污泥焚烧能量利用与污染物排放特性研究

袁言言，黄 瑛，张 冬，董 岳，杨 凯，肖 军

(1. 东南大学 能源与环境学院， 能源转换及其过程测控教育部重点实验室， 南京 210000；2. 南京水务集团有限公司， 南京 210002)



污泥焚烧能量利用与污染物排放特性研究

袁言言1，黄 瑛1，张 冬2，董 岳2，杨 凯1，肖 军1

(1. 东南大学 能源与环境学院， 能源转换及其过程测控教育部重点实验室， 南京 210000；2. 南京水务集团有限公司， 南京 210002)

利用Aspen Plus软件对污泥半干化焚烧和掺烧发电2种工艺过程进行模拟，探讨了不同工艺下4种污泥的能量利用情况及污染物排放特性.结果表明：半干化焚烧时，4种污泥的干基热值低于11.5 MJ/kg时均需补燃辅助燃料，且随着污泥热值的降低，补燃量显著增加；重金属含量高的污泥易造成大气污染，灰渣也难满足利用要求.污泥掺烧发电时，掺烧热值高的污泥对发电效率有利；对于同种污泥，随着污泥能量份额降低，发电效率提高，且污泥能量份额较低时，重金属含量高的污泥也能满足环保要求，适宜的污泥能量份额建议为5%～8%.当污泥热值低、重金属含量高时，建议采用掺烧发电工艺，反之采用半干化焚烧工艺.

污泥； 半干化焚烧； 掺烧发电； 能量利用； 污染物排放

随着我国社会经济的快速发展及城镇化速度的不断加快，污泥产量日益增加.城市污水处理厂的污泥容量大，不仅含有大量危害人类健康的病原物，还有锌、铜、汞等重金属以及一些难降解的有机物[1-3].因此，大量污泥的安全处理处置问题引起了社会各界的广泛关注.

污泥处理处置的最终目标是达到减容化、稳定化、无害化和资源化的要求.目前，国内一般采用卫生填埋、干化焚烧、堆肥、消化制沼气和制建材等污泥处理处置途径[3-4].污泥焚烧是污泥减量化、减容化最显著的一种处理方式[5]，可将污泥中有机物碳化，消灭病原物，极大地减少污泥体积(可减少90%以上).污泥中含有较多的重金属，主要是Zn、Cu、Pb、Hg、Cd、Cr、Ni和As等，焚烧过程中，重金属一部分随燃烧迁移到烟气中，一部分富集在灰渣中.为了满足环境排放的要求，烟气需经净化处理[6]，而灰渣的利用与其中重金属的浓度有关.

污泥焚烧工艺主要包括半干化焚烧和掺烧发电.由于污泥含水量高，半干化焚烧的污泥虽可显著减容，但干化能耗高，烟气可利用能低，且易产生二次污染.而焚烧热值较低的污泥时需添加辅助燃料才可稳定燃烧，且能量平衡与脱水程度密切相关[7-9].污泥掺烧发电在实现减量化、减容化的同时，产生的蒸汽还可进行发电，烟气基本达标排放[8-10].

污泥成分性质的差异对污泥焚烧工艺的能量平衡及污染物排放特性影响很大[11-14]，而目前有关的研究较少.笔者针对不同来源的污水处理厂污泥，基于Aspen Plus软件对污泥半干化焚烧和污泥掺烧发电进行模拟和能量平衡计算，分析其能量利用情况及利用过程中污染物的排放特性，以期为不同性质污泥的处理处置技术的选择提供依据和参考.

1 模型与参数

1.1 研究对象

选取来自4个城市污水处理厂的污泥为研究对象，污泥经简单的机械脱水，初始含水率均为80%.污泥和烟煤的干燥基成分以及污泥重金属成分分析结果见表1和表2，系统给煤含水率为1.02%.

