燃煤電廠污泥摻燒技術(shù)的應(yīng)用與設(shè)計探討

符成龍 沙豐 宋婕 丁宏剛

（1中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司 上海 200063 2上海外高橋第三發(fā)電有限責任公司 上海 200137 3上海外高橋第二發(fā)電有限責任公司 上海 200137）

0 引言

近年來，國家能源局多次發(fā)文要求嚴格控制煤電規(guī)劃建設(shè)，淘汰落后產(chǎn)能，煤電建設(shè)正式進入去產(chǎn)能時代。而隨著環(huán)保要求的提高，煤價上漲和發(fā)電利用小時數(shù)的下降，燃煤電廠的經(jīng)營也遇到嚴峻挑戰(zhàn)。與此同時，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和污水處理率的提高，污水處理的副產(chǎn)物污泥也快速增加，這些數(shù)量巨大的污泥已成為城市發(fā)展急需處理的難題。

在此背景下，燃煤電廠污泥摻燒技術(shù)得到電廠和地方政府的接受和重視。國家相關(guān)部門也出臺了一系列政策，要求推進燃煤電廠協(xié)同資源化處理污泥，開展燃煤污泥耦合發(fā)電示范項目的建設(shè)。2018年6月，國家能源局與生態(tài)環(huán)境部公布了29個燃煤耦合污泥發(fā)電技改試點項目[1]，并要求加快燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)的研究開發(fā)、成果轉(zhuǎn)化和標準制定。

污泥逐漸變廢為寶，成為各大燃煤電廠爭奪的資源，許多項目一擁而上，但對污泥特性、摻燒技術(shù)路線以及工程設(shè)計方面等還缺乏深入研究。因此本文在前人的研究基礎(chǔ)上，首先對污泥性質(zhì)和污泥摻燒應(yīng)用案例進行介紹，然后結(jié)合自身經(jīng)驗對污泥摻燒工程設(shè)計進行技術(shù)探討，為燃煤電廠污泥摻燒項目的建設(shè)提供技術(shù)參考。

1 污泥的基本性質(zhì)

由于污水的來源和污水處理工藝的不同，污水處理后產(chǎn)生的污泥成分非常復(fù)雜，掌握污泥的物理化學性質(zhì)和含水率，是合理處置污泥并資源化利用的基礎(chǔ)。

污泥相對密度較小、形狀不規(guī)則、比表面積與孔隙率極高，其特點是含水率高、脫水性差且有臭味。污泥脫水后泥餅為黑色，自然風干后呈顆粒狀，硬度大且不易破碎[2]。污泥具有較高的含水率，污水處理廠濃縮污泥含水率為94%左右，經(jīng)機械脫水后含水率可降至80%左右，部分深度脫水的污泥含水率可降至60%以下。

污泥一般呈中性或弱酸弱堿性，有機物含量較高，有熱值利用價值。以上海竹園一廠和二廠的污水污泥為例，參照煤質(zhì)分析，對污泥樣品進行分析。根據(jù)上海市城市排水監(jiān)測站2017年7月的污泥檢測數(shù)據(jù)，干化污泥（含水率30%）中水分、灰分、揮發(fā)分各占30%左右，固定碳含量很低，熱值約為動力煤的1/3左右，灰成分分析中五氧化二磷的含量明顯偏高。

燃煤電廠摻燒的污泥一般來自污水處理廠的污泥脫水車間或污泥干化車間。按來料污泥的含水率可分為濕污泥和干污泥，其中濕污泥含水率為60%～80%，干污泥含水率為30%左右。

2 污泥摻燒對燃煤機組的影響

由于污泥的主要成分與燃煤有較大區(qū)別，污泥摻燒后勢必會對鍋爐的燃燒與排放產(chǎn)生一定影響，國內(nèi)已有不少學者[3-10]開始了污泥摻燒技術(shù)的研究，包括實驗室研究和燃煤電站試驗研究。研究結(jié)果表明，污泥小比例摻燒下，對鍋爐爐膛溫度沒有大的影響，鍋爐及相關(guān)輔機運行穩(wěn)定。煙氣中污染物的排放均符合國家污染控制標準，其中二噁英、氯化氫濃度值均控制在較低的范圍內(nèi)。污泥中大部分重金屬殘留在灰渣中，但增加十分有限，不會影響粉煤灰的綜合利用。

