燃煤電廠污泥摻燒技術(shù)及其研究進(jìn)展
摘 要：隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快,城市生活污水量急劇增加,。污泥作為污水處理后的附屬產(chǎn)品,對(duì)環(huán)境影響極大,因此污泥的無(wú)害化、減量化,、資源化處理迫在眉睫,。燃煤電廠污泥摻燒是實(shí)現(xiàn)最大體積減少污泥的處置方法之一。發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)中,污泥摻燒工藝已逐漸成熟,在燃煤電廠的應(yīng)用更為廣泛,。綜述了污泥摻燒技術(shù)的現(xiàn)狀,分析了燃煤電廠摻燒污泥造成的影響,并討論了燃煤電廠污泥摻燒技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向,。
關(guān)鍵詞：燃煤電廠; 污泥; 摻燒; 焚燒設(shè)備;
隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，生物質(zhì)垃圾處理需求逐漸增加,。截至2018年6月底,，全國(guó)地市級(jí)城市建成城市污水處理廠累計(jì)5 222座(不含鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠和工業(yè)),，污水處理能力達(dá)2.28億m³/d。典型污泥成分復(fù)雜,，由各種有機(jī)相,、無(wú)機(jī)相、水分以及水溶性物質(zhì)構(gòu)成,。除此之外,，還含有其他物質(zhì)，如:致病菌,、病毒等有害微生物;銅,、鋅、汞等重金屬;多氯聯(lián)苯,、二噁英等難降解物質(zhì),。如何采取有效措施，實(shí)現(xiàn)污泥處置“無(wú)害化,、減量化,、資源化”是急需解決的問(wèn)題。常見(jiàn)的污泥處理技術(shù)有堆肥處理,、海洋傾倒,、填埋、農(nóng)用和焚燒等,。但以上幾種方法存在有害物質(zhì)殘留,、重金屬污染、水體污染,、土地資源浪費(fèi),、運(yùn)行成本高等缺點(diǎn)。燃煤電廠摻燒污泥處理一般是指將污泥送入鍋爐與煤炭進(jìn)行混燒,。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,，該方法可以減少甚至不添加輔助燃料,，從而實(shí)現(xiàn)污泥的無(wú)害化、資源化,、減量化,，是一種極具前途的處置方法。
01. 燃煤電廠摻燒污泥研究現(xiàn)狀
國(guó)外較早對(duì)燃煤電廠摻燒污泥進(jìn)行了研究,。世界上第1臺(tái)焚燒污泥的流化床鍋爐在1962年建于美國(guó)華盛頓,，至今仍在運(yùn)行。目前,，在眾多污泥處理處置工程中,，污泥摻燒工藝被認(rèn)為是污泥處理中的最有效技術(shù)之一。
1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
污泥焚燒多段豎爐在德國(guó)首先得到應(yīng)用,，而后流化床爐逐漸占領(lǐng)了市場(chǎng),，大約占90%以上份額。為減少CO2排放量,，自2012年以來(lái),，韓國(guó)政府對(duì)運(yùn)行能力超過(guò)500 MW的燃煤電廠的發(fā)電公司實(shí)施了限制性政策。此外,，煤電公司已嘗試使用污泥作為可再生燃料資源,。焚燒法處理污泥在日本應(yīng)用最為廣泛，1992年共有1 892座焚燒爐燃燒處置了75%的市政污泥,。
