“薄层-线性”二段法污泥干化工艺及工程应用.pdf

第 31 卷第 4 期2023年8月环境卫生工程Environmental Sanitation EngineeringVol.31 No.4Aug.2023“薄层-线性”二段法污泥干化工艺及工程应用康启宇（西安市长安基础建设有限责任公司，陕西西安710100）【摘要】“薄层-线性”二段法污泥干化工艺具有高干出泥（含水率 10%30%）、安全（氧含量5%）、水分蒸发效率高、设备投资低、运行稳定等特点。介绍了处理量 1 442.5 t/d 的我国某大型市政污泥处理处置扩建工程的工艺流程、核心设备、工艺设计和调试运行情况，该工程共设 10 条“薄层-线性”二段法污泥干化线，进泥含水率 78%82%，出泥含水率可达 20%33%，各项性能考核指标和能耗指标均达标。【关键词】污泥干化；二段法；薄层干化机；线性干化机中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1005-8206（2023）04-0052-05DOI：10.19841/ki.hjwsgc.2023.04.009Two-stage Sludge Drying Process of Thin Film Dryer&Linear Dryer and Its Engineering ApplicationKANG Qiyu（Xi an Chang an Infrastructure Construction Co.Ltd.，Xi anShaanxi710100）【Abstract】Two-stage sludge drying process by thin film dryer and linear dryer had features of high dry sludge yield（moisture content 10%30%），safety（oxygen content5%），high water evaporation efficiency，low equipmentinvestment，stable operation and so on.The process flow，core equipment，process design and commissioning operation of alarge-scale domestic municipal sludge treatment and disposal project with a capacity of 1 442.5 t/d was introduced.Theproject was equipped with 10 two-stage sludge drying lines，and the moisture content of feeding sludge was 78%82%，theoutgoing sludge moisture content could reach to 20%33%.All performance assessment index and energy consumption indexwere up to standard.【Key words】sludge drying；two-stage process；thin film dryer；linear dryer0引言污泥干化既可实现污泥减量化和无害化，又可为后续的污泥资源化利用创造重要前提，是目前污泥处置的重要技术之一1。薄层干化技术是污泥间接式热干化技术中的典型技术之一。从工程应用角度来说，目前大多数薄层污泥干化采用的是一段法工艺，即污泥经过一次干燥后即出泥并供后续处置，出泥含水率通常为 30%40%。干泥如需用于发电厂燃煤掺烧、生活垃圾协同焚烧或作为土壤改良剂、肥料，须高干出泥2。但一段式薄层干化在污泥含水率降至 30%以下时，脱除污泥结合水变得更难，薄层干化机的换热面积要相应增大很多，这也导致设备体积和相应的设备投资都要大幅增加。对于高干出泥，“薄层-线性”二段法污泥干化工艺可突显其优势。该工艺经过一段薄层干化后，干泥再进行二段线性干化。线性干化机是一种采用单轴输送螺旋作为转子来输送污泥、采用转子内壁和定子夹套均通高温热媒的方式来实现污泥干化的间接式热干化机。