污泥含水量高、易腐爛、有強烈的臭味，同時還可能含有重金屬和難降解的有機污染物等有害成分，污泥的處理與處置一直是國內水環境治理領域的一個難點，污泥處理和處置的最終目的是穩定化、減量化、無害化與資源化。上海市石洞口污泥處理二期工程采用了目前國際上主流的焚燒處理工藝。污泥焚燒利用了污泥中的能量，釋放的熱量被余熱鍋爐回收，焚燒時的溫度可以達到850℃，可使污泥中的可燃成分充分燃燒、有害成分充分分解，焚燒后最終成為穩定的灰渣，可以實現脫水污泥90%以上的減量，是一種最徹底的污泥處理方式。
筆者通過石洞口污泥處理二期工程2020年6月和9月兩次調試考核過程中獲得的煙氣污染物排放數據，研究一次風量、污泥給料量、污泥含水率對煙氣污染物排放特性的影響，以掌握半干污泥焚燒運行和污染物排放特性，為污泥流化床焚燒技術的深入研究提供有益參考。
1、工程整體設計參數
石洞口污泥處理二期工程主要處理石洞口污水處理廠與泰和污水處理廠產生的污泥，建設內容包括新建污泥脫水、干化、焚燒、煙氣處理及相關配套設施，共設污泥脫水線3條、污泥干化處理線4條、污泥焚燒線3條。污泥處理規模為128t/d（以干質量計，下同）。采用“脫水+干化+焚燒+煙氣處理”工藝，其中，石洞口污水處理廠的污泥濃縮脫水后，再經干化進入焚燒系統，處理量為20t/d；泰和污水處理廠含水率在40%以下的污泥產量為108t/d，通過卡車運至本工程半干污泥接收坑，通過半干污泥輸送設備輸送至焚燒單元進行焚燒處理。污泥干化焚燒處理工藝流程如圖1所示。
2、焚燒系統工藝設計
流化床焚燒爐是整個工程的核心，儲存于半干污泥緩存倉中的污泥與含水率為80%左右的濕污泥通過污泥給料機混合后進入焚燒爐。污泥進入流化床后，與一次風機送入焚燒爐中的經預熱器預熱的空氣充分接觸，同時被流化的砂層釋放的大量熱量加熱，實現污泥快速、完全燃燒。污泥焚燒后的灰大部分被煙氣攜帶走，后經除塵器捕集。所產生的850℃高溫煙氣排出并進入余熱鍋爐，產生蒸汽用于污泥的干化。污泥焚燒系統工藝流程如圖2所示。焚燒爐結構如圖3所示。
焚燒爐是立式圓柱鋼殼體，分為稀相區和流化床區。每臺焚燒爐床層上部設置兩套啟動燃燒器用于焚燒爐啟動時的升溫，使用天然氣作為燃料，底部設有輔助燃燒系統，配有8支輔助燃燒器，用于運行中爐溫的調節。布風管插入流化床區下部，空氣噴嘴均勻地分布在布風管下方。燃燒空氣（用作流化空氣）通過布風管進入到下部流化床。爐底設有排渣設施，石英砂和燃燒殘渣從焚燒爐底部排出。污泥給料機將脫水污泥和干污泥送入焚燒爐流化區，并與焚燒爐底部送入的燃燒空氣充分接觸燃燒。流化區的溫度可達到800~870℃。待充分燃燒后，燃燒氣體和飛灰從焚燒爐的頂部排出。焚燒爐頂部設有冷卻水噴槍和噴尿素系統，用于防止焚燒爐超溫和減少氮氧化物的產生。
本工程中污泥焚燒系統的設計有如下特點：
①污泥熱值低、含水率高、性質波動大且難以燃盡。鼓泡流化床焚燒爐最大的特點是底部流化砂床有著相當大的熱容量，在焚燒爐內的高溫條件下，污泥可以被完全焚燒，燃燒室煙氣（約850℃）停留時間≥2s，同時抑制了二口惡英的產生。
②焚燒爐錐形流化區的設計，使穩定的流化狀態得以實現，不會形成燃燒死角。其中，布風管設計形式簡單、維修方便，保證了砂床的流動均勻性及合理的粒徑分布。在實際運行過程中發現，焚燒爐正常流化燃燒時，布風管磨損和堵塞情況極少，爐渣和砂石也容易從爐底排出。
