垃圾焚燒發(fā)電廠協(xié)同處置市政污泥應用研究

張偉，趙樹明

（1.北京首鋼生態(tài)科技有限公司，北京 102300；2.廊坊首鋼盛業(yè)生物質(zhì)能源有限公司，河北 廊坊 065600）

引言

隨著“十三五”期間垃圾焚燒設施的大規(guī)模建設，當前各地垃圾焚燒發(fā)電廠普遍面臨“吃不飽”的現(xiàn)象，而城市污水處理廠市政污泥的處置需求卻逐漸增大，因地制宜成為緩解垃圾焚燒發(fā)電廠產(chǎn)能缺少與市政污泥處置量大這一矛盾的重要原則。利用現(xiàn)有垃圾焚燒設施協(xié)同處置市政污泥，在實現(xiàn)污泥無害化處理的同時，可充分利用垃圾焚燒廠產(chǎn)能缺口，降低社會投資，符合節(jié)能減排和循環(huán)經(jīng)濟的理念。受引入市政污泥給垃圾焚燒發(fā)電廠的運行組織、操作調(diào)整帶來的一定影響，本文從實際生產(chǎn)角度出發(fā)，探究了實現(xiàn)垃圾焚燒發(fā)電廠協(xié)同處置市政污泥穩(wěn)定運行的適宜方法。

1 垃圾焚燒發(fā)電廠協(xié)同處置市政污泥研究背景及意義

伴隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活水平雖日益變好，但工業(yè)廢水和市政生活污水的排放量卻日益增加，且由于傳統(tǒng)的污水處理工藝通常采用活性污泥的生物處理技術(shù)，因此在城市污水處理的過程中會產(chǎn)生一些污泥。伴隨著廢水量的不斷增多，污泥產(chǎn)生量也隨之顯著增多[1]。由于污泥含水量高、易腐爛、有強烈臭味，同時含有大量病原菌、寄生蟲卵、重金屬和多種難以降解的有毒有害物質(zhì)，因此市政污泥若得不到及時有效處理，極易對地下水、土壤等造成二次污染[2]。

本研究立足于生活垃圾焚燒發(fā)電廠協(xié)同處置市政污泥的具體工程實例，針對實際生產(chǎn)運行中出現(xiàn)的問題，詳細討論優(yōu)化原有處置工藝，改善混合、焚燒等環(huán)節(jié)，結(jié)合理論分析及實際運行效果，對原有污泥輸送系統(tǒng)進行必要的工藝改造，在確保污泥穩(wěn)定、環(huán)保處置的前提下，提高垃圾焚燒爐摻燒污泥的比例，確定各階段最佳工藝運行參數(shù)，完善污泥處置整體工藝流程，以實現(xiàn)環(huán)保、經(jīng)濟效益的最大化。

2 市政污泥直接摻燒式協(xié)同處置工藝及存在的問題

本研究選取北京市設計處理能力為3000t/d的某生活垃圾焚燒發(fā)電廠為研究對象，分析市政污泥直接卸入垃圾焚燒發(fā)電廠垃圾池協(xié)同處置工藝、處置效果，為市政污泥的安全快速高效處置提供新途徑。

2.1 市政污泥直接摻燒式協(xié)同處置工藝分析

進入北京市某生活垃圾焚燒發(fā)電廠的生活垃圾均由垃圾車直接卸在垃圾池內(nèi)，通過垃圾吊與垃圾池內(nèi)生活垃圾混合發(fā)酵以提高熱值。然后，利用垃圾吊的液壓抓斗，污泥由垃圾池進入垃圾落料槽，并在推料器的推送下進入爐膛，落在傾斜的爐排上，取自垃圾池的一次風從爐排下部鼓入。此時，在爐排的作用下，不斷地翻滾、攪拌污泥，完成干燥、著火、燃燒和燃盡過程，爐渣經(jīng)排渣機排出爐外。最后，污泥燃燒產(chǎn)生的熱煙氣經(jīng)余熱鍋爐換熱后由尾部煙道引出，進入煙氣凈化系統(tǒng)，水冷壁、余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)主蒸汽管道進入汽輪發(fā)電機，推動機組發(fā)電，乏蒸汽經(jīng)空冷島冷卻后產(chǎn)生凝結(jié)水，回收循環(huán)利用。

