摘要：隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速穩(wěn)定發(fā)展，我國城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模日益擴(kuò)大，污泥產(chǎn)生量也相應(yīng)增加，預(yù)計到2025年，我國污泥年產(chǎn)生量將突破1億t。污泥熱解氣化技術(shù)是傳統(tǒng)焚燒技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，能較好地解決污泥處置難題，真正實(shí)現(xiàn)污泥處置的減量化、穩(wěn)定化、無害化與資源化。本文結(jié)合污泥熱解氣化技術(shù)的工程性應(yīng)用案例，分析其煙氣處理存在的問題，并探索適用于污泥熱解氣化的煙氣除塵工藝。

關(guān)鍵詞：污泥；熱解氣化；煙氣；除塵

中圖分類號：X701 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）02-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.02.043

Application Study on the Flue Gas Dust Removal Process in the Field of Sludge Pyrolysis Gasification

WEN Jiong1， LU Shengnan1， LI Mingfeng2， LIU Yingxu2

（1. Zhengzhou Gewo Environmental Protection Development Co.， Ltd.;"2. Zhengzhou Sewage Purification Co.， Ltd.， Zhengzhou 450049， China）

Abstract： With the sustained， rapid and stable development of the economy， the scale of urban sewage treatment in China is expanding day by day， and the sludge production is also increasing accordingly， it is estimated that the annual sludge production in China will exceed 100 million tons by 2025. Sludge pyrolysis gasification technology is an innovative application of traditional incineration technology， which can better solve the problem of sludge disposal， and truly realize the reduction， stabilization， harmless and resource utilization of sludge disposal. Combined with the engineering application case of sludge pyrolysis gasification technology， this paper analyzes the existing problems of its flue gas treatment， and explores the flue gas dust removal process applicable to sludge pyrolysis gasification.

Keywords： sludge; pyrolysis gasification; flue gas; dust removal

隨著我國城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，污水處理廠數(shù)量和規(guī)模不斷增長，污水處理副產(chǎn)物污泥產(chǎn)生量也隨之增加。預(yù)計到2025年，我國污泥年產(chǎn)生量將突破1億t，若處置不當(dāng)，將對環(huán)境造成二次污染[1-2]。因此，如何將產(chǎn)生量大、成分復(fù)雜的污泥進(jìn)行合理處置，使其實(shí)現(xiàn)減量化、穩(wěn)定化、無害化與資源化，已成為我國社會各界關(guān)注的新環(huán)境問題[3]。

污泥熱解氣化技術(shù)是傳統(tǒng)煤氣化技術(shù)在市政領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，作為一種綠色的焚燒技術(shù)，它可最終實(shí)現(xiàn)污泥處置的減量化、穩(wěn)定化、無害化與資源化，將成為未來發(fā)展的一種趨勢。污泥氣化的熱解氣在燃燒過程中會產(chǎn)生氮氧化物（NOx）、二氧化硫、氯氣、氯化氫等成分復(fù)雜的氣體，若此類氣體直接排放，勢必會對周邊環(huán)境造成影響。為避免環(huán)境事故的發(fā)生，必須對煙氣進(jìn)行凈化處理，以實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。目前，污泥熱解氣化技術(shù)仍處于推廣階段，配套于氣化后的煙氣處理工藝尚未見工程化應(yīng)用案例，隨著國家對煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)控，找到一條高效、經(jīng)濟(jì)、適用的煙氣處理工藝是目前亟待解決的問題。本文依托鄭州市某污水處理廠運(yùn)營的國內(nèi)首例處理規(guī)模100 t/d的污泥熱解氣化項目，分析煙氣處理過程出現(xiàn)的問題，選取適用于污泥熱解氣化的煙氣處理工藝。

1 污泥熱解氣化技術(shù)中煙氣處理存在的問題

污泥熱解氣化技術(shù)是指在1 100 ℃的高溫下，污泥中的有機(jī)組分與氣化劑發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，生成可燃?xì)夂蜖t渣。本工程中污泥氣化后生成的可燃?xì)庠跓犸L(fēng)爐中燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?，煙氣?jīng)過空預(yù)器間接換熱，溫度降到400 ℃，再進(jìn)入脫硝塔進(jìn)行選擇性催化還原（SCR）脫硝處理，最后經(jīng)濕法脫硫?qū)崿F(xiàn)煙氣的達(dá)標(biāo)排放，具體流程如圖1所示。

SCR脫硝技術(shù)是工程運(yùn)行中較為成熟的煙氣處理工藝，其原理是在催化劑的作用下，還原劑與煙氣中的NOx發(fā)生反應(yīng)生成氮?dú)夂退?，從而達(dá)到去除NOx的目的[3]。但在污泥熱解氣化技術(shù)中，基于污泥特性和技術(shù)本身的特點(diǎn)，SCR脫硝裝置運(yùn)行過程中，煙氣攜帶的灰塵會造成催化劑堵塞、中毒等問題，這是目前困擾污泥熱解氣化技術(shù)煙氣處理的關(guān)鍵。

