喬 旭

(上海康恒環(huán)境股份有限公司,上海 201703)

引 言

目前污泥主要處理方式有衛(wèi)生填埋、土地利用、焚燒等[1]。衛(wèi)生填埋投資費(fèi)用低，但可能出現(xiàn)有害物質(zhì)滲漏，極易造成地下水的污染，并且占用大量土地資源，而土地利用可能產(chǎn)生重金屬污染、散發(fā)臭氣等環(huán)境問(wèn)題[2]。焚燒被認(rèn)為是最高效、最徹底的污泥處理方式[3]。機(jī)械式爐排焚燒爐由于焚燒效果好、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性佳、市場(chǎng)占有率高等特點(diǎn)成為污泥摻燒的最佳選擇。

汪洋等[4]探討了機(jī)械式爐排爐摻燒污泥的設(shè)計(jì)運(yùn)行及其可行性，為摻燒污泥協(xié)同焚燒工藝的技改提供了技術(shù)借鑒。石靖宇等[5]闡述了垃圾焚燒發(fā)電廠中摻燒干化污泥技術(shù)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況及其工藝流程，提出垃圾焚燒發(fā)電廠摻燒干化污泥的可行性及優(yōu)勢(shì)。余毅等[6]基于往復(fù)式機(jī)械爐排爐分析了生活垃圾焚燒廠協(xié)同焚燒污泥的運(yùn)行特性，項(xiàng)目運(yùn)行表明，污泥干化至含水率為35%～40%后垃圾協(xié)同焚燒比例較為合適。

本文結(jié)合某采用機(jī)械往復(fù)式爐排的垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目，通過(guò)計(jì)算分析，考察了摻燒不同比例的干化污泥對(duì)焚燒爐出口煙氣量和煙溫、鍋爐蒸發(fā)量和鍋爐整體效率、爐渣和飛灰、焚燒爐出口污染物濃度的影響，以期為垃圾焚燒廠協(xié)同焚燒污泥提供參考。該發(fā)電項(xiàng)目為一座2 250 t/d的生活垃圾焚燒發(fā)電廠，配置3x750t/d焚燒線，垃圾設(shè)計(jì)低位熱值為7 536 kJ/kg(1 800kcal/kg)，鍋爐主蒸汽參數(shù)為6.4MPa(g)、450℃，臥式布置。

1 污泥摻燒工藝

1.1 工藝技術(shù)方案

圖1為垃圾焚燒廠協(xié)同焚燒污泥工藝系統(tǒng)。各城市污水處理廠的污泥(80%含水率)用密閉的污泥輸送車(chē)運(yùn)輸至廠內(nèi)的污泥接收倉(cāng)內(nèi)，污泥通過(guò)汽車(chē)卸入濕污泥接收儲(chǔ)存?zhèn)}，再送入干化、造粒系統(tǒng)進(jìn)行干化、造粒處理。處理后的污泥暫時(shí)送到干污泥儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)存儲(chǔ)，再通過(guò)污泥輸送系統(tǒng)運(yùn)至垃圾坑，通過(guò)抓斗與生活垃圾共同入爐焚燒。從垃圾焚燒廠送來(lái)的汽輪機(jī)抽汽(1.1MPa、300℃)，經(jīng)一套減溫減壓裝置后，變?yōu)轱柡驼羝?0.6MPa、159℃)，作為干化的熱源。

圖1 焚燒廠協(xié)同焚燒污泥工藝系統(tǒng)Fig.1 Synergistic sludge incineration process system in incineration plant

本系統(tǒng)利用焚燒生活垃圾產(chǎn)生的能源為污泥干化提供所需的熱量，同時(shí)將污泥在干化過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣送至焚燒廠作為助燃空氣使用，可以避免臭氣的溢出。這種協(xié)同焚燒使得污泥干化過(guò)程中的能耗和廢氣的處理成本大大降低。

