污泥脱水干化焚烧集成技术

浙江大学热能工程研究所在污泥焚烧技术研究开发方面走在了全国的前列。从1996年出口到韩国的第一台污泥焚烧锅炉开始，浙江大学热能工程研究所系统研究了污泥输送、污泥干化、污泥焚烧、污染物控制等污泥焚烧处置的集成技术，形成了完善的技术体系。

浙江大学热能工程研究所污泥焚烧技术来源于洗煤泥焚烧技术。自20世纪80年代开始对洗煤泥（洗煤过程中产生的煤水混合物，与污泥类似）燃烧开展研究。在对洗煤泥的物化特性、成灰特性、结团特性和燃烧特性进行深入的机理研究的基础上，首创了结团燃烧、异重流化床运行、大粒度高位给料、运行中不排渣、结团燃烧脱硫、新型挤压泵等关键技术，从而形成了原创性的研究成果“煤水混合物异重床结团燃烧技术”，获5项国家发明专利。1992年建成了国际上首座洗煤泥电厂，并通过3个国家和部委级鉴定，评价为“国际领先水平”。通过国家六五、七五、八五攻关计划研究完善，已在全国几十个煤矿企业的10t/h-130t/h锅炉上推广应用，产生了巨大的经济效益、环保效益和社会效益，实现了化害为利，变废为宝。其中35t/h洗煤污泥焚烧炉已实现稳定运行近10年多，年产生的直接经济效益达数亿元人民币。

浙江大学热能工程研究所是我国污泥干化焚烧技术研究的先行者。拥有十余项发明专利，技术成果得到了广泛的应用。“污泥搅动型间接热干化和复合循环流化床清洁焚烧集成技术”2014年获得国家科技进步二等奖，“污泥热干化与燃煤锅炉协同焚烧处置技术的集成和应用”2012年获得华夏建设科学技术一等奖。拥有“利用电站煤粉锅炉的污泥处理系统”、“污泥干化焚烧集成处理系统” 、“一种污泥干化焚烧装置及方法”、“螺旋回转式污泥干燥成型机”、“四段式污泥干化尾气处理系统”、“用于污泥干化机的具有逆向倾斜交错互清式装盘的转轴”、“一种适宜于低热值废弃物处置的流化床焚烧装置及工艺”等国家专利技术。承担了国家水体污染控制与治理重大科技专项课题“城市污水污泥减量、无害化和综合利用关键技术研究与工程示范”、国家高技术研究发展计划（863）课题“国产化污泥干化与焚烧成套装备研制及应用”、教育部重大研究项目“污泥燃料化焚烧集成系统的关键技术研究”、住房和城乡建设部科学研究项目“污泥干化和焚烧集成技术的研究”等课题。出版专著《污泥无害化能源化热处置技术》、《洗煤泥及污泥焚烧技术与工程实例》，发表论文近百篇。技术被列入科技部《水污染治理先进技术汇编》和中国环保产业协会《国家鼓励发展的环境保护技术目录》。浙江新嘉爱斯污泥焚烧发电工程和富阳板桥纸业造纸污泥焚烧发电工程被列入住建部、国家发改委首批“城镇污水处理厂污泥处理处置国家级示范项目”，浙江嘉兴发电厂污泥掺烧工程和浙江长兴发电厂污泥掺烧工程被列入国家能源局首批“燃煤耦合生物质发电技改试点项目”。

（1）主要奖励

（2）相关专利

（3）科研项目

（4）已经或正在实施的污泥焚烧项目

浙江大学热能工程研究所开发的污泥干化焚烧系统由污泥仓和泵、污泥深度脱水单元、热干化系统、污泥焚烧锅炉和烟气净化装置组成。

2.1 污泥深度脱水技术

污泥中的水分分为外在水分和内在水分。由于污泥中的内在水分结合在细胞内部，因此传统的脱水技术如带式压滤机等只能将含水率降至80%左右。而采用热干化的方式降低水分，其相对成本较高。浙江大学联合相关的设备厂商，开发了污泥深度脱水工艺，尽可能采用机械的方法降低水分，减少污泥处置的运行成本。污泥深度脱水工艺包括污泥热水解单元、污泥调理单元和高干度板框压滤单元。

