到2025年，我國污泥產(chǎn)量預(yù)計超過0.9×108t/a。有數(shù)據(jù)表明，目前我國有超70%污泥未得到妥善處置，污泥任意堆放不僅占用大量土地資源，其造成的污染和再污染問題已日益嚴重，并引發(fā)社會的廣泛關(guān)注。

污泥中包含一系列有機污染物（苯、氯酚、多氯聯(lián)苯等）、病原微生物、重金屬（Cu、Cd、Cr等）、鹽分及氮、磷等養(yǎng)分，若處置不當(dāng)，這些有害物質(zhì)可能以其他形式轉(zhuǎn)移到環(huán)境中，可能造成水體與土壤中有機污染物與重金屬超標、病原體泛濫及水體富營養(yǎng)化等嚴重生態(tài)環(huán)境污染。研發(fā)適合我國污泥特性和符合“美麗中國”建設(shè)需求的先進污泥處置技術(shù)刻不容緩。

生物質(zhì)是自然界唯一的含碳且可再生資源，具備量大、易得、燃燒產(chǎn)物對環(huán)境友好等一系列特點。氫能是替代能源中最清潔的能源，產(chǎn)生的水是唯一的燃燒產(chǎn)物，從而能夠真正實現(xiàn)污染物的“零排放”。Baykara等從環(huán)境影響的角度進行分析，認為生物質(zhì)的碳中性特征使生物質(zhì)氣化制氫變得非常理想。Dincer等評估了使用可再生和不可再生資源的19種制氫方法，結(jié)果顯示：在能源效率、?效率及生產(chǎn)成本方面，生物質(zhì)氣化具有顯著優(yōu)勢。

污泥也是一種可再生資源，在某種程度上可以通過熱解氣化的方式回收具有一定品質(zhì)的燃料，然而受限于污泥揮發(fā)分含量低、灰分和硫含量高、固定碳反應(yīng)性較差等特點，污泥熱解氣化產(chǎn)生高附加值產(chǎn)物有待深入研究；同時，由于濕污泥干化過程中需消耗大量熱能，污泥熱解氣化能耗大、成本高，也是制約污泥高質(zhì)資源化利用的瓶頸。綜合濕污泥含水量大的特點，采用秸稈、木片等農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物作調(diào)節(jié)劑，充分利用其含水率低、揮發(fā)分含量高、碳含量高的優(yōu)點進行污泥+生物質(zhì)共氣化，不僅能控制物料含水率，降低能耗，還可以改善污泥氣化特性，提升產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣率和產(chǎn)氣熱值，進而實現(xiàn)高質(zhì)氣化效果。

以湖北省鐘祥市污泥氣化工程項目為例，全面介紹了污泥與生物質(zhì)共氣化技術(shù)的原理、工藝流程、運行效果及相關(guān)管理經(jīng)驗，可為生活污泥處置和高質(zhì)資源化利用提供新思路、新技術(shù)和示范案例。

1、項目概況

該污泥氣化項目設(shè)計規(guī)模為處置80%含水率污水污泥120t/d，位于湖北省鐘祥市南湖經(jīng)濟開發(fā)區(qū)第一污水處理廠內(nèi)。生產(chǎn)區(qū)占地約2000m2，主要負責(zé)處置鐘祥市第一污水處理廠、第二污水處理廠以及12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水廠產(chǎn)生的污泥。鐘祥市第一污水廠設(shè)計處理規(guī)模為7.5×104m3/d，鐘祥市第二污水廠設(shè)計處理規(guī)模為1×104m3/d，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水廠設(shè)計處理規(guī)模總計約1×104m3/d，產(chǎn)生污泥（含水率為80%）35~45t/d，其中鐘祥市第一污水處理廠污泥為30~35t/d，占比約80%。該項目采用湖北加德科技股份有限公司自主研發(fā)的雙流閃蒸干化耦合流化床熱解氣化技術(shù)，采用EPCO模式，建設(shè)單位為鐘祥城市建設(shè)投資公司，工程總投資為2221萬元。

