污泥含水量高、易腐爛、有強(qiáng)烈的臭味，同時(shí)還可能含有重金屬和難降解的有機(jī)污染物等有害成分，污泥的處理與處置一直是國(guó)內(nèi)水環(huán)境治理領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)，污泥處理和處置的最終目的是穩(wěn)定化、減量化、無害化與資源化。上海市石洞口污泥處理二期工程采用了目前國(guó)際上主流的焚燒處理工藝。污泥焚燒利用了污泥中的能量，釋放的熱量被余熱鍋爐回收，焚燒時(shí)的溫度可以達(dá)到850℃，可使污泥中的可燃成分充分燃燒、有害成分充分分解，焚燒后最終成為穩(wěn)定的灰渣，可以實(shí)現(xiàn)脫水污泥90%以上的減量，是一種最徹底的污泥處理方式。
筆者通過石洞口污泥處理二期工程2020年6月和9月兩次調(diào)試考核過程中獲得的煙氣污染物排放數(shù)據(jù)，研究一次風(fēng)量、污泥給料量、污泥含水率對(duì)煙氣污染物排放特性的影響，以掌握半干污泥焚燒運(yùn)行和污染物排放特性，為污泥流化床焚燒技術(shù)的深入研究提供有益參考。
1、工程整體設(shè)計(jì)參數(shù)
石洞口污泥處理二期工程主要處理石洞口污水處理廠與泰和污水處理廠產(chǎn)生的污泥，建設(shè)內(nèi)容包括新建污泥脫水、干化、焚燒、煙氣處理及相關(guān)配套設(shè)施，共設(shè)污泥脫水線3條、污泥干化處理線4條、污泥焚燒線3條。污泥處理規(guī)模為128t/d（以干質(zhì)量計(jì)，下同）。采用“脫水+干化+焚燒+煙氣處理”工藝，其中，石洞口污水處理廠的污泥濃縮脫水后，再經(jīng)干化進(jìn)入焚燒系統(tǒng)，處理量為20t/d；泰和污水處理廠含水率在40%以下的污泥產(chǎn)量為108t/d，通過卡車運(yùn)至本工程半干污泥接收坑，通過半干污泥輸送設(shè)備輸送至焚燒單元進(jìn)行焚燒處理。污泥干化焚燒處理工藝流程如圖1所示。
2、焚燒系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)
流化床焚燒爐是整個(gè)工程的核心，儲(chǔ)存于半干污泥緩存?zhèn)}中的污泥與含水率為80%左右的濕污泥通過污泥給料機(jī)混合后進(jìn)入焚燒爐。污泥進(jìn)入流化床后，與一次風(fēng)機(jī)送入焚燒爐中的經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱的空氣充分接觸，同時(shí)被流化的砂層釋放的大量熱量加熱，實(shí)現(xiàn)污泥快速、完全燃燒。污泥焚燒后的灰大部分被煙氣攜帶走，后經(jīng)除塵器捕集。所產(chǎn)生的850℃高溫?zé)煔馀懦霾⑦M(jìn)入余熱鍋爐，產(chǎn)生蒸汽用于污泥的干化。污泥焚燒系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。焚燒爐結(jié)構(gòu)如圖3所示。
焚燒爐是立式圓柱鋼殼體，分為稀相區(qū)和流化床區(qū)。每臺(tái)焚燒爐床層上部設(shè)置兩套啟動(dòng)燃燒器用于焚燒爐啟動(dòng)時(shí)的升溫，使用天然氣作為燃料，底部設(shè)有輔助燃燒系統(tǒng)，配有8支輔助燃燒器，用于運(yùn)行中爐溫的調(diào)節(jié)。布風(fēng)管插入流化床區(qū)下部，空氣噴嘴均勻地分布在布風(fēng)管下方。燃燒空氣（用作流化空氣）通過布風(fēng)管進(jìn)入到下部流化床。爐底設(shè)有排渣設(shè)施，石英砂和燃燒殘?jiān)鼜姆贌隣t底部排出。污泥給料機(jī)將脫水污泥和干污泥送入焚燒爐流化區(qū)，并與焚燒爐底部送入的燃燒空氣充分接觸燃燒。流化區(qū)的溫度可達(dá)到800~870℃。待充分燃燒后，燃燒氣體和飛灰從焚燒爐的頂部排出。焚燒爐頂部設(shè)有冷卻水噴槍和噴尿素系統(tǒng)，用于防止焚燒爐超溫和減少氮氧化物的產(chǎn)生。
