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清華大學環(huán)境學院 ?王凱軍 ?教授：污泥清潔焚燒技術的升級與應用
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文|劉秋琳、常風民
??????作者單位：清華大學環(huán)境學院
一、?污泥焚燒是魔鬼，還是天使？
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近幾年，作為主流技術之一，污泥焚燒一直在國內外承擔著污泥處理的重任。國外發(fā)達國家如日本、美國及部分歐盟國家等，都將焚燒作為污泥處置的主流技術之一，且均得到廣泛應用。而在我國，污泥焚燒卻一直受到國人的質疑和誤解。科學上認識清楚、國際上應用成熟的技術，為何在我國會面臨如此尷尬的局面？為何污泥焚燒處理會被“妖魔化”？
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污泥干化焚燒工藝被國人嚴重誤讀
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總的來看，國人對于污泥干化焚燒的誤解，主要體現(xiàn)在如下三個方面。一是認為污泥干化焚燒是一種高能耗工藝。國際上污泥焚燒能量可以達到自給，而從噸泥的能耗上看，污泥焚燒工藝（～100kW/t）與堆肥工藝（>100kW/t）也相當。另外，堆肥后續(xù)需要考慮儲存、運輸?shù)饶芎模贌齽t可以實現(xiàn)徹底處理處置；二是認為污泥焚燒是一種高碳排放工藝。有人說污泥焚燒會產生大量的溫室氣體，這種說法也是不對的，因為污泥中的碳屬于中性碳源，如燒秸稈一樣，不會增加大氣中的溫室氣體；三是認為污泥焚燒特性與垃圾相同，都是二噁英排放源。其實，污泥排放二噁英遠遠低于垃圾排放的二噁英，這部分內容以前詳細闡述過，在此不再詳細分析。
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污泥干化焚燒是我國既定的技術路線
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從政策上來講，我國政府一直是支持污泥進行干化焚燒處理的。自2009年以來，我國環(huán)保部、住建部、科技部等國家部委，紛紛頒布了《污泥處理處置及污染防治技術政策》、《污泥處理處置污染防治最佳可行技術指南》、《城鎮(zhèn)污水廠污泥處理處置技術規(guī)范》等多項與污泥處理處置相關的政策、規(guī)范及標準，明確了污泥干化焚燒技術在我國的定位及應用條件。其中，《污泥處理處置及污染防治技術政策》（2009年）明確提出：經(jīng)濟較為發(fā)達的大中城市，可采用污泥焚燒工藝。鼓勵污泥焚燒廠與垃圾焚燒廠合建；該技術政策的頒布，促進了污泥干化焚燒項目的建設。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前已建成的污泥干化焚燒項目接近40個，主要在建項目近30個。環(huán)保部出臺的《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置污染防治最佳可行技術指南》（2010年）則確定了兩個污泥處置最佳可行技術——土地利用與污泥干化焚燒。該文件還細化了單獨焚燒、混燒和摻燒的排放限值，以及相關環(huán)節(jié)的污染控制策略及技術經(jīng)濟適用性等。《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術指南》（2011年）則給出了不同技術應用的優(yōu)先序。例如，厭氧消化后污泥優(yōu)先考慮土地利用；不具備土地利用條件時，采用焚燒和建材利用。
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綜上所述，干化焚燒技術是政策標準范圍內規(guī)定的一項可行的技術，是我國污泥處理處置的主流技術之一
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污泥干化焚燒技術是國際污泥主流技術之一
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在美國，作為美國三大污泥處置技術，土地利用、焚燒和堆肥的比例分別為61%、22%和17%。美國頒布聯(lián)邦法典，對污泥焚燒應該遵循的要求不斷升級。2011年，美國頒布40聯(lián)邦法案，針對流化床和多爐膛焚燒爐提出了PM、HCl、dioxins/furans（二噁英/芙蘭）、Hg、Nox、SO2、Cd、Pb和CO的不同指標要求。在日本，污泥焚燒一直是污泥處理的主導工藝。1960s，日本開始了污泥焚燒技術，主要在川崎市、一宮市、名古屋市、東京都等地，其后，流化床焚燒爐成為主流工藝。90年代后，日本開始采用污泥熔融爐，燃料化（炭化、與電廠混燒）及作為水泥原料等。污泥焚燒也是歐盟的主流技術之一。自1962年德國率先建議并開始運行了歐洲第一座污泥焚燒廠以來，污泥焚燒在英國、法國、盧森堡、丹麥、德國、奧地利、荷蘭等國不斷增加，所占比例均超過了20%。尤其是在荷蘭、奧地利及德國，污泥焚燒比例已經(jīng)達到了40%甚至更高。
