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在推进碳达峰/碳中和、加快发展方式绿色转型的背景下，污泥处理技术也在不断地发展和创新。其中，污泥干化焚烧技术因其独特的优势，正逐渐成为污泥处理的主流工艺。
在污泥干化焚烧的运行过程中，可能会遇到一些问题，有的是安全问题，如粉尘爆炸；有的涉及技术问题，如干化效率和稳定燃烧等。如何防范安全问题，解决技术问题，就成为污泥干化焚烧运行的关键。
作为专业从事污泥处理处置企业、污泥干化焚烧关键设备生产制造商及一站式工艺设备系统集成商，绿水股份有限公司在污泥干化焚烧领域深耕多年，有着丰富的实践经验。
近日，绿水股份应邀出席在广州举办的2024年城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会。会上，绿水股份有限公司/浙江省固废装备研究院院长陈奕峰教授就污泥干化焚烧的运行过程中的常见问题做了详尽的分析，并给出了解决之道。
一、污泥的粉尘爆炸问题
污泥还原后，是微米级的颗粒。经过国内部分污水处理厂污泥的测试，其粒径在500目左右，甚至有接近800目的污泥。
陈奕峰用面粉（粒径约为140目）粉尘爆炸作为类比。他说，污泥粉尘与面粉类似，在从事污泥干化焚烧的过程中，也容易发生粉尘爆炸。
陈奕峰指出，粉尘爆炸是指在空气中悬浮的粉尘急剧地氧化燃烧，同时伴随着高压气体和大量热的产生。其机理是一部分粉尘首先被加热，产生可燃气体，与空气混合后，当存在一定的高温、火种或电火花时就会瞬间引起燃烧。由此产生的热量又将周围的粉尘加热并产生新的可燃气体，这样就会产生爆炸的连锁反应。
陈奕峰强调：粉尘爆炸事故一旦发生后果非常严重。因此，相关各方对此应引起高度重视。
二、污泥热值充分利用和干化效率的问题
陈奕峰指出，污泥热干化不可避免的会造成热值损失。从上图可以看出，在160℃后，热值的损失出现激增的倾向。因此，控制温度对于减少热值损失至关重要。但是，控制温度极大地影响了干化效率。而污泥的干化难度本身就很大，从污泥干化曲线来看（见下图），污泥干化要脱出的水分有4种：自由水分、间隙水、表面水分和结合水分。除自由水分外，其他水分要通过减小粒径、增大表面积，减小体表比等方法，提高水分析出速率。
为解决污泥热值充分利用和干化效率之间的突出矛盾，结合污泥干化特性，需通过以下途径来实现：一是，污泥干化时间和干化温度呈二次关系，可在效率和热值损失2者来统筹；二是，污泥干化过程需随时抄动（可以由桨叶式干化机的桨叶来实现），以不断地形成新鲜表面，起到强化传热的效果；三是结合桨叶式干燥机结构特征，对蒸汽传热面（见下图），采用以下2项强化传热措施：
表面处理（表面改性）：桨叶内部表面增加纳米涂层，改变润湿性，即改变桨叶内部表面的疏水特性，从而使桨叶内部维持珠状凝结。
粗糙表面：在桨叶内壁增加微肋、沟槽、凸起等，增加蒸汽与壁面接触的传热面积，破坏液膜与边界层。
三、入炉污泥的水分和降低补充燃料的问题
陈奕峰强调，入炉污泥的含水率是干化焚烧一个重要的运行参数，涉及到节能降耗、运行稳定等多个方面。污泥入炉水分越少越好，是污泥干化实践中，早期认识上的误区。事实上，由此带来三方面的问题: 一是水分的脱出，是要付出代价的，入炉的水分越少，需要补充的燃料就越多（见下表）；在这里，陈奕峰以600t/d污泥干化焚烧的物料和热量平衡计算为例加以说明。初始条件为：600t/d（含水80%），干基热值11.92MJ/kg，自持燃烧的最低污泥热值：3350kJ/kg。
