城镇污水处理厂污泥干化焚烧工艺设计与运行管理指南.docx

1、城镇污水处理厂污泥干化焚烧工艺设计与运行管理指南城镇污水处理厂污泥干化焚烧工艺设计与运行管理指南（征求意见稿）中国计划出版社年前 言根据中国工程建设标准化协会2018建标协字第15号文关于印发2018年第一批协会标准制订、修订计划的通知，制订本指南。污泥焚烧作为城镇污水处理厂污泥处理的主流技术之一，可集约、高效地实现污泥的减量化、稳定化和无害化，焚烧灰渣可填埋或资源利用，适合经济较发达、人口稠密、土地成本较高的地区；污泥热干化可有效去除污泥水分、提高污泥热值，常常作为预处理技术与污泥焚烧、工业窑炉协同处置、以及污泥热解、碳化等高温热处理技术联用。城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指

2、南(试行) (HJ-BAT-002)将干化焚烧与土地利用共同作为污泥处置污染防治的最佳可行技术。城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策(试行) (建城200923号)也推荐经济较为发达的大中城市采用污泥焚烧工艺，并鼓励采用干化焚烧联用的方式，提高污泥的热能利用效率。近年来，污泥热干化和焚烧技术在我国越来越多的城市得到工程化应用，呈现出快速发展的势头。污泥热干化和焚烧工艺属于热化学领域，流程和设备较复杂，对设计和运行维护的要求较高。国内已发布的标准仅有中国工程建设协会标准城镇污水污泥流化床干化焚烧技术规程CECS 250-2008和机械行业标准城镇污水处理厂污泥焚烧处理工程技术规范JB/T

3、 11826-2014，对污泥流化床干化和污泥焚烧在设计、建设、运行和管理方面的核心性技术要求作出了规定。本指南旨在进一步深化对污泥热干化、污泥焚烧技术原理和工艺过程的理解，协同已发布的技术规程，指导和规范我国污泥干化焚烧的工艺设计和运行管理。本指南编制过程中，梳理、借鉴了国内外相关技术文件，调查、研究了国内典型工程案例，总结、吸纳了国内外理论和实践认知。本指南的主要内容包括：总则、术语和定义、污泥热干化工艺、污泥热干化的辅助系统、污泥热干化的运行维护、污泥焚烧工艺、焚烧余热利用、焚烧烟气处理、焚烧飞灰处理和处置、污泥流化床焚烧的运行维护、污泥干化焚烧厂区的安全管理。本指南由中国工程建设标准化

4、协会城市给水排水专业委员会归口管理，由上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司负责技术解释。请各单位在使用过程中，总结实践经验，提出意见和建议。主编单位：上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司参编单位：上海城投污水处理有限公司同济大学上海市城市排水有限公司北京艺高人和工程设备有限公司绿水股份有限公司主要起草人：中国工程建设标准化协会2019年 月 日1 总 则1.0.1 编制目的为了深化对城镇污水处理厂污泥干化、焚烧技术原理和工艺的理解，提升我国污泥干化、焚烧的工艺设计和运行管理水平，在查阅国内外相关技术材料、调研国内相关工程的基础上，依据国家和行业相关法律法规和标准规范，编制本指南。1.0

5、.2 适用范围本指南适用于城镇污水处理厂污泥热干化和鼓泡流化床焚烧的工艺设计和运行管理。2 术语和定义2.0.1 污泥热干化 sludge heat drying污泥经机械脱水后，在外部加热的条件下，通过传热和传质过程，使污泥中水分随着相变化分离的过程。2.0.2 流化床 fluidized bed固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使固体颗粒具有流体的某些表观特征，这种“流-固”接触状态称为固体流态化，流态化的颗粒床层称为流化床。2.0.3 全干化 full drying 将污泥干化至含固率不低于85%的干化工艺。2.0.4 半干化 partial drying将污泥干化至含固率低于85%的干

