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城市污泥热处理工艺 发展趋势和应用. 汪翠萍 清华大学环境学院 2013 年 5 月 11 日. 第一节 、城市污水 污泥热处理技术发展. 污泥热处理工艺技术. 热水解. 厌氧生物工程. 热能 燃气 生物柴油. 干化. 焚烧. 合成气. 费氏反应. 气化. 生物油. 精 处理. 热解. 新型的热处理工艺包括 热水解:如 Cambi , BioThelys , Exelys 等工艺 低温热干化 热解和气化 超临界氧化. 传统热处理工艺包括 : 热氧化:包括焚烧 湿式空气氧化 热调理,包括流行的热水解工艺: 热干化. - PowerPoint PPT Presentation
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城市污泥热处理工艺发展趋势和应用
汪翠萍清华大学环境学院2013 年 5 月 11
日
干化
气化
热解
热水解 厌氧生物工程
费氏反应
精处理
热能燃气
生物柴油
焚烧
合成气
生物油
传统热处理工艺包括:• 热氧化:包括焚烧• 湿式空气氧化• 热调理,包括流行的热水解工艺:• 热干化
新型的热处理工艺包括• 热水解:如Cambi, BioThelys, Exelys等工艺• 低温热干化• 热解和气化• 超临界氧化
第一节、城市污水污泥热处理技术发展 污泥热处理工艺技术
c )向沼气利用和精炼等能源化方向转变
用作汽车或城市燃气
b )从固含率为 3 ~ 4%% 的低浓度消化向 8 ~ 12% 的高浓度消化转变
a) 污泥与生活垃圾或超市垃圾共消化
带式压滤污泥含水率 86%瑞典 Boden 沼气厂:污泥和有机垃圾协同消化
d )产业化、工业化的发展非常迅速 ( 设备化 )
第二节 污泥厌氧消化国内外发展方向及趋势
污水处理节能降耗途径及效果分析
0
20
40
60
80
100热 药剂
电
产能(国外)耗能 产能(国内)
自给率: 30% (国外) 17% (国内)
0
20
40
60
80
100 自给率: 60% (国外) 35% (国内)
产能(国外)耗能 产能(国内)
高浓度厌氧
0
20
40
60
80
100
120
产能(国外)耗能 产能(国内)
自给率: >100% (国外) 63% (国内)
水热等预处理改善消化池搅拌
进一步提高污泥浓度
高效CHP
参考情形情形一
情形二
污水厂节能
集中处理周边污水 处理厂污泥 餐厨共消化
第二节 污泥厌氧消化国内外发展方向及趋势
热水解工艺Thermal Hydrolysis
热碱预处理• Cambi, BioThelys,
Exelys, 等公司是国际上著名的热水解技术公司,通过热水解对污泥调质增加厌氧消化能力表现为:– 提高有机负荷率– 增加产气量– 改善污泥脱水性能
• 运行条件– 150-175oC– 6-15 bar pressure
通过物理 ( 热和机械 ) 和化学 ( 碱 )联合作用提高污泥厌氧消化有机负荷和产气量;
超声波工艺 其他强化厌氧消化预处理技术
微波预处理技术 高压喷射预处理技术 化学氧化预处理技术 生物强化预处理技术
Lystek
第二节 污泥厌氧消化国内外发展方向及趋势
— 清华大学,威立雅( VEOLIA ) 工作原理:将温度为 150~170ºC 水蒸气加压
至 <12bars ,通入热水解反应器,停留20~60min. 。水蒸气由厌氧消化产生的沼气燃烧锅炉获得,消化污泥经浓缩含固率可提升至15%
