污泥干化焚燒系統(tǒng)在燃煤電站鍋爐應(yīng)用

隋樹波，楊全業(yè)

（山東華能臨沂發(fā)電有限公司，山東 臨沂 276000）

0 引言

隨著我國工業(yè)化的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市污水處理率的提高，產(chǎn)生了大量污泥，污泥是一種性質(zhì)復(fù)雜、污染物含量高、潛在環(huán)境風(fēng)險巨大的污染物，是高含水率的液固物質(zhì)，含有大量的病原菌、寄生蟲卵，以及鉻、汞等重金屬有毒有害物質(zhì)。污泥已經(jīng)嚴(yán)重影響了人們的生產(chǎn)生活，給環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，城市污泥處理問題已經(jīng)成為當(dāng)今社會亟需解決的一大環(huán)保難題。相對于污泥的填埋與堆肥處理，焚燒法具有減容、減重率高，處理速度快，無害化較為徹底，能源再利用等優(yōu)點，是處置污泥的有效實用技術(shù)之一。

雖然焚燒處理污泥具有很多優(yōu)點，但由于自然絮凝沉淀的污泥的含水率一般在90%以上，采用機(jī)械脫水裝置脫水處理后，一般仍高于75%。如此高的含水率一方面不能維持燃燒過程的自持進(jìn)行，必須加入輔助燃料；另一方面使污泥體積龐大，增加了焚燒處理過程中運輸、存儲的難度。由于上述原因，單獨建設(shè)污泥焚燒爐往往需要很大的一次性投資。由于燃煤電站鍋爐排出的高溫?zé)煔庵腥杂幸欢崮芪幢焕?，使得利用這部分熱能加熱干化污泥成為可能；另外電站鍋爐燃煤需求量大、爐膛火焰溫度高，所以利用電站鍋爐來焚燒干化的污泥可以做到最徹底的無害化處置；由于電站鍋爐的高效率也使得污泥中的有機(jī)物燃燒產(chǎn)生的熱能得到了更充分的利用。

綜上所述，通過充分利用火電廠燃煤鍋爐的現(xiàn)有設(shè)備條件、選擇合式的干燥裝置和合理的干化摻燒流程，在燃煤火電廠進(jìn)行污泥的干化焚燒，為實現(xiàn)污泥處置的節(jié)能化、無害化和資源化提供了一條可靠的途徑。為了敘述的方便，以下文中的污水處理廠污泥簡稱污泥、燃燒電站鍋爐簡稱鍋爐。

1 污泥干化焚燒需要解決的主要問題

1.1 高溫?zé)煔鈪?shù)的選擇

更高溫度的熱源有利于干燥過程，而煙道及干燥設(shè)備對于煙氣溫度的承受能力有限,若抽取的煙氣溫度過高，對鍋爐出力也會帶來不利影響，因此，高溫?zé)煔鈪?shù)要適當(dāng)?shù)倪x擇，兼顧以上幾個方面。

1.2 干燥設(shè)備的選擇

合理的干燥設(shè)備，首先要適應(yīng)現(xiàn)場的布置空間，達(dá)到污泥干化后便于輸送摻燒的目的，同時要兼顧能耗、噪聲等運行性能要求。

1.3 輸送摻配流程的設(shè)計

與干燥設(shè)備的選擇一樣，干化污泥的輸送設(shè)備也要適應(yīng)現(xiàn)場有限的布置空間，并與現(xiàn)有的輸煤設(shè)備相融合。

1.4 對機(jī)組運行的影響

為了確保發(fā)電機(jī)組的安全運行，干化系統(tǒng)的啟停對鍋爐正常穩(wěn)定燃燒的干擾要盡可能小。為了方便機(jī)組及干化焚燒系統(tǒng)的正常檢修，污泥干化系統(tǒng)需要操作簡便，并能夠及時迅速的投入退出或與機(jī)組徹底的隔離。

1.5 二次污染的防控

污泥干化系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)充分考慮并避免干化及輸送過程對電廠生產(chǎn)區(qū)環(huán)境和污泥干化車間的二次污染問題。

2 污泥干化與輸送系統(tǒng)的工程設(shè)想

2.1 干化污泥的高溫?zé)煔獾某槿?/h3>

本工程以135 MW發(fā)電機(jī)組為實例，鍋爐為SG－435/13.7－M765型超高壓自然循環(huán)鍋爐，進(jìn)行改造后抽取高溫?zé)煔庥糜诩訜嵛勰嗟膶嵗接懳勰喔苫贌到y(tǒng)在燃煤電站鍋爐上的應(yīng)用。鍋爐各段煙氣的參數(shù)分別如表1所示。

