曾 多1，于常春

(1.華能重慶珞璜發(fā)電有限責(zé)任公司，重慶 402283；2.華能重慶分公司，重慶 400000)

近年來，隨著我國(guó)污水處理能力的快速提高，污泥量也同步大幅增加。截至2016年9月底，全國(guó)設(shè)市城市、縣累計(jì)建成污水處理廠3 976座，污水處理能力達(dá)1.7億m3/日，年產(chǎn)生含水量80%的污泥超4 000萬t，污泥年產(chǎn)生量不斷增加，預(yù)計(jì)2020年將突破6 000萬t。污泥中含有大量的病原菌、寄生蟲、致病微生物以及砷、銅、鉻、汞等重金屬和有毒有害物質(zhì)，而且污泥含水率高、體積大，給堆放和運(yùn)輸帶來困難。如果處理不當(dāng)或不規(guī)范處理，如隨意棄置、農(nóng)地濫用等，將對(duì)生態(tài)環(huán)境造成巨大危害。目前我國(guó)31.03%的污泥處置方法為土地填埋，不僅占用土地資源，且容易對(duì)土壤和地下水造成二次污染；3.45%的污泥與垃圾混合填埋，這些污泥實(shí)際上屬于填埋范疇；44.83%的污泥為農(nóng)業(yè)利用；僅有3.45%的污泥進(jìn)行焚燒處理[1]。

污泥中含有30%～40%的有機(jī)生物質(zhì)，具有可燃性，所以污泥既被視為廢棄物，又被視為一種生物質(zhì)資源。借助現(xiàn)役燃煤電廠系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電，既可實(shí)現(xiàn)煤電燃料靈活性，提升非化石能源消費(fèi)比重和化石能源替代比例，又可發(fā)揮清潔高效煤電污染物集中治理的平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，推進(jìn)大氣、水和土壤污染防治，具有重要意義。

某電廠擁有4×360 MW和2×600 MW燃煤發(fā)電機(jī)組，均采用“W”火焰鍋爐，總裝機(jī)容量2 640 MW，目前6臺(tái)機(jī)組已全部完成超低排放改造，煙氣中氮氧化物、二氧化硫、煙塵排放濃度分別不高于50 mg/m3、35 mg/m3、10 mg/m3。為解決重慶地區(qū)污泥處置缺口，保護(hù)三峽水庫水質(zhì)，該電廠計(jì)劃建設(shè)日處理80%含水率濕污泥1 800 t的燃煤耦合污泥發(fā)電項(xiàng)目，利用電廠余熱蒸汽作為熱源，將80%含水率的濕污泥干化成30%含水率的干化污泥，送入鍋爐焚燒發(fā)電，實(shí)現(xiàn)污泥資源化利用和無害化處置。

1 重慶地區(qū)污泥資源及處置能力

1.1 污泥資源總量

重慶市主城區(qū)2015年計(jì)有18座污水廠，總規(guī)模177萬t/日，年處理水量61 912萬t，日產(chǎn)含水率80%的污泥995 t，平均產(chǎn)泥率為5.9 t/萬t水[2]。主城區(qū)2016年計(jì)有20座污水廠運(yùn)行(新增蔡家污水廠，納入九曲河污水廠)，總規(guī)模188萬t/日，年處理污水66 268萬t，日產(chǎn)含水率80%的污泥1 067 t。規(guī)劃至2020年主城區(qū)污水處理規(guī)模總計(jì)346.7萬t/日，日產(chǎn)含水率80%的污泥2 031 t[3]。

1.2 污泥處置能力

目前，重慶地區(qū)污泥處置主要以填埋、水泥窯協(xié)同焚燒和污泥制園林營(yíng)養(yǎng)土資源化利用為主，隨著污泥量逐年增大以及取締填埋處置方式和水泥窯陸續(xù)關(guān)停，重慶地區(qū)污泥處置存在較大的缺口。主城區(qū)污泥處置缺口預(yù)測(cè)表見表1。

表1 重慶市主城區(qū)污泥處置缺口預(yù)測(cè)表 t/天

根據(jù)以上分析，主城區(qū)污泥處置能力在2018 年存在約700 t/日的能力缺口，2020年存在約1 000 t/日的能力缺口，亟待解決。由此可見，利用主城區(qū)附近的燃煤電廠進(jìn)行污泥協(xié)同處置刻不容緩。

