煤气站-炉窑系统协同处置污泥的分析

苑卫军 杨征 王辉 韩明汝

(唐山科源环保技术装备有限公司 河北唐山 063000)

0 引言

近十几年来，我国污泥产量随着污水处理项目同比增长，而我国污泥处置的发展严重滞后于污水处理的现象并未明显改观。目前我国污泥处置占比为填埋60%～65%、好氧发酵农用10%～15%、污泥天然干化综合利用4%～6%、污泥焚烧2%～3%、污泥露天堆放和外运15%～20%[1]。受环境影响和土地资源两方面的限制，污泥焚烧和热解等热处置技术在欧、日等国家已经广泛应用。污泥热处置技术包括独立焚烧热解处置和炉窑协同处置两种工艺，其中炉窑协同处置具有配套投资小和运行成本低等优势。我国火电厂和水泥窑协同处置污泥的应用较多，利用气化炉协同处置污泥也有少量试验性应用。利用含水率75%的污泥制备水煤浆用于气流床气化[2]，利用含水率80%的污泥作为粘结剂制备污泥型煤用于常压固定床气化[3]，利用含水率60%的污泥与煤直接掺混在加压固定床气化[4]，在维持系统正常运行和二次污染控制方面都取得了一定的经验和成果。本文对利用KM5Q两段式常压固定床气化炉和燃气炉窑组成系统，协同处置高含水率污泥的技术工艺方案进行介绍并分析，旨在拓宽利用现有炉窑对污泥进行协同热处置的工艺路线。

1 KM5Q气化炉内煤炭与污泥的协同反应

KM5Q气化炉结构如图1所示， 含水率95%左右的污泥通过气化炉炉顶设置的定量喷淋降温系统[5]，定量均匀地喷洒于入炉煤料的表面。污泥在气化炉内进行以下处理过程：

图1 KM5Q气化炉示意

(1)热干化过程：气化炉干馏段的上部，在150～300 ℃干燥温度条件下，煤料表面污泥中的水分及易挥发性物质形成气体进入煤气中；

(2)热解过程：干馏段的中部至气化段上部，煤气温度为300～600 ℃左右，在此温度下，经过干化后的污泥进行干馏热解产生干馏煤气及焦油；

(3)气化过程：气化段温度约为600～1 000 ℃，污泥热解后产生的碳与入炉后同样经过干燥干馏后的煤料一同进行气化反应，产生以CO/H2为主要可燃气体的煤气；

(4)燃烧过程：污泥中在干化、热解和气化过程均没有参与反应的物质，与气化反应后剩余的残炭进入氧化层，在1 000～1 100 ℃条件下与入炉空气中的O2进行氧化反应，进行高温焚烧处理后，混于灰渣中排出炉外。气化炉内各反应区域特征如表1。KM5Q气化炉内煤炭与污泥协同反应过程如图2。

图2 KM5Q气化炉内煤炭与污泥协同反应过程

表1 气化炉内各反应区域特征

2 煤气站-炉窑系统协同处置污泥工艺方案

2.1 工艺方案(一)

煤气站-炉窑系统协同处置污泥的工艺方案(一)参见图3，通过炉顶定量喷淋系统喷淋降温，炉出煤气温度由450 ℃降至150 ℃左右。然后经过洗气除焦系统将煤气降至80 ℃，同时捕除煤气中的焦油。然后煤气经过终冷系统，其温度降至35～45 ℃，煤气中的一部分水分冷凝析出形成酚水，煤气中剩余的水分以饱和水状态存在于出站煤气中，这部分饱和水和污泥热解产生的不凝性气体随煤气进入加热窑炉内燃烧，煤气在窑炉内实际火焰燃烧温度一般可以达到1 200～1 400 ℃，在此温度下，这部分物质被焚烧分解成H2O和CO2等无毒物质排入大气。污泥气化后的残渣，经过气化炉氧化层焚烧处理后混于灰渣中。

图3 煤气站-炉窑系统协同处置污泥系统工艺方案(一)

