吳 江, 余凌潔, 張 會(huì), 關(guān) 昱, 張 霞

(1.上海電力學(xué)院, 上海 200090; 2.上海外高橋發(fā)電有限公司, 上海 200137)

近年來,我國(guó)的污染水處理產(chǎn)業(yè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展,在治理水污染方面起到了十分重要的作用。然而,污水處理廠產(chǎn)生的污泥問題日益突出[1]。污泥是污水處理的伴生產(chǎn)物,含水率高,體積龐大，組成成分極其復(fù)雜且難以處理。污泥的處置方式可以歸納為填埋、堆肥、焚燒、土地利用和建材利用等[2]。填埋棄置的處置方式成本較低,操作簡(jiǎn)便,是最常用的污泥處置方式之一,但極易造成二次污染,且大量土地資源被占用。堆肥法費(fèi)時(shí)較長(zhǎng),占地大,臭味大。由于城市污泥通常含有較高濃度的重金屬,其堆肥后的產(chǎn)品以園林綠化用途為主,不能用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。土地利用法是將經(jīng)過處理后的污泥作為農(nóng)用泥土或者園林綠化泥土。建材利用法是將污泥制成輕質(zhì)材料、建筑磚、水泥、陶粒等加以利用[3]。

污泥焚燒一般是指將污泥脫水或者干燥后,送入焚燒爐進(jìn)行焚燒。直接焚燒要求污泥滿足一定的含水率、低位發(fā)熱量、酸堿度、可燃有機(jī)物含量等。鑒于此,通常將直接焚燒技術(shù)應(yīng)用于污泥處置時(shí),需要先將污泥進(jìn)行一定程度的干燥處理。而且,可以使用焚燒污泥產(chǎn)生的尾部廢氣作為熱源干燥污泥,這樣可以減少高熱廢氣給環(huán)境帶來的熱污染,還能顯著提升能量利用效率[4-6]。只要工藝選擇恰當(dāng)、設(shè)施設(shè)備運(yùn)行良好、操作運(yùn)行規(guī)范時(shí),甚至可以減少或者不添加輔助燃料,實(shí)現(xiàn)污泥焚燒的穩(wěn)定燃燒。

將具有較好燃燒特性的其他燃料(如煤、生活垃圾、生物質(zhì)等)與污泥進(jìn)行混合燃燒也是污泥焚燒方式的一種。混合燃燒設(shè)備不需要配套的干燥系統(tǒng),只需要額外建立污泥與燃料的混合輸送系統(tǒng)即可,系統(tǒng)簡(jiǎn)單,操作方便,運(yùn)營(yíng)成本也大大降低[7]。因此,在許多污泥處理方法中,焚燒技術(shù)被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ㄖ?。結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況,污泥與火電廠煤粉鍋爐摻混燃燒的處理方法是比較可行的。

1 污泥焚燒設(shè)備

發(fā)展初期,爐排爐、帶式爐、流化床、回轉(zhuǎn)窯爐和旋風(fēng)爐等多用于污泥的焚燒。隨著科技的發(fā)展,流化床鍋爐逐漸取代最早的多段豎爐,并發(fā)展出道爾奧利弗型、回旋型、干燥段型等,逐漸成為污泥焚燒的主流設(shè)備[8-10]。

流化床技術(shù)應(yīng)用于污泥焚燒具有以下優(yōu)點(diǎn)[11]:流化床鍋爐床料自身儲(chǔ)熱能力強(qiáng),在運(yùn)行過程中,床料處于湍動(dòng)狀態(tài),因此床料之間的熱量傳遞可瞬間完成,容易實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)和物料場(chǎng)的均勻分布;質(zhì)量交換和熱量傳遞速率快,當(dāng)出現(xiàn)局部低溫或高溫時(shí),熱量能夠瞬間從其他床料處傳來,使床內(nèi)溫度重新恢復(fù)均勻,因而能夠?qū)Υ矁?nèi)溫度實(shí)現(xiàn)較好的把控;流化床的構(gòu)造并不復(fù)雜,且其燃燒效率高,在較低的過量空氣系數(shù)條件下依然能夠保持流化態(tài)燃燒,穩(wěn)定性較好;燃料適應(yīng)性好,能廣泛應(yīng)用于各種特質(zhì)的燃料,在處理含有大量易揮發(fā)物質(zhì)(如含油污泥等)時(shí),也不存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn);能夠有效降低SO2和 NOx等酸性氣體的排放,在環(huán)保方面具有重大意義。