表1 污泥与烟煤的成分Tab.1 Proximate and ultimate analysis of the sludge and soft coal

表2 污泥的重金属成分(干燥基)Tab.2 Content of heavy metals in the sludge %

1.2 污泥焚烧处理工艺

笔者研究的污泥焚烧处理工艺包括半干化焚烧与掺烧发电，湿污泥处理量均为120 t/d.

1.2.1 污泥半干化焚烧工艺

首先将初始含水率为80%的湿污泥送入污泥干燥器，干化为含水率50%的半干化污泥；干燥后的污泥送入流化床锅炉进行燃烧，流化床温度在850～950 ℃，当能量不足时需要向污泥焚烧炉中补充部分燃煤；燃烧产生的高温烟气进入空气预热器，将空气预热至500 ℃后进入流化床作为助燃空气；从空气预热器排出的烟气进入余热锅炉加热锅炉给水，经余热锅炉产生的0.6 MPa、194 ℃水蒸气进入污泥干燥器作为热源对初始污泥进行干燥，余热锅炉出口烟气温度为130 ℃，烟气经净化、除尘后排放.污泥半干化焚烧工艺流程如图1所示.

图1 污泥半干化焚烧工艺流程Fig.1 Flow chart of the semi-drying incineration process

1.2.2 污泥掺烧发电工艺

污泥掺烧发电工艺流程见图2.将初始含水率为80%的湿污泥送入污泥干燥器干化为含水率35%的半干化污泥；干燥后的污泥和烟煤混合进入流化床锅炉燃烧，加热给水，产生13.5 MPa、550 ℃的高温蒸汽进入汽轮机发电，将0.6 MPa、194 ℃的部分抽汽送入污泥干燥器干燥污泥，其余高温蒸汽做功后，排汽进入凝汽器冷凝后循环利用；锅炉出口高温烟气经过空气预热器预热空气，经省煤器加热给水后冷却至130 ℃，最后烟气经净化、除尘后排放.

图2 污泥掺烧发电工艺流程Fig.2 Flow chart of the blending combustion process

1.3 研究方法

基于Aspen Plus软件对污泥进行半干化焚烧和掺烧发电的模拟和能量平衡计算.系统建模时进行如下假设：(1) 颗粒温度均匀，不考虑粒径差异；原料所含灰分为惰性成分，不参与化学反应；(2) 各反应器单元模块处于稳定运行状态，且发生的反应均能达到化学平衡；(3) 反应器内压力均匀，不考虑压降损失；(4) 污泥燃烧效率为99%，锅炉散热损失为输入能量的1%.模拟流程主要包括裂解模块、燃烧模块、分离模块、换热模块和冷凝模块等，各模块均考虑了质量平衡、能量平衡和化学平衡等原理.污泥焚烧时，根据设计规定计算补充煤量以满足污泥焚烧能量要求.

笔者主要考察污泥焚烧产生的大气污染物和固废污染物，污泥干燥过程中产生的废水经处理达标后排放，暂不讨论对水体环境的影响.其中大气污染物考虑了SO2、NOx、二噁英、粉尘以及重金属Hg、Cd、Cu、Pb、Ni、As、Zn和Cr等的排放；灰渣中污染物的排放则主要考虑了重金属在灰渣中的残留性.

根据烟气中SO2、NOx等的生成机理，基于Aspen Plus软件模拟获得其排放量；根据重金属在燃烧温度下的挥发性计算其挥发量，由文献[14]和文献[15]确定Hg、Cd、Cu、Pb、Ni、As、Zn和Cr的挥发量分别为95%、50%、25%、30%、15%、65%、30%和10%.