降低粘滞系数
减小消化池体积
污泥质量卫生化
改善污泥生物降解性污泥减量和产气
改善脱水性能容积减量化
16% DS ≈ 16 % SS 16% DS ≈ 11% SS(T ≈ 25°C)
热水解后热水解前
1 、污泥水热干化组合技术
第二节 污泥厌氧消化国内外发展方向及趋势
a) 厌氧消化大型化 ( 上海白龙港 )
d )青岛市 100t/d 污泥水热和 EGSB 厌氧项目 e) 呼和浩特市 100t/d污泥水热干化项目
b) 厌氧消化集中处理 ( 大连夏家河 )
c) 开始了餐厨与污泥共消化 ( 中持宁海 )
第二节 污泥厌氧消化国内外发展方向及趋势
污泥干化焚烧工艺
单独焚烧
混烧
流化床焚烧炉
喷雾干燥 + 回转炉
上海石洞口污水厂浙江萧山污泥处理
江苏光大环保垃圾发电
北京水泥厂
绍兴城市污水厂
电厂混烧
水泥窑混烧
垃圾混烧
无锡国联绿由热电项目
江苏光大环保垃圾焚烧发电项目
常州热电公司
广州市越堡水泥有限公司
广州造纸集团热电分厂
浙江萧山污泥干化焚烧工程
北京水泥厂污泥工程项目
3
第三节、城市污水污泥焚烧处理技术发展趋势
2 、污泥干化-焚烧技术
日本东京都污泥焚烧工程
污泥焚烧处置工艺的复杂性
第三节、城市污水污泥焚烧处理技术发展趋势
干燥器形式 热源 热媒温度 /℃
停留时间 国内应用 国外应用
流化床式 蒸汽 220 10-60min 有 多
喷雾式 蒸汽 450-500 10-30s 有 有
盘式 热油 250-300 10-60min 无 较多
转筒式 天然气 / 热油 / 沼气
800 10-60min 无 有
转鼓式 天然气 / 沼气
450-510 10-30s 无 多
带式 冷风 <50 10-60min 无 有
典型污泥干化工艺比较
第三节、城市污水污泥焚烧处理技术发展趋势
1) 技术繁多:流化床、薄膜蒸发器……2) 强手林立:威立雅、三菱、安德里兹……3) 资金巨大: 50-100 万 /t 污泥4) 隔行如隔山结论:
2 、面临的问题
第三节、城市污水污泥焚烧处理技术发展趋势
1 、喷雾-干化焚烧技术的迅速发展
从 2007 年完成 60t/d 的示范, 2009
年建成萧山 360t/d 的工程,到 2011 年3 月 600t/d 的绍兴项目,历时不到五年,跨了三个大的台阶;
后续污泥处理能力分别为 300t/d 和200t/d “ 无锡市惠山区城市污泥焚烧中心”和首创嵊州污泥焚烧处理中心项目在实施过程
60t/d
360t/d
1200t/d
建设地点:无锡市惠山区建设规模: 300t/d 脱水污泥污泥来源: 8座污水处理厂启动时间: 2011 年 3 月目前状态:基本完成投资概算: 7220万元
第三节、城市污泥喷雾干燥-回转窑焚烧技术
1 、气流式雾化器:采用压缩空气或蒸汽以高速 (≥300m/s)
喷出,使料液分离为雾滴。
常用喷雾干燥雾化器常用喷雾干燥雾化器
2、压力式雾化器:利用高压使液体高速通过喷嘴 , 将液体静压能转变为动能经喷嘴高速喷出而形成雾滴。
3、旋转式雾化器:料液在告诉转盘(圆周速度 90~160m/s )中受离心力作用从盘边缘甩出而雾化。
喷雾干燥是采用雾化器将原料液分散为雾滴,并用热气体(空气、氮气或过热水蒸气)干燥雾滴而获得产品的一种干燥方法。原料可以是溶液、乳浊液、悬浮液,也可以是熔融液或膏糊液。干燥产品根据需要可制成粉状、颗粒状、空心球或团粒状。
喷雾干燥原理喷雾干燥原理
第三节、城市污泥喷雾干燥-回转窑焚烧技术
