大型火力發(fā)電機組污泥耦合發(fā)電的研究及應用

隋海存

（國能常州發(fā)電有限公司，江蘇 常州 213033）

1 污泥處理現(xiàn)狀

1.1 國外污泥處置現(xiàn)狀

污泥處理的總目標是確保污泥中的有毒有害成分，無論是現(xiàn)在還是將來都不致對人類及環(huán)境造成不可接受的危害。污泥的處理先后經(jīng)過了海洋投棄、土地填埋、堆肥化、干燥和焚燒等多種處理方法，逐步走向成熟，目前污泥的焚燒在污泥的最終處置方法中占有比較大的優(yōu)勢。表 1為歐洲各國的污泥處置情況表。

表1 歐洲各國的污泥處置情況

采用土地填埋處理程序相對簡單，投資費用也較低，適用性強。但是該方法會侵占大量土地，如果防滲措施執(zhí)行不到位，將污染地下水源和潛在的土壤，存在較大的安全隱患。許多國家和地區(qū)已開始出臺政策反對新建填埋場所、反對土地填埋處理污泥。近年來污泥填埋處置所占比例 越來越小[1]。

目前處置污泥最快捷、最徹底、最經(jīng)濟的處理方式是以焚燒為核心的處置方法，它能使污泥及有毒物質(zhì)燃燒、有機物碳化，可最大限度地減少污泥質(zhì)量、體積（減容75%，最大可到85%），同時可將污泥的能量轉換為熱能，污泥中的灰渣可轉變?yōu)樗?，變廢為寶，充分利用。與其他方法相比，污泥耦合發(fā)電焚燒法具有突出的優(yōu)點：1） 焚燒后其產(chǎn)物可以100%利用，焚燒灰可制成水泥、磚等產(chǎn)品，煙氣同時在燃煤鍋爐煙氣處理系統(tǒng)中進行脫氮、除塵、脫硫、深度除塵處理，因此污泥耦合發(fā)電焚燒污泥是一種非常安全的污泥處置方式。2） 處理速度快，不用長期儲存，污泥運輸?shù)礁苫瘓鏊蠹纯筛苫?，摻加到燃煤中焚燒?） 污泥耦合發(fā)電方式焚燒污泥，很多設備可利用燃煤機組設備冗余量來完成，減少了設備投資。4） 可回收污泥中的能量，將污泥中能量轉變?yōu)闊崮堋?） 焚燒局部溫度高達1600℃，爐膛出口煙溫約1100℃左右，可殺死污泥中的寄生蟲卵、病原菌等病毒，使有機物全部燃燒、碳化，徹底解決污泥對環(huán)境的污染。

此外，污泥焚燒還能利用污泥中的熱值，從而降低污泥處理的能耗，相應降低污泥處理成本。污泥焚燒處置雖然一次性投資稍高，但由于它具有一些其他工藝不可替代的優(yōu)點，特別是在污泥的減量化、無害化、節(jié)約土地資源和節(jié)能等方面，因此成為污泥的解決方法之一。但由于污泥的高揮發(fā)分的特性，污泥焚燒時產(chǎn)生的燃燒污染物需特別注意和控制。

1.2 國內(nèi)污泥處置現(xiàn)狀

目前，我國生活污泥產(chǎn)量>3500萬t/a，而我國印染、造紙、石化、制革等行業(yè)也產(chǎn)生大量污泥，其中印染污泥產(chǎn)量2150萬t/a。污泥處理現(xiàn)狀遠不能達到穩(wěn)定化、減量化、無害化和資源化處置要求。截至2015年，我國城市污泥無害化處置率<53%，遠沒有達到“十二五”規(guī)劃80%的要求，約30%的污泥采取臨時處置，17%左右不知去向。

截至2015年，我國污泥無害化處置設施產(chǎn)能1369萬t/a，遠小于我國生活污泥產(chǎn)量>3600萬t/a。而“十三五”我國污水處理規(guī)模持續(xù)增加，生活污泥產(chǎn)量繼續(xù)增加，同時還有印染污泥、造紙污泥、制革污泥等需要處置。污泥無害化處置缺口仍然巨大。

北京市污泥處置主要是以水泥窯干化、焚燒處置為主，堆肥為輔的多元化處置模式，總處置能力1310 t/d（含水率80%）。

深圳市處置污泥的方式為污泥干化后焚燒或制肥。

蘇州市工業(yè)園區(qū)污泥處置方式為蒸汽干化焚燒，利用東吳熱電廠，結合其發(fā)電設備，用低壓蒸汽將污泥的含水率由80%降至10%，處理為干污泥，然后與燃煤摻配，運輸至制粉系統(tǒng)研磨，最終輸送至鍋爐內(nèi)焚燒。目前該工程污泥年處理量約為110萬t，后期設計規(guī)模年處理量約為330萬t。

