330 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組燃煤耦合污泥發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

黃二仙，段小云

(廣州中電荔新熱電有限公司，廣東 廣州 511340)

當(dāng)前城市污泥生成現(xiàn)狀(以廣州為例)：在《廣東省環(huán)境保護“十三五”規(guī)劃》(粵環(huán)〔2016〕51號)、《廣東省城鎮(zhèn)生活污水處理廠污泥處理處置管理辦法(暫行)》的推動下，廣東省城鎮(zhèn)污水和污泥處理設(shè)施加速建設(shè)，污水處理規(guī)模大幅提升；到2020年全省縣級以上城市新增配套污水管網(wǎng)10 776.92 km，建制鎮(zhèn)新增配套污水管網(wǎng)4 556.81 km，改造各類老舊污水管網(wǎng)2 342 km。2018年廣州市設(shè)計污水處理規(guī)模在1 000 t/d以上的污水處理廠總規(guī)模為597萬t/d；2020年廣州市新建成6座污水處理廠，新增污水處理規(guī)模101萬t/d；按照處理 1 萬t生活污水(含水率80%)產(chǎn)生污泥 5～8 t，廣州市污水處理廠按60%設(shè)計規(guī)模運行計算，所產(chǎn)的污泥量為2 100～3 360 t/d，76～122萬t/a[1]。

1 當(dāng)前污泥處置方式

污水處理廠在污水處理過程中必定會產(chǎn)生一定量的半固態(tài)或固態(tài)物質(zhì)，即慣稱的“污泥”。污泥的處理、處置應(yīng)遵循減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化的原則，鼓勵回收和利用污泥中的能源和資源，以達到節(jié)能減排和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的目的。目前污泥處置消納方式主要有3種：土地利用、填埋、建筑材料綜合利用等[2-4]。

1.1 土地利用消納方式

污泥的土地利用消納方式主要包括土地改良、園林綠化和農(nóng)用。該方式充分利用污泥中的氮、磷、鉀等有機營養(yǎng)成分促進植物生長，并利用植物吸收特性改善土壤性狀。這樣既達到了處置污泥的目的，又產(chǎn)生了一定環(huán)境效益[5]。但污泥農(nóng)用對污泥質(zhì)量尤其 A 級污泥利用方面的要求比較高，并對重金屬及有毒有機物的含量做了嚴格限制。

1.2 作為建筑材料綜合利用

污泥作為建筑材料的綜合利用是指污泥的無機化處理，即用于制作水泥添加料、制磚、制輕質(zhì)骨料和路基材料等。污泥建筑材料利用需符合國家和地方的相關(guān)標準和規(guī)范要求，并嚴格防范在生產(chǎn)和使用中造成二次污染[6]。

1.3 污泥填埋處置

污泥填埋一般是指混合填埋，即將污泥運入生活垃圾衛(wèi)生填埋場與生活垃圾進行共同處置的過程。污泥的特性使污泥容易堵塞垃圾填埋場的滲濾液收集管道，加上污泥堆積發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷等氣體，不僅有惡臭，還極易引發(fā)安全隱患[7-8]。目前國家已嚴格限制未經(jīng)無機化處理的污泥的直接填埋，填埋也不再作為污泥處置的主要處置方式，僅僅作為污泥處置的應(yīng)急方式使用[9]。

2 污泥處置趨勢

2.1 污泥處置的政策導(dǎo)向

根據(jù)《廣東省打好污染防治攻堅戰(zhàn)三年行動計劃(2018—2020年)》(粵辦發(fā)〔2018〕29號)中的落實固體廢物綜合管理具體措施，到2020年全省新增污泥處理處置設(shè)施17座，要加快廣州、佛山、江門、肇慶、清遠等市危險廢物焚燒設(shè)施建設(shè)，力爭2020年全省焚燒處置能力增加20萬t/a以上。2021年廣州市《政府工作報告》推進污泥焚燒設(shè)施建設(shè)，加快5座資源熱力電廠二期建設(shè)，焚燒處理率從15%提升到70%。政府對污泥等固廢處置的重點導(dǎo)向為焚燒，政策也正積極鼓勵城市污泥的焚燒設(shè)施建設(shè)[10]。