在各類焚燒裝置中,對(duì)于污泥的焚燒處理,流化床焚燒爐不僅能夠有效地解決污泥本身的一些缺點(diǎn),如細(xì)顆粒含量較高、燃燒不充分以及不穩(wěn)定等問題,而且在煙氣排放方面,能降低酸性氣體含量,抑制二噁英的生成,若配合適當(dāng)?shù)奈矚鉂崈籼幚硐到y(tǒng),則完全可以滿足環(huán)保要求。因此,在燃煤電廠進(jìn)行污泥摻燒時(shí),流化床焚燒設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。

2 燃煤電廠摻燒污泥的研究現(xiàn)狀與典型污泥焚燒案例

2.1 燃煤電廠混合燃燒污泥的研究現(xiàn)狀

污泥焚燒工藝在20世紀(jì)90年代以后逐漸成熟。在德國(guó)、丹麥、日本等許多發(fā)達(dá)國(guó)家,焚燒處理法得到了迅速發(fā)展,且應(yīng)用非常廣泛。隨著國(guó)際環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高,污泥焚燒法因具有減量和無害化的優(yōu)勢(shì),受到越來越多研究者和企業(yè)的重視[12]。

OGADA T等人[13]研究了流化床中濕污泥顆粒的燃燒過程。在加熱過程中,污泥中 80% 的碳析出,污泥的焚燒主要是一個(gè)氣相焚燒的過程。段峰等人[14]研究了不同煤種與污泥之間的摻燒狀況,結(jié)果發(fā)現(xiàn),混合燃料各有其最優(yōu)摻燒比。LECKNER B等人[15]分別在兩種不同規(guī)格的循環(huán)流化床鍋爐上進(jìn)行了污泥與煤和生物質(zhì)的混合燃燒實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,當(dāng)污泥摻混比少于 25% 時(shí),污泥與煤或生物質(zhì)在循環(huán)流化床內(nèi)的摻混燃燒可以實(shí)現(xiàn)氣相污染物的有效控制,并滿足歐盟和德國(guó)的排放標(biāo)準(zhǔn)要求。時(shí)正海等人[16]在 1 MWth循環(huán)流化床燃燒試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)污泥和煤混合燃料進(jìn)行了燃燒試驗(yàn),并對(duì)燃燒過程中產(chǎn)生的酸性氣體、二噁英和飛灰等氣相污染物進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明,進(jìn)行爐內(nèi)脫硫處理時(shí),可以將污染物控制在國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。高穎佳[17]研究對(duì)比了污泥與煤在不同混合比例和不同煅燒溫度下灰渣的特性。結(jié)果表明,赤鐵礦和鈣長(zhǎng)石的存在導(dǎo)致混合物料的熔融溫度降低,而煤灰中莫來石的存在會(huì)使混合物的熔融溫度增加。

國(guó)外關(guān)于污泥直接焚燒和混合燃燒的實(shí)驗(yàn)研究開始得較早,發(fā)展時(shí)間也較長(zhǎng),在具體工程應(yīng)用方面處于領(lǐng)先水平。近年來,國(guó)內(nèi)也陸續(xù)啟動(dòng)了污泥直接焚燒和混合燃燒項(xiàng)目的研究,總體來說,污泥焚燒的理論研究取得了一定的進(jìn)展,但仍有提升的空間。隨著國(guó)家政策導(dǎo)向和固廢處理的迫切要求,污泥焚燒技術(shù),尤其是對(duì)污泥與煤的摻燒進(jìn)行進(jìn)一步的研究和發(fā)掘很有必要。

