污泥的成分較為復(fù)雜，若任意堆放將會對人類及動植物的健康造成較大影響。減量化、穩(wěn)定化和無害化是污泥處理的基本原則。污泥焚燒技術(shù)具有處理速度快、減量化程度高、能源可再利用等優(yōu)點，在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用。該技術(shù)是污泥處置最徹底的方式，當(dāng)污泥中有毒有害物質(zhì)含量很高且短期不可降低時尤為實用。
傳統(tǒng)污泥處置工藝是使用污泥干燥設(shè)備將污泥含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)從80%降低到20%~40%，然后投入焚燒爐內(nèi)進(jìn)行焚燒處理，該工藝存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地面積大、熱利用率低等缺點。污泥干化焚燒一體化是將污泥干化系統(tǒng)與焚燒系統(tǒng)相結(jié)合，利用污泥焚燒產(chǎn)生的煙氣對污泥進(jìn)行干化處理，并充分利用余熱，這是污泥處置的一個重要方向。
1、間接干燥設(shè)備
污泥干化可去除污泥中的間隙水、毛細(xì)水以及絕大部分的內(nèi)部附著水。根據(jù)污泥與熱介質(zhì)的接觸方式，污泥干化可以分為間接干化和直接干化。
間接干化因具有安全性高、粉塵產(chǎn)生量少、熱介質(zhì)無污染等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。目前，應(yīng)用最多的間接干燥設(shè)備主要有旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī)和槳葉式干燥機(jī)。
1.1 旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī)
旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī)主要由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、熱介質(zhì)、管路及排風(fēng)除塵系統(tǒng)組成，如圖1所示。
蒸汽或?qū)嵊妥鳛榻橘|(zhì)從轉(zhuǎn)子空心軸的一端進(jìn)入，通過旋轉(zhuǎn)金屬圓盤將熱量傳遞給污泥，污泥在金屬圓盤外吸熱增焓不斷蒸發(fā)濕份，凝結(jié)的冷凝水從轉(zhuǎn)子的另一端排出。轉(zhuǎn)子周邊通過固定角鋼架裝有帶一定傾角的刮板，隨著旋轉(zhuǎn)不斷將被干燥的物料刮起和攪拌，同時將物料從入口一側(cè)推向出口一側(cè)。
陳劍峰應(yīng)用圓盤干燥機(jī)對含水率為74.5%的印染污泥進(jìn)行了熱干化，并對干化后的污泥進(jìn)行焚燒處置。結(jié)果表明，干化后的污泥焚燒處置效果較好。
張衛(wèi)利等基于圓盤干燥機(jī)對城市污泥干燥過程中的操作參數(shù)進(jìn)行了分析，包括進(jìn)料濕含量、產(chǎn)品濕含量及蒸汽壓力。結(jié)果表明，干化后的污泥自身熱值較高，可以自持燃燒，不需要添加輔助燃料。
孫奇等采用嘉興市市政污泥，對圓盤干燥機(jī)干燥過程中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，干燥機(jī)轉(zhuǎn)速對干燥機(jī)傳熱影響最大，其次是加料機(jī)轉(zhuǎn)速，影響最小參數(shù)的是蒸汽壓力。
靖丹楓等應(yīng)用造粒干化一體機(jī)對石化污泥進(jìn)行了干化處置，干化設(shè)備為圓盤干燥機(jī)，干化后的污泥含水率由85%降低至40%，并計算出了污泥處理的成本為250.31元/噸。
1.2 槳葉式干燥機(jī)
槳葉式干燥機(jī)主要由夾套、雙軸(或四軸)栔形葉片和傳動裝置組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
