市政污泥掺烧技术与工艺

张铨平,金升益

(张家港沙洲电力有限公司,江苏 苏州 215624)

污泥是城市污水或工业废水处理的附属产物[1]。随着工业的持续发展和城市化进程的推进,人民生活水平提高,污水与污泥的产量与日俱增。有报道显示,2020年,我国含水率80%的污泥产量就已超过6 500万t,且预计五年内污泥年产量将突破9 000万t。同时随着人们环保意识的增强,对于污泥处理的要求也越来越高,如何有效处理污泥成为一个值得探究的领域。2021年国家发展改革委、住房城乡建设部印发《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》,对于污泥处理提出了更高要求——城市和县城污泥无害化、资源化利用水平需进一步提升,城市污泥无害化处置率需达到90%以上。

污泥的处理应该秉持“四化”的原则,即“减量化、稳定化、无害化、资源化”。无害化处理是基本要求,减量化处理是基础,稳定化处理是核心,资源化利用是终极目标。而传统的处理方式如填埋、堆肥、自然干化等,对于环境的污染依旧存在,土地占用率高且效率较低。焚烧因其体积减容率大、能量回收快等优点,是污泥处理的重要策略之一,尤其污泥掺烧技术在环保、经济效益等方面有着独特的优势[2]。

1 市政污泥燃烧特性及掺烧可行性

市政污泥是市政污水、废水处理的产物,是一种成分极其复杂的非均质体,其中包含泥土、沙子、纤维等固体颗粒、动植物残体等有机残片、各种胶体等,还有部分金属元素以及微生物、病菌、虫卵。污泥本身含水率高,但是其状态介于液体与固体之间,呈胶状液态,且难以通过沉降的方法去分离污泥中的固液组分。污泥另一个特性就是有机物的含量高,这也是其容易腐烂发臭的原因。常见污泥来源广泛,根据不同方式分类如表1所示。

表1 常见污泥分类[3]

市政污泥中含有氮、磷等大量营养物质,但是也含有大量病原体、细菌等[3],处理不当会对环境造成二次污染,而这些有害物质大部分以有机物的形式存在于污泥中。焚烧的方法能够杀死病原体,使得这些有机物碳化,并利用有机物的燃烧热值,变废为宝。产生的热量可以用于发电和供热,在短时间内回收能源[4-6]。此外,焚烧的处理方法能够实现污泥减量化最大,处理后的污泥体积最小,最终需要处置的物质很少。而且相较于其他处理方法,污泥焚烧的处理速度最快,这也避免了需要长期储存和运输的问题,节约了成本,烧出来的灰可以用作化学品制备原料,实现资源化利用。因此污泥焚烧是一种符合“四化”原则的污泥处理技术,其处理方式包括单独焚烧和掺烧。在国外,焚烧法已经成为污泥处理的主流方法,尤其在日本,焚烧处理的比例超过了50%[7]。

城市污水处理厂的污泥中只经过初步处理,仍然有着较高的含水率。如表2所示,污泥燃烧的热值随含水率的升高而降低,水分过高时不仅不能良好利用其热值,反而会造成热量的损失。一般来说,焚烧的污泥含水率至少要为50%以下。因此将污泥用于掺烧之前的干化处理至关重要。另外,干化后不同的污泥的组成成分仍然有较大区别,一般来说挥发分Vad占40%左右,灰分Aad约占30%～40%,固定碳FCad约占20%。

表2 不同含水率下污泥热值

目前已经有很多学者对污泥燃烧特性进行了探究,通过热重分析仪去分析污泥在不同气氛、不同升温速率下的燃烧特性以及不同比例污泥混烧的燃烧特性,分析燃烧机理与动力学特性。污泥燃烧过程与煤的燃烧过程类似,主要分为4个阶段,包括自由水和结合水析出、挥发分析出和燃烧、挥发分和固定碳燃尽、残留物燃烧和分解阶段。但与煤燃烧不同的地方在于,煤粉的燃烧过程中起主要作用的是固定碳的燃烧,而污泥在燃烧过程中挥发分析出和燃烧才是控制整个燃烧过程的关键[7]。对于不同来源不同成分的污泥,不同阶段的温度范围也有差异。图1为某市政污泥不同升温速率下的热重曲线,整体来说,污泥的燃烧呈双峰特点,污泥的燃烧主要发生在挥发分析出和燃烧阶段。

