污泥摻燒耦合發(fā)電探討

周彥 唐麗莎 汪鵬歸 王晶 呂新樂

【摘 要】隨著社會(huì)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和人口的快速增長(zhǎng)，全國(guó)各個(gè)城市的污泥存量和增量急劇增加，城市居民的生存環(huán)境承受的環(huán)保壓力與日俱增，城鎮(zhèn)污泥務(wù)必得到合適的處置。污泥處置的基本原則是穩(wěn)定化、減量化、無害化及資源化。其中，無害化處理為基本要求，減量化處理為基礎(chǔ)，穩(wěn)定化處理為核心，資源化利用為終極目標(biāo)?；痣姍C(jī)組污泥摻燒耦合發(fā)電作為一種有效的污泥處理手段，具有處理能力強(qiáng)、適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)而受到了社會(huì)的普遍關(guān)注。文章闡述了污泥用于火力發(fā)電的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性，重點(diǎn)分析了圓盤式蒸汽污泥半干化工藝、熱泵低溫干化工藝、煙氣干化工藝及污泥常溫低速空氣干化工藝的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，解析了污泥摻燒耦合發(fā)電對(duì)鍋爐運(yùn)行和污染物排放量的影響，并提出在污泥摻燒產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中要加強(qiáng)防臭除臭技術(shù)研發(fā)的建議。

【關(guān)鍵詞】污泥;干化;摻燒;鍋爐

【中圖分類號(hào)】X703;TM621【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2022）02-0111-03

通常，污水處理廠處理1萬t生活污水可產(chǎn)生含水率為80%的污泥5～8 t，2014—2020年中國(guó)污泥產(chǎn)生量維持在7 000萬t以上;2020年中國(guó)污泥脫水處理量為3 648.8萬t，干污泥產(chǎn)生量達(dá)到1 459.5萬t[1]。根據(jù)《“十三五”全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》的要求，截至2020年市級(jí)及以上地區(qū)的污泥無害化處理率必須達(dá)到90%，其他城市為75%，縣級(jí)地區(qū)爭(zhēng)取達(dá)到60%，重點(diǎn)城鎮(zhèn)5年內(nèi)需提高5%。中國(guó)污泥處置行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，目前我國(guó)污泥處理方式主要有填埋、堆肥、自然干化、焚燒，在這4種處理方法中，填埋占比為66%，焚燒僅為6%左右。污泥填埋會(huì)對(duì)土壤和地下水源形成污染，而隨著國(guó)家環(huán)保政策力度的加強(qiáng)，污泥填埋比例會(huì)逐步下降。

1 污泥摻燒可行性

污泥摻燒處理方式在環(huán)保、熱量和經(jīng)濟(jì)收益方面均有一定的優(yōu)勢(shì)。污泥焚燒是降解有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)污泥穩(wěn)定化、減量化的一種有效方法，它能破壞污泥中含有的有機(jī)質(zhì)，殺死病原體，并最大限度地降低污泥體積和質(zhì)量，對(duì)環(huán)境友好。各類污泥的干基熱值均大于6 000 kJ/kg，干污泥具有很好的可焚燒性，能夠獲得大量熱量滿足燃燒要求。各地針對(duì)污泥處置費(fèi)的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)有所不同，各個(gè)城市的污泥焚燒成本也有所差別，上海需要160元，江蘇需要200元[2];此外，若考慮污泥折摻燒所獲的電價(jià)補(bǔ)償，還會(huì)產(chǎn)生一部分額外的收益。

城鎮(zhèn)污泥通常分為濕污泥和干污泥，處理污泥時(shí)務(wù)必根據(jù)污泥的不同特性選擇對(duì)應(yīng)的處理方式。對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐和爐排爐，濕污泥可以直接摻入爐膛燃燒。污泥的成分復(fù)雜、含水量高，流化床焚燒技術(shù)能高效處理污泥，目前在我國(guó)的應(yīng)用范圍較廣。對(duì)于煤粉爐，濕污泥進(jìn)入爐膛需要通過噴槍霧化后再噴入，要將含水量為80%的污泥混合大量的水稀釋成泥漿，這就需要向爐內(nèi)噴入大量的水，對(duì)鍋爐燃燒和受熱面換熱的影響很大。污泥干化后摻燒是目前普遍采用的處理方法，是將濕污泥先放入干燥車間進(jìn)行干化，然后與原煤以一定比例摻混后送入鍋爐燃燒，此工藝已在不少電廠中得到應(yīng)用[3]。

