燃煤機(jī)組摻燒市政生活污泥現(xiàn)場試驗(yàn)

李德波，闕正斌，苗建杰，陳 拓，陳智豪，陳兆立，馮永新

(1.南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣東 廣州 510080；2.華北電力大學(xué) 生物質(zhì)發(fā)電成套設(shè)備國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；3.華北電力大學(xué) 動(dòng)力工程系，河北 保定 071003)

0 引 言

生活污水處理廠能有效凈化廢水，避免污染物直接排入水域造成嚴(yán)重污染，對(duì)保護(hù)環(huán)境意義重大。然而，污水處理過程中會(huì)產(chǎn)生大量污泥，據(jù)統(tǒng)計(jì)2020年我國污水處理廠干污泥產(chǎn)量為11 627 678 t，較去年提高約5%，妥善處置污泥避免造成二次污染成為難題[1]。

GB/T 23484—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置分類》將處置方式分為土地利用、填埋、建筑材料利用和焚燒四大類[2]。發(fā)達(dá)國家和地區(qū)主要采用焚燒處理方式，而我國不同地區(qū)的污泥處置方式差別較大。據(jù)估計(jì)，截至2019年底，國內(nèi)污泥土地利用處置約29.3%、焚燒處置約26.7%、填埋處置約20.1%、15.9%用于建筑材料，其余8.0%采用其他處置方式[3]。然而，由于土地利用困難、填埋空間不足和建筑材料利用要求較高等原因，焚燒處理越來越受到重視。污泥焚燒處理可分為單獨(dú)焚燒和與其他燃料摻混燃燒，在現(xiàn)有燃煤鍋爐中摻燒污泥是研究熱點(diǎn)之一[4-5]。

研究人員針對(duì)摻燒污泥過程，采用實(shí)驗(yàn)室研究[6-8]、數(shù)值模擬[9-11]和現(xiàn)場試驗(yàn)[12-17]等手段開展相關(guān)研究。實(shí)驗(yàn)室研究偏向機(jī)理方面，如污染物生成與重金屬遷移過程。張自麗等[7]采用熱重傅里葉紅外聯(lián)用技術(shù)，研究了市政污泥與徐州煙煤摻燒的燃燒性能，明確了燃料中元素N與S的賦存形態(tài)，得到了NOx和SO2污染物生成過程的部分規(guī)律。史明哲等[8]針對(duì)煙氣循環(huán)式燃煤耦合污泥摻燒系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室中采用管式爐、熱重分析儀和X射線熒光光譜分析儀等，研究了燃燒特性以及重金屬遷移特性，得到爐溫、氣體成分對(duì)重金屬遷移特性的影響規(guī)律。而數(shù)值模擬研究技術(shù)多用于運(yùn)行參數(shù)研究優(yōu)化。王海川等[9]采用Fluent軟件建立模型，對(duì)比多個(gè)鍋爐工況，重點(diǎn)研究了污泥含水量和摻混比例對(duì)煙氣流動(dòng)、燃燒過程和污染物NOx排放等的影響，認(rèn)為需將摻燒比例控制在合理范圍，同時(shí)可以采取干燥預(yù)處理等措施降低污泥水分。孟濤等[10]基于渦耗散模型對(duì)600 MW四角切圓煤粉鍋爐摻燒市政污泥進(jìn)行數(shù)值模擬研究，使用Fluent軟件重點(diǎn)研究了二次風(fēng)配風(fēng)方式等因素對(duì)燃煤鍋爐內(nèi)污泥摻混燃燒及NOx生成的影響，綜合對(duì)比分析后采用束腰配風(fēng)方式。周科等[16]在某電廠開展混燒2種市政污泥試驗(yàn)，探究污泥種類、含水率、摻燒比例對(duì)混燒時(shí)NO和SO2排放的影響規(guī)律，為該電廠的摻燒方案優(yōu)化提供參考。劉笑等[17]對(duì)某600 MW機(jī)組四角切圓鍋爐進(jìn)行了污泥摻燒試驗(yàn)，研究重金屬遷移規(guī)律，發(fā)現(xiàn)煤和污泥混燃后大部分痕量元素遷移至飛灰和爐渣中，煙氣中Hg排放滿足排放要求。上述研究為進(jìn)一步控制重金屬排放提供了參考。