2、閃蒸干化耦合流化床熱解氣化工藝

2.1 工藝原理及流程

該工藝對旋風(fēng)干燥技術(shù)進行改進，形成獨特的雙流閃蒸干燥技術(shù)，并針對城市污泥等有機固廢干燥后形成顆粒可燃物與生物質(zhì)顆粒，利用流化床協(xié)同熱解氣化二次燃燒，將干化和氣化兩個相對獨立的系統(tǒng)強耦合，形成獨具特色的污泥閃蒸干燥耦合熱解氣化技術(shù)路線。該技術(shù)高效利用干燥后污泥顆粒與生物質(zhì)顆粒在流化床中熱解氣化產(chǎn)生的可燃氣二次燃燒后產(chǎn)生的余熱煙氣作為雙流閃蒸干燥裝置的熱源，干化污泥經(jīng)輸送裝置進入流化床耦合生物質(zhì)共氣化產(chǎn)生可燃氣，整個系統(tǒng)實現(xiàn)能量的閉式循環(huán)，氣化終產(chǎn)物灰渣可用作建材，污泥得到減量化、無害化、資源化和穩(wěn)定化處置。

污泥閃蒸干化耦合熱解氣化工藝的核心關(guān)鍵是雙流閃蒸干燥技術(shù)和污泥流化床熱解氣化技術(shù)，其中雙流閃蒸干燥技術(shù)通過一體化雙流閃蒸干燥機，利用污泥熱解氣化產(chǎn)生的可燃氣燃燒后的余熱煙氣將含水率80%的污泥霧化成顆粒，污泥和熱煙氣接觸面積擴大上千倍，含水率80%的濕污泥在干燥機中3~6s內(nèi)瞬間完成熱交換，實現(xiàn)濕污泥水分蒸發(fā)。污泥流化床熱解氣化技術(shù)利用空氣和水蒸氣作為氣化劑，在缺氧條件下，以干燥后污泥和生物質(zhì)顆粒作為原料，通過自燃放熱、吸熱裂解和氣化等化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)能量遷移，將能量轉(zhuǎn)化后保留在可燃氣中，可燃氣含有氫氣、一氧化碳和甲烷等高熱值氣體，可燃氣體實現(xiàn)二次燃燒釋放熱量作為污泥干燥熱源，同時，可燃氣也可作為綠色能源。

工藝流程如圖1所示。

2.2 各子系統(tǒng)設(shè)計

污泥閃蒸干化耦合熱解氣化工藝分為6個子系統(tǒng)，包括濕污泥貯存系統(tǒng)、污泥干燥系統(tǒng)、熱解氣化系統(tǒng)、熱能利用系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)和灰渣系統(tǒng)。其中核心設(shè)備為雙流閃蒸干燥機和流化床氣化爐。

①濕污泥貯存系統(tǒng)

含水率為80%的濕污泥通過污泥專用運輸車經(jīng)地磅稱量后卸入濕污泥儲倉，經(jīng)螺桿泵輸送至干燥機前濕污泥中轉(zhuǎn)倉。中轉(zhuǎn)倉內(nèi)污泥干燥給料螺旋安裝有計量裝置，整個濕污泥轉(zhuǎn)運過程密封運輸，系統(tǒng)維持負壓，避免臭氣外逸。

②污泥干燥系統(tǒng)

