孫 宇，龍慎偉2，馬同勝2，王元海2，李云罡，王永征

(1.山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.山東豐源通達(dá)電力有限公司，棗莊 277300)

0 引 言

污泥是一種水分含量高、呈流動(dòng)狀態(tài)的黑褐色物質(zhì)。污泥中的有機(jī)物和氮、磷、鉀等微量元素具有一定的利用價(jià)值，但同時(shí)也存在重金屬元素和有毒有害的有機(jī)污染物。來(lái)自污水處理廠的污泥需要經(jīng)過(guò)一定的處理措施，以實(shí)現(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化。目前常見(jiàn)的污泥處理處置方法有熱化學(xué)處理、衛(wèi)生填埋、土地和建材利用等。其中熱化學(xué)處理包括焚燒、氣化、高溫?zé)峤獾取?/p>

污泥焚燒是指污泥中可燃性物質(zhì)通過(guò)燃燒反應(yīng)分解減容，去除有害物質(zhì)并回收能量的過(guò)程。相比其他方法，污泥焚燒法速度快，可以最大化實(shí)現(xiàn)污泥減容，減容率高達(dá)95%；污泥焚燒過(guò)程可以殺滅病菌，碳化全部有機(jī)物，消除臭味；污泥中的有機(jī)質(zhì)具有一定的熱值，焚燒還能夠回收能量，用于污泥干化或發(fā)電供熱等，實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用。因此焚燒法是最具發(fā)展前景的污泥處置方法。

污泥熱值較低，因此在焚燒過(guò)程中燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定，能量消耗比較大，并且污泥焚燒廠的建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用高，引進(jìn)的設(shè)備一次性投資較大，同時(shí)污染物處理也比較復(fù)雜。如果將污泥與煤混合燃燒，則可以利用已有的燃煤鍋爐設(shè)備和污染物處理設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)改造[1]，相比新建獨(dú)立的污泥焚燒廠具有明顯的優(yōu)勢(shì)。污泥混煤燃燒的主要優(yōu)勢(shì)有：

(1)投資成本低、建設(shè)周期短。污泥焚燒爐及污染物凈化裝置等設(shè)備價(jià)格較高，若利用現(xiàn)有的燃煤鍋爐改造后進(jìn)行污泥摻燒，建設(shè)周期比新建獨(dú)立的污泥焚燒處理廠要短得多。

(2)運(yùn)行成本低。污水污泥含水率高，體積大，且污水處理廠的地理位置較為分散，由單獨(dú)的污泥焚燒廠集中焚燒，運(yùn)輸成本會(huì)很高。如果利用已有的燃煤電廠就近焚燒污泥，將大大減少運(yùn)輸成本。污泥含水率高、熱值低，必須吸收大量的熱能后才能燃燒，與煤摻混后燃燒可以減少這部分成本，不僅解決了城市污泥的處理問(wèn)題，而且同時(shí)還利用了污泥的熱值進(jìn)行發(fā)電或供熱，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)提高污泥燃燒穩(wěn)定性、減少污染物排放。污泥與煤混合燃燒時(shí)，混合燃料的熱值較高，因此提高了燃燒過(guò)程的穩(wěn)定性。另外，污泥中的堿性成分可以抑制煤燃燒過(guò)程中氮氧化物、硫氧化物等氣體污染物的排放，從而減輕了環(huán)境污染。

1 污泥混煤燃燒工藝

污泥與煤混合燃燒，可以充分利用現(xiàn)有的鍋爐設(shè)備，降低投資和運(yùn)行成本，還可用于供熱或發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了污泥資源化利用。根據(jù)摻燒鍋爐的不同可以分為煤粉鍋爐摻燒污泥和流化床鍋爐摻燒污泥。當(dāng)前，利用循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行污泥與煤混燒已逐漸成為常見(jiàn)的污泥處置措施。根據(jù)摻燒污泥的含水量可分為濕污泥直接混燒和污泥干化混燒兩種方式。

