污泥燃煤電廠協同焚燒工程案例分析

盧義程

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

1 技術背景

2018 年住房和城鄉建設部統計[1]全國3 919 座污水處理廠市政污泥產生量達1 353.3 萬t/a，折合80%含水率脫水污泥6 766 萬t/a。國內現狀污泥處置方式仍然是以填埋和土地利用為主。借鑒國外行業發展比較成熟的管理經驗，在發達大中城市宜推行包括獨立焚燒和協同焚燒等為主的技術方向。如2016 年德國環保局統計[2]全國市政污泥焚燒處置占比64.4%，其中獨立焚燒占比25%，大型煤電廠協同焚燒占比26%，水泥窯協同焚燒占比7%，垃圾焚燒廠協同處置占比3%。2017 年修訂的污泥法[2]詳細描繪了“焚燒增加、農用減少和土地利用逐步禁止”的大趨勢，并計劃于2032 年關閉所有大中型污泥農用處置途徑，單獨污泥焚燒和結合燃煤電廠協同焚燒成為今后一段時間內德國的主流技術途徑。

上海市政府于2018 年12 月底批復了《上海市污水處理系統和污泥處理處置規劃（2017—2035）》，明確了獨立焚燒為主、協同焚燒為輔、建材或統籌利用兼顧的主流方向[3]。污泥獨立焚燒投資成本均相對較高，今后相當長的一段時間內結合大中型燃煤電廠摻燒仍是市政污泥焚燒不可或缺的主流技術方向。以揚州市為例，污泥干化廠選址位于經濟技術開發區古渡路，總占地約2.67 hm2。一期工程占地約1.87 hm2，建筑面積8 359 m2；二期工程占地約0.8 hm2，建筑面積5 300 m2。一期工程設計規模300 t/d（80%含水率，以下同），二期工程設計規模200 t/d。設計采用熱干化和熱電廠協同焚燒的技術路線。設計中充分運用低碳和循環經濟先進理念，廠址選擇緊鄰揚州第二發電有限責任公司和揚州港口污泥發電有限公司，周邊還有揚州市亞東水泥廠。污泥全干化產品可作為補充燃料與燃煤摻燒發電，電廠協同焚燒的粉煤灰結合水泥廠生產水泥。干化熱源利用揚州港口污泥發電有限公司的余熱蒸汽或者來自第二熱電廠的余熱蒸汽。工藝設備選擇兩段式干化，經國內實踐驗證能耗較低，污泥干化單位蒸發量綜合能耗0.69 kWh/kgH2O。一期運行驗證單位污泥量多年平均蒸汽消耗量僅0.7～0.75 t/t，在同行業中蒸汽消耗量處于較低水平。一期工程成功投運五年后順利啟動了二期工程的建設。

2 摻燒技術與相關法規

2.1 熱電廠摻燒技術分析

市政污泥與燃煤電廠協同焚燒，單純從技術角度分析，脫水污泥、半干污泥和全干污泥均能結合電廠循環流化床或煤粉爐焚燒，德國和我國均有大量的試驗工程驗證。國內如常州、蘇州等地均曾嘗試循環流化床機組直接摻燒市政脫水污泥的試驗工程，過去曾作為緩解污泥出路的重要手段之一使用。國內外經驗均表明直接利用脫水污泥摻燒，有效的做法是利用飛灰回混的調質方式[4]。而采用脫水污泥直噴入爐的方式并不成功，脫水污泥掉落到風嘴附近發生干化造成爐內溫度分布不均勻，脫水污泥超量投加易造成爐床內15℃～25℃以上的溫度下降。尤其鍋爐機組在低于60%負荷運行因風帽附近的爐床溫度下降造成機組無法運行。還有脫水污泥因工業污染的重金屬Cu2+、Zn2+、Fe2+、Ca2+等離子超標時，以SiO2、CaO2為主的灰分熔流點無序波動[5]，煙道內積灰難以清除，還易造成靜電除塵和布袋除塵效率的急劇下降從而引起電廠系統產能大幅度減少造成巨大的經濟損失。

