生活垃圾焚烧发电协同处置市政污泥技术研究——以衡阳市为例

生活垃圾焚烧发电协同处置市政污泥技术研究——以衡阳市
为例
刘志永;郑泽华
【摘要】基于不影响生活垃圾焚烧炉污染物排放达标和焚烧炉正常运行的前提下,对生活垃圾焚烧协同处置污泥进行了系统设计研究和相关实验检测.研究结果表明,进厂污泥含水率可控制在65％以下,污泥造粒转盘热干化技术为首选干燥方法,干燥热源采用0.6 MPa、250℃汽轮机二段抽汽,干燥出料污泥含水率40％时,入炉混烧比例可以不必约束;生活垃圾焚烧发电协同处置市政污泥,其臭味气体、烟气、渗沥液、灰渣等处理设施实现共享并能保证污染物达标排放,可提高污泥无害化、减量化、资源化处置水平.
【期刊名称】《环境卫生工程》
【年(卷),期】2018(026)003
【总页数】5页(P14-17,22)
【关键词】生活垃圾;市政污泥;热干化
【作者】刘志永;郑泽华
【作者单位】航天凯天环保科技股份有限公司,湖南长沙410100;长沙环保(服务)工业技术研究院,湖南长沙410100;永清环保股份有限公司,湖南长沙410300
【正文语种】中文
【中图分类】X799.3;X705
污泥有机物含量高、易腐烂，有强烈的臭味，并且含有寄生虫卵、病原微生物和铜、锌、铬、汞等重金属以及盐类、多氯联苯、二恶英、放射性核素等难降解的有毒有害物质，如不加以妥善处理，任意排放，将会造成二次污染［1］。

污泥的处理处置技术有堆肥、填埋、焚烧等，焚烧法被认为是污泥处理最有效、最彻底的方法，不仅能大大减小污泥的体积，有效杀灭致病菌等微生物，同时还能回收利用污泥焚烧的热能［2］。

协同处置是以生活垃圾焚烧发电产生的蒸汽作为热源，进行污泥的干化处理，干化污泥送至垃圾池与生活垃圾掺混后送焚烧炉焚烧。

污泥干化过程产生的臭气、废水以及污泥在焚烧过程中产生的烟气和灰渣，与生活垃圾焚烧发电厂现有污染防治设施实现共享，污泥焚烧产生的热能由余热锅炉回收可增加蒸汽量。

在生活垃圾焚烧发电厂协同处置污泥方面，除清华大学陈兆林等［2］对市政污泥直接与生活垃圾混烧进行了验证研究，国家知识产权局授权并公开的《一种城市固体废物协同焚烧发电系统》发明专利技术［3］外，其余鲜有报道。

因此，笔者对生活垃圾焚烧协同处置污泥进行了系统设计研究和相关实验检测，基于不影响生活垃圾焚烧炉污染物排放达标和焚烧炉正常运行的前提下论证该技术的可行性和经济性。

1 协同处置工艺研究
1.1 研究基础
衡阳永清环保能源有限公司作为生活垃圾资源化处理湖南省工程研究中心试验基地，于2016年建成投产，项目一期设置2条500 t/d机械炉排炉焚烧线配1台15 MW汽轮发电机组，处理衡阳市区域生活垃圾。

垃圾池臭气作为焚烧炉一次风在850℃以上高温消解；烟气净化系统采用SNCR+半干法+干法+活性炭喷射+布袋除尘组合技术，渗沥液处理系统采用预处理+混凝沉淀+厌氧+外置式MBR（膜生
物反应器）+NF（纳滤）/RO（反渗透）组合系统，浓缩液实现零排放，净水水质达到回用标准，补充循环水量；炉渣综合利用于建材生产，焚烧飞灰采用重金属离子矿化稳定固化技术，经检验浸出毒性达标后进填埋场填埋。

1.2 污泥热干化技术选择
现有的污泥热干化工艺主要有：直接加热转鼓干化技术、间接加热转鼓干燥技术、流化床干化技术、造粒转盘干燥技术［4］、太阳能热泵联合干燥技术、微波加热干化技术等。

