污泥干化混煤燃燒工藝在循環(huán)流化床鍋爐應(yīng)用探討

孫 宇，龍慎偉2，馬同勝2，王元海2，李云罡，王永征

(1.山東大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.山東豐源通達(dá)電力有限公司，棗莊 277300)

0 引 言

污泥是一種水分含量高、呈流動狀態(tài)的黑褐色物質(zhì)。污泥中的有機(jī)物和氮、磷、鉀等微量元素具有一定的利用價值，但同時也存在重金屬元素和有毒有害的有機(jī)污染物。來自污水處理廠的污泥需要經(jīng)過一定的處理措施，以實現(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化。目前常見的污泥處理處置方法有熱化學(xué)處理、衛(wèi)生填埋、土地和建材利用等。其中熱化學(xué)處理包括焚燒、氣化、高溫?zé)峤獾取?/p>

污泥焚燒是指污泥中可燃性物質(zhì)通過燃燒反應(yīng)分解減容，去除有害物質(zhì)并回收能量的過程。相比其他方法，污泥焚燒法速度快，可以最大化實現(xiàn)污泥減容，減容率高達(dá)95%；污泥焚燒過程可以殺滅病菌，碳化全部有機(jī)物，消除臭味；污泥中的有機(jī)質(zhì)具有一定的熱值，焚燒還能夠回收能量，用于污泥干化或發(fā)電供熱等，實現(xiàn)污泥的資源化利用。因此焚燒法是最具發(fā)展前景的污泥處置方法。

污泥熱值較低，因此在焚燒過程中燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定，能量消耗比較大，并且污泥焚燒廠的建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用高，引進(jìn)的設(shè)備一次性投資較大，同時污染物處理也比較復(fù)雜。如果將污泥與煤混合燃燒，則可以利用已有的燃煤鍋爐設(shè)備和污染物處理設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)改造[1]，相比新建獨(dú)立的污泥焚燒廠具有明顯的優(yōu)勢。污泥混煤燃燒的主要優(yōu)勢有：

(1)投資成本低、建設(shè)周期短。污泥焚燒爐及污染物凈化裝置等設(shè)備價格較高，若利用現(xiàn)有的燃煤鍋爐改造后進(jìn)行污泥摻燒，建設(shè)周期比新建獨(dú)立的污泥焚燒處理廠要短得多。

(2)運(yùn)行成本低。污水污泥含水率高，體積大，且污水處理廠的地理位置較為分散，由單獨(dú)的污泥焚燒廠集中焚燒，運(yùn)輸成本會很高。如果利用已有的燃煤電廠就近焚燒污泥，將大大減少運(yùn)輸成本。污泥含水率高、熱值低，必須吸收大量的熱能后才能燃燒，與煤摻混后燃燒可以減少這部分成本，不僅解決了城市污泥的處理問題，而且同時還利用了污泥的熱值進(jìn)行發(fā)電或供熱，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)提高污泥燃燒穩(wěn)定性、減少污染物排放。污泥與煤混合燃燒時，混合燃料的熱值較高，因此提高了燃燒過程的穩(wěn)定性。另外，污泥中的堿性成分可以抑制煤燃燒過程中氮氧化物、硫氧化物等氣體污染物的排放，從而減輕了環(huán)境污染。

1 污泥混煤燃燒工藝

污泥與煤混合燃燒，可以充分利用現(xiàn)有的鍋爐設(shè)備，降低投資和運(yùn)行成本，還可用于供熱或發(fā)電，實現(xiàn)了污泥資源化利用。根據(jù)摻燒鍋爐的不同可以分為煤粉鍋爐摻燒污泥和流化床鍋爐摻燒污泥。當(dāng)前，利用循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行污泥與煤混燒已逐漸成為常見的污泥處置措施。根據(jù)摻燒污泥的含水量可分為濕污泥直接混燒和污泥干化混燒兩種方式。