二是，污泥水分降低到一定程度（譬如20%），在焚烧过程中容易引起爆燃，影响稳定燃烧，增加了后续烟汽净化的难度；
三是，污泥含水率过低（≦30%）容易造成粉尘弥散，有安全隐患。
为了进一步减少辅助燃料的添加量，降低运行成本，绿水公司经过多年的努力，开发成功了高干度的卧螺离心机，出泥含水率在70%以下。这是卧螺离心机技术上的重大突破，其突出的特点是，在原有离心机的基础上，药耗与用电量持平，泥性没有改变（这一点对干化焚烧非常重要）。这一技术的开发成功，为污泥干化焚烧进一步减低成本，甚至“零成本”奠定了基础。
四、焚烧过程中的结焦问题
陈奕峰指出，焚烧结焦影响稳定运行，轻则影响锅炉工作效率，重则造成事故。从判断燃烧结渣的几个指标：硅比、铁钙比、碱酸比和碱性氧化物指标来看，污泥焚烧都有严重的结焦倾向。
结焦的先决条件是污泥中的灰熔化，而各种不同的污泥，其灰分的熔化温度相差很大，此温度又称灰熔点。污泥的灰熔点有 3个特性温度，即变形温度（DT）、软化温度（ST）及流动温度（FT），污泥泥质的结焦性一般以ST作为评价指标。从下表来看，污泥的灰熔点，与煤相比，降低了约200℃。
国内部分城镇污水厂污泥的工业分析、灰分组成和灰熔点检测结果
影响灰熔融性的因素是多方面的。一是污泥的化学组成，即酸性氧化物（如SiO2，Al2O3，和TiO3等）和碱性氧化物（如Fe2O3，CaO，MgO，Na2O和 K2O等）。污泥灰分中碱性金属氧化物增加，会使灰熔点下降。实际上，污泥灰分是多种化合物的混合物，在燃烧时将结合为熔点更低的共晶体。二是污泥灰分周围介质的性质对熔融性有较大的影响。当污泥处于氧化性介质中时，污泥灰分中的铁呈氧化状态(Fe2O3)，熔点较高。但在还原性和半还原性气氛中，Fe2O3，可被还原为 FeO，并可能与其他氧化物形成共熔体，熔点随铁量的增加而迅速下降。因此，污泥灰分周围的介质不同，会使污泥灰分熔点降低 200-300℃。三是灰熔点还与污泥灰分的含量有关，在其他条件相同的情况下，污泥灰分含量不同，灰熔点也会发生变化。这是因为在加热过程中，污泥灰分中各组分相互接触越频繁，产生化合、分解、助熔的机会也越多，则降低灰熔点的可能性也越大。
五、工程防腐问题
污泥焚烧过程中防腐问题，有设备本身的问题，也有管道的问题。以露点腐蚀为主。焚烧时只要有过剩的空气，就会使SO2反应成为SO3。而SO3对露点的影响是ppm量级的。
六、“堵”和“磨”问题
陈奕峰介绍，污泥焚烧过程中“堵”和“磨”问题与煤化工是类似的。实际生产过程中有漏了焊，焊了再漏，反复发生的“磨损”情况。针对这一问题，绿水股份污泥干化机从根本上解决了“漏”的问题，对运转10年的设备进行检测，磨损量10年小于2mm。
至于“堵”的问题，陈奕峰指出：防止干化后的污泥返潮十分关键，并且事关设备的长周期稳定运行。
七、稳定和完全燃烧的问题
污泥难以稳定燃烧，主要是因为热值过低引起，从不同生物质的热值来看，污泥的热值最低，污泥含水率在40%时，其热值与生活垃圾相当。
不同生物质燃料的工业分析
不同固体燃料的热值对比