中轉(zhuǎn)倉內(nèi)含水率為80%的濕污泥經(jīng)給料螺旋輸送機定量輸送至干燥機；濕污泥在硫化機內(nèi)經(jīng)尾部再循環(huán)煙氣高速氣流破碎、流化后，由熱風(fēng)爐中可燃氣燃燒產(chǎn)生的熱煙氣作為熱源進行干燥，雙流閃蒸干燥機可在3~6s內(nèi)將污泥由含水率80%左右干燥至30%左右；干化后的污泥顆粒粒徑約1mm，由煙氣氣力輸送后經(jīng)旋風(fēng)分離器和布袋除塵器進行粗細干污泥顆粒與煙氣的氣固分離，分離出來的干污泥顆粒經(jīng)輸送裝置送入氣化爐，煙氣進入環(huán)保尾氣處理系統(tǒng)。

③熱解氣化系統(tǒng)

干污泥顆粒經(jīng)刮板輸送裝置送至干污泥爐前料倉，與生物質(zhì)成型燃料經(jīng)給料螺旋送入流化床氣化爐。在流化床氣化爐中低氧還原性氛圍進行熱解氣化反應(yīng)，氣化劑為空氣，在高溫條件下干污泥和生物質(zhì)發(fā)生干燥、熱解、氧化、還原、重整反應(yīng)，熱解產(chǎn)生的焦油進一步熱裂化或催化裂化，轉(zhuǎn)化為小分子碳氫化合物，最終得到可燃氣，可燃氣主要成分為CO、H2和CH4等。系統(tǒng)產(chǎn)生的可燃氣進入熱風(fēng)爐燃燒。

④熱能利用系統(tǒng)

可燃氣體在熱風(fēng)爐內(nèi)進行完全燃燒，產(chǎn)生850~1000℃高溫?zé)煔猓瑴囟瓤刂萍纫獫M足二口惡英的控制條件，又要考慮灰熔點，避免結(jié)焦。高溫?zé)煔饨?jīng)配風(fēng)降溫后進入干燥機用于80%含水率濕污泥的干燥，作為可燃氣助燃劑的空氣經(jīng)空預(yù)器加熱，該方式可有效降低排煙溫度，提高整個系統(tǒng)的能源利用率。

⑤尾氣處理系統(tǒng)

經(jīng)氣固分離的煙氣，由空預(yù)器回收部分熱量，用作氣化系統(tǒng)氣化劑和熱能利用系統(tǒng)助燃劑，煙氣進入噴淋洗滌塔去除氨氣、二次除塵、急冷至50℃以下，送入生物除臭系統(tǒng)進行除臭處理達標后，經(jīng)15m高煙囪排入大氣。按照環(huán)評批復(fù)，該項目廠界惡臭污染物NH3、H2S排放濃度應(yīng)達到《惡臭污染物排放標準》（GB14554—1993）相關(guān)限值，粉塵、SO?排放濃度應(yīng)達到《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標準》（GB9078—1996）中二級限值要求，NOx排放濃度應(yīng)達到《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB13271—2014）中燃氣鍋爐排放標準。

⑥灰渣系統(tǒng)

氣化飛灰由可燃氣、煙氣攜帶經(jīng)旋風(fēng)分離器分離，飛灰經(jīng)冷卻螺旋冷卻至150℃以下后，經(jīng)倉泵氣力輸灰系統(tǒng)送入灰渣倉，然后由專用車輛運輸出廠，氣化灰渣可用于土壤改良和作為建材使用。

3、運行效果

該項目于2018年8月建成并進行調(diào)試、試運行，2020年9月完成環(huán)保驗收，2020年10月開始進入商運期，截至目前已穩(wěn)定持續(xù)運營超過3年。實際污泥處置量平均為70~80t/d，污泥減量化程度達90%以上，灰渣供周邊建材廠使用。該項目廢水水質(zhì)滿足《污水綜合排放標準》（GB8978—1996）的三級標準及鐘祥市第一污水處理廠污水接管標準后，通過污水管網(wǎng)排放至鐘祥市第一污水處理廠處理。廠界噪聲滿足《工業(yè)企業(yè)廠界噪聲排放標準》（GB12348—2008）中3類標準限值。一般工業(yè)固廢嚴格按照《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場污染控制標準》（GB18599—2020）有關(guān)規(guī)定，配套建設(shè)規(guī)范的物料堆放場，污泥氣化后產(chǎn)生的灰渣用于混凝土摻和料、土壤改造，以及水泥原料、水泥混合材料、高級填料等資源化利用途徑。廢活性炭屬于危險廢物，按《危險廢物貯存污染控制標準》（GB18597—2023）的有關(guān)規(guī)定建設(shè)危廢暫存間，按其規(guī)定進行管理，并委托有相應(yīng)危險廢物處置資質(zhì)的單位處理。

