污泥由水處理過程中多種微生物形成的菌膠團以及其吸附的有機物和無機物組成，是一種生物質資源。如今在碳達峰、碳中和（“雙碳”）戰(zhàn)略目標的背景下，生物質能被譽為繼煤炭、石油、天然氣之外的第四大能源。單獨焚燒是能夠穩(wěn)定實現(xiàn)污泥減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化的有效工藝，有助于實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標。中原地區(qū)某皮草公司內污水廠所產污泥及皮革廢料等固體廢物原采用填埋模式處置，但日均填埋量大、費用高，并受限于道路運輸以及填埋場場地容量等多種因素，致使大量廢物無法處置，影響該公司的正常生產運行，故亟需對其所產固體廢物進行混合焚燒的可行性研究及后續(xù)工程設計等工作。
1、項目背景與混合焚燒路線分析
1.1 項目概況
該皮草公司是全球最大的羊裘皮鞣制企業(yè)，建有處理能力為4×104m3/d的污水處理廠，其生產過程中產生的一般固體廢物（皮革廢料）、污水廠污泥采取填埋方式處置。隨著《“十四五”新型城鎮(zhèn)化實施方案》提出“推進生活污水治理廠網配套、泥水并重，推廣污泥集中焚燒無害化處理，推進污水污泥資源化利用”，以及地方政府用地需求加劇，而屬地未建設相應的污泥處理處置設施，擬采用焚燒方式將污泥與皮革廢料進行混合焚燒。該公司采用生態(tài)鞣制工藝，其污水廠污泥以及皮革廢料中的各項重金屬含量等參數經多家第三方檢測機構檢驗后，結果均在《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置單獨焚燒用泥質》（GB/T24602—2009）的限值以下，經屬地環(huán)保部門確認后，認定該項目的處理廢物屬于一般固體廢物。
結合遠期發(fā)展，設計污泥及固廢處理總規(guī)模為117tDS/d，其中污泥規(guī)模為432t/d（含水率為80%），皮革固體廢物為68t/d（含水率為55%）。污泥的處理干固量占比達到73.85%，故工程的核心工藝應以污泥處置為主，并結合其余皮革固體廢料一并處置。
待處置污泥為含水率60%~80%的脫水污泥，皮革固體廢物為皮革鞣制過程中各環(huán)節(jié)所產生的皮革廢料，主要分為肉渣類、酸藍皮、皮革干料及毛飛等，其基本性狀參數如表1所示。可知，肉渣類和酸藍皮的含水率較高，毛飛和皮革干料含水率較低，但這些皮革廢料的尺寸大多較長，需要進行破碎才能夠滿足輸送設備的需求，避免長皮革纖維對設備的纏繞。
采用混合焚燒，首先需考慮污泥與固體廢物的分布均勻性，其次是不同類別固體廢物的輸送方式，最后是多種物料混合后焚燒的可行性及經濟性。王中慧等采用30MW農林生物質發(fā)電機組開展了污泥衍生燃料摻燒試驗，強調需要控制污泥的摻燒比例范圍及污泥在生物質燃料中的分布均勻性，以保證系統(tǒng)的正常運行。上述要點均是項目設計需重點考慮的因素。
1.2 混合焚燒工程案例分析
污泥協(xié)同處置工藝是環(huán)保部門推薦的方式，而污泥摻燒是協(xié)同處置的有效方式之一。水泥窯協(xié)同處置污泥、熱電及垃圾電廠協(xié)同處置污泥等多種污泥混合摻燒項目已在我國實施多年，部分工程案例如表2所示。
污泥摻燒是有效的處置工藝，但在我國推廣的協(xié)同污泥處置工藝當中，污泥占比較小，因此多將污泥摻入熱值更高的焚燒產能工藝進行處置，部分工程還需要對污泥進行干化來滿足不同爐型的入爐要求，同時也需要考慮污泥焚燒煙氣對原煙氣凈化系統(tǒng)的影響。