2.2 國(guó)內(nèi)外污泥焚燒案例簡(jiǎn)介

目前,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多使用不同的干化焚燒工藝系統(tǒng)的實(shí)際工程案例。

(1) 西格斯污泥焚燒系統(tǒng)[5,18]比利時(shí)西格斯焚燒爐排控制系統(tǒng)使用SHA多級(jí)順推爐式排爐,能夠分離水平運(yùn)動(dòng) (輸送動(dòng)作)和垂直運(yùn)動(dòng) (翻攪、通風(fēng)動(dòng)作),滑動(dòng)爐排不僅能控制污泥層厚度以及停留時(shí)間,還能攪動(dòng)污泥層。系統(tǒng)根據(jù)爐排上的燃燒情況調(diào)節(jié)分級(jí)送風(fēng),實(shí)現(xiàn)溫度控制、分級(jí)燃燒等功能,可使污泥充分燃燒,而且可以在空氣過剩系數(shù)較低的情況下運(yùn)行,并能降低CO和NOx的排放量。

(2) 日本田熊SN型爐排爐[19]該系統(tǒng)具有足夠的爐排區(qū)域,內(nèi)置兩個(gè)臺(tái)階,污泥在爐內(nèi)翻滾并燃燒,且爐內(nèi)通風(fēng)能力較好。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)每個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)單元的速度,可以控制灰層和污泥的厚度,并且供氣管不受污泥層厚度的影響。每個(gè)爐條后有鰭狀物,用來提高爐條冷卻效率,防止?fàn)t條燃燒。

(3) 上海石洞口污泥干化焚燒項(xiàng)目[20]石洞口污水處理廠采用的是對(duì)污泥先進(jìn)行脫水、低溫干化后,在循流化床系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行高溫焚燒的一體化串聯(lián)系統(tǒng)。煙氣中的熱量以蒸汽或其他方式回收用于干燥系統(tǒng)。該工藝可以達(dá)到系統(tǒng)能量的自平衡,取得了較好的效果,并穩(wěn)定運(yùn)行了多年。

(4) 浙江蕭山污泥干化焚燒工程[21]該工程采用新型預(yù)熱處理技術(shù)、高效安全的霧化干燥系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)式焚燒爐系統(tǒng)的集成系統(tǒng)?；剞D(zhuǎn)焚燒爐的爐內(nèi)燃燒溫度控制在850 ℃以上,可以從焚燒源頭控制二噁英的產(chǎn)生,并在焚燒的全過程安裝分布式控制系統(tǒng),有利于項(xiàng)目實(shí)施單位對(duì)焚燒系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)控,以及監(jiān)管方時(shí)刻監(jiān)控其爐溫與排放情況,實(shí)現(xiàn)了對(duì)污泥干燥焚燒尾氣高效處理和二噁英的有效控制,而且濕污泥經(jīng)干化焚燒(加煤)后產(chǎn)生的泥渣量約為10%,泥渣可用于水泥生產(chǎn)、制磚、填路基等。采用污泥干燥焚燒一體化技術(shù),可以降低污泥處理的處置成本。

3 燃煤電廠摻燒污泥存在的問題

3.1 成本問題與燃料特性對(duì)摻燒的影響

運(yùn)行成本和能耗可以反映污泥焚燒技術(shù)水平和能量利用效率,也是判斷系統(tǒng)優(yōu)劣的重要參數(shù)。制約其發(fā)展的主要因素之一是較高的投資運(yùn)行成本,比如污泥在焚燒時(shí)還應(yīng)同步建設(shè)相應(yīng)的煙氣處理設(shè)施,以保證煙氣排放滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[22]。

污泥含水率與熱值息息相關(guān)[23],如表1所示。污泥含水率過大與煤粉過濕造成的后果相同,但要降低污泥的含水量,系統(tǒng)耗能將增加。當(dāng)污泥的熱值高且含水率低時(shí),可以減少輔助燃料的投入,降低額外燃料成本;當(dāng)污泥的熱值低且含水率高時(shí),則需要更多的輔助燃料輸入,將會(huì)大大增加運(yùn)行成本[24]。