1.1 濕污泥混燒工藝

濕污泥混燒的典型工藝流程如圖1所示。含水率為80%左右的污泥存儲(chǔ)在污泥倉(cāng)內(nèi)，燃燒時(shí)直接進(jìn)入爐膛，迅速與大量熾熱床料混合后干燥燃燒。通常爐膛內(nèi)溫度保持在850℃左右，燃燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過(guò)脫硫脫硝和除塵設(shè)備凈化后，由煙囪排出。通常濕污泥的摻燒比大約在20%～25%之間。

由于濕污泥含水率越高，熱損失大，鍋爐熱效率降低，且濕污泥對(duì)鍋爐設(shè)備的腐蝕和磨損問(wèn)題較為嚴(yán)重，因此濕污泥直接混燒方式目前已不再使用。

1.2 干化污泥混燒工藝

目前摻燒污泥大多采用污泥干化后與煤混燒的方式，如圖2所示。干化污泥混燒工藝是在原有的循環(huán)流化床燃煤鍋爐的基礎(chǔ)上增加了污泥脫水干化處理單元，將污水處理廠的脫水濕污泥在干燥器內(nèi)干化，干化后的污泥顆粒與煤混合，一同送入循環(huán)流化床鍋爐燃燒。濕污泥含水率約為80%，而干化后的污泥含水率可降至20%～40%，大大緩解了濕污泥直接混燒存在的問(wèn)題。

干化污泥混煤燃燒系統(tǒng)與濕污泥直接混燒系統(tǒng)相比，需要增加污泥干化與存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)設(shè)備[2]。處置干化污泥主要系統(tǒng)組成包括：濕污泥儲(chǔ)存與輸送系統(tǒng)、污泥干化系統(tǒng)、干化后廢煙氣凈化系統(tǒng)、干污泥儲(chǔ)存與輸送系統(tǒng)、臭氣收集系統(tǒng)等。

2 污泥干化技術(shù)

污水處理廠的機(jī)械脫水最多只能將污泥的含水率降低至70%左右。并且在實(shí)際運(yùn)行中，污泥的水分最終會(huì)以蒸汽的形式排出，帶走了燃料中的大量熱量，因此進(jìn)入爐內(nèi)燃燒的污泥水分越多，能量損失也越多?？紤]到能量損失和運(yùn)行費(fèi)用等因素，在污泥與煤摻混燃燒前，不僅需要對(duì)污泥進(jìn)行機(jī)械脫水，還需要干化處理。

2.1 干化原理

在循環(huán)流化床燃煤鍋爐系統(tǒng)中，一般利用燃燒的余熱對(duì)污泥進(jìn)行干化，可利用燃燒排放的高溫?zé)煔庾鳛楦苫療嵩?，也可以利用汽輪機(jī)高溫蒸汽或冷凝水作為干化熱源。污泥干化方式依據(jù)傳熱介質(zhì)是否與污泥接觸，分為直接干化和間接干化兩種方式[3]。

直接干化方式是將高溫?zé)煔庵苯右敫苫O(shè)備，煙氣與濕污泥接觸進(jìn)行對(duì)流換熱。這種方式的熱效率和蒸發(fā)速率較高，可使污泥的含水率降至20%以下。但是由于煙氣和污泥直接接觸，廢氣需要經(jīng)過(guò)污染物處理才能排放，因此工藝流程較為復(fù)雜。直接干化的典型工藝有帶式干化工藝、轉(zhuǎn)鼓干化工藝、離心干化工藝和流化床干化工藝等。

間接干化方式是將蒸汽或煙氣的熱量通過(guò)換熱設(shè)備傳給其他熱介質(zhì)，熱介質(zhì)在封閉的回路中循環(huán)，不與濕污泥直接接觸。間接干化方式的熱效率和蒸發(fā)速率均不如直接干化方式，但熱介質(zhì)可循環(huán)利用，需要處理的煙氣量小，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，環(huán)保性更好。間接干化技術(shù)包括薄層干化工藝和間接加熱盤式干化工藝。

