Outotec流化床能源系统在苏黎世污泥热处理厂的应用
Outotec流化床能源系统在苏黎世污泥热处理厂的应用
李佳
(奥图泰中国，北京100020)
摘要：介绍了以Outotec 流化床为核心技术的能源系统的构成及特点，着重介绍其烟气处理系统、能源利用和磷回收的独特设计，以及在瑞士苏黎世污泥热处理厂的技术实现。
自1926年以来，瑞士苏黎世Werdhölzli（韦德霍兹利）污水处理厂一直负责处理城市污水。为了找到可以长期、安全且环保地处理大量污泥的解决方案，对农用、土地复垦、填埋、全干化、混合焚烧和专门焚烧各种处理策略进行了分析，最终决定建造一座基于专门焚烧的热处理厂。
2012年4月，苏黎世通过国际招标选定总承包商（根据瑞士法律，以下简称“总承包商”），在Werdh?lzli处理厂的位置建造一座新的污泥处理厂。该选择是基于许多技术和商业评估标准作出的。评估标准包括投资成本和长期运营成本，还包括总体能源概念和烟气净化系统必须始终符合瑞士严格的排放限值标准。除了整体工艺设计，这个交钥匙项目的供应和服务范围还包括在总承包商授予合同前所需审批程序的技术文件编制以及对客户收到各种许可证和批准之前的各项支持。在2013年3月举行的市政公投中，热处理项目提交表决，凭借93.9%的创纪录赞成结果，获得了最终的合法性。
1 流化床焚烧炉
整个热处理厂的核心是奥图泰鼓泡流化床焚烧炉，焚烧炉构造见图1。
图1 苏黎世流化床焚烧炉三维示意图
这种燃烧技术在各种不同的应用中一直提供优质的服务，总承包商在该处理厂中实现了更多细节化设计的考虑。
① 酸露点。在污泥处理过程中，较高的硫含量可能会产生高腐蚀性烟气。如果酸露点温度低于金属部件温度，即使20 mm的壁厚，很多金属部件在数周内就会被腐蚀掉。设计成败的决定性因素在于总承包商提供了整体设计（炉壁堆积物、接缝、耐火炉衬、隔热和正确钢种的选择等）的考虑。
② 热伸长。由于燃烧温度较高，焚烧炉在各个方向上均受到热运动的影响。通过对炉基、平台、管道连接等系统提供锚和必要的伸缩缝设计。
③ 喷嘴炉篦。为确保流化床系统可靠的自持燃烧，并避开污泥干燥至粘滞阶段，工艺设计将流化空气预热至最佳水平（400~600 ℃），并且均匀地分布在反应器的整个横截面上，压铸陶瓷喷嘴炉篦背靠或拱形耐热喷嘴盘，实现了最大化的流化床表面。
④ 喷嘴。喷嘴设计考虑了确保充分紧固，并防止流化沙回流进风室或集气管，总承包商所使用的材料可确保喷嘴寿命超过20年，不用更换。
⑤ 燃料分布。较低的烟气排放水平和燃料的充分燃尽取决于燃料分布设计，专有的摊铺式送料机构实现了污泥在整个流化床上的合理分布。
更多的人性化设计还包括：为便于操作和维护，焚烧系统设计了尺寸足够大的人孔、具有足够净空高度的平台、流化床中的气喷枪（用于加快启动运行）和许多其他特征，以支持运行人员以高效、可靠且安全的方式执行处理厂的日常运作。
2 烟气处理设计
2.1 瑞士与欧盟排放限值比较
与欧盟的排放限值相比，在瑞士污泥处理厂设计的主要区别在于NOx的排放限值更严格，并且增加了NH3的排放限值标准(见表１)。
表1 瑞士与欧洲排放限值比较
续表1 （Continued）
2.2 组合式干-湿烟气净化设计
总承包商从技术和经济两个方面提出了作为给定条件下整体上最适宜的烟气处理设计，该工艺组合由SNCR技术、静电除尘器、干法吸附和在下游配以两阶段湿式洗涤器的精细清理阶段组成。其中，干法吸附工艺使用熟石灰/碳吸附剂进行。
为了对所选择的组合式干-湿烟气净化系统与单独的干法处理系统进行比较，选择相关排放限值包括SO2、NH3以及氮氧化物（NOx）和汞（Hg）的排放限值。污泥处理过程中产生的未净化气体中的SO2含量在干燥状态下通常介于1 000~3 000 mg/m3，干燥状态下的峰值含量可达5 000 mg/m3，其比垃圾焚烧炉烟气中的SO2含量高出很多。
当使用单独的干法烟气清洁技术（去除效率比湿法工艺低）时，要符合SO2在干燥状态下的排放限值（< 50 mg/m3），需要采取特殊的措施，比如向炉内添加石灰石、就地收集SO2，或者采用两阶段干法吸附工艺（在袋式除尘器之后，按较高的化学计量过剩系数，向炉内注入添加剂）。向炉内注入石灰石会干扰未来对灰中磷的回收，因此是不可取的。另一方面，上述向炉内注入超化学计量添加剂的两阶段干法吸附工艺还会导致投资和运营成本增加。
对于NOx的控制，设计选择了SNCR系统，同时向炉内注入氨水，这样可确保始终符合严苛的NOx排放限值。然而，这种方法可能会导致氨排放物增加。采用一个适度设计的湿式洗涤器，可确保始终符合氨排放限值标准（< 5 mg/m3）。而单独的干法烟气净化概念则需要在下游采用一台额外的SCR反应器，也将导致运营成本增加（烟气再加热需要消耗燃气，并且还需要更换催化剂）。
