市政污泥热解炭化工程应用

introductory

通过梳理近十年国家在污泥处理处置的相关政策、技术路线发现,污泥资源化问题一直在强调但落地效果差,污泥脱水填埋的处置方式占比仍然较大;处置收费上,政策用词逐步强硬,从“不低于”到“补偿”到“应当补偿”再到“覆盖”,要求将污泥处置费用纳入到污水处理成本中。国家对污泥处理处置设施建设资金支持力度逐步加大,成本收费覆盖度逐步提高。2020年7月,国家发改委和住建部联合印发《城镇生活污水处理设施补短板强弱项实施方案》,方案提出加快推进污泥无害化处置和资源化利用,在土地资源紧缺的大中型城市鼓励采用“生物质利用+焚烧”处置模式,将垃圾焚烧发电厂、燃煤电厂、水泥窑等协同处置方式作为污泥处置的补充。“源头减量-梯级利用-末端处理”是未来的发展方向[1-2]。在此背景下,污泥热解炭化技术受到关注。该技术是污泥在无氧或缺氧条件下加热释放水分和有机物,“减量化”能够达到85%以上;相比焚烧工艺,烟气产生量少,二口恶英排放量低,更加“无害化”;热解炭化的生物炭经过高温处理,热解气循环利用,实现了污泥的“稳定化”和“资源化”。该工艺能够解决目前污泥处理处置中存在的占地面积大、减量效果差、邻避效应多、运行成本高以及末端出路受限等问题,在国内应用案例逐渐增多。

1 Project Overview

1.1项目简介即墨污泥热解炭化处理项目位于青岛市即墨区,设计规模为300t/d(以含水率80%计),目前主要处理即墨区即发污水处理厂产生的污泥。采用污泥浓缩-深度脱水-热干化-热解炭化-炭渣建材利用的技术路线,其中烟气净化采用SNCR-旋风除尘-湿法脱硫脱硝除臭-湿式静电除尘-活性炭吸附工艺组合。

本工程设置3条机械浓缩、4条深度脱水处理生产线,2条污泥干化、炭化生产线,2条烟气净化生产线。污泥炭化后产物送至当地建材企业制砖,烟气中颗粒物、SO2、NOX排放浓度满足《山东省区域性大气污染物综合排放标准》(DB37/2376-2013)表2中重点控制区标准,HCl、重金属及二英类排放浓度满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2014)中的排放限值。

1.2工艺说明工艺单元包括污泥接收、浓缩及储存系统;污泥调理及脱水系统;污泥热干化系统;污泥热解炭化系统和烟气净化等五大系统。辅助单元包括炭渣输送及储存系统;压缩空气及氮气系统和循环冷却水等三大系统,工艺流程见图1。污水处理厂含水率98%~99%污泥经机械浓缩后含水率达到95%~96%,泵送至污泥调理池,按序批次进入高压板框压滤机系统脱水,含水率降至60%~65%,进入半干污泥高位给料仓。泥饼经料仓暂存后送入回转干燥机,在干燥机内旋转的破碎装置作用下,污泥与高温烟气进行直接接触,水分快速蒸发至20%以下。干化后污泥输送进入热解炭化炉,被热烟气间接加热发生热解炭化反应。产生污泥炭排出经冷却后,送至炭渣储存仓。炭化产生的热解气进入燃烧系统,燃烧产生850~950°C的烟气,炉内停留大于2s,并在反混尾气中和后降至750°C左右进入炭化炉外筒,为热解炭化提供热量,污泥热值较低时导致热解气热量不足时,补充天然气提供热量。高温烟气经过热解炭化炉后,温度降至650°C左右,进入回转干燥机,干燥后烟气温度降至130°C以下进入烟气净化系统达标排放。1.3项目特点项目采用中高温热解炭化工艺,热解过程中产生焦油量很少,热解气燃烧温度大于850°C,污染物分解彻底。污泥减量85%以上,污泥中重金属固化,氮磷钾等营养物保留在污泥炭中,满足土地利用和建材利用等资源化要求。炭化热解过程产生的可燃气燃烧循环利用,减少能源消耗,一部分有机碳封存在炭渣中,减少温室气体排放。烟气排放满足国家《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB18485-2014)及山东省地方标准,排放量仅相当于污泥焚烧的30%~40%。热解过程无氧,从源头消除了二噁英产生的条件,车间内污泥全封闭管理,污泥臭气协同燃烧净化,环境友好。

