利用烟气余热的污泥无害化与资源化处理新技术 ——以废治废、节能减排、“泥”“霾”共治

报告人：浙江大学 翁焕新 教授/博导(Email：gswenghx@zju.edu.cn)

主持人(同济大学 环境科学与工程学院 杨长明教授)：各位专家各位代表，早上好!第一位汇报人是来自浙江大学教授博导翁焕新，主题是利用烟气余热的污泥无害化与资源化处理新技术——以废治废、节能减排、“泥”“霾”共治。

浙江大学 翁焕新：今天来自全国各地的专家都聚集在一起，真是一个盛会，下面就坐的很多都是年轻人，这说明我们中国的污泥处理事业是大有希望的。今天要和大家交流的是我们20多年来的研究成果，“利用烟气余热的污泥无害化与资源化处理新技术”，副标题是以废治废、节能减排、“泥”“霾”共治。

以废治废、节能减排

大家可以理解，但对于“泥”“霾”共治可能会有些疑虑，那么下面我就向大家介绍这个技术的根本原理。为了更好地理解技术背景，我想先简单地谈一谈中国污泥处理领域的市场情况。

根据官方资料，我国现在已建成的城镇污水处理厂5000多座。这张图显示了我国污水的排放量和处理量随年度的变化，从图中我们可以看到，在1991年，我国的污水处理率不到15%，而到了2016年，污水处理率已经超过了93%，不久的将来，污水排放量和污水处理量这两条曲线就会碰在一起，表明污水将得到100%的处理，现在我国的污水处理量已达到1.88亿立方/日，到那时污水处理量就更大，相伴而产生的污泥量也将是一个天文数字。

我们对于现在中国污泥在区域上的分布作了基本统计，东部沿海地区约占了70%，但是污泥的增长率，中部和西部地区大于东部沿海地区，这就意味几年以后，整个中国都将面临污泥处理的环境问题。我们要想彻底解决中国的污泥问题，我想首先要了解中国的国情和目前我国污泥处理的现状。

中国污泥的基本国情有三点：

一，是污泥量多、体积大，工业污泥加上生活污泥每年的产生量已超过一亿吨(含水率80%);二是没有足够的经费投入到污泥处理中，现在全国平均污泥处理费大约在200元/吨;三是由于生活污水与工业废水合并处理，使得污泥的成分复杂。这三个国情告诉我们，在中国处理污泥比其他西方发达国家更加困难，为什么?因为我们要用不多的钱去处理巨量的污泥，而且污泥的成分又这么复杂。

那么我国污泥处理现状究竟如何?与会的专家一定很关心，然而可以非常不乐观的告诉大家，尽管我们的污水处理技术已经接近了世界先进水平，但是我们的污泥处理程度仍然处在非常低的水平上。根据官方的数据，真正得到处理的污泥大约只有20%，80%的污泥仍然处于无序的临时堆放或简单填埋状态，这对生态环境的影响，我想各位专家心里都是非常清楚的。这就给我们一个警示，我国污泥处理进行了这么多年，还处在这样低的水平上，一方面表明我国污泥处理的关键技术还没有突破;另一方面说明了，我们在以前的污泥处理导向上存在问题，所以，我们对中国污泥处理的导向需要重新慎思!

我国目前主要的污泥处理方法可以归纳为三大类：第一，添加石灰或者水泥等物质去适应填埋。这种做法的结果使污泥增量，加了石灰以后的污泥最后只能去填埋，而且填埋所占有的地方空间很难可以再被利用，所以后果是非常严重的;

第二，蒸汽干化+焚烧。蒸汽是优质能源，这种方法不仅耗能，而且污泥焚烧将会产生大气污染，特别是会产生二噁英，因受污泥处理费的限制，现在实施的污泥焚烧工程实际上没有充分考虑大气污染问题，所以这个后果也是很严重的，将来终有一天污泥焚烧要求非常高的大气排放标准，这样的项目就很难维持下去;

第三，就是污泥发酵土地应用，这种做法的后果就是生态环境的风险。以上这三类主要方法实际上是跟随了国外的污泥处理处置技术，即源于国外通常采用的污泥卫生填埋、焚烧和土地利用等方法。各位专家都知道，我们在实践这些方法的时候，总会觉得有问题，这就说明了国外的污泥处理处置方法在中国难以仿效，因此，这就促进我们必须要进行技术创新。

