燃煤機(jī)組耦合污泥發(fā)電技術(shù)

　　城鎮(zhèn)污泥雖然富含有機(jī)質(zhì)和各類營(yíng)養(yǎng)元素，但同時(shí)也含有大量病原菌、寄生蟲卵、重金屬、多環(huán)芳烴等有毒有害物質(zhì)。污泥的處理技術(shù)主要包括污泥干化、濃縮脫水、厭氧消化、好氧發(fā)酵等，污泥的處置方式主要包括填埋、土地利用、建材利用、焚燒以及其他。

　　目前，發(fā)達(dá)國(guó)家污泥處置技術(shù)相對(duì)成熟，法律體系亦較完善。歐洲地區(qū)污泥處置從土地利用和填埋逐步發(fā)展到焚燒，北美地區(qū)污泥處置一直以農(nóng)用和焚燒為主，而日本污泥處置受土地限制主要以焚燒后建材利用為主。表1為國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家污泥主要處理方法。

　　我國(guó)城鎮(zhèn)污泥處理以土地填埋為主，各主要城市填埋場(chǎng)均已接近飽和，逐漸形成了“污泥圍城”現(xiàn)象。隨著城市環(huán)保政策的日益嚴(yán)格，會(huì)逐步降低城鎮(zhèn)污泥直接填埋處理的比例。同時(shí)由于大多市政的工業(yè)和生活污水共用同一管網(wǎng)，導(dǎo)致污泥中各種重金屬含量較高，土地利用受到限制。相比之下，污泥焚燒不僅能消滅有害物質(zhì)，而且將大幅減小污泥體積，能夠?qū)崿F(xiàn)污泥的無(wú)害化處理，是最具前景的污泥處置方式之一。

　　燃煤機(jī)組耦合污泥發(fā)電作為一種污泥焚燒利用形式，具有處理能力大、適應(yīng)性強(qiáng)、系統(tǒng)效率高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到了廣泛的關(guān)注。國(guó)家能源局在2017年提出“重點(diǎn)在直轄市、省會(huì)城市、計(jì)劃單列市等36個(gè)重點(diǎn)城市和垃圾、污泥產(chǎn)生量大，土地利用較困難或空間有限，以填埋處置為主的地區(qū)，優(yōu)先選取熱電聯(lián)產(chǎn)煤電機(jī)組，布局燃煤耦合垃圾及污泥發(fā)電技改項(xiàng)目”，并首批批準(zhǔn)了42個(gè)污泥耦合發(fā)電示范項(xiàng)目。

　　1、污泥干化

　　大多數(shù)城市污水處理廠濃縮脫水后的污泥中全水在80%左右，需要對(duì)污泥進(jìn)行干化處理，將全水降至40%以下，使污泥由流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為顆粒狀或粉狀，通過(guò)輔助燃料或外來(lái)熱量才能實(shí)現(xiàn)燃燒。

　　污泥的干化技術(shù)主要有熱干化、自然干化或太陽(yáng)能干化、生物干化、加鈣干化等。熱干化是目前比較成熟的污泥干化技術(shù)，可以分為直接干化、間接干化、直接-間接聯(lián)合干化等。直接干化是通過(guò)向干化設(shè)備提供熱煙氣或熱風(fēng)等干燥熱源，使污泥與干燥熱源直接接觸，使污泥中水分吸熱蒸發(fā)，污泥外部水分揮發(fā)，而內(nèi)部水分在水分梯度推動(dòng)力的作用下，從內(nèi)向外傳遞，然后在污泥表面釋放;間接干化是采用蒸汽或?qū)嵊偷茸鳛闊嵩赐ㄟ^(guò)加熱管與污泥間接接觸，通過(guò)傳熱使污泥水分在接觸表面因受熱而蒸發(fā)，同時(shí)溫度梯度推動(dòng)污泥水分從接觸面向空氣傳遞，在污泥表面進(jìn)行釋放;直接間接聯(lián)合干化是直接接觸加熱和間接接觸加熱兩種方式相結(jié)合的干化技術(shù)，如流化床干化技術(shù)。

　　污泥的干化過(guò)程不僅有水分的蒸發(fā)，還伴隨著污染物惡臭氣體的釋放，主要包括含硫氣體H2S、SO2、COS、CS2、CH3SH等(其中H2S、SO2占82.4%)、少量含氮?dú)怏wNH3、HCN、NOx等以及其他揮發(fā)性有機(jī)物，如果直接排放會(huì)造成巨大危害。因此，污泥干化的同時(shí)還需同步考慮惡臭氣體的無(wú)害化處理。研究表明，污泥調(diào)理技術(shù)和低溫干燥能降低污泥干化過(guò)程中污染物的釋放。