由于转子采用的是单轴螺旋，通常仅用于将颗粒状的低干污泥进一步干化至高干污泥，是对一段干化的有利补充。线性干化机具有高热容、长停留时间、转子和定子内壁均为换热面等特点，因而高干段污泥的单位面积水分蒸发效率更高，且线性干化机的设备体积更小，设备投资更小。与此同时，引入的二段线性干化机其低线速度（1 m/s）可避免对颗粒污泥造成挤压、剪切，有效减少粉尘产生及设备机体磨损，适合我国污泥（特别是市政污泥）含砂量高的国情3。本研究结合我国某大型市政污泥处理处置项目的工程实例来进一步介绍该工艺。1工程背景概述某大型污泥处理处置扩建工程的服务对象为我国某片区第一、第二污水处理厂提标改造至城收稿日期：2022-11-21；录用日期：2023-05-10镇污水处理厂污染物排放标准 GB189182002 一级 A 出水标准产生的脱水污泥，以及新建升级补量工程建成后 2.20106m3/d 污水处理产生的脱水污泥。工程建设规模为 223.0 t/d（以 DS 计），折合含水率 80%的污泥量为 1 115.0 t/d，设施配置考虑一期工程焚烧线检修工况，工程高峰处理规模为 288.5 t/d（以 DS 计），折合含水率 80%的污泥量为 1 442.5 t/d。进厂脱水污泥的含水率为 78%82%，脱水污泥干基高位热值为 10.0113.35 MJ/kg，平均干基低位热值为 11.21 MJ/kg。由于前端污水厂的进水水质碳源充足且可生化性较好，核心工艺采用了 A2/O 活性污泥法的生物处理工艺，因而前端污水系统排出的污泥热值较高。污泥泥质分析数据见表 1。表 1污泥泥质分析Table 1Sludge quality analysis项目（收到基）工业分析/%元素分析/%干基低位热值/（kJ/kg）灰分挥发分固定碳C元素含量H元素含量N元素含量S元素含量O元素含量数值43.8745.948.6427.174.192.020.9118.8311 213该工程采用“脱水污泥干化+电厂掺烧”的污泥处理工艺，其中污泥干化采用“薄层-线性”二段法工艺。共设有 10 条干化线（9 用 1 备），单条干化线污泥处理量为 160.27 t/d（80%含水率）。含水率 78%82%的脱水污泥由自卸式卡车运输至污泥处理厂，经污泥接收、储存系统后，脱水污泥泵送至污泥干化系统，经干化系统处理后，平均含水率降低至 30%，产生的干污泥由密闭式卡车运输至该片区第二电厂或第三电厂与煤掺烧。整个系统的废气则抽至废气处理系统进行处理。2工艺流程与设计参数2.1“薄层-线性”二段法工艺流程脱水湿污泥（80%85%含水率）由污泥接收仓接收并由污泥储存仓暂存。污泥储存仓底的进料螺杆泵将污泥定量输送进薄层干化机内，产出的一段干泥含水率约 30%40%。一段干泥通过溜槽落入线性干化机内进行二段干化，二段干泥含水率可达 10%30%。线性干化后的污泥温度约为95，先通过冷却螺旋进行降温冷却至 45，再通过干泥输送设备输送至干泥料仓暂存并供后续处置。一段薄层干化和二段线性干化的蒸发废气温度约为 105，通过尾气风机抽至冷凝器进行喷淋洗涤降温。喷淋洗涤后的不凝气温度降至 45，经除雾器除雾后再由尾气风机外排至臭气处理系统进行处理。污泥干化采用 1.0 MPa（绝压）、180 的饱和蒸汽作为热媒，一段干化和二段干化的蒸汽凝液则通过凝液收集装置收集并输送回锅炉系统的除氧器，作为除氧水供锅炉利用产蒸汽。如果污泥干化与焚烧系统协同处置污泥，凝液还可通过换热器与焚烧炉的一次风和二次风进行换热，以利用自身的部分余热，再回到除氧器供锅炉利用产蒸汽。“薄层-线性”二段法污泥干化工艺的流程如图 1 所示。图 1二段法污泥干化工艺流程Figure 1Flow of two-stage sludge drying process2.2核心设备工作原理薄层干化机的主要结构为 1 个带有夹套的圆筒形空心壳体，筒体内设有长轴形的空心转子，转子上均布有不同角度的叶片。筒体内壁设有耐磨涂层，筒体两端配有法兰型端盖，转子驱动端装有电机和减速机以驱动转子以一定转速旋转，筒体夹套中通有如饱和蒸汽的热媒。污泥在被输送进干化机后，被转子及叶片均匀涂布在筒壁上，形成 510 mm 厚度薄层，并通过筒壁与热媒进行间接换热。污泥中蒸发的水蒸气被尾气风机抽至设备外，污泥则在转子及叶片的推动下不断干化并形成颗粒状污泥，最终从出料口排出。