本工程中污泥焚燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)：
①污泥熱值低、含水率高、性質(zhì)波動(dòng)大且難以燃盡。鼓泡流化床焚燒爐最大的特點(diǎn)是底部流化砂床有著相當(dāng)大的熱容量，在焚燒爐內(nèi)的高溫條件下，污泥可以被完全焚燒，燃燒室煙氣（約850℃）停留時(shí)間≥2s，同時(shí)抑制了二口惡英的產(chǎn)生。
②焚燒爐錐形流化區(qū)的設(shè)計(jì)，使穩(wěn)定的流化狀態(tài)得以實(shí)現(xiàn)，不會(huì)形成燃燒死角。其中，布風(fēng)管設(shè)計(jì)形式簡(jiǎn)單、維修方便，保證了砂床的流動(dòng)均勻性及合理的粒徑分布。在實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，焚燒爐正常流化燃燒時(shí)，布風(fēng)管磨損和堵塞情況極少，爐渣和砂石也容易從爐底排出。
③全廠污泥儲(chǔ)存和輸送的設(shè)施設(shè)備通過臭氣收集系統(tǒng)的抽吸形成負(fù)壓，防止臭味擴(kuò)散。臭氣作為一次供風(fēng)，部分干化不凝氣作為二次供風(fēng)，通過高溫焚燒的方式實(shí)現(xiàn)高效除臭。由于焚燒爐煙氣溫度在850℃左右，臭氣成分可以被有效去除。
④采用具有耐磨、耐熱特性的耐火材料作為內(nèi)襯，線性膨脹系數(shù)小，可以避免爐內(nèi)溫差伸縮而導(dǎo)致襯砌材料的脫落。
3、污泥特性及焚燒煙氣污染物
3.1 污泥特性
該工程的焚燒爐進(jìn)口混合污泥的設(shè)計(jì)熱值：干燥基低熱值約為10.8MJ/kg，干燥基高熱值約為19.9MJ/kg。污泥特性見表1。
3.2 焚燒煙氣中的典型污染物
本研究主要通過對(duì)焚燒過程中煙氣成分的在線檢測(cè)，分析煙氣污染物中CO、NOx、SO2的含量變化情況，研究一次風(fēng)量、污泥含水量、污泥給料量等因素對(duì)煙氣污染物的影響。
NOx的生成機(jī)理：污泥焚燒過程中，NOx的來源主要有兩個(gè)，污泥所含氮元素氧化燃燒產(chǎn)生和空氣中的氮在高溫燃燒時(shí)與氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生。
SO2的生成機(jī)理：污泥中所含的硫發(fā)生氧化反應(yīng)可直接生成SO2，而發(fā)生還原反應(yīng)時(shí)，首先分解成H2S，然后再氧化生成SO2，部分SO2會(huì)轉(zhuǎn)化成SO3。SO3的生成量除與污泥含硫量有關(guān)外，主要與煙氣中的氧濃度有關(guān)，降低剩余氧的濃度可使SO3轉(zhuǎn)化率降低。
CO的生成機(jī)理：污泥焚燒煙氣中的CO通常是由污泥中含碳化合物不充分燃燒產(chǎn)生，其濃度由燃燒工況決定，因此CO含量通常作為判別燃料是否完全燃燒的指標(biāo)。如果對(duì)污泥燃燒過程進(jìn)行良好的控制，使其燃燒過程中具備充足的氧氣、充分的混合，以及足夠高的溫度和較長(zhǎng)的滯留時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)CO的低指標(biāo)排放。
焚燒產(chǎn)生的煙氣污染物應(yīng)達(dá)到《生活垃圾焚燒大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB31/768—2013），具體指標(biāo)限值如下：CO為100mg/m（3小時(shí)均值）或50mg/m3（日均值），SO2為100mg/m（3小時(shí)均值）或50mg/m3（日均值），NOx為250mg/m（3小時(shí)均值）或200mg/m3（日均值），以上均為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的數(shù)值。
