Outotec流化床能源系統(tǒng)在蘇黎世污泥熱處理廠的應用

李佳

(奧圖泰中國，北京100020)

摘要：介紹了以Outotec 流化床為核心技術的能源系統(tǒng)的構成及特點，著重介紹其煙氣處理系統(tǒng)、能源利用和磷回收的獨特設計，以及在瑞士蘇黎世污泥熱處理廠的技術實現(xiàn)。

自1926年以來，瑞士蘇黎世Werdhölzli（韋德霍茲利）污水處理廠一直負責處理城市污水。為了找到可以長期、安全且環(huán)保地處理大量污泥的解決方案，對農(nóng)用、土地復墾、填埋、全干化、混合焚燒和專門焚燒各種處理策略進行了分析，最終決定建造一座基于專門焚燒的熱處理廠。

2012年4月，蘇黎世通過國際招標選定總承包商（根據(jù)瑞士法律，以下簡稱“總承包商”），在Werdh?lzli處理廠的位置建造一座新的污泥處理廠。該選擇是基于許多技術和商業(yè)評估標準作出的。評估標準包括投資成本和長期運營成本，還包括總體能源概念和煙氣凈化系統(tǒng)必須始終符合瑞士嚴格的排放限值標準。除了整體工藝設計，這個交鑰匙項目的供應和服務范圍還包括在總承包商授予合同前所需審批程序的技術文件編制以及對客戶收到各種許可證和批準之前的各項支持。在2013年3月舉行的市政公投中，熱處理項目提交表決，憑借93.9%的創(chuàng)紀錄贊成結果，獲得了最終的合法性。

1 流化床焚燒爐

整個熱處理廠的核心是奧圖泰鼓泡流化床焚燒爐，焚燒爐構造見圖1。

圖1 蘇黎世流化床焚燒爐三維示意圖

這種燃燒技術在各種不同的應用中一直提供優(yōu)質的服務，總承包商在該處理廠中實現(xiàn)了更多細節(jié)化設計的考慮。

① 酸露點。在污泥處理過程中，較高的硫含量可能會產(chǎn)生高腐蝕性煙氣。如果酸露點溫度低于金屬部件溫度，即使20 mm的壁厚，很多金屬部件在數(shù)周內就會被腐蝕掉。設計成敗的決定性因素在于總承包商提供了整體設計（爐壁堆積物、接縫、耐火爐襯、隔熱和正確鋼種的選擇等）的考慮。

② 熱伸長。由于燃燒溫度較高，焚燒爐在各個方向上均受到熱運動的影響。通過對爐基、平臺、管道連接等系統(tǒng)提供錨和必要的伸縮縫設計。

③ 噴嘴爐篦。為確保流化床系統(tǒng)可靠的自持燃燒，并避開污泥干燥至粘滯階段，工藝設計將流化空氣預熱至最佳水平（400~600 ℃），并且均勻地分布在反應器的整個橫截面上，壓鑄陶瓷噴嘴爐篦背靠或拱形耐熱噴嘴盤，實現(xiàn)了最大化的流化床表面。

④ 噴嘴。噴嘴設計考慮了確保充分緊固，并防止流化沙回流進風室或集氣管，總承包商所使用的材料可確保噴嘴壽命超過20年，不用更換。

⑤ 燃料分布。較低的煙氣排放水平和燃料的充分燃盡取決于燃料分布設計，專有的攤鋪式送料機構實現(xiàn)了污泥在整個流化床上的合理分布。

更多的人性化設計還包括：為便于操作和維護，焚燒系統(tǒng)設計了尺寸足夠大的人孔、具有足夠凈空高度的平臺、流化床中的氣噴槍（用于加快啟動運行）和許多其他特征，以支持運行人員以高效、可靠且安全的方式執(zhí)行處理廠的日常運作。

2 煙氣處理設計

2.1 瑞士與歐盟排放限值比較

與歐盟的排放限值相比，在瑞士污泥處理廠設計的主要區(qū)別在于NO_x的排放限值更嚴格，并且增加了NH₃的排放限值標準(見表１)。

表1 瑞士與歐洲排放限值比較

續(xù)表1 （Continued）

2.2 組合式干-濕煙氣凈化設計

總承包商從技術和經(jīng)濟兩個方面提出了作為給定條件下整體上最適宜的煙氣處理設計，該工藝組合由SNCR技術、靜電除塵器、干法吸附和在下游配以兩階段濕式洗滌器的精細清理階段組成。其中，干法吸附工藝使用熟石灰/碳吸附劑進行。

