城市污泥資源化處置在大型電站鍋爐的應(yīng)用與分析

董信光，張利孟，李榮玉

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

隨著人們生活水平上升，人均用水量上升，城市污泥量增加較快。城市污泥是污水處理的產(chǎn)物，包括混入生活污水或工業(yè)廢水中的泥沙、纖維、動植物殘體等固體顆粒及其凝結(jié)的絮狀物，其中含有多種由微生物形成的菌膠團及其吸附的有機物、重金屬元素和鹽類，還有少量的病原微生物、寄生蟲卵等綜合固體物質(zhì)［1］。污泥表征有：黑色，黑紫色，黏稠流體狀，水分高、有腐爛物、伴有惡臭。城市污泥中含有較多的有機物質(zhì)和磷、鉀等營養(yǎng)成分，如果不經(jīng)過處理而將其隨意排放到水中，會造成水體惡化，影響生活和工業(yè)用水。如果污泥被直接利用到農(nóng)業(yè)中，污泥中的銅、鋁、鎳、鉻、鋅、汞等金屬會污染土壤和農(nóng)作物；污泥中的有機物被微生物分解后發(fā)出的有毒氣體、塵埃會加重大氣污染。同時，污泥中含有大量的致病菌及不易降解的有毒物質(zhì)對周圍生活環(huán)境極其不利。

現(xiàn)在污泥處理處置的方法［2］主要有發(fā)酵做成肥料、深埋、無害焚燒處理等，其中完全符合污泥處理的減量化無害化、資源化的要求的只有焚燒法，焚燒法具有減容和減重效果好，工藝簡單、行程快，基本完全無害，余熱可利用等優(yōu)點。污泥含水率一般在80%左右，熱值也很低，若單獨在鍋爐內(nèi)焚燒很難實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，故污泥要與煤或者油等混燒。另外從我國的現(xiàn)狀出發(fā)，國內(nèi)的發(fā)電廠大多還是火力發(fā)電廠，如果將污泥與煤在火電廠進行混燒處理，不僅減少了電廠煤炭的使用量，減少CO2排放而且可以使污泥得到資源化利用，解決城市污泥處理的難題。目前在山東省內(nèi)已經(jīng)有滕州電廠、南定電廠和臨沂電廠進行了污泥與煤的混燒。

為了準(zhǔn)確獲得污泥與煤進行混燒對鍋爐經(jīng)濟性和排放特性，直接在電站鍋爐上進行現(xiàn)場試驗等系統(tǒng)研究，為下一步更多電廠進行混燒提供參考。

1 污泥與煤在電站鍋爐摻燒燒工藝和設(shè)備

1.1 混燒鍋爐

某電廠1號機組為超高壓、中間一次再熱、抽汽供熱凝汽式汽輪發(fā)電機組。鍋爐采用上海鍋爐制造有限公司生產(chǎn)的SG-480／13.7-M767型鍋爐，采用單汽包自然循環(huán)、水平濃淡燃燒器和四角切向燃燒方式。爐膛斷面呈正方形，燃燒器采用四角切圓，一、二次風(fēng)噴嘴間隔布置，排渣方式為定期固態(tài)排渣，空氣預(yù)熱器為回轉(zhuǎn)式，配有四電場高效電除塵器。鍋爐設(shè)計燃用煙煤，采用鋼球磨、中間儲倉、乏氣送粉方式的制粉系統(tǒng)。配有2臺磨煤機、2臺排粉機和2臺給煤機。

