劉啟軍，佟永財

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計院有限公司,長春 130021；2.中國石油集團(tuán)電能有限公司熱電一公司，黑龍江 大慶 163314)

污泥是污水處理后的產(chǎn)物，是一種由有機(jī)殘片、細(xì)菌菌體、無機(jī)顆粒、膠體等組成的極其復(fù)雜的非均質(zhì)體。大量的污泥不僅會占用寶貴的土地資源，還會造成潛在的環(huán)境二次污染。我國污泥處理方式主要有填埋、堆肥、自然干化、焚燒等方式，目前主要以填埋為主。隨著地下水保護(hù)、土壤保護(hù)、食品安全等問題要求日益嚴(yán)格，污泥填埋場選址日益困難，填埋和污泥土地利用標(biāo)準(zhǔn)也不斷提高，使污泥填埋和土地利用受到越來越多限制。焚燒作為污泥減量化、無害化和資源化的重要技術(shù)，在污泥處置中的占比將不斷提高。

污泥焚燒的處置方式通常采用干燥焚燒，即將污泥通過干化處理后再進(jìn)行焚燒的技術(shù)手段。當(dāng)前焚燒工藝包括單獨(dú)焚燒、火力發(fā)電廠協(xié)同處置、水泥窯協(xié)同處置等。燃煤火力發(fā)電廠具有濕污泥干燥所需的充足熱源，同時干化后的干污泥可以與燃煤摻混后送到鍋爐焚燒，不需額外增加焚燒設(shè)備和尾氣處理設(shè)備，可大大降低污泥處置的投資和運(yùn)行費(fèi)用?；鹆Πl(fā)電廠協(xié)同處置污泥具有投資低、處理量大、排放指標(biāo)優(yōu)、節(jié)省占地等特點(diǎn)。國家目前也相繼出臺了相關(guān)政策措施鼓勵燃煤機(jī)組耦合摻燒污泥。

目前國內(nèi)已經(jīng)實(shí)施或正在實(shí)施的燃煤發(fā)電廠協(xié)同處置污泥項(xiàng)目的技術(shù)路線基本采用干化焚燒的方式。濕污泥的干化基本都是采用圓盤蒸汽干化機(jī)，干燥熱源為中壓輔助蒸汽，蒸汽與濕污泥通過轉(zhuǎn)盤組間接接觸傳熱。此種設(shè)備工作安全、可靠，設(shè)備外形尺寸較小，但由于利用的是汽輪機(jī)的中壓輔助蒸汽，對發(fā)電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性有一定影響。為了進(jìn)一步挖掘火力發(fā)電廠余熱潛能，提高干化+摻燒污泥運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，利用煙氣余熱干化濕污泥的技術(shù)得到重視。帶式污泥干化機(jī)是一種可以利用低溫?zé)嵩锤苫瘽裎勰嗟南冗M(jìn)設(shè)備。

1 帶式污泥干化機(jī)及相關(guān)系統(tǒng)

1.1 工作原理

帶式污泥干化技術(shù)屬于中低溫干化技術(shù)，是通過利用溫度為80～130 ℃的干燥熱空氣將均布在傳送網(wǎng)帶上的濕污泥中的水分蒸發(fā)出來，使?jié)裎勰啾恢鸩胶娓?，其出口污泥含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)可降至10%～35%。帶式污泥干化裝置結(jié)構(gòu)緊湊，干化帶相互之間上下疊加布置，安裝在一個保溫外殼內(nèi)。帶式污泥干化裝置主要由濕污泥布料裝置、干化帶、冷凝設(shè)備、廢氣化學(xué)洗滌和生物濾床等組成[1]。

帶式污泥干化裝置工藝流程見圖1，工藝鼓風(fēng)機(jī)出口熱空氣穿越干化帶和污泥層，熱空氣接觸污泥的同時帶走其中的水分。在穿流干化裝置的過程中，污泥逐漸變熱變干，根據(jù)所設(shè)置的干化溫度和污泥停留時間，可將污泥干化到含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～35 %。

干化空氣穿流污泥層時，空氣溫度下降，同時空氣中的濕度上升。當(dāng)環(huán)流工藝空氣在冷凝裝置內(nèi)被冷卻處理時，空氣溫度降低至露點(diǎn)以下冷凝脫水。冷凝脫水后的環(huán)流空氣通過熱交換器重新加熱后循環(huán)利用。 循環(huán)氣流中的一小部分氣體由鼓風(fēng)機(jī)排出系統(tǒng)，以保證整個干化裝置始終處于微負(fù)壓狀態(tài)，從而防止干化空氣、臭味和水蒸氣外泄。

