一种用于市政污泥的处置工艺及其处置系统
技术领域
本发明属于环境保护领域中的污泥处置技术领域，尤其涉及一种用于市政污泥的处置工艺及其处置系统。
背景技术
随着城市城镇人口的不断增加及生活污水处理率的提高，市政污水污泥的产出量也随之不断增加。市政污泥的环境污染已成为广大民众关注的焦点。市政污泥是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体，含有大量病原菌和寄生虫(卵)，铜、锌、铬等重金属，氮磷等盐类盐份，以及多氯联笨、二恶英等难降解的有毒有害物质。污泥还含有很高的附着水和结合水。因此，就其对环境危害的深度和广度而言，市政污泥是一类有巨大污染危害的废弃物。市政污泥的处理、处置和综合利用一直是城市环境管理的重要对象。
市政污泥不但具有巨大的污染潜力，而且具有明显的资源化潜力。市政污泥富含有机质(干基质量分数约30～70％)、植物养分(干基质量分数约为5～10％)和化学能量(干基热值约为10～16MJ/kg)。完善的污泥管理技术体系，不仅能有效地控制污泥的环境污染危害，而且能为工业发展和农业生产过程提供一定的资源(如农业肥料、工业燃料和建筑材料等)。城市的市政污泥处理与利用技术体系完善与否是事关整个污水处理甚至环境污染控制的关键问题，同时也对一个城市乃至一个国家是否能达到可持续发展战略所要求的环境管理目标有很大的影响。
目前，市政污泥的处置方式主要有：卫生填埋、土地利用、直接焚烧、建材应用、水泥窑喷烧等。
1、卫生填埋。用石灰等无机药剂对污泥进行调理后卫生填埋。这种处置方式简单易行，但主要问题是大量占用填埋场库容，使填埋场的利用效率大大降低，如果考虑填埋场的库容投资，其处理费用也较高，并且不能够实现污泥的稳定化、无害化和减量化的处置目标。
2、土地利用。土地利用主要包括堆肥、土地改良等。将污泥进行厌氧消化、高温好氧发酵等处理措施后，达到相应的标准，可制成有机肥料，用于土地改良和园林绿化等。堆肥处置方式的特点是项目投资较小、运行成本较低和占地面积大，其主要问题是在污泥处置过程中对周边环境影响较大，而且在处理规模和后续利用途径上受限制较大，即制成有机肥料后，在土地利用或作为农用肥时受利用场地、市场需求量的影响较大，导致该种处置方式的处理规模一般较小，且一般比较分散。在进行土地利用时，污泥的养分和有机质含量应达到相关国家标准的要求，且需要严格控制重金属、有机污染物等有毒有害物质。
3、直接焚烧。干化焚烧综合利用方式的特点是占地面积小，处置彻底，减量化效果明显。存在的问题主要是：焚烧过程排放的烟气必须进行处理，焚烧后的灰渣需要寻找出路，设备国产化率较低，项目的投资较大，运行成本较高，且对运营管理水平要求高。
4、建材应用。常见的建材应用有制砖、制轻质骨料等。建材应用可实现污泥的终处置。但烧制建筑材料时，排放出来的烟气必须经过严格的处理，项目的投资较大，运行成本较高，且对运营管理水平要求高。
5、水泥窑喷烧。将含水率约80％的污泥通过螺杆泵加压喷入分解炉或窑尾烟室，利用水泥生产过程中强大的温度场和物料场，蒸发水分，燃烧有机质，最终灰渣混入水泥生料，经水泥窑煅烧后，成为水泥熟料的一个组分，实现污泥的终处置。其缺点是污泥水分大，其热值几乎为零甚至负热值，污泥升温及水分蒸发过程中占用了分解炉的部分炉容，间接或直接地影响了水泥熟料的生产，因此，水泥窑喷烧方式很难实现污泥的大规模处置。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于市政污泥的处置工艺及其处置系统。
