A3：科技智慧
导读
基于生态环保与可持续发展的角度，某皮草企业有限公司固废综合处置项目设计规模500t/d，拟采用预处理——间接热干化——混合焚烧——烟气处理工艺，将其生产废水处理厂污泥与皮革生产废料混合焚烧。结合对拟处理物料与项目特点分析，论证了典型制革废水污泥与生产废料混合焚烧工艺设计难点的研究与解决过程，以及实施过程中的主要设计调整，可为国内外类似项目提供借鉴和参考。
引用本文：刘鹏飞,李梦琪,杜强强，等. 制革废水污泥与废料混合焚烧工艺设计难点研究与思考［J］. 给水排水，2023，49（8）：59-65.
目前，在应用较广泛的污泥处理处置工艺中，焚烧作为有效方式，在国内成规模的污泥处理处置项目中占比三成以上并日益增加，同时也受到国家层面的政策支持，如在《“十四五”新型城镇化实施方案》提出“推进生活污水治理厂网配套、泥水并重，推广污泥集中焚烧无害化处理，推进污水污泥资源化利用……”。
01 项目概况
某皮草企业有限公司成立于20世纪90年代，目前已成为世界上最大的羊剪绒生产企业。响应国家政策，对集团公司工业废水处理厂产生的综合污泥与生产过程产生的部分一般固废进行混合焚烧处置，企业内部配套设计规模4万m3/d工业废水处理厂，产生的脱水污泥外运填埋。随着经济社会的可持续发展，当地可用于填埋的场地越来越少，现有处置方式已不能满足日趋严格的生态环境保护要求，亟需新的处置方式。
此外，在生产过程中产生了一定的生产废料，如肉渣、皮渣、毛渣、各车间及工段的边角细碎料等（上述物料经第三方鉴定均为一般固废），原处理途径为外售下游企业。但随着环保要求愈发严格，下游企业不再接收此类废料，亟需新的处置方式。
2020年8月，项目团队开始本项目的前期调研与解决方案论证工作，通过对若干难题的研究和试验，最终采用预处理-间接热干化-独立焚烧-余热利用-烟气处理的处理工艺，同时以EPC模式执行，目前项目在执行中。
02 拟处理物料
2.1 污泥
污泥来自企业配套的生产废水处理厂，经可研报告论证后设计规模为432t/d（含水率80%计）。拟处理的工业废水中，各典型污染物浓度见表1。
表1 工业废水厂各水源典型浓度
注:综合废水含生态鞣制（糅前与糅后）废水、车间冲洗水、循环水排水及员工生活污水等。
拟处理污泥的理化性质经多次第三方检测，主要设计指标见表2。
表2 污泥理化指标
结合工业废水来源、典型水质、水处理流程、污泥的理化指标，拟处理污泥特点如下：
（1）污泥热值偏低，灰分偏高。污泥来源包括高磷/高硫废水预处理、各类沉淀、厌氧与好氧系统、芬顿系统等。物化类系统污泥比例较高，生物池泥龄长，导致其VSS/SS比例相对较低，直接影响污泥热值。
（2）铁含量较高。为强化除磷（主要来自皮草生产投加的化学稳定性较强的有机磷），废水深度处理设置两级芬顿系统，投加大量芬顿试剂以确保总磷达标，导致污泥中铁盐远高于市政污泥。
（3）硫/氯含量较高。结合文献报导，市政污泥中的硫含量通常占干基的0.5%~2%，氯含量约0.3%~0.5%。本项目污泥硫/氯含量较高，源自毛皮存储运输和生态鞣制过程添加了大量的化学品（如硫化钠、氯化钠等），其一部分残留在各类生产废料中，另一部分随废水排放到废水处理厂。高硫含量将增加烟气中酸性气体含量，高氯含量将导致烟气产生腐蚀性成分HCl造成设备材质腐蚀。
2.2 生产废料
皮革加工是将动物皮处理为成熟皮供制作皮革用品的方法，在毛皮运输及各工段生产过程中产生的边角废料部分回用，部分废弃处置。经多次调研，统计各类废弃物的来源、数量和形态，检测其理化性质。
（1）拟处理生产废料组成。生产废料来自不同的车间和工段，结合其形态和理化性质，最终分为三大类（合计35种），分别为干废料（含各类原皮和成品皮边角料+毛飞类）、半干废料（主要是酸皮边角料及皮渣）、湿废料（含水率较高，主要来自去肉工段），上述物料经可研报告论证后设计规模为68t/d。