图1 某市政污泥不同升温速率下的热重曲线[8]

在卢洪波等人[8]的研究中,随着升温速率的增加,污泥的着火温度、燃尽温度和峰值温度逐渐增大,最大失重速率、平均燃烧速率、可燃性指数、稳燃性指数和综合燃烧性指数均呈现升高趋势。但是刘静勇等人[9]的研究表明,随着升温速率增加,污泥的燃尽指数会有所下降。总体上说,提高升温速率和氧气浓度都可以改善污泥的综合燃烧性能。此外随着污泥的粒径增大,污泥比表面积减小,着火温度、燃尽温度随之增高。

由于污泥中主要可燃成分为挥发分,其着火点和燃尽温度都远低于煤,所以其着火和燃尽性能均优于煤,因此在煤中掺烧污泥有助于改善燃料的着火和燃尽性能[10-11]。不同反应气氛条件下,污泥掺烧后燃料的燃烧特性存在一定区别。随着反应气氛中O2浓度的提高,燃烧反应活化能降低,挥发分析出提前,使燃烧更加剧烈,燃尽性能也得到提高。污泥掺杂比例在10%以下,对可燃性指数、稳燃性指数和综合燃烧特性指数的影响不大。掺杂比例继续提高的情况下,各个燃烧性能参数均大幅下降,影响燃烧[12]。还有研究表明污泥与生物质[13]及劣质煤[14]掺烧在低掺比时表现出了相互促进的效果。

在早期,污泥焚烧只为处理污泥,后来人们发现可以对污泥中含有的热值加以利用,在掺烧过程中还能获得发电收益,同时各地政策也对污泥处理有所补贴(如上海的补贴达到了约300元/t),能够进一步降低污泥处理的成本。随着技术进步,污泥焚烧技术从多段竖炉发展到流化床技术,污泥掺烧越发容易实现。较高含水率的湿污泥可以利用循环流化床锅炉进行燃烧,但是需要注意防止排放物造成二次污染;干化后的污泥可以直接与原煤以一定比例混合送入锅炉燃烧,同时借助电厂现有环保处理设备能够让排放的气体达到国家标准,这种技术在一些电厂中已经得到应用。因此,污泥掺烧从技术、经济到环境保护上都具有较好的可行性。

2 污泥掺烧技术

污泥掺烧发电作为污泥焚烧的一种利用方式,具有容量大、适应性强、系统效率高等独特优势。它可以利用机组原有的燃烧、烟气净化、发电等设备,大大降低了污泥焚烧处置的成本,近年来发展迅速[15]。根据掺烧的形式可以分为直接掺烧和干化掺烧技术,其中根据干化的方式又可以分为烟气直接干化掺烧与蒸汽间接干化掺烧。

2.1 污泥直接掺烧技术

污泥中水分形式复杂,有自由水、间隙水、表面结合水和分子结合水四种,其区别在于水分与固体污泥颗粒的结合能大小的不同,且结合能越大,水分蒸发所需能量越高。一般来说,自由水的结合能最小,其次是间隙水,这两种水分通过机械脱水就能脱除。表面结合水物理吸附在污泥颗粒表面,分子结合水通常是胞内水分,存在于有机质细胞内,结合强度最高。这两种水分通过机械方式很难脱除。

污水厂产出的污泥一般为经过机械脱水的方式处理,但是由于污泥中水分存在形式复杂,机械脱水效果有限,污泥中的水分仍然保持在60%～80%的范围之间。在与燃煤机组耦合时,污泥直接掺烧是将这种湿污泥直接通过输送设备送入锅炉设备中进行掺烧,输送方式有泵式与带式两种。

在泵式输送直接掺烧路线中,湿污泥由罐车输送到电厂的污泥仓。污泥通过污泥仓底部的卸料车落入底部预压螺旋输送机。污泥通过预压螺旋输送机送到污泥泵。由污泥泵增压后,通过管道送至循环流化床锅炉燃烧或送至煤输送带上方的出料口,使污泥铺在原煤层上(煤粉锅炉)。