2.2 干化方式

2.2.1 熱水干化法

熱水干化法利用高溫冷凝水的熱量，通過(guò)干燥機(jī)進(jìn)行熱交換來(lái)干燥濕污泥。一般屬于間接干化方式，對(duì)換熱設(shè)備的要求較高。熱電廠的蒸汽動(dòng)力裝置會(huì)產(chǎn)生冷凝水或高溫冷卻水等副產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)就地取材，循環(huán)利用，是非常理想的干化熱源。熱水干化法的典型工藝流程如圖3所示。

2.2.2 蒸汽干化法

蒸汽干化法利用高溫蒸汽的熱能干化污泥[4]，也是一種間接干化方式，如圖4所示。熱電廠蒸汽使用廣泛、容易獲得，一般使用1.0 MPa、160～230 ℃左右的低壓蒸汽作為污泥干化熱源。蒸汽熱源可以就地取材，循環(huán)利用，并且具有干化效率高、操作彈性大、易于控制、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因此目前應(yīng)用廣泛。

2.2.3 煙氣余熱干化法

燃煤鍋爐排煙溫度一般在120～200 ℃左右，也可以做為污泥干化的理想熱源。煙氣余熱干化法有直接干化和間接干化兩種形式。為保證污泥顆粒的形成，一般采用二段式干化工藝[5-6]，如圖5所示。一段干化后，污泥含水率降至60%左右，二段干化造粒使含水率進(jìn)一步降低，形成直徑約為2～8 mm污泥顆粒便于儲(chǔ)存與運(yùn)輸。

2.2.4 太陽(yáng)能污泥干化法

太陽(yáng)能污泥干化法指的是利用太陽(yáng)能做為干化熱源的一種新型污泥干化技術(shù)[7]。這種技術(shù)借鑒了傳統(tǒng)溫室干燥工藝，具有干化溫度低、成本低、工藝流程簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。太陽(yáng)能干化工藝是在一個(gè)裝有翻泥機(jī)的大型暖房中進(jìn)行，濕污泥從一端輸入，干污泥從另一端輸出。有的太陽(yáng)能干化系統(tǒng)還配備熱風(fēng)機(jī)以加速水分蒸發(fā)。在太陽(yáng)能資源豐富、土地面積充足的條件下太陽(yáng)能干化法最為經(jīng)濟(jì)。

3 污泥混煤燃燒特性

污泥混煤燃燒特性與所添加污泥的數(shù)量及污泥的性質(zhì)有關(guān)，污泥的含水率越高，其熱值越低。由表1可見(jiàn)，摻燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的污泥時(shí)，燃料的含碳量降低，因此燃料的整體熱值略有下降[8]；氯元素的含量變化明顯，摻燒污泥前前煤中氯的含量很低，添加污泥后，氯的含量由0.06%增加到0.15%，增加了循環(huán)流化床鍋爐的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；燃料的含氮量也有所增加，可能造成氮氧化物污染物排放量的增加。

表1 煤粉與質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%污泥混燒的燃料成分分析

在污泥摻混比例小于10%時(shí)，混合燃料的燃燒特性與煤幾乎相同[9]，當(dāng)摻混比例達(dá)到50%時(shí)，反應(yīng)過(guò)程出現(xiàn)兩個(gè)明顯的階段，在低溫時(shí)反應(yīng)特性接近于污泥，高溫時(shí)接近于煤[10]?；鞜c煤?jiǎn)为?dú)燃燒相比，活化能提高，著火溫度降低。在混合燃燒過(guò)程中，煤和污泥基本上保持了各自的揮發(fā)析出特性。

污泥的著火點(diǎn)低于煤，隨著污泥摻燒比例的增加，混合燃料的著火溫度逐漸降低，這是因?yàn)槲勰嘀泻写罅繐]發(fā)分降低了著火點(diǎn)[11]。在燃盡特性方面，污泥與煤混合燃燒時(shí)燃盡溫度略低于煤，燃盡時(shí)間縮短，這是由于混合燃料的揮發(fā)分含量升高，燃燒初期由于揮發(fā)分的大量燃燒，為固定碳的著火提供了更多熱量，使固定碳著火提前，從而縮短了燃盡時(shí)間。