6、化工艺。2.0.5 粘滞区 adhesion or shearing phase通常在含水率大约50%70%时，污泥流变特性会发生改变，粘性大、易结团，不宜运输与处理，这一阶段和状态称为粘滞区。2.0.6 干化尾气 exhaust gases由干化过程产生的水蒸气、挥发性化学物质和部分漏入空气组成的混合气体。2.0.7 污泥焚烧 sludge incineration在高温和充足氧气的条件下，污泥中的可燃成分急剧与氧反应，使污泥转化为燃烧烟气和少量灰渣的过程。2.0.8 污泥焚烧炉 sludge incineratior利用高温氧化作用处理污泥的设备。JB/T 11826-2014，术语3.2

7、2.0.9 临界流化速度 critical fluidization velocity颗粒从静止状态转变为流化态的最低气流速度。2.0.10 鼓泡流化床 bubbling fluidized bed气流自下而上穿过固体颗粒床，当气流速度超过流化床临界流化速度，使床层颗粒呈流化态，出现沸腾状气泡，炉内具有以上特征的流化床称为鼓泡流化床。2.0.11 烟气停留时间 gas retention time燃烧所产生的烟气从最后的空气喷射口或燃烧器出口到换热面（如余热锅炉换热器）或烟道冷风引射口之间的停留时间。CECS 250:2008，术语2.0.82.0.12 热灼减率 loss on igniti

8、on焚烧残渣经灼热减少的质量占原焚烧残渣质量的百分数。CECS 250:2008，术语2.0.72.0.13 燃烧效率 combustion efficiency烟道排出气体中二氧化碳浓度与二氧化碳和一氧化碳浓度之和的百分比。CECS 250:2008，术语2.0.102.0.14 炉渣 bottom ash从焚烧炉底部收集的燃烧残余物。2.0.15 飞灰 fly ash在燃烧过程中，被气流夹带存在于出炉的烟气中，通过烟气除尘设备（如旋风分离器、静电除尘器或袋式过滤器）被分离的固体颗粒。JB/T 11826-2014，术语3.122.0.16 余热锅炉利用工业过程的废气、废料或废液中的余热及其

9、残留可燃物质燃烧产生的热量把水或其他介质加热到一定温度的锅炉。3 污泥热干化工艺3.1 污泥热干化的作用和原理3.1.1 污泥热干化及其优缺点污泥热干化是在不降解污泥中有机组分的情况下将污泥中水分快速蒸发去除的一种低温热处理技术。通过热干化，污泥含水率通常可降至10%以下。从污泥后续处置的角度，热干化有如下优点： 显著降低了后续处理处置的污泥量和体积。相对于含水率80%的脱水污泥，若干化至含水率10%以下，则产物量仅为原来的约1/5，有利于减少后续储存、输送和处置的成本。 干化过程去除了污泥中的大部分水分，提高了污泥的热值，为后续在焚烧炉中自持燃烧创造了条件，使其具有了热能回收利用的价值。 与

10、湿污泥相比，干化污泥的物理和化学性状使其更易于阶段性储存和后续处理处置。 干化过程杀灭了污泥中的病原菌，完成了污泥的消毒，有利于后续通过土地利用实现资源循环。污泥热干化也存在一定的局限性： 投资成本高； 运行成本高，主要为能耗； 潜在安全问题，尤其是火灾和爆炸风险； 未经稳定化处理（如厌氧消化）的污泥干化产品，其稳定性是暂时的，储存和处理不当会再次滋生微生物，产生臭气等污染。3.1.2 污泥热干化过程热干化的对象通常为污水处理厂的脱水污泥，脱水污泥中的水分按照与固体颗粒结合情况的不同，可划分为间隙水（自由水）、毛细水、表面吸附水和内部结合水四类。间隙水是被大小污泥颗粒包围的水分，不与固体颗粒直

11、接结合；毛细水是在固体颗粒接触面上由毛细压力结合，或充满于固体颗粒之间、固体本身裂缝中的水分；表面吸附水时以分子间的作用力吸附于固体颗粒表面的水分；内部结合水时污泥中微生物细胞内部的水分。热干化过程去除的主要是间隙水、毛细水和表面吸附水，与热干化过程的不同阶段相对应。热干化过程可划分为三个阶段：加速阶段、恒速阶段和减速阶段。加速阶段：污泥温度和干化速率快速提升至下一阶段（恒速阶段），这一阶段通常较短，干化效率较低。这一阶段是污泥升温的过程。恒速阶段：与其他两个阶段相比，物料在该阶段停留的时间最长。在这一阶段，污泥颗粒表面完全浸于水的包裹中，表面水蒸发后不断被物料内部水分代替。此时的干燥过程类似