1.2 摻燒工藝流程

污泥與煤混燒工藝流程見圖1。污水處理廠經(jīng)帶式壓濾脫水后的污泥由污水處理廠負責(zé)運至電廠內(nèi)120 m3的污泥儲存?zhèn)}內(nèi)，在倉內(nèi)布置液位器計，底部設(shè)有干泥泵送料。液位計控制上料泵加入自動連鎖，污泥泵采取變頻控制并定量上料。液位計有可編程控制器（PLC）與干燥機、引風(fēng)機、調(diào)節(jié)安全閥門等重要裝置設(shè)備連鎖。污泥經(jīng)污泥泵輸送到干燥機進料口，干燥機是系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的設(shè)備。含水率達75%的濕泥從干燥機底部上料，在旋轉(zhuǎn)翼的作用拋撒，熱的煙氣或熱風(fēng)從同端上方進入，拋撒的污泥相互碰撞，從而實現(xiàn)了物質(zhì)和熱量交換。在干燥系統(tǒng)中主要采用熱氣體接觸式即對流干燥。干污泥送至收集器，其下方設(shè)有容積15 m3緩沖料斗，緩沖料斗下部出口有皮帶輸送機將干泥輸送到5號甲、乙輸煤皮帶機與燃煤混合后進入鍋爐燃燒。干燥機所需干燥介質(zhì)為熱煙氣，煙氣取自空氣預(yù)熱器入口和電除塵出口，尾氣由引風(fēng)機經(jīng)旋風(fēng)器及水幕除塵送至電廠尾部煙氣系統(tǒng)。分離后的固體細顆粒進行回收。

圖1 污泥與煤混燒工藝流程

2 混燒鍋爐的運行特性分析

2.1 污泥和煤的化學(xué)分析

試驗樣品包括城市污泥，煙煤。試驗樣品分析結(jié)果參考表1。

表1 試樣的工業(yè)分析結(jié)果

從表中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，污泥與煙煤相比，其所含固定碳極低，揮發(fā)份高為所燒煙煤的2倍。污泥的收到基發(fā)熱量很低，僅為250 kJ／kg，幾乎沒有可用能，經(jīng)過干化后，空干基發(fā)熱量為16 490 kJ／kg，和試驗煤種相比仍有一定差距，其原因在于：在元素構(gòu)成上，污泥與煤相比氧含量較高而碳含量較低；在成分組成上，污泥主要由纖維素、脂肪類、蛋白類及糖類化和物等組成，發(fā)熱量較低，而煤主要由縮聚芳香結(jié)構(gòu)組成，發(fā)熱量較高［3-4］。

2.2 摻燒污泥后經(jīng)濟特性和排放特性摸底

首先進行了摸底試驗，在定摻燒比下，觀察鍋爐摻燒污泥和不摻燒污泥的經(jīng)濟性變化和排放特性變化，具體測試結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 鍋爐效率變化規(guī)律

圖3 NO排放變化規(guī)律

從圖2和圖3可以看出，在5%的摻燒比下，其他參數(shù)維持在運行人員的習(xí)慣運行方式下，在鍋爐蒸發(fā)量為 450 t／h，410 t／h，350 t／h 和 210 t／h 時進行了鍋爐效率和NO排放特性進行了測試，發(fā)現(xiàn)在摻燒污泥的情況下，在鍋爐不同負荷下，鍋爐熱效率有0.5%～1.1%的降低，其中鍋爐最大出力時，鍋爐效率下降最小，在210 t／h時，鍋爐效率下降最大；圖3表明，在摻燒污泥后，NO的排放量降低，其中在最大出力時，NOx的排放質(zhì)量濃度下降最多，排放質(zhì)量濃度從 780 mg／m3下降至 632 mg／m3， 在低負荷時，NOx的排放質(zhì)量濃度降低較少，在鍋爐蒸發(fā)量為210 t／h時NOx的排放質(zhì)量濃度僅降低40 mg／m3左右。由此可以看出，在運行人員的習(xí)慣性方式下，鍋爐經(jīng)濟性和污染物排放特性并非最佳還有很大的調(diào)整余地，通過進一步優(yōu)化使鍋爐在摻燒污泥情況下鍋爐經(jīng)濟性和排放特性達到最佳。

