趙浩，王雷，廉珂，李蕭寧

（中鐵水務(wù)集團(tuán)有限公司，陜西西安 712000）

污泥作為污水處理的末端產(chǎn)物，產(chǎn)生量隨著污水量的增加也不斷增加，污泥中有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到45%～60%，干基熱值通常為10 464.63 ～12 557.56 kJ/kg，可作為燃料回收其中熱量。在眾多的污泥處置工藝中，污泥熱解氣化技術(shù)是一種減量化顯著、無害化徹底的技術(shù)，已成功應(yīng)用在多個(gè)大型污泥處置項(xiàng)目。本文通過探討，總結(jié)出一條適用于污泥熱解氣化可燃?xì)夥贌裏煔馓幚淼墓に嚲€路，并給出技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施。

1 污泥熱解氣化技術(shù)簡(jiǎn)介

污泥熱解氣化技術(shù)是利用污泥中的有機(jī)質(zhì)在高溫貧氧條件下裂解的性質(zhì)，將干化污泥投入密閉蓄熱氣化爐內(nèi)，在900 ～1 100 ℃的高溫貧氧氣化環(huán)境，使污泥中的有機(jī)成分裂解揮發(fā)，轉(zhuǎn)化為以CO、H2為主的可燃?xì)怏w，污泥中的無機(jī)物以殘?jiān)问脚懦觥?/p>

污泥從氣化爐上端進(jìn)料，從底部不斷出渣，污泥從上端不斷向下移動(dòng)，溫度不斷升高，依次經(jīng)過烘干、干餾、氣化、燃燒等階段。氣化過程中從氣化爐底部通入空氣和蒸汽作為氣化劑，自下而上穿過半焦?fàn)钗勰噙M(jìn)行燃燒，溫度控制在900～1 100 ℃，氧氣被消耗，保證燃燒段以上氧含量控制在0.1%以下。燃燒段產(chǎn)生的900 ℃以上的高溫?zé)釟馀c自上往下移動(dòng)的污泥接觸并發(fā)生貧氧裂解反應(yīng)，產(chǎn)生可燃?xì)狻?/p>

可燃?xì)馔ǔＰ枰脽犸L(fēng)爐和余熱鍋爐進(jìn)行熱量回收，可燃?xì)馊紵螽a(chǎn)生的煙氣中含有SO2、NOx、CO、HCl、顆粒物、重金屬、二噁英等污染物，需對(duì)煙氣進(jìn)行處理后才能排放。

2 常規(guī)污泥泥質(zhì)及熱解煙氣成分

2.1 污泥泥質(zhì)

污水廠污泥泥質(zhì)決定了熱解氣化后煙氣的主要成分。某污泥熱解氣化項(xiàng)目服務(wù)范圍內(nèi)污水廠污泥工業(yè)分析見表1。

表1 污水廠污泥工業(yè)分析

2.2 熱解氣化焚燒煙氣成分

熱解氣化可燃?xì)夥贌裏煔庵蠸O2和HCl 含量與污泥中的全硫含量、Cl 含量、熱風(fēng)爐運(yùn)行條件、湍流強(qiáng)度以及煙氣停留時(shí)間等因素有關(guān)，煙氣中NOx來源于污泥中的燃料型氮氧化物和燃燒過程中的熱力型氮氧化物。某污泥熱解氣化項(xiàng)目入口煙氣中的主要污染物濃度設(shè)計(jì)值及實(shí)測(cè)值見表2。

表2 入口煙氣中各污染物濃度

2.3 煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)

煙氣按《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB61/1226—2018）4.3.4 項(xiàng)下“生物質(zhì)鍋爐”中“其他地區(qū)”標(biāo)準(zhǔn)值執(zhí)行，重金屬排放參照《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18485—2014）及其修改單要求。具體標(biāo)準(zhǔn)限值及實(shí)測(cè)值見表3。

表3 污染物排放標(biāo)準(zhǔn)限值及實(shí)測(cè)值

3 煙氣處理工藝

該項(xiàng)目煙氣處理主要的主要對(duì)象是NOx、SO2、HCl、HF、顆粒物、重金屬和二噁英。顆粒物去除效率98%以上，氮氧化物去除效率90%以上，二氧化硫去除效率99.2%以上，對(duì)各項(xiàng)污染物去除效率要求較高，屬超低排放。

3.1 重金屬吸附及除塵工藝

重金屬以固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的形式進(jìn)入除塵器，當(dāng)煙氣冷卻時(shí)，氣態(tài)部分轉(zhuǎn)化為可捕集的固態(tài)或液態(tài)微粒，通過向煙道內(nèi)噴射活性炭粉末，活性炭與煙氣充分混合、接觸，吸附煙氣中的重金屬微粒和二噁英。除塵通?？蛇x電除塵和布袋除塵，或?qū)烧呗?lián)用。布袋除塵器對(duì)1 μm 以上粉塵的去除效率可超過99%，通過布袋除塵器過濾后，吸附飽和的活性炭以飛灰形式排出[1]。推薦采用布袋除塵器，在完全滿足排放要求的前提下，可減少設(shè)備投資和運(yùn)行維護(hù)成本。