3.1 污泥處置效果

原泥泥質(zhì)分析見表1。

由表1可知，污泥含水率為84.6%，有機質(zhì)含量為41.0%，不滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨焚燒用泥質(zhì)》（GB/T24602—2009）標準要求，因此未采用污泥單獨焚燒工藝。該項目采用雙流閃蒸干化耦合流化床熱解氣化工藝，含水率約80%的濕污泥經(jīng)雙流閃蒸干燥機3~6s內(nèi)瞬間被干燥至含水率30%~40%，生物質(zhì)成型顆粒和干污泥從不同的進料口經(jīng)螺旋輸送至氣化爐（流化床），二者在爐內(nèi)共氣化產(chǎn)生可燃氣，可燃氣燃燒超850℃經(jīng)配風(fēng)降溫至600℃左右進入干燥機作干燥熱源，熱解氣化的最終產(chǎn)物（灰渣）質(zhì)量不超過最初污泥質(zhì)量的10%，減量化程度高達90%以上，灰渣符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置制磚用泥質(zhì)》（GB/T25031—2010）中各項指標要求。

熱解氣化后灰渣檢測見表2。由表2可知，污泥減量化、無害化、資源化利用得以實現(xiàn)，真正達到“以廢治廢，變廢為寶”目的。

圖2為不同階段污泥形態(tài)。

3.2 尾氣處理效果

在生產(chǎn)過程中嚴格要求、積極落實各項大氣污染防治措施。生產(chǎn)線設(shè)置在封閉的廠房內(nèi)，加強傳輸料口的銜接、物料傳輸帶應(yīng)封閉，認真落實污泥在裝卸料、貯存和烘干過程及生物質(zhì)堆場揚塵等無組織排放廢氣措施。廠界惡臭污染物（H2S、NH?）外排應(yīng)達到《惡臭污染物排放標準》（GB14554—1993）表1的二級標準；生產(chǎn)裝置尾氣經(jīng)1套布袋除塵-噴淋洗滌-生物除臭-活性炭裝置處理后，由15m高煙囪排放。NH3、H2S排放濃度應(yīng)達到《惡臭污染物排放標準》（GB14554—1993）相關(guān)限值，粉塵、SO2排放濃度應(yīng)達到《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標準》（GB9078—1996）的二級限值要求，NOx排放濃度達到《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB13271—2014）的燃氣鍋爐排放標準。該項目有組織排放檢測數(shù)據(jù)見表3。

無組織排放檢測數(shù)據(jù)見表4。由表3、4可知，廢氣排放濃度均達到相關(guān)排放標準要求。

4、項目總結(jié)

4.1 經(jīng)濟性分析

該項目直接運行費用包括生物質(zhì)成型燃料、水、電、人工、藥劑等，其中生物質(zhì)費用占比高達50%以上。生物質(zhì)的添加量受污泥有機質(zhì)含量、含水率、熱值的影響較大，約為100~150kg/t濕污泥。生物質(zhì)采用農(nóng)林廢棄物作成型燃料，其售價約800元/t，污泥處置生物質(zhì)燃料費用約80~120元/t；電耗約60kW·h/t濕污泥，電價為0.75元（/kW·h），污泥處置電費約45元/t；由于該項目位于鐘祥市第一污水處理廠區(qū)內(nèi)，設(shè)備冷卻及洗滌用水采用中水，可不計水費；總直接運行費用為180~200元/t，與常州市污泥焚燒中心一期工程260~290元/t和鄂州污泥碳化項目213~247元/t相比，更有經(jīng)濟優(yōu)勢。

