陳全喜，付江濤

（1.武漢天和技術(shù)股份有限公司，武漢 430010；2.江漢大學(xué)a.精細爆破國家重點實驗室；b.爆破工程湖北省重點實驗室；c.湖北（武漢）爆炸與爆破技術(shù)研究院，武漢 430056）

0 引言

隨著我國城市化進程的高速發(fā)展，城市污水處理能力不斷提升，市政污泥的產(chǎn)出量也隨之迅速增長。2020 年，我國市政污泥產(chǎn)出總量60～90 Mt/年，且呈逐年上升趨勢。城市污水處理必須由“重水輕泥”向“泥水并重”模式轉(zhuǎn)變，并需新增污泥無害化處理規(guī)模22 Mt/年［1?2］（以含水率80%的濕污泥計）。目前，我國的市政污泥無害化處理率較低，常規(guī)的土地利用、衛(wèi)生填埋、建材利用、堆肥、焚燒等處理方式已經(jīng)不能滿足日益嚴苛的環(huán)境保護政策要求。

市政污泥的主要成分包括大量的水分及有機物質(zhì)、砂礫、重金屬、鹽類、難降解物質(zhì)、病原微生物、寄生蟲卵等，處置不當(dāng)會對環(huán)境造成二次污染?！冻擎?zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術(shù)指南（試行）》［3］中指出，污泥焚燒與協(xié)同處理技術(shù)為市政污泥“穩(wěn)定化、減量化、無害化、資源化”的有效方法，具有污泥處理能力大、穩(wěn)定性強、適應(yīng)性強、系統(tǒng)效率高等獨特優(yōu)勢。2017—2018 年，國家能源局和環(huán)境保護部聯(lián)合密集發(fā)文［4?5］，為燃煤電廠耦合市政污泥發(fā)電提供政策支持，并在全國范圍內(nèi)批準了29個市政污泥耦合發(fā)電示范項目。目前，各示范項目正處于實施階段，探索燃煤電廠耦合市政污泥發(fā)電技術(shù)中的關(guān)鍵影響因素十分必要。

1 市政污泥的特性

陳大元等［6］對比分析不同市政污泥和不同動力煤種，認為污泥的全水分如果降低至40%以下，其特性基本與國內(nèi)年輕褐煤接近，但揮發(fā)分明顯偏高。干化污泥整體上屬于低熱值、高揮發(fā)分、高水分、高灰分、嚴重結(jié)渣燃料。

1.1 含水率

市政污泥產(chǎn)生于城市污水處理廠生產(chǎn)過程中，污泥中含有大量的水分。水分存在的形式可分為自由水、間隙水、吸附水和結(jié)合水。自由水存在于污泥顆粒之間，占總水分的65%～85%；間隙水存在于污泥顆粒與微生物細胞間的裂紋及楔形毛細管內(nèi)，占總水分的15%～25%；吸附水存在于污泥顆粒的表面，被表面張力所吸附；結(jié)合水存在于污泥顆粒和微生物細胞內(nèi)［7?8］。典型的城市污水處理廠生產(chǎn)過程中，各工藝段產(chǎn)生的污泥含水率［9?10］見表1。

由表1 中數(shù)據(jù)可見，市政污水處理廠生產(chǎn)中的每一個工藝段產(chǎn)生的污泥含水率都極高。而市政污泥耦合燃煤電廠發(fā)電，主要是利用市政污泥中所含的熱值。含水率的高低，將會直接影響單位質(zhì)量污泥的熱值，從而影響市政污泥耦合發(fā)電的效率。

表1 城市污水處理廠不同工藝段污泥含水率Tab.1 Water content in sludge from different links of the municipal waste water treatment plant %

1.2 熱值

市政污泥中含有的有機質(zhì)是生物法處理污水過程中微生物新陳代謝的產(chǎn)物，也是污泥熱值的主要來源。由于污泥中含有大量的水分，污泥的熱值與污泥含水率密切相關(guān)。圖1為污泥干物質(zhì)熱值為21 MJ/kg 且溫度為10 ℃時，污泥熱值與含水率之間的關(guān)系［10］。

圖1 污泥熱值與含水率關(guān)系Fig.1 Relationship between sludge calorific value and water content