在干化裝置內(nèi)部設(shè)有溫度和CO濃度監(jiān)控系統(tǒng)。應(yīng)急停機(jī)情況下，噴淋系統(tǒng)自動啟動工作，進(jìn)行快速冷卻和消防滅火。

圖1 帶式污泥干化裝置工藝流程

1.2 帶式干化機(jī)的供熱系統(tǒng)

根據(jù)帶式污泥干化裝置的熱能來源，其干化裝置的供熱系統(tǒng)主要有以下幾種類型。

a.分散型供熱方式：以天然氣、沼氣或燃油等一次能源為燃料，在干化裝置的每一模塊內(nèi)各配置一個工業(yè)燃燒爐。

b.集中型供熱方式：以燃煤為熱源，通過燃煤鍋爐集中產(chǎn)熱，然后通過在干化裝置內(nèi)部配置的熱交換器輸入熱能。

c.工業(yè)余熱利用：將工業(yè)余熱轉(zhuǎn)換成100 ℃左右的熱水作為熱源，利用廢熱實(shí)現(xiàn)污泥干化，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好，減小一次能源消耗。

帶式干化技術(shù)采用溫度為90～150 ℃的熱水作為設(shè)備的直接熱源，外部熱源熱量被轉(zhuǎn)化到熱水中再實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的供熱[1]。

1.3 帶式干化機(jī)的環(huán)流空氣冷凝系統(tǒng)

帶式干化機(jī)是利用空氣與濕污泥直接接觸干化的帶式濕污泥干化裝置?？諝膺M(jìn)入干化機(jī)前先經(jīng)過熱水加熱升溫，熱空氣進(jìn)入干化機(jī)本體帶走從濕污泥蒸發(fā)出來的水蒸氣。從干化機(jī)出來的濕空氣進(jìn)入空氣冷凝裝置，通過冷卻水降低濕空氣溫度，從而將濕空氣中的水蒸氣冷凝，經(jīng)過冷凝后的空氣重新循環(huán)利用。環(huán)流空氣只有少部分乏汽排放，并有等量的新空氣補(bǔ)充到系統(tǒng)內(nèi)，以維持系統(tǒng)運(yùn)行壓力。

環(huán)流空氣冷凝系統(tǒng)包括熱能回收利用裝置和冷凝裝置等設(shè)備，在冷凝裝置中利用冷卻水使空氣溫度降低至露點(diǎn)以下冷凝脫水，并以冷凝液形式排出冷凝裝置。通過熱能回收系統(tǒng)，將丟失的熱能重新回收利用。冷凝裝置所用的冷卻水可采用火力發(fā)電廠凝汽器循環(huán)水。冷凝裝置排出的冷凝液可送至電廠的脫硫廢水處理系統(tǒng)，具備條件的(離污水處理廠很近)可以送回污水處理廠。

1.4 帶式干化機(jī)的乏汽綜合利用系統(tǒng)

帶式干化機(jī)的環(huán)流空氣系統(tǒng)有一小部分循環(huán)氣流通過排氣風(fēng)機(jī)排出系統(tǒng)。在抽排這部分空氣的同時，還可以保證整個干化裝置始終處于微負(fù)壓狀態(tài)，從而防止干化空氣、臭味和水蒸氣外泄。此時等量的環(huán)境新空氣進(jìn)入干化裝置，以維持整個系統(tǒng)正常運(yùn)行。

對于污泥干化與燃煤機(jī)組耦合發(fā)電項(xiàng)目，由于濕污泥干化裝置一般建設(shè)在火力發(fā)電廠廠區(qū)內(nèi)，距離鍋爐很近，環(huán)流空氣中排放的少量乏汽可經(jīng)過升壓風(fēng)機(jī)送到燃煤鍋爐空氣預(yù)熱器(以下簡稱空預(yù)器)進(jìn)口風(fēng)道中，經(jīng)空預(yù)器加熱后送入鍋爐燃燒。

2 利用燃煤機(jī)組煙氣余熱干化污泥的方案

2.1 現(xiàn)有燃煤機(jī)組煙氣余熱的利用方式

目前結(jié)合低低溫除塵器的廣泛應(yīng)用，要求除塵器入口煙溫一般降低為90 ℃左右。從燃煤鍋爐空預(yù)器出口至低低溫除塵器前有較大的煙氣余熱量可以利用。目前此部分煙氣余熱一般用于加熱汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的凝結(jié)水。

