150 MW鍋爐城市污泥摻燒性能試驗研究
摘 要：針對在污水處理過程中產生大量污泥的問題，以4臺循環(huán)流化床鍋爐為例，對經過濃縮、投加PAM后壓濾形成的預脫水干化污泥進行摻燒試驗，分析摻燒時的鍋爐燃燒穩(wěn)定性、鍋爐效率及污染物排放情況。試驗結果表明，摻燒含水率低于60%的污泥，摻煤比達到15%時對鍋爐燃燒影響非常小，排放出的污染物符合環(huán)保要求。
關鍵詞：污泥; 污泥摻燒; 含水率; 摻煤比;
隨著我國經濟的快速發(fā)展，城市污水處理率逐漸提高，伴隨而來的污泥無害化問題日益突出。把污泥無害化、資源化、能源化為解決污泥處置問題提供了一種出路，同時也有利于循環(huán)經濟的發(fā)展，是區(qū)域生態(tài)平衡的重要一環(huán)。污泥在生產過程以及后處理過程中會包含很多有機物，有機物中含有很多致病菌、微生物以及其他對人體有害的微生物。若對城市污泥不加以處理，直接排放，會對土壤、水體以及植被等造成非常嚴重的破壞。目前，處理污泥的方法主要有土地填埋、土地利用、污泥干燥、污泥焚燒、直接排海等。其中，直接排海的方式已經逐漸被棄用。以焚燒為核心的處理方法是最為徹底的處理方法之一，這是由于焚燒能夠使污泥中所含有的有機物全部碳化并完全燃燒，完全處理掉其中的致病微生物，且污泥焚燒的處理速度快，不需要長期儲存；同時，污泥的焚燒還具有運輸距離短、減容效果明顯等特點。
現(xiàn)階段有很多學者利用熱重分析對污泥的各種物化性質展開了研究。FONT R等人利用熱重分析研究了幾種不同污泥的熱重與熱解特性，得出不同種類的污泥由于其產地以及生產方式的不同，物化性質以及熱重特性有著非常大的差別，不能單純的采用與煤粉相同的分析方法對不同種類的污泥進行分析。OTERO M等人通過研究干燥污泥與煤粉不同的摻混情況，得到在不同的摻混比下污泥與煤粉混合物的熱解與燃燒特性。NADZIA-KIEWICZ J通過熱重分析，研究污泥與煤粉混樣混合并進行摻燒的情況，得出污泥中所含有的物質會對摻燒情況造成非常巨大的影響。在實際摻燒過程中，火力發(fā)電廠需要對污泥的摻燒比以及其含有的物質進行嚴格的控制。
本文基于上述研究，采用摻燒含水率小于60%的污泥，且摻燒比例分別為0%、5%、10%、15%的方式進行試驗，研究此方式對150 MW燃煤鍋爐實際運行情況和污染物排放情況的影響并進行分析。
1 概述
1.1 城市污泥特性
某城市的污泥化驗結果如表1所示。
表1 某城市污泥化驗結果
1.2 引風機及給煤機技術規(guī)范
引風機及給煤機的相關技術規(guī)范如表2、表3和表4所示。
表2 引風機設備規(guī)范
2 試驗分析
本次試驗由某煤矸石熱電有限責任公司擬協(xié)同政府環(huán)保部門，利用現(xiàn)有的4臺循環(huán)流化床鍋爐，焚燒來自于阜新、沈陽等污水廠氧化溝排出的經過濃縮、投加PAM后壓濾形成的預脫水干化污泥，污泥含水率低于60%。利用鍋爐一次熱風在磨煤機中將燃料進行加熱烘干后，再磨成煤粉，送入鍋爐燃燒。試驗分為無污泥摻燒、5%污泥摻燒、10%污泥摻燒等3種比例摻燒，對鍋爐燃燒穩(wěn)定性、飛灰和爐渣含碳量及污染物排放情況等指標進行分析。
2.1 對引風機及給煤機出力的影響
引風機額定功率是2500 kW，引風機功率增加6%。若引風機余量可以滿足增加6%的要求，則不需增容改造；反之，需進行引風機增容改造。試驗結果如表1所示。