由圖1 可見，污泥的熱值隨著含水率的降低和干物質(zhì)可燃燒成分比例的上升呈上升趨勢。因此，污泥耦合燃煤電廠發(fā)電時，電廠會希望污泥的含水率越低越好。但是一般市政污水處理廠產(chǎn)出的污泥含水率都在80%左右，要降低污泥含水率就需進行干化處理。而污泥干化工藝的運行成本將直接關(guān)系到污泥耦合發(fā)電項目的經(jīng)濟效益。

Magdziarz 等［11］對比分析了來自波蘭某污水處理廠的干化市政污泥與當(dāng)?shù)孛旱V所產(chǎn)煤碳的熱值和主要元素含量，見表2。

由表2 中數(shù)值可見，當(dāng)干化市政污泥的含水率為5.3%時，其氫元素和煤相當(dāng)，但其碳的質(zhì)量分數(shù)和熱值遠低于煤。表2中干化市政污泥的熱值與圖1中的數(shù)值接近。

表2 干化市政污泥與煤的元素分析Tab.2 Element analysis on dried municipal sludge and coal

為防止污泥耦合燃煤發(fā)電產(chǎn)生的煙氣中酸性物質(zhì)低于露點導(dǎo)致酸析出后腐蝕煙道和設(shè)備，鍋爐的排煙溫度都高于酸的露點［12］，一般在100 ℃以上。污泥耦合到燃煤電廠燃燒后，其中的水分將轉(zhuǎn)化成蒸汽混合到煙氣中，這些蒸汽含有氣化潛熱，其熱量來源于煤和污泥的燃燒。只有當(dāng)污泥燃燒產(chǎn)生的熱量大于污泥中的水分轉(zhuǎn)變成蒸汽所需的能量時，其超出部分的熱量才有可能被利用而發(fā)電。對于干物質(zhì)低位熱值為8.374 MJ/kg的污泥，當(dāng)其水分達到76.9%時，燃燒污泥產(chǎn)生的熱量剛好可以使其中的水分完全蒸發(fā)［9］。若污泥含水率稍高就無法實現(xiàn)自持燃燒，需要添加輔助燃料。文獻［3］中也提出，若將含水率為80%的市政污泥干化到含水率40%入爐焚燒，污泥干化機和焚燒爐的熱效率以85%計，則只有污泥干基質(zhì)低位熱值達到約13.510 MJ/kg 時，才不需要輔助燃料，從而達到自持燃燒。陳莉佳等［13］也提出，采用“污泥脫水干化至含水率40%+污泥焚燒”工藝路線較“污泥脫水至含水率80%+污泥干化焚燒”和“污泥深度脫水至含水率60%+污泥干化焚燒”工藝路線，碳排量更低，能耗更低。馬盟等［14］建議耦合燃煤電廠發(fā)電的市政污泥的含水率應(yīng)在30%～35%。針對不同的污泥耦合發(fā)電項目，項目方應(yīng)根據(jù)自身情況，充分利用項目各方資源和條件，設(shè)計合理的污泥含水率，優(yōu)化污泥熱值含量。

1.3 含砂率

市政污泥中的砂礫在污泥耦合燃煤電廠發(fā)電時是一個極易被忽略的問題。砂礫由于硬度高，無論是在污泥干化工藝中，還是混入燃料在爐膛中燃燒時，都會由于與受熱面頻繁接觸，導(dǎo)致干化設(shè)備和鍋爐受熱面產(chǎn)生磨損，從而損壞設(shè)備，造成導(dǎo)熱介質(zhì)泄漏、增大設(shè)備維護量、降低設(shè)備利用小時數(shù)、增加運行成本等問題。

