Outotec流化床能源系統(tǒng)在蘇黎世污泥熱處理廠的應(yīng)用

李佳

(奧圖泰中國(guó)，北京100020)

摘要：介紹了以Outotec 流化床為核心技術(shù)的能源系統(tǒng)的構(gòu)成及特點(diǎn)，著重介紹其煙氣處理系統(tǒng)、能源利用和磷回收的獨(dú)特設(shè)計(jì)，以及在瑞士蘇黎世污泥熱處理廠的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

自1926年以來(lái)，瑞士蘇黎世Werdhölzli（韋德霍茲利）污水處理廠一直負(fù)責(zé)處理城市污水。為了找到可以長(zhǎng)期、安全且環(huán)保地處理大量污泥的解決方案，對(duì)農(nóng)用、土地復(fù)墾、填埋、全干化、混合焚燒和專(zhuān)門(mén)焚燒各種處理策略進(jìn)行了分析，最終決定建造一座基于專(zhuān)門(mén)焚燒的熱處理廠。

2012年4月，蘇黎世通過(guò)國(guó)際招標(biāo)選定總承包商（根據(jù)瑞士法律，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“總承包商”），在Werdh?lzli處理廠的位置建造一座新的污泥處理廠。該選擇是基于許多技術(shù)和商業(yè)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)作出的。評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)包括投資成本和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本，還包括總體能源概念和煙氣凈化系統(tǒng)必須始終符合瑞士嚴(yán)格的排放限值標(biāo)準(zhǔn)。除了整體工藝設(shè)計(jì)，這個(gè)交鑰匙項(xiàng)目的供應(yīng)和服務(wù)范圍還包括在總承包商授予合同前所需審批程序的技術(shù)文件編制以及對(duì)客戶(hù)收到各種許可證和批準(zhǔn)之前的各項(xiàng)支持。在2013年3月舉行的市政公投中，熱處理項(xiàng)目提交表決，憑借93.9%的創(chuàng)紀(jì)錄贊成結(jié)果，獲得了最終的合法性。

1 流化床焚燒爐

整個(gè)熱處理廠的核心是奧圖泰鼓泡流化床焚燒爐，焚燒爐構(gòu)造見(jiàn)圖1。

圖1 蘇黎世流化床焚燒爐三維示意圖

這種燃燒技術(shù)在各種不同的應(yīng)用中一直提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，總承包商在該處理廠中實(shí)現(xiàn)了更多細(xì)節(jié)化設(shè)計(jì)的考慮。

① 酸露點(diǎn)。在污泥處理過(guò)程中，較高的硫含量可能會(huì)產(chǎn)生高腐蝕性煙氣。如果酸露點(diǎn)溫度低于金屬部件溫度，即使20 mm的壁厚，很多金屬部件在數(shù)周內(nèi)就會(huì)被腐蝕掉。設(shè)計(jì)成敗的決定性因素在于總承包商提供了整體設(shè)計(jì)（爐壁堆積物、接縫、耐火爐襯、隔熱和正確鋼種的選擇等）的考慮。

② 熱伸長(zhǎng)。由于燃燒溫度較高，焚燒爐在各個(gè)方向上均受到熱運(yùn)動(dòng)的影響。通過(guò)對(duì)爐基、平臺(tái)、管道連接等系統(tǒng)提供錨和必要的伸縮縫設(shè)計(jì)。

③ 噴嘴爐篦。為確保流化床系統(tǒng)可靠的自持燃燒，并避開(kāi)污泥干燥至粘滯階段，工藝設(shè)計(jì)將流化空氣預(yù)熱至最佳水平（400~600 ℃），并且均勻地分布在反應(yīng)器的整個(gè)橫截面上，壓鑄陶瓷噴嘴爐篦背靠或拱形耐熱噴嘴盤(pán)，實(shí)現(xiàn)了最大化的流化床表面。

