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污泥干化焚烧的优点与能源综合利用
青岛泰能燃气集团 刘艺 王春生
前言
随着污水处理系统的完善，污水处理厂污泥作为一个不可逾越的重大环保问题，日益凸显，已成为影响污水处理行业正常运行和发展的“瓶颈”，以焚烧为核心的污泥处理方法是最彻底的处理方法之一，这是因为焚烧法与其它方法相比具有突出的优点：
① 能够使有机物全部碳化并完全燃烧，杀死病原体，环境污染物排放可控，是最安全的处置方法之一。
② 焚烧处理速度快，不需要长期储存；就地焚烧，不需要长距离运输。
③ 不受天气、季节等条件的限制，是将来大中城市污泥处置必不可少的手段之一。
以焚烧为核心的污泥处理方法在发达国家已经产业化，在国内也有了一些尝试，目前妨碍污泥焚烧发展的主要原因在建设和运行费用都太高。建设费用将伴随国内项目的发展，设备国产化率的提高快速降低；运行费用中能源费用、环保费用是最主要的费用，能源价格的不断上涨、环保要求的不断提高，运行费用将越来越高。
1、 为什么要采用干化焚烧
1.1 相关背景介绍
青岛泰能燃气集团是青岛市市政公用局下属企业，以天然气、人工煤气（焦化）、液化气、供热、工程建设为主业，热电公司现有3台35t/h、2台130t/h循环流化床锅炉；和青岛市最大的污水处理厂—李村河污水处理厂（16万t/天）一墙之隔。
泰能集团参与污泥处置的研究出于巧合，2005年6月，沈阳一家企业向市政公用局推销一种污泥处置技术—将污泥和煤按一定比例，一起放在球磨机中研磨，得到类似煤泥（含水率50%、热值~2500kcal/kg）的产物，然后利用比较成熟的煤泥燃烧技术，在泰能热电现有循环流化床锅炉中焚烧，尽管该技术比较粗糙，但因此泰能集团参与到处置污泥研究中。
刚开始对污泥处置想得很简单，首先是想利用锅炉排出的~150℃烟气，通过滚筒或带式干燥器对污泥进行半干化，半干化后的污泥进入现有的流化床锅炉中焚烧，使污泥得到资源化（利用其干化后的发热量）应用，很多人在这方面进行了有益的尝试，比如浙江大学翁焕新教授余热干化技术在江阴市康源印染有限公司试验；日本荏源公司在青岛胶南荏源热电厂也有类似的应用。其次，想直接利用现有循环流化床锅炉进行焚烧，常州热电厂在这方面也进行了有益的尝试。
但通过仔细了解和分析后，我们认为这两种方式都只适用于临时应急处理。
1.2 为什么不利用锅炉尾部烟气干化

滚筒或带式干燥机

锅炉烟气
150℃
脱水污泥
半干污泥
含污烟气

脱硫塔

烟囱

锅炉尾部烟气干化流程图

锅炉排烟温度一般在150℃左右，这主要是将温度降到更低，低于烟气的露点，由于燃煤中含有S，腐蚀非常严重，投资性价比低。
若用这部分烟气来干化污泥，只能采用滚筒或带式等烟气和污泥接触这种方式，烟气中水分的增加，设备的腐蚀严重。更重要的是，这些烟气加热污泥后会带有恶臭味，尽管后面还有脱硫设施进行洗涤，但干化过程中产生的恶臭味无法消除。
1.3 为什么不采用直接焚烧
1.3.1 直接焚烧，污泥热值没有利用价值
在很多报道中断章取义地说：污泥里含有有机质，有机质是一种热能，1kg污泥有1000~2000大卡热量，相当于1kg煤产生热量的1/3，认为污泥是一种资源。其实这是对热值的误解，简单地说，热值就是物质在焚烧后所能放出的热量。比如脱水后的污泥，含水率80%，含固率仅20%，这20%当中的灰分占8-11%，剩余的9-12%有机物是可燃物，焚烧后可产生热量。以青岛污泥为例，干燥状态下热值为2500kcal/kg，在不同含水率下的热值见下表。
青岛污泥在不同含水率污泥热值表
含水率（%）
80%
75%
70%
65%
60%
55%
50%
45%
40%
35%
热值（Kcal/kg）
218
392
566
740
913
1088
1261
1435
1609
1783
从上表可以看出，含水率在65%以上污泥热值非常低，从热量利用的角度来看，根本没有利用价值。我们知道，煤矿产生的煤矸石，即使采用能烧低热值煤的流化床锅炉，热值必须在1000 kcal/kg以上才有利用价格。
直接焚烧从能量利用的角度来看，每焚烧1t污泥，相当于把0.8t污泥中的水分从常温加热变成150℃以上蒸汽（等于锅炉排烟温度），把0.08-0.11t灰从常温加热到850℃（等于锅炉焚烧温度），产生热量的仅0.12-0.09t有机物（这部分产生的热量大约能回收~70%），下表以青岛污泥为例，干污泥的低位热值为~2500kcal/kg，可以看出，每焚烧1kg含水率80%的污泥，至少需要多消耗0.043kg煤（热值5000kcal/kg，假设焚烧污泥量非常少，不影响现有锅炉效率），占总热量的34%。
0.2kg干物质产生热量=0.2×2500×70%=350kcal
需要补充煤燃料=0.043×5000×85%=181.8kcal
0.8kg水蒸发带走热量=0.8×（664-20）=515.2kcal
0.08kg灰带走热量=0.08×（850-20）×0.25=16.6kcal
1kg含水80%污泥焚烧
污泥焚烧能量分析图

