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    污泥处理热干化技术分析

    日期:2020-03-06   浏览次数:1317

    污泥处理热干化技术分析

    1 热干化原理与作用

    为满足污泥后续处置要求,需要进一步降低常规机械脱水污泥的含水率。污泥的热干化是指通过污泥与热媒之间的传热作用,蒸发脱除污泥中水分的工艺过程。


    2 应用原则

    根据处置的需要和实际条件选择干化的类型和工艺技术。热干化工艺应与余热利用相结合,不宜单独设置热干化工艺,可充分利用污泥厌氧消化处理过程中产生的沼气热能、垃圾和污泥焚烧余热、热电厂余热或其他余热干化污泥。


    3 污泥热干化工艺与设备

    3.1一般工艺流程

    污泥热干化系统主要包括储运系统、干化系统、尾气净化与处理、电气自控仪表系统及其辅助系统等。

    储运系统主要包括料仓、污泥泵、污泥输送机等,干化系统以各种类型的干化工艺设备为核心,尾气净化与处理包括干化后尾气的冷凝和处理系统,电气自控仪表系统包括满足系统测量控制要求的电气和控制设备,辅助系统包括压缩空气系统、给排水系统、通风采暖、消防系统等。


    3.2工艺与设备

    1)传统工艺设备类型

    根据热量传递方式的不同,污泥干化设备分为直接加热和间接加热两种方式。考虑到系统的安全性和防止二次污染,推荐采用间接加热的方式。


    2)传统干化工艺设备

    目前应用较多的污泥干化工艺设备包括流化床干化、带式干化、桨叶式干化、卧式转盘式干化、立式圆盘式干化和喷雾干化等六种工艺设备。干化工艺和设备应综合考虑技术成熟性和投资运行成本,并结合不同污泥处理处置项目的要求进行选择。


    ① 流化床干化

    流化床干化系统中污泥颗粒温度一般为40℃~85℃,系统氧含量<3%,热媒温度180℃~220℃。推荐采用间接加热方式,热媒常采用导热油,可利用天然气、燃油、蒸汽等各种热源。流化床干化工艺既可对污泥进行全干化处理,也可半干化,最终产品的污泥颗粒分布较均匀,直径1~5 mm。


    流化床干化工艺设备单机蒸发水量1000~20000 kg/h,单机污泥处理能力30~600 t/d(含水率以80%计)。可用于各种规模的污水处理厂,尤其适用于大型和特大型污水处理厂。干化效果好,处理量大;国内有成功工程经验可以借鉴。但投资和维修成本较高;当污泥含沙量高时应注意采用防磨措施。


    ②带式干化

    带式干化的工作温度从环境温度到65℃,系统氧含量<10%;直接加料,无需干泥返混。带式干化工艺设备既可适应于污泥全干化,也适用于污泥半干化。出泥含水率可以自由设置,使用灵活。在部分干化时,出泥颗粒的含水率一般可在15%~40%之间,出泥颗粒中灰尘含量很少;当全干化时,含水率小于15%,粉碎后颗粒粒径范围在3~5 mm。带式干化工艺设备可采用直接或间接加热方式,可利用各种热源,如天然气、燃油、蒸汽、热水、导热油、来自于气体发动机的冷却水及排放气体等。


    带式干化有低温和中温两种方式。低温干化装置单机蒸发水量一般小于1000 kg/h,单机污泥处理能力一般小于30 t/d(含水率以80%计),只适用于小型污水处理厂;中温干化装置单机蒸发水量可达5000kg/h,全干化时,单机污泥处理能力最高可达约150 t/d(含水率以80%计),可用于大中型污水处理厂。由于主体设备为低速运行,磨损部件少,设备维护成本很低;运行过程中不产生高温和高浓度粉尘,安全性好;使用比较灵活,可利用多种热源。但单位蒸发量下设备体积比较大;采用循环风量大,热能消耗较大。


    ③桨叶式干化

    桨叶式干化通过采用中空桨叶和带中空夹层的外壳,具有较高的热传递面积和物料体积比。污泥颗粒温度<80℃,系统氧含量<10%,热媒温度150℃~220℃。一般采用间接加热,热媒首选蒸汽,也可采用导热油(通过燃烧沼气、天然气或煤等加热)。干污泥不需返混,出口污泥的含水率可以通过轴的转动速度进行调节,既可全干化,也可半干化。全干化污泥的颗粒粒径小于10 mm,半干化污泥为疏松团状。


