董亦華 錢軼晸

關(guān)鍵字：污泥；摻燒；影響因素；建議

引言

污泥是污泥處理廠在污水凈化過程中產(chǎn)生的一種含水率很高的絮狀泥粒，是一種介于液體和固體之間的濃稠物。它實際是由多種微生物形成的菌膠團及其吸附的有機物和無機物組成的集合體。除含有病原菌、寄生蟲（卵）、重金屬、難降解有機物等有毒有害物之外，污泥還含有豐富的N、P、K、Ca、有機物質(zhì)以及植物所必需的微量元素。污泥既是污染物，又是一種資源。將污泥視為一種資源加以有效利用，在治理污染的同時變廢為寶，實現(xiàn)污泥的資源化利用，具有顯著的環(huán)境和經(jīng)濟效益。

目前，我國城市污泥處理廠每年排放的污泥量正在以加快的速度增長，特別是在我國一、二線城市與地區(qū)，城市污泥處置問題已經(jīng)十分突出。如何妥善處置污泥，使其無害化、資源化已成為全球關(guān)注的課題。

目前污泥的處置方法主要有堆肥處理、衛(wèi)生填埋、農(nóng)用綠化、海洋傾倒、焚燒處理、建材利用等。由于污泥的含水率高、有機質(zhì)含量高、土力學(xué)性能差，給填埋操作帶來很大的困難，并引起填埋場環(huán)境惡化，污染地下水等問題。另外，污泥填埋占用大量土地。我國大部分使用的農(nóng)用污泥未經(jīng)穩(wěn)定化處理或未經(jīng)嚴格的堆肥處理，不能滿足農(nóng)用污泥標準，污泥中的病原體、寄生蟲卵和重金屬，以及腐蝕的有機質(zhì)引發(fā)土壤、水源等二次污染，并通過食物鏈不斷傳遞累積，危害人類健康。在許多國家和地區(qū)，人們堅決反對新建填埋場。美國環(huán)保局估計今后20年內(nèi)，美國6 500個填埋場中將有5 000個被關(guān)閉。瑞士從2003年開始禁止污水廠的污泥用于農(nóng)業(yè)，所有污水廠污泥都要進行焚燒處理。

焚燒可以大量減少污泥的體積，相對于機械脫水的污泥，焚燒后最終的體積只相當(dāng)于其體積的10%。其次，焚燒可以殺死一切病原體，一切有機物在燃燒過程中都將最大程度的被分解，病原體和細菌也不例外。通過高溫處理，在燃燒殘渣內(nèi)幾乎沒有病原體存在，焚燒技術(shù)成為了一項十分環(huán)保的污泥處置技術(shù)。

1 垃圾焚燒技術(shù)的主要問題及難點

污泥焚燒首先要將脫水污泥加溫干燥，用高溫氧化污泥中的有機物，使污泥成為少量灰燼。污泥焚燒可分為直接焚燒和混合焚燒兩種類型。直接焚燒是利用污泥本身有機物所含有的熱值，將污泥經(jīng)過脫水、干燥等處理后添加少量的助燃劑送入焚燒爐進行燃燒；混合焚燒是將污泥與煤或可燃固體廢棄物等混合燃燒，用于發(fā)電、制磚等。直接焚燒主要設(shè)備基本上是引進國外的干化或焚燒設(shè)備，設(shè)備一次性投資較大，運行費用高昂，一般企業(yè)難以承受。結(jié)合我國的實際狀況，污泥與火電廠煤粉鍋爐燃煤摻混燃燒的處理方法是比較可行的。

污泥焚燒現(xiàn)在國內(nèi)實際應(yīng)用還比較少,主要的應(yīng)用領(lǐng)域也限于小規(guī)模、特殊行業(yè)。大規(guī)模市政污泥焚燒技術(shù)的應(yīng)用開始于2004年建成運行的上海石洞口污泥處理廠污泥焚燒系統(tǒng)。除了引進技術(shù)，國內(nèi)部分科研單位也結(jié)合我國國情，在不同層面進行了相關(guān)技術(shù)及設(shè)備的研究和實驗,但基本上是基于國外技術(shù)基礎(chǔ)之上或僅針對焚燒過程進行較為深入研究,總體上還未形成適應(yīng)自身特點的成套工藝技術(shù)，其主要問題和難點存在于以下幾個方面：

1.1 污泥含水率對摻燒的影響

污泥含水量越多熱值越低(如表1)。要讓污泥焚燒利用，必須先將污泥干化到較低的含水率。污泥含水率過大與煤粉過濕的效果相同，可能會導(dǎo)致磨煤系統(tǒng)堵塞，嚴重時可能造成跳機事件。但要降低污泥的含水量，污泥干燥系統(tǒng)耗能將增加。所以干化污泥的最佳含水量是一個不易控制且值得慎重考慮的問題。