污泥通過夾套、空心軸和軸上焊接的空心葉片的熱傳導(dǎo)被間接加熱干化。楔形葉片對污泥切割攪拌，并不斷更新干燥面，從而達(dá)到干燥的目的。楔形槳葉傳熱面與物料顆粒的相對運動產(chǎn)生洗刷作用，能夠自動清理掉楔形面上附著的物料。由于楔形槳葉不是等截面結(jié)構(gòu)，也沒有刮泥刀，因此只適用于黏性不大的污泥，盤表面易磨損，維修不便利。熱介質(zhì)可采用水蒸氣或者導(dǎo)熱油。
張立宏等應(yīng)用槳葉式干燥機(jī)對含油污泥進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明，干燥機(jī)在最佳運行參數(shù)(即干化溫度為180℃，干化時間為25min,污泥供給量為60kg/h)時，油污泥含水率可由77.6%降低到30%，熱值達(dá)到4250K/kg。陳海波等對廣東某印染公司的印染污泥干燥工藝進(jìn)行了分析。運行結(jié)果表明，經(jīng)過槳葉式污泥干燥機(jī)處理后，污泥含水率可由85%降低至30%以下，體積縮小75%。申維真等應(yīng)用槳葉式干燥機(jī)，對北京市市政污泥進(jìn)行了實驗研究。研究結(jié)果表明，干燥機(jī)最佳運行條件為蒸汽壓力為0.5~0.8MPa。當(dāng)蒸發(fā)速率達(dá)到14~21.8kg/(m2·h)時，污泥含水率小于40%。
2、焚燒設(shè)備
2.1 流化床
流化床焚燒爐的燃燒室可分為下部的密相區(qū)和上部的稀相區(qū)兩部分，如圖3所示。固態(tài)或半固態(tài)廢物中的大部分有機(jī)物一般在密相區(qū)中完成分解，空氣從爐底吹入并通過床料的空洞進(jìn)入爐膛，物料在爐膛內(nèi)翻騰燃燒。
盧閃等對污泥流化床焚燒特性進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析。研究結(jié)果表明，在相同配風(fēng)條件下，含水率為50%的污泥燃燒不充分，含水率為60%的污泥燃燒時，煙氣溫度較高，CO2、SO2、NO含量也較高，而SO3含量較低。
曹通等基于Fluent軟件，對1036t/h的循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)不同污泥及不同摻混比例下的煤粉、城市污泥、工業(yè)污泥燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，小比例的摻燒對鍋爐運行影響不大。
2.2 回轉(zhuǎn)窯
回轉(zhuǎn)窯主要由筒體、轉(zhuǎn)動裝置、支撐裝置、擋輪裝置、窯頭密封裝置組成。筒體在轉(zhuǎn)動裝置的帶動下轉(zhuǎn)動，物料從進(jìn)料口進(jìn)入筒體，在回轉(zhuǎn)窯筒體的轉(zhuǎn)動和傾斜裝置作用下，物料作圓周運動與由高到低的復(fù)合運動。
按照窯內(nèi)煙氣與物料流動的相對方向，回轉(zhuǎn)窯可以分為順流回轉(zhuǎn)窯和逆流回轉(zhuǎn)窯，如圖4所示。
順流回轉(zhuǎn)窯外形結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)“長細(xì)”特點，逆流回轉(zhuǎn)窯呈現(xiàn)“短粗”特點。順流回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)工作溫度約為1000℃，逆流回轉(zhuǎn)窯工作溫度約為850℃。兩種窯型在使用時各有優(yōu)劣。
俞剛等對江蘇某順流回轉(zhuǎn)窯處置市政污泥的技術(shù)工藝進(jìn)行了探究。研究結(jié)果表明，投加市政污泥后，回轉(zhuǎn)窯工作參數(shù)正常，排放的煙氣對環(huán)境無影響。
汪喜生等通過工程實例介紹了回轉(zhuǎn)窯在處理污泥方面的優(yōu)勢。回轉(zhuǎn)窯對物料的適應(yīng)性較廣，設(shè)備運行平穩(wěn)程度高，焚燒污泥時固相停留時間長，窯尾的二燃室可保證廢物燃盡率達(dá)到99.99%。
2.3 爐排爐
物料通過進(jìn)料斗進(jìn)入傾斜向下的爐排，爐排之間的交錯運動將物料向下方推動，使物料依次通過爐排上的各個區(qū)域，直至燃盡排出爐膛。
