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污泥焚烧处理成本分析 齐瑞江 1 曹作忠 2 1.中国环境科学研究院, 北京 100012; 2.北京环卫集团环境研究发展有限公司, 北京 101102 摘要 为进一步降低污泥焚烧处理成本, 先对污泥流化床焚烧处理作了简单的工艺分类与对比, 并针对“ 自持焚烧”处 理工艺, 列出了较为详细的设备资金投入比重、直接运行成本和运行总成本, 进而提出了推广该工艺技术降低成本的 途径是对污泥进行预处理、提高设备国产化水平和开发应用多样化技术。 关键词 直接焚烧; 自持焚烧; 设备投入比重; 成本构成分析; 成本降低途径 COST ANALYSIS OF THE SLUDGE INCINERATION TREATMENT Qi Ruijiang1 Cao Zuozhong2 1. China Academy of Environmental Research, Beijing 100012, China; 2. Environmental Research and Development Co. , Ltd. , of Beijing Environmental Sarritary Group, Beijing 101102, China Abstract In order to reduce the cost of the sludge incineration treatment, it is first conducted that simple technical classification and contrast of the sludge fluidized bed incineration treatment.Then according to the treatment technics of the self maintaining incineration, it isalso listed more detailedproportionsof equipment investment, direct operating costs and total operating cost. Finally it comes to the conclusion that the ways of cost reduction are conducting a pretreatment of sludge, improving the level of domestically produced equipments and developing diversified technologies. Keywordsdirect incineration;self maintaining incineration;proportions of equipment investment;cost analysis;ways of cost reduction 0 引言 目前,我国城市污水污泥 包括二级河道淤泥、 下 水道通挖污泥及污水处理厂污泥 ,大部分还未经稳定 化、 无害化处理处置,不仅成为城市及污水处理厂的负 担,而且污泥的任意排放和堆放对周边环境造成新的 污染。新建成的城市排水、河湖等设施及城市污水处 理厂不能充分发挥消除环境污染的功能, 既使建有消 化池来处理污泥,但未经无害化处置,污染程度虽有所 减轻,却仍不符合污泥农用标准而造成二次污染。 近年来 ,大量污水处理厂投入运行 ,每天产生大 量污泥得不到无害化处置 ,污泥成为难题。污泥的焚 烧处理早已成为发达国家的主要处理方式 。由于中 国还处于发展阶段, 污泥焚烧面临的主要难题是初始 投资 、 处理成本过高 ,资金投入 、 政府补贴过低等。 本文拟就污泥流化床“自持焚烧”处理工艺,对污 泥焚烧处理过程中的成本进行分析 ,并提出减少资金 投入 、 降低运行成本的途径。 1 工艺选择 1. 1 流化床焚烧工艺特点 近年来污泥流化床焚烧技术已经逐步成为处理 污泥的主流 。污泥的性质和流化床的特点决定了污 泥焚烧处理较为适宜采用流化床焚烧工艺。 