1.1 濕污泥混燒工藝

濕污泥混燒的典型工藝流程如圖1所示。含水率為80%左右的污泥存儲在污泥倉內(nèi)，燃燒時直接進(jìn)入爐膛，迅速與大量熾熱床料混合后干燥燃燒。通常爐膛內(nèi)溫度保持在850℃左右，燃燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過脫硫脫硝和除塵設(shè)備凈化后，由煙囪排出。通常濕污泥的摻燒比大約在20%～25%之間。

由于濕污泥含水率越高，熱損失大，鍋爐熱效率降低，且濕污泥對鍋爐設(shè)備的腐蝕和磨損問題較為嚴(yán)重，因此濕污泥直接混燒方式目前已不再使用。

1.2 干化污泥混燒工藝

目前摻燒污泥大多采用污泥干化后與煤混燒的方式，如圖2所示。干化污泥混燒工藝是在原有的循環(huán)流化床燃煤鍋爐的基礎(chǔ)上增加了污泥脫水干化處理單元，將污水處理廠的脫水濕污泥在干燥器內(nèi)干化，干化后的污泥顆粒與煤混合，一同送入循環(huán)流化床鍋爐燃燒。濕污泥含水率約為80%，而干化后的污泥含水率可降至20%～40%，大大緩解了濕污泥直接混燒存在的問題。

干化污泥混煤燃燒系統(tǒng)與濕污泥直接混燒系統(tǒng)相比，需要增加污泥干化與存儲、運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)設(shè)備[2]。處置干化污泥主要系統(tǒng)組成包括：濕污泥儲存與輸送系統(tǒng)、污泥干化系統(tǒng)、干化后廢煙氣凈化系統(tǒng)、干污泥儲存與輸送系統(tǒng)、臭氣收集系統(tǒng)等。

2 污泥干化技術(shù)

污水處理廠的機(jī)械脫水最多只能將污泥的含水率降低至70%左右。并且在實際運(yùn)行中，污泥的水分最終會以蒸汽的形式排出，帶走了燃料中的大量熱量，因此進(jìn)入爐內(nèi)燃燒的污泥水分越多，能量損失也越多?？紤]到能量損失和運(yùn)行費(fèi)用等因素，在污泥與煤摻混燃燒前，不僅需要對污泥進(jìn)行機(jī)械脫水，還需要干化處理。

2.1 干化原理

在循環(huán)流化床燃煤鍋爐系統(tǒng)中，一般利用燃燒的余熱對污泥進(jìn)行干化，可利用燃燒排放的高溫?zé)煔庾鳛楦苫療嵩?，也可以利用汽輪機(jī)高溫蒸汽或冷凝水作為干化熱源。污泥干化方式依據(jù)傳熱介質(zhì)是否與污泥接觸，分為直接干化和間接干化兩種方式[3]。

直接干化方式是將高溫?zé)煔庵苯右敫苫O(shè)備，煙氣與濕污泥接觸進(jìn)行對流換熱。這種方式的熱效率和蒸發(fā)速率較高，可使污泥的含水率降至20%以下。但是由于煙氣和污泥直接接觸，廢氣需要經(jīng)過污染物處理才能排放，因此工藝流程較為復(fù)雜。直接干化的典型工藝有帶式干化工藝、轉(zhuǎn)鼓干化工藝、離心干化工藝和流化床干化工藝等。

間接干化方式是將蒸汽或煙氣的熱量通過換熱設(shè)備傳給其他熱介質(zhì)，熱介質(zhì)在封閉的回路中循環(huán)，不與濕污泥直接接觸。間接干化方式的熱效率和蒸發(fā)速率均不如直接干化方式，但熱介質(zhì)可循環(huán)利用，需要處理的煙氣量小，不會產(chǎn)生二次污染，環(huán)保性更好。間接干化技術(shù)包括薄層干化工藝和間接加熱盤式干化工藝。

