欧洲污泥干化技术的现状与比较

欧洲污泥干化技术的现状与比较本文出自:水世界网作者:sding点击率:13711.欧盟各国在污泥处置方面的政策准备1.1.立法欧盟早在1982年就对污泥的最终处置制订了指导性政策。其核心内容为两个：——逐步禁止向地表水系统排放污泥；——鼓励污泥用于农业，但必须遵循严格的使用规则并实施监测、跟踪；各成员国相继按照欧盟的指导性政策制订了本国的法律与法规。以意大利为例，污泥被作为固体废物的一种（特殊垃圾），按照法律的规定，由垃圾的制造者和所有者负责妥善处置，即污水处理厂。其处置费用以规定的污水处理费（含排水管网和污水处理厂）形式单独收取。一些国家的污水处理费已经高于自来水费，特别是大城市。1.2.政策的执行和监督2000年欧共体内的污水处理厂大约产生有790万吨(干)污泥，其中意大利约92万吨。意大利的污泥治理有着强烈的地区性和经济性特点。制订、批准环保政策和项目的机构是相当于省政府的大区政府，项目的实施者则是一些有市政当局组成的经济联合体。1.3.国民的态度和意识欧盟国家一直对环境问题较为重视。无论工业家还是普通国民，守法意识非常重，特别是涉及环境保护方面。法律上规定，对肇事者除处以罚款外，同时追究刑事责任。2.欧洲污泥处置的一些主要特点2.1.干化是一种必要的中间过程从直接施用到直接焚烧，从干化后施用，到干化后焚烧，直到最近的干化后气化，基本上肯定了干化作为一项必要的中间过程的重要性。其原因主要有两个：经济性，无论是运输处置减量，还是能源消耗减量卫生性，农用的必要条件2.2.最终处置方式是国情的选择填埋无疑是不可取的，这不仅在于土地价值昂贵，主要还是从能源和生物能资源方面考虑，欧盟要求减少和限制污泥的填埋。对于有着过量能源的国家来说，可能选择焚烧作为有效处置手段。污泥本身的热量不足以维持其热量需求，因此必须加入新的廉价热源，比如森林垃圾或市政垃圾。这一处置方式除了投资很高外，与公众舆论有一定的冲突，虽然目前的技术可能已经可以保证相当的安全。对于能源进口国或焚烧炉不多的国家来说，解决污泥问题的出路最好是农用。农用的主要问题在于对土地的保护，避免重金属过量沉淀在土壤中，必须有恰当的手段和体系保证这一点。目前，有关污泥重金属污染的知识已经有相当多的积累，生产者的记录体系已经建立起来，至少对于使用者来说尚需一定的时间学习和管理。污泥的填埋仍然占有重要份额，由于干化可以大幅度减量，有效降低填埋费和运输成本，因此对于这种不是处置方案的方案来说，干化成为一种降低成本的必要手段。2.3.污泥的处置是以经济效益为主要驱动力的产业化运作最终处置手段本身就是一种资源，使用这种资源必须付费。除去已经完全私有化的水供给系统，绝大部分的污水处理厂的所有者是市政府，一般来说，污水处理厂的运作均委托市政府组成的联合体和私有、国有公司进行运营。运营者不一定拥有全部、必要的处置手段。他们只能得到有限的资金，在资金范围内采用最佳处置模式。3.欧洲污泥干化工艺的一些特点3.1.干化技术是传统干燥技术的改进从七十年代以来，世界上已经有众多的厂商提出过或试验过污泥的干化，这些厂商几乎无一例外地全部来自农产品、化工、医药、食品干燥等领域，其方法均是在原有的技术基础上进行污泥的干化试验，其中有成功的，但是更多的是失败的。失败者中不乏大型知名设备集团或企业。原因在于，并非所有干化技术适合于污泥这种物料的干燥。3.2.干化的首要难题在于安全性过去二十年来，欧洲和北美污泥干化的项目上已经发生过大大小小众多的事故案例，从已干燥污泥的自燃，到设备的爆炸，使得一些国家甚至制订了专门的污泥干化设备的安全导引，以敦促经营者慎重考虑干化过程中各种潜在危险因素。3.3.干化工艺的理论和实践存在较大差别对大多数人来说，污泥干化应该是非常简单的，无非是靠热量将水从污泥中蒸发出来而已。蒸发水份需要一定的热能，每公升蒸发量最低需要620大卡，加上一定的效率损失难道还不够吗？所有的干化设备处理商似乎都标称其系统的热能需求是800－850大卡，大家基本上不分彼此。