原煙氣按照設(shè)計(jì)流速進(jìn)入布袋除塵器各腔室后，由于空間變大，煙氣流速降低，比重較大的顆粒物受重力作用發(fā)生沉降，其余粉塵被濾袋過濾。顆粒物在布袋表面不斷累積，布袋孔隙被堵塞，布袋內(nèi)外兩側(cè)壓差逐漸升高，當(dāng)阻力增大到設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)清灰系統(tǒng)，粉塵自然脫落后落入灰斗。濾袋的制作工藝和性能參數(shù)對(duì)除塵器的去除效率和使用壽命有較大影響，濾袋應(yīng)采用分層針紡工藝，底部采用三層包邊縫制，無毛邊裸露，加強(qiáng)環(huán)布，拼接處重疊搭接寬度不小于10 mm，提高袋底強(qiáng)度和抗沖刷能力。運(yùn)行允許煙氣溫度180 ～220 ℃，耐高溫能力為240 ℃（30 min 以上），濾袋材質(zhì)應(yīng)選100% PTFE 基布+100% PTFE 覆膜，克重不低于550 g/m2[2]。

布袋除塵器投入使用前需預(yù)涂灰，預(yù)涂灰對(duì)布袋除塵器初期的運(yùn)行至關(guān)重要。預(yù)涂灰是在成品布袋使用前增加助濾劑，使涂層均勻覆蓋在布袋濾料表面，預(yù)涂層處理后能夠維持布袋在過濾油煙污染、腐蝕性氣體或顆粒物時(shí)不產(chǎn)生糊袋或腐蝕，可延長布袋及除塵器本體的使用壽命。涂灰完成后要對(duì)涂灰情況進(jìn)行抽檢，抽檢比例不低于5%，以觀察不到濾袋原外表面、積灰厚度為2 ～3mm 為涂灰效果良好的標(biāo)準(zhǔn)[3]。

3.2 脫硫工藝

煙氣中的酸性氣體包括SO2、HCl、HF 等，脫酸常用石灰石-石膏法和鈉法，鈉法產(chǎn)生的脫酸廢水量大，且離子濃度較高，對(duì)采用生化法的廢水處理環(huán)節(jié)中使用的微生物影響較大，影響出水水質(zhì)。因此，脫酸推薦采用石灰石-石膏法工藝。

SO2通過石灰石漿液的吸收在吸收塔內(nèi)進(jìn)行脫硫氧化反應(yīng)，最終生成石膏排出，其他的SO3、HCl 和HF 也被完全去除，脫硫效率≥99.2%。石灰石-石膏法僅設(shè)一座吸收塔即可滿足脫硫效率要求，節(jié)省投資，減少占地，運(yùn)行成本較其他工藝低。

3.2.1 石灰石-石膏法脫硫原理

吸收塔自下而上分為三個(gè)主要的功能區(qū)：氧化結(jié)晶區(qū)用于石灰溶解及亞硫酸鈣的氧化，吸收區(qū)用于吸收煙氣中的酸性污染物及飛灰等物質(zhì)，除塵除霧裝置區(qū)通過除塵除霧裝置及其沖洗水裝置去除霧滴。

（1）SO2與漿液中CaCO3發(fā)生反應(yīng)，生成亞硫酸鈣：

（2）氧和亞硫酸氫根反應(yīng)，部分亞硫酸鈣轉(zhuǎn)化成石膏：

（3）吸收塔漿池中剩余的亞硫酸鈣通過由氧化風(fēng)機(jī)鼓入的空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，生成硫酸鈣：

（4）SO3、HCl 和HF 與CaCO3反應(yīng)生成石膏和CaCl2、CaF2：

3.2.2 工藝要點(diǎn)

脫硫塔前設(shè)置煙氣換熱器（GGH），將原煙氣和凈煙氣換熱，設(shè)計(jì)原煙氣溫度由180 ℃降至130 ℃，凈煙氣溫度由55 ℃升至105 ℃，可減少脫硫塔內(nèi)蒸發(fā)量，維持塔內(nèi)水平衡，另外可降低脫硝煙氣升溫的天然氣耗量，降低運(yùn)營成本。通常GGH 選用2205 不銹鋼材質(zhì)，防止煙氣中的酸性物質(zhì)引起腐蝕；發(fā)生腐蝕后，原煙氣會(huì)泄露至凈煙氣中，造成SO2超標(biāo)。此環(huán)節(jié)為污泥熱解氣化焚燒煙氣脫硫技術(shù)的關(guān)鍵。

（1）煙氣中含有部分SO3，含SO3的煙氣溫度在達(dá)到露點(diǎn)時(shí)，會(huì)凝結(jié)生成液體硫酸，對(duì)設(shè)備及管道的腐蝕性強(qiáng)[3]。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，煙氣中SO3含量為SO2的0.5%～2.0%，運(yùn)行時(shí)要嚴(yán)格控制原煙氣的溫度，運(yùn)行溫度要遠(yuǎn)離煙氣酸漏點(diǎn)，避免煙道和換熱器腐蝕泄露。