为确保始终符合Hg排放限值标准（<0.1 mg/m3，干燥状态下），必须将活性炭或炉床焦炭添加到烟气流中，作为额外的吸附剂。虽然基于NaHCO3添加剂的干法烟气净化工艺应当在相对较高的温度（≥180 ℃）下运行，以实现最佳的吸附剂利用率，但碳质吸附剂上的Hg吸附量会随着烟气温度的下降而增加。这是选择两阶段干法工艺时必须考虑的另一个标准。
2.3 年度运营成本
从化学试剂消耗成本和残留物处理成本两个方面，对各种烟气净化替代方案的年度运营成本进行了比较(见表2)。
表2 各种烟气净化替代方案的年度运营成本比较
从上述数字不难看出，在使用Ca(OH)2或NaHCO3作为吸附剂的干法工艺中，化学试剂和残留物处理成本的量级基本相同。在目前的情况下，NaHCO3吸附剂的添加速度略低，而这种化学试剂的采购价格是Ca(OH)2的两倍。所产生的残留物含量较低，部分补偿了NaHCO3吸附剂较高的成本。与干-湿组合工艺相比，这两种干法工艺（以石灰或碳酸氢钠作为吸附剂）的成本明显更高。即使单阶段干法烟气净化系统所需的设备更少，但这类工艺无法保证始终符合瑞士《清洁空气条例》中规定的严格排放限值标准，同时，这类工艺的化学试剂成本和残留物处理成本也更高。组合式干-湿烟气净化方法从经济角度而言是更佳的设计方案。
3 能源工厂
污泥处理厂的设计同时提供了最大限度的热回收机会(见图2),主要包括：传统上，燃烧热量一直在下游空气预热器和锅炉（蒸汽或热油）中回收，用于污泥干化，以实现流化床自持燃烧；过热蒸汽，用于驱动涡轮发电机组来发电，由此产生的电力通常足以满足处理厂的电力需求；气/气热交换器，用于烟气再加热。除了上述热回收选项外，设计还考虑了许多其他具有显著能源含量的热源。一方面，污泥干化工序会产生蒸汽，处理厂将这些蒸汽冷凝，所回收的热量用于区域供热 (可利用温度水平达到90 ℃)。另一方面，处理厂回收烟气水蒸气的冷凝热量 (可利用温度水平达到65 ℃)。另一个能量利用选项是将烟气蒸汽热量回收用于锅炉进水预热。
图2 热处理厂热回收概念图
4 磷回收
苏黎世州污泥处理厂的另一个设计用途是从污泥灰烬中回收磷。奥图泰ASH DEC解决方案在焚烧阶段后提供了生产磷肥的机会，并且实现了全厂的“零污染”污泥焚烧工艺流程。
ASH DEC工艺原理:将灰渣与固体盐混合（例如氯化镁片），放入转鼓反应器中，在约1 000 ℃下保持15 min左右。在该工艺中，氯化镁将分解成固体镁（Mg）和气态氯（Cl）成分。镁（部分）取代了灰渣中含有的磷酸盐化合物中的的铝和铁，生成了钙镁磷酸盐。铝（Al）和铁（Fe）仍以惰性氧化物的形式留在灰渣中。氯与镉（Cd）、铅（Pb）、铜（Cu）、锌（Zn）和（在一定程度上）其他金属（如钼和锡）相结合，产生气态金属氯化物。该气态金属氯化物同废气一起排放，并收集在过滤系统中。过量的氯化物会吸附在镁载体上，返回到反应器中。
ASH DEC热化学工艺(如图3所示)产生的最新一代煅烧磷酸盐肥料可以几乎完全溶解于中性柠檬酸铵中，在气候温和的地区，在各种类型的土壤中均可与采用酸分解工艺生产的水溶性肥料的性能相媲美。在固磷作用较强的强酸性土壤中，与水溶性肥料相比，延迟的溶解度（植物根部释放的酸性物质的反应）提供了一个产品优点。目前，有关部门正在多个州对大量农作物进行现场测试，以进一步调查确认这一优点。在任何情况下，与商业磷肥相比，肥料中较低的重金属含量都意味着产品的一个重大优点。
图3 ASH DEC工艺
在废气方面，出于能源效率的原因，重金属的去除在热气体静电除尘器中实施。在约350~400 ℃的条件下，从静电除尘器中排出的废气将被用于预热苏打萃取剂。该预热/冷却阶段将在高效文丘里管-旋流器系统中进行。在去除重金属和粉尘之后，废气将返回到焚烧系统进行后燃烧，并在流化床焚烧炉下游的烟气净化系统中进行净化。通过这种方式，肥料生产装置下游所需的唯一额外设备为冷却/预热阶段的静电除尘器，从而在很大程度上消除了肥料生产装置下游的额外废气净化成本。
在该工艺中，磷肥的生产成本可与传统肥料的生产成本相媲美，并且低于过磷酸钙的生产成本。污泥热处理厂的经营方节省了100%的灰渣处理成本,并且大约仅有2%~3%的原灰量以二次残留物的形式存在。
5 结语
运用在苏黎世热处理厂上的整体设计，得益于总承包商奥图泰在数十年的设计运行中积累的丰富经验，以及在北美和欧洲近百座流化床能源项目的成功案例，为客户提供了建造和运行最现代化的“零污染”的污泥热处理厂。最先进的流化床焚烧系统配和满足最严格排放标准要求的烟气处理工艺，在达到污泥彻底减量化的同时，能源的极致利用又满足处理厂自持运行的能源需求。磷回收使得污泥热处理提高到了工业化的级别。
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第2期“国外科技”栏目）
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