隨著我國城鎮(zhèn)化率不斷提高，城市生活污水量與日俱增，污泥產(chǎn)量也快速上升。當前，針對城市污水污泥的處理方法主要包括衛(wèi)生填埋、生化轉(zhuǎn)化（厭氧消化、好氧發(fā)酵）和焚燒（獨立焚燒、協(xié)同焚燒）等。其中，衛(wèi)生填埋受制于土地資源的有限性，并存在污染土壤和地下水的隱患，會逐步減少應(yīng)用。生化轉(zhuǎn)化方法存在設(shè)備投資高、占地面積大、反應(yīng)時間長等缺陷。污泥焚燒工藝近年來發(fā)展迅速，是比較適合我國國情的污泥處置方式之一。其中，污泥獨立焚燒系統(tǒng)占地面積小、可就地處理，但由于污泥熱值很低，需要額外增加大量助燃燃料，燃燒過程會產(chǎn)生較多煙氣污染物。污泥協(xié)同焚燒是指將熱值較低的污泥和生物質(zhì)、垃圾、煤炭等熱值較高的物質(zhì)一起燃燒，其對助燃燃料的消耗和產(chǎn)生的煙氣污染物比獨立焚燒少，但是受地域限制，難以直接就地處理。作為傳統(tǒng)焚燒工藝的升級，污泥熱解氣化技術(shù)是未來污泥處置的重要發(fā)展方向。污泥熱解氣化既具有污泥焚燒徹底減量化的突出優(yōu)勢，又具有NOx、SOx和重金屬等遠低于焚燒污染物排放的特點，被認為是第三代固廢處理處置清潔燃燒技術(shù)。

以湖北省鐘祥市的污泥處置項目為例，全面介紹了項目概況、工藝特點和運行效果。該項目采用雙流閃蒸干化耦合流化床熱解氣化工藝，將旋風閃蒸干燥技術(shù)與流化床氣化燃燒技術(shù)有機結(jié)合，形成一個封閉的污泥閃蒸干化耦合熱解氣化系統(tǒng)，實現(xiàn)全流程封閉生產(chǎn)，極大提高了污泥熱法處理效率，降低了運行成本和投資費用。在旋風干燥技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合流化床、噴動床原理開發(fā)了污泥氣流流化裝置，實現(xiàn)高含濕污泥流態(tài)化和霧化，將閃蒸干燥和旋風干燥有機結(jié)合形成高低溫都適用的污泥干燥技術(shù)。對該項目近5年的穩(wěn)定運行情況進行總結(jié)，可為城市污水污泥的高效處置和資源化利用提供新思路、新技術(shù)和示范案例。

1、項目概況

鐘祥市城市污水處理廠污泥處置項目位于南湖經(jīng)濟開發(fā)區(qū)第一污水處理廠，生產(chǎn)區(qū)占地約2000m2，主要負責處置鐘祥市第一污水處理廠、第二污水處理廠以及12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠產(chǎn)生的污泥。該項目于2017年10月開工建設(shè)，2018年11月建成投產(chǎn)，至今已穩(wěn)定運行5年。該項目設(shè)置了生物質(zhì)和濕污泥進料收儲系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、熱解氣化系統(tǒng)、灰渣系統(tǒng)、尾氣凈化和除臭系統(tǒng)、給排水消防、暖通、電氣控制系統(tǒng)及檢修、辦公等附屬設(shè)施，處置含水率為80%的污泥120t/d，經(jīng)干燥后污泥含水率約30%，經(jīng)氣化爐及二次燃燒后可實現(xiàn)污泥減量約90%以上，灰渣量約10t/d。處理后的尾氣可以達到《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB18485—2014）。污泥熱解氣化后的灰渣滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置制磚用泥質(zhì)》（GB/T25031—2010）要求，可作為制磚原材料，實現(xiàn)灰渣的最終消納處置。

2、工藝流程及特點

2.1 工藝流程

污泥閃蒸干化耦合流化床熱解氣化的工藝流程見圖1。

污水處理廠車載運來的含水率80%的污泥經(jīng)過地磅計量后卸入地下接料倉，用螺桿泵送入干燥機進料倉，再經(jīng)進料倉喂料螺旋均勻給料至雙流閃蒸干燥機，干化后的污泥含水率由80%降至30%以下。雙流閃蒸干燥機由底部旋風流化器和上部旋風干燥塔體組成。旋風流化器為污泥霧化裝置，污泥由螺旋輸送機送入旋風流化器中心筒，被流化風機切向進入的高速氣體旋流霧化后帶入上部旋風干燥塔內(nèi)；氣化系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫熱煙氣在旋風干燥塔與霧化污泥接觸進行傳熱傳質(zhì)，在3~6s內(nèi)水分被快速蒸發(fā)，干燥煙氣向上夾帶干污泥進入旋風除塵器和布袋除塵器進行泥氣分離。