含水率60%的污泥是板塊壓濾機出口產品，平均分配到6臺給煤機中，則每臺給煤機出力增加6.75 t/h。給煤機額定功率是3 kW，功率增加16%，若給煤機余量可以滿足增加16%的要求則不需增容改造；反之，需進行給煤機增容改造。
根據對某公司引風機及給煤機設備的設計參數(shù)校核及實際運行情況分析，以上設備的設計余量均能滿足污泥摻燒的要求。
2.2 對燃燒系統(tǒng)的影響
根據物料平衡，當摻燒含水率為60%的污泥且摻燒比例達到15%以上時，各項參數(shù)的計算結果如表5所示。
表5 物料及熱平衡計算
與燃煤相比，含水率60%的污泥熱值較低，含水量大，摻入鍋爐燃燒時會對鍋爐的燃燒系統(tǒng)產生影響，主要表現(xiàn)在對燃燒穩(wěn)定性和鍋爐效率方面的影響。
2.2.1 對燃燒穩(wěn)定性的影響
根據已有的同類項目試驗研究結果，當摻燒比例較小時，對爐內的燃燒情況進行觀察可發(fā)現(xiàn)，火焰均很明亮，燃燒穩(wěn)定，且差別不大；同時，混煤的燃料燃盡特性較好，其燃盡特性幾乎沒有改變；當鍋爐負荷不變時，爐膛溫度分布的曲線變化隨著摻燒污泥的比例逐漸升高。因此，摻燒比例盡量控制在一定范圍內。
燃用設計煤種時，額定負荷下鍋爐燃煤量為115 t/h，燃煤低位發(fā)熱量為12.16 MJ/kg。根據工藝設計結果，當摻燒含水率60%的濕污泥且摻燒比例達15%時，摻燒污泥量為17.25 t/h，每小時補充熱量折算成標煤為337.45 kg/h。因此，摻燒污泥對密相區(qū)床溫影響不大，主要是爐膛出口的煙氣量增加，繼而攜帶的熱量增加，鍋爐效率降低。從熱值、水分、灰分或者硫份方面分析，摻燒后的物料在實際燃燒的燃料變化范圍以內，不會對鍋爐的穩(wěn)定燃燒產生影響。
2.2.2 對鍋爐效率的影響
根據設計煤質數(shù)據，全水分Mar為10.7%，收到基灰分Aar為45%。污泥的水分高達60%，所以當摻燒的污泥送入爐膛燃燒時，相當于增加了原煤的水分，排煙損失增大。絕干污泥的灰分與燃煤灰分相當，根據污水處理廠的污泥檢驗結果，灰分含量約為17%～33%。當摻燒17.25 t/h的濕污泥時，總灰分含量提高了3.55%～6.89%。初步估算，鍋爐效率會因此降低0.1%～0.2%。
摻燒污泥后，水分對鍋爐效率產生主要影響。經過估算，摻燒污泥相當于每小時多摻燒水10.35 t。如果燃用實際煤種并摻燒污泥，滿負荷時相當于燃煤水分升高了約9%，增加吸熱量9890443 kJ/h，會對鍋爐效率產生一定影響。同時，污泥本身有一定的發(fā)熱量，摻燒17.25 t/h含水率為60%的污泥，也可以放出熱量。初步估算，鍋爐效率會因此降低0.2%～0.5%。
2.3 對粉煤灰綜合利用的影響
污泥焚燒所產生的焚燒灰具有較好的吸水性和凝固性，與粉煤灰的性質相差不大，國外也有將污泥燃燒產物作為水泥原料進行利用的應用實例。此外，摻燒污泥的比例不大，污泥燃燒后的灰在總灰量中占的比例很小，對粉煤灰的特性基本沒有影響。因此，摻燒城市污泥對粉煤灰的綜合利用影響不大。
考慮到污泥中含有較多的金屬物質，不同性質的污泥中的重金屬含量相差很遠。污泥中的重金屬主要有Cu、Cd、Cr、Mn、Pb、Hg和Zn等。污泥中的重金屬主要以氧化物、氫氧化物、硅酸鹽和有機絡合物等形式存在，其次為硫化物。污泥摻入鍋爐燃煤中燃燒后，除Hg外，絕大部分重金屬保留在焚燒殘渣中。因此，必須對摻燒后的飛灰進行檢驗，觀察重金屬含量是否超標。