宜昌市處理污泥的主要工藝為水泥煅燒窯高溫焚燒工藝，采用新型干法水泥煅燒方式，結合華新水泥的水泥窯設備共同處理污泥，污泥年處理能力約55萬t。

淮安市主城區(qū)第二污水處理廠、四季青污水處理廠產(chǎn)生的污泥規(guī)模達200 t/d（80%含水率，2015年），采用“化學調(diào)理+機械壓榨”技術作為污泥處理工藝。遠期規(guī)劃將主城區(qū)的污泥相對集中處理至含水率小于60%后，運至垃圾焚燒發(fā)電廠焚燒。

根據(jù)《淮安市城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置專項規(guī)劃（2009-2030）》，淮安市污水廠污泥，最終的處置可采用以下2種方案：（1）以生活污水為主的8座污水處理廠，其污泥以農(nóng)用或焚燒為主，衛(wèi)生填埋為輔；（2）以工業(yè)廢水為主的6座污水處理廠，其污泥以焚燒為主，處置后的污泥用以制造建材或衛(wèi)生填埋。

南京市城市污水處理廠的污泥基本都進行了濃縮脫水處理，主要采用的最終處置方式為焚燒、堆肥、混合填埋。南京市主城區(qū)污泥最終處置方式為焚燒為主，填埋作為應急處置。

2 技術路線

2.1 工藝路線比較

污泥具有易腐爛、難存儲、難運輸、含水率（60%~80%）高等特點，其內(nèi)部含有大量寄生蟲卵、病原體、無機鹽類、重金屬、有機物及難降解的有害物。目前，污泥常見的處理方式有土地填埋、煙氣干燥、建筑材料利用、焚燒。發(fā)達國家的經(jīng)驗證明，焚燒是污泥最徹底的處理方法，充分利用污泥中有機質(zhì)熱量，二次污染問題減少，資源化利用率高，同時在高溫下殺滅病毒、細菌。

污泥的熱干化焚燒是指利用特定的干化設備蒸發(fā)脫水污泥中的水分，使其含水率降至預定程度，然后利用焚燒爐或鍋爐設備焚燒。由于大型燃煤鍋爐本身是一種高效、清潔的焚燒設備，利用已建成大型燃煤電站（>300MW）焚燒生活污泥成為我國生活污泥處理的新導向，可以大幅降低污泥處理費用，減少碳排放，實現(xiàn)廢棄物的合理資源化。

生活污泥耦合大型燃煤電廠發(fā)電項目主體由污泥干化裝置+大型燃煤鍋爐組成，其中污泥干化系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，依據(jù)干化熱源的不同，結合燃煤電廠的熱源情況，可以分為煙氣干化和蒸汽干化2種工藝路線。污泥熱干化系統(tǒng)的一般工藝流程，如圖1所示。

圖1 污泥熱干化原則性工藝流程圖

污泥熱干化系統(tǒng)主要包括儲存和運輸系統(tǒng)、污泥干化系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、廢氣收集凈化系統(tǒng)、電控儀表系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等。儲存和運輸系統(tǒng)主要包括濕污泥倉、抓斗吊裝裝置、滑架、進料斗、螺旋輸送機等；污泥干化系統(tǒng)以圓盤式蒸汽干化設備為核心；廢水處理系統(tǒng)包括加藥、除臭、濃縮、進入電廠：廢氣收集凈化系統(tǒng)包括干化廠房的尾氣收集系統(tǒng)、冷凝的廢氣分離、過濾系統(tǒng)；電控儀表系統(tǒng)包括滿足系統(tǒng)運行的電氣、控制及測量設備；輔助系統(tǒng)包括壓消防系統(tǒng)、通風采暖系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、儀用氣系統(tǒng)等。

2種工藝相比較，蒸汽干化工藝系統(tǒng)建設投資小，生產(chǎn)環(huán)境好；但設備維護費用高。煙氣干化工藝設備維護費用低，系統(tǒng)可靠性好，但系統(tǒng)建設投資大，生產(chǎn)環(huán)境不易控制，并且燃煤爐的煙氣含有大量腐蝕性污染物易造成設備腐蝕。