本发明相对于现有技术的创新之处在于：
一种用于市政污泥的处置工艺，包括以下步骤：
步骤1：污泥在污水厂经板框压滤处置后，汽车运至水泥厂，由原料装置将污泥送入污泥干化系统的干燥器；
步骤2：来自蒸汽发生系统的蒸汽进入污泥干化系统的干燥器，蒸汽的热量传递给污泥，污泥吸收热量并水分蒸发；
步骤3：污泥蒸发出来的水气从干燥器排出污泥干化系统，由排湿风机送入冷凝器，来自于冷却水循环系统的冷却水进入冷凝器，将水气冷凝成液态水后排出冷凝器，送回冷却水循环系统进行降温处理，被冷却水冷凝下来的冷凝水排出冷凝器，剩余的少量不凝气进入炉外预烧系统焚烧净化；
步骤4：烘干后的污泥排出干燥器，通过输出装置进入炉外预烧系统的预烧炉，来自蒸汽发生系统的粉尘回料进入预烧炉，来自污泥干化系统的不凝气进入预烧炉，与炉内的气体混合，形成温度均一的气体流和物料流，通过预烧炉的连接管道进入分解炉；
步骤5：高温气体在旋风预热器内与水泥生料进行热交换，将部分热量传递给水泥生料后，由抽风机抽出，并进入旋风除尘器除去大部分的水泥生料粉尘，除尘后的气体进入锅炉，加热蒸汽锅炉中的水工质，从气体中分离出来的水泥生料粉尘排入预烧炉，回到水泥熟料生产系统。
优选地，所述步骤2中来自蒸汽发生系统的蒸汽进入干燥器的中空轴和楔形桨叶，透过中空轴和楔形桨叶的外壁将热量传递给污泥，使污泥的温度升高，水分蒸发，蒸汽将自身的潜热及显热传递给污泥后，在中空轴和楔形桨叶内凝结成水，排出污泥干化系统，由凝结水泵送回余热发电化学水系统进行除氧处理。
优选地，所述步骤4中预烧炉独立于分解炉，并与分解炉相联，污泥在预烧炉内预烧后再进入分解炉，进入分解炉的气体温度和气氛通过预烧炉调节阀调节，还原气体进入分解炉后二次燃烬。
优选地，所述步骤2中蒸汽锅炉所用的水工质来自余热发电化学水系统，水工质注入蒸汽锅炉，吸热后变成饱和水蒸汽排出锅炉，引入污泥干化系统进行烘干污泥，热交换后的气体离开锅炉进入窑尾布袋除尘器，重新回到水泥熟料生产线烟气处理系统，高温气体的抽出量由蒸汽锅炉调节阀调节，在热交换过程中沉降下来的水泥生料粉尘经收集后排入炉外预烧系统，回到水泥熟料生产系统。
优选地，所述蒸汽锅炉调节阀控制高温气体的抽出量不少于预烧炉进入分解炉的气体量。
一种用于市政污泥的处置系统，其设于分解炉外，并与分解炉和水泥厂设备相连接，包括有污泥干化系统、炉外预烧系统和蒸汽发生系统，所述蒸汽发生系统连接污泥干化系统，所述炉外预烧系统分别与污泥干化系统和蒸汽发生系统连接，所述蒸汽发生系统产生的蒸汽进入污泥干化系统，所述污泥干化系统将蒸汽的热量传递给污泥，污泥吸收热量并水分蒸发，经烘干后的污泥、污泥干化系统产生的不凝气和蒸汽发生系统产生的粉尘回料进入所述炉外预烧系统，所述炉外预烧系统进行有机质焚烧，经有机质焚烧后的烘干污泥灰渣进入分解炉，进而被煅烧成水泥熟料。
进一步地，所述污泥干化系统包括有原料装置、排湿风机、冷凝器、干燥器和输出装置，所述原料装置将污泥送至干燥器内，所述干燥器进行污泥升温，污泥蒸发出的水分经排湿风机进入冷凝器回收，所述输出装置收集并输送经烘干后的污泥。
