来通过切换变频器频率来改变电动机输入频率，从而实现鼓风机的调速。当M2闭合时，鼓风机动作，且可以根据高温烟道中的一氧化碳含量和温度变化来通过切换变频器频率来改变电动机输入频率。另外也可以按下操作面板上的变频器切换来主动改变变频器频率，从而实现鼓风机的调速。至于操作面板上的电流表、电压表，则由电度表测得，再经过一系列换算得到电流、电压数值；而一氧化碳变送和温度变送则分别由一氧化碳传感器和温度传感器检测到信号之后，被电力控制柜中的接收器接收转换，最后经过数值显示模块得以显示。其操作面板与主电路图的对应控制如表1所示。

图5 污泥焚烧设备控制面板

表1 污泥焚烧设备操作面板与主电路图的对应控制

3 结论

污泥无害化处理这一课题已经是目前中国的环保研究课题之一，在污泥产量日益增多的今天，传统的污泥处置方法已不适应于当今社会的发展要求。纵观国内外污泥焚烧处置技术与处置设备的研究和使用情况，目前大规模、可持续、无二次污染地处置污泥的技术和装备的研究还稍显不足。因此对污泥处理技术以及处理装备的研究、开发刻不容缓。

本文设计了一种污泥处理设备，其在污泥干化焚烧工艺的基础上采用了污泥直接－间接联合热干化技术，并使用加热板进一步加热空气，保证了脱水污泥的含固量。同时应用了变频器，根据一氧化碳含量和温度变化实现了鼓风机的调速控制，在一定程度上节省了电力的消耗,并且增长了设备的使用寿命。另外本文对污泥焚烧设备的工作流程做了详细的讲解，并对其烟道内部构造和污泥焚烧设备电气控制做了详细的描述。

污泥焚烧的最大问题在于污泥焚烧后的烟气处理。为了防止污泥焚烧排放物对环境和人体健康造成巨大的污染和影响，烟气处理系统的设计是很有必要的。本文应用了分段喷淋及洗涤后烟气化学清洁处理的方式。针对烟雾中的灰尘处理,首先,可以在废气收集器中安装布袋除尘器,用来把灰尘阻挡并收集出来,并对烟雾中施放活性炭,活性炭也可以吸收烟尘中重金属以及残余的二恶英。在污泥焚烧工艺完全结束后将布袋除尘器取出，通过相应设备进行检测后对其进行合理处置。其次是对酸性废气的处置,预采用的方式是利用碳酸氢钠在高温下分解, 产生Na2CO3、H2O和CO2后与烟气中的酸性污染物进行化学反应的工艺方式,来处理烟尘中的酸性废气。对于二恶英的控制，主要遵循国际上通用的3T+1E原则，并喷洒活性炭吸附残留二恶英，同时掺入适量的煤，从而抑制二恶英的生成。

由于中国目前污泥处置技术和设备的欠缺，安全有效地处理污泥，安全高效地处置污水,使其实现减量化、稳定化、无害化和资源化,是目前我国待处理的主要环保问题之一，也是社会各界应该关注且认真思考的问题。