隨著我國的城鎮(zhèn)化發(fā)展，近年來，上海、成都、南京等城市新建眾多污泥單獨焚燒項目，而并未選擇污泥協(xié)同處置工藝，其主要原因為：①污泥的實際產量遠大于規(guī)劃的污泥產量，協(xié)同處置城市污泥的能力嚴重不足，過剩污泥無法得到妥善處置；②污泥的熱值、含水率及其他元素含量等性質不穩(wěn)定，對摻燒工藝影響較大，某一參數的變化會導致整個摻燒系統(tǒng)無法運行；③污泥與其他物質的混合效果與混合量難以掌握，某一參數不穩(wěn)定可能引起爐溫或工況的波動，導致主工藝線產能下降；④污泥焚燒處置工藝能夠使污泥得到最大化減量以及穩(wěn)定處理，郝曉地等認為污泥焚燒工藝是在污泥全生命周期（LCA）處理/處置方面的最佳工藝，但協(xié)同處置時，污泥處置量會受污泥處置產品質量、產電效率等主工藝路線的產能效果影響。
結合以上分析，采用污泥焚燒的處置路線可行，但需要結合污泥與皮革廢料混合焚燒進行工藝路線研究，對皮革廢料破碎后與污泥的混合時間、物料配比、綜合含水率及綜合熱值等進行分析，從而確定設計條件。
1.3 處理物料性質分析
通過分析國內目前相關的污泥協(xié)同處置案例以及生物質試驗研究，項目采用污泥與皮革廢料混合焚燒處置工藝路線的可行性還需要根據處理物料性質進行進一步確定。對污泥泥質以及一般固體廢物的性質進行檢測，結果如表3所示。可知，污泥的干基低位熱值偏低，不能實現(xiàn)自持燃燒。污泥中的硫元素與氯元素含量較高，特別是硫含量遠高于一般市政污泥，這會大大增加焚燒后煙氣中的SOx濃度；含量較高的氯元素焚燒后會在煙氣中形成HCl，腐蝕相關設備；污泥中堿金屬鹽含量較高，導致熔融現(xiàn)象發(fā)生概率的提高。經進一步調查可知，污泥中硫元素與氯元素含量較高的原因是：①在污水處理過程中，投加了大量的硫酸亞鐵藥劑，致使硫元素最終富集于污泥之中，目前已配合污水處理廠改進污水區(qū)的相關工藝，減少硫酸鹽藥劑使用量；②皮革在運輸及生產加工過程中，投加了大量的NaCl及KCl，導致大量氯離子進入污水處理系統(tǒng)，最終富集于污泥之中。
皮革廢料的干基低位熱值較高，可自持燃燒。皮革的主要有機物為氨基酸，其干基氮元素含量較高，這可能導致混合物焚燒后煙氣中NOx的濃度較高。皮革廢料干基灰分含量較低，但是由于其鞣制工藝中投加了大量NaCl及KCl，導致整體堿金屬含量較高，與污泥相似，均存在發(fā)生熔融使床料玻璃化的風險。故設計時應考慮相應對策，如投加石灰石或高嶺土等。
2、方案設計
2.1 焚燒工況分析
根據表3中的數據，選取各物料平均值，將各種處理物料混合后的參數作為工程設計指標值。該工程污泥混合物設計參數如下：混合物料含水率（污泥未經干化處理）為73.4%，混合物料含固率為26.6%，可燃質含量為48.6%，灰分含量為51.4%，混合物低位熱值為1.07×104kJ/kg，混合物高位熱值為1.15×104kJ/kg，C為50.93%，H為7.30%，N為8.08%，O為18.59%，S為10.09%，Cl為5.01%。
該項目處理的固體廢物以污泥為主，污泥與皮革廢料混合后與原污泥的狀態(tài)接近，但混合物的熱值更不均勻。為保證焚燒效果，采用適宜熱值不均衡且燃盡度高的鼓泡流化床形式的焚燒爐。目前，成都、上海等污泥焚燒項目采用了該爐型，獲得了較好的工程實踐效果。考慮到爐型特性，設計的流化風溫度為140℃、過量空氣系數為1.2~1.4，根據污泥及皮革廢料的干基低位熱值、入爐固廢量、入爐固廢含水率以及為達到850℃所需的入爐總熱負荷的相關參數范圍等計算燃燒工況（見圖1）。