二、十年磨一劍：自主創(chuàng)新的污泥焚燒技術
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彼得·德魯克曾經(jīng)說過，“要進行系統(tǒng)化的創(chuàng)新，企業(yè)需要在每隔6~12月就打開企業(yè)的天窗，看一看外面的世界。”只有自主創(chuàng)新才能迅速發(fā)展，而在我國，很多人并不接受自主創(chuàng)新。目前，污泥焚燒正處于一個升級轉型、蛻變重生的轉折點。總的來看，污泥處理工藝從海洋投棄到自然干燥、厭氧消化、脫水堆肥，再到干燥焚燒等的演變，污泥處置經(jīng)歷了由“低級”到“高級” 的演變歷程。可以看到，日本由于土地資源緊張，以焚燒資源利用為主，逐漸向清潔性的熱解炭化方式轉變；而我國目前仍是以填埋處理為主，但新建的資源化處理方式以焚燒和土地利用為主體，特別在我國的長三角、珠三角、京津冀地域，人口密集，土地資源緊張，污泥焚燒成為主流技術也是發(fā)展過程的自然選擇。
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在污泥焚燒方面，我們進行了長達十年的探索與實踐，并通過自主創(chuàng)新，對污泥干化焚燒工藝進行了升級，探索出了污泥噴霧干化焚燒工藝，在投資和運行費用上大大低于進口技術。噴霧干化技術的升級優(yōu)化主要在四個方面：除塵、除臭、脫白和設備的標準化、系列化。在除塵方面，打破傳統(tǒng)箱式布袋除塵模式，開發(fā)高效園柱式布袋除塵器，并通過內部結構、材質、進風方式等的優(yōu)化升級，使粉塵的排放量小于10mg/Nm3。在除臭方面，在尾氣系統(tǒng)升級安裝紫外和臭氧處理系統(tǒng)，通過采用紫外和臭氧及兩者協(xié)同產生的高氧化粒子的氧化作用去除尾氣中的氮氧化物、硫化物及其他有機氣體，使得臭氣的衰減率達97%以上；在脫白除霧方面，尾氣通過板式換熱器降溫后，凝結大量的水分，同時放出大量的熱能，加熱環(huán)境干空氣，與降溫脫水后的煙氣相混合，從而降低了排空煙氣的露點溫度，進而達到消減白煙的目的。與此同時，在設備系列化標準化方面，依托水專項建立了500t/d的示范工程，并根據(jù)示范工程及運行經(jīng)驗，分別形成了100、200、300、600t/d的系列化產品。同時，也將噴霧干化成功拓展至危廢領域，如危廢濃縮廢液處置，危廢濃縮液與污泥的協(xié)同處置，降低污泥處理費用。目前，污泥噴霧干化技術已經(jīng)在全國得到了廣泛的應用。據(jù)統(tǒng)計，全國已經(jīng)建立了十余個大型污泥噴霧干化－焚燒技術應用工程，總計污泥處理量超過5000t/d（80%含水率）。其中，最大的噴霧干燥單體工程規(guī)模達1200t/d，單體運行七年以上，這也是國內單一公司應用最廣的焚燒技術。
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三、與時俱進，掌握第三代熱解處理技術
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熱解氣化被認為是固廢處理第三代處理技術，也是清潔焚燒技術。究其原因，主要體現(xiàn)在如下幾個方面；
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?熱解氣化過程的清潔化特征
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排放煙氣量少。根據(jù)排放標準固體（煤）燃燒過量空氣系數(shù)為1.8，燃油或燃氣燃燒的過量系數(shù)為1.2，熱解產生的氣體為燃料產生的煙氣量僅為固廢直接燃燒煙氣量的1/2～2/3，減少了煙氣凈化設備的規(guī)模及運行費用；
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大氣污染物排放少。固廢（污泥）熱解氣化產生的氣體為燃料排放的煙塵、SO2、NOx、重金屬等污染物，比固廢直接燃燒少1/2以上；
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抑制或分解二噁英。固廢（污泥）熱解區(qū)的無氧環(huán)境可抑制二噁英的合成，可燃氣燃燒區(qū)無金屬催化媒介及高溫（>850 ℃ ）抑制產生或分解原物料存在的二噁英；
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減少溫室氣體排放，將生物質碳轉為生物炭中的碳，50%的碳可被封存。
