煤化工污泥干化装置的选型及应用

潘 超

（内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司，内蒙古 克什克腾 025350）

0 引 言

我国一次能源（化石能源）资源禀赋的特点为富煤贫油少气，为平衡我国能源消费结构，“十二五”期间现代煤化工行业的工程技术和规模得到快速发展［1］。煤化工项目对水资源的消耗很大，约90%的煤化工企业会采用活性污泥法对生产中产生的污水进行初步处理，污水处理系统会产生大量高含水的剩余污泥（简称煤化工污泥），且煤化工项目因生产工艺及产品的不同等，其污泥中可能存在有害的有机物（如酚类物、醛类物、苯类物）、重金属等，导致剩余污泥在装卸、运输、贮存、处理等过程中给企业带来经济和环保方面的负担。为实现煤化工污泥的减量化处理及资源化利用，采用污泥干化装置对煤化工污泥进行深度处理是业内的大势所趋。

1 煤化工污泥处理现状

1.1 煤化工污泥的来源及其特性

工业废水处理过程中会产生大量的固体悬浮物，这些物质统称为污泥。污泥既可以是废水中早已存在的，也可以是废水处理过程中形成的，前者如各种自然沉淀中截留的悬浮物，后者如生物处理和化学处理过程中由原来的溶解性物质和胶体物质转化而成的悬浮物。污泥组分不同，其性质也不同，对应的处理处置方法也不同。

煤化工企业因主生产系统工艺的不同等，所产生废水的成分有很大的区别，导致煤化工污泥成分也有很大差异。通常而言，煤化工污泥可能具有毒性、易燃性、反应性、放射性、腐蚀性、浸出毒性及高有机物含量、高含盐等特性。

1.2 目前国内煤化工污泥的处理方法

煤化工企业以及市政污水处理厂通常将含水99%左右的污泥通过浓缩（如沉淀浓缩、气浮浓缩、离心浓缩）后，得到含水率95%左右的污泥，再使用污泥脱水设备（如带式污泥脱水机、离心式污泥脱水机、板框式污泥脱水机等）将其含水率从95%左右降至60%～85%。目前，国内大多数煤化工企业选择将机械设备初步脱水后的污泥进行填埋处理。此种处置方式，运输成本高、占地面积大，存在二次污染风险，同时国家的环保政策及地方环保部门的监管越来越严格，煤化工污泥初步脱水后填埋处理已不能满足现代煤化工企业可持续发展的要求。

据调研实例，国内某大型煤化工企业需填埋含水率约85%的湿污泥约22 000 t／a，其生产装置运行已有10 a之久，配套危废填埋场已达到封场的要求，湿污泥的处置问题已开始制约其正常生产运行。在此种情况下，该公司采用污泥干化技术（蒸汽加热干化）将处理后含水率＜10%的颗粒污泥作为气化炉掺烧原料，大大减少了填埋处理所需的占地，避免了填埋处理中的二次污染，实现了污泥的减量化、无害化处理。

2 污泥干化装置的分类及特点

煤化工企业及市政污水处理厂产生的污泥是一种由水、微生物体、有机物残片、胶体和无机颗粒等组成的非均质体。不同含水率污泥所呈现的状态如下：含水率＞90%，污泥几乎为液体；含水率80%～90%，污泥为粥状物；含水率70%～80%，污泥呈柔软可塑状；含水率60%～70%，污泥呈固状；含水率40%～60%，污泥呈黏滞状；含水率20%～40%，污泥呈湿润聚散状态；含水率10%～20%，污泥呈粉末状；含水率10%以下，污泥呈干粉状或坚硬颗粒状。

污水处理过程中产生的污泥是典型的有机污泥［2］。有机污泥（如活性污泥及其他生物污泥）含有大量有机物，其贮存及处置过程均会不同程度地出现腐化和氧化，同时对环境造成一定污染，因此需对这些污泥进行减量化和稳定化处理，使有机物氧化、分解为无机物，同时降低污泥含水量以使其稳定。干化处理后的干污泥，其体积可以减至干化前的1／4～1／5左右；干污泥呈颗粒状或粉状，其性质稳定且无臭味、无病原体生物，易于直接用于气化炉掺烧。