表1 含水率與熱值

1.2 污泥摻燒比例的確定

摻燒污泥比例較低，不會影響鍋爐的穩(wěn)定運行，對粉煤灰的綜合利用影響不大，也不會對鍋爐煙氣的達標排放產(chǎn)生影響。但在污泥與煤粉摻混后，燃料的特性將會與所添加的污泥量、污泥含水量及其性質(zhì)密切相關(guān)，從而影響鍋爐的燃燒工況。摻混污泥后燃料熱值降低，且污泥含水量增加也會降低燃料熱值，綜合燃燒特性指數(shù)較原煤也低，故燃燒狀況不如原煤。隨著污泥摻燒量的增加，輸入爐膛的總熱量逐漸降低，致使爐膛上部即煙氣出口溫度略有降低。由于污泥主要是有機物的分解及揮發(fā)分的燃燒，因此主要燃燒區(qū)域略向爐膛上部偏移，爐膛底部溫度會降低，導(dǎo)致整體溫度分布趨于不均勻，在鍋爐低負荷運行時，甚至可能因燃燒性能不好導(dǎo)致鍋爐熄火。因此，需要研究燃煤鍋爐在不同運行工況下，合適的污泥摻燒量和燃燒過程的優(yōu)化調(diào)整，使爐膛燃燒穩(wěn)定，達到最佳運行狀態(tài)。

1.3 飛灰與爐渣問題

污泥的灰分比一般的煤種大，干基的灰分可達40%～50%，摻燒污泥后煙氣流速和所含灰分會有增加，這些會加大受熱面的磨損率。由于煤樣與污泥成分上的差別，結(jié)渣渣樣的外形和顏色不同其表現(xiàn)出的性質(zhì)也不一樣。污泥的加入造成燃料中堿金屬含量增加，其化合物容易燒結(jié)。污泥本身是由多種微生物形成的菌膠團及其吸附的有機物和無機物組成的集合體，故在高低溫前提下都容易造成受熱面的腐蝕和結(jié)焦。需要研究隨著污泥摻燒量的變化，灰熔點的變化特性，以便掌握其對結(jié)渣、受熱面腐蝕及磨損的影響，為運行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

可燃物中的重金屬有兩種依存形式，一種是與有機物混合在一起的礦物質(zhì)形式，另一種是有機化合物的金屬核心形式。無論以何種形式存在，當(dāng)有機物在焚燒爐內(nèi)焚燒后，所含的重金屬都將釋放出來，并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。不可燃無機物中的重金屬，大部分存在于床料中而進入爐渣，或者由于焚燒爐中出現(xiàn)的過量空氣、湍流、真空等原因以夾帶的形式出現(xiàn)在煙氣中，形成飛灰顆粒。

重金屬在污泥焚燒后主要存在于灰渣和飛灰中，當(dāng)飛灰濃度的增加也會導(dǎo)致污泥中部分重金屬顆粒隨煙氣排入大氣。污泥混燒后爐排底部的漏渣有一定程度的增加，因此需要對爐排的間隙進行調(diào)整。需要測定飛灰及爐渣中未燃盡碳的含量、重金屬含量等，為燃燒效率、爐渣、飛灰特性及對環(huán)境影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.4 對鍋爐效率的影響

鍋爐效率反映了爐內(nèi)燃燒和傳熱過程的完善程度，摻燒污泥后使電廠原鍋爐運行偏離設(shè)計工況。污泥摻燒會導(dǎo)致排煙熱損失和飛灰中碳的不完全燃燒熱損失增大，使鍋爐效率降低并在一定程度上降低鍋爐的出力。構(gòu)建污泥特性、摻燒量及運行工況對鍋爐效率、出力的影響關(guān)系，為煤粉爐進行污泥摻燒提供技術(shù)支持是非常必要的。

1.5 煙氣處理的問題

污泥與煤粉摻燒也會對鍋爐的正常安全運行帶來影響。如焚燒過程中會產(chǎn)生二次污染物包括有害氣體(如CO、HC、SO2等)、廢渣等。但通過合理的焚燒和適當(dāng)?shù)臒煔馓幚?，可有效避免及消除二次污染；如果采用合適的焚燒方式和恰當(dāng)?shù)姆贌龡l件，將有助于減少重金屬在焚燒過程中向環(huán)境中排放；如果能在污泥焚燒過程中使大部分重金屬盡可能地保留在焚燒底灰中，而盡可能地減少隨飛灰排放到環(huán)境中，將會十分有利于污泥焚燒技術(shù)的應(yīng)用。