3 污泥摻燒的運行特性優(yōu)化

3.1 運行可控因素分析

針對運行操作的燃燒調(diào)節(jié)習(xí)慣，對各敏感可控因素全面考慮，確定各個測試工況?？煽孛舾幸蛩貫椋哼\行氧體積分?jǐn)?shù)φ（O2）（簡稱質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、輔助風(fēng)風(fēng)溫、一次風(fēng)配風(fēng)方式、輔助風(fēng)配風(fēng)方式、煤粉細度、污泥摻燒比例。

鍋爐燃料效率的決定參數(shù)為：尾部排煙溫度、尾部煙氣成分、鍋爐飛灰和爐底渣可燃物量、入爐燃料元素成分及入爐燃料發(fā)熱量等；影響污染物排放的參數(shù)為：污泥摻燒比例、過量空氣系數(shù)、爐內(nèi)燃燒高溫?zé)煔鉁囟鹊龋?］；以上參數(shù)中，除入爐燃料元素成分及發(fā)熱量為運行人員不能調(diào)節(jié)外，其余均可通過運行敏感可控因素進行間接調(diào)節(jié)。參考表2運行可控因素說明表［7-8］。

表2 運行可控因素說明

3.2 優(yōu)化結(jié)果及分析

3.2.1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分析與優(yōu)化

運行操作人員最有效的調(diào)節(jié)參數(shù)為φ（O2）。而φ（O2）導(dǎo)致尾部煙氣溫度、尾部煙氣成分和飛灰可燃物含量變化從而影響鍋爐效率；同時φ（O2）變化也會引起爐內(nèi)高溫?zé)煔鉁囟取t膛氧化性氣氛變化對NO和SO2污染無排放特性產(chǎn)生影響。所以先對φ（O2）優(yōu)化，得到最佳 φ（O2），再進調(diào)整其他因素。

試驗過程中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.0%～5.5%之間調(diào)整，其他可控因素維持在運行人員最習(xí)慣的方式，即T3，P1，S2，D2和C3的模式。8個工況的鍋爐熱效率測試結(jié)果見圖4，NO和SO2的排放質(zhì)量濃度見圖5。

圖5 鍋爐效率與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

圖6 NO&SO2質(zhì)量濃度與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

將鍋爐的各項熱損失和φ（O2）的趨勢關(guān)系擬合成式（1），NO 和 SO2的排放質(zhì)量濃度與 φ（O2）的趨勢關(guān)系擬合成指數(shù)關(guān)系式（2）和（3）。

鍋爐各項熱損失變化范圍與各污染物排放質(zhì)量濃度的變化范圍相比極小，敏感性較低，各項熱損失數(shù)值乘以 103，則為式（4）。

式中：x為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

將2.0≤x≤5.5作約束條件，對式（5）的求極限小值，得出 x=3.607 813。 在 φ（O2）為 3.61%，綜合特性即經(jīng)濟性和排放特性最好，然后再做其余敏感因素的調(diào)節(jié)。

3.2.2 爐膛溫度的影響分析

測試工況：φ（O2）為3.61%，爐膛燃燒溫度為T1～T7，其余為 P1，S2，D2和 C3。

測試結(jié)論：爐膛燃燒高溫?zé)煔鉁囟葟? 200℃升高到1 500℃，鍋爐效率的變化趨勢為單調(diào)的非線性增加，即鍋爐效率從89.2%升為89.5%；SO2的變化范圍較小；而NO的變化接近線性增加見圖7；經(jīng)過尋優(yōu)，爐膛燃燒溫度最佳值1 278℃。

圖7 NO質(zhì)量濃度與爐膛溫度的關(guān)系

3.2.3 煤粉細度和污泥摻燒比的影響分析

測試結(jié)果表明，煤粉越細，經(jīng)濟性越好，但污染物排放較高，制粉系統(tǒng)單耗大幅度上升，機組經(jīng)濟效益降低。優(yōu)化計算確定，煤粉細度為R90=20%即D2。