2.1 据污泥干化装置结构分类

市政污水处理厂污泥干化工艺主要分为自然干化、间接干化和直接干化。而煤化工污泥中还可能存在对环境有害的挥发性有机物、浸出有毒物质、重金属及散发恶臭气味等，故煤化工污泥不适合采用自然干化的方式。据污泥与热介质的接触方式，污泥干化分为间接干化和直接干化。间接干化具有安全性高、粉尘产生量少，且热介质无污染等优点，在工业上得到广泛应用。

目前，按污泥干化装置结构分类，业内应用最多的主要有薄膜式污泥干化装置、桨叶式污泥干化装置和网带式污泥干化装置等。

2.1.1 薄膜式污泥干化装置［5］

薄膜污泥干化器是一种圆形带夹套直筒容器，中间有旋转轴，轴上分段装有挠性的叶片刮刀。利用薄膜原理，可在真空条件或在惰性气体气雾中连续操作，其中旋转挠性刮刀将湿物料以薄膜的形式均匀地分布在被加热的接触表面，接触表面的圆筒外有载热体的夹层，物料薄膜层由加热面得到热量，水分蒸发移除，干燥的物料薄膜层被旋转的刮刀刮下，干净的圆筒加热表面重新被刮上湿物料，周而复始，通过调整控制得到所需干污泥。薄膜式污泥干化装置的特点如下。

（1）干化进度可控。因使用薄膜式布料，可充分蒸发污泥中的结合水，蒸发程度高，最高可使污泥含水率降至3%。

（2）热能利用率较高，处理量较大。

（3）对物料要求高。需要污泥质软且粘度大，不能含有大颗粒固体或盐类结晶等，否则不仅易堵塞布料装置，还会对设备造成较严重的磨损，大幅增加运行和维修成本。

（4）干污泥成型不稳定。薄膜污泥干化器是将薄膜化的干污泥用刮板等装置刮下后出料，导致出料的干污泥时而呈块状时而呈粉末状，不利于干污泥的储存及输送。

（5）占地面积大。相较于其他类型的污泥干化装置，薄膜污泥干化器需要的处理空间更大，通常为带式干化机的2～3倍、桨叶式干化机的1.5～2.0倍。

2.1.2 桨叶式污泥干化装置［5］

桨叶式污泥干化机主要由空心桨叶［空心桨叶一般为双轴（或四轴）楔型叶片］、壳体、夹套和传动装置组成，污泥通过与空心桨叶（转动）和夹套（固定）的换热面接触并翻滚被间接加热干化。桨叶式污泥干化机可处理膏状、粉状、浆状物料，可完成干燥、加热、灭菌、反应等单元操作。桨叶式污泥干化装置的特点如下。

（1）适用范围有一定的要求。空心桨叶不是等截面结构，无刮泥刀，适用于黏性不大的污泥；因污泥的干燥与排出主要靠主轴叶片的转动，污泥在设备内不断搅拌摩擦，因而出料一般为粉末状，若污泥中含有可燃物或其他有害物质，干燥后极易产生粉尘，存在爆炸风险，不便于存储与运输，因此不适合含可燃物和有害物污泥的干化，适用于无机物、矿石泥浆等的干化。

（2）热能利用率高。桨叶式污泥干化机作为间接式加热干化设备，具有较高的换热面积，使用少量空气吹出蒸发出的水分，热量损失较小，热能利用率高。

（3）密封性要求高。桨叶主轴为转动部件，对轴头的密封要求很高，尤其是对于粉末物料，需经常维护，因而轴头密封更换频繁。

（4）易损件消耗大，维护频繁且维修周期长。桨叶式干化机动力来自于互相啮合的主轴叶片，通过叶片互相挤压推动物料，主轴叶片和内壁磨损严重，维修频繁；而主轴叶片一旦磨损泄漏，只能切割叶片或返厂维修，维修周期较长。