2 燃煤耦合污泥發(fā)電技術(shù)路線

2.1 污泥發(fā)電技術(shù)路線比較

燃煤耦合污泥發(fā)電技術(shù)可分為濕污泥直接混燒發(fā)電和污泥干化耦合發(fā)電技術(shù)[4]。

技術(shù)路線1：濕污泥直接混燒發(fā)電。濕污泥直接混燒發(fā)電是將濕污泥直接送入電廠鍋爐與煤混燒，釋放出熱量，產(chǎn)生蒸汽用于汽輪機(jī)組發(fā)電。主要設(shè)備包括濕污泥儲(chǔ)存?zhèn)}、液壓輸送設(shè)備等，濕污泥含水率約為80%,體積較大，熱值較低，燃燒組織困難，主要適用于循環(huán)流化床鍋爐和回轉(zhuǎn)窯等。

技術(shù)路線2：污泥干化耦合發(fā)電。污泥干化耦合發(fā)電是將濕污泥經(jīng)干化后再送入電廠鍋爐與煤混燒，釋放出熱量，產(chǎn)生蒸汽用于汽輪機(jī)組發(fā)電。污泥干化耦合發(fā)電工藝可采用鍋爐煙氣直接加熱污泥或利用汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽間接加熱污泥，將濕污泥干化為干污泥,主要設(shè)備包括污泥干化裝置、儲(chǔ)存?zhèn)}等，干化污泥含水率為20%～40%，體積相對(duì)較小，熱值相對(duì)較高，在摻燒比例較小的情況下適用于絕大部分鍋爐。

以上兩種污泥發(fā)電技術(shù)的比較如表2所示。

表2 燃煤耦合污泥發(fā)電技術(shù)路線比較

綜上所述，采用飽和蒸汽間接加熱方式的污泥干化耦合發(fā)電技術(shù)雖然造價(jià)略高，但可徹底解決污染物排放問題，對(duì)鍋爐型式適用范圍廣，對(duì)原鍋爐系統(tǒng)改動(dòng)較小，對(duì)鍋爐燃燒幾乎無影響，建議采用該技術(shù)路線。

2.2 污泥干化耦合發(fā)電技術(shù)方案

由于污泥干化過程產(chǎn)生的臭氣需電廠協(xié)同處置，且從降低成本的角度考慮，蒸汽、循環(huán)水、電源等均可從電廠就近引入，因此本項(xiàng)目選址位于電廠內(nèi)或電廠附近。具體方案：濕污泥運(yùn)輸車輛將濕污泥從污水處理廠運(yùn)輸至本項(xiàng)目濕污泥倉(cāng)存儲(chǔ)，通過污泥泵送至干化車間，利用電廠余熱蒸汽作為熱源，將80%含水率的濕污泥通過圓盤干化機(jī)干化成30%含水率的干化污泥，污泥干化產(chǎn)生的尾氣由引風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓抽吸至旋風(fēng)分離器中除去大部分固體顆粒，再進(jìn)入冷凝器與冷卻水換熱，殘余的不凝結(jié)氣體經(jīng)引風(fēng)機(jī)送入鍋爐焚燒處理。干化后的污泥經(jīng)全封閉的輸送帶輸送至煤場(chǎng)的干污泥存儲(chǔ)倉(cāng)儲(chǔ)存，在上煤時(shí)與煤混合進(jìn)入鍋爐磨煤機(jī)。污泥存儲(chǔ)倉(cāng)和干化污泥輸送帶需采用負(fù)壓系統(tǒng)以保證臭氣不外泄，此部分臭氣經(jīng)風(fēng)機(jī)送入鍋爐進(jìn)行焚燒處理。該技術(shù)方案示意圖見圖1。

本項(xiàng)目配套的蒸汽、循環(huán)水、電源及臭氣處理設(shè)施如下：污泥干化所需蒸汽參數(shù)較低(0.5 MPa，160 ℃)，擬設(shè)置1臺(tái)2 MW背壓發(fā)電機(jī)組將熱源與用戶之間的巨大壓差加以有效利用,可從機(jī)組冷再抽汽經(jīng)小汽輪機(jī)發(fā)電做功后再供至污泥干化車間；圓盤干化機(jī)所需循環(huán)水可就近從電廠循泵出口取水，回水至涼水塔；電力供應(yīng)一路由抽汽帶動(dòng)的小汽輪發(fā)電機(jī)提供，另一路從電廠6 kV母線A/B段引出，滿足兩路電源要求；污泥干化過程產(chǎn)生的廢水引入電廠廢水處理系統(tǒng)處理后達(dá)標(biāo)排放，污泥干化機(jī)尾氣冷凝產(chǎn)生的高濃度廢氣和運(yùn)輸儲(chǔ)運(yùn)過程中的廢氣，通過負(fù)壓抽吸系統(tǒng)送至鍋爐送風(fēng)機(jī)入口，再送入鍋爐高溫焚燒處理。