干燥后干污泥被煙氣夾帶至旋風除塵器、布袋除塵器攔截收集后，經(jīng)刮板輸送機送入干污泥倉，經(jīng)倉底螺旋輸送機送入內(nèi)回旋式流化床進行氣化，在流化床內(nèi)于700~800℃還原性氛圍下發(fā)生熱解、氣化等反應(yīng)，污泥的有機質(zhì)被轉(zhuǎn)化為H2、CO、CH4等可燃性氣體，經(jīng)旋風分離后可燃氣進入二燃室燃燒，產(chǎn)生的高溫熱煙氣進入干燥機進行濕污泥干燥，從而充分利用污泥有機質(zhì)轉(zhuǎn)化的熱能。當污泥氣化燃燒后產(chǎn)生的熱量無法滿足污泥干燥需求時，采用生物質(zhì)作為輔助燃料。氣化爐產(chǎn)生灰渣經(jīng)冷卻降溫后送入灰渣倉內(nèi)暫存，定期外運至制磚廠、水泥廠等單位作為原料。

污泥干化過程產(chǎn)生的蒸汽、尾氣通過旋風分離器和布袋除塵器分離干污泥后，經(jīng)冷凝器冷卻，再進入直接式噴淋塔，噴淋塔循環(huán)水定期排入污水管網(wǎng)。不凝氣體（主要是一些惡臭氣體）和污泥貯存產(chǎn)生的臭氣收集后，經(jīng)過生物除臭達標排放。熱解氣化固渣可用于土壤改良和建材利用。

2.2 物料和能量平衡

該項目污泥干化補充熱量來源于生物質(zhì)成型燃料，經(jīng)過分析污泥有機質(zhì)含量約40%~60%，熱值為3350~8372kJ/kg，設(shè)計采用污泥干基熱值約5800kJ/kg；生物質(zhì)成型燃料主要原材料為稻殼、秸稈、木屑等，為壓實柱狀，易破碎。破碎后物料含水率為10%以內(nèi)，具有較高熱值（干基低位發(fā)熱量約14650kJ/kg）。設(shè)計采用稻殼生物質(zhì)成型燃料作為補充能源，經(jīng)計算需補充量為濕污泥量的10.0%~12.5%。經(jīng)能量核算，單獨處置干燥1t含水率為80%的污泥，需消耗熱量2377982×104kJ（已計算干燥機效率、排煙損失、灰渣熱、機械不完全燃燒損失和系統(tǒng)散熱損失），污泥干燥后自身可提供845542×104kJ熱量，需額外補充有效熱量1532440×104kJ，即補充生物質(zhì)125kg，占單位濕污泥量的12.5%，生物質(zhì)有效利用熱量占76.5%（已計算排煙損失、灰渣熱、機械不完全燃燒損失和系統(tǒng)散熱損失）。污泥和生物質(zhì)協(xié)同氣化焚燒系統(tǒng)灰渣熱損失、機械不完全燃燒損失和散熱損失約10%。最終處置產(chǎn)生灰渣為10~12t/d，可用作園林綠化基質(zhì)或建材原料。系統(tǒng)物料和能量平衡見圖2。

2.3 工藝優(yōu)勢

污泥閃蒸干化耦合流化床熱解氣化技術(shù)將閃蒸干燥、氣化焚燒兩個獨立的系統(tǒng)進行有機結(jié)合，形成獨具特色的污泥處理工藝，實現(xiàn)了污泥自身能量的循環(huán)利用，氣化后灰渣可作建材原料。該工藝選址靈活，是一種先進的污泥處置技術(shù)。

污泥閃蒸干化耦合流化床熱解氣化新技術(shù)的工藝先進性及優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面：

①將旋風閃蒸干燥技術(shù)與流化床氣化燃燒技術(shù)有機結(jié)合，形成一個封閉的污泥閃蒸干化耦合流化床熱解氣化系統(tǒng)，進而實現(xiàn)全流程封閉生產(chǎn)，提高污泥處理效率，降低運行成本和投資費用。

②開發(fā)了流化床污泥與生物質(zhì)協(xié)同氣化技術(shù)，并結(jié)合旋風爐對生物質(zhì)燃氣進行二次燃燒，釋放污泥和生物質(zhì)熱能。流化床氣化效率高、靈活性強、能源利用率高；熱力系統(tǒng)為負壓燃燒，安全性好；采用內(nèi)循環(huán)流化床技術(shù)氣化強度高，熱效率高達85%以上，灰渣含碳量低于5%。