參照德國類似的污泥干化結合電廠或水泥廠的摻燒經驗，極個別污泥干化廠由于建設時間較早，污泥干化至40%～70%TS 含固率結合循環流化床燃煤鍋爐協同焚燒，其余污泥干化廠均將污泥干化至75%TS 甚至90%TS 后結合循環流化床鍋爐或煤粉爐實施協同焚燒[4]。針對含水率偏高的脫水污泥或半干污泥摻燒須注意鍋爐受熱面或空預器受熱面因污泥中氯、硫等污染物造成煙氣酸露點升高引起的侵蝕和耐熱材料的疲勞破壞。當電廠鍋爐煙道受熱面和煙氣處理系統改造費用太高時，首選按全干污泥實施協同焚燒可能更經濟。

污泥干化裝置的設計和運轉十分依賴實踐和經驗，末端協同焚燒的政策或技術特點決定了進料污泥品質控制。借鑒熱電廠大氣污染控制的政策法規，京都議定書規定了六項主要的溫室氣體排放控制，包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）、氫氟碳化物（HFCs）、全氟化合物（PFCs）和六氟化硫（SF6）。二氧化碳以外的溫室氣體均折算成二氧化碳當量實施配額和碳交易管理[4]。參照歐洲委員會的決議2007/589/EC，市政污泥和沼氣可以作為生物質替代燃料實現碳中和的指標交易，尤其全干化或半干化市政污泥熱值接近褐煤，替代熱電廠燃煤可以計算為零排放。全干化污泥可以折算的二氧化碳排放當量大約0.7～1.1 tCO2/t，單純脫水污泥協同焚燒因為熱值太低在碳中和實現碳減排交易方面沒有優勢。市政污泥與燃煤電廠協同焚燒在大氣有機污染物控制方面因為電廠鍋爐焚燒溫度高且停留時間充足，不存在污染排放的風險。

2.2 參考技術標準及關鍵要點

上海結合外高橋電廠和上電漕涇發電廠等試點項目于2021 年4 月頒布《燃煤耦合污泥發電廠大氣污染物排放標準》（DB 31/1291—2021），為市政污泥結合燃煤電廠摻燒處置明確了各項技術條件和污染控制的基本考核目標[6]。上海地標于2021 年6 月1日正式實施，標準明確規定燃煤耦合污泥電廠二噁英類污染物的排放限值為0.02 ngTEQ/m3，遠高于《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB 18485—2014）中規定的0.1 ngTEQ/m3；利用煙氣混合稀釋作用降低二噁英類污染物排放基本杜絕。汞及其化合物排放限值明確為0.01mg/m3。燃煤耦合污泥發電鍋爐的污泥摻燒率不應大于5%，該干污泥摻比控制與德國干污泥與燃煤電廠協同焚燒后灰渣實施建材利用的限制類似[4]。

2021 年12 月9 日，江蘇省生態環境廳發布《燃煤電廠大氣污染物排放標準》（DB 32/4148—2021），新標準[7]于2022 年7 月1 日起正式執行；針對單臺出力65 t/h 以上發電鍋爐明確了與污泥摻燒有關的顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、汞及其化合物、煙氣黑度等排放限值。其中規定汞及其化合物排放限值為0.02 mg/m3。與上海地標不同，江蘇省標似乎沒有針對二噁英提出特別的限值要求。

參照江蘇省和上海市新近頒布的有關污泥干化后與燃煤電廠耦合發電的大氣污染控制排放限值要求，污泥干化后送燃煤電廠除了注意與燃煤的摻比控制外，電廠自身的大氣污染物排放須兼顧自身燃料相關的大氣污染控制和有關摻燒污泥更高的排放要求。意味著電廠的制粉系統、鍋爐煙道系統和煙氣處理環節須引起高度關注。如循環流化床鍋爐有可能涉及輸煤破碎環節、煙道省煤器、砂回流、煙氣脫硫脫硝等子系統的更新改造實現高可靠度的達標。