物料干燥时间很短(以秒记); 表面湿润的物料温度不超过干燥介质的湿球温度,特别适用于热敏性物料; 可满足各种质量指标,尤其是色、香、味、生物活性及最终产品的湿含量; 工艺流程简单,易实现机械化、自动化 物料和热源直接接触,干燥的热效率高
喷雾干燥的优点喷雾干燥的优点
产品名称 料液固含量 /%料 液 温度 /℃
产品湿含量 /%干燥温度
进口 /℃ 出口 /℃
染料 ( 有机 ) 20~45 10~40 1.0~6.0 120~450 60~140
全血 15~20 5~20 8.0~12.0 200~250 85~100
咖啡萃取物 35~55 20~30 3.0~4.5 180~300 80~115
鸡蛋(清) 20~24 5~10 3.0~4.0 180~200 80~85
单细胞生物化学制品 15~25 10~20 4.0~10 200~250 100~130
第三节、城市污泥喷雾干燥-回转窑焚烧技术
60t/d 的中试试验• 前期选取压力式喷嘴:容易堵塞,致使管道和雾化器出口压力无
限升高,危险增加,更换频繁且耗时长• 中期选取离心式雾化器(即旋转式):磨损严重,更换频繁,难
以找到匹配材质
360t/d 的生产性试验 借鉴脉动燃烧喷雾干燥机理,基于压
力式喷嘴作用原理,利用焚烧高温烟气作为脉冲流,与污泥顺流接触,辅以压缩空气,从侧向作用,在打散污泥的同时,形成强烈湍流和复合脉动,加快污泥液滴的蒸发,避免了单独采用压力式存在的堵塞问题。
第三节、城市污泥喷雾干燥-回转窑焚烧技术2、喷雾-干化焚烧工艺关键技术开发
600t/d 污泥干化焚烧工艺流程
空气 混风器
二燃室(竖) 煤燃烧空气
助燃气
干化塔储泥罐链输送
焚烧窑 干化塔
600~900℃
含水率20%
泵含水率80% 渣 渣
煤燃烧空气
助燃气
补充热1300℃
汽车外运
旋风除尘
布袋除尘
活性炭
链输送
链输送
碱洗
煤燃烧
煤
1300℃
煤煤 煤渣
水洗
排气管
泥罐臭气
空气 混风器
二燃室(竖) 煤燃烧空气
助燃气
干化塔储泥罐链输送
焚烧窑 干化塔
600~900℃
含水率20%
泵含水率80% 渣 渣
煤燃烧空气
助燃气
补充热1300℃
汽车外运
旋风除尘
布袋除尘
活性炭
链输送
链输送
碱洗
煤燃烧
煤
1300℃
煤煤 煤渣
水洗
排气管
泥罐臭气
储渣槽
工艺流程示意图
第三节、城市污泥喷雾干燥-回转窑焚烧技术
1200t/d 干化焚烧示范项目概况 绍兴市污水处理厂污泥干化焚烧项目,污泥来源为绍兴市滨海工业园区内各印染企业印染废水处
理产生的脱水污泥。 2011 年 1 月启动运行,设计总规模 1200t/d ,一期规模 600t/d ,采用喷雾干燥 + 回转窑焚
烧工艺,设两条平行生产线,每组处理规模 300t/d 。
实现污泥干燥焚烧技术国产化,占地面积小,投资成本低,运行费用省;
直接干燥干化速度快,烟气焓值利用率高,热效率高 >80% ( 进气 550oC ,出气<100oC)
直接利用焚烧高温烟气并流干燥安全性高, (尘爆和失火 ) ,实现热能高效安全回收利用;
污泥粒径低,燃烧迅速,燃烬率高, 污染物排放浓度低,尾气高效处理和二恶英可有效控制;固体以灰渣形式排出没有危废的产生和处置问题;
系统简洁,便于操作管理
第三节、城市污泥喷雾干燥-回转窑焚烧技术
预热阶段
恒速阶段 降速阶段
非结合水分汽化阶段
结合水分汽化阶段
干燥时间
物料水分曲线
物料温度曲线
干燥速度曲线
