苑衛(wèi)軍 楊征 王輝 韓明汝

(唐山科源環(huán)保技術裝備有限公司 河北唐山 063000)

0 引言

近十幾年來，我國污泥產量隨著污水處理項目同比增長，而我國污泥處置的發(fā)展嚴重滯后于污水處理的現(xiàn)象并未明顯改觀。目前我國污泥處置占比為填埋60%～65%、好氧發(fā)酵農用10%～15%、污泥天然干化綜合利用4%～6%、污泥焚燒2%～3%、污泥露天堆放和外運15%～20%[1]。受環(huán)境影響和土地資源兩方面的限制，污泥焚燒和熱解等熱處置技術在歐、日等國家已經廣泛應用。污泥熱處置技術包括獨立焚燒熱解處置和爐窯協(xié)同處置兩種工藝，其中爐窯協(xié)同處置具有配套投資小和運行成本低等優(yōu)勢。我國火電廠和水泥窯協(xié)同處置污泥的應用較多，利用氣化爐協(xié)同處置污泥也有少量試驗性應用。利用含水率75%的污泥制備水煤漿用于氣流床氣化[2]，利用含水率80%的污泥作為粘結劑制備污泥型煤用于常壓固定床氣化[3]，利用含水率60%的污泥與煤直接摻混在加壓固定床氣化[4]，在維持系統(tǒng)正常運行和二次污染控制方面都取得了一定的經驗和成果。本文對利用KM5Q兩段式常壓固定床氣化爐和燃氣爐窯組成系統(tǒng)，協(xié)同處置高含水率污泥的技術工藝方案進行介紹并分析，旨在拓寬利用現(xiàn)有爐窯對污泥進行協(xié)同熱處置的工藝路線。

1 KM5Q氣化爐內煤炭與污泥的協(xié)同反應

KM5Q氣化爐結構如圖1所示， 含水率95%左右的污泥通過氣化爐爐頂設置的定量噴淋降溫系統(tǒng)[5]，定量均勻地噴灑于入爐煤料的表面。污泥在氣化爐內進行以下處理過程：

圖1 KM5Q氣化爐示意

(1)熱干化過程：氣化爐干餾段的上部，在150～300 ℃干燥溫度條件下，煤料表面污泥中的水分及易揮發(fā)性物質形成氣體進入煤氣中；

(2)熱解過程：干餾段的中部至氣化段上部，煤氣溫度為300～600 ℃左右，在此溫度下，經過干化后的污泥進行干餾熱解產生干餾煤氣及焦油；

(3)氣化過程：氣化段溫度約為600～1 000 ℃，污泥熱解后產生的碳與入爐后同樣經過干燥干餾后的煤料一同進行氣化反應，產生以CO/H2為主要可燃氣體的煤氣；

(4)燃燒過程：污泥中在干化、熱解和氣化過程均沒有參與反應的物質，與氣化反應后剩余的殘?zhí)窟M入氧化層，在1 000～1 100 ℃條件下與入爐空氣中的O2進行氧化反應，進行高溫焚燒處理后，混于灰渣中排出爐外。氣化爐內各反應區(qū)域特征如表1。KM5Q氣化爐內煤炭與污泥協(xié)同反應過程如圖2。

圖2 KM5Q氣化爐內煤炭與污泥協(xié)同反應過程

表1 氣化爐內各反應區(qū)域特征

2 煤氣站-爐窯系統(tǒng)協(xié)同處置污泥工藝方案

2.1 工藝方案(一)

煤氣站-爐窯系統(tǒng)協(xié)同處置污泥的工藝方案(一)參見圖3，通過爐頂定量噴淋系統(tǒng)噴淋降溫，爐出煤氣溫度由450 ℃降至150 ℃左右。然后經過洗氣除焦系統(tǒng)將煤氣降至80 ℃，同時捕除煤氣中的焦油。然后煤氣經過終冷系統(tǒng)，其溫度降至35～45 ℃，煤氣中的一部分水分冷凝析出形成酚水，煤氣中剩余的水分以飽和水狀態(tài)存在于出站煤氣中，這部分飽和水和污泥熱解產生的不凝性氣體隨煤氣進入加熱窯爐內燃燒，煤氣在窯爐內實際火焰燃燒溫度一般可以達到1 200～1 400 ℃，在此溫度下，這部分物質被焚燒分解成H2O和CO2等無毒物質排入大氣。污泥氣化后的殘渣，經過氣化爐氧化層焚燒處理后混于灰渣中。

圖3 煤氣站-爐窯系統(tǒng)協(xié)同處置污泥系統(tǒng)工藝方案(一)