污泥热水解原理是通过加热（一般为150℃-200℃）、增压（2bar-3bar）使部分污泥有机质溶解，改变污泥水分结合状态，从而使污泥中更多的水分能够达到机械脱水的要求。在加热过程中，污泥的微生物絮体解散，微生物细胞破裂，胞内以各类大分子相结合的水被释放，其综合作用的结果导致水更容易与污泥颗粒相分离。

此后，在污泥中加入无机调理剂，进一步打破细胞壁，使污泥中的内在水分容易析出。最后，通过高干度板框压滤机进行进一步压滤脱水。对于造纸污泥等高纤维含量的污泥，经过深度脱水后含水率可降至60%以下。

2.2 螺旋回转式干化机

污泥经过深度脱水后通常含水率还高达55%以上，如需要进一步降低水分，通常采用热干化技术，使低热值的污泥转变成较高热值的可用燃料，然后通过专门设计的焚烧炉实施污泥清洁高效燃烧。选择污泥干化方式的出发点首先应考虑干化热源要比较方便地获得，其次是考虑干化的经济性，第三还要避免干化过程中产生二次污染。

浙江大学热能工程研究所开发了具有自主知识产权的螺旋回转式污泥干化机，通过蒸汽间接换热干化污泥，将污泥半干化后作为燃料进入炉内焚烧。热源采用经过做功发电后的低压余热蒸汽，降低热干化成本。螺旋回转式污泥干化机已经发展成为包括单轴（圆盘）、双轴和多轴，单台容量从10~150吨/日的系列化产品，如图2所示。

干化机轴端装有蒸汽导入导出的旋转接头。蒸汽分为两路，分别进入干化机壳体夹套和桨叶轴内腔，将机身和桨叶轴同时加热，以传导加热的方式对污泥进行加热干化。被干化的污泥由螺旋送料机定量地连续送入干化机的加料口，污泥进入机身后，通过桨叶的转动使污泥翻转、搅拌，不断更新加热介面，充分与被加热的机身和桨叶接触，被充分加热，使污泥所含的表面水分蒸发。同时，污泥随叶片轴的旋转向出料口方向输送，在输送中继续搅拌，使污泥中渗出的水分继续蒸发。最后，干化均匀的污泥由出料口排出。

蒸发出的污泥水汽进入冷凝水膜装置，将水汽冷凝为液体排放到污水管网。同时排出的少量废气经焚烧炉二次风管的吸风口送入炉内焚烧处理。热量释放后的蒸汽经过冷凝后重新进入锅炉。

2.3 流化床污泥焚烧炉

  图3为浙江大学开发的流化床污泥焚烧锅炉的结构简图。含水率80%左右的湿污泥直接或脱水干化后给入炉内，根据污泥的热值和含水率情况可以添加煤或者其他辅助燃料。采用石英砂作为炉内的惰性流化介质（又称为床料），使污泥给入炉内不致引起流化床温度的较大波动，通过空预器出来的热风使流化床内的介质强烈湍混，使污泥温度迅速升高、燃烬，燃烧释放出来的热量又被床料吸收，烟气被引风机牵引依次通过受热面，温度下降，其热量传递给各受热面中的水，使水转化为蒸汽。污泥焚烧后的灰基本上成为飞灰，通过尾部除尘装置收集下来。

2.4 污泥焚烧烟气净化

  浙江大学热能工程研究所开发的污泥焚烧技术在尾气处理方面采取了以下措施，确保污泥焚烧后不会造成二次污染。

（1）采用流化床燃烧方式，实现污染物较低排放

  流化床污泥焚烧炉炉温控制在850℃-950℃之间，其温度属于最适合脱硫的温度范围。同时，焚烧炉的NOx排放与焚烧炉的温度水平直接相关，流化床属于中温燃烧，并且采用分段供风技术，且污泥燃料中的氮含量较低，因此烟气中的NOx含量生成量比较低，控制在300ppm以下，达到焚烧污染控制标准，可以不设置专门的抑制设施。