    桨叶式干化工艺设备单机蒸发水量最高可达8000 kg/h,单机污泥处理能力达约240 t/d(含水率以80%计),适用于各种规模的污水处理厂。结构简单、紧凑;运行过程中不产生高温和高浓度粉尘,安全性高;国内有成功的工程经验可以借鉴。但污泥易黏结在桨叶上影响传热,导致热效率下降,需对浆叶进行针对性设计。


    ④卧式转盘式干化

    卧式转盘式干化既可全干化,也可半干化。全干化工艺颗粒温度105℃,半干化工艺颗粒温度100℃;系统氧含量<10%;热媒温度200℃~300℃。采用间接加热,热媒首选饱和蒸汽,其次为导热油(通过燃烧沼气、天然气或煤等加热),也可以采用高压热水。污泥需返混,返混污泥含水率一般需低于30%。全干化污泥为粒径分布不均匀的颗粒,半干化污泥为疏松团状。


    卧式转盘式干化工艺设备单机蒸发水量为1000~7500 kg/h,单机污泥处理能力为30~225t/d(含水率以80%计),适用于各种规模的污水处理厂。结构紧凑,传热面积大,设备占地面积较省。但可能存在污泥附着现象,干化后成疏松团状,需造粒后方可作肥料销售;在国内暂没有工程应用。


    ⑤立式圆盘式干化

    立式圆盘式干化又被称为珍珠造粒工艺,仅适用于污泥全干化处理,颗粒温度100℃~40℃,系统氧含量<5%,热媒温度250℃~300℃。采用间接加热,热媒一般只采用导热油(通过燃烧沼气、天然气或煤等加热)。返混的干污泥颗粒与机械脱水污泥混合,并将干颗粒涂覆上一层薄的湿污泥,使含水率降至30%~40%。干化污泥颗粒粒径分布均匀,平均直径在1~5 mm之间,无须特殊的粒度分配设备。


    立式圆盘式干化工艺设备的单机蒸发水量一般为3000~10000 kg/h,单机污泥处理能力从90~300 t/d(含水率以80%计),适用于大中型污水处理厂。结构紧凑,传热面积大,设备占地面积较省;污泥干化颗粒均匀,可适应的消纳途径较多。仅适用于全干化,对导热油的要求较高;在国内暂没有应用。

    ⑥ 喷雾干化

    喷雾干化系统是利用雾化器将原料液分散为雾滴,并用热气体(空气、氮气、过热蒸汽或烟气)干燥雾滴。原料液可以是溶液、乳浊液、悬浮液或膏糊液。干燥产品根据需要可制成粉状、颗粒状、空心球或团粒状。


    喷雾干化采用并流式直接加热,既可用于污泥半干化,也可用于全干化,且无须污泥返混。脱水污泥经雾化器雾化后,雾化液滴粒径在30~150μm之间。热媒首选污泥焚烧高温烟气,其次为热空气(通过燃烧沼气、天然气或煤等产生),也可采用高压过热蒸汽。采用污泥焚烧高温烟气时,进塔温度为400℃~500℃,排气温度为70℃~90℃,污泥颗粒温度小于70℃,干化污泥颗粒粒径分布均匀,平均粒径在20~120μm之间。


    喷雾干化工艺设备的单机蒸发能力一般为5~12000 kg/h,单机处理能力最高可达360 t/d(含水率以80%计),适用于各种规模的污水处理厂。干燥时间短(以s计),传热效率高,干燥强度大采用污泥焚烧高温烟气时,干燥强度可达12~15 kg/(m3?h),干化污泥颗粒温度低,结构简单,操作灵活,安全性高,易实现机械化和自动化,占地面积小。但干燥系统排出的尾气中粉尘含量高,有恶臭,需经两级除尘和脱臭处理。


    3.3尾气净化与处理

    污泥干化后的尾气包括水蒸汽和不可凝气体(臭气),需首先进行分离。水蒸汽通过冷凝装置冷凝后处理,不可凝气体(臭气)外排。干化尾气冷凝装置可采用喷淋塔或冷凝器。


    4 设计与工艺控制

    4.1 设计和运行控制要点

    1)污泥热干化程度的选择应遵循下列原则:利用干化工艺自身的技术特点;整个干化通过污泥与热媒之间的传热作用和后续处置系统投资和运行成本应最低;考虑污泥形态(松散度和粒度)对污泥输送、给料系统和后续处置设备的适应性。