目前，污泥焚烧烟气净化技术主要有湿式洗涤工艺、半干式喷雾工艺、气体悬浮吸收工艺和干式净化工艺等[6]，根据污染物排放种类和排放标准，采用干式喷射吸收(活性炭)+袋式除尘器的烟气净化系统.该系统SO2脱除效率为98.5%，粉尘经过旋风除尘器与袋式除尘器2级除尘，除尘效率分别为90%和99%，二噁英的脱除效率为80%.文献[13]中各种系统的污泥焚烧烟气经净化后二噁英排放量均可低于0.1 ng/m3的排放标准，因此本文中考虑的二噁英可满足环境排放要求，后文不多加赘述.干式喷射吸收(活性炭)喷射率为50～200 mg/m3[16-17]，对重金属汞的脱除效率为90%，对其余重金属的脱除效率为95%.污泥干化焚烧的大气污染物排放浓度均转化至污泥焚烧排放标准(GB 18485—2014 《生活垃圾焚烧污染控制标准》)基准氧体积分数11%下的排放浓度.除去随烟气排放到大气中的重金属，剩余的重金属均认为固化在固体灰渣中，按照总灰渣量(污泥+煤)计算重金属在灰渣中的富集浓度.

2 结果与讨论

2.1 污泥焚烧工艺能量利用

2.1.1 污泥半干化焚烧

表3为污泥半干化焚烧时所需的补燃煤量.由表3可知，本文中讨论的4种样品污泥，将其由含水率为80%半干化至含水率为50%进行焚烧时，均需补燃部分煤炭才可满足能量平衡，且随着污泥热值的降低，补燃煤量明显增加，能量消耗量也明显增加.其中，污泥1的补燃煤能量与污泥能量的比值仅为0.03，能量消耗量为0.36 MJ/kg，而污泥4补燃煤能量与污泥能量的比值为0.76，能量消耗量也达到了4.19 MJ/kg;其次是污泥2，其能量消耗量达到了3.95 MJ/kg.由此可见，高热值污泥消耗的外部资源较少，低热值污泥消耗的外部资源则明显增加.

2.1.2 污泥掺烧发电

燃煤与污泥(含水率80%)以质量比为0.4进行掺烧发电时，掺烧4种污泥时的发电效率如表4所示.

由表4可知，掺烧高热值的污泥1时，污泥能量份额最大,为20.4%，系统发电量最大,发电效率也最高.当掺烧热值最低的污泥4时，污泥能量份额仅为10.9%，系统发电量与发电效率最低，即随着污泥热值的降低，发电量和发电效率均逐渐降低.原因是在相同的污泥与煤掺烧质量比时，随着污泥能量品质降低，单位质量混合燃料的热值降低，发电量减少，且需要消耗更多的煤炭能量用于污泥的干燥，从而使得发电效率降低.

表3 污泥半干化焚烧时补燃煤量的参数Tab.3 Auxiliary fuels required in the semi-drying incineration process

表4 污泥掺烧发电的能量利用情况Tab.4 Energy utilization in the blending combustion process

为了研究污泥能量份额对发电效率的影响，计算了污泥1和污泥2能量份额在5%～21%时发电效率的变化情况，结果如图3所示.由图3可见，发电效率与污泥能量份额呈反相关关系，即随着污泥能量份额的减少，污泥掺烧发电工艺发电效率提高，污泥1能量份额为5%左右时发电效率达到30%.相同的污泥能量份额时，掺烧高热值污泥的发电效率更高，随着污泥能量份额的减少，二者的发电效率差异逐渐减小.当污泥掺烧能量份额由21%降低到5%时，二者的发电效率差由4.4%减小到1.1%.从表4和图3中的发电效率来看，污泥的能量份额在5%～8%较为适宜.在现有的燃煤发电系统中减少污泥掺烧量，也有利于降低污泥对原燃煤发电系统的影响，且掺烧品质较高的污泥更有利于系统热力性能的提高.

2.2 污泥焚烧工艺环境性能

污泥焚烧污染物排放特性的研究均在上述工艺模拟参数及研究方法下进行，其中固体污染物排放考虑了掺烧产生煤灰造成的影响.环境性能分析包括污染物的排放总量和排放质量浓度2个方面，由于污泥的重金属含量高，焚烧时不仅排放的烟气中其质量浓度易超标，且固体废渣也难满足填埋要求，因此笔者从是否满足污染物排放标准角度对2种污泥焚烧处理工艺的环境性能进行分析和比较.