煙氣凈化采用“SNCR 脫硝+半干法脫酸+干法脫酸+活性炭噴射吸附+布袋除塵+SCR脫硝”的工藝，煙氣達標處理后經(jīng)煙囪排入大氣。滲瀝液處理采用“調(diào)節(jié)池+中溫厭氧+MBR（含兩級反硝化硝化池）+納濾+兩級反滲透+濃水MVR 蒸干或浸沒燃燒蒸干”的工藝，飛灰、爐渣委托有資質(zhì)的第三方企業(yè)進行安全處置。

焚燒爐采用4 臺750t/d 日本三菱—馬丁逆推往復式機械爐排爐，設計垃圾低位熱值為1300～2300kcal，每臺焚燒爐設有6 列推料器，液壓驅(qū)動，可通過設置推料器的行程及速度調(diào)整給料動作。爐排共6 列13 級，傾斜角度為26°，爐排速度可通過液壓缸油流量來調(diào)節(jié)。每臺焚燒爐設有2 臺除渣機，爐渣滾筒的速度可通過改變爐渣滾筒計時器來調(diào)節(jié)。一次風從爐排下部鼓入，共設有4 個風室，由擋板控制各風室風量。二次風從爐膛二次風噴嘴送入爐膛內(nèi)，提供足夠的燃燒空氣對垃圾中的氣化產(chǎn)物進行燃燒，同時加強燃燒氣流的擾動，提高燃燒強度和效率，一次風、二次風均可加熱至230℃。鍋爐為單汽包自然循環(huán)水管鍋爐，微負壓運行，按煙氣流向分別為主爐膛、U 型（第二、三）燃燼室、屏式受熱面（蒸發(fā)器）、過熱器及省煤器。

污泥協(xié)同焚燒主要是在850～1100℃的高溫條件下，與氧氣接觸發(fā)生熱解過程和燃燒過程，污泥中的有機成分被燃燒氧化，燃燒過程中污泥內(nèi)的C、H、S 等元素發(fā)生氧化反應，釋放出大量的熱能。污泥與生活垃圾焚燒過程類似，焚燒過程主要分為污泥干燥、焚燒過程和燃盡過程3 個階段，污泥與垃圾進行混合后一同入爐摻燒，在干燥段污泥和垃圾一同在熱風作用下表水分得到干燥，之后進入焚燒段參與燃燒，與垃圾一同燃盡后排入渣井。

2.2 市政污泥直接摻燒式協(xié)同處置工藝存在的問題

根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)來看，市政污泥由運輸車輛直接卸入垃圾池內(nèi)混合，再由垃圾吊抓取入爐焚燒，協(xié)同處置市政污泥的技術(shù)路線總體可行，但也存在問題。

2.2.1 污泥和生活垃圾混合效果差燃燒不徹底

局部污泥過多，造成焚燒爐內(nèi)的燃燒不徹底，爐渣熱灼減率上升，甚至導致焚燒爐出生料。污泥在推料器上經(jīng)高溫烘烤后容易形成硬殼，造成推料器下料不暢，焚燒爐爐溫下降?！渡罾贌廴究刂茦藴省罚℅B 18485-2014）要求焚燒爐渣熱灼減率低于5%，爐膛溫度不得低于850℃，污泥與生活垃圾混合不佳將在一定程度上增加了焚燒爐運行調(diào)整的難度。

2.2.2 垃圾池排水箅子易被堵塞入爐垃圾熱值降低

垃圾焚燒發(fā)電廠垃圾池排水篦子通常設在卸料門一側(cè)，實際運行中，當運輸車輛直接將大量污泥卸入垃圾池內(nèi)時，污泥容易堵塞垃圾池排水篦子。如果排水篦子堵塞后不能及時疏通，又會造成垃圾池內(nèi)滲瀝液外排不暢、滲瀝液水位上升等問題，導致入爐垃圾含水率增加，垃圾熱值降低，造成爐膛溫度下降，影響焚燒爐工況和發(fā)電效率。但由于疏通排水篦子需要進入滲瀝液收集通道，且滲瀝液收集通道屬于有限空間，區(qū)域內(nèi)有毒有害氣體、可燃氣體濃度高，因此作業(yè)過程存在安全隱患。

