城市污泥磁化低温热解技术

2014-05-23黄家瑶林秀梅

中国环保产业 2014年5期

黄家瑶，林秀梅

（福建庄讯环保科技有限公司，福州 350005）

1 前言

随着人口数量的日益增加和全球社会的日益城镇化，城市污水的产生量越来越大，作为城市污水处理副产品的污泥的数量也在急剧增加。污水处理厂每天会排放大量污泥。污泥中含有大量的有机物和丰富的氮、磷等营养物质，任意排入水体，将会大量消耗水体中的氧，导致水体水质恶化，严重影响水生生物的生存；污泥中的营养物质又会使水体富氧化，藻类大量繁殖，从而使水质恶化；除此以外，污泥中还有多种有毒物质、重金属和致病菌、寄生虫卵等有害物质，如果处理处置不当，就会传染疾病，污染土壤和作物，并通过生物链转嫁给人类。因此，污水处理厂每天产生的含水率在80%左右的污泥，如果不经妥善处理处置而任意排放和堆置，必将对水源、土壤和周围环境造成严重的二次污染，使已建成的污水处理厂不能充分发挥其消除环境污染的作用。2013年9月18日国务院常务会议提出“促进污泥资源化利用”的要求，解决污水污泥的出路迫在眉睫。

国内企业自主研发的“城市污泥磁化热解处理处置技术”，探索出了一条实现污泥处理处置减量化、稳定化、无害化和资源化的有效途径。该污泥磁化低温热解机于2011年应用于福州市闽候荆溪污水处理厂建设的污泥处理处置项目，2013年8月正式投入运营。本文着重介绍了城市污泥磁化低温热解技术的工作原理、技术特点和系统工艺流程、检测等情况。

2 污泥磁化低温热解机工作原理及技术特点

2.1 污泥磁化低温热解机工作原理

污泥热解是利用污泥中有机物的热不稳定性，在缺氧的条件下，利用热能使污泥中有机化合物的化合键断裂，由大分子的有机物转化为小分子的可燃气体和固体残渣的过程。根据热解过程操作温度的高低可分为低温、中温和高温热解，在500℃以内的为低温热解，500℃～800℃为中温热解，800℃以上的为高温热解，该污泥磁化热解是低温热解。

污泥磁化低温热解机利用了磁能、陶瓷辐射能及生物质能等使污泥中的有机物分解的原理，使污泥中所有的有机物分解成为气体、水分及无机灰渣等物质，使污泥大幅度减量并呈稳定性状。

该技术除了使污泥在缺氧空间进行有机物的热分解反应外，更特别的是，通过的微量空气经磁化器所营造的磁场，空气中氧气的活化能大大提高，促使热解机内的污泥有机物质在缺氧状态下加速被分解为气、水、无机灰渣，所产生的分解热同时使其它分子发生分解反应，污泥逐渐被分解减量至含水率极低的无机灰渣（为含水率80%脱水污泥体积的5%～10%）。

该低温热解机以有机物分子缺氧磁力分解原理（300℃～400℃）替代了传统型的强热氧化燃烧（700℃～1000℃），可节省能耗，热解过程由于是在还原气氛下进行，能有效抑制二英的合成，大大减少了二噁英等有害气体的产生。