2.1.3 网带式污泥干化装置

网带式污泥干化装置主要由湿污泥输送、湿污泥造粒机、各层转动网带、底部刮泥板、干泥输送等附件组成。经机械设备脱水后的湿污泥，通过输送部件送到湿污泥造粒机，颗粒状污泥从造粒机进入干化装置内，并均匀分布在带式干化机顶层网带；网带式污泥干化机为多层结构，每层各通过一个电机驱动，污泥由上层网带末端翻转掉落到下层传送网带上，依次进入各层，整个干燥区域为一个整体模块，热空气由干化机上层进入，穿过污泥层后由下层排出，污泥中的水分被加热变为湿空气，湿空气不断被移除，最终干燥后的污泥由底层的刮板将其送入出料仓。网带式污泥干化装置的特点如下。

（1）设备磨损小，运行稳定。设备与物料间为相对静止的状态，极大地减小了设备与物料之间的摩擦，相较于桨叶式污泥干化机，维护维修少，运行更稳定。

（2）操作环境好。干燥后的物料为颗粒状，无粉尘；系统密闭且呈微负压，尾气集中收集处理，无异味。

（3）存储运输方便。干燥的硬颗粒状物料，不易产生堵料，卸料、存储、运输方便。

（4）占地面积小，处理量大。相同处理量下，网带式污泥干化装置占地面积仅为薄膜污泥干化装置的50%左右。

（5）热量损失较大。由于网带式干化机湿空气排出会带走部分热量，因而相较于薄膜污泥干化机和桨叶式干化机，其热量损失要大得多。

国内某大型煤化工企业在运的日处理量40 t的网带式污泥干化装置，自投运以来运行状况良好，处理1 t含水率85%的湿污泥消耗约2.8 t低压蒸汽（160℃、0.6 MPa），干化后的污泥热值约4 500 kcal／kg，被送往碎煤加压气化炉掺烧，实现废料热能的回收利用。需注意的是，若干化后的污泥未通过专门的焚烧设备和尾气处理装置，不能直接焚烧或作为热电站（锅炉）的燃料，因为直接焚烧可能会产生SOX、NOX、二噁英等污染物，易造成二次污染［3-4］。

2.2 据污泥干化装置热源分类

（1）电能污泥干化法：将电能转化为热能或微波等加热湿污泥，使污泥干化和稳定，通常采用电加热炉间接烘干污泥。该法电耗较高，不适合电价高、产泥量大的企业。

（2）热水干化法：利用高温热水的显热间接蒸发污泥中的水分，达到干化污泥的目的。该法采用间接式换热器，对换热器的要求较高。

（3）蒸汽干化法：利用蒸汽的热能，借助换热器间接加热蒸发除去污泥中的水分，使污泥干化。该法设备简单、操作方便、运行稳定性好，且蒸汽属清洁热源，可实现综合循环利用，配合热泵技术可降低蒸汽消耗，整体热效率高，比较适合蒸汽富足的大型化工企业和矿产企业。

（4）太阳能污泥干化法：以太阳能为主要能源，采用传统温室干燥工艺直接对污水处理厂的污泥进行低温干化和稳定化。该法具有运行费用低、操作简单、运行安全稳定等优点；但以太阳能作为热源，受气象条件（季节、昼夜及阴晴等）的影响较大，加之装置占地面积大，不适宜于污泥量较大的企业。

（5）天然气（或煤气）干化法：利用天然气（或煤气）作为燃料提供干化热量将污泥干化。该法以天然气（或煤气）燃烧作为热源，在污泥热解处理时，其燃烧尾气不存在焚烧法产生的二噁英等问题，是污泥无害化处理的一个发展方向，适用于天然气资源丰富的石油化工企业以及煤气丰富的煤炭或煤化工企业。

（6）炉窑烟气余热干化法：以温度在120～300℃的炉窑烟气作为热源，采用直接或间接加热的方式对污泥进行干化。炉窑烟气是污泥低温干化造粒的理想热源。

3 煤化工污泥干化装置的选型

据煤化工污泥的特点、污泥干化装置的结构型式，以及煤化工企业能源（资源）情况，对污泥干化装置及其采用的热源进行综合比对。通常煤化工污泥产量大、热值较高，而煤化工企业一般均配有燃煤锅炉和煤气化装置，污泥干化装置选型时要兼顾干污泥可作为锅炉掺烧燃料或气化炉掺烧原料的适应性。