如何促进技术创新?我的体会是，首先必需要把污泥的本质搞清楚，好在浙江大学在过去的20多年里，持续不断地对各类污泥的理化性质开展了深入的研究和了解，由于时间关系，我就把最主要的研究结果告诉大家。首先大家关心的就是污泥的化学成分，我们来看这张数据表，这是我们对中国典型的城市污水处理厂污泥的化学成分进行了连续三年的监测数据，数据告诉我们，污泥里面的主要化学成分是非常稳定的，它所提供的一个非常重要的信息是，污泥中的氮、磷、钾含量是很低的，虽然有机质含量在35%左右，但这个有机质是由非常复杂的化学物质所组成。这个数据告诉我们，我国的城市污水处理厂污泥完全不适合于土地利用，如果在做或想做污泥肥料的话，那我就劝大家，这一步是很难走下去的。我们再看重金属的含量，这是五年的连续监测数据，我们可以看到，污泥中每一个重金属含量的变化都是非常大的，它们的平均值也是很高的。这就告诉我们，中国的污泥氮、磷、钾很低，有机质非常复杂，并不是农业上所需要的有机质，重金属又很高，根本不具有作为土地利用的基本条件。

然后，我们对于污泥的热值进行了分析研究，分析结果表明，由于污泥含有稳定的有机质含量，所以它具有一定的热值，这个热值恰恰就是污泥唯一具有利用价值的潜在资源。我们来看这张图，这是污泥中有机质和热值之间的相关性分析，从中我们可以看到我国污泥的热值范围大约在1500-2500大卡之间，然而污泥热值是否具有利用价值与含水率是紧密相关的，根据前人的研究结果，如果污泥含水率80%，它不具有热值，只有当污泥含水率降到30%以下，污泥热值才具有可利用的价值。这就告诉我们，我国污泥具有可利用的热值资源，但是，热值资源可被利用的先决条件是要把污泥的含水率降至30%以下。

这是一张污泥的粒度分布图。经过我们对所有污泥类型的分析，污泥的两种最主要粒级是细粉沙和粘土，通过X光衍射和红外光谱分析，构成它们的主要矿物有石英、长石和伊利石等粘土矿物，这是污泥中无机成分的基本物质组成，这个基本物质组成告诉我们，污泥可以作为建筑材料的原料，因为它具有建筑材料所需要的基本矿物质构成。

通过对中国污泥特性的研究，我们对污泥的最终处理就可以作出基本的科学判断。

污泥处理目标就是“三化”：无害化、减量化、资源化。以前还讲稳定化，没有稳定化，稳定化的概念就是暂时处理一下，不行，国际上就讲这“三化”。我们把污泥含水率从80%降到30%，首先减少污泥的体积，这是污泥得到最终处理的关键。“热干化”是污泥减量最有效的方法，它可以杀灭污泥中的病菌，使污泥中的有害物质向稳定态转化。我们来看这张图，如果将含水率75%的污泥的体积看作100%，当含水率降到60%时，其体积已经降至40%，当含水率降到40%时，其体积已降至原体积的20%左右。所以，热干化可以使污泥非常有效地实现减量化。

现在国外已经开始发展污泥热干化技术，有一个标志性文件的发表说明这点，这就是美国环境保护局2006年发布了《污泥热干化技术情况说明书》。我们的研究和实践证明，热干化对于污泥减量化是非常重要和非常有效的，而“低温干化”是热干化技术核心中的核心。

什么是污泥低温干化技术?利用低于绝干污泥燃点的热量(<250℃)，使污泥中的水分蒸发达到有效减量的过程。这张图显示了污泥初步减量的途径，污水处理厂污泥初步减量的途径包括浓缩、消化和机械脱水，但这里我要谈一下污泥消化的问题。补充说明一下，我今天做的发言纯属学术上的，在学术讨论过程中我会对一些技术谈一些自己的看法，如果对于某些技术有不利的方面不要在意，因为完全是技术性的。消化是最早国外污水处理中一个组成的部分，这张图片是杭州第一个污水处理厂，由德国资助建造，当时设计的消化池，但是正式投产后没有正常使用，为什么?因为它所投入的远大于产出，所以以后建设的污水处理厂省略了这个过程。当然现在有一批专家在推这个，然而从经济和实际效果来讲，我认为在中国是不合适的，因为我国的污泥通过消化不仅所产出的效率实在是太低了，而且污泥减量也很有限，原因在于我国的生活污泥有机质含量偏低，所以，污泥消化在中国并不适合推广。