(1)预热阶段:高温烟气将热量传给湿污泥,开始汽化;干燥速度由 0增加至最大值;汽化水量约5% ;(2)恒速阶段:污泥水分汽化进入热烟气,内部水分不断向表面扩散,使其保持湿润状态;干燥速度达最大并保持不变;汽化水量约 80% 。(1)+(2) 脱除非结合水,即自由水和部分毛细管水;污泥表面温度为加热介质的湿球温度。
(3) 降速阶段: A)内部水分向表面扩散速度小于表面水分汽化速度,发生部分汽化,干燥速度均匀下降,汽化水量降低汽化热减少,污泥颗粒温度升高;B)随干燥表面增加,热量向内部传递,水分在颗粒内部汽化成水蒸气后再向表面扩散,发生内部汽化,干燥速度甚低,颗粒温度继续升高。(3) 脱除部分结合水,颗粒温度逐渐逼近介质的干球温度
污泥干燥过程曲线污泥干燥过程曲线
第三节、城市污泥喷雾干燥-回转窑焚烧技术
平衡阶段
湿度和温度的关系 从温度 -湿度关系图可知,即便相对湿度为零,其湿球温度也仅为 115℃ ,而在相对湿度为 100%时,其湿球温度仅为 40℃ 。
湿球温度通常可通过干燥器尾气排放温度表征,监测结果显示,尾气排放温度为70~90℃ ,因此污泥不存在自燃可能性。
在 100℃之下即使低沸点挥发性有机质也难于挥发,仅仅是恶臭气体随尾气排出
3 、安全性控制(燃烧和挥发性有机物)
第四节、关于新工艺的一些问题的质疑
喷雾干燥粉爆控制喷雾干燥粉爆控制
粉尘爆炸的条件归结起来有以下 5 个方面的因素 :
( 1 )要有一定的粉尘浓度,最低为 60g/m3 ;( 2 )要有一定的氧含量,最低含氧量应在 5%-15%之间;( 3 )要有足够的点火源,干化污泥最低着火温度为 360-550℃ ;( 4 )粉尘必须处于悬浮状态,即粉尘云状态;( 5 )粉尘云要处在相对封闭的空间, 压力和温度才能急剧升高。
预防发生爆炸
控制一定量的粉尘
控制流化速度
控制循环风量
控制一定的氧含量
气体回路的密闭性
运行中查漏
控制点火能量 控制内部温度
防止局部温度上升
防止有机气体大量挥发
第三节、城市污泥喷雾干燥-回转窑焚烧技术
600t/d示范工程装置测试结果( 30天封闭式监测)1 )粉尘浓度 <5g/m3 (即使全部干化污泥作为粉尘计,浓度为 37.6g/m3 ) <60
2 )氧浓度(含氧量): 11.9%~13%
3 )烟尘温度均低于 100℃4 )干化污泥与烟气高速落下,不会形成粉尘云5 )不存在有机气体的挥发
结论:系统安全性高,不存在
发生粉爆的条件
第三节、城市污泥喷雾干燥-回转窑焚烧技术
当前烟气排放水平当前烟气排放水平
序号 监测项目
总排放口 GB18485
第一周期 第二周期 2001
时均值
标干风量 106000 118000
1 烟尘 50.9 68.0 80
2 SO2 231 196 260
3 HCl 12.7 5.14 75
4 NOx 380 322 400
5 CO 94.1 112 150
6 Hg 0.00435 0.00375 0.2
7 Cd+Tl 0.016 0.014 0.1
8 Pb+ 其它 0.164 0.142 1.6
排放水平达到 GB18485-2001标准要求。
第三节、城市污泥喷雾干燥-回转窑焚烧技术
关于新工艺的一些质疑问题的解答:
46m 42m 40m 38m 36m 22m0
0.01
0.02
0.03
0.0400000000000001
0.0500000000000001
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.71#干燥塔 2#干燥塔 窒内空气 TVOC标准