2主要设计单元和设计参数

2.1污泥接收、浓缩及储存系统污水厂剩余污泥经叠螺浓缩机处理后,含水率达到95%~96%,然后提升至污泥调理池进行化学药剂调理。外厂60%含水率污泥采用封闭式自卸车运输进厂,卸入外来污泥储存料仓,再通过螺旋输送机提升至皮带输送机与本厂60%~65%含水率污泥共同进入半干污泥高位给料仓。主要设计参数如下:

①剩余污泥储池:3座,单座尺寸12m×6m×3m,单座有效容积180m3;

②外来污泥储存料仓:1座,尺寸6m×4m×2.5m,有效容积60m3,碳钢内衬PE板材质;配双轴螺旋输送机3台,功率7.5kW,液压站功率45kW;

③污泥浓缩机:3台,叠螺浓缩机,单台进泥量60~70m3/h,功率5.75kW。2.2污泥调理、脱水系统浓缩后污泥进入调理池,投加的化学调理药剂与污泥快速混合反应,调理改性后的污泥通过高压泵送至板框压滤机,压滤后泥饼由皮带输送机转运至半干污泥高位给料仓。污泥压滤和滤布冲洗废水进入即发污水厂处理系统。主要设计参数如下:

①污泥调理罐:3座,单座尺寸⌀4.5m×8m,单座有效容积100m3;配套搅拌器直径1500mm,转速70~100r/min,功率22kW;

②板框压滤机:4台,单台处理绝干污泥能力20t/d,进泥含水率≥95%,出泥含水率≤65%;单台压滤面积800m2,主机功率22kW;

③配套设备:柱塞泵4台,流量100m3/h,扬程150m,功率15kW;压榨泵4台,流量20m3/h,扬程202m,功率18.5kW;滤布清洗泵2台,流量150m3/h,扬程600m,功率30kW;螺杆压缩机2台,气量5Nm3/min,功率30kW;洗布水箱1台,尺寸⌀1.88m×2.2m,单座有效容积5m3;压榨水箱1台,尺寸⌀2.8m×3.6m,单座有效容积20m3;PFS加药泵3台,流量8m3/h,扬程30m,功率3kW;PAC加药泵3台,流量8m3/h,扬程30m,功率3kW;PAM加药泵3台,流量5m3/h,扬程30m,功率2.2kW。

④半干污泥高位给料仓:1座,有效容积:40m3。配双轴螺旋输送机2台,功率7.5kW,液压站功率18.5kW。

2.3污泥热干化系统半干污泥高位给料仓仓底设有螺旋输送机,螺旋输送机将半干污泥输送至回转干燥机进料端,污泥在回转干燥机内打散装置、导料板、抄板等结构的共同作用下,不断地被打散、抛起及撒落,并与高温烟气充分接触,进行污泥脱水干燥。污泥干燥后含水率降为20%以下。主要设计参数如下:

①回转干燥机本体:2台,单台尺寸⌀2.8m×8m。配套设备:主传动系统2套,功率30kW,污泥破碎装置传动系统4套,功率30kW;

②干燥进料螺旋:2台,型号LSS250,功率4kW;

③干燥出料螺旋:2台,型号LSS300,功率3kW;④干燥卸料阀:2台,型号ARDV200,功率1.1kW。

2.4污泥热解炭化系统干化后的污泥经密闭螺旋输送机均匀送入热解炭化炉上部,通过锁风器进入炭化炉内部,炭化炉内部是无氧或缺氧空间,污泥从80°C左右,被加热到600°C以上,热解产物以气体为主,主要为气态的小分子碳氢化合物,还含有少量的SO2、NH3、NOx等。热解炭化后,污泥含水率降为1%以下。干燥及热解炭化热量不足部分通过在热风炉内补充天然气燃烧获得。主要设计参数如下:

①炭化炉本体:2台,单台尺寸⌀1.6m×18m,高温段材质为耐热不锈钢310S;配套设备:主传动系统2套,功率22kW;炭化进料密封系统2套,组合式,含氮气密封及多重填料密封等,功率1.1kW;

②炭化进料螺旋:2台,型号LS250,功率3kW;

③热风炉本体:2台,配套设备:天然气燃烧器2台;分级配风系统4台,功率4kW;火焰在线监测系统2套;

④烟气返混系统:配置高温风机2台,功率11kW;