④ 噴嘴。噴嘴設(shè)計(jì)考慮了確保充分緊固，并防止流化沙回流進(jìn)風(fēng)室或集氣管，總承包商所使用的材料可確保噴嘴壽命超過(guò)20年，不用更換。

⑤ 燃料分布。較低的煙氣排放水平和燃料的充分燃盡取決于燃料分布設(shè)計(jì)，專(zhuān)有的攤鋪式送料機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了污泥在整個(gè)流化床上的合理分布。

更多的人性化設(shè)計(jì)還包括：為便于操作和維護(hù)，焚燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)了尺寸足夠大的人孔、具有足夠凈空高度的平臺(tái)、流化床中的氣噴槍?zhuān)ㄓ糜诩涌靻��?dòng)運(yùn)行）和許多其他特征，以支持運(yùn)行人員以高效、可靠且安全的方式執(zhí)行處理廠的日常運(yùn)作。

2 煙氣處理設(shè)計(jì)

2.1 瑞士與歐盟排放限值比較

與歐盟的排放限值相比，在瑞士污泥處理廠設(shè)計(jì)的主要區(qū)別在于NO_x的排放限值更嚴(yán)格，并且增加了NH₃的排放限值標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表１)。

表1 瑞士與歐洲排放限值比較

續(xù)表1 （Continued）

2.2 組合式干-濕煙氣凈化設(shè)計(jì)

總承包商從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面提出了作為給定條件下整體上最適宜的煙氣處理設(shè)計(jì)，該工藝組合由SNCR技術(shù)、靜電除塵器、干法吸附和在下游配以?xún)呻A段濕式洗滌器的精細(xì)清理階段組成。其中，干法吸附工藝使用熟石灰/碳吸附劑進(jìn)行。

為了對(duì)所選擇的組合式干-濕煙氣凈化系統(tǒng)與單獨(dú)的干法處理系統(tǒng)進(jìn)行比較，選擇相關(guān)排放限值包括SO₂、NH₃以及氮氧化物（NO_x）和汞（Hg）的排放限值。污泥處理過(guò)程中產(chǎn)生的未凈化氣體中的SO₂含量在干燥狀態(tài)下通常介于1 000~3 000 mg/m³，干燥狀態(tài)下的峰值含量可達(dá)5 000 mg/m³，其比垃圾焚燒爐煙氣中的SO₂含量高出很多。

當(dāng)使用單獨(dú)的干法煙氣清潔技術(shù)（去除效率比濕法工藝低）時(shí)，要符合SO₂在干燥狀態(tài)下的排放限值（< 50 mg/m³），需要采取特殊的措施，比如向爐內(nèi)添加石灰石、就地收集SO₂，或者采用兩階段干法吸附工藝（在袋式除塵器之后，按較高的化學(xué)計(jì)量過(guò)剩系數(shù)，向爐內(nèi)注入添加劑）。向爐內(nèi)注入石灰石會(huì)干擾未來(lái)對(duì)灰中磷的回收，因此是不可取的。另一方面，上述向爐內(nèi)注入超化學(xué)計(jì)量添加劑的兩階段干法吸附工藝還會(huì)導(dǎo)致投資和運(yùn)營(yíng)成本增加。

對(duì)于NO_x的控制，設(shè)計(jì)選擇了SNCR系統(tǒng)，同時(shí)向爐內(nèi)注入氨水，這樣可確保始終符合嚴(yán)苛的NO_x排放限值。然而，這種方法可能會(huì)導(dǎo)致氨排放物增加。采用一個(gè)適度設(shè)計(jì)的濕式洗滌器，可確保始終符合氨排放限值標(biāo)準(zhǔn)（< 5 mg/m³）。而單獨(dú)的干法煙氣凈化概念則需要在下游采用一臺(tái)額外的SCR反應(yīng)器，也將導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本增加（煙氣再加熱需要消耗燃?xì)�，并且還需要更換催化劑）。

