1、國內外研究和應用現狀

目前，國際上常用的污泥處置技術為土地利用、填埋和焚燒等[1,2]，由于土地資源緊張，以及其它環(huán)境污染問題，特別是在大城市，污泥土地利用和填埋比例逐漸下降，而焚燒比例上升，并逐漸成為發(fā)達國家主要的污泥處置手段之一[2]。干化焚燒在歐美等發(fā)達國家已成為成熟的工藝技術[3～5]。我國在該領域通過大量實踐[6]，但主要還停留在污泥干化焚燒原理的探討方面[7～11]，對專用設備的開發(fā)和研制及應用等均還處于發(fā)展階段。因此，有必要在吸收國外先進技術和經驗的基礎之上，研究和開發(fā)出適合我國國情的技術含量高、經濟性能好、高效安全的干化焚燒技術和工藝設備。

污泥干化焚燒技術是多學科技術應用相互交叉融合的技術領域[3]，需要精確控制的復雜系統(tǒng)。例如，在干化焚燒裝置運行中，由于始終處于高溫、高粉塵和負壓狀態(tài)，除焚燒工藝外，會引起大量的能源消耗、系統(tǒng)安全性[12]和排放問題，從而使干化焚燒工藝的運行和控制變得十分復雜。

為此，本研究提出采用以霧化干燥技術進行污泥干燥，成熟的回轉式焚燒爐進行焚燒的技術路線。為控制煙氣污染，采用旋風分離器+生物除臭噴淋洗滌塔為煙氣凈化系統(tǒng)，形成一整套污泥干化焚燒集成系統(tǒng)，并進行了60噸/d規(guī)模的示范工程研究。

2、工藝流程與試驗裝置

2.1試驗裝置

示范工程試驗的主要裝置數量和尺寸見表1。

2.2工藝流程

2006年7月，北京市環(huán)境保護科學研究院和浙江環(huán)興機械有限公司在杭州市蕭山區(qū)臨浦工業(yè)園區(qū)建成了一座日處理能力為60m3/d(80%WS)污泥噴霧干噪-回轉窯焚燒工藝的示范工程，采用蕭山污水處理廠的脫水污泥。其工藝流程如圖1。

圖1 試驗系統(tǒng)工藝流程和組成

脫水污泥經預處理系統(tǒng)處理后，通過高壓泵入噴霧干燥塔頂部(圖2)，經過充分的熱交換，污泥得到干化，干化后產生的含水率為20～30%的干燥塔污泥從干燥塔底直接進入回轉式焚燒爐(圖3)焚燒，產生的高溫煙氣從噴霧干燥系統(tǒng)頂部導入，排出的尾氣分別經過旋風分離器、噴淋塔和生物填料除臭噴淋塔處理后，經煙囪排放。

2.3特點

采用新型噴霧干燥系統(tǒng)，由于系統(tǒng)結構較為簡單，投資成本僅為流化床干化系統(tǒng)的30～40%。利用焚燒高溫煙氣直接對霧化污泥進行直接干燥，避免了復雜換熱器熱損失，干燥器高溫煙氣進口溫度高(400?C)，廢氣排放溫度低(70～80?C)，因此熱效率高(>75%)。采取一些熱能循環(huán)利用措施后，其熱利用效率可以提高到80%以上。

霧化干燥的難點是脫水污泥能否有效霧化，工藝中采用微米級粉碎設備將含水率75-80%的脫水污泥破碎，使污泥中的部分結合水轉變?yōu)殚g隙水，在提高污泥流動性和均質度、利于泵輸送的同時，能夠最大程度的有效霧化，與焚燒爐高溫煙氣直接接觸，不僅使干燥速度最大化，而且使經氣固分離后得到的干化污泥的松密度、流動性和粒徑分布更為合理。

為確保干化焚燒系統(tǒng)經濟、安全、高效運行，需對干燥器進出口溫度，干燥器內溫度、壓力和氧氣濃度、粉塵含量和干燥程度，燃燒室內煙氣溫度、停留時間和湍流度等工藝參數進行優(yōu)化。具體措施如下：

