污泥熱解氣化可燃氣焚燒煙氣處理工藝關鍵技術探討

趙浩，王雷，廉珂，李蕭寧

（中鐵水務集團有限公司，陜西西安 712000）

污泥作為污水處理的末端產物，產生量隨著污水量的增加也不斷增加，污泥中有機質含量達到45%～60%，干基熱值通常為10 464.63 ～12 557.56 kJ/kg，可作為燃料回收其中熱量。在眾多的污泥處置工藝中，污泥熱解氣化技術是一種減量化顯著、無害化徹底的技術，已成功應用在多個大型污泥處置項目。本文通過探討，總結出一條適用于污泥熱解氣化可燃氣焚燒煙氣處理的工藝線路，并給出技術關鍵點及應對措施。

1 污泥熱解氣化技術簡介

污泥熱解氣化技術是利用污泥中的有機質在高溫貧氧條件下裂解的性質，將干化污泥投入密閉蓄熱氣化爐內，在900 ～1 100 ℃的高溫貧氧氣化環境，使污泥中的有機成分裂解揮發，轉化為以CO、H2為主的可燃氣體，污泥中的無機物以殘渣形式排出。

污泥從氣化爐上端進料，從底部不斷出渣，污泥從上端不斷向下移動，溫度不斷升高，依次經過烘干、干餾、氣化、燃燒等階段。氣化過程中從氣化爐底部通入空氣和蒸汽作為氣化劑，自下而上穿過半焦狀污泥進行燃燒，溫度控制在900～1 100 ℃，氧氣被消耗，保證燃燒段以上氧含量控制在0.1%以下。燃燒段產生的900 ℃以上的高溫熱氣與自上往下移動的污泥接觸并發生貧氧裂解反應，產生可燃氣。

可燃氣通常需要利用熱風爐和余熱鍋爐進行熱量回收，可燃氣燃燒后產生的煙氣中含有SO2、NOx、CO、HCl、顆粒物、重金屬、二噁英等污染物，需對煙氣進行處理后才能排放。

2 常規污泥泥質及熱解煙氣成分

2.1 污泥泥質

污水廠污泥泥質決定了熱解氣化后煙氣的主要成分。某污泥熱解氣化項目服務范圍內污水廠污泥工業分析見表1。

表1 污水廠污泥工業分析

2.2 熱解氣化焚燒煙氣成分

熱解氣化可燃氣焚燒煙氣中SO2和HCl 含量與污泥中的全硫含量、Cl 含量、熱風爐運行條件、湍流強度以及煙氣停留時間等因素有關，煙氣中NOx來源于污泥中的燃料型氮氧化物和燃燒過程中的熱力型氮氧化物。某污泥熱解氣化項目入口煙氣中的主要污染物濃度設計值及實測值見表2。

表2 入口煙氣中各污染物濃度

2.3 煙氣排放標準

煙氣按《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB61/1226—2018）4.3.4 項下“生物質鍋爐”中“其他地區”標準值執行，重金屬排放參照《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB 18485—2014）及其修改單要求。具體標準限值及實測值見表3。

表3 污染物排放標準限值及實測值

3 煙氣處理工藝

該項目煙氣處理主要的主要對象是NOx、SO2、HCl、HF、顆粒物、重金屬和二噁英。顆粒物去除效率98%以上，氮氧化物去除效率90%以上，二氧化硫去除效率99.2%以上，對各項污染物去除效率要求較高，屬超低排放。

3.1 重金屬吸附及除塵工藝

重金屬以固態、液態和氣態的形式進入除塵器，當煙氣冷卻時，氣態部分轉化為可捕集的固態或液態微粒，通過向煙道內噴射活性炭粉末，活性炭與煙氣充分混合、接觸，吸附煙氣中的重金屬微粒和二噁英。除塵通?？蛇x電除塵和布袋除塵，或將兩者聯用。布袋除塵器對1 μm 以上粉塵的去除效率可超過99%，通過布袋除塵器過濾后，吸附飽和的活性炭以飛灰形式排出[1]。推薦采用布袋除塵器，在完全滿足排放要求的前提下，可減少設備投資和運行維護成本。