表6是中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司對錫林浩特褐煤與城市生活污泥按75:25的摻燒比例進行試燒試驗后，飛灰和底渣中主要重金屬微量元素含量分析的結果。
由表6可以看出，摻燒污泥后，飛灰和底渣中重金屬微量元素的含量均低于《農用粉煤灰中污染物控制標準》（GB 8173-1987）和《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）中規(guī)定的重金屬元素排放限值。
根據已投產項目運行經驗，由于摻燒量較大，當污泥和燃煤混合較好時，給煤系統(tǒng)不會出現(xiàn)堵煤現(xiàn)象；若混合不好，則給煤系統(tǒng)可能出現(xiàn)堵煤現(xiàn)象，需在運行中避免該現(xiàn)象的發(fā)生。根據華能萊蕪電廠的介紹，灰渣的正常銷售沒有因為摻燒污泥受到影響。
2.4 對煙氣排放的影響
煙氣排放物會隨污泥摻混量的變化而變化。隨著摻入污泥比例的增加，SO2、NOx、HCl和HF的排放濃度均有所增加。一般來說，HCl和HF的排放濃度都較低，不會對煙氣的排放指標產生影響。
表7是某清潔能源技術研究院有限公司對錫林浩特褐煤與城市生活污泥按75:25摻燒比例進行試燒試驗后，煙氣中二噁英含量分析的結果。
由表7可以看出，摻燒污泥后，煙氣中二噁英的含量均低于《生活垃圾焚燒污染控制標準》和《危險廢物焚燒污染控制標準》中規(guī)定的重金屬元素排放限值。
根據已投產項目運行經驗，摻燒污泥后不會對電廠脫硫、脫硝和除塵設備的運行產生影響。經過900℃左右的高溫燃燒，二噁英大部分已經分解，煙氣中二噁英的含量可以滿足國家排放要求。
某300 MW燃煤電廠摻燒干化污泥后，上海城市建設設計研究總院對其產生的煙氣和飛灰中的重金屬及二噁英含量進行了測量，結果如表8和表9所示。
在摻燒10%污泥后的飛灰中，二惡英的濃度略有增加，從12.13 ng/kg增至16.0 ng/kg，但遠遠低于國家控制標準，摻燒后所產生的影響很小。
3 結論
1）從電廠運行角度來看，通過試驗可以得出150 MW鍋爐摻燒含水率為60%的城市污泥且摻燒比例達到15%時，對鍋爐的經濟性會有較小的影響。通過調整鍋爐和輸煤系統(tǒng)的運行方式，不會對鍋爐運行的穩(wěn)定性、設備的安全性和環(huán)保參數(shù)造成影響。燃燒生成SO2和NOx的濃度呈現(xiàn)先略微上升后下降的趨勢，變化幅度較小，生成HF和HCl的濃度未發(fā)生明顯變化，生成的二噁英濃度有所增加，經過廢氣處理設施處理后，其排放均符合相關標準。
2）利用好城市污泥摻燒，可以為社會提供后勤保障服務，也改善和加強了服務區(qū)范圍以及處理生活垃圾的水平和能力，改善了城市的整體環(huán)境質量，提升了城市形象，促進經濟進一步繁榮。
3）從環(huán)境影響經濟損益角度分析，污泥摻燒工程每小時節(jié)約煤量為40.41 t，每年節(jié)約原煤量為222261 t，每年節(jié)約燃料費用約4511萬元。因此，企業(yè)對污染源的治理有較好的環(huán)境效益和經濟效益。
作者簡介： 隋尹（1982-），男，遼寧北鎮(zhèn)人，工程師。
原標題:150 MW鍋爐城市污泥摻燒性能試驗研究