2.2 污泥磁化低温热解机构造

污泥磁化低温热解机是污泥处理处置系统的核心设备（磁化低温热解机见图1，构造见图2，筒内温度分布见图3）。

图1 污泥磁化低温热解机实物外形图

图2 回转式磁化低温热解机构造示意图

图3 污泥磁化低温热解机筒内温度分布图

污泥磁化低温热解机采用回转窑式，转速和倾斜度可调，设定适当转速和倾斜度，可有效控制干化和热解的时间，以适应不同污泥的处理。热风与污泥进料方向逆向配置，调控进料使热风与污泥有效接触。热解机滚筒内壁除了抄板外，铺满陶瓷球。热解机滚筒内区分为干燥段、分解段和成灰段，污泥自进料口进入圆筒内后，因滚筒旋转和抄板作用，翻滚向前，先经干燥段（温度50℃～300℃），停留40～50分钟，热解段（温度300℃～400℃），停留25～35分钟，污泥热解炭化、气化，最后经成灰段，温度从300℃降至80℃，停留约25分钟，被冷却形成颗粒状无机粉砂，热解后烟气进入系统后端设备处理。热解机热解段经磁化器通入磁化空气，由生物质燃烧机补充污泥热解所需热量，采用缺氧热解方式，因空气供给量较低，后续排放烟气量也较污泥高温焚烧少，可减少尾气净化系统的投资。反应温度在300℃～450℃，不仅可节省燃料，同时降低了二英等污染物的产生和排放。

2.3 技术创新点及技术特点

2.3.1 技术创新点

（1）在回转式污泥磁化热解机上同时采用强磁场（磁场大小约4000高斯，B≈0.4T）、陶瓷球和生物质燃料棒新技术，实现污泥磁化低温热解。

（2）可使含水率为80%的污泥磁化热解，减量到90%以上，形成含水率5%以下无机粉砂（灰渣），该技术实测含水率仅为0.42%，热灼减率为1.36% 。

污泥磁化热解机整合了量化空气磁化、回转筒内配置陶瓷球、生物质燃烧等技术，配套余热利用和尾气净化等系统，实现了污泥磁化热解的工业应用，可使污泥在较低的温度下被快速热解，降低了尾气处理难度，残渣可资源化利用。

2.3.2 技术特点

（1）磁化热解：物质由原子组成，原子是由带正电荷的原子核和包围在原子核周围的电子云所组成。磁力通过磁场传递，而“磁场”也是一种特殊物质，具有能量，可以使物体改变运动状态。运动电荷在磁场中受洛伦兹力而发生偏转。该项目将微量空气经多层次、多通道强磁场导入回转式磁化热解机内，磁化了的空气中的氧气的活化能大大提高，采用磁场能与热能共同体产生热流磁效应，提高了污泥热解效率，加速了污泥中有机物裂解成气体、水分和无机物粉砂。

在磁力作用下，降低了热解温度和用气量，可进行低温缺氧热解（300℃～500℃），比传统型高温氧化燃烧（700℃～1000℃）节省能耗。该项目是低温热解，基本上消除或显著减少了二英的生成。

（2）陶瓷辐射：陶瓷中的原子是以其共价结合及离子结合方式构成的。该技术在筒体内壁上装置有1000多粒可单独回转的特种陶瓷球，陶瓷球能储蓄热量，并辐射热量。通过陶瓷辐射能摩擦生电产生电场和磁场，在热能与陶瓷能的共同作用下，整个热解过程促使有机物连续裂解反应，使污泥彻底热解成可再生利用的无机粉砂。

（3）生物质燃料：常规热解机辅助燃料用柴油或重油。该技术采用木屑、竹屑及棕榈纤维等制成生物质燃料，并引进了马来西亚棕榈树果炼油后的渣纤维自制成生物质燃料棒（热值在4200kcal/kg左右）作辅助燃料，不仅减轻了污染排放，还节省辅助燃料费40%以上。

3 污泥磁化热解处理处置系统工艺流程

污泥处理处置系统主要由污泥磁化低温热解二燃室焚烧系统、余热利用污泥烘干系统、烟气净化系统及辅助系统组成。工艺流程见图4。

图4 污泥磁化热解处理处置系统工艺流程

从污水处理厂收集的污泥输送至污泥处置厂内，经地磅称量后卸入污泥储存间暂存。储存间内的污泥通过螺旋送料机送入污泥烘干机进行烘干，使湿污泥部份水分蒸发汽化，烘干热源是利用系统烟气余热回收产生的高温空气，由于湿污泥进行了预烘干，降低了污泥的含水率，有效减少了污泥热解所需燃料。

