150 MW鍋爐城市污泥摻燒性能試驗研究
摘 要：針對在污水處理過程中產(chǎn)生大量污泥的問題，以4臺循環(huán)流化床鍋爐為例，對經(jīng)過濃縮、投加PAM后壓濾形成的預(yù)脫水干化污泥進行摻燒試驗，分析摻燒時的鍋爐燃燒穩(wěn)定性、鍋爐效率及污染物排放情況。試驗結(jié)果表明，摻燒含水率低于60%的污泥，摻煤比達到15%時對鍋爐燃燒影響非常小，排放出的污染物符合環(huán)保要求。
關(guān)鍵詞：污泥; 污泥摻燒; 含水率; 摻煤比;
隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市污水處理率逐漸提高，伴隨而來的污泥無害化問題日益突出。把污泥無害化、資源化、能源化為解決污泥處置問題提供了一種出路，同時也有利于循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展，是區(qū)域生態(tài)平衡的重要一環(huán)。污泥在生產(chǎn)過程以及后處理過程中會包含很多有機物，有機物中含有很多致病菌、微生物以及其他對人體有害的微生物。若對城市污泥不加以處理，直接排放，會對土壤、水體以及植被等造成非常嚴重的破壞。目前，處理污泥的方法主要有土地填埋、土地利用、污泥干燥、污泥焚燒、直接排海等。其中，直接排海的方式已經(jīng)逐漸被棄用。以焚燒為核心的處理方法是最為徹底的處理方法之一，這是由于焚燒能夠使污泥中所含有的有機物全部碳化并完全燃燒，完全處理掉其中的致病微生物，且污泥焚燒的處理速度快，不需要長期儲存；同時，污泥的焚燒還具有運輸距離短、減容效果明顯等特點。
現(xiàn)階段有很多學(xué)者利用熱重分析對污泥的各種物化性質(zhì)展開了研究。FONT R等人利用熱重分析研究了幾種不同污泥的熱重與熱解特性，得出不同種類的污泥由于其產(chǎn)地以及生產(chǎn)方式的不同，物化性質(zhì)以及熱重特性有著非常大的差別，不能單純的采用與煤粉相同的分析方法對不同種類的污泥進行分析。OTERO M等人通過研究干燥污泥與煤粉不同的摻混情況，得到在不同的摻混比下污泥與煤粉混合物的熱解與燃燒特性。NADZIA-KIEWICZ J通過熱重分析，研究污泥與煤粉混樣混合并進行摻燒的情況，得出污泥中所含有的物質(zhì)會對摻燒情況造成非常巨大的影響。在實際摻燒過程中，火力發(fā)電廠需要對污泥的摻燒比以及其含有的物質(zhì)進行嚴格的控制。
本文基于上述研究，采用摻燒含水率小于60%的污泥，且摻燒比例分別為0%、5%、10%、15%的方式進行試驗，研究此方式對150 MW燃煤鍋爐實際運行情況和污染物排放情況的影響并進行分析。
1 概述
1.1 城市污泥特性
某城市的污泥化驗結(jié)果如表1所示。
表1 某城市污泥化驗結(jié)果
1.2 引風(fēng)機及給煤機技術(shù)規(guī)范
引風(fēng)機及給煤機的相關(guān)技術(shù)規(guī)范如表2、表3和表4所示。
表2 引風(fēng)機設(shè)備規(guī)范
2 試驗分析
本次試驗由某煤矸石熱電有限責(zé)任公司擬協(xié)同政府環(huán)保部門，利用現(xiàn)有的4臺循環(huán)流化床鍋爐，焚燒來自于阜新、沈陽等污水廠氧化溝排出的經(jīng)過濃縮、投加PAM后壓濾形成的預(yù)脫水干化污泥，污泥含水率低于60%。利用鍋爐一次熱風(fēng)在磨煤機中將燃料進行加熱烘干后，再磨成煤粉，送入鍋爐燃燒。試驗分為無污泥摻燒、5%污泥摻燒、10%污泥摻燒等3種比例摻燒，對鍋爐燃燒穩(wěn)定性、飛灰和爐渣含碳量及污染物排放情況等指標進行分析。
2.1 對引風(fēng)機及給煤機出力的影響
引風(fēng)機額定功率是2500 kW，引風(fēng)機功率增加6%。若引風(fēng)機余量可以滿足增加6%的要求，則不需增容改造；反之，需進行引風(fēng)機增容改造。試驗結(jié)果如表1所示。