带式输送直接掺烧则是湿污泥自行卸入湿污泥储存仓,污泥仓底部的液压推杆将污泥推至排泥螺杆处,然后通过A/B带式输送机送至电厂煤输送带的A侧或B侧(可切换运行)。污泥通过污泥分配装置与煤混合均匀。为防止异味扩散,污泥输送带均加装密封盖。两者相比,泵送直混工艺是完全封闭的管道输送,异味回收效果更好。

污泥直接掺烧通常适用于对燃料相对不敏感的流化床锅炉,其优势在于技术工艺简单直接,投资成本较低,且操作维护需求小,同时由于污泥没有干燥,产生的恶臭气体较少。但是湿污泥含水量高、体积大、热值低、燃烧组织困难,掺合量十分有限。对于煤粉锅炉来说,由于污泥混合不均等因素,很容易造成原煤仓和给煤机堵塞,或者制粉系统产量不足等问题。

2.2 污泥干化掺烧技术

机械脱水后的污泥直接掺烧局限性很大,掺烧量小且会对锅炉设备产生较大的负面影响,例如降低炉膛的理论燃烧温度、增大烟气含量等。为了保证设备的安全运行,污泥掺烧前可先对污泥进行脱水干化,进一步降低污泥含水量,再送入设备中进行掺烧。一方面通过干化实现污泥的减量,提高污泥的热值,另一方面也降低了污泥储存与运输的难度。因此干化掺烧的工艺在我国燃煤电厂耦合污泥掺烧时得到了较为广泛的应用。

污泥干化掺烧的关键技术就是污泥干化技术,按照热介质与污泥的接触方式,主要分为直接干化、间接干化和直接-间接联合干化三种方式[16-18]。其中直接-间接联合干化技术发源于日本和德国,存在安全性低、经济性差和设备占地大等问题,在我国实际应用较少,在此不作详细介绍。此外还有一些新型干化技术如EcoDry工艺[19]与太阳能干化工艺[20]等,由于发展还不成熟暂不做相关评价。表3给出了常见的传统干化工艺及其优缺点,并在下文进行详细介绍。

表3 干化工艺对比

2.2.1 污泥直接干化技术

直接干化工艺的热介质与污泥直接接触进行换热,常用的热介质为热烟气、热空气或热灰等,传热效率和蒸发速度高,其代表技术有转鼓干化技术、流化床干化技术、带式干化技术等,相关干燥设备包括转鼓干燥机、喷雾干燥机、带式干燥机、滚筒干燥机、旋风闪蒸污泥干燥机等[6]。图2为转鼓式污泥直接干化系统与设备。

图2 转鼓式污泥直接干化系统与设备

转鼓式干化机在干燥过程中,转鼓内通入加热介质,通过转鼓的转动,物料缓慢地向出料口方向移动,在移动过程中,物料与加热介质直接接触,去除物料中的水分,达到所要求的含水率。污泥与加热介质在干燥机中直接接触,以接触传热的方式进行干燥,主要应用于液态物料、带状物料、膏状及黏稠状物料的干燥。

烟气直接干化污泥是利用锅炉尾部的烟气作为热源,使污泥干燥。污水处理厂的湿污泥由自卸车运至发电厂的湿污泥储存仓,再由湿污泥螺杆泵送至干燥机入口进行干燥。干燥后的污泥通过气流输送到旋风分离器进行气固分离。干污泥落入干污泥仓,然后与原煤混合送入煤输送带,在炉膛内燃烧。部分干燥污泥通过干燥机底部的螺旋输送机直接送到煤输送带。烘干机所需的干燥介质由空气预热器前的高温烟气(约380 ℃)和静电除尘器出口的低温烟气(约120 ℃)组成。干燥尾气经旋风分离器除尘后,由负压风机送至锅炉炉膛上部进行燃烧或尾污处理系统。

