城市废弃物前置干燥炭化技术在污泥耦合发电中的大型化工业实施

2022-08-31李帅英周虹光严万军牛国平张朋飞张国富唐如意秦昶顺

热力发电 2022年8期

李帅英，周虹光，严万军，牛国平，白鹏，张朋飞，张伟，张国富，唐如意，秦昶顺

（西安西热锅炉环保工程有限公司，陕西西安 710054）

随着我国城镇化进程快速推进及“无废城市”建设等政策落地，城市污水处置作为水环境治理最重要的组成部分，规模不断扩大。根据国家统计局数据[1]（图1），我国近15年城市污水年处置能力逐年呈增加趋势，年平均增长率约5.47%，截止2020年，年处置能力达745亿m3。一般情况下，每万立方米污水经处理后可产生80%含水率的污泥5～10 t。因此，污泥产量将随着污水处置量的增大而增大。

图1 污水处置能力变化情况Fig.1 Changes of sewage disposal capacity

目前，发达国家污泥处置方式差异较大[2-7]。欧盟15国中除了荷兰大量采用焚烧处置以外，其它国家多种污泥处置方式并存。荷兰、比利时和德国焚烧处置占比超过50%，希腊焚烧技术发展迅速，占比超过33%；英国、西班牙和法国以农业利用为主，其中英国和西班牙的占比超过50%。整体来看，欧洲地区污泥农业利用比例26%，焚烧比例41.3%，填埋比例明显下滑至9.3%。美国常用的污泥处置有土地利用、填埋和焚烧3种方式，其中土地利用占比约50%；日本受土地限制，以焚烧为主，占比高达49%。可见，大部分发达国家污泥处置以农业利用及焚烧为主。

我国污泥处置包括土地利用、填埋、焚烧以及建材利用等不同的方式[8-13]。刘莹[14]研究指出目前我国污泥主要处理方式中填埋占65%，堆肥占15%，自然干化占6%，焚烧占3%。安叶等[15]研究指出根据2017年我国污泥处置项目统计，其中采用土地利用占48.5%，焚烧占32.7%，卫生填埋占15.54%，建材利用占1.91%，其它方式占1.27%。薛重华等[16]根据住房和城乡建设部“城镇水务管理信息系统”统计，我国2018年上半年产生的1 800万t市政污泥（含水率80%）中土地利用占26.5%，焚烧利用占25%，卫生填埋占24.1%，建材利用占14.4%，其它方式综合处理占9.3%。由于学者们统计数据的口径及时间不同，造成统计结果存在一定差异，但不难看出，目前我国污泥处置仍然以填埋和土地利用为主，容易造成“二次污染”。2020年住建部及发改委发布的《城镇生活污水处理设施补短板强弱项实施方案》明确提出，城市污泥无害化处置率和资源化利用率需进一步提高。《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》提出，破解污泥处置难点，实现无害化推进资源化。可见，污泥的无害化及资源化是我国污泥处置未来发展的趋势。

燃煤耦合污泥发电作为污泥焚烧处置的一种新途径[17-19]，充分挖掘了已有火电基础设施，有效节约社会资本及土地资源，备受国家及行业高度关注。国家能源局、环境保护部联合下发的《关于开展燃煤耦合生物质发电技改试点工作的通知》指出，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试点项目。《2019—2020年全国碳排放权交易配额总量设定与分配实施方案（发电行业）》指出，完整履约年度内，掺烧生物质（含垃圾、污泥等）热量年均占比超过10%且不高于50%的化石燃料机组暂不纳入配额管理。

1 污泥耦合发电工艺

1.1 直掺工艺

直掺工艺是将污水厂产生的含水率为60%～80%的污泥持续添加在输煤皮带的原煤层上，依次经过输煤系统、制粉系统及燃烧器后进入锅炉炉膛焚烧处置（图2）。该技术路线工艺简单，投资费用小，但由于污泥混合不均匀等因素影响，容易造成原煤仓和给煤机堵塞问题，污泥掺烧量较小。

图2 直掺工艺Fig.2 The direct doping process

1.2 “脱水+掺烧”工艺

“脱水+掺烧”工艺是燃煤电厂首先对污水厂产生的污泥进行干化[20-25]，使其含水率降至40%以下；然后通过电厂输煤系统或制粉系统进行掺烧，提高了污泥利用综合价值，避免了系统堵塞等问题，系统安全性高，污泥掺烧量大（图3）。但该系统较复杂，污泥干化过程会产生臭味及有机臭水，需配套有机臭水处理系统，占地大、投资大。

图3 “脱水+掺烧”工艺Fig.3 The “dehydration+mixed burning” process

1.3 烟气直接干化工艺

烟气直接干化工艺是利用锅炉中低温烟气在干化设备中以直接接触的方式对污泥进行干燥，将污泥含水率降至30%左右；干化后的污泥经中间储仓及给料系统至锅炉输煤皮带或制粉系统进行掺烧，干化设备出口含有机气体的烟气送至锅炉尾部除尘器入口进行排放。该系统相对简单，投资较少，但干化过程有臭味产生，且有机气体对尾部环保设施存在二次污染或运行风险，如脱硫塔浆液“起泡现象”（图4）。

图4 烟气直接干化工艺Fig.4 The flue gas direct drying process

1.4 城市废弃物前置干燥炭化工艺

城市废弃物前置干燥炭化工艺是利用煤粉锅炉高温烟气作为惰性加热介质，在一体化处理机内部对城市废弃物进行干燥、炭化、粉碎及输送的一体化处置，一体化处理机出口全组分产物经密闭管道直接输送至炉膛进行焚烧（图5）。该系统简捷、占地小、投资少，单套设备处置量大，处置过程无臭气及有机臭水，能适应污泥、生物质、垃圾及废水等各类废弃物资源化及无害化处置。