⑤燃气风机:配置高温防爆燃气专用风机2台,功率15kW。

2.5烟气净化系统烟气净化工艺首先采用旋风除尘去除干化过程产生的污泥粉尘,然后通过碱液喷淋塔去除SO2和HCl等酸性气体,再通过湿式静电除尘器进一步除尘,最后经过活性炭吸附塔去除重金属和二噁英后达标排放。污泥热解和热解气燃烧过程中产生氮氧化物一部分采用脱硝氧化塔去除,另一部分采用SNCR炉内脱硝工艺,使用20%氨水溶液作为还原剂,在压缩空气雾化条件下通过喷枪喷入气体燃烧室内,氨水溶液与烟气中氮氧化物进行反应去除氮氧化物。主要设计参数如下:

①SNCR炉内脱硝系统:2套,处理能量15000Nm3/h,配套设备:氨水储罐1台,有效容积28m3;工艺水储罐1台,有效容积10m3;氨水泵2台,流量1m3/h,扬程100m,功率1.1kW;工艺水泵2台,流量1m3/h,扬程100m,功率1.1kW;

②旋风除尘器:2套;

③脱硫塔系统:脱硫塔本体2台,单台尺寸⌀1.8m×7.5m;脱硫循环泵3台,流量100m3/h,扬程18m,功率7.5kW;

④炉外脱硝氧化塔系统:脱硝塔本体2台,单台尺寸⌀1.8m×7.5m;脱硫输送泵3台,流量1m3/h,扬程15m,功率1.1kW;稀释泵2台,流量4m3/h,扬程15m,功率2.2kW;脱硝循环泵2台,流量60m3/h,扬程18m,功率7.5kW;吸收循环泵3台,流量60m3/h,扬程18m,功率7.5kW;

⑤除尘除雾塔系统:塔本体2台,单台尺寸⌀1.8m×7.5m;冲洗泵2台,流量30m3/h,扬程30m,功率7.5kW;主引风机系统2台,功率75kW;⑥深度脱除系统:活性炭吸附装置2套,除尘器2套。

2.6炭渣输送及储存系统污泥炭渣颗粒经设备尾端的下料口落料至螺旋输送机,由于炭渣温度较高,为减少粉尘和防止炭渣自燃,在进入储存仓之前需要进行冷却。螺旋输送装置内设有两级水冷装置(循环水),可将炭渣温度降低至60°C以下,另设有水冷喷雾装置,炭渣输送过程中,冷却水呈雾状喷出,对炭渣进行直接冷却和加湿,进入储存仓的炭渣含水率约10%。主要设计参数如下:

①污泥炭渣储存仓:1座,有效容积50m3;

②干污泥管链输送机:2台,粉体输送量3t/h,功率6kW;

③污泥炭渣管链输送机:2台,粉体输送量1.5t/h,功率11kW;

④成品仓下料螺旋:1台,粉体输送量20t/h,功率5.5kW;⑤污泥炭渣冷却系统:2套,炭渣冷却量3t/h,包含出料卸料阀2套,功率1.1kW;⑥炭渣进出料卸料阀:各2台,共4台,功率1.1kW。

3运行效果分析

3.1温度和时间对炭化效果影响检测样品为干燥机出泥,每次检测样品为2天混合样,共检测2次。所取样品委托第三方检测公司进行检测,参照国家标准《煤的工业分析方法》(GB/T212-2008)中挥发分的方法进行测定,第一次取样的测定时间为60min,测定温度从300°C到800°C。第二次取样的测定时间分别为30min和90min,测定温度从400°C到900°C。从时间上分析,热解90min挥发分平均值为44.04%,高于30min挥发分平均值的41.96%,其中在600°C时前者比后者高出的挥发分数值为3.24%。从温度上分析,加热时间对挥发分的影响在不同温度区间,影响程度不同,加热时间对挥发分影响在600°C左右比较明显,在600°C以上,随着加热温度升高,影响程度逐渐减小。污泥在升温速率为10°C/min的热重分析数据如图3,图中,重量(TG)曲线表示样品在热解过程中随温度/时间的重量变化,纵轴为重量百分比,表示当前温度/时间的样品重量与初始重量之比。热重微分(DTG)曲线(即dm/dt曲线,将TG曲线上的各点对时间坐标进行一次微分的曲线)表示重量变化速度随温度/时间的变化。污泥在升温速率为10°C/min的热重分析数据如图3,图中,重量(TG)曲线表示样品在热解过程中随温度/时间的重量变化,纵轴为重量百分比,表示当前温度/时间的样品重量与初始重量之比。热重微分(DTG)曲线(即dm/dt曲线,将TG曲线上的各点对时间坐标进行一次微分的曲线)表示重量变化速度随温度/时间的变化。与文献[中的数据结果具有相似性,总体分为三个阶段,第一阶段温度区间为室温~135.64°C,DTG峰值出现在69.64°C,其失重主要因为污泥中所含的少量结合水受热挥发。第二阶段温度区间为135.64~578.38°C,是污泥热解的主要分解阶段,其失重约37.8%,占整体失重率的67.17%,DTG峰值出现在314.268°C。在该阶段污泥中挥发分大量析出和分解,产生大量焦油及CO、H2等可燃性气体[6]。第三阶段段温度区间为578.38~900°C,此阶段DTG曲线较平缓,整体减重速率较为缓慢,此阶段分解的主要为难挥发物质及少部分无机盐,DTG在756.77°C出现峰值。试样在整个热解过程中失重约为56.34%,本次试样干燥基灰分比例为42.89%,热解过程减重率低于试样中挥发分及固定碳的总和,有比较好的减重效果。