直接干化技术的优点是污泥与热介质直接接触,输送效率和蒸发速率高,干燥过程短,设备结构紧凑,初始投资低。缺点是采用高温烟道气或热空气作为加热热源,有效能量损失大;干燥尾气流量大,尾气净化和余热回收难度高;干燥系统的抑燃防爆要求比较严格。如果与燃料混合的污泥比例过高,所需要的烟气量就大,可能会影响锅炉的热力系统,导致汽温不足。因此,该工艺的选择需要结合机组的热工计算综合考虑。

2.2.2 污泥间接干化技术

间接干化工艺中热介质不与污泥直接接触,而是通过加热器壁对器壁另一侧的湿污泥进行干化。常用的热介质有蒸汽、导热油等,从污泥中蒸发出来的水进入冷凝器冷凝,全部或部分热介质可以返回原系统循环利用,但传热效率和蒸发速度相对低,其代表技术有圆盘干化技术、桨叶式干化技术等,主要设备有中空桨叶干燥机、薄层干燥机、圆盘干燥机等。

桨叶干化技术较为传统,可以将污泥含水率从80%降到40%左右,桨叶干燥机设备制作简单,曾经应用广泛。在桨叶干化技术上继续发展出圆盘式污泥干化技术,该技术优势在于处理量大,装置自动化程度高,但同时成本也较高。薄层式污泥干化技术通过将污泥制成“煎饼”一样的薄层,以此增加污泥中水分蒸发的表面积,实现污泥快速干化的目的,该技术能够将污泥含水率脱除至30%以下且耗能低。但是由于设备结构复杂,检修难度较高,市场占有率不高[21]。图3为薄层污泥间接干化系统与设备。

图3 薄层污泥间接干化系统与设备[21]

蒸汽间接干化污泥采用机组汽轮机抽汽作为热源。在污泥干燥设备中,热介质与污泥间接接触,进行热交换。蒸汽热量释放到凝结水后,返回到机组的蒸汽-水系统。污泥干燥并冷却后进入干污泥仓,送入煤输送带与原煤混合,再送入粉碎机。污泥干燥过程中产生的废气被旋风分离器去除大部分固体颗粒,然后进入冷凝器与冷却水进行热交换。非冷凝废气由负压风机送锅炉焚烧,冷凝废水送废水处理系统处理达标后排放。

间接干化技术采用低压蒸汽等低等级热源,有效能量损失小,系统热效率高。干燥尾气处理能力小,干燥蒸汽容易凝结,可有效避免污泥的塑性阶段,操作温度低,污泥中可燃成分损失少,系统安全性好,自动化程度高。间接干燥污泥耦合发电工艺对锅炉运行影响不大,尤其是污泥与燃烧混合比例较大时,但该工艺属于壁对壁换热,传热系数低于直接接触换热,干燥速率低,单位干燥面积处理量小。该设备体积大,初始投资高,结构复杂,活动部件多,对耐腐蚀、耐磨性要求高。

2.3 污泥掺烧技术对比

对比污泥直接掺烧、烟气直接干化掺烧与蒸汽间接干化掺烧三种掺烧技术,能够发现其各具特色,对其优劣并不能一概而论。对于不同的污泥处理量、掺烧要求、机组实际运行情况以及与污泥掺烧量的匹配性,都有其技术可行性与适用范围,对于具体情况需要具体分析。

从技术角度来说,污泥直接掺烧最为简单直接,投资少,建设快,运行成本低。但是直接掺烧容易出现掺混不均导致制粉系统堵塞或者干燥出力不足的问题。而干化掺烧方式都需要与发电机组进行耦合,利用烟气或者蒸汽对湿污泥进行干化处理,系统较为复杂,同时对原有系统会造成影响。特别是烟气直接干化抽取的烟气量直接影响到机组的正常运行。同时烟气的选择也有所讲究,采用未经过除尘的烟气温度高但是含尘量大,经过除尘的烟气温度降低,达到同样干化效果所需烟气量增加。蒸汽间接干化相对来说对锅炉的影响较小,但是过程中产生的凝结废水处理难度较大,系统也最为复杂,同时污泥的除臭问题也需要考虑。