1.1 SCR催化劑堵塞問題分析

催化劑是SCR脫硝技術(shù)的核心組成部分，對整個SCR系統(tǒng)作用較大。本項目中，SCR脫硝裝置的脫硝塔設(shè)置為3層，每層設(shè)置一塊釩鎢鈦金屬催化劑，催化劑的體積為2 m3，表面為25孔蜂窩陶瓷結(jié)構(gòu)，布置在380～420 ℃的高溫?zé)煹乐校瑹煔庾陨隙峦ㄟ^第一層、第二層、第三層布有催化劑的管道。長時間監(jiān)測表明，正常生產(chǎn)工況下SCR脫硝裝置運(yùn)行兩周時間，第一層、第二層催化劑表面均會出現(xiàn)積灰堵塞現(xiàn)象，而催化劑的蜂窩孔結(jié)構(gòu)基本完全堵塞，且催化劑出現(xiàn)部分磨損，其現(xiàn)場堵塞情況如圖2所示。

綜合生產(chǎn)分析可得，高溫?zé)煔饨?jīng)過第一層催化劑時，經(jīng)熱風(fēng)爐燃燒后的煙氣中，飛灰具有靜電吸附性和飛絮狀結(jié)構(gòu)，吸附性較強(qiáng)，質(zhì)地較輕，使得催化劑的蜂窩孔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部堵塞現(xiàn)象。同時，隨著煙氣逐步向未堵塞區(qū)域流動和擴(kuò)散，堵塞區(qū)域的煙氣流速會減低，從而導(dǎo)致堵塞現(xiàn)象加劇，進(jìn)而形成惡性循環(huán)。第一層催化劑出現(xiàn)堵塞后，進(jìn)入第二層催化劑表面的煙氣流速變小，穿透第一層催化劑的飛灰在第二層流速較低位置繼續(xù)沉積，通流面積逐漸減小，致使其在第二層催化劑表面沉積，導(dǎo)致第二層催化劑堵塞。在整個污泥熱解氣化系統(tǒng)中，高溫引風(fēng)機(jī)頻率與熱風(fēng)爐負(fù)壓連鎖，為保證熱風(fēng)爐負(fù)壓穩(wěn)定，后端的引風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率會自動提升，煙氣流速隨之加快，造成催化劑堵塞加重和磨損加劇。

1.2 SCR催化劑中毒及應(yīng)用情況分析

本項目在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)SCR脫硝效率降低，因而試驗(yàn)開展了對SCR催化劑的檢測。元素分析表明，在催化劑表面，As元素存在很高含量的富集，其中As2O3含量達(dá)到1.10%，這說明催化劑的失活可能是由于砷元素化學(xué)中毒造成的。催化劑中毒失活將會對SCR系統(tǒng)的正常運(yùn)行和下游設(shè)備的運(yùn)行安全帶來不利影響，同時大大增加SCR系統(tǒng)負(fù)擔(dān)[4]。

結(jié)合生產(chǎn)應(yīng)用情況，經(jīng)分析，SCR催化劑中毒主要是由煙氣攜帶塵中的砷造成的。結(jié)合原材料污泥分析，污泥含有的砷成分主要以硫化砷或硫砷鐵礦（FeS2·FeAs2）的形式存在，污泥在氣化爐爐膛內(nèi)燃燒的過程中，砷及其化合物以不同化學(xué)形態(tài)發(fā)生遷移進(jìn)入煙氣中。隨著流動煙氣的溫度逐漸降低，在SCR脫硝反應(yīng)器入口，砷以As2O3的蒸氣形式存在于煙氣中。由于飛灰具有較強(qiáng)的吸附能力，部分砷及砷化物蒸氣會被飛灰捕獲而存在于飛灰中。煙氣和飛灰攜帶著As2O3擴(kuò)散到催化劑表面，堆積在催化劑小孔中，在有氧環(huán)境下被氧化為As2O5，在此過程中，催化劑的活性位點(diǎn)被占據(jù)，造成催化劑活性下降。同時，由于As2O3擴(kuò)散進(jìn)入催化劑中，并固化在活性和非活性區(qū)域，反應(yīng)氣體在催化劑內(nèi)的擴(kuò)散受到限制，毛細(xì)管遭到破壞，形成砷的飽和層。砷的飽和層幾乎沒有活性，會阻擋反應(yīng)物擴(kuò)散到催化劑內(nèi)部，從而導(dǎo)致催化劑表面活性被砷破壞，出現(xiàn)砷中毒[5]。