戴曉虎等［15］在調(diào)研我國污水處理廠污泥含砂特性及其成因時指出，現(xiàn)階段我國市政污泥普遍存在含砂量高、污泥處理設(shè)備磨損嚴重、處理成本高等問題。王建偉等［16］在調(diào)研青島市5個典型城市污水處理廠的含砂率后，分析得出以工業(yè)廢水為主的污水處理廠產(chǎn)出的污泥中含砂率為22%～44%，而以生活污水為主的污水處理廠產(chǎn)出的污泥含砂率為10%～15%。各污水處理廠污泥中無機砂質(zhì)顆粒成分基本相同，主要為淡黃色硅質(zhì)無機砂質(zhì)顆粒和黑色磁性無機砂質(zhì)顆粒，但其成分比例及形態(tài)差異較大。由于污泥中的硅質(zhì)砂礫和黑色磁性砂礫的熔點較高，進入污泥干化設(shè)備和鍋爐爐膛中很難熔化，因此污泥耦合發(fā)電工藝流程中砂礫極易與設(shè)備產(chǎn)生摩擦，而造成設(shè)備損壞。李文興等［17］在溫州市東片污水廠240 t/d 污泥集中干化焚燒項目實踐中，多次提到由于污泥含粉砂量偏高，導(dǎo)致空心槳葉干化設(shè)備磨損加劇、葉片漏蒸汽等問題，故障率高。為應(yīng)對污泥中砂礫對設(shè)備的負面影響，對砂循環(huán)系統(tǒng)、冷渣器和振動篩進行技術(shù)改造。經(jīng)測定，上海石洞口污泥干化焚燒項目，污泥干基的含砂率達到了22.4%，而在歐洲此數(shù)值僅為6.0%～8.0%。高含砂量的污泥在高速流化狀態(tài)下，會對干化設(shè)備和鍋爐設(shè)備造成很大程度磨損，并多次出現(xiàn)干化機導(dǎo)熱油泄漏情況。

鑒于我國污泥高含砂率的現(xiàn)狀，為減少污泥干化設(shè)備和耦合燃燒發(fā)電設(shè)備的磨損，提高設(shè)備利用小時數(shù)，應(yīng)從2個方面著手。其一，從污水收集源頭采取過濾措施；其二，提高污水處理廠的除砂效率，在進行污泥干化和耦合燃燒發(fā)電前，應(yīng)對污泥進一步除砂。

1.4 污泥耦合工藝中的污染物

市政污泥耦合燃煤電廠燃燒發(fā)電后，由于污泥中含有重金屬、有機物等污染物質(zhì)，會產(chǎn)生重金屬和二噁英污染，同時增加灰飛和爐渣量。

1.4.1 重金屬及堿金屬

市政污泥中重金屬以無機物和有機物中的重金屬這2 種形式存在，后者主要是微生物代謝富集重金屬后形成的［18］。當(dāng)污泥與煤耦合進行燃燒后，會以2 種形式排放，一種是以灰飛形式排放至大氣中，一種是以爐渣形式排放。由于一般市政污泥的灰分較動力用煤大，因此耦合市政污泥燃燒后的煙氣灰分會增加，同時會增加對鍋爐受熱面的磨損，縮短設(shè)備使用壽命?；曳指邥p緩火焰?zhèn)鞑ニ俣龋瑢?dǎo)致點火延遲，燃燒溫度也會下降，燃燒穩(wěn)定性變差，甚至造成鍋爐滅火。市政污泥耦合燃燒后，爐渣量有所增加，應(yīng)調(diào)整鍋爐排渣頻率。

Miller 等［19］對比分析了波蘭Krakow 地區(qū)的煤和瑞典Himmerfjardsverket 地區(qū)干化市政污泥中重金屬的成分分析，見表3。

對表3 中數(shù)據(jù)進行分析可以看出，市政污泥中大部分中重金屬元素含量要遠高于動力煤，其中重金屬將主要以飛灰和爐渣的形式排放。為預(yù)防重金屬二次污染，應(yīng)采取嚴格措施進行飛灰和爐渣的環(huán)保處置。分析結(jié)果表明，重金屬Cd 和Hg 主要存在于耦合燃燒后的煙氣中，而Cr，Cu，Ni 和Zn 等重金屬在爐渣中的含量會隨著市政污泥摻燒比例的增加而增加。

表3 干化市政污泥與煤的重金屬成分分析Tab.3 Heavy metals analyses on dried municipal sludge and coal mg/kg

市政污泥中含有堿金屬，其在燃燒時會增加鍋爐受熱面腐蝕和結(jié)焦的風(fēng)險［20?22］，導(dǎo)致焚燒爐檢修頻率和檢修工作量明顯提高，連續(xù)焚燒作業(yè)時間縮短，停爐定修時間增加。摻燒污泥后導(dǎo)致鍋爐結(jié)焦加劇始終是一個突出問題。因此，應(yīng)考慮如何減少污泥耦合燃料燃燒過程中的結(jié)焦情況，同時應(yīng)定量分析煙氣及爐渣組分，以判斷耦合污泥燃燒后，對鍋爐燃燒和大氣環(huán)境產(chǎn)生的影響。