干燥塔沿程点位及高度
TVO
C浓度(
mg/
m3)
室内
空气
TVO
C标准
(m
g/m
3)
1 )喷嘴出口气量: 32767m3/s , 2m 内平均截面 S=3m2 ,与污泥接触时间约~0.66s ;2 )塔内平均风速 0.3m/s ,总接触时间约1.8 分钟
塔顶 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8#0
100
200
300
400
500
取样高度
温度
(℃
)第三节、城市污泥喷雾干燥-回转窑焚烧技术
二噁英二噁英
新标准中二噁英进行分级设定排放限值,其中单炉: 150t/d以上执行 0.1 ng TEQ/m3 , 50-150t/d执行 0.3 ng TEQ/m3 ;
50t/d以下执行 0.5ng TEQ/m3 。
根据干燥器的布袋除尘器实际运行状况,上述监测指标,执行新旧标准均不超标。
布袋进口 布袋出口 总排放口 旧标准 新标准0.070 0.025 0.017 1.0 0.1~0.5
该项目处理脱水污泥折合含水率 25% 干
化污泥160t/d 。
第三节、城市污泥喷雾干燥-回转窑焚烧技术
除雾装置的继续开发雾气存在弊端:误以为排放有害气体,敏感区难以实施;对气候产生影响;雾气中存在 ~20um以下的粉尘核。
四级喷淋:低温循环水喷淋—低浓度碱液喷淋—
高浓度碱液喷淋—清水洗涤
除雾方案
多孔板除雾器
第三节、城市污泥喷雾干燥-回转窑焚烧技术
Cu Zn Pb Cd As Hg TCr Ni
残渣 0.039 0.071 <0.07 <0.04 0.08 <0.0001 <0.05 1.87
浸出毒性标准(GB5085.3-2007)
100 100 5 1 5 0.1 15 5
参照欧盟废弃物焚烧规范,根据示范工程监测,喷雾干燥+回转式焚烧炉系统排出的烟气中 CO小时均值为 74.1mg/Nm3 ,低于 100mg/Nm3 ,表明污泥在焚烧炉中已经获得完全燃烧。
焚烧工况监测结果焚烧工况监测结果
残渣浸出毒性残渣浸出毒性
残渣浸出毒性远低于危废标准,属一般废物,可作为建材利用
第三节、城市污泥喷雾干燥-回转窑焚烧技术
第四节、城市污水污泥干化 - 热解处理处置技术
热解原理
污泥热解优势及前景
无氧
加 热
气体
热解液
污泥炭
气体
热解液
一次裂解二次裂解
热解
技术优势 国
际发展趋势
国家政策倾向污
泥资源
性
减量化 稳定化 无害化 资源化
满足
污泥含有的有机质及营养元素含量逐
年提高
污泥或其它固废资源化成国际发展趋势
国家技术政策鼓励废物资源化和
能源化
良好发展前景⊙减少温室气体⊙抑制二噁英⊙固化重金属⊙产物多样化利用
日本东京都东部污泥炭化工厂
第四节、城市污水污泥干化 - 热解处理处置技术国内外污泥热解案例☆澳大利亚 Enersludge 工艺 ☆德国戈尔德霍夫热解厂 ☆美国 SlurrycarbTM 工
艺
☆日本三菱公司碳化厂☆湖北博实碳化厂☆晋中低温碳化厂
采用热解与挥发相催化改性两段式,1999 年建成处理量为 25吨(干) /d污泥炼油厂。
采用中温 450-500 、运行时间30min 对生活垃圾与污泥混合物进行热解。
采用低温高压工艺, 2005 在美国加州 Railto建成 625吨 /d 的处理厂。
采用间接加热回转窑, 2007 年建成处理规模 99000吨 /y 。
引进日本的“内破碎装置的回转圆筒干燥机 +开孔管竖式多段螺旋碳化机”工艺, 2011 年建成处理规模 10吨 /d.
