电厂污泥掺烧关键影响因素分析及有关建议

董亦华 钱轶晸

关键字：污泥；掺烧；影响因素；建议

引言

污泥是污泥处理厂在污水净化过程中产生的一种含水率很高的絮状泥粒，是一种介于液体和固体之间的浓稠物。它实际是由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物和无机物组成的集合体。除含有病原菌、寄生虫（卵）、重金属、难降解有机物等有毒有害物之外，污泥还含有丰富的N、P、K、Ca、有机物质以及植物所必需的微量元素。污泥既是污染物，又是一种资源。将污泥视为一种资源加以有效利用，在治理污染的同时变废为宝，实现污泥的资源化利用，具有显著的环境和经济效益。

目前，我国城市污泥处理厂每年排放的污泥量正在以加快的速度增长，特别是在我国一、二线城市与地区，城市污泥处置问题已经十分突出。如何妥善处置污泥，使其无害化、资源化已成为全球关注的课题。

目前污泥的处置方法主要有堆肥处理、卫生填埋、农用绿化、海洋倾倒、焚烧处理、建材利用等。由于污泥的含水率高、有机质含量高、土力学性能差，给填埋操作带来很大的困难，并引起填埋场环境恶化，污染地下水等问题。另外，污泥填埋占用大量土地。我国大部分使用的农用污泥未经稳定化处理或未经严格的堆肥处理，不能满足农用污泥标准，污泥中的病原体、寄生虫卵和重金属，以及腐蚀的有机质引发土壤、水源等二次污染，并通过食物链不断传递累积，危害人类健康。在许多国家和地区，人们坚决反对新建填埋场。美国环保局估计今后20年内，美国6 500个填埋场中将有5 000个被关闭。瑞士从2003年开始禁止污水厂的污泥用于农业，所有污水厂污泥都要进行焚烧处理。

焚烧可以大量减少污泥的体积，相对于机械脱水的污泥，焚烧后最终的体积只相当于其体积的10%。其次，焚烧可以杀死一切病原体，一切有机物在燃烧过程中都将最大程度的被分解，病原体和细菌也不例外。通过高温处理，在燃烧残渣内几乎没有病原体存在，焚烧技术成为了一项十分环保的污泥处置技术。

1 垃圾焚烧技术的主要问题及难点

污泥焚烧首先要将脱水污泥加温干燥，用高温氧化污泥中的有机物，使污泥成为少量灰烬。污泥焚烧可分为直接焚烧和混合焚烧两种类型。直接焚烧是利用污泥本身有机物所含有的热值，将污泥经过脱水、干燥等处理后添加少量的助燃剂送入焚烧炉进行燃烧；混合焚烧是将污泥与煤或可燃固体废弃物等混合燃烧，用于发电、制砖等。直接焚烧主要设备基本上是引进国外的干化或焚烧设备，设备一次性投资较大，运行费用高昂，一般企业难以承受。结合我国的实际状况，污泥与火电厂煤粉锅炉燃煤掺混燃烧的处理方法是比较可行的。

污泥焚烧现在国内实际应用还比较少,主要的应用领域也限于小规模、特殊行业。大规模市政污泥焚烧技术的应用开始于2004年建成运行的上海石洞口污泥处理厂污泥焚烧系统。除了引进技术，国内部分科研单位也结合我国国情，在不同层面进行了相关技术及设备的研究和实验,但基本上是基于国外技术基础之上或仅针对焚烧过程进行较为深入研究,总体上还未形成适应自身特点的成套工艺技术，其主要问题和难点存在于以下几个方面：

1.1 污泥含水率对掺烧的影响

污泥含水量越多热值越低(如表1)。要让污泥焚烧利用，必须先将污泥干化到较低的含水率。污泥含水率过大与煤粉过湿的效果相同，可能会导致磨煤系统堵塞，严重时可能造成跳机事件。但要降低污泥的含水量，污泥干燥系统耗能将增加。所以干化污泥的最佳含水量是一个不易控制且值得慎重考虑的问题。