线性干化机的结构由 1 个带有夹套的圆筒形空心壳体和壳体内的空心螺旋状转子组成，筒体两端装有法兰型端盖，转子驱动端装有电机和减速机以驱动转子以一定的转速旋转，筒体的夹套及转子内均通有如饱和蒸汽的热媒。一段薄层干化污泥被输送进线性干化机后，污泥在转子的旋废气处理废气尾气风机喷淋降温脱水污泥污泥接收污泥暂存脱水污泥干泥处置干泥干泥料仓干泥输送干泥冷却二段干泥线性干化脱水污泥薄层干化蒸发废气饱和蒸汽饱和蒸汽一段干泥凝液收集凝液回收利用蒸汽凝液康启宇.“薄层-线性”二段法污泥干化工艺及工程应用 53环境卫生工程2023 年 8 月第 31 卷第 4 期转输送下，通过筒体内壁和转子外壁与热媒间接换热，进而实现二段深度干化。薄层干化机4和线性干化机5结构如图 2 所示。（a）薄层干化机前端轴承 夹套筒体夹套转子和叶片夹套后端轴承（b）线性干化机后端轴承筒体筒体转子和叶片夹套前端轴承图 2薄层干化机和线性干化机结构示意Figure 2Structure schematic of thin film dryer and linear dryer薄层干化机的水分蒸发效率高，在满足低干出泥的工况下，其内壁单位面积水分蒸发效率可达 35 kg/（m2h）。同时，一段产泥（30%40%含水率）已跨越了污泥塑性阶段，污泥中容易蒸发的表面吸附水、间隙水及部分结合水已被蒸出，为二段深度干化创造了有利条件。二段线性干化机有高热容、低线速度、长停留时间的特点，可将未被蒸发出的结合水有效地蒸发出来，从而实现高干出泥（低至 10%含水率）。2.3设计参数污泥干化车间的占地面积约为 4 145.75 m2。车间外南侧设置有 5 台容积 400 m3的碳钢脱水污泥储存仓，仓体直径 6 m，仓体高 14 m。仓顶设有CH4检测分析仪和料位计，仓内设有液压驱动滑架。仓底共设有 10 台卸料螺旋（流量 10 m3/h）和10 台湿污泥进料螺杆泵（流量 10 m3/h），每条干化线分别对应 1 台。薄层干化机选用德国进口的NDS-15000 型薄层干化机，该薄层干化机筒体直径 2.8 m，长度达 21 m，电机功率 500 kW（6 kV/50 Hz）。线性干化机选用德国进口的 LD-3800 型线性干化机，机身直径 1.2 m，机身长度 11.4 m，电机采用功率 37 kW、380 V/1775 Hz 的变频电机。薄层干化机设有 6 个加热蒸汽入口和 6 个蒸汽凝液排放口。线性干化机设有 3 个加热蒸汽入口、3 个蒸汽凝液排放口、1 个转子加热蒸汽入口和 1 个转子蒸汽凝液排放口。两设备均设有惰性化介质入口，惰性化介质分别是蒸汽和水。相应项目设备布置三维模型如图 3 所示。图 3项目设备布置三维模型Figure 3Project 3D model of equipment layout一段薄层干化机的进泥含水率为 78%82%，出泥含水率为 35%45%，二段线性干化机的出泥含水率为 20%33%。二段产出的干泥温度约为95，经过处理量为 10 m3/h 的冷却螺旋冷却降温至 45，并由刮板输送机输送至容积为 40 m3的干污泥料仓中暂存。干污泥料仓共计 10 台，每条干化线对应有 1 台。干污泥料仓的直径为 4 m，仓体高 5 m，仓顶设有 CO 分析仪、除尘器以及惰性化保护用的氮气入口，仓底设有卸料伸缩节及卸料吸尘装置。干仓外壁设有保温盘管和保温层，可实现冬季仓内干泥不冻结。干化所需的蒸汽由该片区发电厂通过蒸汽管网输送而来，最大可供蒸汽量为 94 t/h，经过减温减压后满足 1.0 MPa、180 的热媒工况要求。蒸汽凝液经过凝液收集罐收集后回收利用。“薄层-线性”干化产生的蒸发废气经过喷淋洗涤降温后，最终排至废气处理系统进行处理。具体设备运行照片见图 4。薄层干化机线性干化机干泥冷却输送螺旋干泥料仓图 4设备运行照片Figure 4Equipment operation pictures 543测试指标与分析方法本工程分析和考核项目运行情况的主要指标有出泥含固率、额定处理量、最大处理量，而辅助指标有干化机总蒸发能力以及单条干化线的蒸发能力。污泥处理量、进泥及出泥含水率、干化机水分蒸发量的具体计量方法如表 2 所示。