2018年國內(nèi)相關(guān)政府部門批準(zhǔn)了多個(gè)燃煤機(jī)組摻燒污泥的試點(diǎn)項(xiàng)目，推動(dòng)現(xiàn)場試驗(yàn)研究。然而，目前現(xiàn)場試驗(yàn)主要對(duì)象是大規(guī)模亞臨界及以上燃煤機(jī)組，針對(duì)較小規(guī)模的超高壓及以下的燃煤機(jī)組研究較少。基于團(tuán)隊(duì)研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì)國內(nèi)某210 MW超高壓燃煤機(jī)組開展摻燒污泥現(xiàn)場試驗(yàn)，深入分析在不同摻燒比例下燃料與灰渣的成分含量、鍋爐燃燒和煙氣污染物等情況，為較小規(guī)模超高壓燃煤機(jī)組摻燒污泥提供參考。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1 燃煤機(jī)組概況

基于國內(nèi)某電廠的四角切圓超高壓燃煤機(jī)組開展試驗(yàn)研究。該燃煤機(jī)組裝機(jī)容量為201 MW，額定運(yùn)行負(fù)荷為550 t/h，相比一般燃煤機(jī)組規(guī)模較小。鍋爐從下到上設(shè)置5層燃燒器(A～E)，在現(xiàn)場試驗(yàn)中燃煤與污泥分層送入，其中A～B層送入燃煤，C～E層送入污泥。

1.2 試驗(yàn)工況

不同污泥摻燒比例下鍋爐內(nèi)燃燒情況區(qū)別較大，研究表明摻燒比例0～10%對(duì)鍋爐燃燒影響較小[18]。為進(jìn)一步研究摻燒比例對(duì)燃燒的影響，考慮運(yùn)行負(fù)荷對(duì)燃燒的影響，參考GB/T 1084—2015《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》[19]設(shè)計(jì)調(diào)試8個(gè)鍋爐摻燒污泥的試驗(yàn)工況，具體見表1。

表1 摻燒污泥現(xiàn)場試驗(yàn)工況

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.3.1 固體樣品

為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，檢測給煤機(jī)處的燃煤樣品，每次取樣1～2 kg污泥。飛灰、爐渣和脫硫石膏是燃燒或煙氣凈化過程的產(chǎn)物，主要考察其重金屬和氯離子含量。重金屬含量體現(xiàn)其對(duì)環(huán)境的危害能力，氯離子含量間接說明燃燒過程發(fā)生高溫腐蝕的可能性和嚴(yán)重程度?？紤]上述樣品的成分含量受多因素影響，每個(gè)樣品均取樣2次。

1.3.2 煙氣采樣與檢測方法

煙氣樣品的采樣位置為煙囪入口處，測定煙氣中污染物含量。針對(duì)常規(guī)的NOx、SO2和粉塵等污染物統(tǒng)一采用網(wǎng)格法測量濃度，即對(duì)煙道內(nèi)多點(diǎn)分別測量濃度后取平均值(6%基準(zhǔn)含氧量)。采用德國進(jìn)口的煙氣分析儀檢測NOx濃度；采用連續(xù)測量的儀器檢測SO2濃度；采用重量法檢測粉塵濃度；采用順磁式氧量分析儀檢測O2濃度。

非常規(guī)污染物中重金屬及其化合物主要考察汞和二噁英。選用EPA Method 30B標(biāo)準(zhǔn)方法采樣，直接對(duì)吸附汞后的活性炭管進(jìn)行分析，確定汞含量。依據(jù)HJ 77.2—2008《環(huán)境空氣和廢氣 二噁英類的測定 同位素稀釋高分辨氣相色譜-高分辨質(zhì)譜法》，利用過濾、吸附和冷凝等原理分離煙氣中二噁英。

