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      燃煤機組耦合污泥發電技術

      發布時間:2022-3-9 17:20:52  中國污水處理工程網

        城鎮污泥雖然富含有機質和各類營養元素,但同時也含有大量病原菌、寄生蟲卵、重金屬、多環芳烴等有毒有害物質。污泥的處理技術主要包括污泥干化、濃縮脫水、厭氧消化、好氧發酵等,污泥的處置方式主要包括填埋、土地利用、建材利用、焚燒以及其他。

        目前,發達國家污泥處置技術相對成熟,法律體系亦較完善。歐洲地區污泥處置從土地利用和填埋逐步發展到焚燒,北美地區污泥處置一直以農用和焚燒為主,而日本污泥處置受土地限制主要以焚燒后建材利用為主。表1為國外發達國家污泥主要處理方法。

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        我國城鎮污泥處理以土地填埋為主,各主要城市填埋場均已接近飽和,逐漸形成了“污泥圍城”現象。隨著城市環保政策的日益嚴格,會逐步降低城鎮污泥直接填埋處理的比例。同時由于大多市政的工業和生活污水共用同一管網,導致污泥中各種重金屬含量較高,土地利用受到限制。相比之下,污泥焚燒不僅能消滅有害物質,而且將大幅減小污泥體積,能夠實現污泥的無害化處理,是最具前景的污泥處置方式之一。

        燃煤機組耦合污泥發電作為一種污泥焚燒利用形式,具有處理能力大、適應性強、系統效率高等獨特優勢,近年來得到了廣泛的關注。國家能源局在2017年提出“重點在直轄市、省會城市、計劃單列市等36個重點城市和垃圾、污泥產生量大,土地利用較困難或空間有限,以填埋處置為主的地區,優先選取熱電聯產煤電機組,布局燃煤耦合垃圾及污泥發電技改項目”,并首批批準了42個污泥耦合發電示范項目。

        1、污泥干化

        大多數城市污水處理廠濃縮脫水后的污泥中全水在80%左右,需要對污泥進行干化處理,將全水降至40%以下,使污泥由流動狀態轉化為顆粒狀或粉狀,通過輔助燃料或外來熱量才能實現燃燒。

        污泥的干化技術主要有熱干化、自然干化或太陽能干化、生物干化、加鈣干化等。熱干化是目前比較成熟的污泥干化技術,可以分為直接干化、間接干化、直接-間接聯合干化等。直接干化是通過向干化設備提供熱煙氣或熱風等干燥熱源,使污泥與干燥熱源直接接觸,使污泥中水分吸熱蒸發,污泥外部水分揮發,而內部水分在水分梯度推動力的作用下,從內向外傳遞,然后在污泥表面釋放;間接干化是采用蒸汽或導熱油等作為熱源通過加熱管與污泥間接接觸,通過傳熱使污泥水分在接觸表面因受熱而蒸發,同時溫度梯度推動污泥水分從接觸面向空氣傳遞,在污泥表面進行釋放;直接間接聯合干化是直接接觸加熱和間接接觸加熱兩種方式相結合的干化技術,如流化床干化技術。

        污泥的干化過程不僅有水分的蒸發,還伴隨著污染物惡臭氣體的釋放,主要包括含硫氣體H2S、SO2、COS、CS2、CH3SH等(其中H2S、SO2占82.4%)、少量含氮氣體NH3、HCN、NOx等以及其他揮發性有機物,如果直接排放會造成巨大危害。因此,污泥干化的同時還需同步考慮惡臭氣體的無害化處理。研究表明,污泥調理技術和低溫干燥能降低污泥干化過程中污染物的釋放。

        2、污泥主要煤質指標

        表2為典型污泥及干化污泥與典型煤種的主要煤質參數對比。

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        由表2可以看出:污泥及干化污泥的灰熔點較低,與國內典型褐煤和侏羅紀煙煤接近;濕污泥的全水普遍在80%左右,干燥無灰基揮發分在90%左右,收到基低位發熱量基本為負;干化污泥的水分降低,灰分增加,熱值升高;污泥的全水Mt降低至40%以下,基本與國內年輕褐煤接近,但揮發分仍明顯偏高;干化污泥整體上屬于高水分、高灰分、高揮發分、低熱值、嚴重結渣燃料。

        3、燃煤機組耦合污泥發電工藝

        燃煤機組耦合污泥發電技術主要利用機組的熱煙氣或蒸汽作為熱源,采用直接干化或者間接干化工藝對污泥進行干化處理后摻燒發電。燃煤機組耦合污泥發電主要工藝包括污泥直接摻燒、煙氣直接干化污泥和蒸汽間接干化污泥耦合發電。

        3.1 污泥直接摻燒

        圖1為污泥直接摻燒耦合發電工藝流程。污水處理廠污泥經罐車輸送至電廠污泥池,污泥通過污泥池底部隔離閥、啟動液壓滑架使污泥落入底部預壓螺旋輸送機,通過預壓螺旋輸送機將污泥送至活塞泵內,由活塞泵增壓后,通過管道送至循環流化床(CFB)鍋爐燃燒,或在輸煤皮帶上方落料口使污泥平鋪在原有煤層上(煤粉鍋爐)。