從提高換熱強(qiáng)度和干燥系統(tǒng)出力的角度出發(fā)，煙氣抽取位置越靠前，對干燥系統(tǒng)越有利，但當(dāng)前用于煙道的風(fēng)門及補(bǔ)償器設(shè)計溫度一般在400℃以下，溫度再提高后，對設(shè)備有特殊的要求，造價會大大提高。從提高干化系統(tǒng)和鍋爐的總體經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，煙氣抽取位置越靠后，經(jīng)濟(jì)性越好，從上表可以看出，空預(yù)器之后沒有受熱面布置，煙氣所含熱量為鍋爐余熱，用于干化污泥對鍋爐效率無影響。但由于空預(yù)器后煙溫太低，使用這部分煙氣，要完成同樣數(shù)量污泥的干化，干燥設(shè)備的體積要做得很大，干化的流程也要大大延長，限于已經(jīng)建成的電廠生產(chǎn)區(qū)，存在無法設(shè)備系統(tǒng)布置的問題。綜合各方面的因素，本項目中，擬抽取鍋爐省煤器后的高溫?zé)煔庥糜诟苫勰唷?/p>

表1 爐后段煙氣參數(shù)表

2.2 干燥設(shè)備的選擇

用于物料干化的裝置很多，目前可采用高溫?zé)煔庾鳛闊嵩粗苯咏佑|加熱干燥的裝置主要有三種：滾筒式干燥機(jī)、旋轉(zhuǎn)槳葉式干燥機(jī)和旋轉(zhuǎn)閃蒸式干燥機(jī)。三種干燥裝置特點如表2。

表2 三種干燥方式的特點比較

通過比較分析，由于在已經(jīng)投運的電廠中建設(shè)污泥干化系統(tǒng)，系統(tǒng)的占地面積往往成為確定干燥方式的決定因素，總體布置為立式的旋轉(zhuǎn)閃蒸干化裝置占地小，易于系統(tǒng)的布置，優(yōu)勢明顯；在建設(shè)投資方面，旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥設(shè)備的物料流轉(zhuǎn)動力來自煙氣的流動，旋轉(zhuǎn)設(shè)備動力小，精度要求低，系統(tǒng)簡單，總的造價較低；旋轉(zhuǎn)閃蒸裝置的加熱過程是在物料流化狀態(tài)下進(jìn)行，所以接觸充分，換熱強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的生產(chǎn)能力；此外，旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥裝置由于物料干化過程在干燥塔內(nèi)流化狀態(tài)下完成，干化污泥由流動的煙氣帶走，不依賴機(jī)械的強(qiáng)力破碎，所以干化污泥的顆料形狀保持較好，通過調(diào)節(jié)煙氣流速可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)干污泥粒徑，這一點是其他兩種方式無法實現(xiàn)的。當(dāng)然，由于旋轉(zhuǎn)閃蒸裝置中的煙氣流速較高，煙氣熱能的利用率相對于其他兩種方式略低，但由于電廠的煙氣余熱本身是低質(zhì)能源，而且量非常大，所以較低的利用率仍可以接受。綜合以上比較，本工程實例中采用了旋轉(zhuǎn)閃蒸干燥裝置。

2.3 總體工藝流程

根據(jù)電廠原有設(shè)備配置與布置情況，設(shè)計了圖1所示的工藝流程。

圖1 污泥干化焚燒系統(tǒng)工藝流程圖

2.4 對運行的保護(hù)

對于火力發(fā)電廠而言，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運行是至關(guān)重要的，因此污泥干化焚燒系統(tǒng)的投運和停止，應(yīng)該建立在保證鍋爐安全穩(wěn)定運行的前提下。

首先在抽取煙氣量的確定上，在系統(tǒng)設(shè)計時把抽取煙氣量的上限設(shè)為鍋爐額定工況下煙氣量的8%，這樣，在機(jī)組負(fù)荷率70%以上時抽取的煙氣量占總煙氣量的比例最大為11%。由于污泥干化風(fēng)機(jī)采用了變頻控制系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)的啟停都是步進(jìn)可調(diào)的，即使是在污泥干化系統(tǒng)突然停止的極端狀態(tài)，造成的風(fēng)量波動也遠(yuǎn)低于單臺引風(fēng)機(jī)停運時引起的波動量，操作人員能夠通過及時的調(diào)整并穩(wěn)定鍋爐的燃燒。

其次在污泥摻燒量的確定上，即設(shè)計污泥干化焚燒系統(tǒng)的處理能力時，為保證鍋爐燃燒的穩(wěn)定，干化污泥的摻入量對入爐煤的影響要小于煤質(zhì)的正常波動范圍為前提進(jìn)行設(shè)計，在通過對鍋爐設(shè)計煤種、校核煤種、實際的煤質(zhì)波動和對燃燒影響的綜合分析計算，得出摻入量在原煤量的5%以下，對灰份的影響小于2.5個百分點，對水份的影響小于0.2個百分點，是可以保證鍋爐穩(wěn)定燃燒的。