2.2 煙氣余熱干化污泥的換熱系統(tǒng)擬定

燃煤機(jī)組的空預(yù)器出口與除塵器入口前煙道上布置的煙氣換熱器，在吸收煙氣余熱后可以提供100 ℃以上的熱水，熱水的溫度正好可以滿足帶式污泥干化機(jī)的換熱要求。

煙氣余熱干化污泥的換熱系統(tǒng)采用閉式循環(huán)，工作介質(zhì)為軟化水。軟化水進(jìn)入煙氣換熱器吸收煙氣余熱后，進(jìn)入到帶式濕污泥干化設(shè)備中，將熱量傳遞給帶式污泥干化裝置中的循環(huán)空氣，被冷卻后的閉式循環(huán)軟化水再進(jìn)入煙氣換熱器系統(tǒng)重新吸熱。系統(tǒng)流程圖見圖2，圖中實(shí)線為煙氣余熱干化污泥的換熱系統(tǒng)，1為煙氣換熱器；2為閉式循環(huán)水泵；3為定壓補(bǔ)充水箱；4為調(diào)節(jié)閥組；5為凝結(jié)水換熱器；6為帶式污泥干化裝置。

圖2 煙氣余熱干化污泥換熱系統(tǒng)流程圖

3 350 MW燃煤機(jī)組干化摻燒污泥的案例分析

3.1 干化摻燒污泥規(guī)模的確定

3.1.1 濕污泥干化處理規(guī)模所需熱量

不同的濕污泥干化處理規(guī)模、濕污泥的含水率、干污泥的含水率等會有不同的干化熱量需求。如濕污泥的含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%，干化后污泥含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，干化設(shè)備采用帶式干化機(jī)，干化設(shè)備每天工作時間按20 h，則不同的濕污泥干化處理規(guī)模所需熱量見表1。

表1 不同濕污泥處理規(guī)模所需熱量匯總

3.1.2 350 MW燃煤機(jī)組煙氣余熱干化污泥規(guī)模的確定

一臺350 MW燃燒褐煤的鍋爐，煙氣換熱器布置于空預(yù)器出口至除塵器入口的尾部煙道上，鍋爐額定負(fù)荷時空預(yù)器出口煙氣溫度按143 ℃，煙氣換熱器出口煙溫按90 ℃，煙氣換熱器的換熱效率按98%計算，額定負(fù)荷時鍋爐尾部可利用的煙氣余熱量約為26 000 kJ左右。

考慮目前我國火電裝機(jī)容量過剩，火電機(jī)組的年設(shè)備利用時間逐年下降，2018年僅有4 361 h，火電機(jī)組的年平均負(fù)荷率基本維持在50%～60%，同時考慮摻燒干化污泥后對鍋爐燃燒穩(wěn)定性、污染物排放等方面的影響，推薦一臺350 MW機(jī)組日處理濕污泥的規(guī)模在400～600 t/d較為合適。

3.2 濕污泥的干化系統(tǒng)及設(shè)備的設(shè)置

按確定的濕污泥處理規(guī)模，同時考慮目前市場上單臺帶式污泥干化機(jī)的出力，共設(shè)置3臺帶式濕污泥干化機(jī)，每臺帶式濕污泥干化機(jī)設(shè)計日處理濕污泥量為150 t/d。

帶式濕污泥干化機(jī)入口濕污泥含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80% ，出口干污泥含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%(可調(diào))。帶式干化裝置本體外型尺寸：長34 m，寬6 m左右，高5.7 m左右。

4 摻燒污泥的經(jīng)濟(jì)性分析

一臺350 MW燃煤機(jī)組采用帶式濕污泥干化裝置，利用鍋爐尾部煙氣余熱干化濕污泥并摻燒，濕污泥的處理規(guī)模為450 t/d，濕污泥為市政污水處理廠產(chǎn)生的生活污泥。經(jīng)濟(jì)性分析的邊界條件如下：

a.摻燒污泥后機(jī)組的年發(fā)電量不變，發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)按4 500 h考慮；

b.標(biāo)準(zhǔn)煤價格按550元/t計算；

c.上網(wǎng)電價按0.375元/(kW·h)計算；

d.處理1 t濕污泥的處置費(fèi)按150元/t計算；

e.帶式濕污泥干化裝置年運(yùn)行時間按6 500 h計算。

4.1 干化裝置年處理污泥量

一臺350 MW機(jī)組所配置的帶式濕污泥干化裝置處理能力為450 t/d，如果一天運(yùn)行時間按20 h計算，則濕污泥處理能力為22.5 t/h。一年運(yùn)行時間6 500 h，則年濕污泥的處理量約為1.462 5×105t。帶式污泥干化機(jī)進(jìn)口濕污泥的含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%，出口干污泥含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，1 t濕污泥干化后能產(chǎn)生0.286 t干污泥。一年處理1.462 5×105t濕污泥，可以產(chǎn)生4.183×104t干污泥。