表 2测试指标与计量方法Table 2Test index and measurement method测试指标处理量进泥含水率出泥含水率干化机水分蒸发量计量方法接车称质量和储存罐料位计算含水率分析仪含水率分析仪进泥量和进、出泥含水率计算结果根据料位差和接车称质量计量处理量每日湿泥取3个样品每日干泥取3个样品以日均进、出泥含水率以及进泥量来计算水分蒸发量4运行效果分析4.1项目调试和运行情况该污泥处理处置扩建工程于 2020 年 8 月 15日开始性能考核，先进行 2 条线的 168 h 性能验收，再进行其余 8 条线的 168 h 性能验收。此项目的性能验收总体顺利，全部 10 条线已于 2020 年 8月 30 日通过考核。该工程至今已顺利运行 2 a 多，污泥处理量及各项运行指标均达标。实际运行指标见表 3。表 3实际运行指标Table 3Operational index考核内容出泥含固率额定处理量最大处理量干化机总蒸发能力（出泥含固率以70%计）单条干化线蒸发能力考核指标70%（可调节范围67%80%）223.0 t/d（合1 115.0 t/d脱水污泥，含水率以78%82%计）288.5 t/d（合1 442.5 t/d脱水污泥，含水率以78%82%计）42.93 t/h4.77 t/h实测值70%80%225.0 t/d299.0 t/d44.59 t/h4.95 t/h备注主要指标主要指标主要指标辅助指标辅助指标与此同时，本项目厂界噪声测定值满足 GB123482008 工业企业厂界环境噪声排放标准限值，厂房周围室外噪声75 dB（A），厂房内设备1 m 处噪声85 dB（A），均满足项目关于主要噪声源的噪声测定值要求。4.2污泥处理效果取样的一段干泥和二段干泥见图 5，可见干泥呈暗灰色，出泥颗粒度均匀。由于二段干泥比一段干泥的含水率低约 510 个百分点，污泥颗粒内部包裹的水分更少，因而从颗粒形态上看，二段干泥比一段干泥的颗粒度更为细小均匀。在热量消耗上，以单条线 160.27 t/d（80%含水率）来计算，一段干化出泥含水率 30%需要消耗蒸汽热量3 660 kW，二段出泥含水率 20%需要消耗蒸汽热量 168 kW，因而从热量消耗上比较，一段占比95.6%，二段占比 4.4%。依据该项目的污泥泥质分析数据可知，污泥平均干基低位热值为 11.21 MJ/kg。含水率 20%30%的二段干泥收到基低位热值约为 6.968.31 MJ/kg，已比较接近褐煤的低位热值8.3816.76 MJ/kg，适合燃煤掺烧。一段干泥二段干泥图 5 干泥取样图片Figure 5Sampling picture of dry sludge5经济分析自该污泥处理处置扩建工程项目运行以来，各项生产能耗均低于设计值，具体能耗分析见表4。通过分析对比可知，此项目的电耗和能耗均小于设计值，其中电耗是设计值的 46%，热耗是设计值的 90%。对比 城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南中提供的污泥干化电耗、热耗，可知此二段法污泥干化工艺的能耗相对较低。通过表 4 也可知，如果进行相同含水率的高干出泥，二段法在电耗和热耗上也稍低于采用一段法薄层干化，说明二段法用于高干出泥时在能耗上稍有优势。这也体现了线性干化机对污泥在一段干化后再进行深度干化的设备结构原理上的优势。表 4项目能耗分析Table 4Project energy consumption analysis项目干泥含固率/%电耗/（kWh/kg）热耗/（kJ/kg）二段法（薄层-线性）运行值70800.0462 557设计值67800.1002 820一段法（薄层）70800.0582 592参考文献值260900.040.902 9404 2006存在问题与展望由于前端的第一和第二污水处理厂采用了 A2/O生物反应池+平流沉淀池的生物处理工艺，重力浓缩后排出的活性污泥黏度相对较高，以含水率康启宇.“薄层-线性”二段法污泥干化工艺及工程应用 55环境卫生工程2023 年 8 月第 31 卷第 4 期96.5%的污泥计，黏度达 117.3 cP。而采用 A/O 或氧化沟工艺产生的污泥经重力浓缩至相近含水率条件下，黏度在 60105 cP。实际运行中，进干化前的脱水污泥黏性也相对较高，这主要体现在主设备电机的运行电流较高，这在一定程度上增加了污泥干化产线的设备运行负荷。经过对局部装置内部部件微调，污泥黏性较大对系统运行的影响已得到消除。最终干泥通过密闭卡车运至该片区第二电厂或第三电厂燃煤掺烧，实现了彻底的减量化和无害化。