原煙氣按照設計流速進入布袋除塵器各腔室后，由于空間變大，煙氣流速降低，比重較大的顆粒物受重力作用發生沉降，其余粉塵被濾袋過濾。顆粒物在布袋表面不斷累積，布袋孔隙被堵塞，布袋內外兩側壓差逐漸升高，當阻力增大到設定值時，啟動清灰系統，粉塵自然脫落后落入灰斗。濾袋的制作工藝和性能參數對除塵器的去除效率和使用壽命有較大影響，濾袋應采用分層針紡工藝，底部采用三層包邊縫制，無毛邊裸露，加強環布，拼接處重疊搭接寬度不小于10 mm，提高袋底強度和抗沖刷能力。運行允許煙氣溫度180 ～220 ℃，耐高溫能力為240 ℃（30 min 以上），濾袋材質應選100% PTFE 基布+100% PTFE 覆膜，克重不低于550 g/m2[2]。

布袋除塵器投入使用前需預涂灰，預涂灰對布袋除塵器初期的運行至關重要。預涂灰是在成品布袋使用前增加助濾劑，使涂層均勻覆蓋在布袋濾料表面，預涂層處理后能夠維持布袋在過濾油煙污染、腐蝕性氣體或顆粒物時不產生糊袋或腐蝕，可延長布袋及除塵器本體的使用壽命。涂灰完成后要對涂灰情況進行抽檢，抽檢比例不低于5%，以觀察不到濾袋原外表面、積灰厚度為2 ～3mm 為涂灰效果良好的標準[3]。

3.2 脫硫工藝

煙氣中的酸性氣體包括SO2、HCl、HF 等，脫酸常用石灰石-石膏法和鈉法，鈉法產生的脫酸廢水量大，且離子濃度較高，對采用生化法的廢水處理環節中使用的微生物影響較大，影響出水水質。因此，脫酸推薦采用石灰石-石膏法工藝。

SO2通過石灰石漿液的吸收在吸收塔內進行脫硫氧化反應，最終生成石膏排出，其他的SO3、HCl 和HF 也被完全去除，脫硫效率≥99.2%。石灰石-石膏法僅設一座吸收塔即可滿足脫硫效率要求，節省投資，減少占地，運行成本較其他工藝低。

3.2.1 石灰石-石膏法脫硫原理

吸收塔自下而上分為三個主要的功能區：氧化結晶區用于石灰溶解及亞硫酸鈣的氧化，吸收區用于吸收煙氣中的酸性污染物及飛灰等物質，除塵除霧裝置區通過除塵除霧裝置及其沖洗水裝置去除霧滴。

（1）SO2與漿液中CaCO3發生反應，生成亞硫酸鈣：

（2）氧和亞硫酸氫根反應，部分亞硫酸鈣轉化成石膏：

（3）吸收塔漿池中剩余的亞硫酸鈣通過由氧化風機鼓入的空氣發生氧化反應，生成硫酸鈣：

（4）SO3、HCl 和HF 與CaCO3反應生成石膏和CaCl2、CaF2：

3.2.2 工藝要點

脫硫塔前設置煙氣換熱器（GGH），將原煙氣和凈煙氣換熱，設計原煙氣溫度由180 ℃降至130 ℃，凈煙氣溫度由55 ℃升至105 ℃，可減少脫硫塔內蒸發量，維持塔內水平衡，另外可降低脫硝煙氣升溫的天然氣耗量，降低運營成本。通常GGH 選用2205 不銹鋼材質，防止煙氣中的酸性物質引起腐蝕；發生腐蝕后，原煙氣會泄露至凈煙氣中，造成SO2超標。此環節為污泥熱解氣化焚燒煙氣脫硫技術的關鍵。

（1）煙氣中含有部分SO3，含SO3的煙氣溫度在達到露點時，會凝結生成液體硫酸，對設備及管道的腐蝕性強[3]。根據實測數據，煙氣中SO3含量為SO2的0.5%～2.0%，運行時要嚴格控制原煙氣的溫度，運行溫度要遠離煙氣酸漏點，避免煙道和換熱器腐蝕泄露。