（2）污泥脫水時(shí)加入FeCl3進(jìn)行泥質(zhì)調(diào)理，污泥焚燒過程中90%氯元素轉(zhuǎn)移到煙氣中，煙氣中的HCl一部分被飛灰吸附，一部分沿途凝結(jié)[4]。2205 不銹鋼材質(zhì)對(duì)H2SO4有很強(qiáng)的耐蝕性能，但2205 不銹鋼材質(zhì)對(duì)HCl 的抗腐蝕性能較差[5]。試驗(yàn)證明，2205 不銹鋼在10%的H2SO4溶液中浸泡時(shí)，沒有發(fā)生任何腐蝕，但在10%的HCl 溶液中浸泡時(shí)，腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。因此，污泥熱解氣化可燃?xì)夥贌^程中產(chǎn)生的HCl 含量較高，在GGH 材質(zhì)選擇時(shí)應(yīng)充分考慮HCl 腐蝕，應(yīng)選用聚四氟乙烯煙氣換熱器（PTFE-GGH）。

3.3 脫硝工藝

污泥熱解氣化可燃?xì)夥贌裏煔饷撓醪捎肧NCR+SCR 工藝，出口NOx濃度≤150 mg/Nm3。

3.3.1 SNCR+SCR 工藝脫硝原理

（1）SNCR 主要在850 ～1 050 ℃環(huán)境下，氨水溶液經(jīng)過空氣霧化后，以霧狀噴入余熱鍋爐內(nèi)，與煙氣中的NOx發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而達(dá)到脫硝目的。SNCR脫硝效率約為50%，NOx濃度降低至750 mg/Nm3，原理如下：

（2）未完全脫除NOx的煙氣進(jìn)入SCR 脫硝系統(tǒng)，氨水經(jīng)氨水蒸發(fā)器通過噴氨格柵噴入煙道，在催化劑的作用下，與NOx進(jìn)一步反應(yīng)，從而達(dá)到進(jìn)一步脫硝的效果。SCR 脫硝效率約為80%，出口NOx濃度降低至150 mg/Nm3，保證出口達(dá)到高脫硝效率。反應(yīng)原理如下：

3.3.2 工藝要點(diǎn)

SCR 反應(yīng)的最佳溫度為200 ～450 ℃，由于脫硝系統(tǒng)布置于脫硫系統(tǒng)之后，脫硫出口煙氣經(jīng)換熱后溫度約為105 ℃，因此脫硝系統(tǒng)需設(shè)置煙氣GGH 換熱器，利用脫硝出口煙氣熱量將脫硝入口煙溫提高至175 ℃，同時(shí)脫硝出口煙溫由220 ℃降低至150 ℃左右。煙氣再通過補(bǔ)燃加熱達(dá)到220 ℃的脫硝煙溫，補(bǔ)燃采用天然氣作為燃料。此處設(shè)置煙氣GGH 換熱器可最大程度利用系統(tǒng)中的熱量，做到熱量回收，降低外部輸入熱量。脫硝煙氣GGH 因已去除煙氣中的腐蝕性氣體，可采用2205不銹鋼或ND鋼材質(zhì)的換熱器，提高換熱效率。

由于排放標(biāo)準(zhǔn)較高，采用SNCR+SCR 工藝可以保證NOx達(dá)標(biāo)排放，確保生產(chǎn)穩(wěn)定。

4 結(jié)語

（1）污泥熱解氣化可燃?xì)夥贌裏煔庵卸趸颉⒌趸锖枯^高，排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行生物質(zhì)鍋爐相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，屬超低排放，推薦采用SNCR（氨水）+活性炭噴射+布袋除塵（含飛灰螯合）+脫硫板式換熱器（GGH）+濕法脫硫（鈣法）+脫硝板式換熱器（GGH）+煙氣補(bǔ)燃升溫+SCR（氨水）+引風(fēng)機(jī)+煙囪排放工藝，顆粒物去除效率≥98%，氮氧化物去除效率≥90%，二氧化硫去除效率≥99.2%，重金屬、二噁英完全滿足排放要求。

（2）由于污泥中氯元素含量較高，污泥經(jīng)熱解氣化后90%氯元素轉(zhuǎn)化到煙氣中，對(duì)碳鋼、2205 不銹鋼等金屬材質(zhì)腐蝕性較大。在設(shè)計(jì)時(shí)，要避免煙氣出現(xiàn)流體死區(qū)；在安裝時(shí)，要合理選擇保溫材料、確定保溫厚度；在工藝運(yùn)行時(shí)，要控制煙氣溫度，遠(yuǎn)離酸露點(diǎn)，留有一定余量；脫硫前的煙氣換熱器采用聚四氟乙烯煙氣換熱器（PTFE-GGH）。

（3）在污泥熱解氣化可燃?xì)夥贌裏煔馓幚砉に囋O(shè)計(jì)時(shí)，在脫硫、脫硝系統(tǒng)中應(yīng)充分考慮系統(tǒng)內(nèi)能量回收，降低外部輸入能量耗量，從而降低污泥處置的運(yùn)行成本。