综合考虑垃圾电厂热源供应、设备维护费用、运行能耗、二次污染物处置条件，造粒转盘干燥技术具有相对优势。

造粒机与盘式干燥机垂直布置，造粒机在上部，盘式干燥机在下面，造粒机重复造粒破壁热蒸发，盘式干燥机干燥污泥，降低含水率。

造粒工作为垂直的多层次重复工作，每次造粒均以表面热萃取、破壁热干化的颗粒表面热干化为基础，在第一层造粒形成的外表壳干化、脆化、裂化，中间湿软的污泥颗粒，落入第二层后重新混合、打破表皮硬壳，使第一次的外壳变成第二次造粒的内部（核骨架），第一次造粒的内部重新变成表面层重复进行热萃取、破壁热干化。

经过上述多层次的破壁热萃取造粒干化，形成了中间镂空的、极不规则的污泥颗粒。

该颗粒表面积非常大、堆密度很轻、透气性很强，粒径为3～10 mm且独立相互不粘连。

造粒污泥进入盘式干燥机，能够在盘面上部形成很高的平面分布率，强化了设备干燥强度。

泥沙在盘面上形成滚珠轴承面，耙齿与盘面的运动为滚动摩擦，磨损小。

1.3 工艺参数
进入焚烧电厂污泥含水率应小于65%，饼状物料便于封闭式自卸装载车运输，大
幅减少污泥体积，从而降低污泥储存、运输的成本，运输途中无渗沥液滴漏。

干燥热源采用汽轮机第二段抽汽，蒸汽压力0.6 MPa、温度250℃，污泥干燥出料含
水率40%，可以提高污泥的低位热值，以利于污泥的焚烧处理，也利于堆肥等其
他污泥处理方式［5］。

污泥温度到达105℃后，仅有40%水分被蒸发，由于污泥
微粒对水分的吸引及毛吸管作用等，使得余下水分更难被蒸发。

但是当污泥温度上升至150℃时，绝大多数的水分都可以去除，并改变污泥形态，将污泥从难以利
用的流动或黏稠的半固体变为易使用的固体颗粒，杀死污泥中的微生物，提高污泥稳定性，减少污泥使用的环境风险。

加热温度达到220℃以上，可以加速硫化氢、氨等恶臭气体的释放［6］，将污泥中的有毒有害物质进行集中处理，消除恶臭，可以增加污泥处理和利用的安全性、可靠性。

1.4 工艺流程
污泥干燥系统工艺流程见图1。

图1 污泥干燥系统工艺流程
含水率约60%的污泥性状为饼状，采用抓斗给入污泥料斗，污泥经螺旋输送进入
造粒机，在造粒区域造粒后，形成含水率59.5%的污泥颗粒，通过自重落入下方
盘式干燥机，在耙齿的翻动下逐级下落，将污泥颗粒干燥至含水率40%，车载转
运至垃圾池与生活垃圾混匀后进入焚烧炉焚烧。

造粒机和盘式干燥机采用间接加热方式，来自汽轮机二段抽汽分别接入造粒机辊内腔和盘式干燥机多级物料干燥盘，通过接触传热和空气对流传热方式加热污泥，降温后的凝结水回收至热水箱作为锅炉给水循环利用。

干燥废气含有大量水分，经换热器冷却析出凝结废水后，废气80%～85%循环使用，15%～20%含有恶臭成分的废气抽排至垃圾池作一次风在
焚烧炉中高温彻底消解，污泥储存池和污泥流通空间保持微负压，防止臭气外泄。