    2)按照干化热源的成本,从低到高依次如下:①烟气;②燃煤;③蒸汽;④燃油;⑤沼气;⑥天然气。一般来说间接加热方式可以使用所有的能源,其利用的差别仅在温度、压力和效率。直接加热方式,则因能源种类不同,受到一定限制。其中燃煤炉、焚烧炉的烟气量大,又存在腐蚀性污染物,较难使用。


    3)与干化设备爆炸有关的三个主要因素是氧气、粉尘和颗粒的温度。不同的工艺会有些差异,但总的来说必须控制的安全要素是:流化床式和立式圆盘式的氧气含量小于5%,带式、桨叶式和卧式转盘式的氧气含量小于10%,粉尘浓度小于60 g/m3,颗粒温度小于110℃。


    4)湿污泥仓中甲烷浓度控制在1%以下,干泥仓中干泥颗粒的温度控制在50℃以下。


    5)为避免湿污泥敞开式输送对环境造成影响,应采用污泥泵和管道将湿污泥密封输送入干化机。干化机出料口须设置事故储存仓或紧急排放口,供污泥干化机停运或非正常运行时,暂存或外排。


    6)沙石混入污泥对干化设备的安全性存在着负面影响。对于含沙量较大的污泥,可通过增加耐磨裕量、降低转动部件转速等措施降低换热面的磨损。特别是采用导热油作为热媒介质时,须十分注意。


    4.2 二次污染控制要求

    污泥干化后蒸发出的水蒸汽和不可凝气体(臭气)需进行分离。水蒸汽通过冷凝装置冷凝后处理。焚烧厂的废水经过处理后应优先回用。当废水需直接排入水体时,其水质应符合《污水综合排放标准》GB 8978的规定。


    为防止污泥干化过程中臭气外泄,干化装置必须全封闭,污泥干化机内部和污泥干化间需保持微负压。干化后污泥应密封储存,以防止由于污泥温度过高而导致臭气挥发。干化厂恶臭污染物控制与防治应符合《恶臭污染物排放标准》GB 14554的规定。


    干化厂的噪声应符合《城市区域环境噪声标准》GB 3096和《工业企业厂界噪声标准》GB12348的规定,对建筑物内直接噪声源控制应符合《工业企业噪声控制设计规范》GBJ 87的规定。干化厂噪声控制应优先采取噪声源控制措施。厂区内各类地点的噪声控制宜采取以隔音为主,辅以消声、隔振、吸音的综合治理措施。


    5 投资和运行成本的评价及分析

    投资成本是由系统复杂程度、设备国产化率等因素决定的。一般情况下,若有可利用的余热能源,热干化采用国产设备时,单位投资成本在10~20万元/t污泥(含水率80%),若干化设备采用进口设备,单位投资成本在30~40万元/t污泥(含水率80%)。


    污泥热干化的运行成本是由众多因素所决定的,例如干化热源的价格、最终干化污泥的含水率、是否需单独建设尾气净化系统等,难以转化到具体金额。



    附:各种干化技术设备的具体对比,如表所示。

     

    各种干化技术设备的具体对比

     

    项目名称

    转筒式

    (余热干化)

    喷雾式

    圆盘式

    (立式、卧式)

    薄层蒸发器+

    带式干燥

    桨叶式

    流化床

    热泵低温干化

    干燥温度

    200-300℃

    >300℃

    >150℃

    >150℃

    >150℃

    >150℃

    40-75℃

    干燥方式

    热对流(直接)

    热对流(直接)

    热传导(间接)

    热传导(间接)

    热传导(间接)

    热传导(间接)

    循环热对流

    供热方式

    热风、烟气

    蒸汽、导热油

    蒸汽、导热油

    蒸汽

    蒸汽、导热油

    蒸汽、导热油

    热泵

    粉尘含量

    较高

    安全性

    填充度高,运行温度高

    运行温度高

    运行温度高

    充氮气

    运行温度高

    运行温度高

    运行温度高

    低温

    废气处理系统

    系统复杂

    除臭系统

    除臭系统

    除臭系统

    除臭系统

    除臭系统

    机械摩擦

    热耗KJ/kg水

    3400

    3500

    2800

    3000

    2800

    3200

    电耗KWh/kg水

    0.07

    0.8

    0.05

    0.053

    0.04

    0.15

    0.25

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