如果污泥干化是如此简单，一些有着数台、数十台销售业绩的大型工艺集团就大可不必退出这一领域了。事实上，正是由于在理论和实践上污泥干化工艺存在着较大的差异，使得一些设备的运行存在着极大的不可预测性和不稳定性，导致其“不堪重负”。3.4.干化设备的效率与效益差别显著工艺和设备的稳定性是非常重要的，对于人力资源昂贵的欧洲厂商来说，无论是使用者还是设备提供者，如果设备的效率低，意味着极高的人力费用支出。能源费用对于欧洲厂商来说显然不如发展中国家敏感，但是由于能源在一个干化系统的经营总成本中占去一半以上，节能哪怕是很少的部分，也都具有重要意义。4.欧洲干化设备的主要工艺类型4.1.工艺分类根据热能供给的形式，可以分为两个系列，每个系列分别有几种代表性的工艺：4.1.1.直接加热方式：转鼓式(rotary/drumdryers)传送带式(conveyorbeltdryers)气动传输式(pneumatictransportdryers)其它间歇式包括太阳能式(batchaswellassolardryers)4.1.2.间接加热方式：转碟式(discdryers)桨式(paddledryers)薄层式(thinfilmdryers)流化床式(fluidizedbeddryers)涡轮薄层式(turbothinfilmdryer)4.2换热效率差别产生的原因众所周知，蒸发意味着在单位时间里将一定数量的热能传给蒸发的对象。一般都需要通过一个介质，要么是空气，要么是蒸汽，要么是金属等。通过金属热壁，水分子与金属分子直接换热，即所谓热传导；通过或不通过热交换器将热传给空气、通过热交换器将热传给蒸汽，然后蒸汽或空气的分子与水分子进行热交换，即所谓热对流。衡量热传递效率的一个参数是导热率，即在单位时间、单位面积里能够传递（通过）的热量。金属的导热率明显好于空气或蒸汽，热量通过金属表面与介质进行换热，是效率最高的热传递。需要介质时，热交换器的有效换热面积将决定热量供给的供方效率。同样，热量的接受方，其接受热量的能力也有限制。比热的定义是：单位重量的物质、每升高1度所需要的热量。物质要接受一定的热量，必须有足够的质量来获得和携带它。虽然热交换器通过金属表面可以在单位时间里给出足够的热量，但是在单位时间里如果没有足够的气量来接受它，也是枉然。因此，热对流系统不仅需要庞大的气量进行物料的搬运，也需要这些气量来携带足够温度的热量。此外，空气、蒸汽的运动是有时间和空间限制的，也就是说要受到换热表面积、管线、流速、摩擦力、热量散失等因素的影响。升温的温度越高，气量越大，总的热能损失也越大。空气对空气的换热效率最低，其它介质对空气的换热也有较大损失。减少换热损失的方法，只能是选择最佳材料（导热率）、增加换热表面积、减少换热次数、延长换热时间、增加保温等。不幸的是，大多数能源均来自于某种燃料的焚烧，而焚烧是空气的不断供给过程，有着特定的速率，在这个速率下获得的热量如果无法全部利用，必然又回到大气，形成物理上的能量损失，即所谓“燃烧效率”问题，这一损失根据燃料类型变化。无论直接还是间接加热的干化，都存在同样的燃烧效率问题。直接加热方式将燃料燃烧后直接引入系统，烟气没有向大气直接排掉，也没有通过热交换器，因此有着较高的热效率，但是这部分烟气连同整个系统的气体均必须洗涤，从而有一次热损耗。此外，不完全燃烧是一个潜在问题。问题在于，由于空气本身的换热性质较差，在污泥方面必须干泥返混之外，还需考虑一系列的“废热回收”，才能在整体热能消耗上保持竞争力。间接加热的干化无论如何要通过一个乃至多个热交换器，这形成第一个损失。之后，洗涤气体成为第二个损失点，因此应该考虑燃烧效率。间接加热方式要获得高的热效率，必须依靠有效的热传导，以获得高换热效率。4.3.干化工艺的主要问题下面分别列举热对流和热传导在污泥干化方面分别可能存在的问题。4.3.1.