1.2 污泥熱值分析

污泥熱值是焚燒廠協(xié)同焚燒的關(guān)鍵性能參數(shù)，不同含水率的污泥熱值存在較大差別，表1為本項(xiàng)目污泥工業(yè)分析、元素分析及低位熱值。從表1可以看出，隨著含水率的升高，污泥熱值逐漸降低，當(dāng)含水率為38%時(shí)，污泥低位熱值達(dá)到4 187 kJ/kg。

表1 污泥工業(yè)分析、元素分析及低位熱值Tab.1 Industrial analysis, element analysis and low calorific value of sludge

1.3 干污泥摻燒比例

對(duì)于不同地區(qū)的生活垃圾，污泥摻燒比例也不同，高熱值生活垃圾可適當(dāng)增大污泥摻燒比例，具體需要針對(duì)各地實(shí)際情況進(jìn)行綜合技術(shù)分析。本方案重點(diǎn)比較生活垃圾與干化污泥不同摻燒比例時(shí)的焚燒爐燃燒特性，共分析了4個(gè)設(shè)計(jì)工況，均保持焚燒處理量為750t/d。有國(guó)內(nèi)相關(guān)研究表明低位熱值高于4 187kJ/kg的燃料才能維持穩(wěn)定燃燒，保證焚燒廠的穩(wěn)定發(fā)電[7]，鑒于此，設(shè)計(jì)工況污泥含水率控制在38%。

具體設(shè)計(jì)工況燃料的熱值和元素分析如表2所示。設(shè)計(jì)工況1為750t/d生活垃圾單獨(dú)燃燒工況，設(shè)計(jì)工況2為5%污泥摻燒比的燃燒工況，設(shè)計(jì)工況3為10%污泥摻燒比的燃燒工況，設(shè)計(jì)工況4為15%污泥摻燒比的燃燒工況。摻燒污泥的入爐燃料特性根據(jù)污泥和生活垃圾摻燒比例進(jìn)行物理計(jì)算得到，由表2可知，隨著污泥摻燒比的增加，入爐燃料熱值減少，灰分和硫含量增加。

表2 入爐燃料收到基元素分析及熱值Tab.2 The basic element analysis and calorific value of the fuel entering the furnace

2 摻燒干化污泥對(duì)焚燒系統(tǒng)的影響

2.1 干化污泥摻燒對(duì)焚燒爐出口煙氣量及煙溫的影響

干化污泥摻燒比例對(duì)焚燒爐出口煙氣量及煙溫的影響如圖2所示?？梢钥闯?，在保持入爐燃料總量不變、過(guò)量空氣系數(shù)為1.6和省煤器出口煙溫為190℃的條件下，隨著干化污泥摻燒量的增加，焚燒爐出口煙氣量呈線性減小的趨勢(shì)，焚燒爐出口煙溫變化不明顯。當(dāng)摻燒比例分別為5%、10%和15%時(shí)，煙氣量分別減少1.8%、3.6%和5.4%。與設(shè)計(jì)工況1相比，當(dāng)干化污泥摻燒比例達(dá)到15%，焚燒爐出口煙溫降低1%。污泥的摻燒降低了入爐燃料的整體熱值，維持過(guò)量空氣系數(shù)不變，燃燒所需的一次風(fēng)量和二次風(fēng)量均減少，使得焚燒產(chǎn)生的煙氣量減少，焚燒爐出口煙溫略有下降。

圖2 干化污泥摻燒對(duì)焚燒爐出口煙氣量及煙溫的影響Fig.2 Effect of mixed combustion of dried sludge on flue gas volume and flue temperature at incinerator outlet

2.2 干化污泥摻燒對(duì)鍋爐蒸發(fā)量和鍋爐整體效率的影響

圖3示為干化污泥摻燒比例對(duì)鍋爐蒸發(fā)量和整體效率的影響。由圖3能夠看出，隨著干化污泥摻燒量的增加，余熱鍋爐蒸發(fā)量和整體效率變化趨勢(shì)相同，均為近似線性遞減。當(dāng)摻燒比例分別為5%、10%和15%時(shí)，鍋爐蒸發(fā)量分別減少2.6%、5.2%和7.6%，鍋爐整體效率分別下降0.1%、0.2%和0.5%。由于干化污泥熱值低于垃圾，在入爐燃料總量不變的條件下，焚燒爐總輸入熱量減少。在焚燒爐熱量輸出端，盡管排煙損失降低，但焚燒產(chǎn)生的飛灰和爐渣量增加，帶走的熱量更多，導(dǎo)致鍋爐有效吸收熱減少，使得鍋爐蒸發(fā)量減少，鍋爐效率下降，一定程度上影響焚燒爐及余熱鍋爐整體的經(jīng)濟(jì)性。