4.2 運行管理

該項目為湖北加德科技股份有限公司自主研發(fā)設(shè)計實施的國內(nèi)首個污泥熱解氣化項目。在調(diào)試和運行過程中積累了豐富的經(jīng)驗，并不斷優(yōu)化改造和調(diào)整，可為后續(xù)污泥熱解氣化項目提供參考。

①氣化爐設(shè)計

系統(tǒng)兩大核心工藝是熱解氣化和污泥干化，干化是系統(tǒng)最大的能量消耗部分，熱解氣化是整個系統(tǒng)的驅(qū)動力，因此氣化爐的設(shè)計至關(guān)重要。在氣化爐設(shè)計過程中最關(guān)鍵的是流化風(fēng)的設(shè)計和污泥與生物質(zhì)入料口的設(shè)計，既要滿足良好的流化需要，又要避免氣化分層爐內(nèi)溫度分布不均勻。

②系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力設(shè)計

由于污泥含水率和熱值以及污泥量波動較大，為保證多介質(zhì)氣化系統(tǒng)運行平穩(wěn)，要求系統(tǒng)具備較大處置能力調(diào)整區(qū)間，抗逆性強，外界變化系統(tǒng)可快速響應(yīng)調(diào)節(jié)，具備較強的自適應(yīng)及調(diào)整能力。為保證系統(tǒng)物料平衡和熱力煙風(fēng)平衡，該項目風(fēng)機及給料機均采用變頻控制，可滿足60%~110%設(shè)計處置量（120t/d）的較大調(diào)整區(qū)間。

③物料輸送

系統(tǒng)運行過程中涉及含水率80%污泥輸送、30%含水率干污泥長距離輸送、30%干污泥入爐輸送、生物質(zhì)成型燃料輸送等。對于含水率80%濕污泥輸送，建議采用螺桿泵變頻連續(xù)運行。含水率80%濕污泥具有一定的流動性，可長距離輸送，嚴禁空轉(zhuǎn)損壞螺桿泵，長期停用管道內(nèi)污泥易板結(jié)，再次啟動時應(yīng)低頻點動。對于含水率30%干污泥長距離輸送，建議采用刮板輸送，可有效避免污泥黏壁，運行過程中要做好邏輯連鎖保護，后段刮板比前段刮板輸送量大，這樣可以避免污泥堵料，后段跳閘而前段刮板聯(lián)跳，啟動階段先開后段刮板，前段刮板才可以啟動。對于干污泥和生物質(zhì)入爐，建議采用無軸料塞螺旋，既可避免有軸螺旋干污泥黏附軸上導(dǎo)致出力減小，又可以避免爐內(nèi)煙氣反串。

④節(jié)能減排

生物質(zhì)耗量是系統(tǒng)最大成本，運行過程中嚴格按照運行操作規(guī)程控制污泥干化程度，定期檢測原泥含水率，及時反饋數(shù)據(jù)給污水處理廠，減少生物質(zhì)耗量。系統(tǒng)運行過程中嚴格控制流化床的床壓和布袋進口溫度，在流化良好前提下盡量維持低床壓運行，減少流化風(fēng)機電耗，嚴格控制布袋進口溫度為180~220℃，避免排煙溫度過高造成熱量損失。嚴格控制環(huán)保藥劑使用量，增加在線投加藥劑和檢測設(shè)備，提高設(shè)備自動化水平和可靠性。

⑤人員管理

該項目配備運行人員12人，采用“四班三倒”模式，每班組3人，其中2人負責(zé)運行監(jiān)護操作，另1人負責(zé)設(shè)備巡檢。運行人員嚴格執(zhí)行“兩票三制”，杜絕違章指揮和違章作業(yè)，定期組織相關(guān)培訓(xùn)考核，持證上崗。