1.4.2 二噁英

具有二噁英活性的鹵代芳烴化合物統(tǒng)稱為二噁英類似物。二噁英類物質(zhì)的生成條件包括：含苯環(huán)的化合物（苯、酚等）；含Cl元素的化合物（HCl，Cl2等）；反應(yīng)催化劑（Fe，Cu 等）；反應(yīng)溫度在300～600 ℃。由以上條件可知，市政污泥中含有的重金屬、有機物和Cl?，在污泥耦合至鍋爐中進行燃燒時，滿足產(chǎn)生二噁英的條件。二噁英類物質(zhì)的熔點及沸點高，常溫下是固體，不溶于水，易溶于CCl4。二噁英類物質(zhì)在環(huán)境中穩(wěn)定性高，生物降解性遲緩，在低溫下穩(wěn)定存在，一般加熱到800 ℃才會降解。而要大量破壞二噁英類物質(zhì)，焚燒溫度則需要超過1 000 ℃，且一旦冷卻又可重新合成［23］。

根據(jù)二噁英產(chǎn)生的條件，宜將污泥耦合燃燒溫度控制在800 ℃以上。循環(huán)流化床（CFB）鍋爐及煤粉鍋爐的爐膛燃燒溫度都遠高于800 ℃，且燃料在爐內(nèi)停留時間遠大于2.0 s，為二噁英的燃燒分解提供了充足的時間。曾多等［24］在重慶市進行燃煤耦合污泥發(fā)電實踐中，對二噁英采用“3T+E”原則進行控制，即采用對燃燒溫度（Temperature）、停留時間（Time）、紊 流 程 度（Turbulence）和 過 量 空 氣 量（Excess）4種因素進行控制，可有效控制污泥耦合燃煤燃燒過程中二噁英的生成。

2 市政污泥干化方法

提高市政污泥熱值最直接的方法是降低污泥的含水率。目前，對污水處理廠產(chǎn)出的80%含水率污泥脫除水分方法包括深度脫水和熱干化方法，后者根據(jù)污泥與熱源的接觸方式，可分為直接干化和間接干化2種方式。

2.1 污泥深度脫水工藝

污泥中所含的水分可以分為自由水、間隙水、污泥固體顆粒表面的吸附水和細胞內(nèi)的結(jié)合水。其中前兩者可以通過機械壓濾等方法脫除，而后兩者則需要經(jīng)過深度脫水才能脫除，主要通過降解污泥固體顆粒外胞外聚合物（EPS）實現(xiàn)。經(jīng)過深度脫水處理后，污泥的含水率可由80%下降至60%左右。He 等［25］解釋了EPS 的降解原理，如圖2 所示。通過物理、化學(xué)和生物方法使細胞裂解分離出部分污泥固體顆粒表面的吸附水和細胞內(nèi)的結(jié)合水，同時EPS有機絮體會被分解成總有機碳。

圖2 污泥固體顆粒胞外聚合物降解原理Fig.2 Degradation principle of the extracellular polymeric substances of the sludge solid particles

部分深度脫水工藝需向污泥中投加石灰等堿類藥劑，脫水過程中并不能完全將Ca2+去除，因此脫水后污泥中Ca2+的含量增加。應(yīng)對耦合污泥后燃料的燃燒特性影響進行研究，以免對燃煤電廠運行造成負面影響。陳丹丹等［26］通過研究發(fā)現(xiàn)化學(xué)預(yù)處理方法對改善污泥脫水性能有較好的效果，在污泥絮凝方面有很大的優(yōu)勢。其中酸處理對污泥脫水能力和脫水速率提升較明顯。而高級氧化法脫水效果又優(yōu)于酸堿法，處理后污泥含水率可降低到52%左右，脫水速率提升50%～90%。相比之下，高級氧化法投資成本和運行成本都較高。甄廣印等［27］總結(jié)了高級氧化法對污泥深度脫水的強化作用，使用臭氧和Fenton 法強化污泥脫水效果，但此類方法普遍存在工藝復(fù)雜、能耗高、投資大等問題。