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關于污泥熱解的研究歷程
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自2008年開始，我們專門成立一個團隊，對熱解氣化進行不斷研究與探索。十年來，我們團隊沿著內熱、外熱兩條技術路線，在基礎研究和示范工程上均做了許多卓有成效的探索與嘗試，并將示范工程規(guī)模做到了20-50噸/天。
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四、重大裝備，熱解技術是固體廢物處置之重器
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熱解技術作為重大裝備技術，已經(jīng)在各個領域得到了廣泛應用，成為固體廢物處置之重器。除了污泥熱解，在垃圾處理、生物質、危廢熱等處理中，熱解處理也越來越被廣泛應用。如將熱解氣化拓展至危廢含油污泥、含鉻污泥、餐廚垃圾、皮革下腳料等的處置，并用于稻殼、玉米秸稈等生物質的生物炭制備和能量清潔利用，以及活性炭的再生利用等領域。
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備注：王凱軍教授還進一步介紹了他帶領的團隊在一些跨行業(yè)領域利用熱解技術的工程案例。
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熱解氣化在油田油泥的無害化處理方面的應用。在我國，油田廢油問題一直沒有得到有效解決，為此，我們與西安一家企業(yè)公司成立了聯(lián)合研究中心，專門進行廢油熱解技術研究。大家可以看到，在中試現(xiàn)場經(jīng)過熱解處理，廢油完全可以達到土壤的要求。與此同時，20噸/天的移動式油泥熱解集成設備即將加工組建完成。
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熱解氣化在高鹽高濃度廢水零排放工藝上的應用。通過干化-熱解-氣化將顆粒活性炭再生循環(huán)利用，解決產生活性炭的危廢處理問題。同時，將活性炭吸附的廢水的有機物熱解氣化為合成氣，將廢液中的有機物轉為清潔可燃氣，使有機物變?yōu)榍鍧嵢細猓?jié)能降耗。
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熱解氣化在餐廚垃圾領域的應用。“十二五”國家科技支撐計劃提出，區(qū)域化餐廚垃圾聯(lián)合處置及生物燃氣產業(yè)化技術研發(fā)、商業(yè)模式構建與工程示范。
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餐廚垃圾分選輕物質熱解處理的“一增三減”是指，結合增加參與有機質熱解系統(tǒng)，增加系統(tǒng)凈沼氣產量的同時，減少沼氣自用量、有機物質損失和固體垃圾處理量以及對油脂損失。熱解處理可減少處置費用兩千元，減少沼氣用量3000立方米每天。另外，我們還在進行另一項研究，即通過熱解技術，將餐廚垃圾生物處理后的剩余物熱解，使合成氣轉化為沼氣，從而提高沼氣產量。
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熱解氣化在農業(yè)生物質處理上的應用。以鄉(xiāng)鎮(zhèn)生物質為原料，通過生物質熱解，與熱、電、氣、炭聯(lián)產，產生可燃氣或熱，進一步轉為電，產生的生物碳可作為土壤改良劑、清潔燃料或通過進一步活化作為污水吸附劑，形成區(qū)域性綠色循環(huán)生態(tài)園。在玉米秸稈、稻殼等農業(yè)生物質方面，我們已經(jīng)做了了多年的嘗試與應用。
五、大勢所趨，熱解技術前景無限
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總之，熱解技術將在固廢處理各領域大有可為。未來誰掌握了熱解技術，誰就擁有了先導權與話語權。由不可再生的碳基資源向可再生生物基資源轉變，已經(jīng)成為國際趨勢。美國能源署將熱解作為第三代生物質能源利用的關鍵技術，日、澳、德等國也在該領域進行了相應的研究。在德國，建成了規(guī)模達一百噸的垃圾熱解實驗工程。在零排放上，熱解技術也將成為下步趨勢。我國將熱解技術用在生物發(fā)酵菌渣的處理，在危廢處理上前景廣闊。作為鄉(xiāng)鎮(zhèn)的系統(tǒng)解決方案，熱解技術在農業(yè)廢物處理上也將大展拳腳。
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“人必自重而后人重之，業(yè)界必先自重，然后國人重之”。作為行之有效的技術，希望污泥焚燒技術，可以在中國得到更多的關注與認可。我們要沿著正確的技術路線，將熱解技術這一重大裝備發(fā)揚光大！