2.2.3 滲瀝液中懸浮物增加影響后端水處理系統(tǒng)

由于垃圾吊無法將污泥與生活垃圾均勻混合布料，因此會造成部分污泥直接進入滲瀝液系統(tǒng)。根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)，摻燒前滲瀝液調(diào)節(jié)池內(nèi)懸浮物（SS）為30000～35000mg/L，摻燒30d 后，調(diào)節(jié)池SS 增加至42000mg/L，而SS 的增加將加大厭氧罐的運行負荷，縮短厭氧罐連續(xù)運行周期，不僅會帶動MBR 膜池內(nèi)污泥濃度上升，還會造成膜絲斷裂。

2.2.4 直接混合摻燒比例低處置規(guī)模難以擴大

由于存在上述問題，垃圾焚燒發(fā)電廠須嚴格控制污泥摻燒的比例。根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)，每日3000t 生活垃圾入爐僅能摻燒60t 市政污泥，摻燒比例僅為2%，因此市政污泥直接摻燒式協(xié)同處置規(guī)模難以擴大，經(jīng)濟效益不能得到有效提高。

3 改造為市政污泥霧化噴入垃圾池協(xié)同處置工藝

市政污泥霧化噴入垃圾池協(xié)同處置工藝，是對市政污泥直接摻燒式協(xié)同處置工藝的優(yōu)化改造與提升。一是對污泥接入環(huán)節(jié)進行了改造，由原來運輸車輛將污泥直接卸入垃圾池，轉(zhuǎn)變?yōu)檫\輸車輛將污泥卸入污泥儲存?zhèn)}，進而通過柱塞泵及污泥管道輸送至垃圾池，避開垃圾卸料門，送入靠近垃圾池內(nèi)靠近料斗一側(cè)，避免污泥堵塞排水篦子或進入滲瀝液系統(tǒng)。二是改善混合環(huán)節(jié)，在污泥輸送管道的末端設置了污泥噴槍，利用壓縮空氣將污泥霧化后噴入垃圾池內(nèi)，從根本上解決污泥混合這一問題。三是在運行操作層面，優(yōu)化焚燒爐運行控制，通過合理調(diào)整推料器行程、速度及給料間隔確保推料器的穩(wěn)定運行；優(yōu)化焚燒爐配風、爐排動作等運行參數(shù)，確保煙氣、爐渣、爐膛溫度等滿足國家及北京市的環(huán)保標準，提高污泥摻燒比例。

4 案例生活垃圾焚燒發(fā)電廠的市政污泥協(xié)同處置工藝改造

北京市某生活垃圾焚燒發(fā)電廠結(jié)合市政污泥霧化噴入垃圾池協(xié)同處置工藝流程，對該生活垃圾焚燒發(fā)電廠市政污泥協(xié)同處置工藝進行了相應的技術(shù)改造。

4.1 優(yōu)化污泥儲存與輸送

優(yōu)化改造后設置了由平底倉、液壓滑架、液壓倉蓋、超聲波料位計等組成的100m3的污泥儲存料倉，其中自動液壓倉蓋為平開式，尺寸設計為3500mm×2500mm，入料口處設置鋼制隔柵，隔柵開口為150mm×240mm，避免石塊等硬質(zhì)物進入料倉損壞設備。同時，污泥儲存料倉設有高低位報警，使儲存料倉內(nèi)始終保持合適的料位，并在底部設2 個滑架，采用液壓驅(qū)動攪拌污泥，方便污泥下料；污泥通過雙軸螺旋輸送機進入柱塞泵，使污泥在輸送機內(nèi)進行充分攪拌混合均勻；輸送機采用變頻控制，可根據(jù)垃圾池情況實時調(diào)節(jié)污泥量；柱塞泵的泵送量為0～10m3/h，1 用1 備，最大輸送量可達200m3/d 以上。