2.2 工藝路線簡介

為降低摻燒生活污泥和工業(yè)固廢（印染污泥為主）對煤粉爐的影響，將濕污泥（60%~80%含水率）熱干化到30%~40%含水率。干燥后的污泥與煤廠燃料混合進入電廠磨煤系統(tǒng)制備燃料。泛蒸汽經(jīng)冷凝、收水之后，送入鍋爐燃燒。生活污泥和工業(yè)固廢（印染污泥為主）干化冷凝廢水經(jīng)水處理裝置處理之后作為電廠工藝水回用，或預處理之后管網(wǎng)輸送至常州江邊污水處理廠進行處理。

2.2.1 污泥卸料系統(tǒng)

含水率60%~80%的污泥由市政用罐車送至污泥卸料車間。濕污泥直接卸至地下濕泥倉，經(jīng)由抓斗提升至干化機前料斗，料斗底部設有螺旋給料機，濕污泥由螺旋給料機送入干化機進行干化脫水。

污泥卸料車間和干化車間采取負壓抽氣，卷簾門只在卸料時才開啟，平時處于關閉狀態(tài)。

2.2.2 污泥干化系統(tǒng)

干化機的熱介質(zhì)是電廠送來的低壓過熱蒸汽（約0.5MPa，152℃），電廠蒸汽與濕污泥在干化機內(nèi)進行間接換熱。濕污泥轉化成含水率30%~40%的干污泥+污泥乏汽（由水蒸氣和廢氣組成）；干化的污泥在進行降溫處理后進入干化倉再被傳送至煤場與煤充分混合后送入制粉系統(tǒng)。電廠蒸汽與污泥間接換熱，水質(zhì)未受污染，蒸汽凝結水可以送至鍋爐除氧器回收利用，降低電廠除鹽水的消耗。還可以采用煙氣直接干化污泥，煙氣干化污泥的工藝流程是利用鍋爐的高溫低氧煙氣直接將濕污泥干化，再將經(jīng)過煙氣干化后的干污泥通過料倉傳送到磨煤機中和煤摻混，而經(jīng)過干化后的煙氣中包含著惡臭氣體以及濕污泥蒸發(fā)的水分，將這種氣體通過管道直接送到鍋爐的尾部污染物處理系統(tǒng)或者上部直接燃燒。

2.2.3 干污泥轉運系統(tǒng)

干污泥從干化機落料口卸至（地下）干污泥輸送皮帶，先送至干污泥倉。干污泥倉下設置螺旋給料機控制出料。干污泥再經(jīng)輸送皮帶和斗提機送至原煤斗頂部布料皮帶，與原料進行一定配比（一般不超過5%）后進入原煤斗，最后經(jīng)過中速磨之后進入鍋爐。干污泥輸送采用密閉結構，原煤斗頂部布料車間也采取密閉，并設置負壓抽氣裝置。VOCs（臭氣）搜集之后與二次風混合作為助燃風送鍋爐焚燒。

2.2.4 污泥乏汽處置系統(tǒng)

污泥乏汽經(jīng)旋風除塵器除去乏汽攜帶的干污泥后，進入冷凝器經(jīng)循環(huán)冷卻水間接換熱冷卻降溫，乏汽析出大量廢水，降低了乏汽中的含水量，然后由乏汽與二次風混合送鍋爐焚燒，實現(xiàn)廢氣零排放。

生活污泥和工業(yè)固廢（印染污泥為主）干化冷凝廢水經(jīng)水處理裝置處理之后作為電廠工藝水回用。

2.2.5 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

冷凝器循環(huán)冷卻水與乏汽間接換熱，冷卻水經(jīng)使用后水質(zhì)未受污染，僅水溫升高8℃~10℃，利用余壓上冷卻塔，冷卻后的水由泵組加壓循環(huán)使用。為維持系統(tǒng)正常運行，不產(chǎn)生結垢或腐蝕，設有投加水質(zhì)穩(wěn)定的加藥設備。污泥經(jīng)過冷卻水換熱器后循環(huán)利用，冷卻水出口端與廢水池連接，該污泥換熱系統(tǒng)一次換熱器的冷卻水為軟水，二次換熱器連接的是冷卻水。為保證循環(huán)水水質(zhì)，系統(tǒng)須強制排污。

2.2.6 污泥尾氣處理系統(tǒng)