KRU O等人發(fā)現(xiàn)燃燒半干污泥時(shí),，煙氣中NOx的濃度高于濕污泥而低于干污泥，一次風(fēng)溫較高時(shí)可以降低煙氣中N2O,CO,NH3和Corg(有機(jī)碳)的濃度;TAN P等人研究了木質(zhì)生物質(zhì)及污水污泥混合燃料與煤共燃條件下的燃燒情況和灰分行為,，發(fā)現(xiàn)在燃料中加入大量木質(zhì)生物質(zhì)可降低揮發(fā)性,、點(diǎn)火溫度和燃盡溫度，混合燃料導(dǎo)致各種灰分聚集傾向,，高溫和木質(zhì)生物質(zhì)的添加導(dǎo)致灰分增加;FU B等人研究評(píng)估了來(lái)自6個(gè)污水處理廠和不同污泥處理裝置的干燥污水污泥樣品的燃燒特性和共燃效率,，發(fā)現(xiàn)與煤摻混比例在30%以下時(shí)具有較高的熱值(8 083～16 124 J/g之間)。此外,，在各種污水污泥穩(wěn)定化方案中,，石灰穩(wěn)定化影響熱特性最多，厭氧穩(wěn)定處理的污泥的熱值低于有氧穩(wěn)定的污泥,，隨著混合物中污泥含量從5%增加到30%,，燃燒效率從99.5%逐漸降低到97.5%。AYSE S A等人對(duì)污水污泥,、煤和生物質(zhì)顆粒的燃燒機(jī)理和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了比較分析,，認(rèn)為與生物質(zhì)相比，污水污泥的著火點(diǎn)更高,，生物質(zhì)和污水污泥的性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致燃燒過(guò)程的強(qiáng)化,。德國(guó)Berlin-Ruhleben污泥焚燒廠采用流化床焚燒濕污泥，脫水后含水率為75%,，每天約產(chǎn)生45 t灰分,，煙氣中SO2含量為30 mg/m3。在煙氣脫硫系統(tǒng)中,，每天消耗CaO約2.5 t,，并產(chǎn)生7 t石膏。
1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國(guó)燃煤電廠污泥摻燒技術(shù)要求污泥焚燒爐能處理65 t/d的污水污泥(含水量85.1%),，同時(shí)處理廢塑料和廢橡膠各2.5 t/d,。張成等人認(rèn)為,，在相同摻燒比情況下，降低污泥的含水率會(huì)增加NOx的排放,，但有利于改善鍋爐的燃燒特性;污泥摻燒比小于20%時(shí),，燃燒特性與污染物NOx的排放特性與單煤燃燒情況基本類似;污泥摻燒比大于20%時(shí)，整體燃料特性出現(xiàn)顯著變化,，鍋爐燃燒效果變差,，NOx排放大幅度上升。廖艷芬等人研究發(fā)現(xiàn),，由于利用了固體廢棄物的化學(xué)內(nèi)能,，污泥與垃圾或者與煤混合摻燒降低了化石能量消耗，但環(huán)境排放以酸化和富營(yíng)養(yǎng)化為主,，對(duì)局地性環(huán)境影響較大,。張世鑫等人研究表明，利用電廠目前運(yùn)行的1 025 t/h循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組實(shí)現(xiàn)日摻燒生物質(zhì)200 t,、處理固廢400 t,、垃圾衍生燃料(RDF) 50 t、污泥200 t是可行的,，且利用電廠現(xiàn)有的除塵系統(tǒng),、脫硫系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng),，可以達(dá)到生物質(zhì)摻燒及城市固廢處置無(wú)害化和資源化的目的,。賈建偉對(duì)電廠鍋爐摻燒污泥進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，以蒸汽對(duì)污泥進(jìn)行干化,，然后進(jìn)行燃燒,，最終實(shí)現(xiàn)了污泥的再利用。
從以上綜述可以發(fā)現(xiàn),，污泥焚燒研究在國(guó)內(nèi)外取得了一定的進(jìn)展,，但仍有提升的空間。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,。近年來(lái)，隨著研究的深入,，不同的污泥摻燒工藝也給污泥焚燒處理提供了多種選擇,。