砷中毒后的催化劑氧化性能大幅提高，其在溫度區(qū)間內(nèi)向低溫段移動，在催化劑活性溫度范圍內(nèi)，更多NH3及SO2被氧化，造成NOx濃度及SO2的轉(zhuǎn)化率升高。由于反應(yīng)中的NH3被消耗，氨氮摩爾比變小，導(dǎo)致脫硝率降低。為了確保出口NOx達(dá)標(biāo)，維持既定的脫硝效率，勢必要加大脫硝系統(tǒng)的噴氨量，進(jìn)而導(dǎo)致氨逃逸濃度升高。而SO2的轉(zhuǎn)化率增加，會增加硫酸氫銨（ABS）的生成量，ABS具有黏度高、腐蝕性強(qiáng)等特性，繼而形成惡性循環(huán)，造成催化劑堵塞和腐蝕，影響脫硝系統(tǒng)及下游設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行，同時也會增加系統(tǒng)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)生產(chǎn)風(fēng)險。

2 污泥熱解氣化技術(shù)的煙氣除塵工程試驗(yàn)

煙氣處理過程中，SCR脫硝裝置會出現(xiàn)問題。為了保證煙氣處理系統(tǒng)能夠長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，同時減少煙氣中As及其化合物對SCR催化劑的損害，延長其使用壽命，延緩氣化爐后端設(shè)備的堵塞周期，現(xiàn)開展煙氣除塵工程試驗(yàn)研究，旨在尋找適用于污泥熱解氣化的高效煙氣除塵工藝。常用的煙氣除塵設(shè)備有旋風(fēng)除塵器、靜電除塵器及布袋除塵器等。旋風(fēng)除塵器一般用于捕集5～15 μm的顆粒，除塵效率可超過80%，但是捕集粒徑小于5 μm的微粒時，效率不高。靜電除塵器利用靜電使粉塵分離，凈化效率高，能夠鋪集粒徑0.01 μm以上的細(xì)粒粉塵，但一次投資較大，占地面積較大。布袋除塵器通過濾袋將煙塵有效捕集去除，捕獲的粉塵微粒粒徑可達(dá)0.1 μm，凈化效率可大于99%[6]。

污泥熱解氣化與垃圾焚燒、污泥焚燒、煤氣化等技術(shù)的原料成分與燃燒工藝不同，直接導(dǎo)致煙氣中塵的成分有很大差異[7-8]?；诖?，首先開展污泥熱解氣化后的塵的理化性質(zhì)研究。試驗(yàn)分5次在不同時間段于SCR脫硝工藝前段的鍋爐出口相同位置處取塵樣，對其性質(zhì)進(jìn)行檢測分析，其5次檢驗(yàn)的粒徑分布、堆密度、荷電性、灰熔融點(diǎn)及主要組分如表1、表2所示。塵樣粒徑分為體積均徑、面積均徑和長度均徑。除了主要組分，塵樣的微量元素有As、Bi、Mg、P、S、Sn、Zn、Pb等。污泥熱解氣化產(chǎn)生的塵樣具有特殊性，下面有針對性地開展煙氣除塵工藝研究，主要包括金屬濾袋除塵試驗(yàn)、陶瓷濾芯除塵試驗(yàn)和布袋除塵試驗(yàn)。

2.1 金屬濾袋除塵試驗(yàn)

在SCR脫硝塔前端開展金屬濾袋除塵試驗(yàn)，試驗(yàn)共進(jìn)行3組。其中，金屬濾袋濾芯的規(guī)格為直徑130 mm、長度1 000 mm，單支過濾面積為0.4 m2，孔徑為15 μm。運(yùn)行溫度為350 ℃，運(yùn)行壓力為2.0 kPa，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為150 m3/h時，試驗(yàn)方案1金屬濾袋使用70 h時出現(xiàn)局部腐蝕現(xiàn)象；試驗(yàn)方案2將方案1的試驗(yàn)裝置進(jìn)行調(diào)整，加裝壓縮空氣反吹管路，風(fēng)機(jī)風(fēng)量提升到200 m3/h，金屬濾袋運(yùn)行70 h時同樣出現(xiàn)不同程度的腐蝕現(xiàn)象；試驗(yàn)方案3對金屬濾袋出口進(jìn)行高溫密封，風(fēng)量為200 m3/h時，金屬濾袋運(yùn)行70 h時同樣出現(xiàn)銹蝕。

對3次試驗(yàn)運(yùn)行后的金屬濾袋進(jìn)行檢驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)金屬濾袋上附著的塵中含有大量的Cl-和SO3，其含量分別高達(dá)10.77%和8.94%。在試驗(yàn)開展過程中，SO3在180 ℃溫度下會出現(xiàn)結(jié)露，給金屬濾袋帶來酸腐蝕。