污泥在污水处理厂经过机械脱水以后含水率一般在80%左右，这是污水处理厂可以接受的平衡含水率，它是由污泥产生量、污泥处理速度和污泥处理成本等综合因素决定的。污泥中80%的水，有间隙水(约占70%)、毛细水(约占20)、吸附水和结构水(约占10%)。污水处理厂通过污泥浓缩后，污泥含水率约为95%，然后经过机械脱水，可以脱掉一部分间隙水，从理论上讲机械脱水可以使污泥含水率降至70%，但是要达到这个含水率需要付出很大的代价。现在有的说机械脱水可以使污泥含水率降至60%以下，甚至50%以下，这在实际中做不到，要达到那个含水率水平就是在污泥中添加了固体物质，如石灰等。我们处理污泥的首要原则是减量，绝对不允许在污泥里面添加任何固体物质。

我做过初步统计，如果污泥里面添加5-10%的固体物质，板块压滤后污泥含水率达到60%，这时污泥的体积和含水率80%的污泥体积是基本一样的，甚至更大，不但没有减量而且增量了，因为从表面上看含水率已经是60%，但实际上水分并没有从污泥中跑出来，只是部分间隙水变成了结构水，这一结果不仅造成污泥增量外，而且由此造成污泥热值降低，也无法作为建筑材料的原料，只能去填埋，这点大家必需要有清晰的认识。低温干化可以使污泥中的全部间隙水、毛细水和吸附水去掉。

污泥低温干化有什么优点?第一，水分蒸发有效减量;第二，有机质不被破坏，有害气体少量释放，同时保存了95%以上的原始热值。这个图是污泥干化速率曲线，开始的时候干化速率迅速升高，到B点就不变了，这个B点就是污泥开始脱水的时候，然后到了C点干化速率又下降了，C点是临界含水率。这个图所反映的过程，在不同条件下进行实验都得到了验证。

热干化是能量净消耗的过程，能耗占污泥处理总费用的80%以上。但如果我们利用锅炉、热电厂、水泥厂或垃圾焚烧厂等排放的烟气余热进行污泥干化，就彻底克服了“耗能瓶颈”，使污泥处理的运行成本大大降低。这些烟气温度在120-200℃之间，其中隐藏着巨大的热能，烟气中潜在的热能正是污泥低温干化最理想的能源。在中国，利用烟气余热资源来干化所有的污泥，绰绰有余。

为了实现烟气余热干化污泥过程，我们建立了烟气量、烟气温度和污泥处理量之间相互关系的数学模型。根据这个模型，我们只要了解烟气资源有多少，就可以知道能够处理的污泥数量，反过来我们要处理多少污泥量，就必须要提供多少的烟气量。

利用烟气余热污泥低温干化具有以下重要的技术和经济特点：第一，以热烟气与湿污泥直接接触的方法使污泥干化效果最大化，由于这样一个过程，就产生了第二个技术特点，就是干化过程中湿污泥可以吸附烟气中的PM2.5和PM10，这对保护大气环境意义很大，空气中的霾主要来自于PM2.5和PM10，现有的除尘设备难以将烟气中的微小颗粒物去除，而在烟气干化污泥的过程中恰恰可以把大部分PM2.5去掉，这就体现出了“泥”“霾”共治的效果，与此同时产生第三个技术特点，湿污泥还可以把烟气中20%-25%的二氧化硫以及硝酸根离子吸附掉，因为污泥的PH值基本偏碱性。第四个特点，污泥低温干化过程需要利用了大量的烟气，而这时少量释放的气体通过稀释作用和化学反应，可以保证尾气高标准达到排放。第五，整个干化系统均在全封闭微负压的状态下运行，无异味、清洁生产，安全稳定，丝毫不影响锅炉系统的正常运行。第六，投资少(7-9万元/吨)，运行成本低(<50元/吨)。