2.5 二次污染的防控

由于濕污泥在存放過程中有機(jī)物會發(fā)生水解、腐敗等復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，所以會產(chǎn)生帶臭味的有害氣體，我們在對濕污泥池進(jìn)行全封閉的基礎(chǔ)上加裝了負(fù)壓風(fēng)機(jī)，將濕污泥池內(nèi)產(chǎn)生的異味氣體排往電廠原有的半干化脫硫系統(tǒng)。在干化污泥輸送過程中，散發(fā)出來的異味氣體也由連接在鍋爐煙道上的負(fù)壓管道在脫硫系統(tǒng)的負(fù)壓作用下，吸入半干化脫硫系統(tǒng)。所有的異味氣體在脫硫系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)過增濕水的噴淋洗滌和堿性脫硫劑反應(yīng)吸收后排入大氣，最大限度的降低氣味的污染。

由于城市污水來源復(fù)雜，不能排除污泥中含有少量含苯有機(jī)物等可在燃燒過程中產(chǎn)生二惡英的物質(zhì)，本應(yīng)用實例中焚燒溫度超過1200℃以上，有機(jī)物分解徹底、燃燒充分，避開了800℃左右的二惡英產(chǎn)生的溫度區(qū)間，最大限度的減少了二惡英的產(chǎn)生。

2.6 DCS的應(yīng)用

得益于電廠在長期應(yīng)用分散控制系統(tǒng)（DCS）中所積累的經(jīng)驗和維護(hù)開發(fā)能力，在本工程實例中，擬將DCS系統(tǒng)應(yīng)用到污泥干化焚燒系統(tǒng)中。現(xiàn)場設(shè)備上的各類傳感器變送器等將設(shè)備運行狀態(tài)、介質(zhì)的流量壓力、設(shè)備轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流等參數(shù)送至DCS系統(tǒng)，監(jiān)控人員在操作員站可以實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)的全面監(jiān)視；對系統(tǒng)的調(diào)整、控制指令通過過程控制功能模塊傳送到就地設(shè)備的執(zhí)行裝置，對系統(tǒng)的運行過程進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制；技術(shù)人員在工程師站可對控制系統(tǒng)進(jìn)行配置、組態(tài)、調(diào)試和維護(hù)。DCS系統(tǒng)的應(yīng)用可以使得整個污泥干化與焚燒系統(tǒng)幾十臺設(shè)備的運行監(jiān)視、啟停操作和調(diào)節(jié)控制由1-2名操作人員在集控室內(nèi)完成。另外DCS系統(tǒng)中的介質(zhì)溫度、各段差壓、料位等的參數(shù)報警與聯(lián)鎖保護(hù)功能，使得干化裝置的安全穩(wěn)定性大大提高，也最大程度的減少了對鍋爐穩(wěn)定運行的擾動。

3 工程實踐分析

污泥干化焚燒系統(tǒng)通過了分部試驗及總體啟動和試運行后，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計值和使用需求，實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定運行。

3.1 處理能力

在鍋爐最低負(fù)荷不低于100 MW的情況下,系統(tǒng)最大抽取煙氣量約3.5萬Nm3/h，在濕污泥含水率小于80%時，單套裝置最大處理能力170 t/h，干化后的污泥含水量在35%～40%，粒徑在1～2 mm，揚(yáng)塵量小、流動性好，易于輸送，達(dá)到設(shè)計要求。

3.2 對運行的影響

污泥干化系統(tǒng)啟動時，由于干化風(fēng)機(jī)的啟動，對鍋爐的爐膛負(fù)壓有擾動，通過延長啟動的時間，減小風(fēng)量增加的變化率可以將擾動控制在鍋爐引風(fēng)自動允許的范圍內(nèi)。但進(jìn)行低負(fù)荷試驗時，污泥干化系統(tǒng)的運行對機(jī)組穩(wěn)定燃燒有較大影響，因此，污泥干化系統(tǒng)的啟停及運行應(yīng)避開負(fù)荷低谷，確保運行機(jī)組安全。通過試驗，在入爐煤質(zhì)穩(wěn)定、負(fù)荷率在75%以上的情況下，機(jī)組運行是穩(wěn)定可靠的。

3.3 對經(jīng)濟(jì)性的影響

污泥干化系統(tǒng)對于鍋爐運行經(jīng)濟(jì)性的影響，需要較長時間的數(shù)據(jù)積累才能得出定量的結(jié)論，在試驗運行階段，僅用耗差分析的思路，做定性的評估。由于抽取了部分空預(yù)器前的高溫?zé)煔猓沟脜⑴c空預(yù)器換熱的煙氣量減小，在發(fā)電機(jī)組運行負(fù)荷為100 MW時，鍋爐熱風(fēng)溫度降低15℃，熱風(fēng)溫度的降低引起燃料著火推遲，火焰后拖，影響蒸發(fā)段的吸熱，相應(yīng)的增加減溫水用量，提高了飛灰可燃物含量，從而對鍋爐效率造成一定影響。試運期間，鍋爐飛灰可燃物含量升高約2～3個百分點，過熱器減溫水量增加約0.5個百分點，根據(jù)耗差分析的結(jié)果，增加了機(jī)組發(fā)電煤耗約4 g/kW·h，在可接受的范圍之內(nèi)。

