城市污泥焚烧处理及耦合发电的技术研究

方永平

摘要：随着国内城市化进程的持续发展，城市产生了大量的污泥，通过对城市污泥焚烧处理，并结合地区热电厂的现有设备和系统，对污泥的热量充分利用进行耦合发电，从而达到污泥的利用、无害化以及资源化的目的，具有良好的经济与社会效益。

1背景

随着国内城市化进程的持续发展，城市人口快速增加，产生了大量的城市污水及其处理后的大量污泥，目前城市污泥处理方法主要有以下4种：卫生填埋、土地利用、焚烧和投海。其中污泥焚烧是一种污泥最终处置方法，具有良好的经济与社会效益，受到越来越广泛的重视和利用。

污泥的焚烧就是利用本身有机物燃烧产生热量的过程，污泥的焚烧利用了污泥中的能量，燃烧后放出的热量以尾气显热的形式被锅炉所回收。焚烧时的温度可以达850℃，能完全杀死病原微生物，焚烧后污泥体积大大减小，仅为原有体积的10%左右（相对含水率约为75%的污泥）。焚烧后污泥中的水分蒸发为水蒸气，有机物变成了可燃气体，无机物则变成了极少量的灰烬。由于焚烧残渣在性质上发生了根本改变，其最终处置相对较为容易，可作为生产建材如水泥熟料、砌块砖等原料加以利用;同时污泥的焚烧也可以通过利用废热来耦合发电，从而达到污泥的利用、无害化以及资源化的目的。

国家能源局和环境保护部下发了《关于开展燃煤耦合生物质发电技改试点工作的通知》（国能发电力[2017]75号），明确提出“重点在直辖市、省会城市、计划单列市等36个重点城市和垃圾、污泥产生量大，土地利用较困难或空间有限，以填埋处置为主的地区，优先选取热电联产煤电机组，布局燃煤耦合垃圾及污泥发电技改项目”。

2污泥焚烧技术研究

污泥焚烧可实现污泥最大限度的减量化，病原物质均被灭杀，有毒污染物被氧化，污泥灰烬中的重金属活性较污泥中要低得多，并通过烟气净化设备处理使排放气体达标排放，污泥燃烧产生热能可发电。根据我国的污泥处置政策和技术要求和本地区现有热电厂的实际情况，利用电厂协同处置城市污泥是解决污泥处置难题最可靠和有效的途径。

2.1污泥干化和焚烧的技术路线

污泥在焚烧前，一般应先进行脱水处理甚至热干化，以减少焚烧负荷和能耗。目前，我国污泥干化焚烧处理的方式主要有：

2.1.1污泥直接送入锅炉焚烧

含水率80%的污泥，通过输送设备，直接送入锅炉炉膛，在炉膛中被加热、挥发并燃烧。脱水污泥直接焚烧的优点是系统简单，投资很少，但由于存在处理量小，运行成本高，烟气量大处理困难，以及对设备的腐蚀等原因，这种处置方式已逐步被其它方式取代，不考虑该方式。

2.1.2污泥深度脱水后送入锅炉焚烧

污泥经深度脱水后，含水率80%的市政污泥可降低至含水率50%左右，深脱后的污泥相对于含水率80%的污泥，其质量减少了60%，污泥热值也大幅得到提升。污泥深度脱水与热干化相比，具有能源消耗少，运行成本低的优点，但脱水后的污泥含水率仍然较高，数量较大，对于处置量大的项目，对设备和运行的要求非常高。

2.1.3污泥深度脱水后干化焚烧

此工艺结合了污泥深度脱水和热干化的优点，通过深度脱水去除50%的水分，污泥量大幅较低，再进行热干化到30%含水量，干化后更适应污泥焚烧锅炉的运行。目前，国内新建的大中型污泥处置项目多采用此方式。污泥深度脱水后干化焚烧，工艺流程较复杂，设备多，但由于深脱后的污泥量大幅减少，污泥热干化机模块的投资有所降低，因此本工艺投资适中。

污泥热干化的流程：脱水污泥由接收系统接收后，通过污泥输送系统输送至污泥干燥机组干燥，将脱水污泥的含水率由50%降至30%以下，然后干污泥被输送至燃料仓。干燥机组采用电厂提供的蒸汽作为干燥热源对污泥进行干燥，蒸汽换热后成为冷凝水回至电厂作锅炉给水循环使用，干燥机干燥污泥蒸发出的水分和不凝气经冷凝或洗涤后去除水分，不凝气体经除臭等处理后排放或作为电厂锅炉一次风送至锅炉焚烧。

2.1.4污泥热干化后焚烧

污泥干化焚烧是利用热源（蒸汽、导热油、烟气、电等），通过热干化设备，使污泥中的水分蒸发，使污泥半干化或完全干化。实际运行中，将含水率80%的污泥干化到含水率30%左右送入锅炉焚烧。热干化后的污泥相对于含水率80%的污泥，其质量减少了71.43%，干化后的污泥由于数量大幅减少，热值较高，对锅炉的影响最小，因此焚烧的处理量可以较大，运行较稳定。但由于干化机模块投资高，总投资大。

2.2掺烧污泥对电站锅炉的影响

根据文献《1000MW燃煤锅炉污泥掺烧试验研究与工程应用_张宗振》、《700MW燃煤发电厂污泥掺烧技术应用分析_邵华》、《300MW亚临界燃煤锅炉污泥掺烧性能试验研究_韩俊刚》，燃煤中掺入少量污泥（比例不宜大于10%），对燃料燃烧的稳定、锅炉参数和受热面工作的安全性不会产生不良影响。根据一些电厂对掺烧市政污泥的相关试验结果表明，当掺烧比例较小时，对炉内的燃烧进行观察，发现火焰均很明亮，燃烧稳定。直接按掺烧量来計算，混合后燃料的组分变化非常小，无论是热值、水分、灰分或者是硫份都在实际燃烧的燃料变化范围以内，不会对锅炉的稳定燃烧产生太大的影响。

当直接掺烧湿污泥时，最主要是水分对热效率的影响，其中包括了增加水分带走的热量损失，这部分损失作为热能消耗成本考虑。按现有污泥成分，掺烧比例5%时，BRL工况下排烟温度会增加约2℃，锅炉效率会降低约0.21%。

2.3掺烧污泥后净化处理

在现有热电厂进行污泥掺烧能充分利用现有电站的脱硫除尘排放系统，城市污泥含硫量普遍较低，同时相对锅炉耗煤量掺烧量不大，因此对机组排放烟气的二氧化硫浓度不会造成影响;污泥本身容易燃烧，含尘量相对设计煤种低，同时掺入的比例较小，对机组排放烟气含尘量不会造成影响。

3结论

1）通过利用电厂现有的系统和设施，对市政污泥进行处理、净化并最终输送进锅炉炉膛完成掺烧。对热电厂所处区域的污泥、药渣等城市废弃物进行掺烧处理符合国家有关部门电厂耦合发电、保护环境相关文件和要求，对保护好环境，节约资源和开发新能源，实施可持续发展的战略有重要意义;

2）随着国家“碳达峰”、“碳中和”战略的实施，火电厂转型的任务更为紧迫。通过高效清洁处理城市废弃物，解决当地环境保护和城市发展过程中的难点和痛点，能增强电厂与所处地区的粘合力，并增加电厂部分收益，有利于提高火电厂的生存能力。

3）目前污泥掺烧用的工艺方案已在某些国内项目上得到应用，成熟的技术路线和成熟可靠，不存在工程技术风险，有大规模推广利用价值。