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        污泥直接摻燒耦合發電技術直接、簡單,設備投資及運行維護最小,適用于污泥摻燒量低于200t/d的鍋爐。由于污泥未進行干化處理,可以有效避免惡臭氣體的產生,但高水分的污泥在上煤皮帶上與煤摻混時要盡量均勻,避免因混合不均造成某一時間內高水分污泥大量進入制粉系統造成堵塞或者干燥出力不足,從而對鍋爐運行產生不良影響。

        3.2 煙氣直接干化污泥

        圖2為煙氣直接干化污泥耦合發電工藝流程。該工藝采用鍋爐高溫低氧煙氣作為熱源對污泥進行干化,干化后的污泥通過料倉送入磨煤機內與煤摻混,干化后的煙氣(含污泥蒸發的水分以及惡臭氣體)通過獨立管道送入鍋爐爐膛上部燃燒或尾部污染物處理系統。

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        鍋爐爐膛高溫環境可以消解污泥中的有毒有害物質和干化過程中產生的惡臭氣體,鍋爐配備的脫硫脫硝除塵設備可以完全滿足污泥燃燒后的排放要求。但如果污泥摻燒比例太高,所需煙氣量較大,則可能對鍋爐熱力系統產生影響,造成汽溫不足。因此,該工藝的選取需要結合機組熱力計算綜合確定。

        3.3 蒸汽間接干化污泥

        圖3為蒸汽間接干化污泥耦合發電工藝流程。

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        該工藝采用機組汽輪機抽汽作為熱源,在污泥干化設備內與污泥間接接觸換熱,蒸汽放熱變為凝結水后返回機組汽水系統,污泥干化后經過降溫進入污泥干化倉送至煤場或上煤皮帶與煤摻混后送入制粉系統。污泥干化過程中產生的廢氣經除塵器除去大部分固體顆粒,再進入冷凝器與冷卻水換熱,不凝結廢氣經風機送入鍋爐焚燒,凝結廢水送入廢水處理廠進行處理后達標排放。蒸汽間接干化污泥耦合發電工藝對鍋爐運行的影響小,特別是污泥摻燒比例較大時優勢明顯,但對凝結廢水處理難度大,而且系統較為復雜,投資成本較高。

        3.4 不同污泥耦合發電工藝技術經濟性對比

        表3為3種主要的燃煤機組耦合污泥發電工藝技術經濟性對比。由表3可以看出,污泥直接摻燒、煙氣直接干化污泥以及蒸汽間接干化污泥耦合發電技術工藝各具特點,均具有其技術可行性和適用范圍,具體應結合當地污泥處理量、摻燒要求、機組實際運行情況以及與污泥摻燒量的匹配性等進行綜合分析確定。

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        4、耦合污泥發電對機組的影響

        4.1 污染物排放

        污泥摻燒會對鍋爐運行產生一定的影響。實驗研究表明,對于CFB鍋爐,適當提高爐膛溫度和降低干化污泥的水分,有利于控制NOx以及丙烷等有機污染物生成。摻燒試驗表明:干化污泥摻燒比例增加1%,爐內溫度降低約5℃,鍋爐效率降低0.78%,煙氣中NOx減少1.9%,HCl增加3.33%;污泥摻燒比例不超過15%,排煙中污染物NOx、Hg、二噁英等均不超標。實驗及模擬研究表明:對于煤粉鍋爐,污泥摻燒比例在一定范圍內,混煤的燃燒特性與煤相似;但比例超過20%以后,入爐水分大幅增加會造成爐膛溫度場降低,燃盡效果變差,NOx質量濃度大幅上升。摻燒試驗表明:隨著污泥摻燒比例增加,主燃燒區溫度下降,爐膛出口飛灰含碳量上升,NOx增加;摻燒比例在20%以內,鍋爐爐內流動、燃燒和污染物排放特性改變較小。

        4.2 重金屬排放

        城鎮污泥中含有Hg、As、Cu、Zn、Cd、Ni、Cr、Pb和Mn等有毒有害重金屬,這些重金屬在燃燒過程中不易揮發的部分會被固定從大渣排出,易揮發的部分被吸附在飛灰中被捕集或隨煙氣排放。研究結果表明:燃燒溫度與HCl會促進重金屬向飛灰中遷移,大部分重金屬元素隨著溫度的升高殘留率降低;重金屬中Hg、As通常以氣態形式存在煙氣中,Pb、Cd通常以氣固兩相形式出現,而Cu、Cr和Zn等基本富集在底渣中;摻燒污泥會造成灰渣中重金屬含量有一定幅度的升高,但總體上,污泥摻燒比例通常在10%以內,煙氣中主要污染物及重金屬濃度可以滿足現行國家排放標準要求,灰渣也無需處理便可進行綜合利用。

        5、結論

        1)燃煤機組耦合污泥發電是城鎮污泥減量化、穩定化、無害化和資源化處理利用的有效途徑。

        2)干化污泥屬于高水分、高灰分、高揮發分、低熱值、嚴重結渣燃料。污泥直接摻燒、煙氣直接干化污泥和蒸汽間接干化污泥耦合發電等工藝各具特點,均具有其技術可行性和適用范圍,具體應結合當地污泥處理量、摻燒要求、機組實際運行情況以及與污泥摻燒量的匹配性等進行綜合分析確定。

        3)只要污泥摻燒比例控制在10%以內,燃煤機組可以摻燒污泥燃燒,而且鍋爐運行穩定,飛灰大渣品質變化不大,污染物及重金屬排放達標。(來源:四川省電力工業調整試驗所,西安熱工研究院有限公司)

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