3 泥質控制與干化工藝

參照德國排水協會技術規范ATV-DVWK M379[8]，干化后產品含固率小于85%（TS）屬于半干化，干化產品含固率不小于85%（TS）是全干化。全干污泥產品在粉塵控制、臭氣控制和輸送便利性方面均有較大優勢；借鑒德國經驗，結合大型燃煤電廠和水泥廠摻燒均采用全干污泥協同焚燒方式實現處置。揚州市污泥干化廠采用的兩段式干化技術可實現75%（TS）至90%（TS）的目標含固率入爐，末端處置循環流化床爐和煤粉爐均存在。一期工程設計污泥干化生產線按照100 t/d 一條線，計3 條生產線。二期工程按照100 t/d 一條線，計2 條生產線。年生產按照7 500 h/a 考核，干化產品溫度不大于40℃，產品含固率75%～90%（TS）。

與干化摻燒密切相關的另一項指標是污泥含砂量，揚州主城區因存在部分合流制改造分流制不徹底的區域，污水污泥含砂量相對較高；據檢測分析反饋，最高含砂量接近40%；直接影響污泥干化工藝和設備的設計，以及污泥輸送環節的耐磨選材設計。系統設計和設備采購環節均按最高含砂量40%作為控制條件執行。

污泥處理流程包括污泥卸料站、污泥儲料倉、污泥干化生產線、干污泥卸料等高度集約化設計，全過程封閉生產。全干化的產品利用成品料倉短時儲存后裝車密閉外運至附近熱電廠摻燒發電，熱能利用熱電廠余熱蒸汽。污泥處理工藝基本流程見圖1。

圖1 污泥處理工藝基本流程示意圖

污泥干燥采用兩段式或稱兩級干化工藝（一級處理后污泥干度達到40%～55%（TS），二級干化處理后污泥含固率可達到75%～90%（TS））。污泥在可塑性階段切碎成顆粒配合帶式干燥機出口粉塵含量低于3‰。針對揚州市污泥含砂量特別高的特征，設計和調試階段設定相對較高的一級干化含固率50%～55%（TS），提高切碎機入口的污泥粘度，降低磨損和阻力；確保產能穩妥可靠。系統設計帶式干燥機的補充熱源采用一段廢熱（污泥廢氣余熱和蒸汽冷凝水余熱）和補充蒸汽相結合的方式實現能量的最大限度回收。

干化系統共5 條生產線，其特征如下：

生產數量：5 套；

設計進泥干度：20%～30%（TS）；

設計出泥干度：75%～90%（TS）；

年運行時間：7 500 h/year。

每一條干化處理線的設計參數如下：

蒸發能力：3 792 kgH2O/h（20-90%（TS））；

設計物料通量：975 kg（TS）/h。

每一條處理線包括以下4 個主要部分：

薄層蒸發器；

切碎機；

帶式干燥機；

與工藝一體化的熱量回收。

干污泥出料通過斗式提升機輸送到干污泥料倉，再由干污泥料倉裝車運送至發電廠進行摻燒。

4 生產污水污染控制

4.1 生產污水的產生

污泥干化生產污水一般來源有車間沖洗污水、干化尾氣冷凝水、除臭殘液等。針對兩段式或兩級干化工藝，由于中間環節造粒生產沖洗產生大量的顆粒污泥洗滌污水，與干化尾氣洗滌和除臭殘液等構成主要的生產污水。每條干化線產生的冷凝污水流量約為3.3 m3/h，按照滿負荷生產日均計算污水排放量約588 m3/d，生產工藝排水產污系數約1.0～1.2 m3/t混合污水。

4.2 生產污水處理試驗研究

污泥干化產生污水主要污染集中于干化冷凝液和中間造粒工藝沖洗水，主要特征污染指標有CODcr、BOD5、NH3N 等。就NH3N 指標而言，一級間接干化產生污水量少，但污染物濃度高，最高可達2 500 mg/L；直接干化冷凝液NH3N 最高達500 mg/L[8]。生產混合污水特征污染物濃度按經驗TN100～200 mg/L，NH3N100 ～150 mg/L。一期工程生產階段開展了300 m3/d 的生產性試驗裝置跟蹤摸索工藝技術和設計參數。污泥干化廠產生的污水經預處理達標后通過市政管道最終納入3 km 處的六圩污水處理廠。試驗工程基本流程見圖2。