圖1 飽和蒸汽間接加熱污泥干化耦合發(fā)電技術(shù)方案示意圖

3 摻燒污泥對(duì)機(jī)組的影響

3.1 對(duì)鍋爐煤耗的影響

根據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)，燃煤熱值每降低0.42 MJ/kg(100 kcal/kg)，對(duì)于1 000 MW等級(jí)機(jī)組，鍋爐熱效率降低約0.1%，供電煤耗增加約0.33 g/(kW·h)；600 MW等級(jí)機(jī)組鍋爐熱效率降低0.1%～0.18%，供電煤耗增加0.55～0.58 g/(kW·h)；300 MW等級(jí)機(jī)組鍋爐熱效率降低0.16%～0.20%，供電煤耗增加0.6～0.79 g/(kW·h)。不同摻混比例后的入爐煤煤質(zhì)如表3所示。

從表3中的計(jì)算結(jié)果可以看出，摻燒5%質(zhì)量比的污泥后，混煤熱發(fā)熱量從21 250 kJ/kg降低至20 591 kJ/kg，降低了659 kJ/kg，以300 MW等級(jí)機(jī)組燃料熱值每降低0.42 MJ/kg增加供電煤耗0.695 g/(kW·h)計(jì)算，約影響供電煤耗1.09 g/(kW·h)；摻燒10%質(zhì)量比的污泥后，混煤熱發(fā)熱量從21 250 kJ/kg降低至19 932 kJ/kg，降低了1 318 kJ/kg，以300 MW等級(jí)機(jī)組燃料熱值每降低0.42 MJ/kg增加供電煤耗0.695 g/(kW·h)計(jì)算，約影響供電煤耗2.18 g/(kW·h)。

1 800 t 80%含水率的濕污泥干化成30%含水率的干污泥后質(zhì)量為513 t，按平均摻燒到2臺(tái)360 MW機(jī)組計(jì)，摻燒比例約5%，以機(jī)組年利用3 000 h計(jì)，因摻燒污泥增加的煤耗為2×360×103×3 000×1.09÷106=2 288 t。

表3 不同摻混比例后的入爐煤煤質(zhì)

表3 (續(xù))

從計(jì)算結(jié)果可以看出，雖然增加污泥摻燒量降低了燃料成本，但帶來的煤耗影響量卻不容忽視，需要綜合運(yùn)行成本及污泥摻燒收益統(tǒng)籌考慮。

3.2 對(duì)鍋爐結(jié)焦結(jié)渣的影響

污泥中含有30%～40%的有機(jī)生物質(zhì)，具有可燃性，因此干化后其非揮發(fā)分較高，與煤相比在鍋爐中更易燃燒，且污泥中堿金屬含量極低，因此不會(huì)加劇鍋爐的結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)。建議定期做好對(duì)摻混污泥后的混煤灰熔點(diǎn)檢測(cè)，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整鍋爐吹灰方式和頻率。

此外，從表3可以看出，摻燒5%～10%污泥時(shí)，混煤的灰分與原煤相比僅變化0.6%～1.2%，對(duì)鍋爐結(jié)渣的影響可忽略不計(jì)。

3.3 對(duì)機(jī)組二噁英排放的影響

二噁英是一種無色無味、毒性嚴(yán)重的脂溶性物質(zhì)，易于在生物體內(nèi)累積，一旦進(jìn)入人體，對(duì)人身的毒害特別嚴(yán)重。所以在摻燒污泥的過程中，必須考慮可能產(chǎn)生二噁英而帶來的危害。本項(xiàng)目二噁英按照“3T+E”原則進(jìn)行控制，可有效防止二噁英的生成。

燃燒溫度(T)：含氯污泥燃燒不完全極易產(chǎn)生二噁英，而二噁英在705 ℃開始分解，800 ℃時(shí)2 s完全分解，本項(xiàng)目依托機(jī)組采用“W”火焰鍋爐，爐膛溫度1400 ℃以上，二噁英已完全分解。

停留時(shí)間(T)：“W”火焰鍋爐設(shè)計(jì)中煤粉著火后向下自由伸展，在距離一次噴口數(shù)米處才起頭轉(zhuǎn)彎向上流動(dòng)?；鹧嫘谐涕L(zhǎng)，爐內(nèi)充滿度好，延長(zhǎng)了煤粉在爐內(nèi)的停留時(shí)間，尤其是顆粒較大的煤粉,煤粉顆粒的停留時(shí)間可達(dá)3～4 s。