2.2 污泥耦合發(fā)電可行性

污泥焚燒處置法在日本應(yīng)用最為廣泛，1992年日本共有1 892座焚燒爐燃燒處置了75%的市政污泥，污泥焚燒早期只為處理污泥而生。隨著科技發(fā)展和對污泥的認識的提高，人們發(fā)現(xiàn)污泥中含有一定的熱值，可以加以利用。污泥焚燒多段豎爐在德國開始應(yīng)用，后來流化床爐污泥焚燒技術(shù)逐漸占領(lǐng)市場，至今大約占90%以上份額。隨著污泥量的增加，此種方式的弊端也日益顯現(xiàn)。最主要的弊端包括投資大，爐溫低，處置過程中需專門添注燃料，且產(chǎn)生的二噁英會形成二次污染[11]。隨著技術(shù)發(fā)展，燃煤耦合污泥發(fā)電技術(shù)在大型燃煤發(fā)電廠中開始被運用，將污泥干化處理后，再由電廠燃煤鍋爐耦合焚燒，不但有效處置了污泥，還能利用產(chǎn)生的熱量實現(xiàn)發(fā)電，同時借助燃煤電廠現(xiàn)有環(huán)保處理設(shè)備實現(xiàn)達標排放，實現(xiàn)污泥的減量化、無害化、資源化處置[12]。因此，燃煤耦合污泥發(fā)電是一種高效、環(huán)保的污泥處置方式[14]。

3 燃煤耦合污泥發(fā)電技術(shù)實施方案

3.1 熱電聯(lián)產(chǎn)燃煤機組概況

某電廠2×330 MW機組為熱電聯(lián)產(chǎn)燃煤發(fā)電機組，鍋爐為東方鍋爐廠的DG1080/17.4-II6型、亞臨界參數(shù)、汽包自然循環(huán)、四角切圓燃燒、直吹式制粉系統(tǒng)、一次中間再熱、擺動燃燒器調(diào)溫、平衡通風(fēng)、單爐膛“π”型布置、全鋼架全懸吊結(jié)構(gòu)、緊身封閉、爐頂帶金屬防雨罩、固態(tài)排渣煤粉爐。汽輪機為東方汽輪機廠的CC330-16.67/3.5/1.0/538/538型亞臨界、中間再熱、單軸、兩缸兩排汽凝汽式供熱汽輪機。發(fā)電機為東方電機廠的QFSN-330-2-20B型三相、兩極、隱極式同步交流發(fā)電機。該廠一直貫徹“環(huán)保先行”的理念，于2015年6月率先在廣州市實施了燃煤電廠“超潔凈”排放改造：SCR 脫硝系統(tǒng)增效改造、電袋復(fù)合除塵器改造、濕法脫硫增效改造、濕式電除塵器改造、MGGH 煙氣蒸汽換熱改造、增壓風(fēng)機和引風(fēng)機的“增、引合一”改造。改造后環(huán)保排放指標均低于“50355”的排放標準。2016年實施脫硫廢水排放改造，基本實現(xiàn)生產(chǎn)廢水零排放。

3.2 具體實施方案

某電廠結(jié)合污泥的處置現(xiàn)狀，充分利用2×330 MW熱電聯(lián)產(chǎn)燃煤發(fā)電機組的設(shè)備和技術(shù)優(yōu)勢，實施建設(shè)燃煤耦合污泥發(fā)電技術(shù)項目工程。該項目工程建設(shè)規(guī)模：日處置污泥量350 t，年處置污泥量12.78萬 t。項目工程采用“汽車運輸干污泥進廠+ 污泥儲存、輸送 +與原煤摻混+(鍋爐現(xiàn)有制粉系統(tǒng))研磨干燥+ 鍋爐焚燒+污物處置”的技術(shù)路線。該項目工程工藝流程：干污泥由汽車運至電廠污泥卸儲料一體車間，車間內(nèi)設(shè)1個30 m3容量的卸料斗；卸料斗下設(shè)卸料滑架給料機，滑架給料機下設(shè)螺旋式卸料輸送機，將干化污泥分別輸送至提升機，由提升機螺旋將污泥送至系統(tǒng)頂部儲料倉。儲料倉下設(shè)置撥料式滑架給料機，干化污泥通過劃架計量裝置精準計量，將摻燒比例控制在需要摻燒量，再通過刮板式輸送機向電廠輸煤皮帶輸送。電廠的輸煤皮帶為A、B兩套，運行方式為一套運行一套備用，在刮板給料機下部設(shè)置一電動三通，以滿足對A、B兩套輸煤皮帶的選擇。經(jīng)過電動三通后，污泥被輸送至電廠上煤系統(tǒng)的#7A、#7B輸煤皮帶尾部，與運行皮帶上的原煤均勻摻混后送至相應(yīng)的給煤機原煤斗，再經(jīng)過磨煤機碾磨、干燥后送入鍋爐焚燒。其主要流程如圖1所示。