鄭雪艷等及劉海等對基于爐排式焚燒爐的生活垃圾與污泥混燒技術(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：含水率超過80%和重金屬含量過高的污泥不適合直接焚燒，污泥摻燒比例最佳范圍為10%~15%。
3、干化焚燒一體化
國內(nèi)企業(yè)對污泥干化焚燒處理更多的是將污泥干化與污泥焚燒分成兩個相互獨立的系統(tǒng)，但是這種模式下的系統(tǒng)干化能耗高，工藝控制也很復(fù)雜。
污泥干化焚燒一體化是利用焚燒爐內(nèi)產(chǎn)生的煙氣余熱對污泥進(jìn)行干化，實現(xiàn)熱量利用的最大化，同時簡化了焚燒工藝，應(yīng)用前景廣闊。
3.1 干化+循環(huán)流化床
東南大學(xué)與某公司合作研發(fā)的250t/d污泥干化焚燒系統(tǒng)主要由污泥深度脫水、熱干化、流化床焚燒、汽機(jī)組成，采用“旋轉(zhuǎn)圓盤干燥機(jī)+循環(huán)流化床”的組合工藝，其簡要流程如圖5所示。
深度脫水包括加藥工藝與壓濾脫水工藝。脫水污泥被送入旋轉(zhuǎn)導(dǎo)熱干化機(jī)與汽輪機(jī)中間抽汽進(jìn)行換熱，干化后的污泥由螺旋給料器送入流化床中焚燒處理。低溫?zé)煔饨?jīng)過除塵后，部分通過循環(huán)風(fēng)機(jī)以一次再循環(huán)煙氣和二次再循環(huán)煙氣的形式進(jìn)入爐膛以實現(xiàn)低NOx燃燒。
侯鳳云等以0.15MW循環(huán)流化床為焚燒爐，利用循環(huán)流化床焚燒產(chǎn)生的熱煙氣在外置流化床干化器內(nèi)對濕污泥進(jìn)行干化處理，干化后的污泥被送回爐膛進(jìn)行焚燒。通過調(diào)節(jié)濕污泥給料速率、輔助給煤量、循環(huán)熱灰分配閥的開度實現(xiàn)爐內(nèi)溫度的平穩(wěn)運行。試驗中干化污泥顆粒粒徑分布均勻，含水率約為20%，煙氣排放在允許范圍內(nèi)，其流程如圖6所示。
3.2 干化+回轉(zhuǎn)窯
王超玉等用“槳葉式干燥機(jī)+回轉(zhuǎn)窯”的工藝組合，對污泥進(jìn)行了干化焚燒處理，主要流程如圖7所示。
系統(tǒng)中用于干燥污泥的熱媒介質(zhì)來自于導(dǎo)熱油爐，經(jīng)過槳葉干燥機(jī)干化后的污泥被送到順流回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒，窯內(nèi)產(chǎn)生的煙氣一部分由二燃室進(jìn)入導(dǎo)熱油爐加熱導(dǎo)熱油，另一部分直接進(jìn)入急冷塔和尾氣處理系統(tǒng)。
王平等對紹興市“噴霧干燥+回轉(zhuǎn)窯”焚燒城市污泥處理工程進(jìn)行了研究。系統(tǒng)采用下向流并流干燥，即將噴嘴安裝在塔的頂部，污泥和熱空氣均從塔頂進(jìn)入，焚燒設(shè)備采用順流式回轉(zhuǎn)窯，其主要工藝流程如圖8所示。
北京水泥廠利用干化設(shè)備和回轉(zhuǎn)窯結(jié)合的工藝對污泥進(jìn)行處理，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度為1350~1650℃。利用回轉(zhuǎn)窯作為熱源鍋爐、焚燒爐和尾氣凈化裝置，與單獨建設(shè)污泥干化+焚燒裝置相比節(jié)省了投資。圖9為該裝置的工藝流程簡圖。
4、結(jié)論
(1)圓盤干燥機(jī)與槳葉式干燥機(jī)工作原理相似，但由于圓盤干燥機(jī)操作安全性高，設(shè)備磨損小，污泥處理量大，因此其應(yīng)用越來越廣泛。
(2)循環(huán)流化床是污泥焚燒的主要爐型，但其具有對物料尺寸要求高、物料流化耗電大等缺點。而相較于順流回轉(zhuǎn)窯，逆流回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)具有占地小，污泥燃燒不需添加輔助燃料等優(yōu)點。
(3)污泥熱干化與焚燒相結(jié)合是污泥處置的新方法，其具有占地少、熱利用率高等特點。(來源：光大環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院)