2.2 干化方式

2.2.1 熱水干化法

熱水干化法利用高溫冷凝水的熱量，通過干燥機(jī)進(jìn)行熱交換來干燥濕污泥。一般屬于間接干化方式，對換熱設(shè)備的要求較高。熱電廠的蒸汽動力裝置會產(chǎn)生冷凝水或高溫冷卻水等副產(chǎn)品，可實現(xiàn)就地取材，循環(huán)利用，是非常理想的干化熱源。熱水干化法的典型工藝流程如圖3所示。

2.2.2 蒸汽干化法

蒸汽干化法利用高溫蒸汽的熱能干化污泥[4]，也是一種間接干化方式，如圖4所示。熱電廠蒸汽使用廣泛、容易獲得，一般使用1.0 MPa、160～230 ℃左右的低壓蒸汽作為污泥干化熱源。蒸汽熱源可以就地取材，循環(huán)利用，并且具有干化效率高、操作彈性大、易于控制、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因此目前應(yīng)用廣泛。

2.2.3 煙氣余熱干化法

燃煤鍋爐排煙溫度一般在120～200 ℃左右，也可以做為污泥干化的理想熱源。煙氣余熱干化法有直接干化和間接干化兩種形式。為保證污泥顆粒的形成，一般采用二段式干化工藝[5-6]，如圖5所示。一段干化后，污泥含水率降至60%左右，二段干化造粒使含水率進(jìn)一步降低，形成直徑約為2～8 mm污泥顆粒便于儲存與運(yùn)輸。

2.2.4 太陽能污泥干化法

太陽能污泥干化法指的是利用太陽能做為干化熱源的一種新型污泥干化技術(shù)[7]。這種技術(shù)借鑒了傳統(tǒng)溫室干燥工藝，具有干化溫度低、成本低、工藝流程簡單、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。太陽能干化工藝是在一個裝有翻泥機(jī)的大型暖房中進(jìn)行，濕污泥從一端輸入，干污泥從另一端輸出。有的太陽能干化系統(tǒng)還配備熱風(fēng)機(jī)以加速水分蒸發(fā)。在太陽能資源豐富、土地面積充足的條件下太陽能干化法最為經(jīng)濟(jì)。

3 污泥混煤燃燒特性

污泥混煤燃燒特性與所添加污泥的數(shù)量及污泥的性質(zhì)有關(guān)，污泥的含水率越高，其熱值越低。由表1可見，摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的污泥時，燃料的含碳量降低，因此燃料的整體熱值略有下降[8]；氯元素的含量變化明顯，摻燒污泥前前煤中氯的含量很低，添加污泥后，氯的含量由0.06%增加到0.15%，增加了循環(huán)流化床鍋爐的腐蝕風(fēng)險；燃料的含氮量也有所增加，可能造成氮氧化物污染物排放量的增加。

表1 煤粉與質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%污泥混燒的燃料成分分析

在污泥摻混比例小于10%時，混合燃料的燃燒特性與煤幾乎相同[9]，當(dāng)摻混比例達(dá)到50%時，反應(yīng)過程出現(xiàn)兩個明顯的階段，在低溫時反應(yīng)特性接近于污泥，高溫時接近于煤[10]?；鞜c煤單獨(dú)燃燒相比，活化能提高，著火溫度降低。在混合燃燒過程中，煤和污泥基本上保持了各自的揮發(fā)析出特性。

污泥的著火點(diǎn)低于煤，隨著污泥摻燒比例的增加，混合燃料的著火溫度逐漸降低，這是因為污泥中含有大量揮發(fā)分降低了著火點(diǎn)[11]。在燃盡特性方面，污泥與煤混合燃燒時燃盡溫度略低于煤，燃盡時間縮短，這是由于混合燃料的揮發(fā)分含量升高，燃燒初期由于揮發(fā)分的大量燃燒，為固定碳的著火提供了更多熱量，使固定碳著火提前，從而縮短了燃盡時間。