从掺烧量来说,污泥直接掺烧处理量最小,烟气直接干化污泥掺烧居中,蒸汽间接干化污泥掺烧处理量最大。有数据统计,污泥直接掺烧单台机组污泥处理量为100 t/d,年处理量3.5万t以内,烟气直接干化污泥掺烧约是其1.5～2.5倍,而蒸汽间接干化污泥掺烧更是能够达到其3～6倍甚至更多。

从经济性上说,污泥直接掺烧成本最低,以100 t/d污泥处理量为例,系统投资约1 000万元且运行成本很低。烟气直接干化污泥掺烧以150 t/d污泥处理量为例,系统投资约2 000～4 500万元,运行成本在120～150元/t。而蒸汽间接干化污泥掺烧投资最高,系统投资高达18 000万元,运行成本约200～250元/t。因此,在实际选择技术应用时需要多方面考量。

3 污泥掺烧的影响

3.1 对锅炉的影响

作为燃料来说,污泥的含水率高、挥发分高、热值低,干污泥灰分高,在污泥与进入锅炉的燃料混合时,污泥的这些特点会导致混合燃料的含水率和灰分增加,燃料的热值与燃料品质降低。理论上分析不难得知,燃料热值下降的结果是会导致炉膛内的辐射吸热降低,炉膛出口烟气温度升高,烟气流量增大,导致废气的热损失增加。另外烟气体积的增大,炉膛内辐射吸热降低,使半辐射式过热器与对流过热器吸热增加,出口的蒸汽温度会有所升高。因此在运行过程中需要通过增加减温水量来保证对流过热器出口的蒸汽温度,以免对后续系统产生不利影响。

也有学者通过实验与计算对此进行了验证。结果表明在不同机组负荷下,掺烧污泥对机组运行参数的影响规律基本一致。机组掺烧污泥后,入炉燃料水分增加且热值降低,燃料干燥所需热风温度有所提升而磨机出口温度则有所降低,烟气H2O质量分数、湿烟气量及引风机压升均呈增加趋势。由于污泥含氮量大于烟煤,机组掺烧污泥后,NOx质量浓度有所增加[22]。

掺烧污泥后,锅炉湿烟气量及排烟温度增加会导致排烟热损失明显增加,同时炉膛温度下降引起燃料燃尽率下降造成固体未完全燃烧热损失明显增加,而其他几项热损失变化较小。热损失的增加造成锅炉效率的降低,且污泥掺烧比例越高,锅炉效率下降越明显。根据相关实验结果,通常认为当干化污泥掺杂比例小于10%时,锅炉热效率变化不大。

污泥的掺烧也不全是负面影响。有掺混试验表明[23],掺混干化污泥后锅炉灰中的含碳量降低。一方面污泥的挥发分高,而挥发分燃点低,在燃烧的初期迅速燃烧并提供热量,促进了固定碳的燃烧。另一方面也在一定程度上使着火时间提前,煤粉在炉内充分燃烧的时间延长,因此提高了煤粉的燃尽率。

此外,还需要注意掺烧污泥后对于设备运行有所影响。对于磨煤系统,污泥的掺混引入了更多水分,导致燃料粘度增加,易成团使得系统发生堵塞。对于除尘系统,掺烧污泥后烟气含量增加,受热面的磨损和管道内的积灰情况加重,除尘机、引风机等容量需有所提高。另外,在锅炉低负荷运行时,需要防止炉膛燃烧温度过低导致熄火。另外,污泥中氯、硫及碱金属含量高,因此污泥的灰分熔点远低于原煤,混合燃料的灰分熔点温度随着掺杂污泥比例的增加而逐渐降低,掺烧比例过大会使锅炉受热面极易磨损与腐蚀。因此,还应定期检测混合燃料灰熔点,并根据实际情况调整锅炉吹灰方式和频率。

3.2 对污染物的影响

煤炭的性质决定了燃煤锅炉运行时的污染物,主要是烟气中所含的粉尘(包括飞灰和炭黑)、硫和氮的氧化物,还有一些重金属物质。和煤相比,污泥元素构成上氮、硫含量比较高,且含有煤所没有的磷、氯等元素,因此掺烧污泥后,对污染物的影响主要在于NOx与SOx的增减,同时也会引入新的污染物[24]。另外污泥中固定碳较少,而灰分和挥发分含量高,这也会对NOx与SOx生成有所影响。