為了對所選擇的組合式干-濕煙氣凈化系統(tǒng)與單獨的干法處理系統(tǒng)進行比較，選擇相關排放限值包括SO₂、NH₃以及氮氧化物（NO_x）和汞（Hg）的排放限值。污泥處理過程中產(chǎn)生的未凈化氣體中的SO₂含量在干燥狀態(tài)下通常介于1 000~3 000 mg/m³，干燥狀態(tài)下的峰值含量可達5 000 mg/m³，其比垃圾焚燒爐煙氣中的SO₂含量高出很多。

當使用單獨的干法煙氣清潔技術（去除效率比濕法工藝低）時，要符合SO₂在干燥狀態(tài)下的排放限值（< 50 mg/m³），需要采取特殊的措施，比如向爐內添加石灰石、就地收集SO₂，或者采用兩階段干法吸附工藝（在袋式除塵器之后，按較高的化學計量過剩系數(shù)，向爐內注入添加劑）。向爐內注入石灰石會干擾未來對灰中磷的回收，因此是不可取的。另一方面，上述向爐內注入超化學計量添加劑的兩階段干法吸附工藝還會導致投資和運營成本增加。

對于NO_x的控制，設計選擇了SNCR系統(tǒng)，同時向爐內注入氨水，這樣可確保始終符合嚴苛的NO_x排放限值。然而，這種方法可能會導致氨排放物增加。采用一個適度設計的濕式洗滌器，可確保始終符合氨排放限值標準（< 5 mg/m³）。而單獨的干法煙氣凈化概念則需要在下游采用一臺額外的SCR反應器，也將導致運營成本增加（煙氣再加熱需要消耗燃氣，并且還需要更換催化劑）。

為確保始終符合Hg排放限值標準（<0.1 mg/m³，干燥狀態(tài)下），必須將活性炭或爐床焦炭添加到煙氣流中，作為額外的吸附劑。雖然基于NaHCO₃添加劑的干法煙氣凈化工藝應當在相對較高的溫度（≥180 ℃）下運行，以實現(xiàn)最佳的吸附劑利用率，但碳質吸附劑上的Hg吸附量會隨著煙氣溫度的下降而增加。這是選擇兩階段干法工藝時必須考慮的另一個標準。

2.3 年度運營成本

從化學試劑消耗成本和殘留物處理成本兩個方面，對各種煙氣凈化替代方案的年度運營成本進行了比較(見表2)。

表2 各種煙氣凈化替代方案的年度運營成本比較

從上述數(shù)字不難看出，在使用Ca(OH)₂或NaHCO₃作為吸附劑的干法工藝中，化學試劑和殘留物處理成本的量級基本相同。在目前的情況下，NaHCO₃吸附劑的添加速度略低，而這種化學試劑的采購價格是Ca(OH)₂的兩倍。所產(chǎn)生的殘留物含量較低，部分補償了NaHCO₃吸附劑較高的成本。與干-濕組合工藝相比，這兩種干法工藝（以石灰或碳酸氫鈉作為吸附劑）的成本明顯更高。即使單階段干法煙氣凈化系統(tǒng)所需的設備更少，但這類工藝無法保證始終符合瑞士《清潔空氣條例》中規(guī)定的嚴格排放限值標準，同時，這類工藝的化學試劑成本和殘留物處理成本也更高。組合式干-濕煙氣凈化方法從經(jīng)濟角度而言是更佳的設計方案。

3 能源工廠

污泥處理廠的設計同時提供了最大限度的熱回收機會(見圖2),主要包括：傳統(tǒng)上，燃燒熱量一直在下游空氣預熱器和鍋爐（蒸汽或熱油）中回收，用于污泥干化，以實現(xiàn)流化床自持燃燒；過熱蒸汽，用于驅動渦輪發(fā)電機組來發(fā)電，由此產(chǎn)生的電力通常足以滿足處理廠的電力需求；氣/氣熱交換器，用于煙氣再加熱。除了上述熱回收選項外，設計還考慮了許多其他具有顯著能源含量的熱源。一方面，污泥干化工序會產(chǎn)生蒸汽，處理廠將這些蒸汽冷凝，所回收的熱量用于區(qū)域供熱 (可利用溫度水平達到90 ℃)。另一方面，處理廠回收煙氣水蒸氣的冷凝熱量 (可利用溫度水平達到65 ℃)。另一個能量利用選項是將煙氣蒸汽熱量回收用于鍋爐進水預熱。