进一步地，所述干燥器包括有空心浆叶干燥器和盘式连续干燥器中任选一种或多种。
进一步地，所述蒸汽发生系统包括有抽风机、蒸汽锅炉调节阀、蒸汽锅炉、旋风除尘器、上升烟道和旋风预热器，所述蒸汽锅炉将锅炉内的水工质进行加热，所述蒸汽锅炉调节阀控制进入蒸汽锅炉高温气体量，所述抽风机将蒸汽锅炉中的高温气体抽出进入水泥厂烟气处理设备，所述旋风预热器与炉外预烧系统连接，炉外预烧系统产生的高温气体经过旋风预热器通过上升烟道进入旋风除尘器，经所述旋风除尘器处理后的气体进入蒸汽锅炉加热水工质。
进一步地，所述炉外预烧系统包括有鼓风机、预烧炉调节阀、预烧炉和冷却机，经污泥干化系统烘干后的污泥进入所述预烧炉燃烧放热后，再进入分解炉分解水泥生料，被煅烧成的水泥熟料并进入冷却机冷却，所述冷却机产生的热空气被鼓风机抽出进入预烧炉，所述预烧炉调节阀调节热空气鼓入预烧炉的量。
本发明的有益效果在于：
(1)采用无害化处置方案，有机物及细菌在高温下焚毁，重金属及其它无机盐被固熔在水泥熟料晶格中，所有的有害物质皆实现无害化处置；
(2)系统资源化利用，污泥中的热值用于烧制水泥熟料，污泥残渣直接进入水泥熟料，成为水泥熟料的一个组分，完全实现污泥的热值和无机组分的资源化利用；
(3)不占用分解炉的炉容，污泥升温、水分蒸发皆在预烧炉内完成，为实现水泥窑大规模协同处置污泥创造了条件，且本工艺特别适用于一些分解炉炉容较小的水泥厂；
(4)入炉温度和气氛可调节，可通过调整进入预烧炉的空气量来调节炉内的温度和气氛，所述气氛为还原气氛或氧化气氛，由于分解炉本身也是一个燃烧设备，即使污泥以还原气氛入炉，还原气体也能在分解炉内二次燃烬；
(5)投资成本不高，只需投资烘干设备及小型暂存设施，不需投资烟气处理设施，不需投资灰渣处理设施，不需投资大型存储设施，因此，投资成本并不高；
(6)运行成本不高，运行过程中，只有电费、维修费、人工费，无烘干热源成本，无药剂成本，无废渣处置成本，无烟气处理成本，因此，运行成本并不高；
(7)管理要求不高，水泥厂每天耗用几百吨煤粉，参照水泥厂现有的超细煤粉管理经验和设施，完全可确保污泥在存储和处置过程中的安全，因此，对于水泥厂而言，污泥处置系统的管理要求并不高。
附图说明
图1为本发明一种用于市政污泥的处置系统的污泥干化系统结构示意图；
图2为本发明一种用于市政污泥的处置系统的炉外预烧系统和蒸汽发生系统的结构示意图；
图3为本发明一种用于市政污泥的处置系统的冷凝器结构示意图；
图4为本发明一种用于市政污泥的处置系统的干燥器结构示意图；
图5为本发明一种用于市政污泥的处置系统的蒸汽锅炉结构示意图；
图6为本发明一种用于市政污泥的处置系统的旋风除尘器结构示意图；
图7为本发明一种用于市政污泥的处置系统的预烧炉结构示意图。
图中，10为污泥干化系统：101为污泥受料斗，102为板式喂料机，103为皮带输送机，104为污泥仓，105为定量喂料机，106为排湿风机，107为冷凝器，1071为冷凝器第一入口，1072为冷凝器第一出口，1073为冷凝器第二入口，1074为冷凝器第二出口，1075为冷凝器第三出口，108为干燥器，1081为加热装置，1082为干燥器第一入口，1083为干燥器第一出口，1084为干燥器第二入口，1085为干燥器第二出口，1086为干燥器第三入口，1087为干燥器第三出口，1088为干燥器第四出口，109为提升机，110为烘干污泥仓，111为计量器，112为罗茨鼓风机；
