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煤氣站-爐窯系統協同處置污泥的分析

發布時間:2021-06-04
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苑衛軍  楊征  王輝  韓明汝
(唐山科源環保技術裝備有限公司河北唐山 063000)

摘要:介紹了氣化爐煤氣站-爐窯系統協同處置污泥的技術路線及處置原理,并對冷煤氣和半冷煤氣工藝處置方案進行了對比分析。
關鍵詞:煤氣站;爐窯;污泥;熱幹化;熱解;氣化;焚燒;污泥處置量;水資源利用;脫硫;脫硝
Analysis of co-processing sludge in gasifier station-kiln system
Yuan Weijun   Yan Zheng   Wang Hui   Han Mingru
(Tangshan Keyuan Environmental Protection Technology & Equipment Co., Ltd  Tangshan Hebei  063000)
Abstract: The technical route and disposal principle of co-processing sludge in gasifier-kiln system are introduced,and the cold gas and semi-cold gas process disposal schemes are compared and analyzed.
Key words: gasifier station;kiln;sludge;thermal drying;pyrolysis; gasification;incineration;sludge disposal volume; water resource utilization; desulfurization; denitrification
0 引言
       近十幾年來,我國污泥産量随着污水處理項目同比增長,而我國污泥處置的發展嚴重滞後于污水處理的現象并未明顯改觀。目前我國污泥處置占比:填埋60-65%、好氧發酵農用10-15%、污泥天然幹化綜合利用4-6%、污泥焚燒2-3%、污泥露天堆放和外運15-20%【1】。受環境影響和土地資源兩方面的限制,污泥焚燒和熱解等熱處置技術在歐、日等國家已經廣泛應用。污泥熱處置技術包括獨立焚燒熱解處置和爐窯協同處置兩種工藝,其中爐窯協同處置具有配套投資小和運行成本低等優勢。我國火電廠和水泥窯協同處置污泥的應用較多,利用氣化爐協同處置污泥也有少量試驗性應用。利用含水率75%的污泥制備水煤漿用于氣流床氣化【2】,利用含水率80%的污泥作為粘結劑制備污泥型煤用于常壓固定床氣化【3】,利用含水率60%的污泥與煤直接摻混在加壓固定床氣化【4】,在維持系統正常運行和二次污染控制方面都取得了一定的經驗和成果。本文對利用KM5Q兩段式常壓固定床氣化爐和燃氣爐窯組成系統,協同處置高含水率污泥的技術工藝方案進行介紹并分析,旨在拓寬利用現有爐窯對污泥進行協同熱處置的工藝路線。
1KM5Q氣化爐内煤炭與污泥的協同反應

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      KM5Q氣化爐結構如圖1所示,含水率95%左右的污泥通過氣化爐爐頂設置的定量噴淋降溫系統【5】,定量均勻地噴灑于入爐煤料的表面。污泥在氣化爐内進行以下處理過程:(1)熱幹化過程:氣化爐幹餾段的上部,在150-300℃幹燥溫度條件下,煤料表面污泥中的水分及易揮發性物質形成氣體進入煤氣中;(2)熱解過程:幹餾段的中部至氣化段上部,煤氣溫度為300-600℃左右,在此溫度下,經過幹化後的污泥進行幹餾熱解産生幹餾煤氣及焦油;(3)氣化過程:氣化段溫度約為600-1000℃,污泥熱解後産生的碳與入爐後同樣經過幹燥幹餾後的煤料一同進行氣化反應,産生以CO/H2為主要可燃氣體的煤氣;(4)燃燒過程:污泥中在幹化、熱解和氣化過程均沒有參與反應的物質,與氣化反應後剩餘的殘炭進入氧化層,在1000-1100℃條件下與入爐空氣中的O2進行氧化反應,進行高溫焚燒處理後,混于灰渣中排出爐外。氣化爐内各反應區域特征如表1。KM5Q氣化爐内煤炭與污泥協同反應過程如圖2。

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2 煤氣站-爐窯系統協同處置污泥工藝方案
2.1 工藝方案(一)

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      煤氣站-爐窯系統協同處置污泥的工藝方案(一)參見圖3,通過爐頂定量噴淋系統噴淋降溫,爐出煤氣溫度由450℃降至150℃左右。然後經過洗氣除焦系統将煤氣降至80℃,同時捕除煤氣中的焦油。然後煤氣經過終冷系統,其溫度降至35-45℃,煤氣中的一部分水分冷凝析出形成酚水,煤氣中剩餘的水分以飽和水狀态存在于出站煤氣中,這部分飽和水和污泥熱解産生的不凝性氣體随煤氣進入加熱窯爐内燃燒,煤氣在窯爐内實際火焰燃燒溫度可以一般達到1200-1400℃左右,在此溫度下,這部分物質被焚燒分解成H2O和CO2等無毒物質排入大氣。污泥氣化後的殘渣,經過氣化爐氧化層焚燒處理後混于灰渣中。
      煤氣冷凝過程産生的酚水的一部分,回流至爐頂定量噴淋系統補充噴淋液。酚水的另外部分在酚水預處理系統經過捕除粉塵和重質油類,并中和調質後,泵入氣化爐水夾套進行濃縮汽化,汽化形成的水蒸氣代替軟化水蒸汽作為氣化劑,由爐底進入氣化爐,酚水蒸汽經過氣化爐的灰層進入氧化層(溫度一般在1000-1200℃左右)時,其所含的酚類和輕油類物質被焚燒裂解為水和二氧化碳,然後酚水蒸汽進入還原層進行造氣反應:C+H2O=CO+H2【6】。
2.2 工藝方案(二)