圖2 生產性試驗污水處理基本流程圖

生產污水處理流程設計采用泥水分離后初步沉淀+ 一體化生物接觸氧化裝置方式實現二級處理達到納管標準。經過連續三年以上的生產性試驗證明污水處理工藝的合理性，為二期工程全面設計污水處理站提供了參考數據。

4.3 污水處理工程設計

一二期工程污泥處理設計規模500 t/d 對應的污水處理站設計規模建議600 m3/d。據實際運行監測的數據統計分析，執行《污水排入城市下水道水質標準》（GB/T 31962—2015）中表1-A 類指標），污水處理站設計進出水水質見表1。

表1 不同換撐方式對比

表1 污水處理系統設計進水水質 單位：mg/L

污水預處理工藝流程見圖3。

圖3 污水處理系統工藝流程圖

干化冷凝污水采用板式換熱器降溫后納入污水處理單元，確保進入污水處理流程水溫不超過40℃。污水處理技術路線擬采用“調節池（含事故池）+混凝沉淀+ 生物反應池+ 斜板沉淀池+ 排放水池”的工藝，核心生物反應池擬采用單段式AO 活性污泥法，水力停留時間約30 h，按試驗工程驗證能穩妥達標。污泥處理采用“重力濃縮+ 帶式壓濾脫水”，脫水污泥直接泵送污泥卸料站進入污泥干化流程。

5 臭氣排放控制

全流程精細化臭氣控制是污泥處理工程成敗的關鍵。臭氣收集處理的基本原則是強化封閉源頭管控、分類收集、多途徑末端處理[9]。核心須關注高強度臭氣盡可能采用磚砌或混凝土砌筑的小空間封閉后高頻次抽風除臭。如污泥卸料池、污泥儲存池、切碎機間等與脫水污泥或半干污泥密切接觸且散發臭氣的空間抽風次數以18 次考慮，依靠高頻次抽風形成高強度負壓確保臭氣不外溢。其余與臭氣散發相關的空間以6～12 次換氣次數補充除臭以加強封閉除臭效果。臭氣處理按照一期和二期污泥干化車間單獨各1 套臭氣收集和處理系統分別處理一期和二期工程產生的臭氣。

一期工程帶式干燥機內部產生的高濃度臭氣總流量約為3×4 000=12 000 m3/h，溫度88℃，相對濕度為21%。帶式干燥機產生的高強度熱臭氣須先進行冷卻處理，在冷卻塔內使之溫度下降至40℃左右；然后再送至化學洗滌塔單元處理。化學洗滌塔設氧化和堿洗兩級處理方式實現高標準臭氣控制后由排氣筒排放。一期工程化學洗滌的臭氣總流量約42 000 m3/h，實際運行特征污染物指標達標，排氣筒臭氣濃度不超過500；但氣象條件欠佳時有微量異味氣體散發至廠界處。二期工程除臭設計在一期工程的基礎上進行了優化改進，干燥機內部產生的高濃度臭氣先進入濕式洗滌塔并增加臭氧處理單元再進入化學處理單元。卸料池、儲泥池、污水處理站產生的空間氣體等采用“臭氧氧化+ 次氯酸鈉氧化+ 堿洗+ 氣液分離的方式處理，帶式干燥機周邊的空間氣體直接納入到生物濾池；生物濾池設計規模同時兼顧卸料池、儲泥池、污水處理站等空間氣體的風量，臭氣排放筒的高度距地面為25 m。計劃待二期工程除臭設施調試成功并取得良好成效后，利用二期工程取得的經驗數據用于一期工程的除臭升級改造以改善廠區大氣環境。擬設計排氣筒臭氣濃度目標控制在200 以內。