表1 含水率与热值

1.2 污泥掺烧比例的确定

掺烧污泥比例较低，不会影响锅炉的稳定运行，对粉煤灰的综合利用影响不大，也不会对锅炉烟气的达标排放产生影响。但在污泥与煤粉掺混后，燃料的特性将会与所添加的污泥量、污泥含水量及其性质密切相关，从而影响锅炉的燃烧工况。掺混污泥后燃料热值降低，且污泥含水量增加也会降低燃料热值，综合燃烧特性指数较原煤也低，故燃烧状况不如原煤。随着污泥掺烧量的增加，输入炉膛的总热量逐渐降低，致使炉膛上部即烟气出口温度略有降低。由于污泥主要是有机物的分解及挥发分的燃烧，因此主要燃烧区域略向炉膛上部偏移，炉膛底部温度会降低，导致整体温度分布趋于不均匀，在锅炉低负荷运行时，甚至可能因燃烧性能不好导致锅炉熄火。因此，需要研究燃煤锅炉在不同运行工况下，合适的污泥掺烧量和燃烧过程的优化调整，使炉膛燃烧稳定，达到最佳运行状态。

1.3 飞灰与炉渣问题

污泥的灰分比一般的煤种大，干基的灰分可达40%～50%，掺烧污泥后烟气流速和所含灰分会有增加，这些会加大受热面的磨损率。由于煤样与污泥成分上的差别，结渣渣样的外形和颜色不同其表现出的性质也不一样。污泥的加入造成燃料中碱金属含量增加，其化合物容易烧结。污泥本身是由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物和无机物组成的集合体，故在高低温前提下都容易造成受热面的腐蚀和结焦。需要研究随着污泥掺烧量的变化，灰熔点的变化特性，以便掌握其对结渣、受热面腐蚀及磨损的影响，为运行提供基础数据和技术支撑。

可燃物中的重金属有两种依存形式，一种是与有机物混合在一起的矿物质形式，另一种是有机化合物的金属核心形式。无论以何种形式存在，当有机物在焚烧炉内焚烧后，所含的重金属都将释放出来，并发生化学反应。不可燃无机物中的重金属，大部分存在于床料中而进入炉渣，或者由于焚烧炉中出现的过量空气、湍流、真空等原因以夹带的形式出现在烟气中，形成飞灰颗粒。

重金属在污泥焚烧后主要存在于灰渣和飞灰中，当飞灰浓度的增加也会导致污泥中部分重金属颗粒随烟气排入大气。污泥混烧后炉排底部的漏渣有一定程度的增加，因此需要对炉排的间隙进行调整。需要测定飞灰及炉渣中未燃尽碳的含量、重金属含量等，为燃烧效率、炉渣、飞灰特性及对环境影响提供基础数据。

1.4 对锅炉效率的影响

锅炉效率反映了炉内燃烧和传热过程的完善程度，掺烧污泥后使电厂原锅炉运行偏离设计工况。污泥掺烧会导致排烟热损失和飞灰中碳的不完全燃烧热损失增大，使锅炉效率降低并在一定程度上降低锅炉的出力。构建污泥特性、掺烧量及运行工况对锅炉效率、出力的影响关系，为煤粉炉进行污泥掺烧提供技术支持是非常必要的。

1.5 烟气处理的问题

污泥与煤粉掺烧也会对锅炉的正常安全运行带来影响。如焚烧过程中会产生二次污染物包括有害气体(如CO、HC、SO2等)、废渣等。但通过合理的焚烧和适当的烟气处理，可有效避免及消除二次污染；如果采用合适的焚烧方式和恰当的焚烧条件，将有助于减少重金属在焚烧过程中向环境中排放；如果能在污泥焚烧过程中使大部分重金属尽可能地保留在焚烧底灰中，而尽可能地减少随飞灰排放到环境中，将会十分有利于污泥焚烧技术的应用。