為確保始終符合Hg排放限值標(biāo)準(zhǔn)（<0.1 mg/m³，干燥狀態(tài)下），必須將活性炭或爐床焦炭添加到煙氣流中，作為額外的吸附劑。雖然基于NaHCO₃添加劑的干法煙氣凈化工藝應(yīng)當(dāng)在相對(duì)較高的溫度（≥180 ℃）下運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)最佳的吸附劑利用率，但碳質(zhì)吸附劑上的Hg吸附量會(huì)隨著煙氣溫度的下降而增加。這是選擇兩階段干法工藝時(shí)必須考慮的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 年度運(yùn)營(yíng)成本

從化學(xué)試劑消耗成本和殘留物處理成本兩個(gè)方面，對(duì)各種煙氣凈化替代方案的年度運(yùn)營(yíng)成本進(jìn)行了比較(見(jiàn)表2)。

表2 各種煙氣凈化替代方案的年度運(yùn)營(yíng)成本比較

從上述數(shù)字不難看出，在使用Ca(OH)₂或NaHCO₃作為吸附劑的干法工藝中，化學(xué)試劑和殘留物處理成本的量級(jí)基本相同。在目前的情況下，NaHCO₃吸附劑的添加速度略低，而這種化學(xué)試劑的采購(gòu)價(jià)格是Ca(OH)₂的兩倍。所產(chǎn)生的殘留物含量較低，部分補(bǔ)償了NaHCO₃吸附劑較高的成本。與干-濕組合工藝相比，這兩種干法工藝（以石灰或碳酸氫鈉作為吸附劑）的成本明顯更高。即使單階段干法煙氣凈化系統(tǒng)所需的設(shè)備更少，但這類(lèi)工藝無(wú)法保證始終符合瑞士《清潔空氣條例》中規(guī)定的嚴(yán)格排放限值標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，這類(lèi)工藝的化學(xué)試劑成本和殘留物處理成本也更高。組合式干-濕煙氣凈化方法從經(jīng)濟(jì)角度而言是更佳的設(shè)計(jì)方案。

3 能源工廠

污泥處理廠的設(shè)計(jì)同時(shí)提供了最大限度的熱回收機(jī)會(huì)(見(jiàn)圖2),主要包括：傳統(tǒng)上，燃燒熱量一直在下游空氣預(yù)熱器和鍋爐（蒸汽或熱油）中回收，用于污泥干化，以實(shí)現(xiàn)流化床自持燃燒；過(guò)熱蒸汽，用于驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)組來(lái)發(fā)電，由此產(chǎn)生的電力通常足以滿(mǎn)足處理廠的電力需求；氣/氣熱交換器，用于煙氣再加熱。除了上述熱回收選項(xiàng)外，設(shè)計(jì)還考慮了許多其他具有顯著能源含量的熱源。一方面，污泥干化工序會(huì)產(chǎn)生蒸汽，處理廠將這些蒸汽冷凝，所回收的熱量用于區(qū)域供熱 (可利用溫度水平達(dá)到90 ℃)。另一方面，處理廠回收煙氣水蒸氣的冷凝熱量 (可利用溫度水平達(dá)到65 ℃)。另一個(gè)能量利用選項(xiàng)是將煙氣蒸汽熱量回收用于鍋爐進(jìn)水預(yù)熱。

圖2 熱處理廠熱回收概念圖

4 磷回收

蘇黎世州污泥處理廠的另一個(gè)設(shè)計(jì)用途是從污泥灰燼中回收磷。奧圖泰ASH DEC解決方案在焚燒階段后提供了生產(chǎn)磷肥的機(jī)會(huì)，并且實(shí)現(xiàn)了全廠的“零污染”污泥焚燒工藝流程。

