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