图1 部分生产废料
（2）生产废料的理化性质。拟处理生产废料的理化性质经多次第三方检测，主要设计指标见表3。
表3 生产废料理化指标
结合上述内容，拟处理生产废料特点如下：
(1)物理形态与含水率各异，预处理难度大。本项目拟处理废料大小不一、形态各异、含水率差别较大，如何进行存储、输送、预处理及入炉将是极大的挑战，是本项目首先要面对的核心难题。
(2)干废料发热量高，干废料与半干废料均属于易燃物质，可自持燃烧。湿废料虽干基热值较高但含水率较高，对污泥焚烧贡献的热值有限，需脱水预处理。
(3)干基中氮含量较高，源于原料毛皮的主要有机物为氨基酸，将导致焚烧后烟气中的NOx浓度远高于市政污泥及生活垃圾焚烧项目。
(4)半干废料中的氯含量较高，碱金属含量较高，对设备有腐蚀的风险，同时存在炉内床料玻璃化和结焦的风险。
2.3 主要处理目标
（1）物料。实现拟处理物料的减量化、稳定化、无害化。处理后灰渣满足《垃圾发电厂炉渣处理技术规范》（DL/T 1938-2018）等规范标准要求。
（2）烟气。满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB 18485-2014）及其修改单、《大气污染物综合排放标准》（GB 16297-1996）、《焦作市污染防治攻坚战领导小组办公室关于印发焦作市2021年大气污染防治攻坚战工作方案的通知》（焦环攻坚办〔2021〕24号）等国家和地方要求。
03 项目难点
本项目为制革废水综合污泥和一般固废协同焚烧处置项目。在世界范围内无先例，主要难点如下：①技术上采用制革废水污泥和皮革废料协同焚烧，现有可参考案例较少，实施后将在行业内发挥示范作用；②拟处理物料及成分复杂，技术难度高；③环保标准高。烟气排放需满足国家和地方要求，标准更严格。如NOx小时均值≤50 mg/Nm3，SO2小时均值≤35 mg/Nm3。
04 解决方案
4.1 预处理中破碎与混合系统的确定
生产废料如何预处理/如何入炉以充分发挥所含热值是本项目面临的核心难题之一。项目团队在物料平衡计算的基础上，在生产废料破碎和混合方面做了多次的考察交流与试验。
（1）物料破碎及破碎机的确定。在与各供货商充分交流的基础上，分别选取单轴破碎机、双轴破碎机、绞肉机等对拟处理各类废料，在北京等多地做了数次现场试验，在不同筛网孔径条件下，对3.2节提及的各类物料分别按不同比例组合进行多组试验，综合试验结果与分析论证结论如下：
①当筛网孔径30mm时，选择单轴破碎机处理干废料效果较好；其不适于破碎半干废料（不仅频繁挂皮，且破碎效果不佳），不适于破碎湿废料（其导致运行环境较差）；②双轴破碎机对各类物料的破碎效果均不佳；③绞肉机对半干废料和湿废料的破碎效果较好，破碎后的物料粒径分布均匀，基本满足入炉要求。
图2 部分破碎设备现场与破碎效果
（2）物料混合及混料机的确定。同破碎试验的工作过程，分别选取了破混机与单轴混料机，在广东等多地做了数次混料试验，目标是寻求拟处理物料在特定配比下的最佳混合效果，均匀输送入炉使其充分燃烧。通过对设定的20余组物料组合及混合比例进行现场试验与分析论证结论如下：①干料类混合时，毛飞/边角废料类等与干泥因物料间密度差异较大，混合后分层明显，物料之间无法均匀混合；②湿料类混合时，物料易局部抱团，无法均匀混合；③当综合物料含水率在约50%时，选用单轴混料机，可将经破碎后的皮革废料、干化后的污泥与一定比例干化前湿污泥混合均匀，满足入炉条件。
图3 不同物料混料效果
4.2 关于空预器的研究