干燥废气凝结废水中溶解了大部分挥发性有机物，凝结废水进垃圾焚烧发电厂渗沥液处理系统处置。

经物料平衡和能量平衡分析研究，污泥干燥系统蒸汽消耗403 kg/t，电耗9.1 kWh/t。

2 物料检测与实验
2.1 生活垃圾及污泥特性
在衡阳永清生活垃圾焚烧发电厂垃圾池内均匀多点采样，现场制样，实验室进行工业分析和元素分析检测，实验结果见表1。

表1 衡阳生活垃圾收到基全分析数据
在衡阳金达污水处理厂和江东污水处理厂抽取脱水污泥样，实验室进行工业分析和元素分析检测，实验结果见表2。

表2 衡阳市政污泥抽样收到基全分析数据
2.2 污泥焚烧试验
在实验室进行中试模拟焚烧试验，对各种产物和收集物进行重金属和理化性能的数据分析。

本次试验使用小型焚烧反应炉进行，试验系统由供气部分、反应炉、冷凝水收集装置及布袋除尘器组成。

在1 000℃下进行焚烧试验，布袋除尘器收集飞灰，同时收集焚烧后的炉渣产物进行重金属和理化性能分析。

污泥重金属检测数据见表3，污泥焚烧飞灰和炉渣重金属分析数据见表4，150℃下恒温干化污泥产生的凝
结废水分析数据见表5。

表3 污泥重金属含量检测数据（以干基计）mg/kg
表4 污泥焚烧炉渣和飞灰重金属检测数据（以干基计）mg/kg
表5 热干化凝结废水分析检测数据
2.3 电厂飞灰与渗沥液检测
在衡阳生活垃圾焚烧发电厂贮灰库抽取飞灰样，进行重金属含量分析检测和浸出毒性检测，检测结果分别见表6和表7。

表6 电厂焚烧飞灰重金属含量分析检测数据mg/kg
表7 电厂飞灰浸出毒性分析检测数据mg/L注：“L”表示浸出浓度太低未检出。

在衡阳生活垃圾焚烧发电厂渗沥液调节池抽取渗沥液样，分析检测结果见表8。

表8 电厂渗沥液分析检测数据mg/L
3 结果分析
3.1 生活垃圾混烧污泥对焚烧炉运行的影响
衡阳垃圾焚烧发电厂日焚烧入炉垃圾900～1 000 t/d，焚烧炉不需辅助燃料，最
低入炉生活垃圾低位热值为4 605 kJ/kg，由表1可知，焚烧炉入炉生活垃圾低位热值达到了6 480 kJ/kg，焚烧温度长期稳定保持在950～1 050℃，吨垃圾发电
量达到了400 kWh左右，烟气排放指标优于GB 18485—2014生活垃圾焚烧污
染控制标准和欧盟2000标准。

由表2可知，污水厂污泥经机械压滤后，污泥含水率约62%，有机质含量约40%，低位发热量1 068～1 340 kJ/kg。

污泥直接掺混入炉焚烧占比约12%～16%，入炉垃圾低位热值会降低到5 440 kJ/kg左右，但高于焚烧低限热值，保障焚烧温度在850℃也是可行的。

对到厂污泥热干化至含水率40%后，入炉混烧污泥相比减
量约36%，污泥单位热值提高了约2 220 kJ/kg，掺混热干化污泥的入炉垃圾低
位热值在6 196 kJ/kg以上，相比入炉垃圾热值变化小。

因此，生活垃圾混烧市政污泥对焚烧炉正常稳定燃烧不会产生影响。

3.2 生活垃圾混烧污泥对污染物达标排放的影响
由表1和表2可知，污泥中的氯离子含量低于生活垃圾，由表4和表6可知，污
泥单独焚烧产生的飞灰重金属含量远低于生活垃圾焚烧飞灰重金属含量，生活垃圾混烧污泥原烟气各种污染物浓度还会有所下降。

因此，生活垃圾混烧市政污泥对烟气净化达标排放没有影响。

污泥热干化产生凝结废水量约占渗沥液处理能力的12%，生活垃圾沥出渗沥液均
值占渗沥液系统处理能力的50%左右。

由表5和表8可知，凝结废水与生活垃圾
渗沥液混匀后CODCr浓度在40 000 mg/L左右，BOD5浓度约32 700 mg/L，BOD5/CODCr＝0.817，相比降低了2.4%，可生化性能趋好，对厌氧生物处理单元没有影响。