3.4 電耗

單套污泥干化系統(tǒng)的電動設(shè)備總?cè)萘繛?80kW，實際運行中在污泥干化系統(tǒng)最大出力時的設(shè)備總的功率為360 kW。

3.5 對環(huán)境的影響

污泥干化焚燒系統(tǒng)投運后，由環(huán)保部門組織專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)對干化車間內(nèi)部和周圍，電廠周圍等地點進(jìn)行了粉塵、噪聲、臭味氣體含量等指標(biāo)的檢測，檢測結(jié)果均未超過國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

4 結(jié)語

1）采用旋轉(zhuǎn)閃蒸干化設(shè)備，利用火電廠高溫?zé)煔庾鳛闊嵩磳ξ勰噙M(jìn)行干化，干化后的污泥在電站鍋爐內(nèi)進(jìn)行焚燒處理，是可行的。

2）由于污泥干化與焚燒系統(tǒng)與電廠的輸煤、制粉、風(fēng)煙等系統(tǒng)有關(guān)，干化與焚燒影響到鍋爐的制粉、配風(fēng)、燃燒、除灰等過程，其對鍋爐設(shè)備壽命及運行經(jīng)濟(jì)性的影響還需要積累更多的資料進(jìn)行精確分析。

3）由于本工程實例采用的是空預(yù)器前的高溫?zé)煔猓詥渭儚慕?jīng)濟(jì)性上考慮，并非最優(yōu)方案。在建設(shè)廠地允許，設(shè)備布置方便的情況下，可以考慮減少高溫?zé)煔庥昧?、增加空預(yù)器后低溫?zé)煔庥昧浚瑫r綜合考慮風(fēng)機(jī)動力消耗，找到最佳的高低溫?zé)煔馀浔?，實現(xiàn)單位濕污泥處理量綜合能耗最低的目標(biāo)。

4）通過對本工程實例中污泥干化過程運行數(shù)據(jù)的收集與經(jīng)驗的積累,建立數(shù)學(xué)運算模型，設(shè)置合理的閉環(huán)控制邏輯和參量，有望在濕污泥給料量、干化裝置出口溫度、干化風(fēng)機(jī)開度等主要參數(shù)上實現(xiàn)自動控制。

本文以135 MW發(fā)電機(jī)組為例，結(jié)合工程設(shè)想，對污泥干化焚燒的實際效果進(jìn)行了探討分析，工程的實施具有較好的社會效益和環(huán)保效益，在社會愈加重視環(huán)保的形勢下，是發(fā)電企業(yè)利國利民的重大舉措。當(dāng)然，污泥的干化焚燒一定程度上提高了發(fā)電機(jī)組的運行成本、加大了設(shè)備的磨損、影響了機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)型、增加了電廠的投資、同時需要較高的運行負(fù)荷，需要國家及環(huán)保部門出臺相關(guān)的政策給予扶持，提高發(fā)電企業(yè)的積極性。

［1］張善發(fā).德國污泥干化標(biāo)準(zhǔn)簡介（ATV-DVWK-M379）.上海市城市建設(shè)設(shè)計研究院．

［2］王羅春.污泥干化與焚燒技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社.

［3］王興潤，金宜英，聶永豐.國內(nèi)外污泥熱干燥工藝的應(yīng)用進(jìn)展及技術(shù)要點［J］.中國給水排水,2007,08.

［4］陳曉平,顧利鋒,趙長遂,孫昕.城市污泥與煤混燒過程中NOx和N2O的排放特性［J］.東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2005,01.

［5］李愛民,曲艷麗,姚偉,王志,魏礫宏.污泥焚燒底灰中重金屬殘留特性的實驗研究［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2002,11.

［6］葉子瑞.國內(nèi)外污泥處置和管理現(xiàn)狀［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程,2002,02．

［7］顧利鋒,陳曉平,趙長遂,吳新.城市污泥和煤混燃特性的熱重分析法研究［J］.熱能動力工程,2003,06．

［8］錢君律，甘禮華，李光明，丁艷，陳龍武.上海城市污泥燃燒熱的測定［J］.實驗室研究與探索,1999,03．

［9］易浩勇.污泥干燥特性及干燥過程研究［D］.東南大學(xué)，2006．

［10］劉淑靜.污泥燃燒與污染排放特性研究［D］.大連理工大學(xué)，2007．