1.3.2 直接焚烧可能带来的危害
Ø 对环境的影响
大家都知道，有机物焚烧（特别是含有CL-）会产生二恶英等有害物质，利用现有设备焚烧，不可能采取特别的处理措施，如采用尾部烟气快速冷却、采用布袋除尘器、采用吸附剂等，尽管有害物质产生的浓度非常低，但产生的总量仍然较多。
Ø 对锅炉的影响
一般认为，直接焚烧的污泥添加量小于给煤量的15%对锅炉不会造成影响。以泰能热电130t/h锅炉为例，每小时燃煤量24t，煤含水率平均6%。按15%比例掺烧3.6t污泥后，相当于将2.88t水加入到燃煤中，折算燃煤含水率=（24×6%+2.88）/（24+0.72）=17.5%，可见对燃料影响是非常大的。由于含水量的增加，对现有锅炉至少造成以下影响：
① 加剧腐蚀。锅炉烟气中水蒸气的比例增加，将大大降低锅炉露点，尾部受热面（省煤器、空气预热器）表面结露，低温腐蚀加剧；
② 由于烟气中水蒸气量增加，加上有机物焚烧后粘结性强，带来受热面积灰，降低传热效率。
③ 增加引风机电耗。烟气中水蒸气量含量加大，烟气量增加，烟气的比重也增加，都会带来电耗的增加，更主要的是循环流化床锅炉引风机压头很高，风机多采用板式叶片，风机效率低，这就加剧了风机的电耗。
1.2.3 处理能力有限
以青岛为例，目前每天产生约250t污泥，到2010年将产生550t/d污泥。如上所述，1台130t/h锅炉满负荷时能掺烧3.6t/h污泥，每天的处理能力86.4t，处理能力有限，不能适应大规模处理的需要。
2、 焚烧过程中的能源回收
从上面污泥焚烧能量分析图可以看出，焚烧过程中带走热量最多的是污泥中水蒸发所带走的热量，要减少这部分热量的损失一方面降低含水率，另一方面降低排放温度。含水量越低，需要的干化设备面积就越大，因此应综合比较。可参考国外的经验，将污泥干化到50-60%含水率，排放温度在250℃左右（高于烟气露点），经济性能比最高。也可以参考流化床锅炉认为燃料热值在1000kcal/kg以上有回收价值的经验，根据选择合适的干化后含水率，使干化后污泥热值达到1000kcal/kg左右。
3、 干化过程中的能源消耗
干化过程是一个消耗能量的过程，干化的方式根据干化介质是否和污泥接触，可分为非接触式（如空心浆叶式、转盘式、薄层干化等）和接触式（如带式、滚筒式、流化床方式）。
非接触式和接触式干化的能源流程分别见下图，两者在能源利用上的主要差异在于非接触式所需要的空气量较少，为了将空气中含污汽冷却成水，需要将这部分气降低温度，空气需求量多能源消耗量大，因此接触式的干化所需要的能量更大；同时由于接触式空气量大，携带的半干污泥较多，需要在回路中设分离装置，增进了阻力，因此风机的电耗也比较大。
余热及新蒸汽
接触式式干化机
半干污泥
含污汽（气）
排到污水厂
中水
接触式干化能量图
~20℃
除雾器
加热器
冷凝水
喷淋装置
风机
不可溶气进入锅炉焚烧
分离器

余热及新蒸汽
非接触式式干化机
半干污泥
冷凝水
含污汽（气）
排到污水厂
中水
非接触式干化能量图
~20℃
除雾器
加热器
冷凝水
喷淋装置
风机
不可溶气进入锅炉焚烧

4、干化过程中的能量回收
从干化能量图可以看出，为了降低能耗，首先需要回收的热量是凝结水（约占总能量的10%）；其次要尽量回收含污汽（气）中的热量；最后还应考虑回收半干化污泥的热量。这些热量的回收对独立的干化焚烧厂来说是比较困难的，比如凝结水，只能部分用于焚烧炉的补水；其它热量回收就更困难了。但这些热量对于热电厂来说就很简单了。比如：凝结水可经简单处理或直接用于锅炉补水，因为锅炉的补水量需求量很大，不但节约能源而且节约除盐水；含污汽（气）的温度约90℃，热量回收也有可能，可以用来将热电厂的锅炉补水从~20℃加热到~50℃，通过下图这样的回收装置可以回收30%的热量；同样半干污泥也可以通过冷却器回收（虽然这部分热量很少）。
含污汽（气）90℃
含污气~40℃
冷却水出水~50℃
冷却水进水~20℃
废水~25℃
含污汽（气）能量回收示意图

根据国外的经验，每蒸发1吨污泥中的水分，需要1.3t以上蒸汽，若将1t含水率80%的污泥干化到含水率30%，至少需要消耗0.65t蒸汽，按目前青岛蒸汽价格145元/t计算，需要蒸汽费用94.25元/t。
在干化过程中，通过和热电厂进行能量综合利用，可以降低大约~35%的热量，每吨污泥的处置费有望降低30-35元处置费。
5、小结
通过上面的分析我们认为：
Ø 污泥干化后进行焚烧是将来大中城市污泥处置的必然手段之一；
Ø 污泥干化、焚烧一定不能引起新的环境污染；
Ø 根据污泥的性质的不同，可以选择不同的干化率，使半干后污泥热值在~1000kcal/kg；
Ø 污泥干化过程中能源可综合利用，与热电厂联合是一个比较好的途径。