2 污泥干化工藝

污泥干化是將污泥通過加熱蒸發(fā)其中水分達(dá)到降低污泥含水率的過程。污泥中水分的去除需要經(jīng)過蒸發(fā)和擴(kuò)散過程。污泥干化可分為熱對(duì)流式（直接傳熱式）、熱傳導(dǎo)式（間接傳熱式）、直接-間接聯(lián)合加熱式3種類型。

2.1 污泥干化分級(jí)

濕區(qū)：含水率為60%以上，污泥能自由流動(dòng)，基本無臭味;黏滯區(qū)：含水率為40%～60%，具有黏性，不能自由流動(dòng)，臭味較大。黏滯區(qū)干化機(jī)傳熱系數(shù)降低會(huì)導(dǎo)致感化效率急劇下降，污泥黏性產(chǎn)生的黏滯力還會(huì)約束干化裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而增大能耗和設(shè)備故障率;粒狀區(qū)：污泥呈粒狀，容易和其他物質(zhì)摻混。

2.2 煤粉爐摻燒污泥干化要求

污泥的揮發(fā)分很高，生活污泥的干燥無灰基揮發(fā)分一般在85%以上，在干燥環(huán)境下容易自燃，因此干污泥的水分不能過低，同時(shí)要考慮干化污泥的成粒特性，污泥水分也不宜過高。脫水污泥通常要先采取焚燒處理以降低含水率和提高污泥熱值。干化后污泥的體積會(huì)大幅縮小，形狀趨于顆粒狀，這種形態(tài)對(duì)下一步的摻燒工序更為有利。根據(jù)相關(guān)研究和工程應(yīng)用情況總結(jié)得出，煤粉爐摻燒的干污泥水分一般控制在30%左右為宜。

2.3 污泥干化方式

污泥干化是實(shí)現(xiàn)污泥無害化、減量化、資源化處理的重要步驟，但污泥干化會(huì)消耗大量的能源，在污泥處理過程中是耗能最大的環(huán)節(jié)。因此，不同的污泥干化方式的選擇將直接影響污泥的處置成本[4]。

2.3.1 圓盤式蒸汽污泥半干化工藝

圓盤式污泥干化流程：來料濕污泥通過螺桿輸送泵打至圓盤干燥機(jī)的進(jìn)料口;低壓蒸汽從圓盤干燥機(jī)的蒸汽入口進(jìn)入，與污泥通過圓盤組間接傳輸熱量進(jìn)行換熱;污泥從干燥機(jī)外殼和圓盤之間流通，接收來自蒸汽傳遞的熱能蒸發(fā)濕污泥中的水分;從濕污泥蒸發(fā)的水蒸氣集聚在設(shè)備頂部后通過引風(fēng)機(jī)從設(shè)備蒸汽出口排出，以此維持干燥機(jī)的微負(fù)壓狀態(tài);尾氣通過旋風(fēng)除塵器去除粉塵后，進(jìn)入間接式水冷換熱器冷凝，冷凝后的污水排入污水管網(wǎng)。廢氣經(jīng)過除臭處理后，半干污泥通過螺旋輸送機(jī)落料至皮帶輸送機(jī)，經(jīng)過煤粉廊道運(yùn)至電站鍋爐進(jìn)行摻燒。圓盤式干燥器污泥半干化工藝流程如圖1所示。濕污泥半干化運(yùn)行成本來自蒸汽、工業(yè)水、自來水、電費(fèi)，不同地區(qū)的運(yùn)行成本稍有區(qū)別，大約200元/t，成本遠(yuǎn)低于全干化處置成本。半干化后的污泥低位發(fā)熱量通常為4 180～5 016 kJ，能夠作為火力發(fā)電機(jī)組的輔助燃料[5]。

2.3.2 熱泵低溫干化工藝

傳統(tǒng)污泥對(duì)流干燥工藝效率偏低，能耗較高。熱泵低溫干化以太陽(yáng)能、低品位能為熱源，節(jié)能效果顯著，低溫狀態(tài)能有效避免有害氣體釋放和有機(jī)物大量揮發(fā)，從而不需要復(fù)雜的尾氣處理系統(tǒng)，技術(shù)處理溫度低，降低了污泥干化的點(diǎn)火能量，整個(gè)處理過程安全、爆炸風(fēng)險(xiǎn)率低。