含水率60%的污泥是板塊壓濾機出口產(chǎn)品，平均分配到6臺給煤機中，則每臺給煤機出力增加6.75 t/h。給煤機額定功率是3 kW，功率增加16%，若給煤機余量可以滿足增加16%的要求則不需增容改造；反之，需進行給煤機增容改造。
根據(jù)對某公司引風(fēng)機及給煤機設(shè)備的設(shè)計參數(shù)校核及實際運行情況分析，以上設(shè)備的設(shè)計余量均能滿足污泥摻燒的要求。
2.2 對燃燒系統(tǒng)的影響
根據(jù)物料平衡，當(dāng)摻燒含水率為60%的污泥且摻燒比例達到15%以上時，各項參數(shù)的計算結(jié)果如表5所示。
表5 物料及熱平衡計算
與燃煤相比，含水率60%的污泥熱值較低，含水量大，摻入鍋爐燃燒時會對鍋爐的燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在對燃燒穩(wěn)定性和鍋爐效率方面的影響。
2.2.1 對燃燒穩(wěn)定性的影響
根據(jù)已有的同類項目試驗研究結(jié)果，當(dāng)摻燒比例較小時，對爐內(nèi)的燃燒情況進行觀察可發(fā)現(xiàn)，火焰均很明亮，燃燒穩(wěn)定，且差別不大；同時，混煤的燃料燃盡特性較好，其燃盡特性幾乎沒有改變；當(dāng)鍋爐負荷不變時，爐膛溫度分布的曲線變化隨著摻燒污泥的比例逐漸升高。因此，摻燒比例盡量控制在一定范圍內(nèi)。
燃用設(shè)計煤種時，額定負荷下鍋爐燃煤量為115 t/h，燃煤低位發(fā)熱量為12.16 MJ/kg。根據(jù)工藝設(shè)計結(jié)果，當(dāng)摻燒含水率60%的濕污泥且摻燒比例達15%時，摻燒污泥量為17.25 t/h，每小時補充熱量折算成標煤為337.45 kg/h。因此，摻燒污泥對密相區(qū)床溫影響不大，主要是爐膛出口的煙氣量增加，繼而攜帶的熱量增加，鍋爐效率降低。從熱值、水分、灰分或者硫份方面分析，摻燒后的物料在實際燃燒的燃料變化范圍以內(nèi)，不會對鍋爐的穩(wěn)定燃燒產(chǎn)生影響。
2.2.2 對鍋爐效率的影響
根據(jù)設(shè)計煤質(zhì)數(shù)據(jù)，全水分Mar為10.7%，收到基灰分Aar為45%。污泥的水分高達60%，所以當(dāng)摻燒的污泥送入爐膛燃燒時，相當(dāng)于增加了原煤的水分，排煙損失增大。絕干污泥的灰分與燃煤灰分相當(dāng)，根據(jù)污水處理廠的污泥檢驗結(jié)果，灰分含量約為17%～33%。當(dāng)摻燒17.25 t/h的濕污泥時，總灰分含量提高了3.55%～6.89%。初步估算，鍋爐效率會因此降低0.1%～0.2%。
摻燒污泥后，水分對鍋爐效率產(chǎn)生主要影響。經(jīng)過估算，摻燒污泥相當(dāng)于每小時多摻燒水10.35 t。如果燃用實際煤種并摻燒污泥，滿負荷時相當(dāng)于燃煤水分升高了約9%，增加吸熱量9890443 kJ/h，會對鍋爐效率產(chǎn)生一定影響。同時，污泥本身有一定的發(fā)熱量，摻燒17.25 t/h含水率為60%的污泥，也可以放出熱量。初步估算，鍋爐效率會因此降低0.2%～0.5%。
2.3 對粉煤灰綜合利用的影響
污泥焚燒所產(chǎn)生的焚燒灰具有較好的吸水性和凝固性，與粉煤灰的性質(zhì)相差不大，國外也有將污泥燃燒產(chǎn)物作為水泥原料進行利用的應(yīng)用實例。此外，摻燒污泥的比例不大，污泥燃燒后的灰在總灰量中占的比例很小，對粉煤灰的特性基本沒有影響。因此，摻燒城市污泥對粉煤灰的綜合利用影響不大。
考慮到污泥中含有較多的金屬物質(zhì)，不同性質(zhì)的污泥中的重金屬含量相差很遠。污泥中的重金屬主要有Cu、Cd、Cr、Mn、Pb、Hg和Zn等。污泥中的重金屬主要以氧化物、氫氧化物、硅酸鹽和有機絡(luò)合物等形式存在，其次為硫化物。污泥摻入鍋爐燃煤中燃燒后，除Hg外，絕大部分重金屬保留在焚燒殘渣中。因此，必須對摻燒后的飛灰進行檢驗，觀察重金屬含量是否超標。
