大型循環(huán)流化床鍋爐污泥摻燒技術研究

四川白馬循環(huán)流化床示范電站有限責任公司 甘 政

引 言

污泥是廢水處理過程中所產生的固體沉淀物質，含有重金屬、泥沙、有機細菌、無機顆粒物等。由于污泥結構松散不易沉降，難以進行徹底的固液分離和處置，目前最好處理工藝是通過直接焚燒，氧化處理內部的有害物質并綜合利用燃燒后的殘渣。四川白馬循環(huán)流化床示范電站有限責任公司（簡稱白馬公司）現(xiàn)有300MW和600MW循環(huán)流化床鍋爐各一臺，將干化后的污泥摻配到燃煤中，與煤一同送入爐膛進行燃燒處理，實現(xiàn)了經濟和社會效益。

截止2019年中國人口已達14億，隨著中國城市化進程的加快和人民生活質量的不斷提高，我國市政污泥年總產量目前已超過了4000萬噸。同時隨著工業(yè)環(huán)保要求的提高，工業(yè)污泥產量也在3600萬噸左右。而2019年全國污泥無害化處理率不足50%，已滿足不了環(huán)保處置要求。針對現(xiàn)有的污泥技術處理工藝分類，主要方式有無害化土地填埋處理、無害化土地直接利用、直接焚燒等三種方式。

直接焚燒是利用污泥的有機成分較高、具有一定熱值等特點來處置污泥，技術優(yōu)勢在于其處理有害物的徹底性，減量率可達95%，其有機物被完全氧化，重金屬幾乎全被截留在灰渣中。隨著污泥的預處理技術、高效的熱回收技術、對排放有效控制技術的采用，污泥在運輸、儲存中惡臭技術難題已經得到了很好的解決，已成為污泥處理與處置的主流技術。直接焚燒需要在高溫下對污泥進行加熱分解，所采用的設備有直排爐、回轉窯爐、鼓泡爐、循環(huán)流化床爐等，在使用上各具優(yōu)劣，但由于循環(huán)流化床焚燒爐燃料適應性廣，對污泥水分要求不高，同時燃燒溫度低，NOX排放量小，灰渣易于綜合處理等特點，已被普遍采用作為污泥焚燒的主要爐型，但也存幾個問題。

1 二噁英影響

二噁英又稱二氧雜芑，是2個或1個氧鍵連結2個苯環(huán)的含氯有機化合物，不是單一物質而是指一類物質。二噁英是一種大氣環(huán)境污染物，不能自然降解，當人體吸入后會危害人體多種器官和系統(tǒng)。二噁英焚燒生成溫度在320～510℃之間，720℃開始分解，800℃左右2秒完全分解。白馬公司循環(huán)流化床爐膛溫度在900℃左右，爐膛出口至旋風分離器溫度在910℃左右，煙氣在鍋爐及旋風分離器總計停留時間在10秒左右，該溫度區(qū)間及停留時間能使二噁英完全發(fā)生氧化反應，分解產生無毒芳烴，該反應不可逆。研究表明影響二噁英排放的主要參數(shù)是氯離子含量和污泥中硫比值，當硫氯離子比值值大于1時可大大降低二噁英的產生，當硫氯離子比值大于10可抑制90%的低溫二噁英生成。根據(jù)浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室對市政污泥的抽樣，硫氯離子比值比為80.1遠高于10，所以在源頭就可以大大抑制二噁英的產生。

白馬公司在試驗時對污泥樣品在四種不同工況進行了焚燒試驗：污泥單獨焚燒、污泥與煤按照1：1摻混后焚燒、污泥與煤按照1：1摻混并添加石灰石（按鈣硫比2計量）焚燒、煤單獨焚燒。試驗的污泥最高含量的為單獨焚燒，產生的二噁英為0.0917ngTEQ/m3；污泥和煤以質量比1∶1混燒后二噁英濃度降為0.0045ngTEQ/m3；污泥與煤按照1：1摻混并添加石灰石（按鈣硫比2計量）焚燒結果為0.018ngTEQ/m3；純煤燃燒時二噁英的結果為0.0035ngTEQ/m3。二惡英在國家危險廢物焚燒污染控制標準中排放標準是0.5ngTEQ/Nm3，在國家生活垃圾焚燒污染控制標準中排放標準是0.1ngTEQ/Nm3。所以在沒有進行任何尾部煙氣處理的條件下，試驗各方式污泥摻燒所排放二噁英質量濃度已遠低于國家規(guī)定排放標準。