方案论证初期，余热利用系统参照同类项目在焚烧炉和余热锅炉之间设置高温空预器，流化风温度经高温空预器加热到约400℃进入炉膛，维持物料在炉内自持燃烧。
设备选型期间，经计算烟气中SO2浓度大于15 000mg/Nm3，HCl浓度大于4 000 mg/Nm3，均远高于市政污泥焚烧烟气（SO2:1 000~5 000mg/Nm3，HCl：＜1 000mg/Nm3）及生活垃圾焚烧烟气（SO2：＜1 000mg/Nm3，HCl：1 000～2 000mg/Nm3），其中HCl对金属有高温腐蚀。
高温腐蚀主要发生在300～480℃(弱腐蚀发生域）和550～700℃(强腐蚀发生域）。本项目如设置高温空预器，金属壁最高温度高于600℃，需进行防HCl高温腐蚀处理。常规方法是接触烟气侧喷涂或堆焊镍基合金材料，其中以Inconel625材料为最佳。但经与国内外供货商交流后，在本项目HCl浓度下，不能保证设备使用寿命，需采用替代方案。
方法一：增设1台低温蒸汽空预器和高温蒸汽空预器组合，先采用180℃饱和蒸汽将流化风加热到约140℃，再利用10MPa高压饱和蒸汽（310℃）加热流化风至约280℃。
方法二：取消高温空预器，增设1台低温蒸汽空预器和1台干化机，提高污泥的入炉干度，流化风温度加热到约140℃。
只增加1台低温蒸汽空预器、流化风加热到140℃时，焚烧炉可满足包括设计点在内的大多数区域自持燃烧，但仍有少部分区域不能满足，需添加辅助燃料；增加1台干化机后，流化风加热至140℃时可满足整个区域自持燃烧。因10MPa高温蒸汽较难落实，为减少辅助燃料的使用，论证后选用方法二。
4.3 烟气处理方案
结合物料理化性质检测与技术经济比选，调整工艺路线见图4。
调整原因如下：
（1）改进方案采用石灰石膏法串塔工艺，更适用于本项目HCl和SO2较高的工况，处理效果好，运行稳定性强；
（2）将湿式电除尘器布置于湿法脱硫系统下游，可脱除湿式脱硫系统运行过程中产生的水雾、石膏雨、 硫酸气溶胶等污染物；
（3）改进方案综合运行成本相对较低；
（4）改进方案副产品可有效利用。
4.4 主要设备与材料材质的确定
本项目综合物料腐蚀性强，如对污泥脱水滤液第三方检测氯离子含量在3000 mg/L以上，结合检测数据与企业车间及废水处理厂设备管道的材质选择和运行情况调研，逐项分析每一类设备和流体介质管道，在设备和材料材质的选择上设定原则如下：
（1）与湿污泥及滤液等接触的设备部件及管道材质均不低于SS316L，其他部件不低于SS304；非不锈钢材质均参照规范与现场环境明确了加强级要求；
（2）预处理车间、污泥干化车间、污泥脱水机房等位置的钢结构采用热浸锌防腐；
（3）明确整体设备及支撑框架等其它钢结构耐腐蚀等级不低于C4，对涂漆层数与总干膜厚度做了详细要求。
05 工艺方案及设计调整
5.1 工艺方案确定
从2020年8月到2021年7月，经过近一年的物料检测、设备考察、系统试验及专题研究，确定工艺流程如下：
厂内部分生产线产生的一般固废分别输送至预处理车间破碎处理。工业废水厂污泥经离心脱水后进入干化机间接热干化至含水率30%~35%，少量脱水污泥选项进入混料机或焚烧炉前用于调整混合物料含水率和焚烧炉炉温。干化污泥与破碎废料及部分脱水污泥混合后输送至流化床焚烧炉焚烧。高温烟气经余热锅炉换热产生的蒸汽用于干化机干化热源和辅助系统, 余热锅炉后的烟气经处理后达标排放见图4。
图4 工艺流程
本项目设置预处理车间、污泥干化焚烧车间、氨水罐棚及氨水泵房、油罐及油泵房。
5.2 工程设计过程中的局部调整
（1）污泥脱水系统的设置位置。方案初期，脱水系统拟设置于现况废水厂脱水机房内，脱水后污泥经泥仓底柱塞泵输送至水平距离约300m的本项目储泥池。