4.2 增設污泥霧化設備

提高污泥與生活垃圾混合效果的關(guān)鍵在于污泥的霧化，針對市政污泥的特點北京市某生活垃圾焚燒發(fā)電廠市政污泥協(xié)同處置工藝設計了專門的污泥噴槍。污泥被壓力管道輸送至料虹組件入口處，進入一級文丘管被收縮、瓶頸、擴散，在負壓處吸入經(jīng)氣虹組件中文丘管的壓縮空氣，形成空氣、污泥混合物后，再次被壓送至料虹組件中的二級文丘管中被收縮、瓶頸，由擴散端噴出。改造完成后，在每個垃圾池長度方向上設置了4 臺污泥噴槍，污泥經(jīng)霧化后可均勻噴灑在噴槍下的垃圾上，同時通過順序控制，調(diào)整各噴槍的噴射時間與噴射間隔，使污泥均勻覆蓋整個垃圾平面。

4.3 調(diào)整焚燒爐的運行

生活垃圾焚燒發(fā)電廠要求入爐生活垃圾的含水率在50%～60%，而與生活垃圾相比市政污泥的含水率較高，一般在70%～80%，與生活垃圾混合后，容易使垃圾粘連、抱團，因而必須對焚燒爐的運行控制參數(shù)做出針對性調(diào)整，確保其連續(xù)穩(wěn)定運行。另外，在污泥自身性質(zhì)穩(wěn)定的條件下，在污泥焚燒過程中控制好焚燒爐內(nèi)的焚燒條件，如停留時間、爐內(nèi)溫度、空氣含量等工藝條件，也是提高污泥摻燒率與保證焚燒爐穩(wěn)定運行的重要因素[3]。

4.3.1 焚燒爐控制參數(shù)調(diào)整

生活垃圾焚燒系統(tǒng)摻燒污泥不僅僅是工藝技術(shù)或設備的問題，更是垃圾焚燒系統(tǒng)運營管理優(yōu)化的問題。生活垃圾混入污泥后，與純生活垃圾相比，更易結(jié)塊、粘連，因此必須通過合理調(diào)整推料器行程、速度及給料間隔確保推料器的穩(wěn)定運行，優(yōu)化焚燒爐配風、爐排動作等運行參數(shù)，確保煙氣、爐渣、爐膛溫度等滿足現(xiàn)行的國家及北京市環(huán)保標準。

4.3.1.1 提高推料器行程

按照“垃圾較輕采用較長的行程，垃圾較重采用較短的行程”，通過控制推料器行程和速度可控制爐排上垃圾的供給量，避免行程太短的垃圾不能順利落下問題，以及行程太長的垃圾突然大量落下的現(xiàn)象。一般來說，如果推料器在運行，但垃圾不能落在爐排上，應延長推料器行程；如果垃圾大量落下，則應縮短推料器的行程。此外，摻燒污泥后，垃圾易粘連，增大推料器上的阻力，對于北京市某生活垃圾焚燒發(fā)電廠采用的三菱馬丁爐，可將推料器行程提高至300～350cm，同時匹配合適的爐排速度。

4.3.1.2 優(yōu)化焚燒爐配風

污泥與生活垃圾相比不易燒透，在運行中須根據(jù)爐膛氧量（6%～9%）、一氧化碳含量（小于55mg/m3）、爐膛溫度（1050℃左右）、火焰顏色及焚燒爐出渣情況動態(tài)調(diào)整一次風。摻燒污泥后，須提高一次風的風量，可采取“富氧燃燒”的方式，根據(jù)運行經(jīng)驗，一次風的總風壓應保持在4.5kPa 以上，以保證一次風可正常穿透垃圾料層。同時，將火線遷移，提高爐排下第一風室的風量，風室擋板開度可提高至70%（單燒生活垃圾時開度為20%），以縮短干燥段長度，延長燃燒段長度。爐膛氧量在任何條件下都不得低于6%，以保證足夠的過量空氣系數(shù)。此外，也可將一次風溫度提高10～20℃以保證燃燒效果，如夏季可將一次風溫度設置為180℃，冬季可將一次風溫度設置為210℃。