图3 污泥能量份额对发电效率的影响Fig.3 Influence of sludge energy ratio on the power generation efficiency

2.2.1 污泥半干化焚烧

污泥焚烧过程中污染物在气固两相中的排放情况如表5和表6所示.由表5可知，烟气中SO2、NOx等污染物的排放质量浓度基本满足国家关于焚烧产生污染物排放标准的要求，因污泥灰分含量高，排放的烟气中PM10的质量浓度未达到标准要求.半干化焚烧污泥3和污泥4的烟气中排放重金属的质量浓度基本达标，半干化焚烧污泥1的烟气中除Hg和Cd之外，其他重金属的质量浓度均未达到排放标准；而半干化焚烧污泥2的烟气中，除Cd的质量浓度基本满足排放要求外，包括Hg在内的其他重金属的质量浓度均未达到污染物排放标准.由此可见,污泥1和污泥2中部分重金属含量较高，采用半干化焚烧并经烟气净化除尘后，烟气中仍有部分污染物会引起大气的二次污染.

表6给出了污泥半干化焚烧时灰渣中重金属的质量分数，并与5种污泥泥质利用标准(表7)进行对比，从而了解污泥焚烧灰渣中重金属的残留情况及灰渣的可应用范围.由分析可知，只有污泥3的灰渣满足最高要求的农用泥质(A级)标准；污泥4的灰渣不满足A级农用泥质，但可作为B级农用泥质以及水泥熟料生产泥质；而污泥1灰渣中Cd等重金属超标严重，污泥2的灰渣中Ni、As和Cr超标，这2种污泥只能经过进一步处理后填埋.可见重金属含量高的污泥，虽通过焚烧可迅速实现减量化、减容化，但是焚烧后产生的灰渣因重金属含量高难以被二次利用；而重金属含量低的污泥3和污泥4经焚烧后灰渣可进行二次利用，同时实现减量化和资源化.

表5 污泥焚烧处理工艺的污染物排放质量浓度Tab.5 Pollutants emission in different sludge incineration processes mg/m3

表6 污泥焚烧处理工艺的固体灰渣中重金属质量分数Tab.6 Heavy metals contained in solid residuals from sludge incineration process %

表7 污泥泥质利用标准Tab.7 Application standard for quality of sludge %

2.2.2 污泥掺烧发电

由表5可知，4种污泥分别进行掺烧发电时，大气污染物SO2、NOx、粉尘以及重金属等的排放质量浓度均基本满足污染物排放标准.对比表5中半干化焚烧时污染物排放情况可知，掺烧发电可显著降低烟气污染物排放质量浓度，使其满足大气污染物排放要求.

由表6可知，经掺烧发电后，污泥3与污泥4的灰渣所能满足的泥质要求与半干化焚烧后的灰渣是相同的，灰渣质量未改善，但是污染物排放量不同；污泥1灰渣可作为制砖和水泥熟料的原料加以利用；而污泥2灰渣中As严重超标，仍难以满足泥质利用要求.经计算，当掺烧能量比降为5%左右时，污泥2可满足制砖和水泥熟料生产泥质要求.对比半干化焚烧和掺烧发电2种工艺灰渣中的重金属含量可知，由于煤中灰渣的稀释作用，污泥掺烧发电工艺可显著降低灰渣中重金属的含量，实现污泥灰渣的资源化利用，但是由于此时煤灰比例大幅增加，其中Ca、Mg等无机物增多，因此污泥掺烧发电产生的灰渣不宜用于农用或者园林，建议作为制砖和水泥熟料的原料.