表1 含水率與熱值的關(guān)系

3.2 環(huán)境污染與能量回收問題

由于污泥中含有多種污染物,焚燒后煙氣中也相應(yīng)含有多種復(fù)雜的有害污染物(如NOx,SOx,HCl,二噁英等)以及煙塵。污泥的污染物將會(huì)給環(huán)境安全和公眾健康帶來一定的影響。

污泥焚燒會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,但目前污泥能量回收率依然較低。摻燒過程中,過量空氣系數(shù)增大,煙氣量增加,導(dǎo)致煙氣流速較大,這不僅會(huì)造成能量的浪費(fèi),還將會(huì)給煙氣通道內(nèi)的設(shè)備帶來嚴(yán)重的磨損和腐蝕[25]。提高污泥焚燒能源的回收率和利用率,既可以降低污泥處理設(shè)備的投入和后期維修的費(fèi)用,又可以有效利用污泥熱量,避免能源的浪費(fèi)。

3.3 污泥的燃燒穩(wěn)定性問題

污泥摻燒比例較低,一般不會(huì)影響鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行,對(duì)粉煤灰的綜合利用影響不大,也不會(huì)對(duì)鍋爐煙氣的達(dá)標(biāo)排放產(chǎn)生影響。但是污泥熱值一般都低于煤炭的熱值。隨著污泥摻燒量的增加,爐膛內(nèi)熱量的下降將導(dǎo)致煙氣出口溫度降低。另外,污泥中的揮發(fā)性物質(zhì)含量相對(duì)較高,主要燃燒區(qū)域略向爐膛上部移動(dòng),煙氣溫度分布不均勻,在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),這可能導(dǎo)致鍋爐運(yùn)行不穩(wěn)定[26-27]。因此,需要研究燃煤鍋爐在不同運(yùn)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?fàn)t膛燃燒穩(wěn)定,達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。

4 燃煤電廠摻燒污泥的發(fā)展趨勢(shì)

目前,污泥的無害化處理以及資源化利用還處于探索階段,焚燒和填埋仍將會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)成為我國(guó)污泥處理的主要渠道?？傮w來看,降低污泥摻燒成本、控制污泥燃料特性、注重環(huán)境污染問題、提高能源回收利用率是未來污泥摻燒技術(shù)的主要研究方向。污泥是一種很有利用價(jià)值的潛在資源,為了充分利用這種資源,減少環(huán)境危害,許多國(guó)家都在大力發(fā)展污泥處置和利用技術(shù)。雖然目前燃煤電廠摻燒污泥技術(shù)存在上述一些問題,但是根據(jù)國(guó)情,結(jié)合實(shí)際情況,綜合考慮摻燒工藝和污泥的特點(diǎn),隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和研究的深入,污泥的無害化摻燒必將成為未來最具潛力的處置方法。

5 結(jié) 論

(1) 城市污水來源復(fù)雜、廣泛,任何點(diǎn)源的間歇性排放,都可能使摻燒產(chǎn)生的污染物排放數(shù)據(jù)大幅跳躍,而每批污泥都進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)是難以做到的。因此,燃煤電廠摻燒污泥成為污泥處置的發(fā)展方向仍需進(jìn)行大量的研究和試驗(yàn)。

(2) 雖然燃煤電廠污泥摻燒僅建立污泥輸送系統(tǒng),省卻污泥干化系統(tǒng)的投資與建設(shè),系統(tǒng)簡(jiǎn)單,操作較為方便,但污染處理費(fèi)用及設(shè)備損壞維修費(fèi)用高昂是制約其發(fā)展的主要因素,尚需要相應(yīng)的政策扶持。

(3) 燃煤電廠污泥摻燒處理技術(shù)仍需進(jìn)一步提升以降低處理成本。要真正做到無害化的污泥處置,需要政府、研究機(jī)構(gòu)、電廠和污水處理廠等共同努力,建立相應(yīng)的法律法規(guī),合理規(guī)劃,統(tǒng)籌考慮,以解決我國(guó)污泥無害化處理的問題。