國家住建部和發(fā)改委2011年聯(lián)合下發(fā)的污泥處理處置技術(shù)指南[11]中指出，在具備條件的地區(qū)，鼓勵污泥在熱力發(fā)電廠鍋爐中與煤混合焚燒；混燒污泥宜在35 t/h以上的燃煤鍋爐上進行。在現(xiàn)有燃煤電廠協(xié)同處置污泥時，入爐污泥的摻入量不宜超過燃煤量的8%；對于考慮污泥摻燒的新建鍋爐，污泥摻燒量可不受上述限制。

3 污泥摻燒技術(shù)應(yīng)用案例介紹

經(jīng)調(diào)研，國內(nèi)已有多家電廠完成或正在進行污泥摻燒的技改，多集中在山東、浙江、江蘇等地。這些項目多采用煙氣或蒸汽對污泥進行干化，干化后摻入燃煤鍋爐燃燒發(fā)電。下文將對具有代表性的上海外高橋電廠污泥摻燒改造項目進行介紹。

上海外高橋第二、第三發(fā)電廠與上海竹園片區(qū)污水處理廠都位于上海市浦東新區(qū)東北端，長江入?？谀习叮嚯x較近。外高橋二廠為2×900 MW機組，三廠為2×1000 MW機組，分別于2004年和2008年建成投產(chǎn)，目前都滿足煙氣超凈排放要求。竹園片區(qū)現(xiàn)有污泥干化焚燒處理工程1座，處理規(guī)模150 tDS（絕干污泥）/d，二期擬建設(shè)污泥干化工程，用于處理新增的污泥量，干化后污泥運至外高橋二廠、三廠共同摻燒處置。污泥采用薄層干化機進行干化，干化后污泥含水率范圍為20%～33%，折算成30%含水率的污泥量約320 t/d。干化污泥平均摻燒比例低于2%，最大摻燒比例低于6%，對機組的正常運行影響較小。項目建成后，電廠向污泥處理廠出售蒸汽，污泥處理廠將干化污泥作為輔助燃料出售給電廠。干化后污泥經(jīng)密閉污泥車運至廠內(nèi)，電廠主要負責污泥的接納、儲運和焚燒。

該項目已于2019年上半年建成，具備接收含水率30%干化污泥連續(xù)摻燒的條件。按上海市政府進一步研究完善全市污水廠污泥處置方案，外高橋第二、第三發(fā)電廠將摻燒竹園片區(qū)以外的干化污泥（如白龍港、虹橋等），以解決污泥的處置問題。目前，上海竹園片區(qū)的污泥干化工程仍未建成投產(chǎn)，電廠主要接收上海虹橋污水廠、白龍港污水廠、竹園污水處理廠含水率30%～60%的污泥，并開展相關(guān)摻燒試驗的研究。

外高橋二廠、三廠都曾在2017年上半年進行了干化污泥摻燒試驗，最大摻燒比例10%。結(jié)合最近的摻燒試驗來看，試燒效果較好，各項排放指標都滿足排放要求。需要注意的是，兩個電廠摻燒期間，吸收塔內(nèi)脫硫漿液都發(fā)生過明顯的起泡現(xiàn)象，投加消泡劑后泡沫逐漸減少，石膏品質(zhì)未見明顯下降。脫硫漿液中毒起泡可能與污泥燃燒產(chǎn)物有關(guān)，需要進一步研究分析。

4 污泥摻燒工程設(shè)計關(guān)鍵問題探討

通過前文的介紹，普遍認為污泥摻燒技術(shù)上是可行的，對鍋爐和污染物排放的影響比較有限。在污泥摻燒技改過程中，還應(yīng)重點關(guān)注以下問題。

4.1 污泥摻燒量的確定

污泥的摻燒量應(yīng)根據(jù)推薦的污泥摻燒比例和鍋爐運行情況來確定。污泥每天都會產(chǎn)生，產(chǎn)量根據(jù)季節(jié)稍有波動。而目前國內(nèi)燃煤電廠負荷變動比較大，常不能滿負荷運行，需考慮50%以下負荷的運行情況。因此，污泥最大摻燒量應(yīng)先根據(jù)低負荷運行時的燃煤量計算出干化污泥的摻燒量，再根據(jù)污泥含水率折算到濕污泥的量。另外，還需考慮機組檢修時的污泥摻燒的運行方式。污泥實際摻燒量應(yīng)低于最大摻燒量，以保證發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。