2.2 陶瓷濾芯除塵試驗(yàn)

在上述同樣的條件下開展陶瓷濾芯試驗(yàn)，試驗(yàn)共進(jìn)行2組，每組做兩個平行試驗(yàn)。陶瓷濾芯規(guī)格為直徑150 mm、長度2 000 mm，單支過濾面積為0.93 m2。試驗(yàn)控制條件為運(yùn)行溫度300～350 ℃，運(yùn)行時間50 h，風(fēng)機(jī)風(fēng)量200 m3/h，運(yùn)行壓力0.9～2.0 kPa。試驗(yàn)方案1采用普通陶瓷濾芯，在規(guī)定的條件下運(yùn)行，表現(xiàn)為濾芯完好、無變形，但壓縮空氣在線反吹效果不理想，只能呈現(xiàn)點(diǎn)狀吹落。試驗(yàn)方案2采用添加脫硝催化劑的新型陶瓷濾芯，表現(xiàn)為除塵效率高，但由于陶瓷濾芯較厚，采用壓縮空氣在線反吹基本無效果。

上述兩組試驗(yàn)和生產(chǎn)運(yùn)行情況表明，陶瓷濾芯具有抗腐蝕性、抗酸性，但由于材質(zhì)本身的強(qiáng)度及穩(wěn)定性不足，運(yùn)行過程中濾芯會發(fā)生偏移，壓縮空氣在線反吹時間長時會形成風(fēng)洞；由于檢測設(shè)備的受限，暫不能確定除塵前后塵含量，無法驗(yàn)證其除塵效率；試驗(yàn)裝置的設(shè)置對材質(zhì)的腐蝕性驗(yàn)證比較有限，除塵效率、反吹效率只能做出定性判斷，無法做定量分析；壓縮空氣反吹的同時濾袋也在過濾煙氣，其反吹效果無法反映工業(yè)化實(shí)際運(yùn)行情況。

2.3 布袋除塵試驗(yàn)

根據(jù)塵的特性，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和精確性，按照《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》（GB/T 16157—1996）對顆粒物采樣方法的要求，在除塵試驗(yàn)開始前增加檢測進(jìn)口塵堵塞濾杯的試驗(yàn)。具體操作為在總管道上每間隔10 min進(jìn)行1次采樣，共采樣6次。通過對濾杯進(jìn)行烘干稱重，計算煙氣的粉塵濃度。根據(jù)不同采樣時間點(diǎn)得到的粉塵濃度進(jìn)行分析，其對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

采樣時間為20 min時，進(jìn)口塵濃度最大，20 min后呈現(xiàn)降低趨勢，說明采樣時間為20 min時濾杯上的粉塵濃度達(dá)到最大值。因此，后續(xù)試驗(yàn)進(jìn)口粉塵采樣時間定為20 min。

布袋除塵試驗(yàn)分為不停氣噴吹灰（不關(guān)停風(fēng)機(jī)）和停氣噴吹灰（關(guān)停風(fēng)機(jī)）兩種，每種分別在吹灰周期為10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min、120 min的條件下進(jìn)行7組試驗(yàn)。不停氣噴吹灰的條件下，以連續(xù)運(yùn)行不停機(jī)的方式進(jìn)行。通過數(shù)據(jù)采樣分析，其不同吹灰周期下，吹灰前后變化無明顯差異，設(shè)備除塵效率降低，結(jié)合實(shí)況分析，這可能是因?yàn)閴m具有密度低，粘連性高的特性，在噴出的瞬間形成濾餅的塵被吹散懸浮在腔室，在設(shè)備腔室形成普遍的搭橋現(xiàn)象，吹灰后灰餅被煙氣再次帶動附著在布袋上，在附著的過程中，由于濾餅變薄，塵的透過率增大，導(dǎo)致設(shè)備除塵效果下降。在上述同樣的條件下，更換吹灰方式，采用停氣噴吹灰的運(yùn)行方式，在設(shè)計煙氣量和設(shè)計壓力下，除塵器能夠?qū)崿F(xiàn)長期穩(wěn)定運(yùn)行，除塵吹灰效果佳。

3 結(jié)論

污泥熱解氣化是新一代的污泥處置技術(shù)，隨著國家對煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，其后端工藝的煙氣凈化面臨新的挑戰(zhàn)。本文分析污泥熱解氣化技術(shù)中煙氣處理存在的問題，并積極探索適用于污泥熱解氣化的煙氣除塵工藝。為保證污泥熱解氣化技術(shù)的推廣應(yīng)用，未來勢必要加大對煙氣除塵工藝的研究，以提高污泥熱解氣化的煙氣處理效率。

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