大型火力发电机组污泥耦合发电的研究及应用

隋海存

（国能常州发电有限公司，江苏 常州 213033）

1 污泥处理现状

1.1 国外污泥处置现状

污泥处理的总目标是确保污泥中的有毒有害成分，无论是现在还是将来都不致对人类及环境造成不可接受的危害。污泥的处理先后经过了海洋投弃、土地填埋、堆肥化、干燥和焚烧等多种处理方法，逐步走向成熟，目前污泥的焚烧在污泥的最终处置方法中占有比较大的优势。表 1为欧洲各国的污泥处置情况表。

表1 欧洲各国的污泥处置情况

采用土地填埋处理程序相对简单，投资费用也较低，适用性强。但是该方法会侵占大量土地，如果防渗措施执行不到位，将污染地下水源和潜在的土壤，存在较大的安全隐患。许多国家和地区已开始出台政策反对新建填埋场所、反对土地填埋处理污泥。近年来污泥填埋处置所占比例 越来越小[1]。

目前处置污泥最快捷、最彻底、最经济的处理方式是以焚烧为核心的处置方法，它能使污泥及有毒物质燃烧、有机物碳化，可最大限度地减少污泥质量、体积（减容75%，最大可到85%），同时可将污泥的能量转换为热能，污泥中的灰渣可转变为水泥，变废为宝，充分利用。与其他方法相比，污泥耦合发电焚烧法具有突出的优点：1） 焚烧后其产物可以100%利用，焚烧灰可制成水泥、砖等产品，烟气同时在燃煤锅炉烟气处理系统中进行脱氮、除尘、脱硫、深度除尘处理，因此污泥耦合发电焚烧污泥是一种非常安全的污泥处置方式。2） 处理速度快，不用长期储存，污泥运输到干化场所后即可干化，掺加到燃煤中焚烧。3） 污泥耦合发电方式焚烧污泥，很多设备可利用燃煤机组设备冗余量来完成，减少了设备投资。4） 可回收污泥中的能量，将污泥中能量转变为热能。5） 焚烧局部温度高达1600℃，炉膛出口烟温约1100℃左右，可杀死污泥中的寄生虫卵、病原菌等病毒，使有机物全部燃烧、碳化，彻底解决污泥对环境的污染。

此外，污泥焚烧还能利用污泥中的热值，从而降低污泥处理的能耗，相应降低污泥处理成本。污泥焚烧处置虽然一次性投资稍高，但由于它具有一些其他工艺不可替代的优点，特别是在污泥的减量化、无害化、节约土地资源和节能等方面，因此成为污泥的解决方法之一。但由于污泥的高挥发分的特性，污泥焚烧时产生的燃烧污染物需特别注意和控制。

1.2 国内污泥处置现状

目前，我国生活污泥产量>3500万t/a，而我国印染、造纸、石化、制革等行业也产生大量污泥，其中印染污泥产量2150万t/a。污泥处理现状远不能达到稳定化、减量化、无害化和资源化处置要求。截至2015年，我国城市污泥无害化处置率<53%，远没有达到“十二五”规划80%的要求，约30%的污泥采取临时处置，17%左右不知去向。

截至2015年，我国污泥无害化处置设施产能1369万t/a，远小于我国生活污泥产量>3600万t/a。而“十三五”我国污水处理规模持续增加，生活污泥产量继续增加，同时还有印染污泥、造纸污泥、制革污泥等需要处置。污泥无害化处置缺口仍然巨大。

北京市污泥处置主要是以水泥窑干化、焚烧处置为主，堆肥为辅的多元化处置模式，总处置能力1310 t/d（含水率80%）。

深圳市处置污泥的方式为污泥干化后焚烧或制肥。

苏州市工业园区污泥处置方式为蒸汽干化焚烧，利用东吴热电厂，结合其发电设备，用低压蒸汽将污泥的含水率由80%降至10%，处理为干污泥，然后与燃煤掺配，运输至制粉系统研磨，最终输送至锅炉内焚烧。目前该工程污泥年处理量约为110万t，后期设计规模年处理量约为330万t。

宜昌市处理污泥的主要工艺为水泥煅烧窑高温焚烧工艺，采用新型干法水泥煅烧方式，结合华新水泥的水泥窑设备共同处理污泥，污泥年处理能力约55万t。

淮安市主城区第二污水处理厂、四季青污水处理厂产生的污泥规模达200 t/d（80%含水率，2015年），采用“化学调理+机械压榨”技术作为污泥处理工艺。远期规划将主城区的污泥相对集中处理至含水率小于60%后，运至垃圾焚烧发电厂焚烧。

根据《淮安市城镇污水处理厂污泥处置专项规划（2009-2030）》，淮安市污水厂污泥，最终的处置可采用以下2种方案：（1）以生活污水为主的8座污水处理厂，其污泥以农用或焚烧为主，卫生填埋为辅；（2）以工业废水为主的6座污水处理厂，其污泥以焚烧为主，处置后的污泥用以制造建材或卫生填埋。