圖1 燃煤污泥耦合發(fā)電技術(shù)工藝流程

3.3 項目實施控制效果

3.3.1 污泥處理過程中的廢氣控制

污泥處理過程中產(chǎn)生的廢氣主要為污泥卸儲量車間、料倉、棧橋及干料輸送過程中產(chǎn)生的廢氣。借助國內(nèi)外同類工程設(shè)置的經(jīng)驗，干化污泥卸儲量車間、料倉、棧橋及干料輸送系統(tǒng)均可采用微負壓系統(tǒng)，各吸風(fēng)口的廢氣經(jīng)各分管、支管收集后集中送到鍋爐中焚燒處置。整個過程采用的是負壓系統(tǒng)，直接排放對環(huán)境的影響極小。當(dāng)機組均停機時，干化污泥卸儲量車間、料倉、棧橋及干料輸送中產(chǎn)生的廢氣，可以采用設(shè)置活性炭吸附裝置處理后，再經(jīng)風(fēng)機排出車間[13]。

3.3.2 運輸風(fēng)險控制

污泥在運輸過程中，運輸車輛采用密封的自卸罐車，實現(xiàn)點對點的對接，中途不轉(zhuǎn)場、不卸車，所以運輸環(huán)境風(fēng)險低[14]。

3.3.3 污泥焚燒后煙氣控制

該電廠“超潔凈”排放改造后，脫硫系統(tǒng)采用單塔單循環(huán)石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)，脫硫效率≥98.7%、脫硫后SO2<35 mg/m3，脫硝系統(tǒng)采用三層催化劑SCR脫硝技術(shù)，脫硝率≥90%，脫硝后NOx<50 mg/m3。對于在燃煤耦合污泥焚燒發(fā)電過程中產(chǎn)生的煙氣，主要考慮污泥燃燒后煙氣中的SO2、NOx排放[15]。由于污泥的含硫量較低，甚至有的污泥含硫量為“0”，所以可以合理配比各污水廠污泥和每批摻混污泥數(shù)量，確保污泥和煤摻燒料的含硫量≤0.6%。

3.3.4 粉塵及爐渣控制

該電廠除塵器采用“2電場+2布袋”的電袋復(fù)合除塵器，在脫硫系統(tǒng)后布置濕式電除塵器，對于亞微米大小的顆粒，包括微細顆粒物(PM2.5粉塵)、SO3酸霧、重金屬(汞等)都有較好的收集性能，完全可以將引風(fēng)機出口粉塵控制在5 mg/m3以內(nèi)。對于爐渣中重金屬含量增量，經(jīng)分析增加幅度小，可不作考慮，爐渣可以使用電廠現(xiàn)有的爐渣處理系統(tǒng)，并實現(xiàn)其爐渣的二次利用[16]。

3.3.5 二噁英控制

該電廠鍋爐為東方鍋爐廠的DG1080/17.4-II6型四角切圓燃燒、直吹式制粉系統(tǒng)鍋爐。B-MCR工況鍋爐蒸發(fā)量為1 080 t/h，鍋爐火焰中心溫度可達1 800 ℃，爐膛出口溫度約1 100 ℃，遠大于二噁英生成溫度850 ℃。鍋爐爐膛出口標高為54.5 m，污泥作為燃料與煤粉一同送入爐膛內(nèi)部，在爐內(nèi)停留時間遠大于2 s。電廠運行中煙氣中氧含量在8%以下，理論上二噁英的增幅可忽略[17]。鍋爐煙囪高210 m，完全可以實現(xiàn)煙氣處理達標后排放，滿足環(huán)保排放要求。

3.3.6 污泥的熱值再利用

污泥中含有一定的木質(zhì)素和有機物，所以具有一定的熱值。本項目選定處置污泥來源為廣州市某幾家污水處理廠，通過對這幾家污水廠的污泥隨機抽樣，并進行工業(yè)分析(見表1)，可見其具有較好的可回收價值，可以再利用于協(xié)同發(fā)電和供熱。