1.6 有关二噁英的研究

污泥中存有大量氯基物质，俗称为二噁英，且是超标存在的。当焚烧温度在550℃～700℃时会迅速(0.1s～0.2s)产生大量的二噁英。大型污泥焚烧过程的研究结果表明：25%～90%的二噁英在焚烧的高温烟气487℃～643℃生成，当焚烧烟气达到850℃以上超过2s时，聚合物的反应速度远小于二噁英的分解速度，其分解率可达98%以上。污泥作为燃料在20m～40m区域送入炉膛内部。燃烧温度远大于850℃，以烟气最大流速12m/s计算，污泥入炉开始燃烧停留在850℃以上区域远大于2s，根据二噁英控制措施，已达到完全燃烧的条件，基本可以遏制二噁英大量生成。燃烧中实时监测二噁英的含量，保证烟气符合排放标准。

2 电厂污泥掺烧关键影响因素及实例分析

随着城市污水处理率的提高，污泥产量也不断增加，污泥的处置问题愈加突出。这些数量巨大的污泥将成为未来城市急需处理的难题。

某污泥干化协同发电项目技术方案中，污泥处理厂的干化污泥将运送至电厂进行掺烧处理。污泥处理厂的干化污泥采用密闭汽车运至厂内。入厂污泥为含水率20%～33%的干化污泥，温度约为40℃～50℃。

污泥分析资料（空干基）见表2-1，污泥灰分及灰熔点资料见表2-2。在计算污泥掺烧对锅炉系统的影响时，污泥成分按折算至30%含水率考虑。

表2-1 污泥分析资料

表2-2 污泥灰分及灰熔点资料

表2-3 2017年1月～7月污泥分析数据的平均值

污泥处理厂一、二期污泥处置工程的污泥处理量288.5 tDS/d，检修期初步定在每年的1月，11月，12月的冬季高负荷期间。电厂污泥掺烧量均按日平均污泥量为223tDS/d设计，折算至30%水分的污泥量约320t/d。

在分析和测算了污泥掺烧对锅炉系统的影响后，得出结论如下：

(1)对燃烧制粉系统的影响

按照电厂污泥掺烧量320 t/d，每天都有污泥掺烧，年掺烧总量为320×365=116800t；锅炉年利用小时数按5 000h，则折算至锅炉利用小时掺烧污泥量为：116800÷2÷5000=11.68(t)；如果按照实际负荷计算，考虑两台机组同时运行，则小时污泥掺烧量为：320÷2÷24=6.7(t)。

按单台机组每小时燃烧污泥约11.68t，同现有BMCR工况下燃煤小时耗量349.9t（设计煤种）相比，增加燃料量3.33%（按质量比例）。

现有磨煤机的出力选择是根据5台磨在锅炉100%BMCR运行时所需燃煤量的120%（设计煤种）。磨煤机具有一定裕量，能够满足本次掺烧要求。

根据核算，给煤机能够满足本次掺烧要求。

按其他工程同类磨煤机技术协议，制粉系统单位功耗约为9.5kWh/t。由于污泥可磨指数数据暂缺，本文暂按单位功耗9.5kWh/t估算，计算得到本次单台机组制粉电耗增加值约80kW。

对于烟风系统，参照DL/T 5240-2010《火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程》计算，并按照炉膛出口过剩空气系数1.2和空预器漏风率6%计算，得到BMCR工况下掺烧11.68t/h污泥所取的空气量和烟气量参数如下（烟气量计算至炉膛出口）：

式中,αL=La表示光在微环谐振腔内传播一周的损耗,L为微环周长,a为损耗系数表示光在微环谐振腔内传播一周相位变化,λ表示传输波长,neff表示微环谐振腔的有效折射率。