南京市城市污水处理厂的污泥基本都进行了浓缩脱水处理，主要采用的最终处置方式为焚烧、堆肥、混合填埋。南京市主城区污泥最终处置方式为焚烧为主，填埋作为应急处置。

2 技术路线

2.1 工艺路线比较

污泥具有易腐烂、难存储、难运输、含水率（60%~80%）高等特点，其内部含有大量寄生虫卵、病原体、无机盐类、重金属、有机物及难降解的有害物。目前，污泥常见的处理方式有土地填埋、烟气干燥、建筑材料利用、焚烧。发达国家的经验证明，焚烧是污泥最彻底的处理方法，充分利用污泥中有机质热量，二次污染问题减少，资源化利用率高，同时在高温下杀灭病毒、细菌。

污泥的热干化焚烧是指利用特定的干化设备蒸发脱水污泥中的水分，使其含水率降至预定程度，然后利用焚烧炉或锅炉设备焚烧。由于大型燃煤锅炉本身是一种高效、清洁的焚烧设备，利用已建成大型燃煤电站（>300MW）焚烧生活污泥成为我国生活污泥处理的新导向，可以大幅降低污泥处理费用，减少碳排放，实现废弃物的合理资源化。

生活污泥耦合大型燃煤电厂发电项目主体由污泥干化装置+大型燃煤锅炉组成，其中污泥干化系统是整个系统的核心，依据干化热源的不同，结合燃煤电厂的热源情况，可以分为烟气干化和蒸汽干化2种工艺路线。污泥热干化系统的一般工艺流程，如图1所示。

图1 污泥热干化原则性工艺流程图

污泥热干化系统主要包括储存和运输系统、污泥干化系统、废水处理系统、废气收集净化系统、电控仪表系统、辅助系统等。储存和运输系统主要包括湿污泥仓、抓斗吊装装置、滑架、进料斗、螺旋输送机等；污泥干化系统以圆盘式蒸汽干化设备为核心；废水处理系统包括加药、除臭、浓缩、进入电厂：废气收集净化系统包括干化厂房的尾气收集系统、冷凝的废气分离、过滤系统；电控仪表系统包括满足系统运行的电气、控制及测量设备；辅助系统包括压消防系统、通风采暖系统、给排水系统、仪用气系统等。

2种工艺相比较，蒸汽干化工艺系统建设投资小，生产环境好；但设备维护费用高。烟气干化工艺设备维护费用低，系统可靠性好，但系统建设投资大，生产环境不易控制，并且燃煤炉的烟气含有大量腐蚀性污染物易造成设备腐蚀。

2.2 工艺路线简介

为降低掺烧生活污泥和工业固废（印染污泥为主）对煤粉炉的影响，将湿污泥（60%~80%含水率）热干化到30%~40%含水率。干燥后的污泥与煤厂燃料混合进入电厂磨煤系统制备燃料。泛蒸汽经冷凝、收水之后，送入锅炉燃烧。生活污泥和工业固废（印染污泥为主）干化冷凝废水经水处理装置处理之后作为电厂工艺水回用，或预处理之后管网输送至常州江边污水处理厂进行处理。

2.2.1 污泥卸料系统

含水率60%~80%的污泥由市政用罐车送至污泥卸料车间。湿污泥直接卸至地下湿泥仓，经由抓斗提升至干化机前料斗，料斗底部设有螺旋给料机，湿污泥由螺旋给料机送入干化机进行干化脱水。

污泥卸料车间和干化车间采取负压抽气，卷帘门只在卸料时才开启，平时处于关闭状态。

2.2.2 污泥干化系统

干化机的热介质是电厂送来的低压过热蒸汽（约0.5MPa，152℃），电厂蒸汽与湿污泥在干化机内进行间接换热。湿污泥转化成含水率30%~40%的干污泥+污泥乏汽（由水蒸气和废气组成）；干化的污泥在进行降温处理后进入干化仓再被传送至煤场与煤充分混合后送入制粉系统。电厂蒸汽与污泥间接换热，水质未受污染，蒸汽凝结水可以送至锅炉除氧器回收利用，降低电厂除盐水的消耗。还可以采用烟气直接干化污泥，烟气干化污泥的工艺流程是利用锅炉的高温低氧烟气直接将湿污泥干化，再将经过烟气干化后的干污泥通过料仓传送到磨煤机中和煤掺混，而经过干化后的烟气中包含着恶臭气体以及湿污泥蒸发的水分，将这种气体通过管道直接送到锅炉的尾部污染物处理系统或者上部直接燃烧。

2.2.3 干污泥转运系统

干污泥从干化机落料口卸至（地下）干污泥输送皮带，先送至干污泥仓。干污泥仓下设置螺旋给料机控制出料。干污泥再经输送皮带和斗提机送至原煤斗顶部布料皮带，与原料进行一定配比（一般不超过5%）后进入原煤斗，最后经过中速磨之后进入锅炉。干污泥输送采用密闭结构，原煤斗顶部布料车间也采取密闭，并设置负压抽气装置。VOCs（臭气）搜集之后与二次风混合作为助燃风送锅炉焚烧。