1.3.3 運(yùn)行參數(shù)

燃煤機(jī)組中設(shè)置多個(gè)監(jiān)控裝置，可測定溫度、壓力和流量等參數(shù)，在試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)記錄大氣壓力、溫度和濕度數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 燃料特性分析

燃煤與污泥的燃料特性分析結(jié)果見表2。由表2可知，污泥中全水分達(dá)42.30%，灰分達(dá)55.65%，污泥中硫分為2.22%，均高于燃煤。因此摻燒污泥后增大了燃料硫分、灰分和水分，進(jìn)而導(dǎo)致熱值降低。

表2 燃料特性分析

2.2 燃料與燃燒產(chǎn)物的微量成分

表3為燃料與不同燃燒產(chǎn)物的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)。與煤相比，污泥中部分重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)極高。對(duì)比燃燒產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)，摻燒后飛灰與爐渣的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅在摻燒比例10%時(shí)，變化較明顯，與現(xiàn)有研究存在差別[17]。這可能是由于重金屬遷移受多方面影響，如樣品污泥中重金屬含量相對(duì)較低、測量方法準(zhǔn)確度等。摻燒污泥對(duì)脫硫石膏基本沒有影響，因此認(rèn)為使用濕法脫硫裝置幾乎不發(fā)生重金屬二次污染。

表3 燃料與固體產(chǎn)物的重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)

續(xù)表

燃料中氯離子濃度影響爐內(nèi)受熱面的高溫腐蝕過程，燃料氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.250%時(shí)高溫腐蝕傾向較高[21]。對(duì)燃煤、污泥、飛灰和爐渣中氯離子含量進(jìn)行采樣分析，化驗(yàn)結(jié)果見表4?？芍旱穆群枯^低，污泥氯離子含量高于原煤，污泥氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.143%，仍屬于較低腐蝕傾向范圍。為減少受熱面高溫腐蝕，建議加強(qiáng)入廠污泥中氯離子的化驗(yàn)并污泥摻燒比例。

表4 燃料及固體產(chǎn)物的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.3 煙氣污染物排放

摻燒比例對(duì)常規(guī)煙氣污染物排放濃度(6% O2氛圍下)的影響如圖1所示。除常規(guī)煙氣污染物(NOx、SO2和粉塵)外，非常規(guī)污染物(重金屬及其化合物、二噁英類)同樣受到重視。

圖1 摻燒比例與常規(guī)煙氣污染物排放濃度的關(guān)系Fig.1 Relationship between blending ratio and conventional flue gas pollutants emission concentration

然而，國內(nèi)尚未發(fā)布明確的燃煤摻燒污泥的排放標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于常規(guī)煙氣污染物，一般執(zhí)行燃煤煙氣超低排放標(biāo)準(zhǔn)，同樣采用6%含氧量作為折算基準(zhǔn)。而對(duì)于非常規(guī)煙氣污染物，則參考垃圾焚燒煙氣的相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.1 NOx

試驗(yàn)期間不同工況下的NOx質(zhì)量濃度變化情況(6% O2氛圍下)如圖2所示。由圖2可以看出，各個(gè)試驗(yàn)工況NOx質(zhì)量濃度無明顯變化，約為42 mg/m3。整體而言，NOx質(zhì)量濃度均小于燃煤煙氣的超低排放標(biāo)準(zhǔn)(50 mg/m3)，摻燒污泥可以滿足NOx的排放規(guī)定。

圖2 摻燒比例與NOx排放濃度的關(guān)系Fig.2 Relationship between blending ratio and NOx emission concentration

2.3.2 SO2

不同工況下SO2質(zhì)量濃度(6% O2氛圍下)如圖3所示，SO2質(zhì)量濃度波動(dòng)較大，但與其他污染物相比變化幅度較小。

圖3 摻燒比例與SO2排放濃度的關(guān)系Fig.3 Relationship between blending ratio and SO2emission concentration