3.2污泥重金属和营养物质测定本工程对回转干燥机出泥和炭化炉出泥炭渣进行了重金属和营养物质检测,数据见表1。污泥炭化后减量比例为31.7%。由于受到上游污水处理厂进水水质影响,干化后污泥对于污泥农用A级标准来说,总锌、总汞等重金属均有不同程度的超标。经过热解炭化后,炭渣经过浸出液检测,重金属指标大幅降低,已远远低于污泥农用数值,同时炭化后除总汞外,重金属固化比例均超过70%。热解炭化后,氮、磷、钾等营养元素固化率达到59.74%、92.31%、86.51%。

3.3污泥减量化数据统计统计2021年1至3月进泥量和炭渣数据,其中进泥量为17912t(80%含水率),炭渣产量2481t(降尘喷水后,约10%含水率),污泥热解炭化的平均减量率达到86%。

3.4烟气排放数据表2为2021年检测的主要污染物排放数值,均达到环评批复标准。

3.5项目提升方向

(1)半干污泥高位给料仓容积与板框处理能力匹配度较差:半干料仓容积为40m3。板框平均每批次出泥8~10m3,但主要为块状泥饼,空隙较大,实际运行料仓最多能接收2~3个批次的污泥,造成缓冲能力甚至系统产能下降。后续项目可考虑调整为连续进出泥的高压带机,也可以考虑增加板框出泥破碎装置或增加料仓容积。

(2)干燥机进泥不连续:干燥机运行根据烟气出口温度控制进泥,造成进泥不连续。目前正在摸索烟气出口温度与污泥含水率的关系曲线,提高进泥连续性。

(3)炭化炉进泥无缓冲料仓:炭化炉炉前给料螺旋前依次是管链输送加星形卸料阀,没有设置缓冲料仓及料位开关。炭化炉进料直接受干燥机进料影响,两台设备物料给料强关联,干燥机进料非连续,炭化炉进料波动,同时不能有效保证进料密封。

(4)物料输送故障率较高:干燥机给料采用螺旋输送,其一旦发生故障直接导致全线停机,降温检修。本工程由于利用原有车间,空间受限,输送方式选择少,干燥机到炭化炉采用管链输送,一旦出现脱扣,断链等故障,就需要全线降温检修甚至停产。

4技术经济分析本工程投资估算1.39亿元,设计规模300t/d(80%含水率),吨泥投资46万元。本工程自2019年10月试运行,至今稳定运行时间超过2年。其中电耗约50kW·h/t,天然气耗量约30Nm3/t,药剂费用约40元/t,合计约180元/t(以80%含水率计)。

5结语本工程采用污泥浓缩-深度脱水-热干化-热解炭化-炭渣建材利用的污泥处理处置路线,至今已稳定运行两年,是目前国内运行规模最大,运行成本较低的污泥热解炭化项目。热解炭化后减量明显、重金属固化效果好、营养物质损失小,炭渣资源化利用途径多。本工程的顺利实施为国内污泥热解炭化技术发展起到了很好的示范作用。本工程还需要进一步提高系统自动化控制水平,提高输送设备运行的稳定性;需要对污泥热值进行连续监测,优化运行参数,降低天然气消耗量;需要进一步拓展污泥炭渣出路问题,开展多元化资源化利用途径,提高炭渣附加经济价值。

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