表1 廣州市某幾家污水處理廠的污泥工業(yè)分析表

4 燃煤耦合污泥發(fā)電摻燒試驗

該燃煤耦合污泥發(fā)電摻燒項目工程2018年5月建設(shè)立項，2019年1月開始建設(shè)，2020年9月建成投運。項目竣工后為項目組評估在污泥不同摻燒比例下對鍋爐燃燒安全、鍋爐效率、環(huán)境的影響，以及檢驗污泥除臭設(shè)備運行效果，進行了不同污泥摻燒比例(5%、7%、10%)及機組70%負荷(主蒸汽流量>700 t/h)和100%負荷(主蒸汽流量> 900 t/h)工況下的對比試驗。記錄各個試驗工況下鍋爐運行主要參數(shù)及試驗結(jié)果見表2。二噁英排放根據(jù)環(huán)保技術(shù)要求設(shè)置2處監(jiān)測點，根據(jù)監(jiān)測曲線取最大值分析，二噁英的排放量遠遠小于控制標準，二噁英監(jiān)測結(jié)果見表3。

表2 不同污泥摻燒比例對比試驗結(jié)果

表2 (續(xù))

表3 不同污泥摻燒比例對比試驗二噁英監(jiān)測結(jié)果

在進行污泥摻燒比例為5%、7%、10%的3種不同比例，以及機組70%負荷(主蒸汽流量>700 t/h)和100%負荷(主蒸汽流量> 900 t/h)工況下的對比試驗過程中，鍋爐燃燒穩(wěn)定、火焰明亮、爐膛負壓正常，鍋爐主、再熱蒸汽參數(shù)達到設(shè)計值，鍋爐排煙溫度正常，鍋爐各輔機電流在額定范圍內(nèi)，制粉系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)出力穩(wěn)定，污泥輸送系統(tǒng)各項功能投入正常，鍋爐效率并未發(fā)生明顯變化(>93.46%設(shè)計值)，凈煙氣參數(shù)粉塵<5 mg/m3、SO2<35 mg/m3、NOx<50 mg/m3，廢氣排放均符合環(huán)保要求。

5 污泥耦合發(fā)電技術(shù)的環(huán)保效益和經(jīng)濟效益

5.1 環(huán)保效益

該燃煤耦合污泥發(fā)電摻燒項目工程正常運行后，設(shè)計日均摻燒干污泥量約350 t，年均摻燒量約12.78萬t，可以有效解決污泥處置困境，實現(xiàn)城市污泥的“0”填埋。利用電廠現(xiàn)有的除塵、脫硫和除渣設(shè)備實現(xiàn)二次產(chǎn)物的有效回收利用，并減少二噁英生成，具有明顯的環(huán)保效益。

5.2 經(jīng)濟效益

在原煤中摻入污泥，雖燃料單位平均熱值下降，但摻入后的混泥煤總的熱量增加。污泥摻燒后，在相同發(fā)電量情況下，減少了原煤量。污泥低位熱值取平均值(見表1)為476 kcal/kg，350 t干化污泥對應(yīng)熱量為476×350=1.67×108kcal，轉(zhuǎn)換為標煤量為1.67×108÷7 000=23.8 t/d，每年摻燒 12.78 萬t干化污泥可減少標煤約為 12.78×108×476÷7 000=0.87萬 t/a。不同工況下污泥摻燒后煤量變化結(jié)果見表4。燃煤耦合污泥發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，充分利用了電廠大型燃煤鍋爐現(xiàn)有先進的除塵、脫硫、脫硝和除渣設(shè)備和鍋爐燃燒系統(tǒng)優(yōu)勢，實現(xiàn)了投資少、見效快，也無須另外占用土地資源，減小了社會和企業(yè)負擔(dān)。耦合污泥摻燒后可以優(yōu)先獲得電量指標和相應(yīng)等標煤量的發(fā)電量電價補貼及污泥處置費用，為大型發(fā)電企業(yè)也帶來了一定的經(jīng)濟效益。

表4 不同工況下污泥摻燒后煤量變化結(jié)果

6 結(jié)語

大型火力發(fā)電廠利用燃煤污泥耦合發(fā)電技術(shù)處置城市污泥，可以有效解決城市污泥的處置問題，處置效率高、對環(huán)保更加親善，并實現(xiàn)污泥熱值再利用，減少了化石燃料的使用量。污泥耦合焚燒產(chǎn)物實現(xiàn)達標排放和全部回收再利用，實現(xiàn)了污泥處置的無害化、減量化、資源利用化的技術(shù)要求。燃煤耦合污泥發(fā)電技術(shù)對于社會發(fā)展及生態(tài)文明建設(shè)具有積極的意義，值得推廣應(yīng)用。