污泥和煤的混合物的燃燒特性表現(xiàn)為污泥與煤共同疊加的結(jié)果[12]?；旌衔锏娜紵匦耘c污泥的摻混比例有關(guān)，當(dāng)污泥摻混比低于20%時，混合物的燃燒特性與煤單獨(dú)燃燒相似；當(dāng)污泥摻混比增大到 30%時，混合物的燃燒特性改變較大[13]。為了保持燃燒的穩(wěn)定性和鍋爐的熱效率，摻燒比例的選取，應(yīng)考慮不同煤種的發(fā)熱量和污泥的干化程度[14]。

污泥的結(jié)渣嚴(yán)重，而煤的結(jié)渣問題較輕。隨著污泥摻混比例的增加，混合物的灰熔點(diǎn)下降，混合后屬于中等結(jié)渣范圍。但從混合物灰成分判別指標(biāo)看，污泥摻混比不超過20%時，結(jié)渣特性與煤比較相似，仍屬于輕微結(jié)渣范圍。因此根據(jù)污泥和煤摻燒后的灰結(jié)渣情況，污泥的摻混比例不宜過高，當(dāng)污泥摻混比例不大于20%時是可行的[15]。

4 摻燒污泥對循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行的影響

4.1 對鍋爐燃燒工況的影響

4.1.1 污泥摻混比對爐內(nèi)燃燒溫度的影響

鍋爐內(nèi)的溫度隨著污泥摻混比的增加而下降，這是由于隨著污泥摻混比的增大，由混合燃料的水分逐漸增多，水分蒸發(fā)吸收了大量的熱量，致使?fàn)t內(nèi)整體溫度下降。當(dāng)污泥摻混比達(dá)到50%時，混合燃料的平均低位熱值明顯低于鍋爐的設(shè)計值，爐膛溫度下降，床溫低于850 ℃，不能滿足鍋爐的出力需求；同時，為確保二噁英最大程度分解，煙氣溫度應(yīng)大于850 ℃[14]。因此污泥摻混比不宜過高

4.1.2 污泥摻混比對鍋爐熱效率的影響

隨著污泥摻混比的增加，鍋爐蒸發(fā)量和熱效率呈下降趨勢。這是由于隨著污泥摻混比的增大，爐內(nèi)水分增多導(dǎo)致排煙熱損失增加；由于污泥熱值較低，燃燒時需要吸熱，導(dǎo)致燃燒溫度明顯下降，因此鍋爐熱效率降低，難以滿足滿鍋爐負(fù)荷需求。另外，隨著污泥摻混比例的升高，部分燃料有可能燃燒不充分，因此增加了不完全燃燒的熱損失。

4.2 對受熱面的磨損腐蝕的影響

研究表明，受熱面磨損程度與煙氣流速和煙塵濃度有關(guān)，隨著污泥摻混比的上升，煙氣流量、流速隨之增加，煙氣對鍋爐爐壁的磨損也會增加，因此為了保證鍋爐的運(yùn)行安全，需要在鍋爐內(nèi)部進(jìn)行防磨噴涂[16]。此外，由于污泥灰的特性不同于煤灰的特性，污泥與煤混合后的灰熔點(diǎn)較低，積灰和結(jié)渣問題更嚴(yán)重，污泥中的堿金屬鹽類隨著煙氣流動沉積在受熱面，會加重受熱面金屬材料的腐蝕。

4.3 對燃燒污染物排放的影響

4.3.1 對SO2排放的影響

隨著污泥摻混比的增大，SO2的排放量呈下降趨勢[17]。這是因為煙氣中SO2主要來自煤的燃燒，隨著污泥摻混比的增加，混合燃料中硫的含量降低。燃煤鍋爐的脫硫裝置基本能夠滿足污泥混煤燃燒煙氣的脫硫要求，摻燒一定比例的污泥不會影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4.3.2 對NOx排放的影響