濕污泥中含有大量腐蝕性物質(zhì)和有機物，在干化過程中有機物會進行分解揮發(fā)出來，釋放出大量有害氣體。根據(jù)污泥干化的試驗結果顯示，污泥在煙氣干化過程中，自身所含有的有機物不會因為低溫環(huán)境而遭到破壞，只是會產(chǎn)生少量的異味氣體，由于煙氣干化污泥需要＞1.0×105m3的煙氣含量，異味氣體在大量的煙氣稀釋的作用下產(chǎn)生化學反應，再經(jīng)過電廠的除氣除塵裝置過濾，使煙氣干化污泥釋放出的尾氣符合排放標準。大部分煙氣經(jīng)過尾氣處理系統(tǒng)后一部分會回到換熱裝置中繼續(xù)換熱升溫，然后回流到干化系統(tǒng)發(fā)揮余熱作用繼續(xù)干化污泥，提高干化機的工作效率，減少干化過程中產(chǎn)生的能耗，有利于保護環(huán)境。

3 應用效果

3.1 直接經(jīng)濟示范效益

依托常州發(fā)電公司2×630MW量級大型燃煤鍋爐每天可焚燒800t生活污泥和印染污泥，每年可焚燒18萬t污泥，可獲得豐厚污泥焚燒費用。

大型機組耦合發(fā)電可獲得年獎勵電量，同時，污泥干化后送入鍋爐焚燒可以降低煤耗，節(jié)約超過8746t標煤/年，減少CO2排放約2.3萬t/年。

3.2 社會示范效益

隨著全國用電量增速放緩、新能源發(fā)電比例不斷攀升，火電行業(yè)出現(xiàn)嚴重產(chǎn)能過剩，全國火電機組年平均發(fā)電小時數(shù)在4000h徘徊?；痣姀S升級轉型為城市基礎環(huán)保設施，可以確立燃煤機組在城市發(fā)展中的重要地位，保證發(fā)電小時基數(shù)，創(chuàng)造環(huán)保效益。

大型火電耦合發(fā)電項目項目具備承接（生活污泥和印染污泥）一般固廢無害化處置能力，可為環(huán)保基礎設施承擔了區(qū)域環(huán)境保護重任。這既響應環(huán)保號召，承擔社會環(huán)保責任，又可節(jié)煤降耗，給電廠帶來穩(wěn)定的經(jīng)濟收益。為燃煤電站融入城市綠色發(fā)展打下堅實基礎，是火電企業(yè)可持續(xù)、可復制的轉型路徑。

4 推廣及應用

泥干化技術路線（蒸汽間接換熱干化）+ 發(fā)電廠燃煤鍋爐耦合焚燒工藝，污泥干化后送入鍋爐焚燒，將污泥中的能量轉換為熱能，降低煤耗；其污泥燃燒后的產(chǎn)物，經(jīng)研磨處理后成了混凝土材料，變廢為寶，實現(xiàn)了污泥100%利用；干化得到的乏蒸汽在尾部風機的負壓作用下，經(jīng)過格柵式洗滌塔洗滌冷凝之后，廢氣作為二次風送入鍋爐進行燃燒，所有污泥干化的過程全部在負壓狀態(tài)下完成，能夠有效地控制和防止污泥干化過程產(chǎn)生的臭氣破壞生產(chǎn)環(huán)境；該項目真正實現(xiàn)污泥處置的減量化、無害化。

大型燃煤鍋爐資源化處置多種污泥固廢關鍵技術研究是國內(nèi)首次在630MW大型燃煤機組上實現(xiàn)多種城市污泥資源化無害處置的項目，應用了很多新工藝新技術。該項目的成功投運，對集團火電板塊的綠色發(fā)展、大型火力發(fā)電的戰(zhàn)略轉型和污泥處置領域市場開拓具有重要意義，為同類型燃煤耦合污泥處置項目工藝路線選擇和設備選型提供經(jīng)驗。同時通過項目示范，獲得了豐富的工程技術、工程建設、生產(chǎn)運行和管理經(jīng)驗，為后續(xù)大范圍推廣奠定了扎實的基礎[2]。

5 結語

大型火力發(fā)電機組污泥耦合發(fā)電技術符合我國環(huán)保政策，滿足各區(qū)現(xiàn)狀的污泥處理處置方法的要求，也是國際上污泥處理處置的主流方向。該技術路線通過其擁有的相關配套設置來實施，具有資源優(yōu)化、綠色環(huán)保、節(jié)約投資、節(jié)約能耗、促進電廠升級轉型等多重意義，有顯著的社會效益和環(huán)境效益，可借助大型燃煤鍋爐熱負荷容量大、超低排放環(huán)保的平臺，發(fā)揮優(yōu)勢，實現(xiàn)對污泥的無害化、減量化、資源化利用，具有較強的可行性。