1.6 有關(guān)二噁英的研究

污泥中存有大量氯基物質(zhì)，俗稱為二噁英，且是超標存在的。當(dāng)焚燒溫度在550℃～700℃時會迅速(0.1s～0.2s)產(chǎn)生大量的二噁英。大型污泥焚燒過程的研究結(jié)果表明：25%～90%的二噁英在焚燒的高溫?zé)煔?87℃～643℃生成，當(dāng)焚燒煙氣達到850℃以上超過2s時，聚合物的反應(yīng)速度遠小于二噁英的分解速度，其分解率可達98%以上。污泥作為燃料在20m～40m區(qū)域送入爐膛內(nèi)部。燃燒溫度遠大于850℃，以煙氣最大流速12m/s計算，污泥入爐開始燃燒停留在850℃以上區(qū)域遠大于2s，根據(jù)二噁英控制措施，已達到完全燃燒的條件，基本可以遏制二噁英大量生成。燃燒中實時監(jiān)測二噁英的含量，保證煙氣符合排放標準。

2 電廠污泥摻燒關(guān)鍵影響因素及實例分析

隨著城市污水處理率的提高，污泥產(chǎn)量也不斷增加，污泥的處置問題愈加突出。這些數(shù)量巨大的污泥將成為未來城市急需處理的難題。

某污泥干化協(xié)同發(fā)電項目技術(shù)方案中，污泥處理廠的干化污泥將運送至電廠進行摻燒處理。污泥處理廠的干化污泥采用密閉汽車運至廠內(nèi)。入廠污泥為含水率20%～33%的干化污泥，溫度約為40℃～50℃。

污泥分析資料（空干基）見表2-1，污泥灰分及灰熔點資料見表2-2。在計算污泥摻燒對鍋爐系統(tǒng)的影響時，污泥成分按折算至30%含水率考慮。

表2-1 污泥分析資料

表2-2 污泥灰分及灰熔點資料

表2-3 2017年1月～7月污泥分析數(shù)據(jù)的平均值

污泥處理廠一、二期污泥處置工程的污泥處理量288.5 tDS/d，檢修期初步定在每年的1月，11月，12月的冬季高負荷期間。電廠污泥摻燒量均按日平均污泥量為223tDS/d設(shè)計，折算至30%水分的污泥量約320t/d。

在分析和測算了污泥摻燒對鍋爐系統(tǒng)的影響后，得出結(jié)論如下：

(1)對燃燒制粉系統(tǒng)的影響

按照電廠污泥摻燒量320 t/d，每天都有污泥摻燒，年摻燒總量為320×365=116800t；鍋爐年利用小時數(shù)按5 000h，則折算至鍋爐利用小時摻燒污泥量為：116800÷2÷5000=11.68(t)；如果按照實際負荷計算，考慮兩臺機組同時運行，則小時污泥摻燒量為：320÷2÷24=6.7(t)。

按單臺機組每小時燃燒污泥約11.68t，同現(xiàn)有BMCR工況下燃煤小時耗量349.9t（設(shè)計煤種）相比，增加燃料量3.33%（按質(zhì)量比例）。

現(xiàn)有磨煤機的出力選擇是根據(jù)5臺磨在鍋爐100%BMCR運行時所需燃煤量的120%（設(shè)計煤種）。磨煤機具有一定裕量，能夠滿足本次摻燒要求。

根據(jù)核算，給煤機能夠滿足本次摻燒要求。

按其他工程同類磨煤機技術(shù)協(xié)議，制粉系統(tǒng)單位功耗約為9.5kWh/t。由于污泥可磨指數(shù)數(shù)據(jù)暫缺，本文暫按單位功耗9.5kWh/t估算，計算得到本次單臺機組制粉電耗增加值約80kW。

對于煙風(fēng)系統(tǒng)，參照DL/T 5240-2010《火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設(shè)計計算技術(shù)規(guī)程》計算，并按照爐膛出口過剩空氣系數(shù)1.2和空預(yù)器漏風(fēng)率6%計算，得到BMCR工況下?lián)綗?1.68t/h污泥所取的空氣量和煙氣量參數(shù)如下（煙氣量計算至爐膛出口）：

式中,αL=La表示光在微環(huán)諧振腔內(nèi)傳播一周的損耗,L為微環(huán)周長,a為損耗系數(shù)表示光在微環(huán)諧振腔內(nèi)傳播一周相位變化,λ表示傳輸波長,neff表示微環(huán)諧振腔的有效折射率。