6 干污泥安全儲存輸送技術

接近全干的干污泥安全儲存及輸送主要涉及干污泥的品質管理、粉塵防爆、臭氣散逸、甲烷及氫氣集聚引起自燃、與燃煤電廠爐型和輸送制粉系統匹配等多方面難題。85%TS 以上的全干污泥適合采用氣力輸送、螺旋、皮帶、斗提等輸送方式[10]。經生產實踐摸索，調試生產初期曾嘗試85%TS 以上的含固率出料車輛短駁至電廠煤棚，夏季高溫天氣在卸料堆放和輸送過程多次發生偶爾高速風吹造成自燃。后續摸索控制75%～80%TS 的出料含固率，結合全過程的封閉輸送控制含氧量和臭氣；基本杜絕了干污泥的自燃和臭氣散逸。

顆粒污泥在干化處理線出口處直接落入皮帶輸送機上，輸送機全流程包含干污泥料倉按照1 用1備方式配備。干污泥顆粒通過皮帶輸送機和斗式提升機直接送至干污泥料倉暫存，然后裝車外運與燃煤混合摻燒。為保證干污泥的全封閉裝卸作業，污泥料倉下方設可伸縮卸料管道伸入下方裝卸料斗，卡車直接搬運裝卸料斗外運。輸送機及干污泥料倉上方配置水噴霧噴頭配合感溫電纜在超溫時防護冷卻確保干污泥輸送的消防安全。

7 污泥于燃煤電廠摻燒效益分析

揚州市污泥干化廠熱干化的蒸汽熱源有2 路：揚州市第二電廠和揚州港口污泥發電有限公司的200℃～250℃@8bar（g）過熱蒸汽。經過熱干化的干污泥顆粒產品作為低品質燃料可以作為揚州第二發電廠或污泥發電有限公司的補充燃料，與燃煤協同焚燒的灰渣也可以結合亞東水泥廠作為水泥生產的熟料。六圩污水處理廠產生的再生水作為該循環經濟產業園的工業水水源，也是污泥干化廠的工業用水的補充水源之一。據2021 年月均生產統計分析，日處理污泥284 t/d，噸污泥干化電耗63.7 kWh/t，單位蒸汽消耗0.75 t/t。干污泥平均含固率81.3%TS，月平均產量58.32 t/d，折合碳減排平均約53 t CO2/d。按今后滿負荷生產日產干污泥80%TS 含固率125 t/d，折合碳中和指標約112.5 t CO2/d。

8 結 語

（1）一期工程竣工結算總投資約1.55 億元。二期工程總投資約1.2 億元，計劃2022 年中全面投產。目前揚州市政府給予運營單位的單位脫水污泥處理費用約480 元/t，其中電耗占80 元/t，蒸汽消耗占196 元/t。

（2）末端協同焚燒借力揚州第二發電廠（2×600 MW）和污泥發電廠（2×24 MW），總燃煤消耗約12 000 t Ce/d，符合干污泥協同焚燒控制5%摻比的基本條件；對電廠及其灰渣建材利用影響很小且合規。

（3）污泥與燃煤電廠協同焚燒立足粉塵控制、安全防爆、臭氣散逸控制以及輸送便利，宜采用接近全干化的污泥入爐焚燒，即污泥干化至75%～80%TS是經實踐檢驗安全可靠的最佳范圍。因污泥品質如含砂量的差異對適宜的兩級干化含固率目標有少量影響。接近全干污泥替代化石燃料實現協同焚燒能計入碳中和計量范疇。

（4）若城鎮污水污泥因接納工業污水造成重金屬指標超標，須嚴密關注協同焚燒對爐膛煙道受熱面侵蝕和煙道積灰，甚至靜電除塵和布袋除塵的效率下降等問題，經科學評估適當考慮技術改造措施可望長效運行。

（5）因污泥焚燒造成飛灰量大且飛灰因結合水分相比單純燃煤焚燒飛灰粘性高，易產生煙道積灰或煙氣處理單元的積灰問題。生產運行管理須嚴格管控加強維護管理，確保生產運行的安全。

（6）污泥干化廠的設計建設須嚴密關注生產全過程的污水排放和臭氣控制，盡可能從源頭管控污水污染物產生、臭氣污染物的精細化技術管控和低能耗達標；節約污水處理和臭氣處理等輔助設施的投資和運行費用。

致謝：感謝揚州中法環境股份有限公司提供的基礎信息和技術數據。