污泥摻燒比例對鍋爐經(jīng)濟性和污染物排放特性的影響見圖8，從圖可以看出，污泥摻燒比上升，鍋爐效率相應(yīng)降低，污泥的熱量摻燒比從2%～10%，鍋爐熱效率下降0.53%，而NO和SO2質(zhì)量濃度下降較多：NO質(zhì)量濃度降了309.1 mg／m3，下降幅度達到41.9%；SO2質(zhì)量濃度降了 219 mg／m3， 下降幅度為11.5%。經(jīng)過長時間觀察和測試，在5%～10%摻燒比例下鍋爐沒有發(fā)生嚴(yán)重積灰結(jié)焦和大面積高溫腐蝕等，考慮到污泥的供應(yīng)量和鍋爐的長期安全穩(wěn)定運行，保持污泥的摻燒比5%下鍋爐可長期穩(wěn)定安全運行。

圖8 污泥摻燒比例與鍋爐經(jīng)濟性和排放特性的關(guān)系

3.2.4 一次風(fēng)和輔助風(fēng)配風(fēng)方式的影響

變化一次風(fēng)配風(fēng)的測試表明，在P3方式下，飛灰可燃物含量量達到6.6%，使鍋爐經(jīng)濟性較差；NO質(zhì)量濃度下降，SO2質(zhì)量濃度基本不變［9］。

改變輔助風(fēng)配風(fēng)其實是變化改變爐內(nèi)局部燃燒其氛，輔助風(fēng)配風(fēng)對鍋爐經(jīng)濟性不產(chǎn)生影響，但對排放特性影響明顯，其中在S1工況即縮腰型配風(fēng)，NO和SO2質(zhì)量濃度較低，排放特性最佳。測試中發(fā)現(xiàn)：縮腰配風(fēng)，上層輔助風(fēng)開度要適中，太小鍋爐經(jīng)濟性下降，還原性氣氛過強，會導(dǎo)致鍋爐水冷壁表面高溫腐蝕；開度過大不利于NO的還原。經(jīng)過上層輔助風(fēng)的優(yōu)化，在輔助風(fēng)總風(fēng)壓為 0.5 kPa，上層輔助風(fēng)擋板開度為65%，NO排放特性最好，鍋爐經(jīng)濟性最佳。

優(yōu)化計算確定，P2和S1組合是最佳配風(fēng)工況。

4 摻燒污泥的綜合經(jīng)濟性分析

從以上分析可以看出，鍋爐在進行污泥摻燒時對鍋爐經(jīng)濟性的影響是負面的，對污染物排放的影響是正面的，但對整個電廠的經(jīng)濟運行來說需要進行綜合衡量。

計算依據(jù)：日處理含水率80%以上的污泥100 t，采用標(biāo)準(zhǔn)煤（29 310 kJ／kg）價格 900 元／t計算，干污泥折算標(biāo)煤（29 310 kJ／kg）按 700 元／t計算。 計算中選取鍋爐效率90%。

變動成本核算（包括干燥用的熱能，設(shè)備用電，維護等變動費用）：60.3+14+5=79.3（元 ／t）。

固定成本核算（包括人工和設(shè)備折舊）：4+12.9=16.9（元 ／t）。

污泥熱值折算標(biāo)煤價值：0.086×700元／t=60.2 元 ／t。

摻燒污泥費用分析：79.3+16.9-60.2=36（元 ／t）。

市政府按每噸濕污泥70元處理費用補貼電廠計算則電廠處理每噸濕污泥可盈利34元。

以上計算僅是從電廠的盈利出發(fā)，并未將污染物排放減少和減少了污泥填埋用地等社會效益。

5 結(jié)語

在電站鍋爐進行污泥摻燒對鍋爐的經(jīng)濟性是負面影響，但是可有效減少NOX和SO2的排放；摻燒過程中各運行可控因素的影響程度不一致，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)敏感性最強、最大，因此運行中要保證鍋爐運行在最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)；爐膛燃燒溫度對NO排放影響明顯，為正向線性關(guān)系，對SO2基本沒有影響；從電廠的經(jīng)濟效益來講，摻燒污泥也是可以盈利的。