20为炉外预烧系统：21为鼓风机，22为预烧炉调节阀，23为预烧炉，231为椎体，232为连接管道，233为喷嘴，234为热空气旋风入口，235为粉尘回料口，236为不凝气入口，237为炉体，24为冷却机；
30为蒸汽发生系统：31为抽风机，32为蒸汽锅炉调节阀，33为蒸汽锅炉，331为蒸汽锅炉第一入口，332为蒸汽锅炉第一出口，333为蒸汽锅炉第二入口，334为蒸汽锅炉第二出口，335为蒸汽锅炉第三出口，34为旋风除尘器，341为旋风除尘器第一入口，342为旋风除尘器第一出口，343为旋风除尘器第二出口，35为上升烟道，36为旋风预热器；40为分解炉，41为水泥窑。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参照图1-7，本发明提供了一种用于市政污泥的处置系统，其设于分解炉40外，并与分解炉40和水泥厂设备相连接，包括有污泥干化系统10、炉外预烧系统20和蒸汽发生系统30，所述蒸汽发生系统30连接污泥干化系统10，所述炉外预烧系统20分别与污泥干化系统10和蒸汽发生系统30连接，所述水泥厂设备包括有冷却水循环处理系统、污水处理系统、余热发电化学水系统、窑尾布袋除尘器和水泥熟料生产线烟气处理系统等。
所述分解炉40与水泥窑41连接，分解炉40用于水泥生料的分解，水泥窑41用于水泥生料的煅烧。
污泥在污水厂经板框压滤处置后，含水率约为55～65％，可按60％计算。污泥形态呈固态块状，由汽车运送至水泥厂暂存，水泥厂根据处置的需要用铲车将污泥铲入污泥受料斗101，污泥受料斗101中的污泥经板式喂料机102、皮带输送机103被送入污泥仓104，污泥仓下设有定量喂料机105，污泥经定量喂料机105称量后，从干燥器第一入口1082喂入污泥干化系统10。
当干燥器108为空心浆叶干燥器时，空心桨叶干燥器由加热装置1081、中空轴、楔形桨叶等部件组成；其中，中空轴与空心半圆的楔形桨叶相通，热介质可通过中空轴进入楔形桨叶，热介质为蒸汽。除了空心浆叶干燥器外，干燥器108可选择为盘式连续干燥器，也可选择为空心浆叶干燥器+盘式连续干燥器联合干燥方式。
来自蒸汽发生系统30的蒸汽通过干燥器第二入口1084进入干燥器的中空轴和楔形桨叶，透过中空轴和楔形桨叶的外壁将热量传递给污泥，使污泥的温度升高，水分蒸发；蒸汽将自身的潜热及显热传递给污泥后，在中空轴和楔形桨叶内凝结成水，从干燥器第二出口1085排出污泥干化系统10，由凝结水泵送回余热发电化学水系统进行除氧处理。
来自30蒸气发生系统的蒸汽通过干燥器第三入口1086进入干燥器108的加热装置1081，所述加热装置为W型，透过加热装置1081的壳壁与污泥进行热交换，加热污泥，蒸发污泥中的水分；蒸汽将自身的潜热及显热传递给污泥后，在加热装置1081内凝结成水，从干燥器第三出口1087排出污泥干化系统10，由凝结水泵送回余热发电化学水系统进行除氧处理。