從第2.1節(jié)知混合燃料硫含量高于燃煤，因此燃燒生成的SO2污染物濃度增大。試驗(yàn)測得的脫硫塔進(jìn)口煙氣中SO2質(zhì)量濃度在800～900 mg/m3，排放煙氣中SO2質(zhì)量濃度在0～15 mg/m3，燃煤電廠濕法脫硫裝置脫除效率達(dá)98%以上。

2.3.3 粉塵

試驗(yàn)期間不同工況下粉塵質(zhì)量濃度情況(6% O2氛圍下)如圖4所示，發(fā)現(xiàn)粉塵質(zhì)量濃度維持在5 mg/m3左右，滿足燃煤煙氣超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 摻燒比例與粉塵排放濃度的關(guān)系Fig.4 Relationship between blending ratio and dust emission concentration

2.3.4 重金屬及其化合物

結(jié)合第2.1節(jié)可知，混合燃料中的重金屬含量增加，理論上其遷移到煙氣中導(dǎo)致煙氣重金屬濃度提高。為了更直觀了解重金屬向煙氣的遷移情況，選取工況1和工況4的煙氣重金屬含量進(jìn)行對(duì)比，見表5。

表5 不同工況煙氣中重金屬質(zhì)量濃度

由于目前缺少燃煤電廠摻燒污泥后煙囪出口處重金屬相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，參考GB 18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》[22]。由表5可知，摻燒10%污泥的工況下，煙囪入口煙道煙氣中重金屬含量均有所上升，增幅最高達(dá)3.6倍，但仍能滿足排放要求。

2.3.5 二噁英類

由于污泥含水量較大、熱值較低，一般認(rèn)為與煤摻燒促進(jìn)二噁英生成，且受其他因素影響，本文在工況4現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，測量了煙氣中二噁英濃度。參考GB 18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》采用11%含氧量作為折算濃度基準(zhǔn)[22]。3次平行測量結(jié)果分別為0.017、0.021和0.026 ng/m3，平均質(zhì)量濃度為0.021 ng/m3，低于國家標(biāo)準(zhǔn)的排放要求(0.1 ng/m3)。

2.4 燃燒溫度及穩(wěn)定性

污泥水分高、熱值較低是不利于摻燒的主要原因，摻燒污泥對(duì)鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行有一定影響。表6為鍋爐負(fù)荷550 t/h時(shí)不同摻燒比例工況的爐膛溫度測量結(jié)果。由表6可知，不摻燒污泥時(shí)爐膛溫度為951.75 ℃，摻燒3%污泥時(shí)爐膛溫度為954 ℃，摻燒5%污泥時(shí)爐膛溫度為939.5 ℃，摻燒10%污泥時(shí)爐膛溫度為935.25 ℃。可知隨摻燒比例增加，爐膛溫度呈小幅下降趨勢，未明顯影響燃燒過程。分析不同測量點(diǎn)之間差值以及同一測量點(diǎn)最值，發(fā)現(xiàn)摻燒污泥后導(dǎo)致溫度波動(dòng)變大，即不利于穩(wěn)定燃燒。

表6 不同工況下的爐膛溫度測量結(jié)果

2.5 鍋爐熱效率

鍋爐效率試驗(yàn)工況為鍋爐負(fù)荷485和550 t/h、摻燒比例0、3%、5%、10%，測量相關(guān)數(shù)據(jù)完成鍋爐效率計(jì)算。

圖5為試驗(yàn)期間不同工況下的鍋爐熱效率變化情況。由圖5可以看出，摻燒比例增大，鍋爐熱效率呈下降趨勢，但降幅較低。摻燒10%污泥時(shí)，熱效率下降幅度均不超過0.5%，摻燒污泥對(duì)熱效率影響不顯著。

圖5 摻燒比例與鍋爐熱效率的關(guān)系Fig.5 Relationship between mixing ratio and boiler thermal efficiency