1) 通過調整噴嘴霧化粒徑，將污泥形成30～500μm的液滴，在吸附并積聚焚燒煙氣中顆粒物質及重金屬氧化物、減少粉塵產生量的同時，降低安全隱患、減少后續(xù)尾氣處理難度、節(jié)約處理成本，并使干燥污泥的粒度分布在60-120目，利于焚燒。

2) 通過控制霧化干燥器的進、出口溫度，采用輕型材料，在達到良好的保溫效果且符合結構力學要求的同時，因避免采用笨重的耐火磚材結構，而降低設備造價;

3) 通過優(yōu)化設備結構設計，合理設計噴霧塔塔身和回轉式焚燒爐爐體，充分利用焚燒系統(tǒng)產生的高溫煙氣所含熱能干燥霧化污泥，降低出口余溫，充分利用余熱，使系統(tǒng)熱能綜合利用效率最大化。同時提高反饋控制，調控污泥顆粒的干燥程度，確保安全(粉塵產生和自燃問題)、后續(xù)尾氣處理的經濟有效(減少)以及污泥熱值的充分利用;

4) 通過優(yōu)化焚燒爐布風和進料設計，合理控制焚燒爐和二燃室內煙氣停留時間、燃燒溫度和湍流度，使煙氣在溫度>850℃的停留時間>2s，可有效消減二惡英及其前驅物。同時，將進入噴霧干燥塔的煙氣溫度控制在400?C左右，不僅可防止二惡英及其前驅物的再生，而且在與霧化污泥并流接觸后，可使煙氣中的粉塵和重金屬氧化物吸附在霧化污泥中，也使酸性氣體溶解在其中，并隨水蒸氣進入后續(xù)煙氣凈化系統(tǒng)，使噴霧干燥塔具有煙氣預處理功能，而且可有效降低后續(xù)煙氣凈化設施的處理負荷和規(guī)模。

將污泥噴霧干燥和回轉式焚燒爐集成技術系統(tǒng)在國內外還沒有研究報導，本研究創(chuàng)新性的提出新的工藝技術并進行了集成。通過理論和實踐，該項技術的研究填補我國在污泥干燥焚燒集成技術方面、設備研制以及應用方面的空白。根據這一技術開發(fā)一個350t/d的大型的焚燒裝置目前在杭州蕭山沼澤建設之中。

3、監(jiān)測結果與評價

3.1污泥組分和熱值分析

本研究采用的污泥有機物含量較低，平均在36%，這是由于蕭山城市污水處理廠水質性質所決定。在這一水質情況下，對脫水污泥和干化污泥進行了全分析結果如表2：

由上表可知，在污泥含水率為64.5％和28.9％的情況下，污泥的高位熱值分別為1740kcal/kg和2310kcal/kg，低位熱值分別為660kcal/k和1710kcal/kg，表明在污泥含水率降低的情況下，污泥的高位和低位熱值均有所上升。現有研究結果表明[13]，當污泥的凈熱值高于3.6MJ/kg(＝857kcal/kg)時，污泥即可維持自持燃燒。因此，當污泥被干燥到含水率為30％以下的時候，污泥不僅能夠維持自持燃燒，而且，可以有大量的熱量富余，可以進行諸如干燥污泥等用途。

3.2系統(tǒng)消耗和能量平衡分析

在污泥干化焚燒過程中，能耗(包括電耗和煤耗)是運行成本的一個重要方面，因此也是需要重點考慮的因素。試驗期間進行的監(jiān)測表明，系統(tǒng)燃煤消耗、動力消耗、水耗、化學試劑消耗均較低，如表3和圖4。

表3  系統(tǒng)消耗

本試驗系統(tǒng)的電耗僅為63kWh/t(80%WS)，遠低于《城市生活垃圾焚燒處理工程項目建設標準》(2001)規(guī)定指標要求。此外，系統(tǒng)所消耗的熱值為5000kcal/kg的燃煤量僅為44.8kg/t(80%WS)，通過對系統(tǒng)進行能量平衡分析可知，系統(tǒng)的熱能綜合利用效率高達80%以上，因此具有良好的熱能綜合利用效率和節(jié)能效果。