12、于水池中水的蒸发，固体部分对干化速率的影响不大。在这一阶段，污泥和气体界面的温度通常维持在该气体的湿球温度。这一阶段去除的是污泥的间隙水（自由水）。减速阶段：随着水分的充分蒸发，当污泥颗粒表面不再全部浸于水中时，污泥颗粒表面水分的蒸发速率高于内部水分到达颗粒表面的速率。因此，此时整体的干化速率则低于恒速阶段。蒸发速率第一次下降阶段去除的水分是毛细水，第二次下降阶段去除的水分是表面吸附水。在减速阶段，由于热介质传递显热给污泥的速率高于污泥中潜热传递给气体的速率，污泥和气体界面的温度开始上升。3.2 污泥热干化工艺和设备3.2.1 典型工艺和设备热干化工艺的核心是热量传递和水分蒸发。根据主导型传热

13、方式的不同，污泥热干化工艺和设备可分为以下几种类型： 对流式（直接干化），即热量通过热气体介质与物料进行密切和直接的接触而传递给物料的干化方式，加热方式可以直接或间接，直接加热居多。典型工艺有转鼓式、流化床式、喷雾式等。干化后的污泥通常呈较均匀的球状颗粒，并具有一定的硬度。在国外，当干化污泥产品进行农用时，通常会采用这种干化形式。在对流式干化时，热介质的作用有两个：提供干化热量和带走蒸发的水分。因此，干化蒸发的水分、挥发性气体和与热介质是混合在一起的。出于安全考虑，作为热介质的气体需要控制氧浓度，可通过循环部分干化尾气来实现。在工艺运行时，常常通过干化污泥与湿污泥返混来降低湿污泥含水率，避开污

14、泥粘滞区。 传导式（间接干化），即热量通过间接的热交换表面从热介质转移至物料的干化方式，加热方式均为间接加热。传导式干化的典型工艺有圆盘式、桨叶式、薄层式等。在传导式干化时，热介质与物料不直接接触，通过加热与物料直接接触的金属表面将热量转递给物料。桨叶和圆盘式干化，传热面由一系列中空的金属桨叶或盘片构成，金属桨叶或盘片固定在可转动的轴上，轴内流动热介质，轴转动以促使物料与热表面均匀和高效接触，并推动物料前进。干化后的污泥通常尺寸较大，松散，可根据后续处理处置需求进行造粒、调整颗粒均匀性和硬度等形状。薄层式干化机的传热面为壳体夹套，夹套内的蒸汽或导热油作为热媒，内筒壁是与污泥接触的传热部分。转子

15、为一根整体的空心轴，空心轴上布置有不同形式的叶片，空心轴和叶片均不通热媒。叶片与内筒壁的距离保持5-10mm，在转子的转动及叶片的涂布下，进入干化机的污泥会均匀的在内壁上形成一个动态的薄层，污泥薄层不断的被更新，在向出料口推进的过程中不断的被干燥，干燥后的污泥呈现颗粒状，通常不需要进行造粒处理。在传导式干化中，离开干燥机的所有尾气即为干燥蒸发的水分、少量挥发性气体和部分空气。 辐射式（红外或热辐射干化），即热量通过电阻加热、红外线、微波等方式以辐射能的形式传递给湿物料。辐射式干化的典型工艺有带式、螺旋式。除上述几大类干化工艺之外，还可采用联合或复合干化方式，即两种不同的干化方式串联，或在干化过

16、程中同时复合使用了对流、传导或辐射干化的多种干化原理。典型热干化设备的介绍如可参照城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南（试行）。综合考虑污泥挥发份损失、经济性、操作的密闭和热干化尾气的处理难度等因素，在污泥干化焚烧处理时，推荐采用间接热干化工艺。3.2.2 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辅助系统。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除尘降温（冷却）、冷凝和除沫等设施；电气自控仪表系统包括满足系统监测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、