在设置润滑系统的条件下，选型后的柱塞泵输送压力100～120 bar，不仅造价高，且需考虑核心进口设备的供货周期。后经研究和比选，最终在干化焚烧车间辅跨新建脱水机房，与本项目污泥料仓和输送系统合建，最大限度减少脱水污泥输送距离，输送压力降低至36 bar以内，降低输送能耗及投资。
（2）防止床料结焦的措施。由第3节分析，拟处理物料尤其半干废料中的碱金属含量较高将可能导致物料灰熔点降低，存在床料结焦的风险，影响生产的连续运行甚至导致运行失败。方案初期结合国内外文献、实际案例及物料检测数据，采用高岭土部分中和碱金属，保障焚烧炉稳定运行。
2022年6月，在本项目实施的同时，由项目团队与国内某知名高校共同牵头的课题中综合物料燃烧试验结论发布，结论之一显示高岭土的额外投加显著降低了综合物料的灰熔点，但碳酸钙的投加可提升物料的熔融温度，原方案投加高岭土的措施不仅被证明无效反而起反作用。
经查阅国内外资料和研究后发现，投加高岭土提高灰熔点仅适用于煤炭物料，煤灰为酸性物料，投加Si、Al（高岭土主要成分）可提高灰熔点，投加Ca、Fe时降低灰熔点。对于本项目物料的灰渣情况恰好相反，其为碱性成分，投加碳酸钙灰熔点上升，投加高岭土灰熔点下降。
根据试验结论，项目团队及时调整了设计，由高岭土投加系统变更为碳酸钙投加系统，同时明确了投加比例，试验课题助力本项目的成功。
（3）脱硝药剂的二次比选。本项目烟气脱硝采用SNCR+SCR组合工艺，最初采用尿素作为脱硝药剂，后经技术经济比选后改为投加氨水，具体设计按相关规范执行，原因如下：①SNCR反应温度850～1 100℃，SCR反应温度为180～400℃，正常燃烧焚烧炉顶温度维持在850~880℃，尿素喷入焚烧炉内部需进行热分解，其最佳温度在900~1 100℃，选择氨水比尿素反应效率更高；②采用尿素需另配热水解装置，设备投资相对较大。
06 思考与建议
6.1 项目的推进需同步结合试验与研究
本项目为制革废水污泥和一般固废协同焚烧处置项目，物料的多样性与成分的复杂性和波动性均非市政污泥可比，从启动伊始随时出现各类难题，同时设计，同时施工，同时研究和解决问题。
在项目初期，应尽可能预判可能遇到的难题，多做物料检测、关键工段系统和设备考察交流、同类及相关项目调研，辅之必要的试验研究。在后续实施及调试运营阶段，随时跟踪过程中出现的问题及解决方案，保证稳定投入确保项目成功。
6.2 项目的设计需同步考虑工业生产的调整
不同于市政污泥的理化性质相对稳定，工业企业产品组成、原料来源、生产工艺、物料种类及配比等随时更迭，处于工业生产链下游的配套环保设施随时可能因为上游工业生产排放的废水水量水质、废料的类别与理化特性发生变化的情况，将导致已建成的工业环保设施出现局部不匹配或应对不足。对此在方案确定时即要有应对措施，本项目做了如下工作：①与公司战略、营销、生产等部门座谈，了解其未来一定时间内涉及产品和工艺的稳定性和调整方向，特别关注与工业废水与生产废料相关的部分；②了解其工业废水处理厂的实际运行情况，结合未来不断提升的环保标准拟定的改扩建方向与时间计划；③工程设计过程中预留了尿素投加与消石灰投加的烟气保障措施；预留未来废水处理厂升级改造后污泥热值提高、余热锅炉产生的蒸汽余量加大时的外供条件；预留干化机的余热利用条件等。
6.3 “双碳”目标背景下能源/资源循环利用是本项目下一步提升的方向
污水处理行业碳排放量占全国碳总排放量的1％～2％，是不可忽视的减排领域。随着国家碳中和目标的推进，未来在污泥处理处置领域应以节能降耗及能源/资源回收为目标。
本项目首先保证各项处理目标的实现，但随着项目的推进，结合拟处理物料和处理工艺，对干化焚烧余热的充分利用、用电设备的节能降耗、氮/磷及部分金属的提取和回收、焚烧灰渣的建材利用均是本项目下一步研究和提升的方向。
（给水排水）