圖3 干化污泥摻燒對(duì)鍋爐蒸發(fā)量和鍋爐整體效率的影響Fig.3 The effect of mixed burning of dry sludge on boiler evaporation and overall boiler efficiency

2.3 干化污泥摻燒對(duì)爐渣和飛灰的影響

雖然焚燒法處理生活垃圾減量化效果顯著，但仍有20%～30%的質(zhì)量留在了焚燒灰渣中。焚燒灰渣主要包括爐渣和飛灰，不同干化污泥摻燒量對(duì)焚燒爐灰渣的影響，如圖4所示。生活垃圾混燒污泥后產(chǎn)生的爐渣和飛灰含量表現(xiàn)為上升的趨勢(shì)，這是由于污泥中的灰分含量高于生活垃圾，摻燒污泥后產(chǎn)生的灰渣更多。與純垃圾焚燒相比，當(dāng)混燒15%污泥后爐渣與飛灰的產(chǎn)生量分別增加了12.6%和12.5%，按照焚燒爐年正常工作時(shí)間8 000h計(jì)算，每臺(tái)爐每年多排出5 800t爐渣和1 100t飛灰。在實(shí)際運(yùn)行中，摻燒污泥也會(huì)加劇過(guò)熱器、蒸發(fā)器、省煤器等換熱管束的積灰程度，降低受熱面的傳熱效率，容易導(dǎo)致各級(jí)受熱面進(jìn)出口煙氣溫度比設(shè)計(jì)溫度高。另外，沾污積灰加快受熱面的腐蝕，縮短受熱面壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響鍋爐的正常運(yùn)行，甚至發(fā)生爆管。因此在設(shè)計(jì)階段需重點(diǎn)考慮優(yōu)化余熱鍋爐結(jié)構(gòu)，提高煙氣流速，加大受熱面橫縱節(jié)距，增加吹灰點(diǎn)數(shù)等，運(yùn)行階段提高吹灰頻次等。

圖4 干化污泥摻燒對(duì)爐渣和飛灰的影響Fig.4 Effect of mixed burning of dried sludge on slag and fly ash

2.4 干化污泥摻燒對(duì)焚燒爐出口污染物濃度的影響

生活垃圾焚燒產(chǎn)生的氯化氫(HCl)、硫氧化物(以SO2為計(jì))等煙氣污染物濃度，可通過(guò)入爐物料元素分析進(jìn)行計(jì)算。對(duì)比上述四種設(shè)計(jì)工況下的SO2和HCl濃度發(fā)現(xiàn)，隨著干化污泥摻燒比例增大，SO2和HCl排放濃度隨摻燒比例變化趨勢(shì)如圖5所示。從圖5中可以看出，SO2與HCl的排放濃度隨摻燒比例的增大而增大，尤其是SO2增加最為明顯。與垃圾單獨(dú)燃燒工況相比，當(dāng)摻燒比例分別為5%、10%、15%時(shí)，SO2污染物濃度分別增加21.9%、44.7%、68.4%，HCl污染物濃度分別增加1.6%、3.2%和4.9%。由于污泥中的S、Cl元素含量均高于垃圾，使得干化污泥摻燒比例越大，焚燒爐出口酸性氣體排放濃度越高，特別是SO2污染物增幅明顯，對(duì)末端煙氣處理工藝要求更高，需適當(dāng)增加脫硫藥劑的消耗量。

圖5 干化污泥摻燒對(duì)焚燒爐出口污染物濃度的影響Fig.5 The effect of mixed drying of sludge on the concentration of pollutants at the outlet of the incinerator