隨著煤耗指標和排放要求的不斷提高，300 MW以下的燃煤機組正逐步遭到淘汰，600 MW和1000 MW等級機組的占比越來越高。以2臺600 MW燃煤機組為例，1臺爐滿負荷運行時鍋爐的耗煤量約為4000～5000 t/d，考慮僅有1臺機組處于50%低負荷運行，污泥最大摻燒比例取8%，則干化污泥最大摻燒量為160～200 t/d，折算到含水率80%的濕污泥處理量為 560～700 t/d。

4.2 污泥的干化

原污泥由于粘度大、水分多等因素，不可直接進入煤粉爐燃燒。一般需將污泥干化后與原煤混合進入原煤倉，污泥的干化程度需考慮污泥的輸送、儲存、制粉系統(tǒng)、鍋爐燃燒條件和經(jīng)濟性、安全性等來確定。

選擇合適的污泥干化程度對系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要。若干化程度過高，則在系統(tǒng)中易產(chǎn)生粉塵，存在自燃的可能性，增加危險性，且能耗也增加，降低經(jīng)濟性。含水率30%～40%的污泥仍然屬于半干程度，粉塵和干化尾氣產(chǎn)生量較少，此時污泥已經(jīng)成形，儲存輸送較方便，具有工藝安全性和經(jīng)濟性。

污泥干化采用加熱干化，干化車間應(yīng)結(jié)合總平面和工藝流程多方案比選確定。一般可將污泥干化分為兩種類型：直接干化和間接干化[12]。直接干化是將高溫干熱氣體直接引入干燥器，通過干熱氣體與濕物料的接觸、對流進行換熱。這種做法的特點是熱量利用的效率高，但是如果被干化的物料具有污染物性質(zhì)，也將帶來污染物排放問題。山東華能臨沂電廠、華電滕州新源熱電、華電濰坊電廠、華能萊蕪熱電等均采用煙氣直接干化。間接干化是將熱量介質(zhì)通過熱交換器與濕污泥進行換熱，這些介質(zhì)可能是導熱油、蒸汽或者熱空氣，介質(zhì)在一個封閉的回路中循環(huán)，與被干化的物料沒有接觸。浙能嘉興、國電北侖、南京華潤熱電、上海竹園污泥處理廠等均采用蒸汽間接干化。

干化方式需結(jié)合熱媒來源、污泥成分、干化程度、對機組的影響、投資運行費用等多個方面進行比選確定，選擇安全高效、穩(wěn)定經(jīng)濟的干化系統(tǒng)。

4.3 污泥的儲運

污泥一般采用密閉汽車運至電廠，經(jīng)稱重計量后至污泥卸料間卸料，卸料間內(nèi)設(shè)污泥接收裝置。污泥接收裝置一般地下布置，上部設(shè)電動或液壓蓋板，卸料時開啟，卸料完成關(guān)閉，以減少污泥臭味的外溢?？紤]到污泥具有一定腐蝕性，接收裝置一般內(nèi)襯高分子板或不銹鋼。若來泥為含水率80%的濕污泥，一般采用方形接收倉，底部設(shè)滑架和螺旋輸送機出料，然后經(jīng)螺桿泵或柱塞泵送至污泥干化機進行干化。若來泥為含水率50%～60%的濕污泥或干化污泥，泵送比較困難，可采用污泥刮板輸送機進行輸送。

污泥經(jīng)干化后呈細小顆粒狀，粒徑大小跟污泥來源和干化型式有關(guān)，在干化機選型時應(yīng)優(yōu)先選擇造粒功能好的干化機，減少儲運過程中的堵料風險和粉塵產(chǎn)生。污泥經(jīng)干化后還具有較高的溫度，不利于后續(xù)設(shè)備的安全運行，一般需設(shè)置冷卻裝置將污泥冷卻至50℃以下。冷卻后的干污泥較硬，但比表面積與孔隙率較高，易吸潮粘附在設(shè)備表面。因此，在運行時應(yīng)盡量減少污泥的停留時間，防止污泥長時間堆積板結(jié)。