4.2 燃燒干污泥所替代的燃煤量

干化后的污泥含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，30%含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的干污泥收到基低位熱值取8 000 kJ/kg。則4.183×104t干污泥燃燒釋放熱量相當(dāng)于11 418 t標(biāo)準(zhǔn)煤。如每噸標(biāo)準(zhǔn)煤的價格按550元計算，則每年節(jié)省的標(biāo)準(zhǔn)煤總費(fèi)用約為628萬元。

4.3 摻燒污泥后鍋爐效率變化對燃煤量的影響

燃煤摻燒污泥后會使混合燃料的發(fā)熱量下降，根據(jù)混合燃料發(fā)熱量下降的程度估算鍋爐效率的變化。一臺350 MW機(jī)組干化摻燒450 t/d濕污泥，保守估算摻燒后對鍋爐效率影響約為0.16%。鍋爐效率下降0.16%后發(fā)電煤耗的指標(biāo)升高約0.5 g/(kW·h)。年發(fā)電量一定時，每年多耗的標(biāo)準(zhǔn)煤量為787.5 t，增加的標(biāo)準(zhǔn)煤耗量費(fèi)用約為43萬元左右。

4.4 余熱利用方案對燃煤機(jī)組發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的影響

如煙氣余熱不用于干化濕污泥時一般是被回?zé)嵯到y(tǒng)凝結(jié)水吸收利用，會使機(jī)組的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低約1.5 g/(kW·h)左右。干化裝置運(yùn)行期間，由于余熱利用方式的改變而導(dǎo)致的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率增加，年標(biāo)準(zhǔn)煤耗量增加，其增加的數(shù)值約為2 363 t，增加的標(biāo)準(zhǔn)煤耗量費(fèi)用約為130萬元。

4.5 干化污泥所消耗的廠用電量

帶式濕污泥干化裝置及系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需要消耗一定的廠用電量，如：濕污泥的輸送、干化機(jī)的環(huán)流通風(fēng)、干化帶運(yùn)行、乏汽通風(fēng)、干污泥輸送等。根據(jù)帶式干化機(jī)的相關(guān)資料，干化1 t濕污泥消耗的電能約為71.43 kW·h。一年處理干化濕污泥1.462 5×105t，消耗的電能約為1.044 7×107kW·h，使機(jī)組對外少供電量為1.044 7×107kW·h。如上網(wǎng)電價為0.375元/(kW·h)，則由于干化濕污泥而消耗的廠用電量，減少了機(jī)組的供電收益約為392萬元。

4.6 處理濕污泥的處置費(fèi)

一臺350 MW機(jī)組每年處理濕污泥量約為1.462 5×105t，如果處理每噸濕污泥政府給予150元的濕污泥處理費(fèi)，則每年濕污泥處理費(fèi)約為2 194萬元。

4.7 燃煤機(jī)組干化摻燒濕污泥后總的毛收益

燃煤機(jī)組干化摻燒濕污泥后總的毛收益測算如下，燃煤機(jī)組摻燒污泥后所帶來的好處是節(jié)省了部分燃煤，同時政府給予一定的濕污泥處置費(fèi)，但是燃煤機(jī)組在處置濕污泥同時，由于消耗了部分鍋爐余熱，相比常規(guī)余熱利用方案會使機(jī)組發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率有所增加，同時也消耗了部分廠用電量，使機(jī)組的年供電量減少。綜合以上各種因素，機(jī)組摻燒污泥后的毛收益為2 257萬元左右。

如果濕污泥處理系統(tǒng)的單位投資按25萬元/t計算，則450 t/d濕污泥處理規(guī)模的總投資約為1.125億元。按上述的經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)分析，利用燃煤機(jī)組煙氣余熱干化濕污泥的耦合發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益可觀，摻燒工程的投資基本可以在五至六年內(nèi)收回。