17、通风采暖、消防系统等。污泥进行热干化前通常进行机械脱水，将含水率将至80%左右。在热干化时，可直接将80%含水的污泥泵送至干化机，也可以将部分干化污泥与湿污泥混合进料至干燥机（可避免污泥结团）。干化尾气的净化与处理须满足排放或后续处理的要求。例如，当干化尾气进入焚烧炉处理时，应满足一次风机对于水和固体颗粒的要求。干化污泥则进行造粒、装袋，或者储存并输送至后续处理单元（如焚烧）。3.3 污泥热干化工艺设计3.3.1 基于工艺设计的基本要素在污泥干化工艺设计时，污泥含水率、温度和湿度对于设计者确定干化能力、干化速率，以及确定干化工艺等设计内容非常重要。1 污泥含水率污泥含水率通常以水分在湿污泥中的

18、质量百分比表示（%）。污泥通过干化可实际达到的最低含水率取决于干燥机的设计和运行、进料污泥的含水率和污泥的化学组成。对于污水处理厂污泥来说，通过干化通常可达到5 %的含水率。在污泥调理时加入的化学药剂或工业污泥形成过程中加入的化学品会在污泥中形成一定的化学结合水，进而影响污泥干化后的最低含水率，使之高于5 %。进料含水率对于干化系统来说是非常重要的经济参数。这个数值越高，意味着单位污泥处理量的能耗更高，投资更大。但进泥含水率越高，单位蒸发水量的能耗越低。此外，对于含水率的波动与直接干化系统的安全性密切相关。当波动幅度超过一定范围时，就可能对干化的安全性形成威胁。产生危险的原因在于干燥系统本身的

19、特点。一般干燥系统在调试的过程中，给热量及相关的工艺气体量已经确定，仅通过监测干燥器出口的气体温度和湿度来控制进料装置的给料量。给热量的确定，意味着单位时间里蒸发量的确定。当进料含水率变化，而进料量不变时，系统内部的湿度平衡将被打破，如果湿度增加，可能导致干化不均；如果湿度减少，则意味着粉尘量的增加和颗粒温度的上升。全干化系统对含水率的降低较为敏感，在直接进料时，理论上最多只允许2个百分点的波动，当进泥含水率降低时，干燥器内产品的温度会快速升，形成危险环境。由于这一区间非常狭小，对调整湿泥进料量的监测反馈系统要求较高。解决湿泥含水率变化敏感性的方法通常有两个：一是在可接收的范围内提高最终产品的

20、含水率；二是采用干泥返混。2 湿度湿度是表示空气干燥程度、即含有水蒸气多少的物理量，湿度对于干化速率起决定性作用。在热干化过程中，常用含湿量（kg/kg）表示单位质量干气体中含有的水分质量。污泥热干化过程是水分转移到气相的过程，其传质推动力为湿物料/气体界面温度下的气体含湿量与气相含湿量的差值。传质速率（干化速率）可表示为：其中，W为干化速率或蒸发速率（kg水/h）； Ky为气相传质系数（kg/h/m2/相对湿度差值）；Ys为湿物料/气相界面温度下的气体含湿量（kg水/kg干气体）；A为湿物料表面与干燥介质的接触面积（m2）；Ya为气相的含湿量（kg水/kg干气体）。由此可知，影响干化速率的因

21、素包括：接触表面积、新的接触面积的暴露量和速率、干介质与湿污泥接触的充分程度。3 温度在热干化过程中，热介质与湿物料/气相界面的温度差是热传递的推动力。干燥机类型根据主导性传热方式的不同可划分为对流式、传导式和辐射式。对流式（直接干化）：热传递通过热气体与湿污泥的直接接触来完成，由入流气体的显热供给水分蒸发所需的潜热，同时，热气体直接将蒸发的水分带走。直接干化是污泥热干化较常用的形式，许多转鼓式、流化床式干燥机便采用了这种传热方式。对流式热干化的传热速率可用下式表示：其中，q对流为对流传热速率（KJ/h）； hc为对流传热系数（KJ/h/m2/）； A为湿物料与热气体的接触面积（m2）； tg