污泥焚烧的实践表明：焚烧炉的蓄热能力，是实现低热值固废稳定焚烧的关键。蓄热能力差，燃烧不稳定，可能带来一系列问题，譬如：燃烧不彻底，烟气难以环保达标，焚烧炉结焦造成停炉。这就是欧洲和日本等国，针对污泥热值低的特点，首选鼓泡流化床（为了蓄热，流化状态平和）作为污泥焚烧炉型的原因。在其实施当中，技术措施就是围绕炉床的蓄热来展开的。
绿水在鼓泡流化床的基础上，针对污泥的焚烧，设计了一款改进性的鼓泡流化床，其运行基于流化态的高温物料悬浮焚烧，运行状态介于鼓泡流化床与循环流化床之间。
这一改进，带来的好处有4：一是，保留了鼓泡流化床和循环流化床的特性，如：蓄热好、燃烧彻底、污染物产生少；二是，可以实现低热值固废的均衡、彻底而又稳定的燃烧；三是，在加料变化的情况下，炉温的稳定性，大大高于循化流化床，也大大高于鼓泡流化床，其操作难度比循环流化床和鼓泡流化床要低。四是，由于其自身的稳定特性，对一次风的温度要求可以降低，与国外流程相比，能量回收的第一级（烟汽高温余热）主要是用来产生蒸汽或用来发电，这样做带来显而易见的好处，不是立足于“烧”本身，而是追求能量的利用的更高层面，以节能降耗为目标。
八、干化尾气问题
干化尾气是恶臭气体的主要来源，需处理后引入焚烧炉焚烧，或除臭。
为避免后续工艺，携带粉尘和凝结水，需要对干化尾气进行除尘（或洗涤）、冷却/冷凝和除沫处理。以洗涤、冷却/冷凝为主。
有2种方式：间接洗涤/冷却和直接洗涤/冷却。
从污泥干化焚烧实践来看，宜采用直接冷却方式为宜。采用间接冷却流程存在以下问题：一是冷凝器前的干法除尘条件太苛（气体温度在100℃左右，露点在80℃以上，容易结露）；二是干化尾气存在结蜡问题，如下图所示
结蜡现象的产生，其机理尚待研究。这种现象在甲醇工业有类似的情况发生。给出的结论是，产生的石蜡烃，经分析为含有一定量氧及不饱和键的长碳链混合物，与标准石蜡有一定的差别。由于该物质是混合物，所以没有固定的沸点常压下初熔点为73.3 ℃温度到102.5 ℃时全部熔化。当石蜡与冷介质换热时,会被部分冷凝下来,形成黏稠状胶体,黏附在换热器列管上,使换热器污垢热阻增加,换热效率下降。简而言之，污泥由于低沸点挥发份的存在，增加了尾气处理的难度。
直接冷却可以避免上述问题，但需要大量的洗涤冷却水（从干化尾气中冷凝1kg水，约需冷却水60kg）,需对洗涤水作循化处理。洗涤冷却水的闭路循环处理，借鉴了煤化工造气污水处理的方式，对循环水采取有所治，有所不治的措施，可以大大减少洗涤冷却水的处理成本（以日处理100t污泥为例，循环后需要处理的污水是2.6t/h以下，不作循化，污水的排放量是166.68t/h），处理过程只对循环水作了冷却处理，由于是闭路，其水质如何，并没有加以考虑。实践表明，循环水中的污染物在循环过程中也会自行分解，不会无限制地富集；其次，对二次蒸汽（干化尾气中冷凝部分）的涨水，进行溢流处理，文丘里采用大孔径的喷嘴，可以保证循环水无堵塞地畅流。污泥干化的蒸发水分是洗涤水循环处理中的“涨水”，也是污泥干化焚烧装置主要的，最终污水处理的处理量。
九、流程简约的问题和细节的处理
污泥具有很强的黏附和结团能力，对污泥干化设备的安全运行产生巨大危害 。干污泥返混是目前克服污泥黏滞区的有效手段，缺点是干污泥返混量大，能耗和运行费用高；对应的流程需设置返混装置，如下图所示