　　2、污泥主要煤質(zhì)指標(biāo)

　　表2為典型污泥及干化污泥與典型煤種的主要煤質(zhì)參數(shù)對(duì)比。

　　由表2可以看出：污泥及干化污泥的灰熔點(diǎn)較低，與國(guó)內(nèi)典型褐煤和侏羅紀(jì)煙煤接近;濕污泥的全水普遍在80%左右，干燥無(wú)灰基揮發(fā)分在90%左右，收到基低位發(fā)熱量基本為負(fù);干化污泥的水分降低，灰分增加，熱值升高;污泥的全水Mt降低至40%以下，基本與國(guó)內(nèi)年輕褐煤接近，但揮發(fā)分仍明顯偏高;干化污泥整體上屬于高水分、高灰分、高揮發(fā)分、低熱值、嚴(yán)重結(jié)渣燃料。

　　3、燃煤機(jī)組耦合污泥發(fā)電工藝

　　燃煤機(jī)組耦合污泥發(fā)電技術(shù)主要利用機(jī)組的熱煙氣或蒸汽作為熱源，采用直接干化或者間接干化工藝對(duì)污泥進(jìn)行干化處理后摻燒發(fā)電。燃煤機(jī)組耦合污泥發(fā)電主要工藝包括污泥直接摻燒、煙氣直接干化污泥和蒸汽間接干化污泥耦合發(fā)電。

　　3.1 污泥直接摻燒

　　圖1為污泥直接摻燒耦合發(fā)電工藝流程。污水處理廠污泥經(jīng)罐車輸送至電廠污泥池，污泥通過(guò)污泥池底部隔離閥、啟動(dòng)液壓滑架使污泥落入底部預(yù)壓螺旋輸送機(jī)，通過(guò)預(yù)壓螺旋輸送機(jī)將污泥送至活塞泵內(nèi)，由活塞泵增壓后，通過(guò)管道送至循環(huán)流化床(CFB)鍋爐燃燒，或在輸煤皮帶上方落料口使污泥平鋪在原有煤層上(煤粉鍋爐)。

　　污泥直接摻燒耦合發(fā)電技術(shù)直接、簡(jiǎn)單，設(shè)備投資及運(yùn)行維護(hù)最小，適用于污泥摻燒量低于200t/d的鍋爐。由于污泥未進(jìn)行干化處理，可以有效避免惡臭氣體的產(chǎn)生，但高水分的污泥在上煤皮帶上與煤摻混時(shí)要盡量均勻，避免因混合不均造成某一時(shí)間內(nèi)高水分污泥大量進(jìn)入制粉系統(tǒng)造成堵塞或者干燥出力不足，從而對(duì)鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。

　　3.2 煙氣直接干化污泥

　　圖2為煙氣直接干化污泥耦合發(fā)電工藝流程。該工藝采用鍋爐高溫低氧煙氣作為熱源對(duì)污泥進(jìn)行干化，干化后的污泥通過(guò)料倉(cāng)送入磨煤機(jī)內(nèi)與煤摻混，干化后的煙氣(含污泥蒸發(fā)的水分以及惡臭氣體)通過(guò)獨(dú)立管道送入鍋爐爐膛上部燃燒或尾部污染物處理系統(tǒng)。

　　鍋爐爐膛高溫環(huán)境可以消解污泥中的有毒有害物質(zhì)和干化過(guò)程中產(chǎn)生的惡臭氣體，鍋爐配備的脫硫脫硝除塵設(shè)備可以完全滿足污泥燃燒后的排放要求。但如果污泥摻燒比例太高，所需煙氣量較大，則可能對(duì)鍋爐熱力系統(tǒng)產(chǎn)生影響，造成汽溫不足。因此，該工藝的選取需要結(jié)合機(jī)組熱力計(jì)算綜合確定。

　　3.3 蒸汽間接干化污泥

　　圖3為蒸汽間接干化污泥耦合發(fā)電工藝流程。

　　該工藝采用機(jī)組汽輪機(jī)抽汽作為熱源，在污泥干化設(shè)備內(nèi)與污泥間接接觸換熱，蒸汽放熱變?yōu)槟Y(jié)水后返回機(jī)組汽水系統(tǒng)，污泥干化后經(jīng)過(guò)降溫進(jìn)入污泥干化倉(cāng)送至煤場(chǎng)或上煤皮帶與煤摻混后送入制粉系統(tǒng)。污泥干化過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣經(jīng)除塵器除去大部分固體顆粒，再進(jìn)入冷凝器與冷卻水換熱，不凝結(jié)廢氣經(jīng)風(fēng)機(jī)送入鍋爐焚燒，凝結(jié)廢水送入廢水處理廠進(jìn)行處理后達(dá)標(biāo)排放。蒸汽間接干化污泥耦合發(fā)電工藝對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響小，特別是污泥摻燒比例較大時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯，但對(duì)凝結(jié)廢水處理難度大，而且系統(tǒng)較為復(fù)雜，投資成本較高。