2010 年,天津机电与山西建成了 100吨 /d 的低温碳化示范工程。
第四节、城市污水污泥干化 - 热解处理处置技术
Platzhalter text
污泥小试批示实验研究
Platzhalter text
污泥热重实验研究 污泥一或二段连续催化实验研究
Platzhalter text
污泥中试热解模拟工程一体化研究污泥热解产物应用化研究
批示料斗 电动葫芦 污泥料仓 高压泵
喷雾器 干化塔
50t/d(含水率80%)
热解炉
旋风除尘器 布袋除尘器
链运机
净化塔 烟囱
燃烧室
水套螺旋热解炭储备仓
引风机
空气
气体量60000m3/d
干化污泥12t/d
热解炭5t/d
热解气8400m3/d
污泥干化 + 热解一体化 50吨 /d示范工程建设
污泥热解实验研究
第四节、城市污水污泥干化 - 热解处理处置技术污泥热重及小试热解实验研究
加热速率在 10—40k/min 范围内对污泥热解过程影响不大,在实际工程中不需安装设计调控速率的繁琐程序和昂贵的设备。
以减量化与制油为目的污泥中温热解的反应温度为 450--500 ℃ ,维持时间为30min ,业界认可的污泥热解运行工况。
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
40
50
60
70
80
90
100
110
10 /min℃ 20 /min℃ 40 /min℃
T ( )℃
TG
/%
-0.0030
-0.0025
-0.0020
-0.0015
-0.0010
-0.0005
0.0000
DT
G/%
/min
热解终温对产物产率的影响
热解气的组分
300 350 400 450 500 550 6000%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
0
20
40
60
80
100
120
140
solid yields % liquid yields %T/℃
soli
d an
d li
quid
yie
lds
(%)
gas
yiel
ds(L
/kg
第四节、城市污水污泥干化 - 热解处理处置技术中试研究
中试装置形成了模拟工程污泥干燥、污泥连续密闭输送、热解、液气分离及回用、烟气净化等集成一体化的功能。
中试装置具有与小试基本相同的运行工况及热解特性;液气产物所具有的能量能满足热解本身所需之能。
热解气回燃 热解油
第四节、城市污水污泥干化 - 热解处理处置技术
-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
10
20
30
40
50
60
NO
3 (m
g/L)
T (,min)
添加甲醇NO3 添加反应水NO3-
☆污泥炭 含有丰富的 N 、 P 、 K 等营养元素;污泥炭的孔隙结构具有抗旱蓄水、改善土壤板结增加疏松度;污泥炭中重金属稳定能力强、浸出率低;元素碳以固定碳稳定形式存在,减少温室气体排放。
☆污泥炭含有丰富的孔径,具有一定的吸附性能,碘值能达到 400mg/g 以上,对城市污水中的 SCOD去除率达 40% 以上;污泥炭具有接近标煤一半的热量,可作为燃料使用。
产物利用研究
☆热解油和非冷凝气作为能源之外,从热解液分离出的反应水,含有丰富碳源,对污水反硝化具有很好的脱氮效果。
保湿性对比
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
50
100
150
200
250
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
溶出 生活污水
加炭污水 去除率
SCO
D(
mg/
L)
吸附时间( min )
SCO
D去除率
预处理装置脱水污泥 干燥器
其他物料
热解炉
气体燃烧器
冷凝器
油燃烧器
冷凝介质
油水分离器
尾气处理装置
热解炭
热解油
共热解污水污泥一体化处理系统
第四节、城市污水污泥热解 (碳化 ) 处理技术
煤炭燃烧室
土壤改良剂
吸附剂
燃料
反硝化碳源
反应水
污水吸附剂
Thanks!谢谢大家!
清华大学环境学院2011 年 5 月 20
日
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