2.2 污泥干化工藝

2.2.1 直接干化工藝

直接干化工藝一般采用高溫?zé)峤橘|(zhì)直接與污泥接觸，如火力發(fā)電廠空氣預(yù)熱器前的高溫?zé)煔?，煙氣溫度?50 ℃左右。芮延年［28］通過旋翼式沸騰干燥法對污泥進行無害化處理，采用600 ℃的熱風(fēng)供熱，系統(tǒng)具有熱傳質(zhì)效率高、污泥被強制流態(tài)化、系統(tǒng)設(shè)備小等特點。但由于高溫氣體直接與污泥接觸，導(dǎo)致污泥中的有機物被氣化產(chǎn)生大量異味尾氣，同時產(chǎn)生大量水蒸氣。因此需設(shè)置復(fù)雜的尾氣處理系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)達到環(huán)保要求。某廠家的旋翼式沸騰污泥干化系統(tǒng)如圖3 所示，采用熱風(fēng)爐為干化系統(tǒng)供熱風(fēng)，也可將電廠高溫?zé)煔庾鳛闊嵩础?/p>

圖3 旋翼式沸騰污泥干燥系統(tǒng)Fig.3 Rotor boiling sludge drying system

干燥可分為預(yù)熱期、恒率干燥期和減率干燥期3 個階段。汪翠萍等［29］采用噴霧干燥方法干化污泥，將500 ℃的高溫?zé)煔鈬娙胛勰嗪?，煙氣溫度?.5 s 內(nèi)迅速降低到100 ℃以下，熱利用率高達80%以上。干化工藝后的尾氣經(jīng)過合理的處理，均可滿足環(huán)保要求。苑宏英等［30］采用太陽能產(chǎn)生的高溫氣體對污泥僅噴霧熱干化。隨著噴入量增加，冷凝水中磷酸鹽質(zhì)量分數(shù)基本不變，氨氮呈下降趨勢；干化后污泥溶出的陰陽離子變化趨勢相同，且隨著含水率的升高，呈現(xiàn)增大趨勢；冷凝水中的陰陽離子呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；干化后污泥中的重金屬除鎘之外其余略有增加。

2009 年，華電集團滕州新源熱電有限公司對污泥進行摻燒處理發(fā)電實踐，實現(xiàn)城市污泥的無害化、資源化處理。該項目充分利用電廠煙氣余熱，采用旋翼式沸騰污泥直接干化工藝（160 ℃煙氣干化，1 500 ℃焚燒），開創(chuàng)了國內(nèi)100 MW 以上機組污泥焚燒處理的先例。

2.2.2 間接干化工藝

間接干化工藝中熱介質(zhì)將熱能傳遞給受熱面，由受熱面再傳遞給污泥。熱介質(zhì)包括飽和蒸汽、導(dǎo)熱油和熱風(fēng)等。已經(jīng)實現(xiàn)工程應(yīng)用的大型間接干化設(shè)備包括：空心槳葉干化設(shè)備、圓盤干化設(shè)備和薄層干化設(shè)備等。林莉峰等［31］在上海竹園污泥干化焚燒工程中，采用6 臺4 軸空心槳葉式干燥機，單臺換熱面積為200 m2，處理600 t/d 含水率約80%的市政污泥。針對國內(nèi)污泥含砂量較高的情況，在槳葉表面噴涂碳化硅涂層增強受熱面的耐磨性能?？招臉~污泥干化系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 空心槳葉污泥干燥設(shè)備Fig.4 Hollow paddle sludge drying equipment

對比圖3 和圖4 可見，直接干化和間接干化系統(tǒng)最大的區(qū)別是前者的尾氣處理裝置較多、流程較長、操作相對復(fù)雜，而后者由于熱源溫度一般較低（150 ℃），與污泥接觸后產(chǎn)生的揮發(fā)性有機物及水蒸氣量較前者少，因此污泥干化后尾氣的處理設(shè)備相對簡單。王沈兵等［32］探討了槳葉式污泥干化設(shè)備的若干問題，主軸和殼體以及疏水系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮濕污泥干化過程中的腐蝕及磨損、脫水量大等特性，通過優(yōu)化設(shè)計及加工工藝，槳葉式污泥干化設(shè)備將更加適應(yīng)市場對于黏度高、流動性差、腐蝕性突出和磨損嚴重的污泥干化需求。

程剛等［33］對圓盤干燥技術(shù)進行了詳細介紹，應(yīng)用于市政污泥干化的圓盤干燥器換熱面積可達到400 m2，單臺污泥處理量為100 t/d。同樣針對國內(nèi)市政污泥含砂率高的特點，設(shè)備與污泥接觸面也強化了防磨涂層。圓盤污泥干化設(shè)備如圖5 所示，該設(shè)備可根據(jù)客戶需求調(diào)整成品污泥的含水率（10%～40%不等），具有設(shè)備占地面積小，能耗相對空心槳葉設(shè)備略低，設(shè)備年利用小時數(shù)較高等特點。耿震等［34］在設(shè)計圓盤式污泥干化系統(tǒng)時，通過圓盤干燥方法將80%含水率的市政污泥半干化至含水率40%，然后耦合至電廠發(fā)電。圓盤干燥方法在市政污泥干化領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