22、为气体温度（）；ts为湿污泥/气体界面温度（）。传导式（间接干化）：热传递通过湿污泥与热的器壁表面接触来完成，热介质与湿污泥不直接接触，蒸发的水分以其他工艺气体作为载体离开干燥器，或者由风机抽吸离开干燥器。圆盘式、桨叶式、薄层式干燥机便采用了这种干燥方式。传导式热干化的传热速率可用下式表示：其中，q传导为热传导速率（KJ/h）； hcond为热传导系数（KJ/h/m2/）； A为传热面积（m2）； tm为热介质的温度（例如蒸汽）（）；ts为湿污泥在传热界面的温度（）。辐射式（红外或热辐射干化）：辐射能以电阻加热、红外线、微波等方式传递给湿物料，带式、螺旋式干燥机便采用了这种干燥方式。辐射式热干

23、化的传热速率可用下式表示：其中，q辐射为热辐射速率（KJ/h）； s为干燥表面的辐射系数（无量纲）； A为接受辐射的污泥表面积（m2）；为StefanBoltzman常数（4.88 108 kcal/m2/h/K）； tr为热辐射源的绝对温度（例如蒸汽）（）；ts为污泥干燥表面的绝对温度（）。通常，上述公式中确切的传热系数并不容易确定，在设计时所估算的数值与实际情况可能具有较大的偏差。要获得较准确的设计参数，最有效的方法是以实际物料模拟实际运行条件进行试验测试，许多干燥设备供应商愿意提供这样的测试服务。3.3.2 工艺设计要点1 干化能力（规模）干燥机的数量和干燥能力需要根据预期的运行方式来确

24、定。如果干燥机连续运行，需要预留一定的干燥能力，以备设备维护和检修。如果采用不连续的方式运行（例如，每周运行40小时），或者条件所限仅有一套干燥设施，则必须保证具有足够的干燥能力处理停车时产生的污泥，且设置足够的湿污泥存储容量。2 污泥存储设计人员需要考虑湿污泥和干燥污泥的存储需求。对于连续运行的干燥系统，湿污泥存储量需满足干燥系统定期停车维护的需求，通常考虑高峰时段3天的污泥产量。干化污泥的存储则取决于后续的处理处置方式。如果后续进行焚烧或其他处理，则根据后续处理单元的要求进行干化污泥的存储。大量存储未造粒的干化污泥需要尤其注意粉尘问题。3热源热干化过程是高耗能的，热能来源及其传输、储存、利

25、用形式和利用率与干化能耗密切相关。天然气和燃油是常用热源但价格较高。在干化系统内部进行能量回收是降低能耗的途径之一，例如，利用换热器回收废气的能量。另一种方式适用于干化后进行焚烧的情况，即回收焚烧烟气的能量用于污泥干化，本质上是利用干化污泥本身的热值降低外部热量需求。按照干化热源的成本，从低到高依次为：烟气、燃煤、蒸汽、燃油、沼气、天然气。一般来说间接加热方式可以使用上述所有能源，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。4 气流在直接干化的设计中，气流是一个至关重要的参数。根据气体与物料两种介质流向的关系，可分为并流、逆流与混流（错流）三种。在直接干化时

26、，采用热气体与物料并流的方式能够在进料端快速进行热传递，减少了介质穿过干燥机的热损失，因而在传热效率和减少热损失方面更具优势。此外，这种方式也避免了逆流情况下出料端干污泥接触高温气体而产生挥发性臭气物质。气体介质流速是干燥机设计的重要参数之一。工艺气量的大小决定于工艺本身所采用的热交换形式。热传导为主的系统，需要的气量小，因为气体主要起湿分离开系统的载体作用；而热对流系统则依赖气体所携带的热量来进行干燥，因此气量较大。5能量蒸发污泥中的水分是一个耗能的过程。耗能的多少取决于水分的蒸发量。因此，污泥干化前通常进行脱水，降低后续干化过程的蒸发量和能耗。水分蒸发所需的热能是干化系统的基本能耗，包括：