1 由于流化层内粒子处于激烈运动状态, 粒子与 气体之间的传质与传热速度很快,单位面积的处理能 力很大,因而适宜处理比较均质粒子状污泥。 2 由于流化床层混合充分 , 进入到流化床的污 泥,除个别“块结”之外,都可以瞬间分散 ,均匀燃烧 。 3 由于载体本身可以蓄积大量热量, 并且处于流 动状态 ,所以床层反应温度均匀, 很少发生局部过热 现象 ,炉内温度容易控制 。 4 流化床焚烧炉还具有其本身独特的优点 ,易于 实现对有害气体 SOx和 NOx等的控制 ,空气过剩系数 较少 ,获得较高的燃烧效率。 5 焚烧可以使剩余污泥的体积减少到最小化 ,它 103 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 可以解决其他方法中污泥要占用大量空间的缺陷 ,污 泥处理速度快, 节约储存成本 。 6 焚烧后剩余污泥中的水分 、有机物等都被分 解,只剩下很少量的无机物成为焚烧灰 , 因而最终需 要处置的物质很少, 是相对比较安全的一种污泥处置 方式 。 7 流化床的结构简单, 没有机械传动部件, 故障 率、 建造费用低 。 污泥流化床焚烧适宜于处理城市污水污泥,但经 检验属于危险废物的污水污泥 ,则应按危险废物处置 规范进行处理。 1. 2 工艺分类 图 2 污泥自持焚烧工艺流程 利用流化床技术焚烧污泥大概可分为两类 机械 脱水后的污泥直接投入流化床内通过补充燃料对污 泥进行焚烧 ,称作“直接焚烧”; 机械脱水后的污泥利 用焚烧产生余热将污泥含水率降至适当程度然后投 入炉内 ,做到不加或少加辅助燃料, 或可称作“自持 焚烧” 。 1. 2. 1 直接焚烧 以美国Hankin 公司工艺技术为显著特征的污泥 流化床焚烧技术 ,该技术是将含水率 75 国外污泥 机械脱水基本可以实现该指标 的污泥直接投入到流 化床炉内,满足燃烧产物达到 850 ～ 870 ℃所需的能 量,主要由辅助燃料油提供。该工艺的余热利用方式 是通过一级热风换热器预热流化床用流态化风,二级 烟气加热器对经过急冷塔和文丘里洗涤塔处理后温 度降为70 ℃的烟气进行再加热至150 ℃之后通过引 风机排入烟囱排放。工艺流程见图 1。 1. 2. 2 自持焚烧 以韩国Hansol 公司工艺技术为显著特征的污泥 流化床焚烧技术 ,该项技术在欧洲应用较为广泛。一 个重要原因是欧洲能够生产传热效率在 95以上的 转盘式污泥干燥机。 图 1 污泥直接焚烧工艺流程 该项工艺的特点是, 对于含水率高达 80的污 泥,无论采取何种干化方式,干化至何种程度 ,都必须 补充大量能量。为减少辅助燃料的供给 ,充分利用污 泥焚烧后烟气 850 ～ 870 ℃ 所带走的热量产生蒸汽 来降低入炉污泥的含水率 ,从而减少流化床的辅助燃 料的投入, 进而降低污泥焚烧处理成本。其工艺流程 见图 2。 该工艺过程是, 污水处理厂脱水后的污泥进入污 泥储仓,污泥的含水率≤ 80。通过输送机构送入污 泥干燥机进行半干化处理, 将污泥干化至含水率 70 左右。干化后的污泥进入流化床焚烧炉进行燃 烧,燃烧温度在850 ℃ 以上。燃烧后产生的高温烟气 进入空气换热器 , 通过空气换热器对空气进行加热, 加热后的空气进入流化床作为流态化动力风。从空 气换热器出来的烟气进入余热锅炉 ,余热锅炉产生的 高温蒸汽作为转盘式污泥干燥机对污泥进行干燥的 热源 。高温烟气经过两次换热后,余热几乎得到最大 限度的利用 。烟气温度降低后, 再进入干式反应器、 布袋除尘器和湿式文丘里洗涤塔进行净化处理后达 标排放。 1. 3 工艺对比 从上述两种工艺流程图对比可见,直接焚烧具有 工艺过程简单, 设备投入相对较低, 如果紧邻或在污 水处理厂内建设 ,可以利用污水处理产生的中水具有 弱碱性的特点中和烟气中的酸性气体,但余热利用程 104 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 度较低,且需要补充大量的辅助燃料。该工艺技术在 美国得到了较为广泛的应用, 当污泥含水率在 75 时,燃油消耗量约为 57. 5～ 65 L t 。 “自持焚烧”虽然工艺过程复杂 , 设备数量繁多, 设备投资相对较高 ,但余热利用程度很高 ,从污泥进 入流化床炉至净化烟气进入引风机入口 ,沿程阻力与 直接焚烧相差不大。