按照《大中型火力发电厂设计规范》要求，一次风机的风量裕量宜为20%～30%，风机压头裕量宜为20%～30%；送风机的风量裕量宜不低于5%，风压裕量宜不低于15%；引风机的风量裕量不宜低于10%，风压裕量不宜低于20%。目前电厂采用了管式GGH系统，引风机入口的烟气温度稳定在90℃以下，引风机的容积流量尚具有一定的裕量。原有机组三大风机设计裕量高于现有设计规范，本次污泥掺烧按质量比例为增加了3.33%左右，污泥替代部分燃煤，燃煤量减少0.95%，按照电厂现有发电电量不变，则烟风量增加0.36%～0.57%左右，对于机组的烟风系统影响不大，现有烟风系统辅机和设备均能够满足要求。

上述是按照BMCR工况，对于其他负荷，污泥掺烧总量不变，污泥占燃煤比例同负荷成反比；污泥生成烟风量比例也同负荷成反比。

表4-1 锅炉掺烧污泥后的空气量及烟气量

根据试烧试验，发现在污泥掺烧比例不大的条件下，对于炉膛影响不大；但是如果是一台机组低负荷运行，则需要控制污泥掺烧比例低于6%，可以利用储仓进行缓冲或者采取其他措施。

当污泥掺烧比例至6%时，现有磨煤机的出力选择是根据5台磨在锅炉100%BMCR运行时所需燃煤量的120%（设计煤种），磨煤机具有一定裕量，能够满足最大掺烧量的要求。在BMCR工况条件下，风量约增加2.36%，湿烟气量约增加2.49%；根据本工程风机的设计裕量，基本能够满足上述烟风量增加的要求。现有辅机也能够满足运行要求。

为降低污泥掺烧对锅炉效率的影响，工程设计时要求干化污泥掺烧比例≤6%。

对于烟风系统，风压基本同风量的平方关系，风机电耗同风机为立方关系，计算得到掺烧污泥后，本工程风机电耗增加见表4-2：

(2)对烟气排放的影响

由于掺烧污泥量仅为燃煤耗量质量比例的3.33%左右，掺烧污泥后，对于烟气净化系统的影响不大，烟囱出口的粉尘、SO2、NOx均可以满足现有 5 mg/Nm3、35 mg/Nm3、50mg/Nm3的排放限值要求。

根据计算，掺烧污泥后，干烟气量增加1.31%左右，在满足同样排放条件下，烟囱出口的粉尘、SO2、NOx排放总量增加约1.31%。

污泥中存有大量氯基物质，俗称其二噁英是超标存在的。当焚烧温度在550℃～700℃时会迅速(0.1s～0.2s)产生大量的二噁英。大型污泥焚烧过程的研究结果表明：25%～90%的二噁英在焚烧的高温烟气487℃～643℃生成，当焚烧烟气达到850℃以上超过2S时，聚合物的反应速度远小于二噁英的分解速度，其分解率可达98%以上。

二噁英的烟气从高温降到低温在250℃～500℃之间时会再合成，其合成主要是由前驱物催化生成。研究表明，此温度区间的前驱物浓度、氯的浓度、温度、催化剂、含氧量及含硫量对污泥等废弃物焚烧过程中的二噁英的生成及排放有重要影响。

表4-2 污泥掺烧对锅炉风机电耗的影响

二噁英控制措施。（1）完全燃烧：保持污泥等废弃物燃烧在850℃以上。烟气停留时间大于2s，实现“3T+E”工作原则。1T：燃烧温度(Temperature)，2T：停留时间(Time)，3T：紊流度(Turbulence)，E：过氧控制(Excess)；（2）氧量控制：在300℃的环境中二噁英的浓度主要取决于氧含量的多少，缺氧的环境中二噁英的浓度在下降。没有氧气则没有二噁英生成.过氧环境中二噁英的浓度大大增加，一般工程中控制氧量在8%以下(研究表明减少50%的氧气就可以减少30%的二噁英的再次形成)。