ASH DEC工藝原理:將灰渣與固體鹽混合（例如氯化鎂片），放入轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器中，在約1 000 ℃下保持15 min左右。在該工藝中，氯化鎂將分解成固體鎂（Mg）和氣態(tài)氯（Cl）成分。鎂（部分）取代了灰渣中含有的磷酸鹽化合物中的的鋁和鐵，生成了鈣鎂磷酸鹽。鋁（Al）和鐵（Fe）仍以惰性氧化物的形式留在灰渣中。氯與鎘（Cd）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）和（在一定程度上）其他金屬（如鉬和錫）相結(jié)合，產(chǎn)生氣態(tài)金屬氯化物。該氣態(tài)金屬氯化物同廢氣一起排放，并收集在過(guò)濾系統(tǒng)中。過(guò)量的氯化物會(huì)吸附在鎂載體上，返回到反應(yīng)器中。

ASH DEC熱化學(xué)工藝(如圖3所示)產(chǎn)生的最新一代煅燒磷酸鹽肥料可以幾乎完全溶解于中性檸檬酸銨中，在氣候溫和的地區(qū)，在各種類(lèi)型的土壤中均可與采用酸分解工藝生產(chǎn)的水溶性肥料的性能相媲美。在固磷作用較強(qiáng)的強(qiáng)酸性土壤中，與水溶性肥料相比，延遲的溶解度（植物根部釋放的酸性物質(zhì)的反應(yīng)）提供了一個(gè)產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)。目前，有關(guān)部門(mén)正在多個(gè)州對(duì)大量農(nóng)作物進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以進(jìn)一步調(diào)查確認(rèn)這一優(yōu)點(diǎn)。在任何情況下，與商業(yè)磷肥相比，肥料中較低的重金屬含量都意味著產(chǎn)品的一個(gè)重大優(yōu)點(diǎn)。

圖3 ASH DEC工藝

在廢氣方面，出于能源效率的原因，重金屬的去除在熱氣體靜電除塵器中實(shí)施。在約350~400 ℃的條件下，從靜電除塵器中排出的廢氣將被用于預(yù)熱蘇打萃取劑。該預(yù)熱/冷卻階段將在高效文丘里管-旋流器系統(tǒng)中進(jìn)行。在去除重金屬和粉塵之后，廢氣將返回到焚燒系統(tǒng)進(jìn)行后燃燒，并在流化床焚燒爐下游的煙氣凈化系統(tǒng)中進(jìn)行凈化。通過(guò)這種方式，肥料生產(chǎn)裝置下游所需的唯一額外設(shè)備為冷卻/預(yù)熱階段的靜電除塵器，從而在很大程度上消除了肥料生產(chǎn)裝置下游的額外廢氣凈化成本。

在該工藝中，磷肥的生產(chǎn)成本可與傳統(tǒng)肥料的生產(chǎn)成本相媲美，并且低于過(guò)磷酸鈣的生產(chǎn)成本。污泥熱處理廠的經(jīng)營(yíng)方節(jié)省了100%的灰渣處理成本,并且大約僅有2%~3%的原灰量以二次殘留物的形式存在。

5 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用在蘇黎世熱處理廠上的整體設(shè)計(jì)，得益于總承包商奧圖泰在數(shù)十年的設(shè)計(jì)運(yùn)行中積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，以及在北美和歐洲近百座流化床能源項(xiàng)目的成功案例，為客戶(hù)提供了建造和運(yùn)行最現(xiàn)代化的“零污染”的污泥熱處理廠。最先進(jìn)的流化床焚燒系統(tǒng)配和滿(mǎn)足最嚴(yán)格排放標(biāo)準(zhǔn)要求的煙氣處理工藝，在達(dá)到污泥徹底減量化的同時(shí)，能源的極致利用又滿(mǎn)足處理廠自持運(yùn)行的能源需求。磷回收使得污泥熱處理提高到了工業(yè)化的級(jí)別。

（本文發(fā)表于《中國(guó)給水排水》雜志2015年第2期“國(guó)外科技”欄目）

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