02. 燃煤電廠污泥摻燒技術(shù)工藝流程
燃煤電廠鍋爐主要爐型為煤粉爐和循環(huán)流化床鍋爐。研究者分別提出了城市污泥在煤粉爐和循環(huán)流化床鍋爐中與煤混合燃燒的技術(shù)手段,。具體工藝流程如圖1所示,。
無(wú)論是煤粉爐或是循環(huán)流化床鍋爐對(duì)燃料的含水率都有嚴(yán)格的要求，含水率與熱值之間的關(guān)系如表1所示,。
由表1可知,，污泥含水率越高,，熱值越低，隨著含水率的升高,，熱值從12 558 k J/kg降至-950 k J/kg,。目前主要的污泥干化處理技術(shù)有熱蒸汽、煙氣干化,、脫水劑干化等。如果采用煙氣干燥污泥,，煙氣中的粉塵會(huì)對(duì)設(shè)備的管壁進(jìn)行沖刷,，而且需要單獨(dú)的引風(fēng)機(jī)，將會(huì)產(chǎn)生額外的耗電與熱損失,。若全部采用脫水劑干化則經(jīng)濟(jì)性無(wú)法保證,。因此，常用的污泥干化技術(shù)主要采用熱蒸汽作為熱源干化或半干化污泥,。該技術(shù)具有污染小,、噪聲小、系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),。
循環(huán)流化床鍋爐因其特殊的結(jié)構(gòu)而具有蓄熱量大,、可低溫燃燒、煤種適應(yīng)性強(qiáng),、燃燒穩(wěn)定,、氮氧化合物排放低等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)二噁英的生成不可控,。煤粉爐則在兼具以上優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)能有效處理污染物,，是可靠的污泥與煤摻燒工藝。但污泥通常在焚燒爐與煤混燒,，會(huì)對(duì)原有的設(shè)備造成影響,。
03. 燃煤電廠摻燒污泥的影響因素分析
3.1 摻燒污泥對(duì)鍋爐的影響
(1)制粉系統(tǒng)磨損、積煤,、堵煤污泥與煤粉混合后物料的含灰量增加,，同時(shí)攜帶部分金屬元素，會(huì)增加燃燒器,、噴口,、管道的磨損，另外混合物中堿金屬含量的增加容易導(dǎo)致受熱面結(jié)渣和腐蝕,。由于污泥含水量高,，經(jīng)干燥預(yù)處理后含水量仍比煤高，因此污泥與煤炭摻混后提高了物料的黏度并降低了流動(dòng)性,，易使制粉系統(tǒng)發(fā)生積煤,、堵煤,。
(2)受熱面磨損、積灰增加煙氣中的含灰量增加,，將導(dǎo)致受熱面的磨損和水平煙道的積灰加重,。
(3)對(duì)鍋爐效率的影響摻入污泥后燃料的整體熱值下降，飛灰增加,，將降低鍋爐的整體熱效率,。
(4)酸性氣體排放的增加在燃料中摻入污泥，NOx和SO2的排放量有所增加,，導(dǎo)致管道腐蝕嚴(yán)重加劇,。
(5)對(duì)其他設(shè)備的影響含灰量的增加，使得對(duì)于除塵器,、引風(fēng)機(jī),、倉(cāng)泵、出渣裝置的容量均要求增加,，從而增加了機(jī)組的投資成本,。
3.2 摻燒污泥對(duì)污染物排放的影響
(1) SO2的形成和排放污泥的組成包含有機(jī)硫和無(wú)機(jī)硫，SO2的生成與污泥本身的含硫量,、爐膛溫度,、空氣過(guò)量系數(shù)、污泥含水率,、湍流強(qiáng)度以及煙氣停留時(shí)間等都有關(guān)系,。污泥含水率對(duì)煙氣中SO2濃度的影響較大，水分的存在會(huì)使SO2排放減少,。當(dāng)水分大于40%時(shí),，SO2排放急劇下降。
(2) NOx的形成和排放污泥燃燒過(guò)程N(yùn)Ox的生成機(jī)理一般情況下與煤相同,，然而污泥中的氮,、揮發(fā)分和灰分含量很高，固定碳含量則很低,。污泥中的氮含量一般為6%～8%,，并以氨的化合物形式存在，因此污泥摻燒后NOx排放比單純?nèi)紵禾扛摺?/p>