2.3 污泥焚烧工艺经济性

从经济性角度来看，污泥处理成本主要包括投资建设费和运行费.由文献[8]和文献[18]可知，污泥干化焚烧工艺日处理300～400 t污泥的固定投资费用为7 200～11 700万元，经规模指数法估算，日处理120 t污泥的固定投资约为4 000万元，则投资成本为1 100 元/t(以污泥含水率80%计).运行费主要为辅助燃料费、水电费、设备维修费、人员劳务费以及烟气处理添加剂成本(活性炭、生石灰等)等，考虑不同污泥辅助燃料费的差异，运行成本约为200～300 元/t.

污泥掺烧发电工艺通常采用污泥处理厂与热电厂联建方案，因此在原有燃煤电厂的基础上，只需新建污泥储存系统、进料输送系统和污泥干燥系统等，同时对锅炉、烟气余热系统以及烟气处理系统进行适当改造.由文献[8]和文献[18]可知，日处理污泥120 t时，需增加固定投资约2 700 万元，则污泥掺烧发电工艺增加投资成本约为750 元/t，考虑增加的水电费、设备维修费、人员劳务费以及烟气处理添加剂成本，运行成本约160～170 元/t.比较2种工艺的投资成本和运行成本可见，污泥掺烧发电工艺的经济性较优.

3 结 论

(1) 4种污泥采用半干化焚烧时均需补燃辅助燃料才可满足能量要求，相当于污泥干基热值低于11.5 MJ/kg时需补燃煤炭.4种污泥中热值较低的污泥要补充的燃煤量最大，达到4.19 MJ/kg.

(2) 采用污泥掺烧发电工艺时，掺烧的污泥热值越高，对系统的热力性能越有利；对于同一种污泥，随着污泥能量份额的降低，系统发电效率逐渐提高；适宜的污泥能量份额为5%～8%.

(3) 比较4种污泥的半干化焚烧和掺烧发电2种工艺，掺烧发电综合性能相对较优，建议当污泥热值较低、重金属含量高时，采用掺烧发电的方式，一方面可实现污泥的减量化，另一方面掺烧后灰渣可作为水泥熟料或者制砖原料加以利用，实现污泥的资源化利用，从而达到废渣零排放.当污泥热值较高、重金属含量低时，也可采用半干化焚烧方式实现污泥的减量化，减少处理系统的复杂性.

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Energy Utilization and Pollutants Emission in Sewage Sludge Incineration

YUANYanyan1,HUANGYing1,ZHANGDong2,DONGYue2,YANGKai1,XIAOJun1

(1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education,School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210000, China;2. Nanjing Water Affairs Group Ltd., Nanjing 210002, China)

Numerical simulations were carried out on sewage sludge semi-drying incineration and blending combustion process of power generation using Aspen Plus software, during which the energy utilization and pollutants emission of 4 different sludge samples were studied. Results show that in the semi-drying incineration process, all the 4 sludge samples are required to supplement other fuels when their heating values of dry basis are lower than 11.5 MJ/kg, and as the heating value of sludge decreases, the supplements remarkably increase. The sludge samples with high content of heavy metals tend to cause air pollution and their solid residuals can hardly be recycled. In the blending combustion process, the high heating value of sludge contributes to the generation efficiency; for the same sludge samples, the generation efficiency increases with the reduction of energy ratio of sludge; lower energy ratio of sludge helps to satisfy the requirement of environmental protection, even in the case of higher content of heavy metals in the sludge; the suitable energy ratio of sludge blended to coal is suggested to be 5%-8%. When the sludge is low in heating value and high in heavy metal content, the blending combustion process is recommended, otherwise, the semi-drying incineration process is suggested.

sewage sludge; semi-drying incineration; blending combustion for power generation; energy utilization; pollutants emission

2015-09-15

2016-02-01

国家973计划资助项目(2013CB228106)；南京市科委青奥资助项目；南京市城建集团科研资助项目

袁言言(1992-)，女，河南商丘人，硕士研究生，研究方向为新能源转化利用. 肖 军(通信作者)，女，教授，博士，电话(Tel.)：025-83793452；E-mail:jxiao@seu.edu.cn.

1674-7607(2016)11-0934-07

X502

A 学科分类号：610.30