污泥磁化低温热解二燃室焚烧系统，由污泥热解磁化低温热解机和二燃室构成。污泥磁化低温热解机采用热解原理，通过少量经磁化的空气，由于磁化空气可降低热解反应能量，提高热解效率，因此热解气化能在400℃左右的低温下实现，从而降低了能源消耗。污泥磁化低温热解机产生的含有可燃气体的烟气进入二燃室继续充分燃烧。二燃室由内衬耐火层和绝热层的钢构筒体构成，二燃室的一端装有生物质燃烧机。二燃室内温度一般保持在850℃以上，停留2s以上，使烟气中有毒有害气体（包括二英）得到彻底分解。二燃室在设计上要使烟气在二燃室内激烈湍流，以提高燃烧效率，使之符合燃烧的“三T”（停留时间、温度、湍流）原则。污泥热解反应完全后，形成的副产品无机粉砂（灰渣）通过卸料阀排放至炉渣输送系统。

污泥低温热解前将污泥进行烘干处理，可降低污泥的含水量，提高污泥的热值，使污泥易于热解并节省辅助燃料。减少污泥热解产生的水蒸汽，也使热解气的浓度不会被过分稀释，热解气易于在二燃室的燃烧。污泥热解若产生大量的水蒸汽，势必会增加烟气量，给烟气的后续处理增加难度，同时含有水蒸汽的烟气在从烟囱排出时，还会产生雾霾现象。因此污泥热解前的烘干处理在污泥磁化低温热解系统中是极其重要的一个环节，它对整个系统的节能减排、减少设备投资具有重要作用。余热利用污泥烘干系统采用热交换器进行热能回收利用，850℃以上的高温烟气由二燃室进入低温和高温热交换器后，与烘干用空气换热，被加热的高温空气进入污泥烘干机烘干污泥，换热后的低温空气经循环风机再进入低温热交换器、高温热交换器，如此循环。

烘干机内污泥水分受热蒸发汽化产生的蒸汽经旋风除尘器、蒸汽风机、水洗冷凝塔、除雾器、二燃室燃烧机的鼓风机进入二燃室。

污泥热解后进入二燃室燃烧后产生的烟气中带有一定量的烟尘和有害气体，必须经过尾气净化系统处理，该尾气净化系统由干式除酸装置和布袋除尘器组成。消石灰粉/活性炭喷粉装置是作为烟气净化系统去除烟气中二英类物质和酸性物质的专门设备，方法为利用系统负压向管道内喷入一定量的活性炭粉和消石灰粉，利用文丘里管使活性炭粉和消石灰粉在烟气中均匀混合以吸附废气中的残留二英类物质，并中和烟气中的酸性气体。系统后段的烟气净化系统使用布袋除尘器，吸附有二英类物质的活性炭粉和残留的烟尘在滤袋的表面被截留。除尘器布袋的表面是活性炭和石灰粉的良好载体，增大了活性炭和消石灰粉与烟气的接触表面积，延长了吸附和中和反应的时间，提高了吸附二英和除酸的效率。经布袋除尘器后，使烟气达到国家规定的污染物排放标准。

污泥低温热解后形成的副产品无机粉砂（灰渣）见图5。

图5 无机粉砂（灰渣）

1吨80%含水率的污泥经磁化低温热解技术磁化热解后，产生的无机粉砂约为72kg，该无机粉砂可资源化再利用，如制作成透水砖、园林绿化、花卉用肥、污水处理过滤材料等环保用品，综合利用效益明显。目前，已有用户使用磁化热解后副产品粉砂用于花卉种植，反馈效果良好。

4 应用效果

城市污泥磁化低温热解技术于2013年10月通过了科技成果鉴定。有关部门依据相关标准对投产运行的回转式污泥磁化低温热解机（型号：ZXHCR-16W）进行了烟气排放和热解残渣检测。测定结果见表1和表2。

目前，国内外尚无同时将强磁场、陶瓷球及生物质燃料棒技术应用于回转式磁化热解机上的报道。该项目整合生物质燃烧、量化空气磁化、回转筒内配置陶瓷球等技术，配套余热利用和尾气净化等系统，实现了污泥磁化热解的工业应用，可使污泥在较低的温度下快速热解，降低了尾气处理难度，残渣可资源化利用，并且已在福建省闽侯县污水处理厂污泥处理项目中应用。