污泥和煤的混合物的燃燒特性表現(xiàn)為污泥與煤共同疊加的結(jié)果[12]?；旌衔锏娜紵匦耘c污泥的摻混比例有關(guān)，當(dāng)污泥摻混比低于20%時(shí)，混合物的燃燒特性與煤?jiǎn)为?dú)燃燒相似；當(dāng)污泥摻混比增大到 30%時(shí)，混合物的燃燒特性改變較大[13]。為了保持燃燒的穩(wěn)定性和鍋爐的熱效率，摻燒比例的選取，應(yīng)考慮不同煤種的發(fā)熱量和污泥的干化程度[14]。

污泥的結(jié)渣嚴(yán)重，而煤的結(jié)渣問(wèn)題較輕。隨著污泥摻混比例的增加，混合物的灰熔點(diǎn)下降，混合后屬于中等結(jié)渣范圍。但從混合物灰成分判別指標(biāo)看，污泥摻混比不超過(guò)20%時(shí)，結(jié)渣特性與煤比較相似，仍屬于輕微結(jié)渣范圍。因此根據(jù)污泥和煤摻燒后的灰結(jié)渣情況，污泥的摻混比例不宜過(guò)高，當(dāng)污泥摻混比例不大于20%時(shí)是可行的[15]。

4 摻燒污泥對(duì)循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行的影響

4.1 對(duì)鍋爐燃燒工況的影響

4.1.1 污泥摻混比對(duì)爐內(nèi)燃燒溫度的影響

鍋爐內(nèi)的溫度隨著污泥摻混比的增加而下降，這是由于隨著污泥摻混比的增大，由混合燃料的水分逐漸增多，水分蒸發(fā)吸收了大量的熱量，致使?fàn)t內(nèi)整體溫度下降。當(dāng)污泥摻混比達(dá)到50%時(shí)，混合燃料的平均低位熱值明顯低于鍋爐的設(shè)計(jì)值，爐膛溫度下降，床溫低于850 ℃，不能滿足鍋爐的出力需求；同時(shí)，為確保二噁英最大程度分解，煙氣溫度應(yīng)大于850 ℃[14]。因此污泥摻混比不宜過(guò)高

4.1.2 污泥摻混比對(duì)鍋爐熱效率的影響

隨著污泥摻混比的增加，鍋爐蒸發(fā)量和熱效率呈下降趨勢(shì)。這是由于隨著污泥摻混比的增大，爐內(nèi)水分增多導(dǎo)致排煙熱損失增加；由于污泥熱值較低，燃燒時(shí)需要吸熱，導(dǎo)致燃燒溫度明顯下降，因此鍋爐熱效率降低，難以滿足滿鍋爐負(fù)荷需求。另外，隨著污泥摻混比例的升高，部分燃料有可能燃燒不充分，因此增加了不完全燃燒的熱損失。

4.2 對(duì)受熱面的磨損腐蝕的影響

研究表明，受熱面磨損程度與煙氣流速和煙塵濃度有關(guān)，隨著污泥摻混比的上升，煙氣流量、流速隨之增加，煙氣對(duì)鍋爐爐壁的磨損也會(huì)增加，因此為了保證鍋爐的運(yùn)行安全，需要在鍋爐內(nèi)部進(jìn)行防磨噴涂[16]。此外，由于污泥灰的特性不同于煤灰的特性，污泥與煤混合后的灰熔點(diǎn)較低，積灰和結(jié)渣問(wèn)題更嚴(yán)重，污泥中的堿金屬鹽類隨著煙氣流動(dòng)沉積在受熱面，會(huì)加重受熱面金屬材料的腐蝕。

4.3 對(duì)燃燒污染物排放的影響

4.3.1 對(duì)SO2排放的影響

隨著污泥摻混比的增大，SO2的排放量呈下降趨勢(shì)[17]。這是因?yàn)闊煔庵蠸O2主要來(lái)自煤的燃燒，隨著污泥摻混比的增加，混合燃料中硫的含量降低。燃煤鍋爐的脫硫裝置基本能夠滿足污泥混煤燃燒煙氣的脫硫要求，摻燒一定比例的污泥不會(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4.3.2 對(duì)NOx排放的影響