4、焚燒煙氣污染物的影響因素分析
4.1 一次風(fēng)量的影響
本工程中焚燒爐的一次風(fēng)大部分為半干污泥接收坑內(nèi)的空氣，通過一次風(fēng)機(jī)進(jìn)入焚燒爐作為燃燒空氣，設(shè)計(jì)一次風(fēng)量為7500~16000m3/h。2020年6月，進(jìn)爐干污泥量為62t/d，污泥綜合含水率為53%，此時(shí)NOx排放指標(biāo)良好，爐內(nèi)未投用SNCR，濕式脫酸塔堿液投加量基本保持不變，在此條件下，污泥流化床焚燒溫度、NOx、SO2、CO和余熱鍋爐出口氧含量隨一次風(fēng)量的變化如圖4所示。
從圖4可以看出，在污泥給料量和污泥含水率不變的條件下，隨著一次風(fēng)量的增加，焚燒溫度先增加而后趨于平穩(wěn)，煙氣中的氧含量變大；NOx和SO2的排放量先逐漸增加而后趨于平穩(wěn)。經(jīng)分析認(rèn)為：在污泥給料量穩(wěn)定的條件下，由于一次風(fēng)量增加，導(dǎo)致爐內(nèi)的氧含量變大，而使得CO、C等還原性物質(zhì)的含量減少，因而NOx的生成反應(yīng)增強(qiáng)，從而使得NOx的排放量增加。
綜上，一次風(fēng)量不可一直增大，非但不能提高焚燒溫度，還會(huì)使一次風(fēng)機(jī)出力增大，加快設(shè)備磨損，將風(fēng)量控制在11200~11700m3/h，焚燒溫度在850℃左右，能保證半干污泥充分燃燒，根據(jù)煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)，NOx和SO2也能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。
4.2 污泥給料量的影響
本工程單臺(tái)焚燒爐考核處理量為57t/d，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行過程中處理量范圍為40~85t/d，可以根據(jù)實(shí)際燃燒工況適時(shí)調(diào)節(jié)污泥給料量以保持爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定。在2020年9月一次風(fēng)量為11550m3/h、污泥綜合含水率為46%的條件下，不同半干污泥給料量對(duì)污泥流化床焚燒溫度、NOx、SO2、CO和余熱鍋爐出口氧含量的影響如圖5所示。
從圖5可以看出，在一次風(fēng)量和污泥含水率不變的條件下，隨著污泥給料量的增加，NOx排放量逐漸減少，SO2排放量逐漸增加。
經(jīng)分析認(rèn)為：隨著污泥給料量的增加，燃料燃燒耗氧量增加，沿爐膛高度的氧量減少，使得CO、C等還原性物質(zhì)含量增加，CO和C的還原反應(yīng)增強(qiáng)，從而使得NOx的排放量減少。而隨著污泥給料量的增加，進(jìn)入爐內(nèi)的有機(jī)硫增加，使得煙氣中的SO2含量呈上升趨勢(shì)。
4.3 污泥含水率的影響
本工程中焚燒爐的設(shè)計(jì)污泥入爐含水率為30%~65%，在一次風(fēng)量為11300m3/h和污泥給料量為59t/d的條件下，不同污泥含水率對(duì)污泥流化床焚燒溫度、NOx、SO2、CO和余熱鍋爐出口氧含量的影響如圖6所示。
由圖6可以看出，在一次風(fēng)量和污泥給料量不變的條件下，隨著污泥含水率的增加，焚燒爐溫度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，余熱鍋爐出口的氧含量亦呈下降的趨勢(shì)，CO排放量逐漸增加，NOx和SO2排放量減少。