5 燃煤機(jī)組摻燒污泥對鍋爐效率、鍋爐運(yùn)行及污染物排放的影響

5.1 摻燒污泥對鍋爐效率的影響分析

大型燃煤發(fā)電機(jī)組的燃煤量很大，以一臺350 MW燃燒褐煤的發(fā)電機(jī)組為例，設(shè)計燃煤的低位發(fā)熱量為13 540 kJ/kg，其在100%負(fù)荷時燃煤量為225.3 t/h，其在75%負(fù)荷時燃煤量為162.6 t/h，其在50%負(fù)荷時的燃煤量為111.8 t/h。

該臺350 MW機(jī)組燃煤鍋爐摻燒污泥，濕污泥的處理量按450 t/d，每天運(yùn)行時間20 h，則濕污泥處理量為22.5 t/h。濕污泥的含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)按80%計算，干污泥含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)按30%計算，則摻混的干污泥量為6.435 t/h。30%含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的干污泥熱值約為8 000 kJ/kg，摻燒干污泥后對入爐煤質(zhì)低位發(fā)熱量的影響見表2。

表2 摻燒干污泥后對入爐煤質(zhì)低位發(fā)熱量的影響

根據(jù)相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)資料，當(dāng)煤種熱值每變化420 kJ/kg，對于300 MW等級的燃煤鍋爐其鍋爐效率變化量約為0.16%。對于一臺350 MW燃煤鍋爐，濕污泥處理量為450 t/d，其50%負(fù)荷率時摻燒的干污泥量對混合后煤質(zhì)發(fā)熱量的影響僅為302 kJ/kg。保守估算，350 MW機(jī)組摻燒污泥后鍋爐效率下降約0.16%[2]。

5.2 摻燒污泥對鍋爐運(yùn)行及污染物排放的影響

城市污水處理廠的污泥中含有大量有機(jī)物和一定量的纖維素木質(zhì)素，脫水后的污泥可以作為輔助燃料。污泥焚燒的處置方法雖然解決了污泥的出路問題，并充分利用了污泥中的能量，但是污泥中的重金屬卻隨煙塵進(jìn)入空氣，因此，為使污泥處理處置真正實(shí)現(xiàn)無害化，必須要了解污泥摻燒的污染物排放特性，以便更好地進(jìn)行控制。

污泥中的各種重金屬的含量比單煤明顯偏高，尤其是Zn、Cu和Pb，污泥中Cr、As、Ni的含量也較煤明顯偏高，Se和Hg在污泥和煤中的含量相當(dāng)?；烀褐械闹亟饘俸颗c單煤相比，Cr、As、Ni、Pb和Cu升高了約50%左右，Hg和Se較單煤基本無變化，而Zn在混煤中一般會比單煤高出幾倍。

煤和污泥混合燃燒后的灰渣中，大部分高沸點(diǎn)重金屬元素Pb、Cu、Cr和Ni殘留在灰渣中，Zn、Cd有部分殘留在灰渣中，而As、Hg和Se等易揮發(fā)元素則在燃燒后釋放到煙氣中，在灰渣中的含量很小。摻燒污泥后，灰渣中的重金屬含量較燒單煤都有了一定幅度升高，但重金屬濃度可以滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)。CO、HCl以及其他有機(jī)氣體排放濃度與單獨(dú)燃煤基本相同；NH3的排放濃度較單煤有所升高；SO2和NOx排放濃度在摻燒污泥后普遍略有降低。

6 結(jié)論

對污泥減量化、資源化、無害化處理是大勢所趨，是國家重點(diǎn)支持和鼓勵的污泥處理、處置方式。利用燃煤機(jī)組煙氣余熱干化污泥的耦合發(fā)電方式是處理污泥的重要方式之一，它具有投資少、運(yùn)行效率高、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢。結(jié)合燃煤機(jī)組鍋爐煙氣余熱所能提供的熱能溫度等級、熱能輸送介質(zhì)的類型等特點(diǎn)，選擇利用中低溫介質(zhì)干化濕污泥的帶式污泥干化機(jī)。煙氣余熱取自空預(yù)器出口和除塵器入口之間，煙氣余熱由熱水為載體帶出。帶式污泥干化裝置既可適應(yīng)污泥全干化，也適用于污泥半干化，出口污泥含水率可自由設(shè)置，使用靈活方便，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好。

帶式濕污泥干化裝置與燃煤機(jī)組煙氣余熱系統(tǒng)的完美結(jié)合，充分發(fā)揮了各自設(shè)備和系統(tǒng)的優(yōu)勢，充分利用了現(xiàn)有燃煤機(jī)組的設(shè)備和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，進(jìn)一步提高了效率和經(jīng)濟(jì)效益。