2 污泥的惡臭影響

惡臭是指污泥在儲存運輸過程中向大氣揮發(fā)的異味物質，通過空氣介質作用于人的嗅覺器官、并有害人體健康的一類公害氣態(tài)污染物質。惡臭是大型循環(huán)流化床鍋爐處理污泥的一大技術難點，特別是在人口集中區(qū)域將對企業(yè)會造成不好的影響。污泥產生的氣體成分主要有氧、氮、硫化氫、二氧化碳、甲烷、氨以及一些產生臭味的氣體，如糞臭素、吲哚、有機硫化物、胺類、硫醇等微量MVOC氣體，其中氧、氮、二氧化碳是空氣中是常見組成成分，不需要對其進行處理。臭氣產生的最大來源為硫化氫和氨，它們在空氣中飄散，影響空氣質量，另外硫化氫是易燃的酸性氣體，其水溶液氫硫酸會對管道、土壤、混凝土結構、金屬機械設備、配電柜等產生酸性腐蝕。

根據(jù)韋伯一費希納定律，惡臭給人的感覺量(即惡臭強度)是與惡臭物質對人嗅覺的刺激量的對數(shù)成正比。當惡臭濃度降低97%臭味強度只減少50%，所以說即使還余3%的惡臭濃度，也會給人體帶來極度不舒適感，造成防治惡臭比防治其它大氣污染物更為困難，要消除整個惡臭對人體的感官比達到排放標準還要嚴格。白馬公司此次試驗對惡臭處理方法，首先將污泥進行加入聚丙烯酰胺調質，通過攪拌處理使污泥與藥劑充分反應，增加污泥的脫水率，同時污泥經過加藥調質成為95～97%絮狀物，隨后送入壓濾機內過濾壓榨后可將污泥含水率降至60%。由于污泥與藥劑反應混合大大降低污泥揮發(fā)物，惡臭感明顯減少；其后再將干化后惡臭減少的污泥與燃煤進行混合，并在儲存、輸送系統(tǒng)上增加一套收集系統(tǒng)對剩余少量的臭氣進行收集環(huán)保處理，將其變?yōu)橛薪M織環(huán)保排放。通過上述兩種工藝相結合已完全解決了試驗時的惡臭問題，達到了國家相關標準，解決了污泥摻燒時的一大技術難題。

3 鍋爐燃燒性影響

白馬公司600MW循環(huán)流化床機組日均給煤量為4063.2t/d，此次試驗摻燒的污泥最大含水率80%時加入量為350t/d，經干化后污泥最小含水率60%時加入量為216t/d，參比率只占燃煤的5%左右。即使污泥低位發(fā)熱量較低，但混合后燃料的組分變化較小，整體熱值變化不大，所以鍋爐的穩(wěn)定燃燒不會產生太大的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)，污泥摻燒比例的增加有利于提高機組啟動初期燃煤的燃盡率，循環(huán)流化床鍋爐燃燒的是5～8mm左右的燃煤顆粒，同普通煤粉爐相比在初期燃煤的燃燒性能不太好，由于污泥中有機物含量較高，所以具有更高的揮發(fā)分含量，由于這些有機物揮發(fā)分的著火點低于燃煤的著火點，因此在鍋爐燃燒初期時污泥的揮發(fā)分可以釋放更多的熱量，從而促進燃煤的著火。由于循環(huán)流化床鍋爐具有較高的熱容性，當溫度穩(wěn)定后可以加強二次風擾動，促進燃煤燃燒性能，提高了整體燃煤燃盡率。