3.3系統(tǒng)煙氣監(jiān)測結果分析

污泥焚燒高溫煙氣中含有很多種污染物質，如果不進行合理的處理將會對環(huán)境造成嚴重的二次污染，因此大氣污染物排放控制至今仍是焚燒廠要解決的重要問題，尤其是其中的Hg、NOx[14,15]。此外，國內很多學者認為二惡英也應是妨礙污泥焚燒的主要障礙之一。本試驗裝置煙氣處理系統(tǒng)由噴霧干燥塔、旋風除塵器和生物填料除臭噴淋洗滌塔組成，試驗過程中，根據《生活垃圾焚燒污染控制標準》(GB18485～2001)中規(guī)定的檢測項目，對排放尾氣進行了檢測，檢測結果如表4：

試驗結果表明，在連續(xù)運轉過程中排放的各種大氣污染物質經旋風除塵、噴淋塔、生物填料除臭噴淋洗滌塔處理后均遠低于《生活垃圾焚燒污染控制標準》(GB18485)中大氣污染物排放限值的要求。

煙氣中CO的含量是確定焚燒是否完全的指標之一。歐盟2000/76/EC規(guī)定，除焚燒系統(tǒng)的啟動和停機以外，燃燒氣體中CO的日均濃度不超過50mg/m3、半小時平均值不超過100mg/m3時，可以認為廢棄物已經完全燃燒。美國EPA認為[10,11]，當焚燒爐尾氣中CO≤100mg/m3時，可以說明焚燒爐的燃燒比較安全。因此，根據煙氣檢測報告，試驗系統(tǒng)排出的煙氣中CO小時均值為74.1mg/Nm3，低于100mg/m3，表明污泥在焚燒爐中已經獲得完全燃燒。

4結論

1、經濟高效：整個試驗系統(tǒng)的總投資為650萬元，占地面積為580m2，單位投資成本為10.8萬元/t(80%WS)，單位運行成本為94.64元/t(80%WS)。而國內污泥干化焚燒的單位投資成本為25萬元/t(80%WS)、單位運行成本為107元/t(80%WS)[18]，因此，相比較而言，該系統(tǒng)還具有單位投資省，運行成本低的優(yōu)點，同時大規(guī)模的應用單位投資和運行成本還會有極大的降低潛力。

2、系統(tǒng)采用高效、安全霧化干燥系統(tǒng)：采用順風干燥的方式，合理控制干燥系統(tǒng)內的干燥溫度、系統(tǒng)壓力、霧化污泥液滴的粒徑、停留時間、粉塵濃度和氧濃度，確保系統(tǒng)的高效運行。通過特制的污泥噴霧裝置將污泥形成30～500μm的高含水率液滴，提高與高溫煙氣接觸的比表面積，與高溫煙氣更充分的混合，從而使水分迅速蒸發(fā)，熱效率高。形成干燥顆粒狀污泥粒徑分布適度，有利于污泥顆粒含水率、粉塵產生量和有害物質的控制。

3、新型霧化干燥系統(tǒng)與回轉式焚燒爐系統(tǒng)集成：在國內首次采用新型霧化干燥系統(tǒng)與回轉式焚燒爐系統(tǒng)相集成，提高了噴霧直接干燥的熱效率。此外，通過優(yōu)化干燥器的結構，使進口高溫煙氣控制在400℃以下，排出廢氣的溫度降低到70℃以下，其熱利用效率可達到80%以上。并充分利用焚燒系統(tǒng)產生的高溫煙氣所含熱能干燥霧化污泥，在省去價格高昂的高溫煙氣處理系統(tǒng)的同時，可使系統(tǒng)熱能回收利用率最大化，系統(tǒng)熱能綜合利用效率較高(>90%)。

4、安全可靠，污染風險低：實現污泥干燥焚燒尾氣高效處理和二惡英的有效控制：污泥焚燒采用煤作為輔助燃料和污泥本身的熱能燃燒產生熱風，供應干燥塔，在污泥焚燒實現回轉爐焚燒尾氣的零排放，同時在焚燒爐設置二燃室、干燥塔吸附和旋風除塵、活性碳吸附，徹底避免尾氣的煙塵污染、臭氣和可能的二惡英問題。

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