表6是中國華能集團清潔能源技術(shù)研究院有限公司對錫林浩特褐煤與城市生活污泥按75:25的摻燒比例進行試燒試驗后，飛灰和底渣中主要重金屬微量元素含量分析的結(jié)果。
由表6可以看出，摻燒污泥后，飛灰和底渣中重金屬微量元素的含量均低于《農(nóng)用粉煤灰中污染物控制標準》（GB 8173-1987）和《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）中規(guī)定的重金屬元素排放限值。
根據(jù)已投產(chǎn)項目運行經(jīng)驗，由于摻燒量較大，當(dāng)污泥和燃煤混合較好時，給煤系統(tǒng)不會出現(xiàn)堵煤現(xiàn)象；若混合不好，則給煤系統(tǒng)可能出現(xiàn)堵煤現(xiàn)象，需在運行中避免該現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)華能萊蕪電廠的介紹，灰渣的正常銷售沒有因為摻燒污泥受到影響。
2.4 對煙氣排放的影響
煙氣排放物會隨污泥摻混量的變化而變化。隨著摻入污泥比例的增加，SO2、NOx、HCl和HF的排放濃度均有所增加。一般來說，HCl和HF的排放濃度都較低，不會對煙氣的排放指標產(chǎn)生影響。
表7是某清潔能源技術(shù)研究院有限公司對錫林浩特褐煤與城市生活污泥按75:25摻燒比例進行試燒試驗后，煙氣中二噁英含量分析的結(jié)果。
由表7可以看出，摻燒污泥后，煙氣中二噁英的含量均低于《生活垃圾焚燒污染控制標準》和《危險廢物焚燒污染控制標準》中規(guī)定的重金屬元素排放限值。
根據(jù)已投產(chǎn)項目運行經(jīng)驗，摻燒污泥后不會對電廠脫硫、脫硝和除塵設(shè)備的運行產(chǎn)生影響。經(jīng)過900℃左右的高溫燃燒，二噁英大部分已經(jīng)分解，煙氣中二噁英的含量可以滿足國家排放要求。
某300 MW燃煤電廠摻燒干化污泥后，上海城市建設(shè)設(shè)計研究總院對其產(chǎn)生的煙氣和飛灰中的重金屬及二噁英含量進行了測量，結(jié)果如表8和表9所示。
在摻燒10%污泥后的飛灰中，二惡英的濃度略有增加，從12.13 ng/kg增至16.0 ng/kg，但遠遠低于國家控制標準，摻燒后所產(chǎn)生的影響很小。
3 結(jié)論
1）從電廠運行角度來看，通過試驗可以得出150 MW鍋爐摻燒含水率為60%的城市污泥且摻燒比例達到15%時，對鍋爐的經(jīng)濟性會有較小的影響。通過調(diào)整鍋爐和輸煤系統(tǒng)的運行方式，不會對鍋爐運行的穩(wěn)定性、設(shè)備的安全性和環(huán)保參數(shù)造成影響。燃燒生成SO2和NOx的濃度呈現(xiàn)先略微上升后下降的趨勢，變化幅度較小，生成HF和HCl的濃度未發(fā)生明顯變化，生成的二噁英濃度有所增加，經(jīng)過廢氣處理設(shè)施處理后，其排放均符合相關(guān)標準。
2）利用好城市污泥摻燒，可以為社會提供后勤保障服務(wù)，也改善和加強了服務(wù)區(qū)范圍以及處理生活垃圾的水平和能力，改善了城市的整體環(huán)境質(zhì)量，提升了城市形象，促進經(jīng)濟進一步繁榮。
3）從環(huán)境影響經(jīng)濟損益角度分析，污泥摻燒工程每小時節(jié)約煤量為40.41 t，每年節(jié)約原煤量為222261 t，每年節(jié)約燃料費用約4511萬元。因此，企業(yè)對污染源的治理有較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。
作者簡介： 隋尹（1982-），男，遼寧北鎮(zhèn)人，工程師。
原標題:150 MW鍋爐城市污泥摻燒性能試驗研究