煤气冷凝过程产生酚水的一部分，回流至炉顶定量喷淋系统补充喷淋液。酚水的另外部分在酚水预处理系统经过捕除粉尘和重质油类，并中和调质后，泵入气化炉水夹套进行浓缩汽化，汽化形成的水蒸气代替软化水蒸汽作为气化剂，由炉底进入气化炉，酚水蒸汽经过气化炉的灰层进入氧化层(温度一般在1 000～1 200 ℃)时，其所含的酚类和轻油类物质被焚烧裂解为水和二氧化碳，然后酚水蒸汽进入还原层进行造气反应：C+H2O=CO+H2[6]。

2.2 工艺方案(二)

煤气站-炉窑系统协同处置污泥的工艺方案(二)参见图4，通过炉顶定量喷淋降温，将炉出煤气温度降至150 ℃左右，然后经过洗气除焦系统将煤气降至80 ℃，煤气增压后输送至炉窑系统燃烧。污泥在气化炉中干化过程中产生的水分在出站煤气中以煤气饱和水状态存在。当大气压(绝压)为101 300 Pa，煤气压力为1 500 Pa时，出站煤气(80 ℃)饱和水量为663 g/m3[7]。这部分水和干馏出的不凝性气体随煤气进入加热窑炉内燃烧，气化炉煤气在窑炉内高温火焰处焚烧分解成H2O和CO2等排入大气。

图4 煤气站-炉窑系统协同处置污泥系统工艺方案(二)

3 污泥协同处置方案对比分析

3.1 污泥处理量对比

KM5Q3.6气化炉正常煤气产量8 000 m3/h，参照文献[8-9]进行系统水平衡计算，得出表2所示的2种工艺方案的污泥处置量，可以看出方案(二)污泥处置量约为方案(一)的1.68倍，就污泥处置量而言方案(二)优于方案(一)。

表2 两种方案KM5Q3.6气化炉协同处置污泥量对比

3.2 系统水资源的有效利用

方案(一)污泥中的水分在干化过程转入煤气中，然后在煤气终冷降温过程中又以冷凝水的形式析出，系统将这部分析出冷凝水经过预处理后，代替软化水汽化为水蒸气作为气化炉气化剂应用，节约了大量的净水资源。

方案(二)污泥干化过程转入煤气中的水分，全部以煤气饱和水的形式随煤气在炉窑焚烧处置，水资源没有得到有效利用。就水资源的有效利用而言，方案(一)优于方案(二)。

3.3 系统脱硫、脱硝工艺的选择

方案(一)的出站煤气为35～45 ℃的洁净冷煤气，可以通过窑前煤气湿法脱硫的方式脱除H2S，从而保证炉窑烟气中SO2达标排放。方案(一)可以在“浓缩蒸发法”处理含酚废水和煤气湿法脱硫过程中，协同脱除煤气中的部分NH3，从而有效降低炉窑烟气NOx的排放强度，达到系统脱硝的效果[10]。

方案(二)的出站煤气为80 ℃左右的半冷煤气，无法进行煤气湿法脱硫(煤气湿法脱硫的操作温度要求35～45 ℃)，一般采取窑后烟气脱硫的方式脱除烟气中的SO2。方案(二)煤气站无冷凝水析出，煤气中的NH3全部随煤气在窑炉燃烧后转化为燃料型NOx，一般采取窑后烟气脱硝的方式脱除烟气中的NOx。

如果污泥协同处置系统中的炉窑为球团烧结或矿物煅烧类窑炉，由于物料在烧结或煅烧过程中会产生SO2或NOx并混入炉窑烟气中，所以一般采用窑后烟气脱硫、脱硝的工艺路线。

4 结论

每年我国生活和工业污泥产生量较大，利用现有炉窑对其进行的协同处置，有利于达到低成本、高效率的处置效果。以KM5Q气化炉煤气站与燃气窑炉组成系统对污泥进行处置，可以处置含水率95%左右的高含水污泥，污泥的热干化、热解、气化和气化残渣的氧化焚烧在气化炉内进行，而污泥干化过程产生的一部分水分(煤气饱和水)及不凝性气体混于煤气中，在窑炉的燃气烧嘴火焰处进行焚烧处理，污泥处置效果可靠。