經(jīng)分析認(rèn)為：污泥入爐含水率增加，水分的汽化會(huì)吸收爐內(nèi)的熱量，致使?fàn)t溫下降；物料燃燒不充分，使得CO生成量增加，污泥含水率的提高，使得氣化反應(yīng)和還原反應(yīng)極易發(fā)生，因此一定程度上抑制了NOx的生成，并且促使已經(jīng)生成的NOx發(fā)生還原反應(yīng)，而且由于大量水分蒸發(fā)形成水蒸氣，也減少了NOx生成所需要的O2含量。同時(shí)，由于爐內(nèi)水分的增加，導(dǎo)致煙氣總量增加，也造成了煙氣中SO2含量的降低。
4.4 焚燒煙氣污染物實(shí)際排放情況分析
本工程于2020年6月和9月分別對(duì)焚燒爐進(jìn)行性能考核，根據(jù)可行性研究報(bào)告批復(fù)和工程合同文件，焚燒產(chǎn)生的煙氣污染物應(yīng)達(dá)到《生活垃圾焚燒大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB31/768—2013），考核期間采用CEMS在線檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)各煙氣污染物指標(biāo)，并請(qǐng)第三方監(jiān)理單位實(shí)時(shí)監(jiān)督，結(jié)果如表2~4所示。
從表2~4可以看出，參照DB31/768—2013標(biāo)準(zhǔn)，本工程中的3條污泥焚燒線產(chǎn)生的煙氣污染物都可以達(dá)標(biāo)排放。
5、結(jié)論和建議
①本工程結(jié)合上海特大型城市的實(shí)際情況，選擇了減量化最徹底的污泥干化焚燒工藝。鼓泡流化床是目前國(guó)內(nèi)外主流的污泥焚燒爐型，在本工程上的成功應(yīng)用表明其能夠很好地適應(yīng)市政污泥的焚燒特性，確保了污泥的穩(wěn)定和完全燃燒。在調(diào)試考核期間，通過CEMS在線檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)各煙氣指標(biāo)，煙氣污染物可穩(wěn)定達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
②在污泥給料量和含水率穩(wěn)定的條件下，當(dāng)一次風(fēng)量在11200~11700m3/h范圍時(shí)，焚燒爐溫度能穩(wěn)定保持在850℃左右，此時(shí)，再增加一次風(fēng)量，溫度趨于平穩(wěn)，但會(huì)增加焚燒爐周邊的一次風(fēng)機(jī)和空預(yù)器出力，加快設(shè)備磨損和老化。
③在一次風(fēng)量和污泥含水率穩(wěn)定的條件下，隨著污泥給料量的增加，NOx生成量逐漸減少，SO2生成量逐漸增加。增大污泥給料量，爐內(nèi)含氧量降低，CO含量增加，造成污泥的不充分燃燒，同時(shí)，增大給料量也要防止?fàn)t內(nèi)超溫現(xiàn)象的發(fā)生。
④在一次風(fēng)量和污泥給料量穩(wěn)定的條件下，隨著污泥含水率的增加，大量水蒸氣生成，引起爐溫下降，含氧量降低，爐內(nèi)燃燒工況波動(dòng)，NOx生成量呈下降趨勢(shì)，SO2生成量亦逐漸下降。此時(shí)，污泥含水率應(yīng)保持穩(wěn)定，避免波動(dòng)太大而引起爐內(nèi)燃燒的擾動(dòng)。
⑤在污泥焚燒過程中，根據(jù)燃燒工況的變化，實(shí)時(shí)進(jìn)行風(fēng)量、給料量和入爐污泥含水率的調(diào)整，才能保證燃燒的穩(wěn)定，確保相關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。（來源：上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司）