由圖1可知，該工程物料的混合焚燒可以滿足燃燒要求。當混合物料在入爐含水率為49.7%~52.4%、干基低位熱值為（0.97~1.11）×104kJ/kg、入爐干化污泥量為3977~6250kgDS/h的條件下，可維持850℃的自持燃燒。在自持燃燒區(qū)內，當物料熱值或含水率波動時，可通過采取相應措施，如添加輔助燃料、調節(jié)流化風溫度、調節(jié)流化風過量系數、調節(jié)處理量或焚燒爐內噴水降溫等解決。
2.2 設計方案
為實現(xiàn)污泥與皮革廢料的自持燃燒，設計采用皮革預處理+污泥干化+焚燒+煙氣凈化工藝處置路線（見圖2）。
預處理是根據焚燒及輸送系統(tǒng)對污泥及皮革廢料的需求進行的綜合固廢處理，主要包含皮革廢料的儲存、破碎、輸送以及與干化污泥的混合。經混合后的固體廢物送入鼓泡流化床焚燒爐焚燒，焚燒后約850℃的煙氣進入余熱鍋爐，產生1.0MPa（表壓）、180℃的飽和蒸汽送往汽水系統(tǒng)的蒸汽分配集箱，然后分配到干化車間等全廠用汽設備，經余熱鍋爐后的230℃煙氣進入后續(xù)的煙氣凈化系統(tǒng)處理，達到《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB18485—2014）及屬地相關地方標準后排放。煙氣處理系統(tǒng)主要包括靜電除塵器、干式反應器、布袋除塵器、二級濕式脫酸塔、濕電除塵器、煙氣再熱器、選擇性催化還原法（SCR）反應器、引風機、煙囪、飛灰固化及相應的吸收劑制備和儲存系統(tǒng)等。由于混合固廢中硫元素含量遠高于市政污泥，二級吸收塔采用石灰石/石膏懸浮液雙塔雙循環(huán)工藝，在1#吸收塔內脫除90%以上的SO2，在2#吸收塔內脫除剩余少量SO2。焚燒后，污泥中的灰分幾乎全部隨煙氣進入煙氣凈化系統(tǒng)，經靜電除塵器和布袋除塵器后，煙氣達標排放，灰渣與飛灰則落入灰斗，通過氣力裝置分別輸送到渣倉和灰倉儲存。渣倉底部設有卸料器和加濕攪拌機，可以將灰渣加濕后外運，飛灰經螯合固化后打包外運。
2.3 布置方案
項目設計占地約2hm2，主要構筑物為皮革廢料預處理車間與污泥干化焚燒車間。皮革廢料預處理車間為丙類廠房，構筑物尺寸為107.7m×36.8m×19m，建筑面積為4363.6m2；污泥干化焚燒車間為丁類廠房，構筑物尺寸為131.6m×51.8m×24m，建筑面積為14075.2m2。廠區(qū)平面布置見圖3。
皮革廢料預處理車間與污泥干化焚燒車間相鄰布置，各單體建筑物之間的距離均大于10m，滿足防火間距要求，周邊物流及消防車道寬度為7.0m，車間內部檢修通道寬度為4.0m，廠區(qū)內主要的人流與物流通道相互分離。
3、碳減排測算
溫室氣體的碳排放分為能源碳、生物碳、可替代類碳。污泥干化焚燒主要包括預處理（包含皮革破碎、污泥濃縮脫水及物料混合）、干化、焚燒和尾氣凈化環(huán)節(jié)。其中，根據《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》，污泥焚燒環(huán)節(jié)產生的CO2、CH4和N2O作為生物碳，不計入碳排放總量。原污泥填埋處置主要包括污泥濃縮調理、板框壓濾脫水、外運處理和污泥填埋環(huán)節(jié)，產生的填埋氣體以CH4、CO2為主。