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      煤氣站-爐窯系統協同處置污泥的工藝方案(二)參見圖4,通過爐頂定量噴淋降溫,将爐出煤氣溫度降至150℃左右,然後經過洗氣除焦系統将煤氣降至80℃,煤氣增壓後輸送至爐窯系統燃燒。污泥在氣化爐中幹化過程中産生的水分在出站煤氣中以煤氣飽和水狀态存在。當大氣壓(絕壓)為101300Pa,煤氣壓力為1500Pa時,出站煤氣(80℃)飽和水量為663g/Nm3【7】。這部分水和幹餾出的不凝性氣體随煤氣進入加熱窯爐内燃燒,氣化爐煤氣在窯爐内高溫火焰處焚燒分解成H2O和CO2等排入大氣。
3污泥協同處置方案對比分析
3.1 污泥處理量對比
      KM5Q3.6氣化爐正常煤氣産量8000Nm3/h,參照文獻【8】【9】進行系統水平衡計算,得出表2所示的兩種工藝方案的污泥處置量,可以看出方案(二)污泥處置量約為方案(一)的1.68倍,就污泥處置量而言方案(二)優于方案(一)。

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3.2系統水資源的有效利用
      方案(一)中污泥中的水分在幹化過程轉入煤氣中,然後在煤氣終冷降溫過程中又以冷凝水的形式析出,系統将這部分析出冷凝水經過預處理後,代替軟化水汽化為水蒸氣作為氣化爐氣化劑應用,節約了大量的淨水資源。
      方案(二)污泥幹化過程轉入煤氣中的水分,全部以煤氣飽和水的形式随煤氣在爐窯焚燒處置,水資源沒有得到有效利用。就水資源的有效利用而言,方案(一)優于方案(二)。
3.3 系統脫硫、脫硝工藝的選擇
      方案(一)的出站煤氣為35-45℃的潔淨冷煤氣,可以通過窯前煤氣濕法脫硫的方式脫除H2S,從而保證爐窯煙氣中SO2達标排放。方案(一)可以在“濃縮蒸發法”處理含酚廢水和煤氣濕法脫硫過程中,協同脫除煤氣中的部分NH3,從而有效降低爐窯煙氣NOx的排放強度,達到系統脫硝的效果【10】。
      方案(二)的出站煤氣為80℃左右的半冷煤氣,無法進行煤氣濕法脫硫(煤氣濕法脫硫的操作溫度要求35-45℃),一般采取窯後煙氣脫硫的方式脫除煙氣中的SO2。方案(二)煤氣站無冷凝水析出,煤氣中的NH3全部随煤氣在窯爐燃燒後轉化為燃料型NOx,一般采取窯後煙氣脫硝的方式脫除煙氣中的NOx。
      如果污泥協同處置系統中的爐窯為球團燒結或礦物煅燒類窯爐,由于物料在燒結或煅燒過程中會産生SO2或NOx并混入爐窯煙氣中,所以一般采用窯後煙氣脫硫、脫硝的工藝路線。
4結語
      每年我國生活和工業污泥産生量較大,利用現有爐窯對其進行的協同處置,有利于達到低成本、高效率的處置效果。以KM5Q氣化爐煤氣站與燃氣窯爐組成系統對污泥進行處置,可以處置含水率95%左右的高含水污泥,污泥的熱幹化、熱解、氣化和氣化殘渣的氧化焚燒在氣化爐内進行,而污泥幹化過程産生的一部分水分(煤氣飽和水)及不凝性氣體混于煤氣中,在窯爐的燃氣燒嘴火焰處進行焚燒處理,污泥處置效果可靠。
參考文獻:
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【9】 苑衛軍,成振剛,王願新.幹餾式發生爐煤氣站處理焦油廢水生産過程的總結分析[J].煤化工,2015,43(06):45-49.

【10】 苑衛軍,劉志明,蘇亞斌,等.幹餾式發生爐冷煤氣站氮化物的形成與脫除[J].玻璃,2015,42(01):19-22.
第一作者
姓名:苑衛軍(1968-),男,河北省霸州市,高級工程師,工程碩士,1990年本科畢業于華北理工大學機制專業,從事工作内容:煤炭氣化行業,研究方向:煤氣化工藝及設備,聯系電話: 13703243469, E-mail:2329081462@qq.com
聯系人:苑衛軍
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