4.3.2 控制污泥焚燒影響因素

4.3.2.1 合理調(diào)整停留時間

由于污泥焚燒主要包括污泥干燥、焚燒和燃盡過程3 個階段，因而污泥的停留時間理論上要長于這3 個階段花費的總時間，同時還要滿足固體廢物在燃燒室中的停留時間，以保證達到完全焚燒。綜合考量，停留時間越長，污泥焚燒的就越徹底，但考慮到經(jīng)濟性的問題，還必須有一個合理的焚燒停留時間，并在能完成污泥焚燒的前提下降低停留時間[4]。

4.3.2.2 控制燃燒溫度

燃料只有達到著火溫度，才能與氧反應燃燒。而著火溫度又是在氧氣存在下可燃物開始燃燒必須達到的最低溫度，因此燃燒室溫度必須保持在燃料起燃溫度以上。結(jié)合實際情況，北京市某生活垃圾焚燒發(fā)電廠的市政污泥與生活垃圾協(xié)同處置的焚燒溫度，應控制在850～950 ℃。

4.3.2.3 空氣的混合程度

焚燒爐中氧氣的含量越高，表明生活垃圾與污泥的混合程度越均勻，污泥的燃燒速度就越快，燃燒效果就越好。在實際焚燒中，常用實際空氣量與理論空氣量的比值，即過剩空氣系數(shù)，來表示燃燒固體與空氣的混合程度。但在操作過程中，為了讓污泥完全燃燒，往往還會進行二次送風，送入比理論空氣量更多的助燃空氣量，以提高焚燒爐中的流場湍流度，改善傳質(zhì)與傳熱效果。同時，需要注意的是如果助燃空氣過剩系數(shù)太高，不僅會降低爐溫，還會影響生活垃圾與污泥協(xié)同焚燒的效果[5]，因此需合理控制助燃空氣通入量，實現(xiàn)生活垃圾、污泥與空氣合理混合，讓生活垃圾與污泥協(xié)同焚燒更徹底。

4.4 運行情況

“污泥管道輸送+噴入垃圾池”的混合工藝極大地改善了北京市某生活垃圾焚燒發(fā)電廠市政污泥與生活垃圾協(xié)同處置的混合效果，解決了污泥堵塞垃圾池排水篦子或進入滲瀝液系統(tǒng)的問題。同時，通過強化焚燒爐運行控制，市政污泥的處置能力由60t/d 提高至300t/d，摻燒比例由2%提高至10%，并在保證各項環(huán)保指標達標的前提下，提升了社會效益與企業(yè)自身的經(jīng)濟效益。

結(jié)論

綜上所述，結(jié)合生活垃圾焚燒發(fā)電廠實際生產(chǎn)過程中在市政污泥協(xié)同處置方面遇到和需要解決的問題，通過對原有生活垃圾焚燒摻燒污泥混合環(huán)節(jié)和焚燒爐運行控制環(huán)節(jié)的進一步改造和優(yōu)化，從工藝角度利用污泥霧化技術(shù)實現(xiàn)生活垃圾與污泥的充分混合，從實操角度優(yōu)化給料器、爐排動作參數(shù)及焚燒爐配風，提高污泥摻燒比例，同時確保煙氣、爐渣等各項指標滿足現(xiàn)行的國家及北京市環(huán)保標準，實現(xiàn)了污泥與生活垃圾協(xié)同焚燒處置的穩(wěn)定化、減量化、無害化和資源化，協(xié)同比例由2%提高到了10%，為市政污泥的長期穩(wěn)定協(xié)同處置提供了思路及技術(shù)指導。而利用在運生活垃圾焚燒發(fā)電廠直接協(xié)同處置城市污泥，并與生活垃圾共用焚燒設備及煙氣凈化等公用設施，只需增加污泥輸送系統(tǒng)設備，優(yōu)化混合、焚燒等運行環(huán)節(jié)，與建立單獨的污泥干化焚燒設施相比，不僅可大大降低建設及運營維護成本，還能實現(xiàn)市政污泥的安全快速高效處置，具有重大的現(xiàn)實意義。