4 鍋爐效率影響

污泥摻燒對鍋爐的效率影響主要體現(xiàn)于水分增加帶來的熱能損耗、煙氣增加及排煙溫度增加，但如采用干化后污泥，由于低含水率和摻燒時摻燒比例低，鍋爐效率降低值估計在0.1～0.2個百分點。此次試驗采用的是利用壓濾機械干化后含水率60%的污泥進行的試驗。根據(jù)試驗中對污泥摻燒比例對飛灰特性及鍋爐經濟性與安全性的影響試驗數(shù)據(jù)，表明隨著污泥的摻燒比例升高，灰渣未燃盡碳熱損失由0.8%低至0.5%（主要原因在本文論述鍋爐燃燒性能影響中以進行了充分的分析論證），降低了灰渣物理熱損失Q6。污泥摻燒試驗中不同燃燒工況排煙損失Q2在5.1～5.6%之間波動，整體變化率不大。另外污泥摻燒對于氣體不完全燃燒損失Q3、固體不燃燒損失Q4影響不大，一直在1.3～1.4%之間波動。

另外此次試驗還研究了不同污泥摻燒比例對鍋爐效率的影響。摻燒試驗前測試的鍋爐效率為94.08%，隨著污泥摻燒比例逐漸升高至2%、4%和6%時，鍋爐效率分別為94.07%、94.07%和94.09%，鍋爐效率變化不大。通過對一二次風、爐膛溫度、漏風等因素對效率進行修正，鍋爐效率在未摻燒污泥時為92.8%，隨著污泥摻燒比例逐漸升高至2%、4%和6%時，鍋爐效率分別為92.7%、92.8%和92.8%。綜合以上表明，污泥在煤中的摻燒比例如控制在6%以內，摻燒對鍋爐效率沒有產生明顯變化。

5 其他方面影響

對鍋爐爐膛結焦的影響。鍋爐爐膛內結焦的關鍵原因是灰熔點低，底渣出現(xiàn)焦熔現(xiàn)象，慢慢積累裹挾成結焦塊，而造成灰熔點低的主要原因是燃煤中堿金屬氧化物(如Na、K等）含量較高。將污泥燃燒后的灰成分進行研究，發(fā)現(xiàn)具有較高的磷化合物和二氧化硅，含量分別為10%與33%左右，所以污泥燃燒后的硅鋁酸鹽含量較高，但沒有反映出堿金屬氧化物含量高，可以忽略不計，如按照白馬公司常用煤種進行結焦指數(shù)計算，常用煤種指數(shù)為4，污泥指數(shù)為2，污泥結焦指數(shù)遠低于常用煤種，不會對爐膛內燃燒運行造成影響。

給煤系統(tǒng)的影響。此次試驗由于采用干化后含水率60%污泥進行試驗，加入系統(tǒng)由煤倉→重式皮帶給煤機→鏈條式刮板給煤機→落煤管組成。將干化后污泥與燃煤按比列按照2～10%混合加入煤倉，再通過后面的加入設備送入爐膛，原給煤系統(tǒng)的中心給煤機、皮帶給煤機、刮板給煤機電流幾乎沒有變化，落煤管也沒有發(fā)生堵塞。

飛灰品質的影響。飛灰是白馬公司發(fā)電重要的經濟副產品，也是我國高品質水泥制品的材料來源。此次試驗后對污泥焚燒所產生的焚燒灰進行實驗室數(shù)據(jù)分析，其吸水凝固性能較好，與粉煤灰的性質相差不大。另外由于污泥燃燒后的灰在總灰量中占的比例很小，對飛灰銷售的品質基本沒有影響。

尾氣排放影響。污泥摻燒后對鍋爐尾氣排放的主要影響是O2和NOX。由于白馬公司機組配置了半干法煙氣脫硫和SNCR脫硝系統(tǒng)，因此污泥摻燒對SO2和NOX的影響可以不用考慮。污泥灰分比較多，摻燒后產生的飛灰有所增加，但摻燒比較小，增量也很小，其后置有超凈袋式除塵器，不會造成排放粉塵超標。

6 結語

通過以上研究，白馬公司的大型循環(huán)流化床污泥摻燒是可行的，滿足國家關于大氣污染物排放指標。本文研究發(fā)現(xiàn)，600MW循環(huán)流化床鍋爐污泥水分控制到60%以下、摻燒比例控制在6%以下，完全能保證大型循環(huán)機組的安全性、環(huán)保性。同時由于機組容量大，污泥的處理量也較大，若采用更新工藝技術將污泥干化到20%左右，其經濟性更好。