3.2.1 NOx与SOx排放

污泥中N元素的含量在5%～10%左右,多以有机胺的形式存在。与煤燃烧生成NOx的机理类似,含氮化合物在燃烧过程中发生分解,最终产生NOx。污泥的含氮量明显高于煤炭,因此排放物中的NOx含量有所上升,但掺杂比例不高的情况下上升程度较低。与污泥混合后,锅炉NOx排放总质量浓度反而降低。原因可能有两个方面,一是掺烧污泥后炉内的燃烧温度降低,使得热力型NOx生成减少;二是污泥挥发分在一定条件下发生热解,中间产物中含有HCN,会还原部分的NOx[25]。

污泥中S元素的存在形式有无机硫和有机硫两种,燃烧后基本上会转化为SO2。一般来说煤的含硫量是高于污泥的含硫量的,尤其在掺烧污泥比例不高时对排放物中的SO2浓度影响不大。而污泥中的高灰分中含有的氧化物会与SO2反应生成硫酸盐,高水分也会一定程度吸收SO2,因此SO2排放会有所减少。

3.2.2 二口恶英排放

二口恶英通常是指一组多氯芳烃化合物的统称,它们具有相似结构和理化特性,如热稳定性,且具有极强的生物毒性,被视为“世界上最危险的化学物质之一”。污泥在脱水过程中通常会加入一些氯化调理剂促使污泥微粒凝聚成大的颗粒絮体,同时使水从污泥颗粒中分离出来,从而提高污泥的脱水性能。因此污泥中会存在大量氯盐、氯离子以及有机氯化物。这些氯基物质在一定的高温条件下就会反应生成二口恶英。

研究表明二口恶英的生成与燃烧的温度有较大关系[26]。温度在550 ℃～700 ℃之间,二口恶英迅速生成,温度如果继续升高到850 ℃以上,二口恶英的生成速度就会赶不上分解速度。在实际运行过程中,可以将污泥在20～40 mm的范围内作为燃料送入炉膛,该范围内温度远高于850 ℃,只要能够停留一定时间,就基本可以避免二口恶英的生成。此外除尘器的选择也会影响二口恶英的排放,有研究表明布袋除尘器对二口恶英的去除效率高达64.3%,可以进一步减少二口恶英的排放[26]。

3.2.3 重金属排放

污泥,尤其是工业废水处理后的污泥,会含有较多的有害重金属,包括Hg、Cu、Zn、Cd、Ni、Cr、Pb、Mn等。大量研究表明,在掺烧过程中这些重金属元素的迁移与转化会发生一些变化。污泥中的氯化物会促进如Cu、Zn、Cd等重金属元素的挥发;而污泥的高水分增加烟气湿度,能够促进重金属的氯化物转化为氧化物,减少排放。另外,燃烧温度也会促进重金属挥发,温度越高大部分重金属元素的残留率越低。在郑成强等人[27]的研究中,掺烧污泥后元素含量出现较大差异,除了Sb以外重金属含量均有所增加,Hg主要以气态形式存在于烟气中,Cr、Ni、Mn、Cu、Co、Be、Ba元素在飞灰和底渣中均有富集;Pb、Zn、Sb主要富集在粉煤灰中。另外,在掺烧实验中发现,掺烧比例提升到10%,污染物的质量浓度会提高100倍,但是仍然达到了相关国家标准。由于污泥来源广泛,定期对污泥、煤粉灰、烟气中的重金属元素进行监测是必要的。

4 结语

污泥掺烧是实现污泥“四化”处理的有效途径,污泥直接掺烧、污泥直接干化掺烧、污泥间接干化掺烧等工艺各具特点,在满足实际情况下选择适当的掺烧技术有利于实现环保与经济效益的最大化。污泥掺烧会对原有机组设备与工况运行产生一定的影响。通常掺烧比例在10%以下影响较小,且能够满足污染物排放要求。现有污泥掺烧技术目前存在的主要问题为掺烧比例低,如何在保证锅炉效率不受影响的前提下提高掺烧比例是未来研究的重要方向。