  此外，流化床锅炉热容量大，燃烧稳定，炉内温度分布均匀，可以抑制常规气态污染物的生成。

（2）采用“3T”技术控制二噁英生成

  在设计的污泥焚烧炉时，为了满足二噁英控制的要求，采取了以下一些措施：保证炉内燃烧温度控制在850-1000℃之间有利于有机物的完全分解、焚烧燃料产生的烟气在炉内停留3.75s大于一般焚烧炉规定的3s、通过二层二次风的切向旋转配风设计改善炉内流动，促进炉内气体的湍流，同时控制炉膛出口氧量大于6%。

（3）开发了循环悬浮式半干法烟气净化装置

采用半干法烟气脱硫技术对污泥焚烧的烟气进行处理。该烟气处理系统包括烟气净化塔系统、除尘及灰循环系统、石灰浆液制备和输送系统及控制系统。

3 适合于不同应用场合的污泥焚烧系统及工程实例

基于上述开发的关键技术，浙江大学热能工程研究所针对不同条件和不同地区的需求，提出了如下可选方案：

3.1 将污泥深度脱水或干化后送入燃煤发电锅炉混烧

3.1.1 技术方案

通过“深度脱水/干化+燃煤锅炉掺烧”的方式处理污泥。采用深度脱水技术，或利用热电厂150℃，0.4-0.6MPa饱和蒸汽将含水率80-85%左右的湿污泥干化为含水率60%以下的污泥燃料，掺入燃煤发电锅炉焚烧。

3.1.2 适用范围

此方案优点是污泥降低水分后掺入炉内，增加污泥处理量，降低对原有锅炉设备的影响。仅需增加深度脱水或干化设备，设备投资较低。适用于存在燃煤发电锅炉的地区。

3.1.3 示范工程1-杭州富阳八一污水处理厂污泥脱水焚烧处理工程

工程概况如下表所示：

该工程处理富阳板桥纸业所属富阳八一污水处理厂污泥，处理规模为1500吨/日含水率80%的污泥。污泥通过调理后，采用18台板框式压滤机进行脱水，经过破碎后进入75t/h燃煤循环流化床给煤系统，入炉焚烧。入炉污泥的含水率为55%~60%，热值1300kcal/kg左右。

3.1.4 示范工程2-海宁马桥大都市污泥焚烧处理工程

工程概况如下表所示：

该项目利用海宁马桥大都市热电有限公司蒸汽将卡森集团制革污泥100t/d（含水率85％）干化至含水率40％，再通过干污泥给料系统送入海宁马桥大都市热电有限公司现有的75t/h的循环流化床燃煤锅炉焚烧处理。目前，项目已经运行。污泥经过220m²空心桨叶式污泥干化机干化后，完全达到了设计参数。这台空心桨叶式污泥干化机也是目前国内最大的一台空心桨叶式污泥干化机。污泥干化车间为全封闭厂房，并通过将锅炉二次风机的吸风口布置在污泥干化厂房内形成负压，将可能挥发的臭气送入锅炉焚烧脱臭。该项目的现场照片如图5所示：

3.1.5 示范工程3-嘉兴发电厂污泥焚烧处理工程

工程概况如下表所示：

该项目利用嘉兴发电厂发电后的低压余热蒸汽将嘉兴联合污水处理厂污水污泥250t/d（含水率80％）干化至含水率30％，再通过干污泥给料系统送入嘉兴发电厂现有的300MWe煤粉发电锅炉制粉系统，作为燃料无害化处理处置。污泥干化车间为全封闭厂房，并通过将锅炉二次风机的吸风口布置在污泥干化厂房内形成负压，将可能挥发的臭气送入锅炉焚烧脱臭。该项目的现场照片如图5所示：