如何完成烟气余热干化污泥过程，我们建立了利用烟气余热分段式污泥低温干化工艺流程。污泥通过运输到达污泥储存库，通过进料装置将污泥送入第一干化成粒装置，进行第一段干化，使污泥的含水率从80%降到60%，然后将污泥送入第二干化成粒装置，进行第二段干化，使污泥的含水率从60%降到40%，污泥在干化过程中自然形成粒径为2-8毫米的颗粒，污泥颗粒被送入成品库，通过自然冷却，最后含水率降至30%以下。干化污泥的能源来源于烟气余热，通过风机将热烟气送入两个干化成粒装置，经过污泥干化后的烟气通过除尘除气装置后达标排放。所有锅炉、热电厂、水泥厂、垃圾焚烧厂都有完善的除尘除气设备，由于烟气通过前面的污泥干化过程，烟尘和二氧化硫等污染物的负荷大大降低，从而使烟气排放标准的质量比原先的更高。干化后的污泥颗粒，保存了95%以上的原始热值，如在热电厂可以和煤一起掺烧，如在水泥厂可以做烧制的水泥原料，如在垃圾焚烧厂，干化后的污泥可以和垃圾一起焚烧。干化后的污泥也可以烧陶粒，也可以烧制轻质节能砖。

如何能够使这个工艺流程顺利运行?我们来看模拟实验结果，这是在不同温度下，污泥含水率和干化时间的变化曲线图，放大后可以看到，污泥的含水率从80%降至40%，如果干化温度300℃，需要30分钟;如果干化温度200℃，需要60分钟，烟气温度通常小于200℃，所以实际需要的时间会更长。这就要求我们在设计设备的时候，热烟气和湿污泥之间相接触的时间必须大于60分钟。很多人知道我们这个技术也在模仿，但是他们不知道这些关键的技术参数，难以达不到想要的设计效果。另一个实验结果表明，粒度越小干化效率就越高，因此，我们设计了干化成粒一体化装置。

专家更关心的是污泥干化时有害气体的释放问题，那么我们通过实验来深入了解这个问题。我们将污泥分别在100℃、200℃、300℃下进行恒温干化，分析测定释放气体中的化学物质，分析结果显示，100℃时污泥释放的气体中主要是烃类物质(见图);200℃时，成分稍微复杂一些，但主要仍以烃类物质为主;300℃时污泥释放气体的成分就非常复杂了，这个结果告诉我们，污泥干化时温度不能太高，因为在高温下，污泥中的有机物会发生热解，以气体的形式释放出来，对环境产生不利的影响。在实际的污泥干化过程中，污泥真正脱水的时候发生在干化曲线中的B点，这时B点的温度称为污泥的“湿球温度”，如果干化温度是100℃，污泥的湿球温度还不到50℃;当干化温度是200℃的时，污泥的湿球温度还不到100℃;当干化温度是300℃时，污泥的湿球温度是200℃。利用烟气余热干化污泥时，烟气温度通常低于200℃，污泥的湿球温度远远<100℃，我们可以发现，在烟气温度下，污泥释放的有害气体不仅在种类上是非常少的，而且释放的数量也是非常有限的。接下来我们对各种各样的有害气体进行了分析，分析结果均显示，当温度<200℃时，各种气体的释放量都是非常小的，我们把尽可能对大气有影响的气体都进行了分析，结果都是类似的。

大家也许会说，这只是实验数据，那我们就对具体的工程进行监测，根据浙江省环境监测站连续24小时的监测，监测的所有指标全部低于国家标准，尤其是烟尘，排放量仅为4.03毫克，远低于国家20毫克的标准，表明了利用烟气余热干化污泥对除尘具有非常好的效果。

下面介绍几个工程实例。这个工程是2005年做的，中国第一个利用烟气余热的污泥低温干化工程，我经常讲，将来我们回顾中国污泥处理的发展历史，这个利用烟气余热的污泥低温干化工程是中国，也是世界上第一个，所以它应该写入历史史册。这是三房巷的例子，一个上市企业，每天产生约100吨的印染污泥，开始他们把污泥直接放到炉子里烧掉，费用很高，设备受损，采用烟气干化污泥技术后，不仅彻底解决了污泥问题，而且利用污泥热值还产生了经济效益，后来企业热电厂移至新的地方，他们又把这套设备搬到新的地方。这个是2015年完成的张家港工程，全部是自动化控制的，如果有专家感兴趣的话，可以去实地参观。

为了更好的理解本技术所能产生的效益问题，我们来看这样一张图。以1吨含水率80%的污泥为例，进行干化，使它的含水率降至30%，水分蒸发需要吸收热量，以平均吸收热量2675.9kJ/kg计，需要相当于79.18kg标准煤(5500大卡)的热量，含水率30%的污泥去掺烧，如果以污泥具有平均2000大卡的热值计，除去30%的水分需要消耗一部分能量外，它可以贡献相当于63.07kg标准煤的热值，回收和贡献的热值就相当于标准煤142.2kg。这个理论计算结果告诉大家，如果我们采用这样的方法处理污泥，将会获得非常巨大的能源方面的效益。