（2）污泥脫水時加入FeCl3進行泥質調理，污泥焚燒過程中90%氯元素轉移到煙氣中，煙氣中的HCl一部分被飛灰吸附，一部分沿途凝結[4]。2205 不銹鋼材質對H2SO4有很強的耐蝕性能，但2205 不銹鋼材質對HCl 的抗腐蝕性能較差[5]。試驗證明，2205 不銹鋼在10%的H2SO4溶液中浸泡時，沒有發生任何腐蝕，但在10%的HCl 溶液中浸泡時，腐蝕相當嚴重。因此，污泥熱解氣化可燃氣焚燒過程中產生的HCl 含量較高，在GGH 材質選擇時應充分考慮HCl 腐蝕，應選用聚四氟乙烯煙氣換熱器（PTFE-GGH）。

3.3 脫硝工藝

污泥熱解氣化可燃氣焚燒煙氣脫硝采用SNCR+SCR 工藝，出口NOx濃度≤150 mg/Nm3。

3.3.1 SNCR+SCR 工藝脫硝原理

（1）SNCR 主要在850 ～1 050 ℃環境下，氨水溶液經過空氣霧化后，以霧狀噴入余熱鍋爐內，與煙氣中的NOx發生氧化還原反應，從而達到脫硝目的。SNCR脫硝效率約為50%，NOx濃度降低至750 mg/Nm3，原理如下：

（2）未完全脫除NOx的煙氣進入SCR 脫硝系統，氨水經氨水蒸發器通過噴氨格柵噴入煙道，在催化劑的作用下，與NOx進一步反應，從而達到進一步脫硝的效果。SCR 脫硝效率約為80%，出口NOx濃度降低至150 mg/Nm3，保證出口達到高脫硝效率。反應原理如下：

3.3.2 工藝要點

SCR 反應的最佳溫度為200 ～450 ℃，由于脫硝系統布置于脫硫系統之后，脫硫出口煙氣經換熱后溫度約為105 ℃，因此脫硝系統需設置煙氣GGH 換熱器，利用脫硝出口煙氣熱量將脫硝入口煙溫提高至175 ℃，同時脫硝出口煙溫由220 ℃降低至150 ℃左右。煙氣再通過補燃加熱達到220 ℃的脫硝煙溫，補燃采用天然氣作為燃料。此處設置煙氣GGH 換熱器可最大程度利用系統中的熱量，做到熱量回收，降低外部輸入熱量。脫硝煙氣GGH 因已去除煙氣中的腐蝕性氣體，可采用2205不銹鋼或ND鋼材質的換熱器，提高換熱效率。

由于排放標準較高，采用SNCR+SCR 工藝可以保證NOx達標排放，確保生產穩定。

4 結語

（1）污泥熱解氣化可燃氣焚燒煙氣中二氧化硫、氮氧化物含量較高，排放標準執行生物質鍋爐相關標準，屬超低排放，推薦采用SNCR（氨水）+活性炭噴射+布袋除塵（含飛灰螯合）+脫硫板式換熱器（GGH）+濕法脫硫（鈣法）+脫硝板式換熱器（GGH）+煙氣補燃升溫+SCR（氨水）+引風機+煙囪排放工藝，顆粒物去除效率≥98%，氮氧化物去除效率≥90%，二氧化硫去除效率≥99.2%，重金屬、二噁英完全滿足排放要求。

（2）由于污泥中氯元素含量較高，污泥經熱解氣化后90%氯元素轉化到煙氣中，對碳鋼、2205 不銹鋼等金屬材質腐蝕性較大。在設計時，要避免煙氣出現流體死區；在安裝時，要合理選擇保溫材料、確定保溫厚度；在工藝運行時，要控制煙氣溫度，遠離酸露點，留有一定余量；脫硫前的煙氣換熱器采用聚四氟乙烯煙氣換熱器（PTFE-GGH）。

（3）在污泥熱解氣化可燃氣焚燒煙氣處理工藝設計時，在脫硫、脫硝系統中應充分考慮系統內能量回收，降低外部輸入能量耗量，從而降低污泥處置的運行成本。