同时干泥的热值也获得了利用，产蒸汽用于电厂发电，实现了污泥的资源化利用。该项目的成功运行也为市政污泥的减量化、无害化并稳步推进污泥资源化利用提供了一条可行的技术路径。7结论1）“薄层-线性”二段法污泥干化工艺既发挥了薄层干化机高蒸发效率的特点，也利用了线性干化机的高热容、长停留时间、中空转子外壁和定子内壁均是干燥换热面、单位面积水分蒸发效率更高、设备体积更小、设备投资更少的特点，可有效脱除污泥中的部分结合水，实现高干出泥。2）某大型污泥处理处置扩建工程是采用此二段法工艺的典型市政污泥处理处置工程，折合含水率 80%的污泥量为 1 442.5 t/d，一段出泥含水率35%45%，二段出泥含水率为 20%33%，电耗和能耗均低于设计值，其余各项指标均达标。3）某大型污泥处理处置扩建工程的干泥被运至就近的燃煤电厂进行协同焚烧，实现干泥热值的充分利用。该工程的成功实践也表明该二段法干化工艺可应用于我国大型市政污泥的处理处置。参考文献：1 翁焕新.污泥无害化、减量化、资源化处理新技术 M.北京：科学出版社，2009.WEN H X.New technologies for harmless，reduced，and resourceful treatment of sludge M.Beijing：Science Press，2009.2 环境保护部.城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南（试行）：HJ-BAT-002 S.Ministry of Environmental Protection.Guideline on best available technologies of pollution prevention and control for treatment and disposal of sludge from municipal wastewater treatmentplant（on trial）：HJ-BAT-002 S.3 戴晓虎.我国城镇污泥处理处置现状及思考 J.给水排水，2012，38（2）：1-5.DAI X H.Current situation and consideration of urban sludgetreatment and disposal in China J.Water&Wastewater Engineering，2012，38（2）：1-5.4 王罗春，李雄，赵由才，等.污泥干化与焚烧技术 M.北京：冶金工业出版社，2010.WANG L C，LI X，ZHAO Y C，et al.Sludge drying and incineration technology M.Beijing：Metallurgical Industry Press，2010.5 汪喜生，吕瑞滨.污泥薄层干化工艺的工程实践 J.净水技术，2017，36（10）：80-84.WANG X S，LYU R B.Engineering practice of technological process for sludge thin-layer drying J.Water Purification Technology，2017，36（10）：80-84.第一作者：康启宇（1986），工程师，主要从事固废处理处置与资源化利用研究。E-mail：。2023 年新栏目“科创环卫企业篇”征稿启事近年来，国家以创新驱动为引领，构建中小企业梯度培育格局，支持和引领科技创新型企业发展，而这些创新性强、成长性好的企业，正是加快构建新发展格局的重要支撑。环境卫生工程作为环卫行业唯一科技核心期刊，见证了我国环卫技术从机械化向智能化的转变。伴随环卫行业的发展，涌现出一批“专精特新”“小巨人”“独角兽”等企业作为创新主体代表，持续推进我国环卫事业向更高质量发展。为响应国家创新驱动发展战略，集中展示环卫行业高技术、高成长性企业的创新发展历程，加强企业交流、促进行业发展，本刊特推出“科创环卫企业篇”栏目，刊出稿件将同步在环境卫生工程官方微信公众号发布。具体投稿要求如下：1.投稿企业须获得省部级以上荣誉称号，包括但不限于：专精特新企业、小巨人企业、羚羊企业、高新技术企业、独角兽企业等；2.投稿企业请附所获荣誉称号证书或公示文件；3.稿件撰写模板见官网（http:/）下载中心。欢迎广大作者踊跃投稿！56