污泥作为燃料在20m～40m区域送入炉膛内部。燃烧温度远大于850℃，以烟气最大流速12m/s计算，污泥入炉开始燃烧停留在850℃以上区域远大于2s，根据以上二噁英控制措施，已达到完全燃烧的条件，基本可以遏制二噁英大量生成。

(3)对煤耗的影响

电厂发电煤耗约290g/kWh左右，在计算污泥掺烧对机组煤耗的影响时，取2017年1月～7月污泥分析数据的平均值。由于污泥含水率高，灰分大，热值相对较低，掺烧后对于锅炉效率影响是负面的，但是锅炉效率变化值尚无具体计算数据。由于本工程掺烧污泥为干化污泥，且掺烧比例不大，对锅炉效率影响较小。根据电厂掺烧试验估算，掺烧污泥后机组煤耗增加暂按1g/kWh（掺烧质量比例＜5%）或0.5g/kWh（掺烧质量比例＜2%）。

(4)对粉煤灰综合利用的影响

污泥中含有一定的重金属物质，不同性质的污泥，其重金属含量相差很远。污泥中的重金属主要有Cu、Cd、Cr、Mn、Pb、Hg和Zn等，主要以氧化物、氢氧化物、硅酸盐、有机络合物等形式存在，其次为硫化物。掺入锅炉燃煤中燃烧后，除Hg外绝大部分重金属保留在焚烧残渣中。本工程掺烧的干化污泥为城市生活污水污泥，污泥中重金属含量较低，污泥的灰成分与粉煤灰的成分也比较接近，加上污泥掺烧比例较低，污泥燃烧后的灰在总灰量中的占的比例也很小，对粉煤灰的特性基本没影响，因此掺烧干化污泥对粉煤灰的综合利用影响不大。国外也有将污泥掺入水泥窑中进行焚烧，焚烧灰作为水泥原料进行利用的实例。

考虑到干化污泥来源的不确定性，建议对入厂污泥的重金属含量和掺烧后的飞灰进行定期测量，检测重金属含量是否超标。

3 结论和建议

干污泥的燃点较低，燃烧中发挥的热量比较高，燃烧的时间较短，与煤炭相比，干污泥能够在更短的时间内进行更加充分的燃烧，同时产生的热量也与煤炭的热量相似。通过污泥掺烧可以实现资源的有效利用，有效的减少了资源的堆积。如掺烧污泥比例较低，不会影响锅炉的稳定运行，对粉煤灰的综合利用影响不大，也不会对电厂烟气的达标排放产生影响。

污泥掺烧在大型燃煤机组运行实例不多，对锅炉、烟风系统的影响需要进一步论证，建议如下：

(1)电厂应与污泥处理厂就污泥调度分配进行协商，拟定调度原则，成立干化污泥联合调度中心。

(2)电厂运行时应严格控制干化污泥的掺烧比例，比例宜低于6%。当其中一个电厂只有1台炉运行且处于低负荷状态时，应主动降低污泥的掺烧量，多出的污泥可由另外的电厂进行掺烧处置。

(3)应尽量减少污泥在厂内的停留时间，即来即烧，污泥储仓储存不超过2天。

污泥处理厂出厂污泥应符合《城镇污泥处理厂污泥处置单独焚烧用泥质》（CJ/T-2008）中的相关要求，重金属含量不应超标；污泥絮凝、干化过程中不宜加入絮凝剂，对于污泥添加剂（Fecl3）应严格控制，减少氯化物对锅炉及下游烟气系统的影响。

根据调研，国外污泥电厂掺烧案例较多，但鲜有大型燃煤机组污泥掺烧的案例。下阶段建议通过示范项目的运行消除隐患，评估掺烧污泥的经济效益和环境效益，并适时在燃煤电厂推广。