煤氣冷凝過程產生酚水的一部分，回流至爐頂定量噴淋系統(tǒng)補充噴淋液。酚水的另外部分在酚水預處理系統(tǒng)經過捕除粉塵和重質油類，并中和調質后，泵入氣化爐水夾套進行濃縮汽化，汽化形成的水蒸氣代替軟化水蒸汽作為氣化劑，由爐底進入氣化爐，酚水蒸汽經過氣化爐的灰層進入氧化層(溫度一般在1 000～1 200 ℃)時，其所含的酚類和輕油類物質被焚燒裂解為水和二氧化碳，然后酚水蒸汽進入還原層進行造氣反應：C+H2O=CO+H2[6]。

2.2 工藝方案(二)

煤氣站-爐窯系統(tǒng)協(xié)同處置污泥的工藝方案(二)參見圖4，通過爐頂定量噴淋降溫，將爐出煤氣溫度降至150 ℃左右，然后經過洗氣除焦系統(tǒng)將煤氣降至80 ℃，煤氣增壓后輸送至爐窯系統(tǒng)燃燒。污泥在氣化爐中干化過程中產生的水分在出站煤氣中以煤氣飽和水狀態(tài)存在。當大氣壓(絕壓)為101 300 Pa，煤氣壓力為1 500 Pa時，出站煤氣(80 ℃)飽和水量為663 g/m3[7]。這部分水和干餾出的不凝性氣體隨煤氣進入加熱窯爐內燃燒，氣化爐煤氣在窯爐內高溫火焰處焚燒分解成H2O和CO2等排入大氣。

圖4 煤氣站-爐窯系統(tǒng)協(xié)同處置污泥系統(tǒng)工藝方案(二)

3 污泥協(xié)同處置方案對比分析

3.1 污泥處理量對比

KM5Q3.6氣化爐正常煤氣產量8 000 m3/h，參照文獻[8-9]進行系統(tǒng)水平衡計算，得出表2所示的2種工藝方案的污泥處置量，可以看出方案(二)污泥處置量約為方案(一)的1.68倍，就污泥處置量而言方案(二)優(yōu)于方案(一)。

表2 兩種方案KM5Q3.6氣化爐協(xié)同處置污泥量對比

3.2 系統(tǒng)水資源的有效利用

方案(一)污泥中的水分在干化過程轉入煤氣中，然后在煤氣終冷降溫過程中又以冷凝水的形式析出，系統(tǒng)將這部分析出冷凝水經過預處理后，代替軟化水汽化為水蒸氣作為氣化爐氣化劑應用，節(jié)約了大量的凈水資源。

方案(二)污泥干化過程轉入煤氣中的水分，全部以煤氣飽和水的形式隨煤氣在爐窯焚燒處置，水資源沒有得到有效利用。就水資源的有效利用而言，方案(一)優(yōu)于方案(二)。

3.3 系統(tǒng)脫硫、脫硝工藝的選擇

方案(一)的出站煤氣為35～45 ℃的潔凈冷煤氣，可以通過窯前煤氣濕法脫硫的方式脫除H2S，從而保證爐窯煙氣中SO2達標排放。方案(一)可以在“濃縮蒸發(fā)法”處理含酚廢水和煤氣濕法脫硫過程中，協(xié)同脫除煤氣中的部分NH3，從而有效降低爐窯煙氣NOx的排放強度，達到系統(tǒng)脫硝的效果[10]。

方案(二)的出站煤氣為80 ℃左右的半冷煤氣，無法進行煤氣濕法脫硫(煤氣濕法脫硫的操作溫度要求35～45 ℃)，一般采取窯后煙氣脫硫的方式脫除煙氣中的SO2。方案(二)煤氣站無冷凝水析出，煤氣中的NH3全部隨煤氣在窯爐燃燒后轉化為燃料型NOx，一般采取窯后煙氣脫硝的方式脫除煙氣中的NOx。

如果污泥協(xié)同處置系統(tǒng)中的爐窯為球團燒結或礦物煅燒類窯爐，由于物料在燒結或煅燒過程中會產生SO2或NOx并混入爐窯煙氣中，所以一般采用窯后煙氣脫硫、脫硝的工藝路線。

4 結論

每年我國生活和工業(yè)污泥產生量較大，利用現(xiàn)有爐窯對其進行的協(xié)同處置，有利于達到低成本、高效率的處置效果。以KM5Q氣化爐煤氣站與燃氣窯爐組成系統(tǒng)對污泥進行處置，可以處置含水率95%左右的高含水污泥，污泥的熱干化、熱解、氣化和氣化殘渣的氧化焚燒在氣化爐內進行，而污泥干化過程產生的一部分水分(煤氣飽和水)及不凝性氣體混于煤氣中，在窯爐的燃氣燒嘴火焰處進行焚燒處理，污泥處置效果可靠。