圖5 圓盤污泥干燥設(shè)備Fig.5 Disc sludge drying equipment

薄層污泥干化設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖6所示。龔旭等［35］在上海青浦區(qū)污泥干化廠采用了薄層干化設(shè)備對200 t/d 市政污泥進行干化后耦合發(fā)電廠發(fā)電，項目取得良好效果。毛夢梅等［36］通過研究薄層干化設(shè)備干化市政污泥的特性，發(fā)現(xiàn)污泥干化過程中會有少量的有機物分解，導(dǎo)致干化后的污泥有機物揮發(fā)分略有降低。隨著干化的進行，污泥的含水率下降，干化效率逐漸降低。在深圳市上洋污泥焚燒項目中，薄層干化設(shè)備也得到了成功應(yīng)用［37］。

圖6 薄層污泥干化設(shè)備Fig.6 Thin layer sludge drying equipment

嚴俊泉等［38］創(chuàng)新地提出將薄層干化和帶式干化相耦合的兩段式污泥干化工藝，污泥經(jīng)過該工藝處理后的含水率可下降至15%左右。工藝系統(tǒng)具有安全可靠、節(jié)能低耗、出泥含水率可調(diào)等特點。但帶式干化工藝占地面積較大，導(dǎo)致該組合工藝流程長、操作較為復(fù)雜。

2.2.3 3種市政污泥耦合發(fā)電工藝對比

曾多等［24］和陳大元等［6］總結(jié)對比了污泥直接摻燒、直接干化和間接干化耦合燃煤電廠發(fā)電的技術(shù)經(jīng)濟特點，見表4。

表4 市政污泥耦合燃煤電廠發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟性對比Tab.4 Technical and economic performances of the coupling of municipal sludge combustion and coal?fired power plants

3 不同爐型的市政污泥耦合發(fā)電方法

目前燃煤電廠廣泛使用的是煤粉鍋爐和CFB鍋爐。其中煤粉鍋爐普遍適配300 MW，600 MW 和1 000 MW 機組。CFB 燃燒技術(shù)是近20 年發(fā)展起來的新一代燃燒技術(shù)，在煤種適應(yīng)性、變負荷能力及控制污染物排放方面具有獨特優(yōu)勢。目前，300 MW規(guī)模及以下已有成熟使用CFB鍋爐的案例，600 MW規(guī)模的電廠使用CFB 鍋爐也在積極研發(fā)和實踐中。國家能源集團陜西彬長發(fā)電有限公司新建600 MW CFB 鍋爐1 臺，目前正處于前期研發(fā)和實施準備階段。CFB鍋爐技術(shù)的發(fā)展為污泥耦合燃煤電廠發(fā)電提供了新的機遇和挑戰(zhàn)。煤粉鍋爐和CFB 鍋爐耦合市政污泥發(fā)電工藝流程如圖7 所示。由圖7 可見，采用煤粉爐耦合市政污泥工藝，經(jīng)過干化后的污泥需與煤粉一同進入磨煤機，混合均勻后噴入鍋爐爐膛內(nèi)燃燒。而采用CFB 鍋爐耦合市政污泥工藝，污泥直接通過活塞泵泵入鍋爐爐膛內(nèi)燃燒。

圖7 不同鍋爐耦合市政污泥工藝流程Fig.7 Combustion processes of municipal sludge coupled with different types of boilers

3.1 煤粉鍋爐

王雪等［39］在研究了市政污泥摻燒對煤粉鍋爐的影響后發(fā)現(xiàn)，20%含水率污泥摻燒后對鍋爐爐膛溫度影響較小，隨著污泥摻燒比例的增加，鍋爐燃燒效率下降。由于污泥所含碳分和硫分均低于動力煤，燃燒后煙塵含量和SO2質(zhì)量分數(shù)降低。李峰等［40］研究了上海某機組煤粉鍋爐中摻燒60%含水率市政污泥，結(jié)果表明，燃料中污泥摻燒比例達到7.30%，各設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，燃燒穩(wěn)定，污染排放達到環(huán)保要求，摻燒污泥后鍋爐效率下降了約0.34%。魏林清［41］在220 t/h 蒸發(fā)量的煤粉鍋爐中分別選取40 MW 和50 MW 兩種典型負荷條件下，摻燒10%，20%，30%和35%含水率為40%的半干化市政污泥。結(jié)果表明，污泥摻配后的煤質(zhì)與原鍋爐設(shè)計煤質(zhì)相比，水分、灰分、揮發(fā)成分增加，發(fā)熱量和碳含量有所降低，總體說來煤質(zhì)雖稍有下降但相差不大。根據(jù)污泥含水率變化確定污泥摻燒最佳比例，污泥耦合至煤粉鍋爐摻燒，對原煤輸送系統(tǒng)及鍋爐燃燒穩(wěn)定性影響很小。