(3)煙塵的形成與排放燃料燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生煙塵,。污泥中重金屬含量較高,，在摻燒過(guò)程中常以金屬化合物或金屬鹽的形式混入煙氣中排放造成污染，或沉積在管道,、室壁的表面,，加速了設(shè)備的腐蝕，同時(shí)影響了傳熱。
(4)二噁英的形成與排放二噁英是多氯二苯并二噁英和多氯二苯呋喃兩類化合物的總稱,，是一種難降解的致癌物,，具有熱穩(wěn)定性，通常當(dāng)溫度高于850℃時(shí),，才被分解破壞,。因此，要求焚燒爐的燃燒溫度高于850℃,，并保證二噁英的停留時(shí)間在2 s以上,，這樣才可以進(jìn)行有效分解破壞。目前,，電廠1 025 t/h流化床鍋爐負(fù)荷率較高,，鍋爐額定負(fù)荷下的燃燒溫度均可以達(dá)到900℃以上，爐膛內(nèi)煙氣停留時(shí)間大于5 s,。煤粉爐燃燒溫度可達(dá)更高，但鍋爐尾部排放的溫度較低,，二噁英依然可能存在,，還需要進(jìn)一步研究。
(5)爐渣中重金屬的形成與排放在污水處理過(guò)程中,，70%～90%的重金屬元素通過(guò)吸附或沉淀而轉(zhuǎn)移到污泥中,。污泥摻燒過(guò)程中重金屬一部分以爐渣的形式排出，一部分由于焚燒爐中出現(xiàn)的過(guò)量空氣,、湍流,、真空等原因出現(xiàn)在煙氣中，形成飛灰顆粒,，從而對(duì)機(jī)組造成一定的影響,，因此需要研究燃煤鍋爐在不同運(yùn)行工況下最佳的摻燒比，減小對(duì)鍋爐機(jī)組產(chǎn)生的影響,。
04. 燃煤電廠摻燒污泥的發(fā)展趨勢(shì)
目前,，污泥的無(wú)害化處理以及資源化利用還處于探索階段，焚燒和填埋仍將在一定時(shí)間內(nèi)成為我國(guó)污泥處理的主流,。但研究發(fā)現(xiàn),，電站鍋爐機(jī)組摻燒污泥避免了污泥填埋所產(chǎn)生的生物、化學(xué),、物理反應(yīng),，消除了污泥中的有害氣體和滲透液對(duì)大氣、土壤的二次污染,，能使有機(jī)物全部氧化,，殺死病原體，可最大限度地減少污泥體積，達(dá)到了污泥無(wú)害化,、減量化處理的目的,，具有較好的環(huán)保效益?？偟膩?lái)說(shuō),，減少環(huán)境危害、降低污泥摻燒成本,、控制污泥燃料特性,、提高能源回收利用率是未來(lái)?yè)綗勰嗉夹g(shù)的主要研究方向。
05.結(jié)論
(1)污泥與煤炭摻燒可以極大地降低污泥處理處置的成本,，衍生的環(huán)境保護(hù),、土地資源利用等問(wèn)題得到了一定程度的解決。電站鍋爐進(jìn)行小比例摻燒污泥,，無(wú)論在可行性,、可靠性和環(huán)保性上，均是城市污泥“無(wú)害化,、減量化,、資源化”處理的有效途徑之一。但城市污水污泥來(lái)源復(fù)雜,，仍需進(jìn)行大量的研究和試驗(yàn),。
(2)目前，污泥與煤炭摻燒是通過(guò)對(duì)電廠現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)改造而進(jìn)行的,，但摻燒污泥對(duì)機(jī)組設(shè)備的磨損,、腐蝕不可避免，污染處理費(fèi)用及設(shè)備損壞維修費(fèi)用高昂是制約電廠進(jìn)行摻燒污泥應(yīng)用的主要因素,，尚需相應(yīng)的政策扶持,，同樣需要加強(qiáng)研究。
作者簡(jiǎn)介： 林英紅(1970—),女,高級(jí)工程師,。主要研究方向?yàn)槿紵c污染物控制,、低熱值燃料利用技術(shù)。E-mail:[email protected],。;
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