针对这一问题，绿水在桨叶干化机中部设置了刮刀和刮板，在污泥干化过程中，及时消除污泥粘滞（出现污泥在桨叶轴上抱团的现象）特性的不利影响；其次，桨叶式干化机在污泥干化过程中，不断抄动污泥，污泥水分降低到一定程度（达到污泥的临界水分），团状的污泥可提前自行散开为颗粒，满足了鼓泡流化床对入炉污泥的形状要求。再则，桨叶式干化机，由于污泥干化是在不停的翻动过程中进行，污泥热干化过程中，污泥的湿球温度远低于干球温度，干化机的出料温度接近于环境温度，无需后接干化污泥的冷却过程。通过上述措施桨叶干化机与鼓泡流化床实现了无缝对接，可以免除其它干化型式后续所需的操作，譬如：返料、混合、破碎、筛分、造粒、冷却等。流程简约、省去这些单元运行过程，操作费用可大大减少。
十、刚性的环保要求
实施“源头控制，后端削减”策略。利用焚烧炉的温度条件，使得酸性气体的产生得到控制。以脱硫为例，我们采取了4道措施：一是炉内喷钙，利用石灰与SO2最佳的反应温度控制硫化物的产生，二是对烟气增湿后进行半干法脱酸，三是利用布袋表面过滤的特性进行脱酸，四是湿法脱酸（利用NaOH溶液），上述步骤以前3步为主，第4步作为应急和保安措施来考虑。这就是说，通过严格的净化手段，力求执行最严苛的环保标准（譬如SZDB/Z 233-2017）。
污染防治一览表
十一、技术经济分析
从污泥干化焚烧的成本计算结果来看（见下表），对成本影响大的分项有：装置的用电量；辅助燃料加料量；加药量；危废处理量和污水处理。对上述几项，采取措施和技术手段，从污泥干化焚烧的实践来看，可取得十分经济的效果。
最后，陈奕峰用“四字真言”做了总结：在“节”字上下功夫，在“细”字上做文章，在“简”字上求突破，在“稳”字上见实效。
为证明实效，陈奕峰展示了企业吨污泥处理2个十分亮眼的指标：
（1）造价：≤ 40万元/吨
（2）运行费用：≤ 200元/吨 （直接成本）
陈奕峰结束演讲时表示：作为一家污泥处理处置的专业供应商，一直以来，把污泥干化焚烧的“零成本”作为企业的追求，绿水愿与各位同行一道，为践行习总书记的生态文明思想，做出我们不懈的努力！
中国工业水大会暨第44届年会
11月15-17日 无锡
同期举办：
1. 工业循环冷却水处理发展论坛
2. 油气及炼化行业废水处理与回用技术研讨会
3. 煤化工废水处理及综合利用技术研讨会
4. 冶金行业工业节水与废水循环利用研讨会
5. 新能源行业废水处理技术研讨会
6. 工业园区污水处理减污降碳及再生利用研讨会
7. 电子行业超纯水制备与废水处理技术研讨会
8. 高浓度有机废水处理技术研讨会
9. 浓盐水处理及资源综合利用技术研讨会
10. 含重金属废水处理及回收技术研讨会
11. 卤水锂资源的提取技术研发与应用研讨会
12. 绿色低碳水处理技术及工艺研发与应用研讨会
13. 水处理智能化管理与智能设备创新发展研讨会
14. 工业水全生命周期管理与水系统诊断研讨会
15. 膜法水处理技术创新与应用研讨会
16. 水处理功能材料与化学品的研发与应用研讨会
17. 高级氧化技术在水处理中的研发与应用研讨会
18. 电化学技术在水处理中的研发与应用研讨会
19. 生物技术在水处理中的应用研讨会
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