③全廠污泥儲存和輸送的設施設備通過臭氣收集系統的抽吸形成負壓，防止臭味擴散。臭氣作為一次供風，部分干化不凝氣作為二次供風，通過高溫焚燒的方式實現高效除臭。由于焚燒爐煙氣溫度在850℃左右，臭氣成分可以被有效去除。
④采用具有耐磨、耐熱特性的耐火材料作為內襯，線性膨脹系數小，可以避免爐內溫差伸縮而導致襯砌材料的脫落。
3、污泥特性及焚燒煙氣污染物
3.1 污泥特性
該工程的焚燒爐進口混合污泥的設計熱值：干燥基低熱值約為10.8MJ/kg，干燥基高熱值約為19.9MJ/kg。污泥特性見表1。
3.2 焚燒煙氣中的典型污染物
本研究主要通過對焚燒過程中煙氣成分的在線檢測，分析煙氣污染物中CO、NOx、SO2的含量變化情況，研究一次風量、污泥含水量、污泥給料量等因素對煙氣污染物的影響。
NOx的生成機理：污泥焚燒過程中，NOx的來源主要有兩個，污泥所含氮元素氧化燃燒產生和空氣中的氮在高溫燃燒時與氧氣發生反應產生。
SO2的生成機理：污泥中所含的硫發生氧化反應可直接生成SO2，而發生還原反應時，首先分解成H2S，然后再氧化生成SO2，部分SO2會轉化成SO3。SO3的生成量除與污泥含硫量有關外，主要與煙氣中的氧濃度有關，降低剩余氧的濃度可使SO3轉化率降低。
CO的生成機理：污泥焚燒煙氣中的CO通常是由污泥中含碳化合物不充分燃燒產生，其濃度由燃燒工況決定，因此CO含量通常作為判別燃料是否完全燃燒的指標。如果對污泥燃燒過程進行良好的控制，使其燃燒過程中具備充足的氧氣、充分的混合，以及足夠高的溫度和較長的滯留時間，可實現CO的低指標排放。
焚燒產生的煙氣污染物應達到《生活垃圾焚燒大氣污染物排放標準》（DB31/768—2013），具體指標限值如下：CO為100mg/m（3小時均值）或50mg/m3（日均值），SO2為100mg/m（3小時均值）或50mg/m3（日均值），NOx為250mg/m（3小時均值）或200mg/m3（日均值），以上均為標準狀態下的數值。
4、焚燒煙氣污染物的影響因素分析
4.1 一次風量的影響
本工程中焚燒爐的一次風大部分為半干污泥接收坑內的空氣，通過一次風機進入焚燒爐作為燃燒空氣，設計一次風量為7500~16000m3/h。2020年6月，進爐干污泥量為62t/d，污泥綜合含水率為53%，此時NOx排放指標良好，爐內未投用SNCR，濕式脫酸塔堿液投加量基本保持不變，在此條件下，污泥流化床焚燒溫度、NOx、SO2、CO和余熱鍋爐出口氧含量隨一次風量的變化如圖4所示。
從圖4可以看出，在污泥給料量和污泥含水率不變的條件下，隨著一次風量的增加，焚燒溫度先增加而后趨于平穩，煙氣中的氧含量變大；NOx和SO2的排放量先逐漸增加而后趨于平穩。經分析認為：在污泥給料量穩定的條件下，由于一次風量增加，導致爐內的氧含量變大，而使得CO、C等還原性物質的含量減少，因而NOx的生成反應增強，從而使得NOx的排放量增加。
綜上，一次風量不可一直增大，非但不能提高焚燒溫度，還會使一次風機出力增大，加快設備磨損，將風量控制在11200~11700m3/h，焚燒溫度在850℃左右，能保證半干污泥充分燃燒，根據煙氣排放標準，NOx和SO2也能穩定達標排放。
4.2 污泥給料量的影響
本工程單臺焚燒爐考核處理量為57t/d，在現場調試運行過程中處理量范圍為40~85t/d，可以根據實際燃燒工況適時調節污泥給料量以保持爐內燃燒穩定。在2020年9月一次風量為11550m3/h、污泥綜合含水率為46%的條件下，不同半干污泥給料量對污泥流化床焚燒溫度、NOx、SO2、CO和余熱鍋爐出口氧含量的影響如圖5所示。