27、 污泥中固体和水分加热到干污泥离开干燥机时温度所需的热量； 将污泥中的水分加热至开始蒸发的热量以及水分蒸发的潜热； 将废气（包括水分蒸发形成的水蒸气）加热至排放温度所需的热量； 抵消热损失所需的热量。除此之外，还会产生其他的能量消耗，与工艺及其相关条件有关，如： 热源，包括热源的类型、传输、储存、利用的条件； 物料，包括污泥的粒度、粘度和污染物含量； 工艺，包括工艺类型、流程、干燥机种类、是否进行能量回收等。以上三个方面条件的不同，导致了干化系统在能耗方面的差别。这一差别有时非常之大，不经分析或验证很难判断其实际运行效果。而以上所有热量均由热介质提供，如热空气、蒸汽、导热油等。3.3.3 关键

28、设计参数计算示例1 直接热干化示例污泥含水率80%，处理规模为120 t/d（5000 kg/h），以热空气为热源进行对流式干化，干化到含固率为91%。干化进泥温度为17；加热前空气温度为22，含湿量为0.008 kg/kg绝干空气；干化污泥温度为60；干燥机尾气温度为116，含湿量为0.120 kg/kg；干燥机的辐射热损失为1054 MJ/h；空气在进入干燥机前经预热器加热。已知比热容参数如下表所示：表3.1 介质的比热容参数介质热容（kJ/kg/）绝干空气1.01绝干污泥1.05水4.19水蒸气1.88求：（1）该干化工艺所需的干空气流量（G, t/h）；（2）干燥机入口空气温度（t2,

29、）；（3）该干化工艺的蒸发效率（%）解：该案例的示意图如下图所示：图3.1 污泥干化案例1的示意图（1）利用系统的水分平衡计算干空气流量（G） 进入干燥机的水分：污泥中的水分=5000 kg/h 80%=4000 kg/h（4 t/d）空气中的水分=G 0.008 t/t干空气=0.008G（t/h） 排出干燥机的水分：干化污泥中的水分=5000 kg/h 20% 91% （100% - 91%）=98.90 kg/h（0.0989 t/h）尾气中的水分= G 0.120 t/t干气体=0.12G（t/h） 进入干燥机和排出干燥机的水分平衡：4 + 0.008G = 0.0989 +0.12G

30、 计算得：G=34.8 t/h（2）利用系统的热量平衡计算干燥机入口空气温度（t2），以0为基准温度计算其他温度下的热焓值。 干燥机的输入热量包括：进泥中的固体和水分的热量（H4）、进入干燥机的空气中绝干空气和水蒸气的热量（H2）。进泥中固体的热量=5000 kg/h 20% 1.05 kJ/kg/ （17- 0）=17850 kJ/h进泥中水分的热量=5000 kg/h 80% 4.19 kJ/kg/ （17- 0）= 284920 kJ/hH4 = 17850 + 284920 = 302770 kJ/h进气中绝干空气的热量=34800 kg/h 1.01 kJ/kg/ （t2- 0）=3

31、5148 t2 kJ/h进气中水分的热量包括：将基准温度（0）的水加热至含湿量为0.008kg/kg时露点温度（查湿空气焓湿图为10）的热量、水在10的汽化潜热（查水蒸气的热力性指标为2477 kJ/kg）、将10的水蒸气加热到t2的热量。进气中水分的热量= 34800 kg/h 0.008 kg/kg干空气 4.19 kJ/kg/ (10- 0)+ 2477 kJ/kg + 1.88 kJ/kg/ (t2 - 10)=278.4 (2518.9 +1.88 t2)= 701261.76 + 523.392 t2（kJ/h）H2= 35148 t2 + 701261.76 + 523.392 t2 = 701261.76 + 35671.392 t2（kJ/h） 干燥机的输出热量包括：干化污泥中固体和水分的热量（H3）、干化尾气中绝干空气和水分的热量（H5）、干燥机辐射散热（HR）。干化污泥中固体的热量= 5000