图5 城市废弃物前置干燥炭化工艺Fig.5 The pre-drying carbonization process of municipal waste

2 污泥耦合发电工艺选择

表1综合对比了污泥耦合发电工艺。为了更好地满足火电厂对城市废弃物耦合发电方面的绿色发展需求，某电厂超临界变压直流炉采用城市废弃物前置干燥炭化技术路线，污泥处置过程无有机臭水及臭气，且对其它城市废弃物具有处置能力，处置对象适应性强。

表1 不同污泥耦合发电工艺对比Tab.1 Comparison of different sludge coupling power generation processes

3 工程技术方案

3.1 锅炉概况

国内某电厂超临界变压直流炉（HG-1163/25.4-PM1），采用∏型布置、单炉膛、一次中间再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构，燃烧系统采用低NOx旋流式煤粉燃烧器，前后墙对冲燃烧方式。锅炉主要设计参数见表2。

表2 锅炉主要设计参数Tab.2 Main design parameters of the boiler

锅炉尾部配套了完善的污染物脱除系统，使大气污染物排放指标达到超低排放水平。其中，氮氧化物采用低NOx旋流燃烧器技术及选择性催化还原法（SCR）脱硝技术，可实现NOx排放质量浓度小于48 mg/m3，氨逃逸量小于2.28 mg/m3；SO2采用高效湿法脱硫技术，可实现SO2排放质量浓度小于35 mg/m3；烟尘采用低低温电除尘器技术及烟道除雾器技术，可实现烟尘排放质量浓度小于5 mg/m3。

3.2 技术方案

本项目规划分两期建设，一期项目80%含水率污泥处置能力为1×250 t/d，采用“两炉一机”配置方式；二期项目提升污泥处置能力至2×250 t/d；一期项目统一设计，预留二期项目设备布置空间。依据《煤的工业分析方法》（GB/T 212—2008）及《燃料元素的快速分析方法》（DL/T 568—2013）等标准，对该锅炉入炉煤及污泥进行了检测，详细数据详见表3。城市废弃物前置干燥炭化技术主要包含污泥储存系统、一体机系统、炉烟系统及除臭系统，具体方案如图6所示。

图6 城市废弃物前置干燥炭化技术方案Fig.6 Technical scheme of the municipal waste pre-drying carbonization technology

表3 机组入炉煤及污泥参数Tab.3 Parameters of the coal and sludge into the unit

1）污泥存储系统

考虑二期项目将提升污泥处置能力至500 t/d，本项目配置1套500 m3的污泥储仓，满足未来1天污泥处置量的存储要求。污泥储仓地下布置采用混凝土结构，底部设置污泥滑架及3组螺旋给料机，每组螺旋给料机配1台柱塞泵，运行方式为两运一备，污泥依次通过螺旋给料机及柱塞泵经无缝管道输送至一体化处理机中处置，系统输送能力为11 t/h。其中，螺旋给料机采用变频方式对污泥量进行调节，污泥存储系统占地约14.0 m×17.5 m。

2）一体化处理机

根据电厂需求，一、二期项目各配置1套一体化处理机，其中一期先实施建设，二期预留布置空间。一体化处理机由回转干燥段及粉碎输送段组成，回转干燥段功率650 kW，粉碎输送段功率220 kW。单套一体化处理机污泥处置能力为250 t/d，占地面积为10 m×20 m。

3）炉烟系统

一期项目1号、2号锅炉都具备抽取650 ℃和350 ℃左右烟气的能力，2种不同温度烟气混合成550 ℃左右进入一体化处理机内对污泥进行干燥及炭化。出口烟气及产物温度约180 ℃，通过密闭管道经增压风机输送至泥粉燃烧器，进入炉膛进行焚烧处置。增压风机功率500 kW，采用变频电机。

4）除臭系统

除臭系统是对污泥仓及污泥卸料间采用微负压措施，即在污泥仓及污泥卸料间布置抽气系统，使其通过母管与增压风机入口连接，利用增压风机运行时入口负压对污泥仓及污泥卸料间进行抽气，形成微负压环境，防止污泥卸料及存储过程中臭气外逸，同时抽集的气体借助一体化处理机出口的产物输送管道经泥粉燃烧器进入锅炉炉膛进行焚烧。

4 应用效果

项目投运后，第三方权威机构依据《电站锅炉性能试验规程》（GB/T 10184—2015）对锅炉掺烧污泥前后的燃烧性能测试结果见表4。由表4可见，机组负荷为262.5 MW时，锅炉掺烧污泥后，飞灰含碳量上升0.160百分点，排烟温度升高4.15 ℃，锅炉效率降低0.298百分点，本工艺系统平均电耗为65.03 kW·h/t。试验期间机组DCS运行数据见表5。由表5可见，锅炉掺烧污泥后机组运行参数正常，无明显变化。

表4 锅炉燃烧性能测试Tab.4 The boiler combustion performance test result

表5 机组DCS运行数据Tab.5 The unit DCS operation data

此外，第三方权威机构依据《环境空气及废气二噁英类的测定》（HJ 77.2—2008）对掺烧污泥后烟囱入口烟气中二噁英排放质量浓度进行了测试，测试结果见表6。由表6可见，不同负荷下掺烧污泥对锅炉烟气中二噁英排放无明显影响，排放质量浓度均小于0.01 ng/m3，远小于垃圾发电厂二噁英排放质量浓度限制。其主要原因为，煤粉炉炉膛温度达1 300～1 500 ℃，仅停留数微秒二噁英就可以完全分解，且产物中几乎不包含二噁英前体物，大大降低后期重新合成几率[26]。