按照《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》要求，一次風(fēng)機的風(fēng)量裕量宜為20%～30%，風(fēng)機壓頭裕量宜為20%～30%；送風(fēng)機的風(fēng)量裕量宜不低于5%，風(fēng)壓裕量宜不低于15%；引風(fēng)機的風(fēng)量裕量不宜低于10%，風(fēng)壓裕量不宜低于20%。目前電廠采用了管式GGH系統(tǒng)，引風(fēng)機入口的煙氣溫度穩(wěn)定在90℃以下，引風(fēng)機的容積流量尚具有一定的裕量。原有機組三大風(fēng)機設(shè)計裕量高于現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范，本次污泥摻燒按質(zhì)量比例為增加了3.33%左右，污泥替代部分燃煤，燃煤量減少0.95%，按照電廠現(xiàn)有發(fā)電電量不變，則煙風(fēng)量增加0.36%～0.57%左右，對于機組的煙風(fēng)系統(tǒng)影響不大，現(xiàn)有煙風(fēng)系統(tǒng)輔機和設(shè)備均能夠滿足要求。

上述是按照BMCR工況，對于其他負荷，污泥摻燒總量不變，污泥占燃煤比例同負荷成反比；污泥生成煙風(fēng)量比例也同負荷成反比。

表4-1 鍋爐摻燒污泥后的空氣量及煙氣量

根據(jù)試燒試驗，發(fā)現(xiàn)在污泥摻燒比例不大的條件下，對于爐膛影響不大；但是如果是一臺機組低負荷運行，則需要控制污泥摻燒比例低于6%，可以利用儲倉進行緩沖或者采取其他措施。

當(dāng)污泥摻燒比例至6%時，現(xiàn)有磨煤機的出力選擇是根據(jù)5臺磨在鍋爐100%BMCR運行時所需燃煤量的120%（設(shè)計煤種），磨煤機具有一定裕量，能夠滿足最大摻燒量的要求。在BMCR工況條件下，風(fēng)量約增加2.36%，濕煙氣量約增加2.49%；根據(jù)本工程風(fēng)機的設(shè)計裕量，基本能夠滿足上述煙風(fēng)量增加的要求?，F(xiàn)有輔機也能夠滿足運行要求。

為降低污泥摻燒對鍋爐效率的影響，工程設(shè)計時要求干化污泥摻燒比例≤6%。

對于煙風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)壓基本同風(fēng)量的平方關(guān)系，風(fēng)機電耗同風(fēng)機為立方關(guān)系，計算得到摻燒污泥后，本工程風(fēng)機電耗增加見表4-2：

(2)對煙氣排放的影響

由于摻燒污泥量僅為燃煤耗量質(zhì)量比例的3.33%左右，摻燒污泥后，對于煙氣凈化系統(tǒng)的影響不大，煙囪出口的粉塵、SO2、NOx均可以滿足現(xiàn)有 5 mg/Nm3、35 mg/Nm3、50mg/Nm3的排放限值要求。

根據(jù)計算，摻燒污泥后，干煙氣量增加1.31%左右，在滿足同樣排放條件下，煙囪出口的粉塵、SO2、NOx排放總量增加約1.31%。

污泥中存有大量氯基物質(zhì)，俗稱其二噁英是超標存在的。當(dāng)焚燒溫度在550℃～700℃時會迅速(0.1s～0.2s)產(chǎn)生大量的二噁英。大型污泥焚燒過程的研究結(jié)果表明：25%～90%的二噁英在焚燒的高溫?zé)煔?87℃～643℃生成，當(dāng)焚燒煙氣達到850℃以上超過2S時，聚合物的反應(yīng)速度遠小于二噁英的分解速度，其分解率可達98%以上。

二噁英的煙氣從高溫降到低溫在250℃～500℃之間時會再合成，其合成主要是由前驅(qū)物催化生成。研究表明，此溫度區(qū)間的前驅(qū)物濃度、氯的濃度、溫度、催化劑、含氧量及含硫量對污泥等廢棄物焚燒過程中的二噁英的生成及排放有重要影響。

表4-2 污泥摻燒對鍋爐風(fēng)機電耗的影響

二噁英控制措施。（1）完全燃燒：保持污泥等廢棄物燃燒在850℃以上。煙氣停留時間大于2s，實現(xiàn)“3T+E”工作原則。1T：燃燒溫度(Temperature)，2T：停留時間(Time)，3T：紊流度(Turbulence)，E：過氧控制(Excess)；（2）氧量控制：在300℃的環(huán)境中二噁英的濃度主要取決于氧含量的多少，缺氧的環(huán)境中二噁英的濃度在下降。沒有氧氣則沒有二噁英生成.過氧環(huán)境中二噁英的濃度大大增加，一般工程中控制氧量在8%以下(研究表明減少50%的氧氣就可以減少30%的二噁英的再次形成)。