3.1 据污泥干化装置结构进行选型

薄膜式污泥干化装置投资成本高、占地面积较大，且煤化工污泥常含有大颗粒物和结晶盐，会造成设备磨损严重，导致维修成本高，因而不太适用于煤化工污泥的干化处理。

桨叶式污泥干化装置所得的干污泥为干粉状，极易产生粉尘，运输过程中易对环境造成二次污染；桨叶式干化机的空心桨叶内部通入蒸汽，属于受压原件，其设计、制造和验收应符合《压力容器》（GB 150.1～GB 150.4—2011）的要求，且异型受压元件监测检修困难；旋转桨叶与壳体间密封困难，运行中易出现粉尘泄漏，存在安全隐患，生产中须加强维护与检修管理，做好应急处置预案。因此，桨叶式污泥干化装置不太适用于煤化工污泥的干化处理。

经网带式污泥干化装置处理后的干污泥为颗粒状，方便装卸、运输和填埋，不产生二次污染；干污泥含水率可降至15%以下，热值满足燃烧需求，粒状污泥可用作循环流化床锅炉掺烧的燃料（燃烧时流化状态稳定）或碎煤加压气化炉掺烧的原料。因此，相较于薄膜式污泥干化装置和桨叶式污泥干化装置，网带式污泥干化装置更适用于煤化工污泥的干化处理。

3.2 据污泥干化装置所用热源进行选型

煤化工装置生产过程中会产生大量的低品位余热，如热水、低压蒸汽及高温炉窑烟气等，考虑回收成本与经济效益以及系统的消纳空间，通常低品位余热难以回收利用或得不偿失（需空冷或水冷处理），而若将这些余热作为煤化工污泥干化的热源，使污泥干化过程中无需再消耗其他能源，既可实现污泥干化，又可降低利用低品位余热的成本。因此，就污泥干化装置的热源而言，热水干化法、蒸汽干化法、炉窑烟气余热干化法均适用于煤化工污泥干化装置。

4 污泥干化技术应用实例

4.1 桨叶式污泥干化机应用案例

内蒙古鄂尔多斯某煤化工企业污泥干化项目选用了桨叶式污泥干化机，可将污泥含水率降至20%。但其运行过程中出现诸多问题：桨叶之轴封漏汽严重，易烫伤操作人员，反复维修又反复泄漏；现场积存蒸汽冷凝液（桨叶式干化机轴封蒸汽泄漏形成），且物料在滚筒内搅拌及运输过程中产生粉尘，造成厂房环境卫生难以保持。

密封泄漏问题解决建议：①选择可靠的密封件，设置高点排汽口；②增设密封漏汽抽汽冷凝器，将漏汽定向冷凝；③更换为其他形式的污泥干化机。

粉尘泄漏问题解决建议：①做好设备密封，如进料口和卸料口处；②微负压操作；③增加厂房或漏汽的除尘设施（如湿式洗涤除尘器）。

4.2 网带式污泥干化机应用案例

内蒙古赤峰某煤化工企业选用了网带式污泥干化机，采用生产系统富余的低压蒸汽作为热源，含水率85%左右的湿污泥干化后含水率可降至10%以下，粒径1～10 mm的干污泥颗粒粉尘含量≤0.1%（粒径0.1 mm以下），干化机已运行3 a，设备内件完好，未见明显腐蚀。

5 结束语

煤化工污泥干化装置的选型，除了注重其自身的性价比与适用性等以外，还需考虑干污泥的进一步减量化处理或资源化利用（如锅炉掺烧或气化炉掺烧）要求。现代煤化工企业，应根据自身条件，积极采取新型污泥干化技术，或对污泥干化装置运行中出现的问题积极提出改进需求，与供货商及研发单位共同优化工艺和设备，避免污泥处置过程中对环境造成二次污染，并减少污泥干化装置的占地面积，降低污泥干化装置的投资及运行成本，促进煤化工污泥干化技术的推广应用和不断进步，助力企业的可持续发展。