烘干后的污泥从干燥器第一出口1083排出污泥干化系统10，由提升机109送入烘干污泥仓110储存备用，烘干污泥含水率约为20～25％，可按20％计算，此时烘干污泥呈现粉粒状，可满足气力输送的要求。
污泥蒸发出来的水气从干燥器第四出口1088排出烘干系统，由排湿风机106经冷凝器第一入口1071送入冷凝器107；来自冷却水循环系统的冷却水从冷凝器第二入口1072进入冷凝器107，透过冷凝器107中列管的管壁吸收水气的潜热，将水气冷凝成液态水；吸热后的冷却水从冷凝器第二出口1074排出冷凝器107，送回冷却水循环系统进行降温处理；被冷却水冷凝下来的冷凝水从冷凝器第一出口1072排出冷凝器，由冷凝水泵送至污水处理系统处理成中水，作为冷却水的补充用水，进入冷却水循环系统，在冷却设备时蒸发掉，无外排；少量不凝气从冷凝器第三出口1075排出冷凝器107，由管道引至炉外预烧系统20焚烧净化。
烘干污泥仓110内的烘干污泥经计量器111称重计量后，由罗茨鼓风机112以气力输送的方式送至炉外预烧系统20的预烧炉23焚烧。
预烧炉23是本工艺的核心设备，是本工艺区别于其它工艺的关键所在。预烧炉23包括有炉体237、锥体231、连接管道232、喷嘴233、热空气旋风入口234、粉尘回料口235、不凝气入口236。炉体237为图7的直筒部分，锥体231为倾斜收缩部分。物料和气体在炉体237内旋流运动，以便更好地预热和焚烧。预热和焚烧后，气料流进入锥体231，由于锥体231是倾斜收缩的，气料流由旋流逐渐变成了直流，喷入分解炉40。
来自污泥干化系统10的烘干污泥从预烧炉23炉体顶部的喷嘴233喷入预烧炉23内，与冷却机24过来的热空气混合，在热空气的作用下燃烧放热；冷却机24的热空气由鼓风机21抽出，经预烧炉23炉体上部的热空气旋风入口234沿切线方向鼓入预烧炉23，带动烘干污泥在炉内作旋流运动，延长烘干污泥在炉内的停留时间，使烘干污泥充分分散在气体中，均匀受热和燃烧；热空气鼓入量由预烧炉调节阀22调节，使预烧炉23进入分解炉40的气体量原则上等于蒸汽发生系统30抽出的烟气量。
来自蒸汽发生系统30的粉尘回料通过预烧炉炉体中部的粉尘回料口235进入预烧炉23，在炉内气体的带动下，作旋流运动，均匀受热；来自污泥干化系统10的不凝气从预烧炉23炉体下部的不凝气入口236进入预烧炉23，与炉内的气体混合。
来自预烧炉23顶部的烘干污泥及其焚烧灰渣、来自预烧炉23上部热空气及其焚烧烟气、来自预烧炉23中部的粉尘回料、来自炉体下部的不凝气在预烧炉23的锥体231再次混合，形成温度均一的气体流和物料流，通过预烧炉23的连接管道232进入分解炉40。
在分解炉40外建造一个预烧炉23，将污泥升温、水分蒸发、有机质焚烧等过程移至预烧炉23内完成，不占用分解炉40的炉容，这种处置方式特别适用于一些分解炉炉容较小的水泥厂。分解炉40的操作温度约为850～900℃，预烧后的烟气及污泥灰渣的温度可完全达到甚至超过这一操作温度，直接为分解炉40提供热量。
通过预烧炉调节阀22的调节，水泥厂可根据实际生产需要调控从预烧炉23进入分解炉40的气体温度和气氛，入分解炉40的气体可选择以氧化气氛进入或者以还原气氛进入；由于分解炉40本身也是一个燃烧设备，即使以还原气氛入炉，还原气体也能在分解炉内二次燃烬。还原气体可促进分解炉烟气中氮氧化物的还原。