我们这个技术可以利用在水泥厂，我认为对水泥厂是最佳的。水泥厂也有污泥协同处理，但只是把含水率80%的污泥掺到里面去，这是一种最低级的处理方法。如果利用水泥厂的烟气，先将污泥进行干化，污泥干化过程吸附烟尘不仅减少大气污染物排放，而且干化后污泥作为烧制水泥的原料，还能贡献热值节约能源，这在环境和经济上均能实现效益最大化。

垃圾焚烧厂，中国垃圾最后去向只有焚烧，我们可以利用垃圾焚烧排放的烟气余热干化污泥，干化后的污泥再与垃圾一起焚烧，这将是我国污泥处理的一个方向。我们知道，垃圾焚烧厂、水泥厂、热电厂排放的烟尘和二氧化硫需要花费巨大的代价去处理，现在如果与污泥处理有机地结合在一起，是一种最好的除尘脱硫的辅助方法。

完成这样一个工艺流程需要关键技术和配套设备的支撑，配套设备包括：储存系统、传热系统、输送系统、干化成粒系统和气体控制系统。这是污泥干化与成粒一体化的主体设备(见图);这是控制设备;这是进料设备，定量进料设备很重要，因为进料与烟气要完全相互匹配;这是除尘除气设备，所有的这些设备都是自动化控制的，因此工作的现场很清洁，执行的人只要在控制室里操作就可以了。

这是完整的技术示意图，污泥通过烟气余热，在自动控制条件下进行干化造粒，在污泥干化过程中，烟气中的PM2.5、PM10、二氧化硫被污泥吸附并被包裹在颗粒中，其中二氧化硫已被转化为硫酸盐，当污泥作为辅助燃料焚烧时不会再释放。干化后污泥颗粒与燃煤掺烧和污泥焚烧是完全不同的概念，污泥焚烧存在二恶英产生的问题，污泥与煤掺烧，控制的比例在10%以下，炉膛温度保持在850℃以上，所以不具备产生二恶英的条件。我们已知道污泥的无机成分，与烧制水泥需要添加的粘土辅料的化学成分相似;干化后的污泥也可以烧制陶粒，陶粒又可以生产出新型的建筑材料;干化后的污泥颗粒可以烧制轻质砖，有些地方很早就开始用污泥烧砖，但始终无法达到理想效果，为什么?只是把污泥简单地混合到粘土里，破坏了烧砖粘土的质地，这不行，一定先将污泥形成一定粒径的颗粒，然后均匀混合到烧砖粘土中，这样烧制而成的是轻质节能砖，不但抗压强度高于同一窑炉的普通烧结砖，而且质量轻15-20%。

造成中国雾霾的主要原因是燃煤排放的微小颗粒物(特别是PM2.5)，利用烟气余热干化污泥的过程可以将大量的PM2.5和PM10去掉，这是在显微镜下看到的原始烟气中颗粒物，经过污泥干化过程后变得很干净了。根据对浙江长兴实际工程的监测结果表明，热烟气通过干化湿烟气以后，原始烟气中60.19%的PM2.5和43.99%的PM10被去除。

如果我国污泥(含水率80%)的生产量以8000万吨/年计，利用烟气余热干化污泥，使污泥含水率降至30%，每年可以节省约相当于452万吨的标准煤，干化后污泥作为燃煤的辅助燃料，每年可以提供约相当于359万吨的标准煤。同时减少污染物排放，向大气少排PM2.5约17万吨/年，减排的二氧化硫约为7.2万吨/年，减少排放的二氧化碳达983万吨/年。

这是我们设想的中国污泥最终处理的技术路线图，不难理解，它是以废治废的、节能减排的、“泥”“霾”共治的。

经过20多年基础研究和工程实践，我们已经取得有关污泥处理技术的授权发明专利38项。国外媒体以英文、法文、西班牙文等介绍了浙江大学的这项技术。这是我们在国内外发表的一些相关的学术文章，这是我写的一本书。我的联系方式Email：gswenghx@zju.edu.cn，如果大家感兴趣的话可以和我联系，我将毫无保留的与大家进行交流。谢谢大家!

原标题：利用烟气余热的污泥无害化与资源化处理新技术 ——以废治废、节能减排、“泥”“霾”共治