NOx排放濃度隨著污泥摻混比的增加而降低[18]。這是由于NOx的排放量隨著燃燒溫度的增加而增加，污泥混煤燃燒溫度較低，一般為850～950 ℃，能有效地抑制NOx的生成。隨著污泥摻混比的增大，燃燒會產(chǎn)生大量的水蒸氣，通過氣化和還原反應(yīng)抑制了NO的生成；并且由于污泥的加入，循環(huán)流化床鍋爐燃燒溫度降低，形成NO的主要反應(yīng)減弱，而循環(huán)流化床鍋爐排放的NOx主要為NO，因此NOx的排放濃度下降[19]。

4.3.3 對煙塵和其他污染物排放的影響

飛灰形態(tài)與燃料特性和燃燒過程有關(guān)，污泥燃燒后產(chǎn)生的灰顆粒較小，可能透過除塵器排放到大氣中，因此必須增加布袋除塵裝置的過濾面積。摻燒污泥后，由于污泥中存在有害成分，導(dǎo)致煙氣中會存在少量二噁英，污泥中的部分重金屬顆粒也會隨煙氣排入大氣[20]。重金屬不能被微生物分解，并可以在生物體內(nèi)富集，所以在污泥混燒的過程中，要注意重金屬的含量帶來的污染問題。

4.4 對鍋爐經(jīng)濟(jì)性的影響

燃煤鍋爐摻燒污泥可以解決污泥的處理處置問題，還可以利用污泥熱值供熱和發(fā)電，帶來了良好的社會環(huán)保效益。但是摻燒污泥后，混合燃料整體的含水率提高、灰分增加、煙氣流量增加，導(dǎo)致鍋爐整體熱效率有所下降。污泥的加入使燃料整體的品質(zhì)下降，需要對鍋爐運(yùn)行參數(shù)做出調(diào)整，因此風(fēng)機(jī)等電耗會增加；鍋爐受熱面的磨損和腐蝕問題更為嚴(yán)重，檢修費(fèi)用也會相應(yīng)增加。因此，在循環(huán)流化床燃煤鍋爐摻燒污泥時需綜合考慮其經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)束語

(1)污泥與煤混合燃燒，通過在已有的循環(huán)流化床燃煤鍋爐的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的改造來實現(xiàn)，相比獨(dú)立的污泥焚燒廠具有明顯的優(yōu)勢。污泥混煤燃燒工藝目前大多采用干化污泥混燒的方式，干化后的污泥含水率降至40%以下，呈顆粒狀，便于儲存運(yùn)輸以及與煤混合，并且可以減輕由污泥水分過高帶來的鍋爐熱效率損失和腐蝕問題。污泥干化熱源可以就地取材，利用燃煤鍋爐的高溫蒸汽、蒸汽冷凝水或煙氣余熱進(jìn)行干化。

(2)從燃燒特性來看，污泥和煤混合燃燒時兩者的燃燒相互獨(dú)立。污泥混燒與煤單獨(dú)燃燒相比其活化能提高，著火溫度提前，熱效率有所下降。在混燒過程中，煤和污泥總體上保持了各自的燃燒特性，混燒灰的結(jié)渣問題比煤單獨(dú)燃燒更嚴(yán)重。因此為減少混燒對燃燒工況的影響，污泥摻混比例應(yīng)控制在20%以下。

(3)摻燒污泥對循環(huán)流化床燃煤鍋爐會產(chǎn)生一定的不良影響。與單獨(dú)燃煤相比，鍋爐熱效率下降，腐蝕和磨損增加，氣體污染物SO2和NOx的排放量下降，但燃燒過程中會產(chǎn)生二噁英、重金屬污染物。實際生產(chǎn)過程中需要根據(jù)煤和污泥的種類和性質(zhì)對其摻混比例、燃燒工況做出相應(yīng)調(diào)整，以降低其影響。