3.2 新建污泥干化焚烧集中处置站

3.2.1 技术方案

在仅需处理污泥的地方，可以新建污泥干化和焚烧处置站。污泥焚烧前首先采用蒸汽进行干化，干化后的污泥进入流化床焚烧炉，焚烧后产生的蒸汽用于污泥干化。根据污泥热值不需或仅需少许辅助燃料即可实现能量自平衡。如果附近有供热需要，还可适当多产生蒸汽。

3.2.2 适用范围

此方案的优点是污泥处置站单独运行，满足处理污泥的需要，综合运行成本较低。适用于仅需处理污泥的地区。

3.1.3 示范工程-浙江温州制革污泥焚烧处理工程

工程概况如下表所示：

该工程采用干化后焚烧的方式处理制革污泥。60t/d（含水率80％）湿污泥通过汽车运到湿污泥储仓后，通过预压螺旋及污泥泵输送到污泥干化机（干化至50％左右），污泥干化后的污泥与干煤分别通过输送给料系统送入鼓泡流化床焚烧炉进行焚烧处理。系统包括：污泥存储系统、污泥干燥系统、流化床焚烧系统、尾部烟气净化系统及相应的配套的辅助设备。

3.3 将污泥干化后送入垃圾焚烧炉作为垃圾焚烧的辅助燃料

3.3.1 技术方案

在具有垃圾焚烧炉的地方，可通过“干化+垃圾炉掺烧”的方式处理污泥。采用垃圾焚烧厂蒸汽将含水率80%左右的湿污泥干化为含水率50%左右的干化污泥燃料，送入垃圾焚烧炉，作为辅助燃料与垃圾一起进行焚烧发电。

3.3.2 适用范围

此方案的优点是污泥干化后作为原料，替代部分煤作为垃圾的辅助燃料，降低垃圾发电成本。适用于存在垃圾焚烧发电厂或者准备将垃圾与污泥同时焚烧处理的地区。

3.3.3 示范工程1-浙江绍兴污泥焚烧发电工程

工程概况如下表所示：

该工程采用浙江大学热能工程研究所循环流化床污泥焚烧技术和污泥干化技术同时焚烧垃圾和干化后的污泥。

3.3.4 示范工程2-浙江景兴纸业平湖热电厂污泥和废纸渣焚烧技改工程

工程概况如下表所示：

该工程采用浙江大学热能工程研究所循环流化床污泥焚烧技术和污泥干化技术同时焚烧废纸渣和干化后的污泥。

3.4 将湿污泥直接加入燃煤循环流化床锅炉掺烧

3.4.1 技术方案

通过直接焚烧的方式处理污泥。采用燃煤循环流化床锅炉直接焚烧含水率80%左右的湿污泥。有两种方案可选：

（1）利用现有燃煤流化床锅炉直接掺烧：掺烧湿污泥量小，对原锅炉运行有较大影响。

（2）在新设计锅炉时考虑掺烧湿污泥：通过优化设计，在技术上充分考虑较大的湿污泥掺烧能力。

3.4.2 适用范围

此方案的优点是不需新增污泥干化设备，系统简单，运行成本低。但是掺烧量受现有锅炉蒸发量限制，对现有锅炉运行影响较大。同时，掺烧污泥后需要在燃煤电站尾气处理系统的基础上，增加满足生活垃圾焚烧尾气处理标准的设备。必要时，需要对锅炉进行局部改造，以降低湿污泥掺烧后对原有锅炉的影响。此方案适用于污泥处理量小又存在燃煤流化床锅炉的地区，且尾气处理系统改造为达到生活垃圾焚烧尾气处理标准，或近期准备新建锅炉的地区也可以在锅炉设计时考虑掺烧湿污泥。

3.4.3 示范工程-浙江圣雄集团污泥焚烧处理工程

工程概况如下表所示：

该工程由浙江大学热能工程研究所提供技术，新建焚烧炉，直接焚烧含水率70%左右的湿污泥，产生4t/h蒸汽对外供热。锅炉在设计时考虑了焚烧湿污泥对锅炉的影响，因此可以长期安全运行。