在实际应用中 ,同等条件下, 污 泥焚烧燃油消耗量为 12. 5～ 15 L t 。 随着能源价格的普遍上涨 ,无论从近期和远期上 看,污泥“自持焚烧”工艺技术会越来越有市场和发展 前景 。 2 成本构成及分析 以中国南方某城市 400 t d 污泥焚烧项目为例, 进行采用污泥“自持焚烧”工艺技术的设备投入比重 及运行成本分布分析 。 2. 1 资金投入 表1 列出了污泥“自持焚烧”流化床工艺技术成 套系统的设备资金投入, 其中包括设备购置和设备安 装两部分费用。污泥半干化系统、污泥焚烧系统和烟 气余热利用系统设备完全从国外引进。 表 1 分系统资金投入构成表 设备名称 系统投入 费用 万元 投入 占比 备注 计量、存储、进料系统728. 806. 22 污泥半干化系统5 188. 8044. 27引进设备 污泥焚烧系统2 820. 0024. 06引进设备 烟气余热利用系统1 024. 808. 74部分引进 烟气净化系统990. 008. 45 飞灰处理系统112. 700. 96 自控系统 含电气仪表350. 802. 99含电气仪表 配套系统505. 004. 31含相应费用 系统投入 合计11 720. 90100. 00 从表 1 中可以看出,含最主要设备流化床焚烧系 统投入仅占了成套设备投入的 24, 而污泥半干化 系统投入则占 44 以上 。说明污泥干化系统在该项 工艺技术应用中的重要性 ,也从另一个侧面说明了该 项技术设备国产化工作的必要性和紧迫性。 烟气余热利用系统主要包括热风换热器和余热 锅炉。引进的热风换热器在烟气入口温度为 870℃ 时,可以将环境空气加热至600 ℃, 如此高的换热效 率指标国内很难达到 。 自控系统在整套设备投入中所占比例不是很大, 也说明国产化自动控制技术完全可以满足该项工艺 技术的要求 ,且投入也不是很高。 2. 2 成本支出 表 2 列出了污泥“自持焚烧”流化床工艺直接运 行成本费用明细表。 表 2 直接运行成本明细表 费用名称年消耗量 单价 元 年费用 万元 占比 直接材料消耗费751 . 37833. 03 消石灰1 887 t800150 . 96 活性炭15. 2 t8 00012 . 16 飞灰固化填埋14 985 t100149 . 85 磷酸钠2. 87 t4 5001 . 29 盐20 t2 0004 . 0 烧碱 40 5 382. 6 t600430 . 608 液氨2. 79 t9 0002 . 51 燃料及动力费用1 31684557. 89 水192 t2 . 90 . 10 电5 434 560 kWh 0 . 79426 . 6 液化气10 000 L2 . 72 . 7 燃料油1 365. 3 t3 500477 . 9 人工工资及福利123 . 605. 43 厂级管理人员2 人7 50018 车间管理人员1 人4 0004 . 8 操作工人42 人2 000100 . 8 排污费83 . 043. 65 1 277 500 t0 . 6583 . 04 直接成本2 274 . 863100 表2 中有些费用明显估计不足, 如飞灰固化填埋 费用仅按 100 元 t 计算 ,而飞灰固化填埋费用至少包 括固化 、 运输和填埋 3 个部分费用 。实际上, 目前在 中国飞灰处理如果严格按现行标准进行处置时,实际 处理费用在1 000元 t 以上。 由表 2 可见 ,燃料动力费用支出在直接运行成本 中占比高达 57. 89,随着能源价格的抬升, 燃料动力 费用支出会有较大的提高。由于该工艺效果可以满 足欧洲现行的污泥焚烧标准, 所以在中国的污泥焚烧 标准出台后 ,直接材料消耗的费用不会有大的提高 。 表 3 列出污泥“自持焚烧”工艺技术运行总成本 费用明细表 。从表 3中可以看出 ,运行成本费用主要 集中在直接材料消耗、燃料及动力、折旧和财务费用 4 个方面, 三项比重之和超过 83, 所以也是降低投 105 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 资减少运行成本的着眼点。按处理污泥 14. 