Tan 等［42］對100 MW 煤粉鍋爐中摻燒市政污泥進行模擬并對比現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果表明摻燒10%質(zhì)量分數(shù)以內(nèi)的市政污泥，摻燒效果較好。降低污泥的含水率有利于提升摻燒效果，但當(dāng)含水率降至40%以下后，對摻燒效果的提升能力有限。當(dāng)摻燒比例在20%時，NOx的排放量仍可達到環(huán)保標準，但當(dāng)比例高于10%時，混合燃料的著火性逐漸下降，同時可能會影響點火性能和火焰穩(wěn)定性。市政污泥的摻燒會增加鍋爐的維護成本，但對發(fā)電企業(yè)而言會產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。Deng 等［43］對煤粉爐中摻燒市政污泥后的飛灰和重金屬遷移特性進行了分析，結(jié)果表明，隨著市政污泥與煤粉的混合燃燒，會形成新的化合物成分飛灰。礦物分析顯示透輝石、鈣長石和鐵共晶的形成可以降低煤與污泥混合的灰熔溫度，尖晶石和莫來石的形成可以提高混合物的灰熔溫度。

3.2 CFB鍋爐

楊敘軍［44］在2007 年對市政污泥耦合至CFB 鍋爐進行了有益的嘗試，處理市政污泥規(guī)模為400 t/d，污泥摻燒量控制在50%以內(nèi)時，技術(shù)經(jīng)濟效益較好。朱化軍等［45］利用CFB 鍋爐進行協(xié)同焚燒驗證研究，發(fā)現(xiàn)污泥摻燒比例不高于40%時CFB 鍋爐可穩(wěn)定運行，煙氣排放達標，粉煤灰重金屬含量低于國家農(nóng)用粉煤灰標準。當(dāng)鍋爐爐膛溫度達到850 ℃以上時，能夠較為徹底地將有機物轉(zhuǎn)化CO2，并有效遏制二噁英的合成。但因濕污泥進入爐膛焚燒會降低爐膛溫度，造成末端空氣預(yù)熱器腐蝕，大量水分蒸發(fā)會造成煙氣量增加，從而導(dǎo)致煙氣流速增加，進一步加劇爐體和水冷壁管磨損，因此將市政污泥耦合至CFB 鍋爐前，應(yīng)對鍋爐相關(guān)部件進行適應(yīng)性改造。邱旻昊［46］在蘇州江遠熱電摻燒蘇州吳忠區(qū)市政污泥，建議80%含水率市政污泥的摻燒量小于10%，煙氣中SO2等污染物排放指標滿足國家環(huán)保標準。

相比煤粉爐耦合市政污泥燃燒發(fā)電，CFB 鍋爐具有其獨特的優(yōu)勢［47?48］。

（1）適應(yīng)性強。CFB 燃燒穩(wěn)定，爐內(nèi)溫度場均勻，特別適合焚燒高水分、低熱值的劣質(zhì)燃料。以市政污泥為輔助燃料可顯著降低運行成本。

（2）焚燒效率高。由于爐內(nèi)氣體和固體、固體和固體之間的強烈混合，使污泥與灼熱的床料直接接觸，增大了污泥的熱解率。

（3）煙氣排放性能好。由于CFB 采用低溫（850～950 ℃）及分級燃燒，限制了熱力型NOx的形成。在CFB 中加入合適的吸附劑（如石灰石），可大大降低SO2和HCl 的排放。在稀相區(qū)噴尿素或氨水可進行爐內(nèi)脫氮，保證NOx，SO2和HCl 的排放濃度符合環(huán)保要求。

（4）CFB 鍋爐的結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)有機械傳動部件，故障少，建造費用低。