從圖5可以看出，在一次風量和污泥含水率不變的條件下，隨著污泥給料量的增加，NOx排放量逐漸減少，SO2排放量逐漸增加。
經分析認為：隨著污泥給料量的增加，燃料燃燒耗氧量增加，沿爐膛高度的氧量減少，使得CO、C等還原性物質含量增加，CO和C的還原反應增強，從而使得NOx的排放量減少。而隨著污泥給料量的增加，進入爐內的有機硫增加，使得煙氣中的SO2含量呈上升趨勢。
4.3 污泥含水率的影響
本工程中焚燒爐的設計污泥入爐含水率為30%~65%，在一次風量為11300m3/h和污泥給料量為59t/d的條件下，不同污泥含水率對污泥流化床焚燒溫度、NOx、SO2、CO和余熱鍋爐出口氧含量的影響如圖6所示。
由圖6可以看出，在一次風量和污泥給料量不變的條件下，隨著污泥含水率的增加，焚燒爐溫度呈現逐漸下降的趨勢，余熱鍋爐出口的氧含量亦呈下降的趨勢，CO排放量逐漸增加，NOx和SO2排放量減少。
經分析認為：污泥入爐含水率增加，水分的汽化會吸收爐內的熱量，致使爐溫下降；物料燃燒不充分，使得CO生成量增加，污泥含水率的提高，使得氣化反應和還原反應極易發生，因此一定程度上抑制了NOx的生成，并且促使已經生成的NOx發生還原反應，而且由于大量水分蒸發形成水蒸氣，也減少了NOx生成所需要的O2含量。同時，由于爐內水分的增加，導致煙氣總量增加，也造成了煙氣中SO2含量的降低。
4.4 焚燒煙氣污染物實際排放情況分析
本工程于2020年6月和9月分別對焚燒爐進行性能考核，根據可行性研究報告批復和工程合同文件，焚燒產生的煙氣污染物應達到《生活垃圾焚燒大氣污染物排放標準》（DB31/768—2013），考核期間采用CEMS在線檢測系統檢測各煙氣污染物指標，并請第三方監理單位實時監督，結果如表2~4所示。
從表2~4可以看出，參照DB31/768—2013標準，本工程中的3條污泥焚燒線產生的煙氣污染物都可以達標排放。
5、結論和建議
①本工程結合上海特大型城市的實際情況，選擇了減量化最徹底的污泥干化焚燒工藝。鼓泡流化床是目前國內外主流的污泥焚燒爐型，在本工程上的成功應用表明其能夠很好地適應市政污泥的焚燒特性，確保了污泥的穩定和完全燃燒。在調試考核期間，通過CEMS在線檢測系統檢測各煙氣指標，煙氣污染物可穩定達到排放標準。
②在污泥給料量和含水率穩定的條件下，當一次風量在11200~11700m3/h范圍時，焚燒爐溫度能穩定保持在850℃左右，此時，再增加一次風量，溫度趨于平穩，但會增加焚燒爐周邊的一次風機和空預器出力，加快設備磨損和老化。
③在一次風量和污泥含水率穩定的條件下，隨著污泥給料量的增加，NOx生成量逐漸減少，SO2生成量逐漸增加。增大污泥給料量，爐內含氧量降低，CO含量增加，造成污泥的不充分燃燒，同時，增大給料量也要防止爐內超溫現象的發生。
④在一次風量和污泥給料量穩定的條件下，隨著污泥含水率的增加，大量水蒸氣生成，引起爐溫下降，含氧量降低，爐內燃燒工況波動，NOx生成量呈下降趨勢，SO2生成量亦逐漸下降。此時，污泥含水率應保持穩定，避免波動太大而引起爐內燃燒的擾動。
⑤在污泥焚燒過程中，根據燃燒工況的變化，實時進行風量、給料量和入爐污泥含水率的調整，才能保證燃燒的穩定，確保相關設備的穩定運行。（來源：上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司）