6 万 t a, 采用污泥“自持焚烧”工艺焚烧处理污泥的单位成本 是303. 62元 t 。 表 3 运行总成本明细表 费用名称年费用 万元占总成本比 直接材料消耗费751. 3816. 95 燃料及动力费用1 316. 84529. 71 人工工资及福利123. 602. 79 排污费用83. 041. 87 折旧费747. 2716. 86 无形资产摊销394. 798. 91 修理费149. 453. 37 财务费用866. 4519. 55 总成本4 432. 82100. 00 由表 3 还可以得出这样的结论 降低总成本除降 低直接运行成本外 ,还应该采取各种方法 ,相应地降 低折旧费和财务费用 ,从而降低总成本费用。 3 成本降低途径 污泥“自持焚烧”流化床工艺应用于污泥处理具 有无害化彻底, 稳定化程度高, 能源利用充分和节约 燃料动力消耗的优点, 如果同时不具备投资少 、 运行 成本低这两个优点, 就难以得到应用与推广。 3. 1 加强污泥预处理 以含水率为 80的湿污泥 100 t 计算, 当含水率 降低至75时, 有 20 t 的水分析出 。当含水率降低 至50时,有 60 t 的水分析出。蒸发 20 t 的水分需要 25 t 的蒸汽 2 633 kJ kg , 折合 2. 25 t 标准煤。减少 1 kg水分进入流化床炉 内, 可减少 4 275 kJ 0. 152 MPa ,850 ℃ 的热量投入 。所以加强污泥预处理, 减 少入炉污泥的水分是减少燃料及动力费用的最重要 途径 。具体措施如下 1 进一步提高污水处理厂污泥机械脱水装置的 脱水效率 。 2 尽可能利用污泥焚烧后产生烟气的热量脱除 污泥中的水分。 3 采用其他可行方式如干化场预干化 、 太阳能干 化装置干化等。 3. 2 提高设备国产化水平及性能 3. 2. 1 提高设备国产化率 污泥“自持焚烧”流化床技术装备国产化率还很 低,装备的热机效率还有很大的提升空间。以其最核 心设备流化床炉为例, 同样规格的流化床设备 ,国内 铅锌冶炼厂用流化床焙烧炉仅需 350万元 ,是引进国 外设备价格的 1 3 左右。所以, 提高设备的国产化 率,可以极大降低建设投资 ,从折旧费用方面降低运 行成本。 3. 2. 2 提高设备热机效率 国外很容易通过高效率的机械脱水装置将污泥 含水率降到 75, 而国内很不容易做到 80的含水 率。国外转盘式污泥干化机利用蒸汽干化污泥热效 率可以高达 95, 国内现有的桨叶式干燥机的热效 率不足 80。国外热风换热器可将进入流化床的环 境空气预热至600 ℃以上 , 国内还未达到 。所以, 国 内在完善或研发污泥干燥类设备时必须尽可能提高 设备的热机效率 ,提高能源利用率。 3. 3 开发应用多样化工艺技术 污泥焚烧处理的工艺技术多种多样 ,结合中国实 际,根据各地区经济发展水平和对环境的不同要求, 选择适宜的污泥焚烧处置工艺和技术,开发多样化的 工艺技术是当前十分紧迫的课题。 浙江大学热能工程研究所发挥长期以来在污泥 处理方面的优势 ,率先采取污泥与热电厂联建方式处 理污泥,工艺独特 ,简单有效。具体作法是利用热电 厂生产的蒸汽 , 采用桨叶式干燥机将含水率 78的 污泥干化至便于输送的状态, 再送入热电厂循环流化 床炉内作为焚烧发电的补充燃料。该工艺不仅节约 了一大笔成套设备投资, 而且可以极大减少污泥焚烧 过程的能量损失 ,又将污泥中的热量结合热电厂煤混 烧产生电力 。该项工艺运行总成本低于 150 元 t , 以 中国现有经济发展水平, 是可以接受的。 生活垃圾流化床焚烧发电是基于现阶段生活垃 圾热值偏低的实际发展起来的 ,在实践中取得了丰富 的经验。由于能源价格的大幅上涨 ,生活垃圾流化床 焚烧发电的生产成本也大幅度上升 。据测算 ,当掺煤 价格为 1 000 元 t 时, 煤转化 为电力 的成本 约为 0. 78 元 kWh ,而目前生活垃圾流化床焚烧上网电 价在 0. 60 元 kWh 时,垃圾流化床掺煤焚烧发电是 不合算的。在此前提下, 结合生活垃圾流化床焚烧发 电焚烧污泥 ,利用生活垃圾焚烧发电产生低 余 压蒸 汽对原生污泥进行半干化至适宜于输送和入炉焚烧 的程度。