熱泵低溫干化系統(tǒng)由熱泵系統(tǒng)和干燥系統(tǒng)構(gòu)成。熱泵系統(tǒng)中，制冷工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸收污泥干化過程中排出廢氣的熱量后由液體轉(zhuǎn)化為蒸汽，在壓縮機(jī)中加壓后進(jìn)入冷凝器，制冷工作冷凝液化后釋放出熱量可以加熱蒸發(fā)器中已經(jīng)降溫去濕的低溫干空氣，當(dāng)?shù)蜏馗煽諝膺_(dá)到工藝要求的溫度后，進(jìn)入干燥室，制冷工質(zhì)液化后通過膨脹閥返回蒸發(fā)器[6]。

熱泵低溫干化運(yùn)行成本來自電能消耗，單位能耗除濕量能達(dá)到2～3 kg/kW·h，節(jié)能效果顯著。但是，熱泵在實(shí)際運(yùn)行時(shí)蒸發(fā)溫度與冷凝溫度會(huì)發(fā)生同步變化進(jìn)而導(dǎo)致干燥效率下降。低溫污泥干化工藝流程如圖2所示。

2.3.3 煙氣干化工藝

常見的煙氣干化流程如下：濕污泥運(yùn)至污泥接收倉(cāng)通過污泥泵打入轉(zhuǎn)子干化器，鍋爐空預(yù)器前煙道通過干燥風(fēng)機(jī)引入轉(zhuǎn)子干化器直接與熱煙氣進(jìn)行接觸換熱，在干化器內(nèi)實(shí)現(xiàn)加熱和干化落入干污泥儲(chǔ)存艙，換熱后的煙氣一路經(jīng)過旋風(fēng)除塵器、布袋除塵器經(jīng)引風(fēng)機(jī)進(jìn)入噴淋塔處理后從煙筒排放，或再次進(jìn)入鍋爐進(jìn)行一次換熱循環(huán)。若利用火力發(fā)電廠煙氣余熱進(jìn)行污泥干化，可減少對(duì)大氣的污染，并使熱能利用率提高5%～10%[7]。

現(xiàn)有燃煤機(jī)組中，煙氣部分余熱通?？梢杂糜诩訜峄?zé)嵯到y(tǒng)的凝結(jié)水，煙氣余熱污泥干化還可結(jié)合該系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置。該系統(tǒng)工作介質(zhì)采用軟化水，閉式循環(huán)?？疹A(yù)器出口和除塵器入口布置煙氣換熱器，軟化水在煙氣換熱器中與煙氣換熱后經(jīng)閉式水泵進(jìn)入帶式污泥干化器后與干化器中的循環(huán)空氣進(jìn)行換熱，冷卻后的軟化水再次進(jìn)入煙氣換熱器。煙氣余熱與凝結(jié)水耦合發(fā)電時(shí)機(jī)組發(fā)電標(biāo)煤耗可以降低約1.5 g/kW·h，但污泥干化運(yùn)行期間，余熱利用方式的改變，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電標(biāo)煤耗略有增加。

2.3.4 常溫干化工藝

污泥干化中能耗占整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的80%以上，常溫干化能大幅降低能耗和減少尾氣排放，對(duì)設(shè)備整體要求低，運(yùn)行管理也較為簡(jiǎn)單。污泥常溫低速空氣干化技術(shù)是根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，通過空氣和污泥之間的水分濕度和溫度的不平衡，利用干熱空氣帶走污泥中的水分達(dá)到污泥干化。整個(gè)處理過程不需要添加化學(xué)藥劑，不使用外部熱源。濕污泥在攪拌混合器中攪拌均勻后送入機(jī)械壓濾裝置。污泥餅送入破碎機(jī)中進(jìn)行破碎形成污泥粉末后通過撒粉機(jī)平鋪在帶網(wǎng)眼的隔板堆疊成多層。鼓風(fēng)機(jī)引入常溫空氣在堆疊干化室中對(duì)污泥粉進(jìn)行風(fēng)干后送入翻拋干化室進(jìn)行翻拋風(fēng)干，完成此工序后從干化槽中通過刮板刮出，再通過引風(fēng)機(jī)引入濕空氣在干化空氣凈化裝置中進(jìn)行凈化處理。污泥常溫低速空氣干化工藝運(yùn)行成本中，能耗成本為40 kW·h/t，人工成本為50～60元/t[8]。