⑥標準規(guī)范

目前，國內(nèi)污泥熱解氣化技術(shù)缺乏統(tǒng)一的標準和規(guī)范，僅安徽等地出臺了地方標準，導(dǎo)致市場無序競爭，執(zhí)法單位無統(tǒng)一標準可依。關(guān)于污泥熱解氣化尾氣排放，國內(nèi)目前沒有統(tǒng)一標準，可供參考的有《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標準》（GB9078—1996）、《大氣污染物綜合排放標準》（GB16297—1996）、《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB13271—2014）。建議盡快出臺污泥熱解氣化國家和行業(yè)技術(shù)標準等指導(dǎo)性文件，助推熱解氣化技術(shù)良性發(fā)展。

4.3 環(huán)保分析

采用熱解氣化工藝，流化床氣化爐內(nèi)空氣僅為完全焚燒理論空氣量的30%，氣化爐內(nèi)氣流速度低，經(jīng)旋風(fēng)分離器和布袋除塵后尾氣中顆粒物含量低。灰爐內(nèi)為還原性氛圍，反應(yīng)溫度控制在700～750℃，熱力型氮氧化物幾乎不產(chǎn)生，即使熱解過程中產(chǎn)生部分SOx和NOx也會被氣化過程中產(chǎn)生的CO、H2還原而無害化。二燃室內(nèi)采用分級燃燒和煙氣再循環(huán)等低氮燃燒技術(shù)，在二燃室設(shè)置SNCR系統(tǒng)控制氮氧化物的生成。氣化工況處于缺氧的還原性氣氛狀態(tài)，無二口惡英前體物生成，從根本上抑制了二口惡英產(chǎn)生。二燃室內(nèi)主反應(yīng)區(qū)溫度為850～950℃，停留時間>3s，可進一步燃燒去除可燃氣中的二口惡英及VOCs氣體。NH3、H2S主要來源于污泥干化過程，污泥干化過程中應(yīng)嚴格控制含氧量不超過3%，干化溫度約600℃，反應(yīng)時間極短（3~6s），可極大降低濕污泥干化過程中與氧發(fā)生發(fā)應(yīng)生成NH3、H2S的可能性。氣化相較于焚燒煙氣量小，環(huán)保設(shè)備投入小，極大降低了投資和運行成本。采用生物質(zhì)與污泥共熱解氣化，有助于解決農(nóng)村生物質(zhì)禁燒難、出路難的問題，增加農(nóng)民收入，改善農(nóng)村居民生產(chǎn)、生活條件和居住環(huán)境。該污泥處置技術(shù)將城鎮(zhèn)污泥高效清潔處置與農(nóng)村生物質(zhì)固廢處理有機結(jié)合，實現(xiàn)固廢資源化循環(huán)利用，從而構(gòu)筑生態(tài)安全屏障，改善人居環(huán)境，助推美麗中國建設(shè)。

5、結(jié)論

鐘祥市污泥熱解氣化項目采用污泥閃蒸干化耦合流化床熱解氣化技術(shù)，實現(xiàn)了污泥處置及資源化利用的實證示范。該技術(shù)對氮氧化物、二口惡英的生成均有較好的抑制作用，污泥減量化程度可達90%以上。氣化產(chǎn)物灰渣滿足污泥制磚標準可用作建材等，真正實現(xiàn)了“以廢治廢，變廢為寶”，運行成本低，經(jīng)濟效益好，滿足環(huán)保排放要求，為城市污水污泥處置高質(zhì)資源化利用提供了新技術(shù)路徑和案例示范。該系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)充分考慮物料輸送、設(shè)備選型、負荷調(diào)節(jié)等因素，運行過程中應(yīng)加強人員管理，以達到預(yù)期效果。