热对流系统依赖干泥返混粉尘含量高安全隐患多换热效率低干化速度慢气量高，热损失大设备数量多，关键控制点多设备体积大停机所需的时间长维护复杂，特别是紧急情况后的清理繁重对能源要求较高4.3.2.热传导系统依赖干泥返混（薄层除外）粉尘含量高（仅流化床）金属磨损（流化床和转碟式）安全隐患（与金属磨损、粉尘相关）工艺气量高，热损失大（仅流化床）设备数量多（薄层除外）动能损失大设备体积大（仅流化床）污泥粘壁降低导热率维护复杂，特别是紧急情况后的清理繁重4.4.主要缺陷的解决方法及其问题减少单位时间里的物流量，取消干泥返混，可以减少设备台数一半以上，将控制关键点减少到最低程度；不幸的是，对于绝大多数系统来说是不可能的；采用蒸汽回路避免氧气含量所造成的安全隐患；这一方案仅能适用于间接加热方式，在直接加热系统中无法应用；提高工艺气量（速度），以提高干化效率；这样做的结果将造成更大的热量损失；增加热交换系统，以尽可能降低热损失；从理论上看是非常出色的想法，但是在实际运用中意义有限，这主要是因为其废热温度较低，回收的比例也较低；采用更耐磨和防黏附的材料与工艺来制造设备；无论什么耐磨材料，都是有一定寿命的，何况干化工况复杂，影响其使用寿命的因素太多，如果需要特殊材料的部分太多，将失去经济可行性；使用废热或廉价能源；废热包括废热蒸汽、烟气、沼气等，廉价能源包括燃煤、重油等。直接加热方式除了采用热交换器利用废热蒸汽进行一次预热外，仍需以来其它能源，燃煤、重油等含二氧化硫的能源在高湿环境下可能形成硫酸，将损害设备，除非安装昂贵的干法除硫设备，但这将大大降低系统所需的工艺温度。间接加热方式可以使用所有废热或廉价能源。4.5.涡轮薄层是如何解决两种换热方式的局限性的涡轮薄层工艺是意大利VOMM公司研制的一种特殊干燥技术，它既采用热传导也采用热对流。其有效的热对流占换热总量的40％左右，热传导占60％以上。这一工艺彻底取消了干泥返混，使得工艺简洁，设备数量极少，整体可靠性提高；工艺采用相当于普通热对流工艺不到一半的气量，起到物料搬运的作用，并配合热传导，形成最佳的蒸发效率，干化时间仅为2.5-3分钟，同时利用蒸汽的表面保护作用，避免污泥颗粒的过热，进而减少了粉尘问题；利用高速涡轮产生的涡流形成搅拌，使得物料不但不会贴附的金属热壁上，相反，有着强烈的自清洁效果。易磨损金属件数量和范围极为有限，因此可以采用较好的热处理技术提高其寿命。由于处理时间大大缩短，单位时间里系统内的物料极少，因此停机所需时间短，紧急停机情况下的清理量极小。可以采用各种廉价能源或废热，形成有竞争力的解决方案。此外，涡轮洗涤工艺可以有效解决燃煤利用中的高效脱硫问题。工艺可以采用全蒸汽回路，以进一步提高安全性和节能。总结来看，尽管各个工艺可能都存在这样那样的优缺点，对于客户来说，更为需要的其实是一种工艺能够适应其特定的经济、技术条件，能够在现有的条件框架内，利用最廉价的能源，以最低的成本，安全地完成干化这一任务。5.以蒸汽为载气的涡轮薄层工艺在成功的涡轮薄层工艺基础上，VOMM开发了采用蒸汽为载气的系统，并成功运用在瑞士NEUCHÂTEL项目上。位于瑞士Saiod,Colombier地区的这家联合体本身是一个垃圾焚烧厂，接受该省7个污水处理厂的污泥，泥饼含固率从18％到30%不等，采用汽运的污泥到场时间变化较大，很难保证均匀的混合，因此湿泥含固率变化较大。干燥后的用途是制水泥，因此要求含固率大约92％。这一项目在能源方面的特点是，客户仅提供来自联合焚烧炉的废热蒸汽。采用蒸汽回路最初是应客户的要求，为了达到所谓“绝对安全性”而开发的。使用蒸汽而不是空气，首先遇到的是压力问题，为降低造价，让系统在一个较为宽松的工艺压力下长期可靠运行，必须使用一个比工艺空气低得多的温度。这在一定程度上将削弱热对流能够带给系统的效率。其次，我们必须全部而不是部分利用废热蒸汽为整个工艺提供热源。这意味着4.5巴的废热蒸汽就必须能够满足我们的工艺温度要求，这对所有干化系统来说都是一个更为严峻的考验。如前所述，直接加热方式不能引入蒸汽到系统中，其所要求的