NOx排放濃度隨著污泥摻混比的增加而降低[18]。這是由于NOx的排放量隨著燃燒溫度的增加而增加，污泥混煤燃燒溫度較低，一般為850～950 ℃，能有效地抑制NOx的生成。隨著污泥摻混比的增大，燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸氣，通過(guò)氣化和還原反應(yīng)抑制了NO的生成；并且由于污泥的加入，循環(huán)流化床鍋爐燃燒溫度降低，形成NO的主要反應(yīng)減弱，而循環(huán)流化床鍋爐排放的NOx主要為NO，因此NOx的排放濃度下降[19]。

4.3.3 對(duì)煙塵和其他污染物排放的影響

飛灰形態(tài)與燃料特性和燃燒過(guò)程有關(guān)，污泥燃燒后產(chǎn)生的灰顆粒較小，可能透過(guò)除塵器排放到大氣中，因此必須增加布袋除塵裝置的過(guò)濾面積。摻燒污泥后，由于污泥中存在有害成分，導(dǎo)致煙氣中會(huì)存在少量二噁英，污泥中的部分重金屬顆粒也會(huì)隨煙氣排入大氣[20]。重金屬不能被微生物分解，并可以在生物體內(nèi)富集，所以在污泥混燒的過(guò)程中，要注意重金屬的含量帶來(lái)的污染問(wèn)題。

4.4 對(duì)鍋爐經(jīng)濟(jì)性的影響

燃煤鍋爐摻燒污泥可以解決污泥的處理處置問(wèn)題，還可以利用污泥熱值供熱和發(fā)電，帶來(lái)了良好的社會(huì)環(huán)保效益。但是摻燒污泥后，混合燃料整體的含水率提高、灰分增加、煙氣流量增加，導(dǎo)致鍋爐整體熱效率有所下降。污泥的加入使燃料整體的品質(zhì)下降，需要對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)做出調(diào)整，因此風(fēng)機(jī)等電耗會(huì)增加；鍋爐受熱面的磨損和腐蝕問(wèn)題更為嚴(yán)重，檢修費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)增加。因此，在循環(huán)流化床燃煤鍋爐摻燒污泥時(shí)需綜合考慮其經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)污泥與煤混合燃燒，通過(guò)在已有的循環(huán)流化床燃煤鍋爐的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的改造來(lái)實(shí)現(xiàn)，相比獨(dú)立的污泥焚燒廠具有明顯的優(yōu)勢(shì)。污泥混煤燃燒工藝目前大多采用干化污泥混燒的方式，干化后的污泥含水率降至40%以下，呈顆粒狀，便于儲(chǔ)存運(yùn)輸以及與煤混合，并且可以減輕由污泥水分過(guò)高帶來(lái)的鍋爐熱效率損失和腐蝕問(wèn)題。污泥干化熱源可以就地取材，利用燃煤鍋爐的高溫蒸汽、蒸汽冷凝水或煙氣余熱進(jìn)行干化。

(2)從燃燒特性來(lái)看，污泥和煤混合燃燒時(shí)兩者的燃燒相互獨(dú)立。污泥混燒與煤?jiǎn)为?dú)燃燒相比其活化能提高，著火溫度提前，熱效率有所下降。在混燒過(guò)程中，煤和污泥總體上保持了各自的燃燒特性，混燒灰的結(jié)渣問(wèn)題比煤?jiǎn)为?dú)燃燒更嚴(yán)重。因此為減少混燒對(duì)燃燒工況的影響，污泥摻混比例應(yīng)控制在20%以下。

(3)摻燒污泥對(duì)循環(huán)流化床燃煤鍋爐會(huì)產(chǎn)生一定的不良影響。與單獨(dú)燃煤相比，鍋爐熱效率下降，腐蝕和磨損增加，氣體污染物SO2和NOx的排放量下降，但燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生二噁英、重金屬污染物。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需要根據(jù)煤和污泥的種類和性質(zhì)對(duì)其摻混比例、燃燒工況做出相應(yīng)調(diào)整，以降低其影響。