干污泥倉進料時倉內(nèi)粉塵濃度較高，干化污泥又具有較高的揮發(fā)分，具有潛在的爆炸風險，應(yīng)采取通風防爆的安全措施。安全措施包括對倉內(nèi)粉塵濃度、溫度、可燃氣體濃度進行自動監(jiān)測和報警，通過倉頂除塵風機強制通風降塵除塵，滿足筒倉的安全運行要求。倉頂還需設(shè)置真空壓力釋放閥，保證倉內(nèi)壓力的穩(wěn)定。

干污泥倉的防堵對安全運行同樣重要，必須采取合理有效的防堵方案。干污泥倉宜采用平底倉，盡量少采用錐形斗結(jié)構(gòu)，以減少倉內(nèi)物料的掛壁，避免結(jié)拱架橋。出料方式一般為液壓滑架加螺旋輸送機出料和刮刀或螺旋形式的中心給料機進行出料。

在干污泥輸送過程中，應(yīng)盡量避免使用帶式輸送機，一是帶式輸送機密閉較難，二是皮帶返程容易撒料，影響環(huán)境衛(wèi)生。干污泥輸送宜采用密閉結(jié)構(gòu)的刮板輸送機或螺旋輸送機，并減少污泥的垂直提升。在物料分配時，為減少堵料風險，應(yīng)避免采用傳統(tǒng)輸煤系統(tǒng)中的電動三通裝置，改用雙向刮板輸送機或雙向螺旋輸送機對物料進行分配。

為有效控制污泥摻燒比例，減少對鍋爐制粉系統(tǒng)和污染物排放的影響，干化后污泥需按比例均勻加入燃煤中。應(yīng)用最多的混合方式就是在電廠輸煤系統(tǒng)工作過程中，將污泥按比例與原煤混合，利用輸煤皮帶機輸送至原煤倉。摻混點宜設(shè)在碎煤機室取樣裝置之后，減少對輸煤棧橋和化學制樣車間的影響。若條件允許，也可設(shè)置單獨的污泥輸送線，將污泥直接輸送至原煤倉。

4.4 污泥的除臭

在污泥干化和儲運過程中，會產(chǎn)生大量的粉塵和臭味。根據(jù)上海竹園污泥處理工程的臭氣檢測，干化尾氣中主要致臭因子有氨氣、硫化氫、甲硫醇、二甲二硫醚等物質(zhì)，將干化和儲運過程中產(chǎn)生的這部分臭氣集中送至鍋爐燃燒處理，可達到經(jīng)濟和徹底處置的目標。

污泥卸料點、污泥儲存?zhèn)}、上料摻混點是臭氣的主要逸散點，可考慮設(shè)置除塵器對此部分含塵氣體進行收集處理。除臭設(shè)計一般與通風設(shè)計相結(jié)合，在環(huán)保要求較高的地方應(yīng)保持污泥摻燒相關(guān)建筑物內(nèi)微負壓狀態(tài)。

輸煤棧橋和煤倉間產(chǎn)生的臭氣較少，且整體微負壓設(shè)計較為困難，因此在調(diào)研的幾個摻燒電廠中也都未采取有效措施。在原煤倉加倉過程中，要保證污泥上方覆蓋一層原煤，減少臭氣的散發(fā)。在室內(nèi)臭氣濃度超標時，應(yīng)加強通風，減少建筑物內(nèi)臭氣的堆積。

5 結(jié)語

本文對污泥性質(zhì)、污泥摻燒對燃煤電廠的影響及污泥摻燒應(yīng)用案例進行了介紹，并對摻燒工程設(shè)計的相關(guān)問題進行了探討。

研究結(jié)果表明，依托現(xiàn)役煤電機組的高效發(fā)電系統(tǒng)和環(huán)保集中治理平臺，可實現(xiàn)污泥減量化、無害化、資源化和規(guī)模化處置，符合國家產(chǎn)業(yè)政策要求，是一種有效的污泥處理處置途徑。

考慮到污泥的來源具有不確定，污泥摻燒在大型燃煤電廠的運行經(jīng)驗較少，建議項目建成后仍需繼續(xù)關(guān)注摻燒對鍋爐制粉、燃燒、煙氣排放和灰渣、石膏綜合利用的影響，保證機組的安全穩(wěn)定運行。