3 經(jīng)濟(jì)性分析

單獨(dú)建設(shè)污泥焚燒廠，污泥焚燒廠產(chǎn)生的熱量?jī)H能滿足干化需要熱量的70%[5]，需外購(gòu)蒸汽作為干化輔助熱源，還需消耗大量的輔助燃料。垃圾焚燒廠產(chǎn)生的蒸汽可為干化污泥提供足夠的熱量，無(wú)需助燃即可保證垃圾焚燒爐穩(wěn)定運(yùn)行要求，因此摻燒污泥的運(yùn)行成本會(huì)大大降低。摻燒污泥運(yùn)行成本主要包括污泥干化成本、直接摻燒成本、煙氣處理增加成本、飛灰處理增加成本和減少上網(wǎng)電量成本。

3.1 污泥干化成本：污泥從含水率80%經(jīng)干化至38%，處理成本約160元/t污泥(含水率80%)。

3.2 直接摻燒成本：?jiǎn)挝粫r(shí)間摻燒一定量的污泥意味著相應(yīng)垃圾處理量的減少，按照本項(xiàng)目當(dāng)?shù)厣罾a(bǔ)貼政策，垃圾處置費(fèi)用約為110元/t，摻燒含水率38%的污泥折合處理成本約為35元/t污泥(含水率80%)。

3.3 煙氣、飛灰處理成本:污泥中S、Cl以及灰分含量較生活垃圾高，摻燒污泥后煙氣處理過(guò)程中的消石灰等脫酸藥劑耗量和飛灰產(chǎn)量增加，折合處理成本僅為0.04元/t污泥(含水率80%)，對(duì)此煙氣、飛灰處理增加成本忽略不計(jì)。

3.4 上網(wǎng)電量成本：隨著污泥摻燒量的增加，入爐物料熱值降低，平均噸物料上網(wǎng)電量逐漸減少。垃圾單獨(dú)焚燒與摻燒污泥比例分別為5%、10%、15%時(shí)，平均噸物料上網(wǎng)電量分別為465.7 kWh/t、454.8 kWh/t、443.9 kWh/t和432.6kWh/t。以此測(cè)算，按摻燒比例15%，本項(xiàng)目單臺(tái)規(guī)模750t/d的焚燒爐上網(wǎng)電量減少約2.5萬(wàn)度，按上網(wǎng)電價(jià)0.65元/度計(jì)算，上網(wǎng)售電收入減少16 250元，折合污泥處理成本約為46元/t污泥(含水率80%)。

經(jīng)分析，摻燒污泥成本為241元/t污泥(含水率80%)。本項(xiàng)目污泥處置補(bǔ)貼費(fèi)為320元/t污泥(含水率80%)，每噸濕污泥協(xié)同焚燒會(huì)增收79元/t污泥。

4 結(jié) 論

4.1 摻燒干化污泥對(duì)焚燒爐燃燒特性有一定影響。當(dāng)干化污泥(含水率為38%)摻燒比例從0增加至15%，焚燒爐出口煙氣量減少5.4%，鍋爐蒸發(fā)量減少7.6%，鍋爐整體效率下降0.5%；爐渣與飛灰的產(chǎn)生量分別增加了12.6%、12.5%；SO2與HCl分別增加了68.4%、4.9%。

4.2 采用熱干化+協(xié)同焚燒的方式對(duì)污泥進(jìn)行處置，可最大程度地實(shí)現(xiàn)污泥的“減量化”、“無(wú)害化”和“資源化”。污泥摻燒比例應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的垃圾特性和污泥特性進(jìn)行分析和控制，以確保摻燒污泥過(guò)程中爐膛溫度、灰渣和污染物排污濃度滿足環(huán)保要求，保證焚燒爐長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 對(duì)垃圾焚燒廠摻燒污泥的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，與單獨(dú)建設(shè)污泥焚燒廠相比，垃圾焚燒廠摻燒污泥運(yùn)行成本會(huì)大大降低，經(jīng)測(cè)算污泥協(xié)同焚燒成本為241元/t(含水率80%)。