混匀后氨氮浓度由1 875 mg/L降低到1 525 mg/L左右，氨氮浓度降低有利于降低反硝化和硝化系统负荷；总磷下降15%～18%，对微生物生长有
一定负面作用［6］。

通过以上分析，污泥凝结废水与生活垃圾渗沥液混合处理是完全可行的。

垃圾焚烧电厂飞灰为危险废物，需进行稳定化处理且浸出毒性检测符合GB 16889生活垃圾填埋场污染控制标准要求后入垃圾填埋场填埋。

由表4和表6可知，污
泥焚烧产生的飞灰各项重金属浓度除Hg浓度与垃圾焚烧飞灰接近外，其余各种重金属浓度值均远低于垃圾焚烧飞灰。

由表7可知，垃圾焚烧飞灰不经化学螯合处理，重金属浸出毒性检测也仅Pb浓度超标，在实验室化学螯合剂添加量达到
2.5%，Pb浓度浸出毒性检测符合GB 16889标准要求。

因此，生活垃圾混烧污泥不会使飞灰中的重金属浓度升高，反而有所降低，飞灰添加化学螯合剂稳定化处理主要控制Pb的浸出浓度，电厂现场飞灰处理考虑添加药剂的混匀程度差异，化学螯合剂配比应适当提高。

污泥采用过热蒸汽热干化技术，可杀死污泥中的微生物和病原体，提高污泥稳定性，降低污泥使用的环境风险。

干化污泥臭气抽排量约占电厂焚烧炉正常运行一次风量的4%，不会对垃圾池负压保持产生影响。

因此，在垃圾电厂设置污泥干化生产线，异味气体可以得到有效控制。

3.3 生活垃圾协同处置市政污泥的综合效益
生活垃圾协同处置市政污泥可提高污泥无害化、减量化、资源化处置水平，共享生活垃圾焚烧发电的全部配套设施，估算节省投资50%以上，处理成本下降25%以上，可减少企业管理人员50%以上，政府可集中监管，提高监管效能。

协同处置
相比污泥单独处理，环境区域影响面积大为减少，有利于控制社会风险，估算节省项目用地80%。

市政污泥按220元/t给付处置费用，上网电价0.65元/kWh，生活垃圾协同处置市政污泥估算可为垃圾焚烧电厂增加收入约3万元/d，约占生活
垃圾处理收入的10%。

4 结论
1）生活垃圾焚烧发电协同处置市政污泥可提高污泥无害化、减量化、资源化处置水平，环境效益、社会效益、经济效益显著，同时，也符合国家相关产业政策和技术规范的引领方向，可以实施产业化生产及工程应用。

2）污泥造粒转盘热干化技术为首选干燥方法，干燥过程产生的臭气、凝结废水可得到有效收集处置，能耗较低。

市政污泥干化物料含水率控制在40%左右，入炉混烧对垃圾热值影响较小，混烧比例可以不必约束。

3）当干化污泥中的重金属含量不超过农林用肥标准时优先考虑工业化堆肥。

造粒干化污泥颗粒余温45℃左右，加上生物热能，肥堆降温缓慢，有利于菌群快速繁殖生长；堆肥的孔隙率高可以包容足够的氧分，是好氧菌群繁殖的必备条件。

参考文献：
［1］徐强.污泥处理处置技术及装置［M］.北京：化学工业出版社，2003. ［2］陈兆林，温俊明，刘朝阳，等.市政污泥与生活垃圾混烧技术验证［J］.环境工程学报，2014，8（1）：324.
［3］刘志永，易新建，王旭伟，等.一种城市固体废物协同焚烧发电系统：
CN201510635277.6［P］.2015-09-30.
［4］张元才.组合式造粒机：CN201510085369.1［P］.2015-02-16.
［5］刘瓒.污泥干燥处理中典型恶臭的释放特点［D］.杭州：浙江大学，2007. ［6］龚艳.生活垃圾渗沥液水质特性分析及对策［D］.西安：长安大学，2009.。