从预烧炉23进入分解炉40的烘干污泥焚烧灰渣与分解炉内的水泥生料混合，进入水泥窑41煅烧，成分了水泥熟料的一个组分；从预烧炉23进入分解炉40的未燃烬烘干污泥在分解炉40内二次燃烬，成为灰渣，也与分解炉40内的水泥生料混合，进入水泥窑41煅烧，成分了水泥熟料的一个组分；从预烧炉23进入分解炉40的高温气体，经分解炉净化后，进入旋风预热器36，预热水泥生料；分解炉40内强大的碱性物料场，可有效地吸收烘干污泥焚烧时挥发出来的有害物质，并将其带入水泥窑41煅烧，固熔在水泥熟料晶格中。
来自炉外预烧系统20的高温气体在旋风预热器36内与水泥生料进行热交换，将部分热量传递给水泥生料，自身温度降至500～600℃，由抽风机31从旋风预热器36的上升烟道35抽出；离开上升烟道35的高温气体含有相当数量的水泥生料粉尘，需要将其分离出来；含尘气体从旋风除尘器第一入口341进入旋风除尘器34，在旋风除尘器34中除去大部分的水泥生料粉尘；除尘后的气体从旋风除尘器第二出口343排出，通过蒸汽锅炉第一入口331进入锅炉，加热锅炉中的水工质；从气体中分离出来的水泥生料粉尘，通过旋风除尘器第一出口342排入炉外预烧系统20，经预烧炉23的粉尘回料口235进入预烧炉23，回到水泥熟料生产系统。
蒸汽锅炉33所用的水工质来自于余热发电化学水系统，水工质从蒸汽锅炉第二入口333注入锅炉，吸热后变成饱和水蒸汽，经蒸汽锅炉第二出口334排出蒸汽锅炉33，由水蒸汽管道引入污泥干化系统10，烘干污泥；热交换后的气体从蒸汽锅炉第一出口332离开蒸汽锅炉33，由抽风机31送入窑尾布袋除尘器，重新回到水泥熟料生产线烟气处理系统；高温气体的抽出量由蒸汽锅炉调节阀32调节，所抽出的气体量原则上等于炉外预烧系统20进入水泥熟料生产线的气体量；在热交换过程中沉降下来的水泥生料粉尘经收集后，从蒸汽锅炉第三出口335排入炉外预烧系统20，回到水泥熟料生产系统。
本系统创造性地在分解炉40外建造一个预烧炉23，利用烘干后污泥自身所拥有的热值，先在预烧炉23内预烧至一定温度后，再进入分解炉40。预烧灰渣混入水泥生料，经水泥窑41煅烧后成为水泥熟料的一个组分。预烧烟气经分解炉强大的碱性物料场净化后，进入旋风预热器36，再从旋风预热器36的上升烟道35抽出，送入蒸汽锅炉33产生蒸汽，蒸汽引至污泥干化系统10烘干污泥。
本系统将污泥的预热和焚烧移至分解炉40外进行，不占用分解炉40的炉容，为水泥窑大规模协同处置污泥创造了条件；预烧后的热量用于预热生料、分解碳酸钙及烘干污泥，预烧后的灰渣经煅烧成为水泥熟料的一个组分，实现了污泥的资源化利用，也实现了污泥的终处置；污泥中的有毒有害物质经分解炉焚化和吸收后，带入水泥窑41煅烧，固熔在水泥熟料晶格中，实现了污泥的无害化处置；直接利用水泥熟料生产线已有设备净化烟气，无需建造烟气处置系统，大幅降低了污泥项目的投资成本；经分解炉净化后的烟气另行抽出，用于产生蒸汽，烘干污泥，无需额外的污泥烘干热源，大幅降低了污泥的处置成本；水泥厂每天耗用几百吨煤粉，参照水泥厂现有的超细煤粉管理经验和设施，完全可确保污泥在存储和处置过程中的安全。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