入炉焚烧既不影响炉况,又增加了流化床炉 内能量提供 。该项工艺技术的开发应用工作 ,已经展 开,具体项目业已落实。 下转第109 页 106 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 图 2 主站配置及通信设置示意 设置的,如表 1所示。 表 1 变频器参数设置 参数内容设置 P0918Profibus 地址3、4 P0719命令和频率设定值的选择0 P0700快速选择命令源6 P1000快速选择频率设定6 P0927参数修改设置15 4 变频器控制程序编写 根据热解焚烧系统工艺 要求 ,S7-300PLC 需要对急冷塔水泵和喷淋吸附塔喷 淋泵进行变频控制 。急冷塔水泵变频控制的目的是 保证急冷塔的出口烟气温度控制在200 ℃左右。当 出水温度低于200 ℃ 时, 变频器输出频率控制在30 Hz 以下, 水泵转速在 880 r min 以下运行, 当温度高于 250 ℃ 时 ,变频器输出频率控制在 40 ～ 50 Hz, 对应水 泵转速为1 120～ 1 480 r min , 使出水温度迅速降低; 喷淋吸附塔喷淋泵变频控制的目的是通过检测流过 布袋除尘器中烟气的 pH 值来控制投入NaOH 溶液的 量,实现对烟气的脱硫除酸处理 [ 4] 。 程序的编写需要完成对 PZD 区 过程数据 的读 写和对 PKW 区 参数区 的读写, 如变频器的起停控 制、 频率设定、 实际速度反馈、 MM440 当前状态等 。 4 结论 以西门子S7 -300 系列 PLC 为核心的医疗垃圾焚 烧控制系统设计 ,实现了投料控制、点火控制 、 温度控 制等各环节的控制功能; 实现了 S7 -300PLC 与两台 MM440 变频器通过 Profibus-DP 的通讯 , 并对急冷塔 和喷淋吸附塔喷淋泵进行了有效控制 。该控制方案 具有结构简明、逻辑清楚等特点, 达到了预期的控制 效果,实践表明, 系统运行稳定 、可靠, 具有很好的社 会效益和经济效益。 参考文献 [ 1] 陈德喜. 医疗垃圾集中焚烧处理技术探讨[ J] . 中国环保产业, 2004 2 67 -69. [ 2] 李琳, 闫玉珍. 医疗垃圾的现状及处理对策[ J] . 环境科学导刊, 2007,26 51 -54. [ 3] 廖常初. S7 -300 400PLC应用技术[ M] . 北京 机械工业出版社, 2005 396 -400. [ 4] S7 -300PLC 和MM440 变频器的原理与应用[ M] . 北京 机械工业 出版社, 2006 231-269. 作者通信处 南新元 830008 新疆乌鲁木齐西北路 134 号 新疆大 学电气工程学院 E -mail xynanxju. edu. cn 2009- 03-12 收稿 上接第 106 页 4 结语 以堆肥作为污泥处理资源化的道路 ,在发展了的 中国已经证明难以行得通 。污泥干化后采取不添加 辅助燃料或少添加辅助燃料即可维持其燃烧 ,以实现 无害化为目的使其中能量得以利用 、 回收 ,是污泥处 理资源化的重要途径 。 污泥流化床焚烧处理在世界范围内得到了广泛 应用已是不争的事实 ,而中国的污泥流化床焚烧的成 功案例还不是很多 ,国产化还有相当长的路要走, 在 现阶段尽快取得经验 ,显得尤为重要。 通过研发高效节能的国产化设备以降低设备投 入,加强污泥预处理减少入流化床炉污泥含水率进而 减少燃料动力消耗降低运行成本,是推广和应用污泥 “自持燃烧”流化床技术关键所在。 参考文献 [ 1] 汪玉林. 垃圾发电技术及工程实例[ M] . 北京 化学工业出版 社, 2003. [ 2] 志恒, 政信. 废弃物焚烧技术[ M] . 2 版. 平成 10 年出版. [ 3] 池涌, 严建华. 洗煤泥污泥处理焚烧技术及工程实例[ M] . 北 京 化学工业出版社, 2006. 作者通信处 齐瑞江 100012 北京市朝阳区安外大羊坊 8号 中国 环科院工程中心 E -mail qiruijiang-820sohu. com 2008- 02-25 收稿 109 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期