因此，造成摻燒污泥后鍋爐熱效率下降的主要原因是固體不完全燃燒熱損失增加。相較不摻燒污泥的工況，鍋爐負(fù)荷為550 t/h時(shí)，摻燒10%污泥的固體不完全燃燒熱損失升高0.52%；鍋爐負(fù)荷485 t/h工況，摻燒10%污泥的固體不完全燃燒熱損失升高0.41%，鍋爐負(fù)荷對(duì)其影響較小，故造成固體不完全燃燒熱損失升高的主要原因是污泥灰分高。

2.6 受熱面積灰與腐蝕

受熱面積灰與腐蝕問題與燃料灰熔融溫度相關(guān)，因此對(duì)燃煤、污泥以及不同摻混比例的混合燃料分別開展灰熔融溫度試驗(yàn)，見表7?？芍S污泥比例增加，灰熔融溫度下降。摻入10%污泥混合燃料的軟化溫度TS為1 310 ℃，高于1 200 ℃。摻入10%污泥混合燃料的軟化溫度比燃煤的軟化溫度下降50 ℃。摻入10%污泥混合燃料的軟化區(qū)間溫度(TS-TD)低于100 ℃，屬于短渣。

表7 燃料的灰熔融溫度情況

總之，摻燒10%污泥的對(duì)結(jié)渣特性影響不大，但隨灰熔融溫度下降，結(jié)渣風(fēng)險(xiǎn)仍會(huì)增加，建議摻燒污泥比例不超過10%，并且在運(yùn)行中觀察結(jié)渣等情況。

2.7 風(fēng)煙系統(tǒng)

與未摻燒工況相比，摻燒工況下由于燃料發(fā)生變化，所需燃燒空氣量與產(chǎn)生的排放煙氣量也會(huì)變化，因此需對(duì)風(fēng)煙系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)整優(yōu)化，優(yōu)化對(duì)象主要為一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)。試驗(yàn)過程中對(duì)比了工況1與工況4中風(fēng)煙系統(tǒng)各風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的最大電流與平均電流，見表8。

表8 不同工況下風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流情況

總體而言，摻燒前后各風(fēng)機(jī)的平均電流值基本一致，說明對(duì)風(fēng)煙系統(tǒng)運(yùn)行影響較小，適當(dāng)調(diào)整后風(fēng)煙系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。其中二次風(fēng)機(jī)的平均電流相對(duì)提升較多，達(dá)1.5 A，分析認(rèn)為是由于混合燃料與燃煤區(qū)別較大，需要靈活調(diào)整二次風(fēng)送風(fēng)量。

3 結(jié) 論

1)燃煤與生活污泥在組成成分上差別較大，混合燃料成分隨摻混比例的不同而有所差別。隨摻混比例增大，飛灰、爐渣和脫硫石膏的重金屬含量增加，增大二次污染風(fēng)險(xiǎn)；污泥氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.143%，高溫腐蝕傾向較低，但繼續(xù)提高混合燃料氯離子含量，增加高溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

2)常規(guī)煙氣污染物NOx、SO2和粉塵排放受摻燒影響較小，現(xiàn)有煙氣凈化工藝可確保滿足燃煤煙氣超低排放要求；重金屬及其化合物等污染物濃度在摻燒污泥后普遍上升，最高提升了約3.6倍，但仍滿足相關(guān)排放要求；滿負(fù)荷工況下?lián)綗?0%污泥時(shí)，二噁英平均質(zhì)量濃度為0.021 ng/m3(以毒性當(dāng)量濃度TEQ計(jì))，滿足環(huán)保要求。

3)在摻燒10%生活污泥時(shí)，爐膛平均溫度僅下降15 ℃，熱效率降幅低于0.5%，影響并不顯著。另外，灰熔融溫度明顯降低，會(huì)增大受熱面結(jié)渣積灰和腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，需考慮采取防腐等措施；風(fēng)煙系統(tǒng)各級(jí)風(fēng)機(jī)受摻燒污泥影響較小，適當(dāng)調(diào)整后均能夠正常運(yùn)行。