污泥作為燃料在20m～40m區(qū)域送入爐膛內(nèi)部。燃燒溫度遠大于850℃，以煙氣最大流速12m/s計算，污泥入爐開始燃燒停留在850℃以上區(qū)域遠大于2s，根據(jù)以上二噁英控制措施，已達到完全燃燒的條件，基本可以遏制二噁英大量生成。

(3)對煤耗的影響

電廠發(fā)電煤耗約290g/kWh左右，在計算污泥摻燒對機組煤耗的影響時，取2017年1月～7月污泥分析數(shù)據(jù)的平均值。由于污泥含水率高，灰分大，熱值相對較低，摻燒后對于鍋爐效率影響是負面的，但是鍋爐效率變化值尚無具體計算數(shù)據(jù)。由于本工程摻燒污泥為干化污泥，且摻燒比例不大，對鍋爐效率影響較小。根據(jù)電廠摻燒試驗估算，摻燒污泥后機組煤耗增加暫按1g/kWh（摻燒質(zhì)量比例＜5%）或0.5g/kWh（摻燒質(zhì)量比例＜2%）。

(4)對粉煤灰綜合利用的影響

污泥中含有一定的重金屬物質(zhì)，不同性質(zhì)的污泥，其重金屬含量相差很遠。污泥中的重金屬主要有Cu、Cd、Cr、Mn、Pb、Hg和Zn等，主要以氧化物、氫氧化物、硅酸鹽、有機絡(luò)合物等形式存在，其次為硫化物。摻入鍋爐燃煤中燃燒后，除Hg外絕大部分重金屬保留在焚燒殘渣中。本工程摻燒的干化污泥為城市生活污水污泥，污泥中重金屬含量較低，污泥的灰成分與粉煤灰的成分也比較接近，加上污泥摻燒比例較低，污泥燃燒后的灰在總灰量中的占的比例也很小，對粉煤灰的特性基本沒影響，因此摻燒干化污泥對粉煤灰的綜合利用影響不大。國外也有將污泥摻入水泥窯中進行焚燒，焚燒灰作為水泥原料進行利用的實例。

考慮到干化污泥來源的不確定性，建議對入廠污泥的重金屬含量和摻燒后的飛灰進行定期測量，檢測重金屬含量是否超標。

3 結(jié)論和建議

干污泥的燃點較低，燃燒中發(fā)揮的熱量比較高，燃燒的時間較短，與煤炭相比，干污泥能夠在更短的時間內(nèi)進行更加充分的燃燒，同時產(chǎn)生的熱量也與煤炭的熱量相似。通過污泥摻燒可以實現(xiàn)資源的有效利用，有效的減少了資源的堆積。如摻燒污泥比例較低，不會影響鍋爐的穩(wěn)定運行，對粉煤灰的綜合利用影響不大，也不會對電廠煙氣的達標排放產(chǎn)生影響。

污泥摻燒在大型燃煤機組運行實例不多，對鍋爐、煙風(fēng)系統(tǒng)的影響需要進一步論證，建議如下：

(1)電廠應(yīng)與污泥處理廠就污泥調(diào)度分配進行協(xié)商，擬定調(diào)度原則，成立干化污泥聯(lián)合調(diào)度中心。

(2)電廠運行時應(yīng)嚴格控制干化污泥的摻燒比例，比例宜低于6%。當(dāng)其中一個電廠只有1臺爐運行且處于低負荷狀態(tài)時，應(yīng)主動降低污泥的摻燒量，多出的污泥可由另外的電廠進行摻燒處置。

(3)應(yīng)盡量減少污泥在廠內(nèi)的停留時間，即來即燒，污泥儲倉儲存不超過2天。

污泥處理廠出廠污泥應(yīng)符合《城鎮(zhèn)污泥處理廠污泥處置單獨焚燒用泥質(zhì)》（CJ/T-2008）中的相關(guān)要求，重金屬含量不應(yīng)超標；污泥絮凝、干化過程中不宜加入絮凝劑，對于污泥添加劑（Fecl3）應(yīng)嚴格控制，減少氯化物對鍋爐及下游煙氣系統(tǒng)的影響。

根據(jù)調(diào)研，國外污泥電廠摻燒案例較多，但鮮有大型燃煤機組污泥摻燒的案例。下階段建議通過示范項目的運行消除隱患，評估摻燒污泥的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，并適時在燃煤電廠推廣。