碳足跡與處理廠的規(guī)模、實際工藝、設備選型等都直接相關，采用《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》提供的方法和參數取值對污泥干化焚燒工藝的碳排放進行估算，1t干污泥的CO2總排放量折算1t標煤產生的CO2，以2.6t計。計算采用干化焚燒路線處理1t干污泥的碳排放量，條件如下：①污泥進泥含水率為98%；②脫水污泥含水率為80%；③混合物碳含量比例為50.93%；④焚燒效率為97%；⑤干化污泥含水率為35%；⑥污泥焚燒能量利用效率為70%（假設值）。
該項目設計混合物料處理規(guī)模為117tDS/d，物料的含水率平均值為73.4%，干基低位熱值為1.07×104kJ/kg，入爐含水率約為52.4%，PAM用量為2t/d，以此為計算基礎。原污泥填埋處置過程中用電量為30000kW·h/d，PAM用量為4t/d，脫水后的污泥（含水率60%）需運輸到50km外的填埋場進行處置。
固廢混合焚燒、填埋的碳排放計算分別見表4、5。
經計算，采用混合焚燒方式，項目處置1t固廢的CO2總排放量為914.63kg/d。而采用填埋方式，處置1t固廢的CO2總排放量為2777.29kg/d。綜上所述，采用干化焚燒技術路線后，每噸固廢可減少CO2排放量為1862.66kg/d。因此，與原填埋處理工藝相比，混合焚燒工藝可以減少CO2排放約7.954×104t/a。
4、運行情況
該項目于2023年10月進入試運行階段，污泥與皮革廢料混合的日均處置量為350t/d，即設計負荷的70%。在試運行期間，干化機出泥含水率為40%，由于皮革廢料的熱值較高，為避免混合物不均勻焚燒時發(fā)生超溫情況，試運行期間的爐內自由區(qū)溫度控制為850℃，爐床區(qū)溫度為750℃，爐膛壓力為-500Pa，排砂溫度為20℃，日均排砂量約為20t/d。
試運行期間，污泥處置量為280~320t/d（含水率80%計），皮革廢料處置量為10~35t/d（摻燒量受該企業(yè)生產情況影響）。試運行前，針對設計情況進行校核，污泥的復測干基低位熱值約為7980kJ/kg，較設計值降低約500kJ/kg，皮革廢料的熱值基本一致，所有處理物料的其他含量元素與設計值基本相符。污泥平均熱值的降低會導致圖1中自持燃燒的范圍縮小，但整體仍可滿足混合物的自持燃燒。在混合摻燒運行過程中，當皮革廢料的摻燒量高于30t/d時，混合物可完成自持燃燒，無需外補柴油；但當皮革廢料摻燒量低于30t/d時，需要外補柴油，補充量為0~200kg/h，待皮革廢料生產線穩(wěn)定后，無需再外補柴油。
5、結論
該項目的實施解決了中原地區(qū)某皮草公司固廢處理處置的問題，提供了一種污水處理廠污泥摻加皮革廢料生物質進行混合焚燒的協(xié)同處置方法，同時，在“雙碳”要求下，也提供了一種新的碳減排思路。基于分析各種處理物料的性質及焚燒工況，確定混合物的綜合熱值可以維持自持燃燒的可行性與經濟性。通過皮革的破碎、固廢混合及焚燒試驗，驗證并確定了皮革預處理+污泥干化+焚燒+煙氣凈化的工藝路線，目前已成功實施并進入試運行階段，項目實施后，在解決該公司固廢處置難題的同時，也減少了CO2排放量。
在污泥與其他物料混合摻燒的設計項目中，由于污泥會隨企業(yè)生產工藝或堆放時間的改變發(fā)生泥質變化，故需在不同階段對污泥以及混合物料的焚燒元素進行多次復測，以保證后續(xù)干化以及焚燒工況的穩(wěn)定性和經濟性。（來源：北京市市政工程設計研究總院有限公司）