圖2 熱處理廠熱回收概念圖

4 磷回收

蘇黎世州污泥處理廠的另一個設計用途是從污泥灰燼中回收磷。奧圖泰ASH DEC解決方案在焚燒階段后提供了生產(chǎn)磷肥的機會，并且實現(xiàn)了全廠的“零污染”污泥焚燒工藝流程。

ASH DEC工藝原理:將灰渣與固體鹽混合（例如氯化鎂片），放入轉鼓反應器中，在約1 000 ℃下保持15 min左右。在該工藝中，氯化鎂將分解成固體鎂（Mg）和氣態(tài)氯（Cl）成分。鎂（部分）取代了灰渣中含有的磷酸鹽化合物中的的鋁和鐵，生成了鈣鎂磷酸鹽。鋁（Al）和鐵（Fe）仍以惰性氧化物的形式留在灰渣中。氯與鎘（Cd）、鉛（Pb）、銅（Cu）、鋅（Zn）和（在一定程度上）其他金屬（如鉬和錫）相結合，產(chǎn)生氣態(tài)金屬氯化物。該氣態(tài)金屬氯化物同廢氣一起排放，并收集在過濾系統(tǒng)中。過量的氯化物會吸附在鎂載體上，返回到反應器中。

ASH DEC熱化學工藝(如圖3所示)產(chǎn)生的最新一代煅燒磷酸鹽肥料可以幾乎完全溶解于中性檸檬酸銨中，在氣候溫和的地區(qū)，在各種類型的土壤中均可與采用酸分解工藝生產(chǎn)的水溶性肥料的性能相媲美。在固磷作用較強的強酸性土壤中，與水溶性肥料相比，延遲的溶解度（植物根部釋放的酸性物質的反應）提供了一個產(chǎn)品優(yōu)點。目前，有關部門正在多個州對大量農(nóng)作物進行現(xiàn)場測試，以進一步調查確認這一優(yōu)點。在任何情況下，與商業(yè)磷肥相比，肥料中較低的重金屬含量都意味著產(chǎn)品的一個重大優(yōu)點。

圖3 ASH DEC工藝

在廢氣方面，出于能源效率的原因，重金屬的去除在熱氣體靜電除塵器中實施。在約350~400 ℃的條件下，從靜電除塵器中排出的廢氣將被用于預熱蘇打萃取劑。該預熱/冷卻階段將在高效文丘里管-旋流器系統(tǒng)中進行。在去除重金屬和粉塵之后，廢氣將返回到焚燒系統(tǒng)進行后燃燒，并在流化床焚燒爐下游的煙氣凈化系統(tǒng)中進行凈化。通過這種方式，肥料生產(chǎn)裝置下游所需的唯一額外設備為冷卻/預熱階段的靜電除塵器，從而在很大程度上消除了肥料生產(chǎn)裝置下游的額外廢氣凈化成本。

在該工藝中，磷肥的生產(chǎn)成本可與傳統(tǒng)肥料的生產(chǎn)成本相媲美，并且低于過磷酸鈣的生產(chǎn)成本。污泥熱處理廠的經(jīng)營方節(jié)省了100%的灰渣處理成本,并且大約僅有2%~3%的原灰量以二次殘留物的形式存在。

5 結語

運用在蘇黎世熱處理廠上的整體設計，得益于總承包商奧圖泰在數(shù)十年的設計運行中積累的豐富經(jīng)驗，以及在北美和歐洲近百座流化床能源項目的成功案例，為客戶提供了建造和運行最現(xiàn)代化的“零污染”的污泥熱處理廠。最先進的流化床焚燒系統(tǒng)配和滿足最嚴格排放標準要求的煙氣處理工藝，在達到污泥徹底減量化的同時，能源的極致利用又滿足處理廠自持運行的能源需求。磷回收使得污泥熱處理提高到了工業(yè)化的級別。

（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第2期“國外科技”欄目）

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