3 污泥摻燒的影響

3.1 對(duì)鍋爐的影響

污泥摻燒比例增加后，燃煤熱值會(huì)降低，收到基碳含量減少，灰分增大。整體來看，當(dāng)摻燒比例比超過10%時(shí)，污泥摻混對(duì)燃煤元素成分的影響不大，燃煤中混入污泥生成低熔點(diǎn)物質(zhì)從而降低了燃料的灰熔點(diǎn)。若考慮需要抽煙氣進(jìn)行污泥干化，在滿足鍋爐輸入熱量要求時(shí)，需要投入更多燃煤。污泥摻混量在10%以內(nèi)時(shí)，鍋爐實(shí)際濕煙氣量變化比例在2%以內(nèi)，飛灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大0.3%級(jí)別。煙氣理論燃燒溫度與燃料熱值、空氣溫度、過量空氣系數(shù)、燃燒產(chǎn)物特性等相關(guān)。在給定空氣量、給煤量，充分考慮機(jī)械不完全燃燒損失的情況下，由于污泥摻混爐內(nèi)水分增加，水蒸氣在爐膛中吸熱，爐膛燃燒所達(dá)到的最高溫度相比峰值降低7 K左右，省煤器出口煙氣溫度和排煙溫度因鍋爐爐內(nèi)對(duì)流輻射換熱變化而逐漸增高，基本不會(huì)對(duì)燃燒造成影響。鍋爐效率針對(duì)排煙溫度和氧量進(jìn)行工況測(cè)試，摻混比例為6%相比摻混比例為3%時(shí)，鍋爐效率降低0.11%級(jí)別，相比不摻混污泥效率分別降低0.35%和0.24%級(jí)別。從總體來看，污泥摻混對(duì)過濾效率影響較小，固體不完全燃燒損失和灰渣炸物理熱損失都較小[9]。

3.2 對(duì)污染物排放的影響

分析污染物的排放情況，要以污泥的成分分析為基礎(chǔ)，其中NOx、SO2可以根據(jù)混合燃料的元素成分進(jìn)行分析，粉塵、二噁英、重金屬等要結(jié)合污泥的特性進(jìn)行分析。

污泥成分中既有有機(jī)硫也有無機(jī)硫，SO2的形成與燃燒溫度、含硫量、過量空氣系數(shù)、污泥含水率等均有關(guān)系。污泥含水率會(huì)減少鍋爐煙氣中SO2的排放。污泥摻燒過程中NOx的生成機(jī)理與燃煤相同，污泥中N的含量通常在7%左右，并且是以氨的化合物形式構(gòu)成，所以污泥摻燒中的NOx排放量會(huì)略有增大。當(dāng)控制污泥摻混比例在5%以內(nèi)時(shí)，NOx的濃度增加值通常不高于30 mg/Nm3。污泥中含有一定的重金屬，經(jīng)過焚燒后，有害金屬汞、鉛、鎘等主要富集在底渣和飛灰中。這些金屬化合物混入煙氣會(huì)沉積在煙道管壁內(nèi)表面影響換熱，并且會(huì)加速設(shè)備腐蝕，但其濃度通常低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限制。二噁英通常指具有相似結(jié)構(gòu)和理化特性的一組多氯取代的平面芳烴類化合物，屬氯代含氧三環(huán)芳烴類化合物，具有熱穩(wěn)定性。由于爐膛溫度高于850 ℃，能夠有效分解生成的二噁英，但是沿著鍋爐煙氣流程至省煤器后煙溫小于400 ℃，因此對(duì)二噁英的生成不能保證，可能會(huì)有部分二噁英生成。此外，污泥干化和儲(chǔ)運(yùn)過程中會(huì)產(chǎn)生臭味和大量粉塵。污泥卸料裝置、儲(chǔ)存?zhèn)}、上料電都是污泥臭氣主要散發(fā)點(diǎn)，這幾處可通過氣體收集整體除臭和通風(fēng)設(shè)備改善[10]。

4 結(jié)論和建議

從國(guó)家及地方的政策引導(dǎo)來看，火力發(fā)電污泥摻燒存在著較大的市場(chǎng)前景，不僅對(duì)污泥減量化能做出貢獻(xiàn)，也能實(shí)現(xiàn)一定的污泥資源化。電廠污泥摻燒耦合發(fā)電需要先對(duì)原始濕污泥進(jìn)行必要的干化處理，本文介紹了幾種干化工藝，具體方式需要結(jié)合電廠的實(shí)際條件確定，例如綜合考慮固定投資、運(yùn)行成本、環(huán)境影響等。目前，市場(chǎng)上已經(jīng)投運(yùn)的污泥摻燒項(xiàng)目中，對(duì)污泥的臭味沒有充分考慮，若要加碼推進(jìn)污泥摻燒，需要對(duì)除臭問題予以重點(diǎn)關(guān)注。

參 考 文 獻(xiàn)

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