（5）空氣過剩系數(shù)降低，能耗更低。

Shao 等［49］對CFB 鍋爐摻燒市政污泥后重金屬和有機污染物的排放特性進行了研究，結(jié)果表明，爐渣和飛灰中重金屬質(zhì)量分數(shù)的分布呈相同趨勢，即Zn＞Cu＞Mn＞Cr＞Ni＞Pb＞V＞Cd＞Co。其 中Co 和Cu 在爐渣中為典型污染物，Pb 和Zn 則更多地存在于飛灰中。多環(huán)芳烴等有機污染物隨著污泥的摻燒量增加而顯著增加。脂肪族有機污染物主要存在于飛灰中。

Hartman 等［50］在CFB 鍋 爐 中 摻 燒 干 化 市 政 污泥，對NOx的含量、重金屬富集進行了研究，結(jié)果表明，煙氣中CO 的質(zhì)量分數(shù)與NOx的質(zhì)量分數(shù)密切相關(guān)，CO 質(zhì)量分數(shù)越低，NOx的質(zhì)量分數(shù)將越高。爐渣和飛灰中富集了豐富的Hg，Cd，Zn，Cu，Cr，Ni，Pb和其他微量金屬元素。

Miller等［19］也指出，CFB以固有對劣質(zhì)燃料的優(yōu)異適應(yīng)性，針對市政污泥作為燃料飛灰量大的特點，其具有較好的耦合燃燒優(yōu)勢。

3.3 污泥耦合發(fā)電對工藝設(shè)備的影響

根據(jù)污泥的特性，耦合至燃煤電廠發(fā)電中會對發(fā)電工藝設(shè)備造成如下負面影響［51?54］。

（1）摻燒污泥后煙氣流速和所含灰分增加，會加大受鍋爐熱面的磨損率。

（2）燃料含水率增加，導(dǎo)致磨煤機出力下降、能耗上升。建議污泥摻混比例應(yīng)以混合燃料總含水率不超過9%～10%為限。

（3）燃料含水率過高可能會造成磨煤機進口部位燃料堆積，甚至導(dǎo)致給煤系統(tǒng)堵塞。

（4）污泥的添加影響鍋爐輔機的選擇，當(dāng)煤中添加20%的污泥時，所需的空氣量降低15%。

（5）煤的灰熔點溫度要高于純污泥的灰熔溫度。隨著配比中污泥比例的提高，灰分的4 個特征溫度依次降低。

4 展望與建議

市政污泥耦合燃煤電廠發(fā)電技術(shù)在我國已經(jīng)有10余年的研究和實踐，多種類型的污泥干化設(shè)備和鍋爐焚燒設(shè)備投入使用并穩(wěn)定運行，積累了豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗，驗證了該工藝的可靠性。隨著我國現(xiàn)階段供給側(cè)的改革，煤電行業(yè)明顯處于過剩狀態(tài)。隨著城市化進程的不斷加快，污泥圍城的情況將日益嚴重。如何將二者有機地結(jié)合在一起，在盤活城市周邊的燃煤電廠資產(chǎn)的同時又可以解決城市的環(huán)保問題，這將是一個雙贏的選擇，市場前景廣闊。在市政污泥耦合燃煤發(fā)電廠項目實施過程中，提出以下建議。

（1）因地制宜，根據(jù)燃煤電廠和污泥產(chǎn)出地周邊的資源狀況，選擇合理優(yōu)化的工藝，研究最佳的污泥干化度和燃料增加量平衡點。

（2）充分考慮到污泥中含砂率對干化設(shè)備和鍋爐設(shè)備的負面影響，盡量減少原污泥中的含砂量。同時，應(yīng)促進污泥干化設(shè)備受熱面、鍋爐受熱面耐磨材料的研發(fā)和使用。

（3）污泥耦合焚燒后，對產(chǎn)生的廢氣和廢渣進行實時監(jiān)測和治理，以滿足日趨嚴格的環(huán)保標準。

（4）研究合理的污泥耦合焚燒發(fā)電的政策優(yōu)惠機制，如增加燃煤電廠的計劃發(fā)電量、或者電網(wǎng)以優(yōu)質(zhì)電價收購污泥耦合的發(fā)電量等。

（5）建議各地政府在協(xié)調(diào)水務(wù)企業(yè)、燃煤發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)和政府關(guān)系上進行創(chuàng)新，避免項目建成后出現(xiàn)停擺現(xiàn)象。