2.2.4 污泥乏汽处置系统

污泥乏汽经旋风除尘器除去乏汽携带的干污泥后，进入冷凝器经循环冷却水间接换热冷却降温，乏汽析出大量废水，降低了乏汽中的含水量，然后由乏汽与二次风混合送锅炉焚烧，实现废气零排放。

生活污泥和工业固废（印染污泥为主）干化冷凝废水经水处理装置处理之后作为电厂工艺水回用。

2.2.5 循环冷却水系统

冷凝器循环冷却水与乏汽间接换热，冷却水经使用后水质未受污染，仅水温升高8℃~10℃，利用余压上冷却塔，冷却后的水由泵组加压循环使用。为维持系统正常运行，不产生结垢或腐蚀，设有投加水质稳定的加药设备。污泥经过冷却水换热器后循环利用，冷却水出口端与废水池连接，该污泥换热系统一次换热器的冷却水为软水，二次换热器连接的是冷却水。为保证循环水水质，系统须强制排污。

2.2.6 污泥尾气处理系统

湿污泥中含有大量腐蚀性物质和有机物，在干化过程中有机物会进行分解挥发出来，释放出大量有害气体。根据污泥干化的试验结果显示，污泥在烟气干化过程中，自身所含有的有机物不会因为低温环境而遭到破坏，只是会产生少量的异味气体，由于烟气干化污泥需要＞1.0×105m3的烟气含量，异味气体在大量的烟气稀释的作用下产生化学反应，再经过电厂的除气除尘装置过滤，使烟气干化污泥释放出的尾气符合排放标准。大部分烟气经过尾气处理系统后一部分会回到换热装置中继续换热升温，然后回流到干化系统发挥余热作用继续干化污泥，提高干化机的工作效率，减少干化过程中产生的能耗，有利于保护环境。

3 应用效果

3.1 直接经济示范效益

依托常州发电公司2×630MW量级大型燃煤锅炉每天可焚烧800t生活污泥和印染污泥，每年可焚烧18万t污泥，可获得丰厚污泥焚烧费用。

大型机组耦合发电可获得年奖励电量，同时，污泥干化后送入锅炉焚烧可以降低煤耗，节约超过8746t标煤/年，减少CO2排放约2.3万t/年。

3.2 社会示范效益

随着全国用电量增速放缓、新能源发电比例不断攀升，火电行业出现严重产能过剩，全国火电机组年平均发电小时数在4000h徘徊。火电厂升级转型为城市基础环保设施，可以确立燃煤机组在城市发展中的重要地位，保证发电小时基数，创造环保效益。

大型火电耦合发电项目项目具备承接（生活污泥和印染污泥）一般固废无害化处置能力，可为环保基础设施承担了区域环境保护重任。这既响应环保号召，承担社会环保责任，又可节煤降耗，给电厂带来稳定的经济收益。为燃煤电站融入城市绿色发展打下坚实基础，是火电企业可持续、可复制的转型路径。

4 推广及应用

泥干化技术路线（蒸汽间接换热干化）+ 发电厂燃煤锅炉耦合焚烧工艺，污泥干化后送入锅炉焚烧，将污泥中的能量转换为热能，降低煤耗；其污泥燃烧后的产物，经研磨处理后成了混凝土材料，变废为宝，实现了污泥100%利用；干化得到的乏蒸汽在尾部风机的负压作用下，经过格栅式洗涤塔洗涤冷凝之后，废气作为二次风送入锅炉进行燃烧，所有污泥干化的过程全部在负压状态下完成，能够有效地控制和防止污泥干化过程产生的臭气破坏生产环境；该项目真正实现污泥处置的减量化、无害化。

大型燃煤锅炉资源化处置多种污泥固废关键技术研究是国内首次在630MW大型燃煤机组上实现多种城市污泥资源化无害处置的项目，应用了很多新工艺新技术。该项目的成功投运，对集团火电板块的绿色发展、大型火力发电的战略转型和污泥处置领域市场开拓具有重要意义，为同类型燃煤耦合污泥处置项目工艺路线选择和设备选型提供经验。同时通过项目示范，获得了丰富的工程技术、工程建设、生产运行和管理经验，为后续大范围推广奠定了扎实的基础[2]。

5 结语

大型火力发电机组污泥耦合发电技术符合我国环保政策，满足各区现状的污泥处理处置方法的要求，也是国际上污泥处理处置的主流方向。该技术路线通过其拥有的相关配套设置来实施，具有资源优化、绿色环保、节约投资、节约能耗、促进电厂升级转型等多重意义，有显著的社会效益和环境效益，可借助大型燃煤锅炉热负荷容量大、超低排放环保的平台，发挥优势，实现对污泥的无害化、减量化、资源化利用，具有较强的可行性。