污泥干化工艺及安全性的理论和实践

　　污泥干化工艺及安全性的理论和实践

　　过去的20多年间，在污泥减量填埋、减量焚烧、无害化土地利用以及其它污泥资源化的实践和摸索中，污泥干化逐步成为能够大规模减量、无害化和资源化处置的有效工艺之一，也是某些污泥最终处置的预处理方法。

　　污泥干化最初是因其高效的减量、无害化效果而受到欢迎的。由于发达国家的填埋场地有限、土地昂贵，与填埋工艺相比，干化工艺因高效的减量化而具有非常高的竞争力，因此成本问题并没有成为人们关注的重心。

　　随着污泥干化厂数量的增加，欧洲和北美干化厂的事故也时有发生，从污泥的自燃，到设备的爆炸；从个别小型附属设备，到整个干燥生产线；无论有无制造或运行同类干化设备的经验，无论安全措施设计得多么复杂、完备，污泥干化厂事故始终没有断绝；许多知名设备企业主动退出了污泥干化领域，甚至一些污泥干化项目停止了运行。

　　众多事故使得一些国家委托了专门的研究机构，对污泥干化制定行业技术导引、规范、标准等。欧盟在1994年就制定了爆炸性气体设备和运行操作标准（ATEX），并于2003年的7月1日全面强制实施。所以安全性的确是污泥干化工艺非常值得关注的焦点。

　　1 污泥干化工艺类型

　　干燥工艺设备类型很多，但根据热能供给形式和换热形式分类，可以分为三个基本类型，即：直接＋热对流、间接＋热传导和间接＋混合。由于能耗、安全性及投资等诸方面原因，到目前为至，真正实现大规模工业化应用的干化设备有以下几种：

　　转鼓式（rotary dryers） 直接＋热对流

　　转碟式（disc dryers） 间接＋热传导

　　圆盘式（paddle dryers） 间接＋热传导

　　流化床式（fluidized bed dryers） 间接＋热对流

　　涡轮薄层式（turbo thin film dryer） 间接＋热对流＋热传导

　　可以说，上述形式代表了世界当前污泥干化工艺的主流。

　　2 污泥干化工艺安全性分析

　　2.1 粉尘浓度

　　由于污泥在全干状态下（含固率>80%）一般呈微细颗粒状，粒径较小，因此，物料之间、物料和干燥器之间、物料和介质之间的摩擦、碰撞使得干化环境中可能产生大量粒径低于150 μm的超细颗粒—粉尘。这种高有机质含量的粉尘，在一定的氧气、温度和点燃能量条件下可能发生燃烧和爆炸，即所谓“粉尘爆炸”。为什么粉尘不燃烧而发生爆炸？原因在于一定氧气含量和点燃能量条件下，在局部空间、均匀混合和处于悬浮态的粉尘必须达到一定的浓度才可能引发燃烧，这个能够导致燃烧的最低浓度值，就是该条件下的“粉尘爆炸下限”。一般认为有机质粉尘的爆炸浓度下限为20～60 g/m³，市政污泥的取值大约在40～60 g/m³之间。污泥干化涉及一系列设备，系统的输送、提升、混合、筛分、粉碎、储存、过滤等操作，由这些操作形成的每一个界面都是粉尘危险区。

　　2.2 氧气含量

　　粉尘燃烧另一个基本条件是具有一定的氧气含量。在一定粉尘浓度和点燃能量下，能够引起燃烧的最低氧气含量称为“最低含氧量（LOC）”。根据研究，保护性气体类型（按顺序氮气、二氧化碳、蒸汽）的不同，分别在5%、6%、10%左右。

　　2.3 点燃能量

　　污泥粉尘必须具备一定的点燃能量。根据研究，市政污泥的点燃能量要求小至几个到十几个毫焦。通常的一个参考量是温度，温度在20℃时，污泥的点燃能量也不会超过10毫焦。而由于一般的干化系统均必须具备一定的温度，典型值在85～125℃之间，此时的点燃能量低至10～100毫焦，由此可以认为，干化系统事实上无法在运行和维护过程中彻底避免点燃源的存在。由于污泥的点燃能量很低，而干化工艺本身就是凭借温度进行的，加上污泥干化所涉及的一系列设备以及污泥在干燥器内本身的流动，即使在静电、金属碰撞等条件都得到控制的情况下，污泥燃烧所需要的点火能量基本上是一个难以避免的问题。

　　2.4 含湿量

　　气体的含湿量虽然归根结底仍然是氧气问题，但由于蒸发所产生的湿度是最有效的惰性气体，对于提高干化系统的安全性有着重要意义，一个干燥系统的湿度就成为降低粉尘浓度、提高点燃能量、降低氧气含量，从而提高整体系统安全性的重要手段。

　　3 影响污泥干化安全的主要因素

　　3.1 干燥工艺的自身缺陷

　　① 设备先天性缺陷

　　从七十年代以来，世界各国开发和试验过污泥的干化技术，研制了污泥干化设备和装置，这些试验和研制几乎全部借鉴于农产品、化工、医药、食品等领域的干燥工艺过程和干燥设备。其方法均是在上述领域原有的干燥器基础上进行污泥的干化试验，其中有成功的，但是更多的是失败的。其原因在于并非所有干燥工艺均适合于污泥这种物料的干化。