③在旋風干燥技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合流化床、噴動床原理開發(fā)污泥氣流流化裝置，實現(xiàn)高含濕污泥流態(tài)化和霧化，將閃蒸干燥和旋風干燥有機結(jié)合形成高低溫都能適用的污泥干燥技術(shù)。采用氣流霧化技術(shù)大大提高了污泥熱交換表面積，干燥段熱效率高達95%以上；閃蒸換熱避免了污泥干燥過程中黏滯性導致設(shè)備換熱效率低的問題；設(shè)備自帶污泥干化含水率調(diào)節(jié)措施，大大提高了干燥污泥粒徑分布的均勻性和干污泥含水率的可調(diào)性。

3、運行效果分析

3.1 污泥特性

該項目進泥含水率為80%~83%，低位發(fā)熱量為6500kJ/kg。污泥特性見表1。

3.2 污泥干化

干化系統(tǒng)由閃蒸干燥機、流化風機、布袋除塵器、干燥引風機、干污泥螺旋輸送機等設(shè)備組成。閃蒸干燥機出口溫度隨時間的變化情況見圖3。

可見，含水率80%的濕污泥進入閃蒸干燥機后，污泥干化過程非常平穩(wěn)，干燥機出口溫度隨時間波動性小，可連續(xù)平穩(wěn)地實現(xiàn)濕污泥干燥。

3.3 流化床氣化

污泥從閃蒸干燥機排出經(jīng)布袋分離后，由螺旋輸送機、刮板輸送機、干污泥倉進入流化床氣化爐。由于污泥熱值低，需添加生物質(zhì)成型燃料作為輔助燃料，生物質(zhì)熱值約14650kJ/kg。流化床氣化爐內(nèi)溫度隨時間的變化見圖4。可見，在干污泥熱解氣化過程中流化床運行穩(wěn)定，反應(yīng)區(qū)溫度維持在700~750℃，床內(nèi)溫度場分布均勻。

3.4 灰渣成分檢測

污泥氣化灰渣從旋風分離器排出，灰渣中的重金屬等成分檢測數(shù)據(jù)見表2。灰渣中的重金屬及其他有害物質(zhì)的含量均低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置制磚用泥質(zhì)》（GB/T25031—2010）的標準限值，能夠作為制磚原料實現(xiàn)污泥灰渣的資源化利用。

3.5 煙氣污染物排放

污泥熱解氣化后的煙氣經(jīng)1套布袋除塵器-噴淋洗滌裝置-生物除臭裝置-活性炭裝置處理后，通過排氣筒（高度為21m）排放至大氣。廢氣排放口的尾氣檢測結(jié)果見表3�？梢�，處理尾氣滿足《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB18485—2014）生活垃圾焚燒爐排放煙氣中的污染物限值以及生活污水處理設(shè)施產(chǎn)生的污泥、一般工業(yè)固體廢物專用焚燒爐排放煙氣中二口惡英的標準限值。

3.6 運行成本分析

該項目直接運行費用包括生物質(zhì)成型燃料、水、電、人工、藥劑等，其中生物質(zhì)占比高達50%以上。生物質(zhì)添加量約為120~130kg/t濕污泥（含水率80%），受污泥有機質(zhì)含量、含水率、熱值的影響較大。采用農(nóng)林廢棄物制成的生物質(zhì)成型燃料售價約800元/t，污泥處置生物質(zhì)燃料費用約80~96元/t；電耗約60kW·h/t濕污泥，電價為0.75元（/kW·h），污泥處置電費約45元/t。該項目位于污水處理廠區(qū)內(nèi)，設(shè)備冷卻及洗滌用水采用中水，水費不計；總直接運行費用為180~200元/t，可見經(jīng)濟優(yōu)勢顯著。

4、結(jié)語

污泥閃蒸干化耦合流化床熱解氣化技術(shù)既具有污泥焚燒工藝最大程度減量化、無害化的特點，又能較大程度地減少污染物的排放，克服傳統(tǒng)焚燒工藝尾氣處理復雜的問題，還可以靈活選址、就地處理。該工藝在鐘祥市城市污水處理廠污泥處置項目中連續(xù)平穩(wěn)運行5年，證明其可行性和經(jīng)濟性，為解決我國污泥清潔高效處置提供了一條新途徑。（來源：中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司，湖北加德科技股份公司，華中科技大學能源與動力工程學院煤燃燒與低碳利用全國重點實驗室）