　　3.4 不同污泥耦合發(fā)電工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

　　表3為3種主要的燃煤機(jī)組耦合污泥發(fā)電工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。由表3可以看出，污泥直接摻燒、煙氣直接干化污泥以及蒸汽間接干化污泥耦合發(fā)電技術(shù)工藝各具特點(diǎn)，均具有其技術(shù)可行性和適用范圍，具體應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)匚勰嗵幚砹俊綗?、機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況以及與污泥摻燒量的匹配性等進(jìn)行綜合分析確定。

　　4、耦合污泥發(fā)電對(duì)機(jī)組的影響

　　4.1 污染物排放

　　污泥摻燒會(huì)對(duì)鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響。實(shí)驗(yàn)研究表明，對(duì)于CFB鍋爐，適當(dāng)提高爐膛溫度和降低干化污泥的水分，有利于控制NOx以及丙烷等有機(jī)污染物生成。摻燒試驗(yàn)表明：干化污泥摻燒比例增加1%，爐內(nèi)溫度降低約5℃，鍋爐效率降低0.78%，煙氣中NOx減少1.9%，HCl增加3.33%;污泥摻燒比例不超過(guò)15%，排煙中污染物NOx、Hg、二?f英等均不超標(biāo)。實(shí)驗(yàn)及模擬研究表明：對(duì)于煤粉鍋爐，污泥摻燒比例在一定范圍內(nèi)，混煤的燃燒特性與煤相似;但比例超過(guò)20%以后，入爐水分大幅增加會(huì)造成爐膛溫度場(chǎng)降低，燃盡效果變差，NOx質(zhì)量濃度大幅上升。摻燒試驗(yàn)表明：隨著污泥摻燒比例增加，主燃燒區(qū)溫度下降，爐膛出口飛灰含碳量上升，NOx增加;摻燒比例在20%以內(nèi)，鍋爐爐內(nèi)流動(dòng)、燃燒和污染物排放特性改變較小。

　　4.2 重金屬排放

　　城鎮(zhèn)污泥中含有Hg、As、Cu、Zn、Cd、Ni、Cr、Pb和Mn等有毒有害重金屬，這些重金屬在燃燒過(guò)程中不易揮發(fā)的部分會(huì)被固定從大渣排出，易揮發(fā)的部分被吸附在飛灰中被捕集或隨煙氣排放。研究結(jié)果表明：燃燒溫度與HCl會(huì)促進(jìn)重金屬向飛灰中遷移，大部分重金屬元素隨著溫度的升高殘留率降低;重金屬中Hg、As通常以氣態(tài)形式存在煙氣中，Pb、Cd通常以氣固兩相形式出現(xiàn)，而Cu、Cr和Zn等基本富集在底渣中;摻燒污泥會(huì)造成灰渣中重金屬含量有一定幅度的升高，但總體上，污泥摻燒比例通常在10%以內(nèi)，煙氣中主要污染物及重金屬濃度可以滿足現(xiàn)行國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)要求，灰渣也無(wú)需處理便可進(jìn)行綜合利用。

　　5、結(jié)論

　　1)燃煤機(jī)組耦合污泥發(fā)電是城鎮(zhèn)污泥減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化處理利用的有效途徑。

　　2)干化污泥屬于高水分、高灰分、高揮發(fā)分、低熱值、嚴(yán)重結(jié)渣燃料。污泥直接摻燒、煙氣直接干化污泥和蒸汽間接干化污泥耦合發(fā)電等工藝各具特點(diǎn)，均具有其技術(shù)可行性和適用范圍，具體應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)匚勰嗵幚砹俊綗?、機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況以及與污泥摻燒量的匹配性等進(jìn)行綜合分析確定。

　　3)只要污泥摻燒比例控制在10%以內(nèi)，燃煤機(jī)組可以摻燒污泥燃燒，而且鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定，飛灰大渣品質(zhì)變化不大，污染物及重金屬排放達(dá)標(biāo)。(來(lái)源：四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗(yàn)所，西安熱工研究院有限公司)