　　② 配套设施的可靠性

　　干燥设备只是干化系统的一部分，还涉及大量附属设备，其中包括分离、过滤、筛分、粉碎、混合、输送、提升、储存、供热等。根据工艺不同，辅助配套数量有很大变化。总体来说，设备数量和关键点越多，对系统的稳定性影响越大。绝大部分事故不是源于干燥器本身，而是由辅助配套设施引起的。

　　③ 操作复杂性和人员素质

　　干燥器的原理决定了工艺的区别。而不同的工艺，所具有的工艺变量的数量是不同的，工艺变量越多，系统越复杂，操作难度也越高。污泥干化属于废物垃圾处理范畴，其操作人员的素质难以要求很高。对一个污泥干化厂来说，即使计算机监控和处理系统非常全面和敏捷，其出错的几率始终存在，特别是当这些互相牵制、互相影响的参数被错误调整时，极有可能形成误操作。

　　④ 排除险情手段的有效性

　　对于污泥干化工艺来说，在报警和紧急情况下进行排除险情的操作手段种类非常有限，而手段的有效性也存在很大差别。当一个系统的工艺安全性窗口过窄时，干预甚至难以奏效。一些大型事故的发生就在于系统对出现小事故后根本无法在短时间内彻底排除险情而导致的。鉴于污泥干化系统的投资规模，还必须考虑出现极端性事件（如整厂停电、自动安全系统失灵等）时的安全应变能力。

　　3.2 干燥工艺操作问题

　　① 干泥返混

　　进料泥饼的含固率变化范围较大，一般均在20% ～25%之间。这给大多数污泥干化设备带来了难题，这些系统无法直接处理含固率低于60%的污泥。解决办法就是采用干返混，将大量已经干燥到90%以上的细颗粒返回到系统中进行混合。污泥返混的结果，带来了粉尘量增加等一系列负面影响。而粉尘量增加和粉尘环境惰性化及其控制，对系统管理的复杂性提高。大多数干化工厂的事故均与这些设备相关，如过滤器的堵塞，筛分、仓储、提升和混合系统故障导致的焖燃等。

　　② 逆流工艺

　　逆流作用可以获得更高的处理效率，但由于污泥的粉尘爆炸性质，使得这一工艺仅在极为严格的惰性环境中才能存在。在一个干化系统中，某些干污泥颗粒由于不规则气流、挡板、通道折弯等的作用，可能形成逆流或紊流运动，这时与高热表面或气流相遇，就可能产生颗粒的过热，从而使粉尘增加。

　　③ 多变量工艺参数

　　对于污泥干化系统来说，变量越多，系统越复杂，可靠性越差，效率可能越低。这些变量包括：工艺气体的含氧量；工艺气体的速度、温度、压力；导热油温度、流量；湿泥进泥量、干泥进泥量、混合比例；含氧量等。

　　4 提高污泥干化安全性的主要措施

　　4.1 降低返混量

　　降低污泥返混量的方法，从能量和成本上考虑优势最明显。

　　4.2 降低含固率

　　 降低最终污泥产品含固率（所谓半干化）是提高安全性的最有效方法之一。在一些工艺中已经得到运用。正是由于污泥处置的多途径特点，许多污泥最终处置恰恰要求低含固率产品，如填埋和焚烧。填埋的湿度应在含固率50% ～60%之间，过高则可能导致自燃，且难于使用现有机械摊铺；焚烧则要求50%～ 65%之间，过高容易引起炉温飙升，形成半熔融和熔融物，在焚烧炉通道中堆积。

　　 还有一些处置工艺要求湿度低于全干化。比如污泥裂解油化，由俄罗斯研究机构研制的一种催化装置可以实现有机物的裂解，其中污泥必须干燥到含固率70%，形成粒径低于250微米的超细粉末，在大量蒸汽存在下成为裂化的原料气。这一工艺是已知污泥能源化利用的少数高技术方案之一，对于贫油且污泥产量巨大的国家来说不失为一种良好的前景。

　　 4.3 降低氧含量

　　 干化系统必须实施闭环，同时，所有的干化都必须抽取一定量的气体排出闭环，从而避免干化系统中产生的不可凝气体（一类可燃气体）在回路中饱和，采用抽取的方式，使回路处于微负压状态，避免气体从别的出口、缝隙外溢。负压的形成，可能导致空气进入循环。在紧急停机－重新开机－关机－开机等操作过程中建立适当含氧量平衡前，必须使用惰性气体来控制回路，以避免加温和降温过程中，因含湿量的变化导致氧含量超标。

　　 不同类型设备降低氧含量的方法：

　　 ① 直接加热的转鼓式干燥器

　　 输入能源为高温燃烧烟气，烟气中的二氧化碳和氮气为主要成份，氧含量可能低于5%。保持这样的回路，即可实现低氧特征。但是由于烟气本身含有氧气，燃烧状况与氧气过剩量密切相关，燃料、燃烧条件的变化、波动、大量气体的排放和处理均会影响工艺过程。由于变量多，这一惰性环境的平衡相对说来较脆弱，必须依靠复杂的监控系统保持。正常运行条<