湍流程度(T)：本項(xiàng)目依托機(jī)組已進(jìn)行低氮燃燒器改造，采用旋流燃燒器，增加著火區(qū)內(nèi)的高溫?zé)煔饣亓髁?，同時(shí)OFA燃盡風(fēng)噴口可做上下30°擺動(dòng)。燃燒器及OFA噴口有力保證了爐膛內(nèi)較為強(qiáng)烈的湍流度。

過量空氣量(E)：本項(xiàng)目依托機(jī)組設(shè)計(jì)燃用無煙煤，過量空氣系數(shù)較燃用煙煤的機(jī)組高，1.2～1.3，在65%負(fù)荷率時(shí)，運(yùn)行氧量4%～5%，隨著機(jī)組負(fù)荷降低，為了保證爐膛內(nèi)正常空氣動(dòng)力場(chǎng)，運(yùn)行氧量會(huì)進(jìn)一步提高。

3.4 對(duì)機(jī)組重金屬排放的影響

污泥中的重金屬主要有8種：Cu、Ni、Cd、Cr、Mn、Pb、As、Hg。其中80%以上的Cu、Pb和60%以上的Cd、Cr是以有機(jī)態(tài)和硫化物的形式存在。某電廠計(jì)劃采用的污泥來自城鎮(zhèn)污水處理廠的生活污水，而非工業(yè)污水，因此重金屬含量較低，電廠以唐家沱污水處理廠的干化污泥與原煤按照5%和10%的摻混比例混合后取樣進(jìn)行了重金屬檢測(cè)。結(jié)果見表4。

表4 不同摻燒比例下的混煤重金屬元素含量 (μg/g)

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，由于污泥的摻入量較小，因此摻混后混煤中的重金屬元素含量也較低。如摻混比例10%時(shí)As(砷)的含量為39.2 μg/g，Hg的含量為0.3 μg/g，遠(yuǎn)低于GB/T 20475—2012中規(guī)定的動(dòng)力用煤中As含量不宜超過80 μg/g，Hg(汞)不超過0.6 μg/g的標(biāo)準(zhǔn)。因此，從摻混的角度來看，摻燒10%的干化污泥對(duì)機(jī)組的重金屬達(dá)標(biāo)排放和灰渣利用沒有影響。

4 效益分析

本項(xiàng)目符合能源產(chǎn)業(yè)相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，環(huán)境效益和社會(huì)效益明顯。初步測(cè)算，項(xiàng)目投產(chǎn)后，每年可處置濕污泥60萬t，增加電廠供熱約48萬t，干污泥作為燃料折合標(biāo)煤4.68萬t，扣除因摻燒污泥鍋爐效率降低而增加的煤耗2 355 t，折合節(jié)約標(biāo)煤4.44萬t，減排溫室效應(yīng)氣體二氧化碳約15萬t，替代燃煤減排二氧化硫約3 300 t(污染物直排情況下)。此外，污泥焚燒后產(chǎn)生的灰渣體積只有機(jī)械脫水污泥的10%左右,其減容率達(dá)到了90%以上；污泥高溫焚燒不僅可將污泥中的有害物質(zhì)(如難降解有機(jī)物、重金屬等)、病原菌及寄生蟲卵等徹底和有效地消除，排出的殘?jiān)鼰o害并可與鍋爐灰渣同時(shí)治理、回收和利用，產(chǎn)生的氣體無臭、無毒；在焚燒過程中能量的回收利用，也最大限度地達(dá)到了污泥資源化，使得污泥變廢為寶，實(shí)現(xiàn)污泥減量化、無害化、資源化和規(guī)?；幹?。

5 結(jié)語

開展燃煤耦合污泥發(fā)電項(xiàng)目，依托現(xiàn)役煤電高效發(fā)電系統(tǒng)和污染物集中治理設(shè)施，構(gòu)筑城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)保平臺(tái)，兜底消納污水處理廠、水體污泥等生物質(zhì)資源，解決污泥處置缺口，破解污泥垃圾圍城的社會(huì)治理難題，促進(jìn)煤電的低碳清潔發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。建議采用飽和蒸汽作為干燥熱源的污泥干化耦合發(fā)電技術(shù)路線，可充分挖掘燃煤機(jī)組蒸汽熱力利用潛力，污泥全程密閉、干化焚燒，干化產(chǎn)生的水蒸氣進(jìn)行冷凝回收再利用，惡臭污染物通過負(fù)壓系統(tǒng)送入鍋爐進(jìn)行高溫分解，有效防止全過程惡臭污染物外泄，實(shí)現(xiàn)污泥減量化、無害化、資源化和規(guī)?；幹?，具有良好的推廣應(yīng)用前景。