发布时间: 2019-04-10
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DOI: 10.3969/j.issn.1006-4729.2019.02.002
2019 | Volume 35 | Number 2

污泥与煤炭掺烧的特性及其研究进展

吴江¹, 余凌洁², 张会¹, 关昱¹, 张霞¹

1. 上海电力学院, 上海 200090;

2. 上海外高桥发电有限公司, 上海 200137

收稿日期: 2018-08-05

基金项目: 国家自然科学基金(21237003, 50806041);上海市自然科学基金(18ZR1416200)

中图法分类号: TK227

文献标识码: A

文章编号: 1006-4729(2019)02-0107-04

摘要

随着中国城市化进程的逐渐加快, 污泥产量迅速增加, 但污泥无害化处理率仍很低, 因此污泥的减量、无害处理以及资源利用十分紧迫。污泥焚烧是实现最大体积减小的污泥处置方法之一。在发达国家和地区, 污泥焚烧工艺已逐渐成熟。综述了污泥焚烧技术的现状, 对国内外包括电厂掺烧污泥在内的典型污泥焚烧系统进行了评价, 并讨论了燃煤电厂污泥混烧技术的未来发展方向。

关键词

燃煤电厂; 污泥; 掺烧; 焚烧设备

Characteristics of Sludge and Coal Co-combustion and Its Research Progress

WU Jiang¹, YU Lingjie², ZHANG Hui¹, GUAN Yu¹, ZHANG Xia¹

1. Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China;

2. Shanghai Waigaoqiao Power Generation Co., Ltd., Shanghai 200137, China

Abstract

With the gradual acceleration of urbanization in China, the sludge production is increasing rapidly, but the innocuous treatment rate of sludge is still very low, so the situation of sludge reduction, harmless and resource utilization is urgent.Sludge incineration is one of the me-thods of sludge disposal which can achieve maximum volume reduction.The present situation of sludge incineration technology, reviews typical sludge incineration systems at home and abroad are summarized, including power plant mixed sludge incineration system, and the future development direction of coal-fired power plant mixed sludge incineration technology is discussed.

Key words

coal-fired power plant; sewage sludge; co-combustion; incineration equipment

近年来, 我国的污染水处理产业有了长足的发展, 在治理水污染方面起到了十分重要的作用。然而, 污水处理厂产生的污泥问题日益突出^[1]。污泥是污水处理的伴生产物, 含水率高, 体积庞大, 组成成分极其复杂且难以处理。污泥的处置方式可以归纳为填埋、堆肥、焚烧、土地利用和建材利用等^[2]。填埋弃置的处置方式成本较低, 操作简便, 是最常用的污泥处置方式之一, 但极易造成二次污染, 且大量土地资源被占用。堆肥法费时较长, 占地大, 臭味大。由于城市污泥通常含有较高浓度的重金属, 其堆肥后的产品以园林绿化用途为主, 不能用于农业生产。土地利用法是将经过处理后的污泥作为农用泥土或者园林绿化泥土。建材利用法是将污泥制成轻质材料、建筑砖、水泥、陶粒等加以利用^[3]。

污泥焚烧一般是指将污泥脱水或者干燥后, 送入焚烧炉进行焚烧。直接焚烧要求污泥满足一定的含水率、低位发热量、酸碱度、可燃有机物含量等。鉴于此, 通常将直接焚烧技术应用于污泥处置时, 需要先将污泥进行一定程度的干燥处理。而且, 可以使用焚烧污泥产生的尾部废气作为热源干燥污泥, 这样可以减少高热废气给环境带来的热污染, 还能显著提升能量利用效率^[4-6]。只要工艺选择恰当、设施设备运行良好、操作运行规范时, 甚至可以减少或者不添加辅助燃料, 实现污泥焚烧的稳定燃烧。

将具有较好燃烧特性的其他燃料(如煤、生活垃圾、生物质等)与污泥进行混合燃烧也是污泥焚烧方式的一种。混合燃烧设备不需要配套的干燥系统, 只需要额外建立污泥与燃料的混合输送系统即可, 系统简单, 操作方便, 运营成本也大大降低^[7]。因此, 在许多污泥处理方法中, 焚烧技术被认为是最有发展潜力的方法之一。结合我国的实际情况, 污泥与火电厂煤粉锅炉掺混燃烧的处理方法是比较可行的。

1 污泥焚烧设备

发展初期, 炉排炉、带式炉、流化床、回转窑炉和旋风炉等多用于污泥的焚烧。随着科技的发展, 流化床锅炉逐渐取代最早的多段竖炉, 并发展出道尔奥利弗型、回旋型、干燥段型等, 逐渐成为污泥焚烧的主流设备^[8-10]。

流化床技术应用于污泥焚烧具有以下优点^[11]:流化床锅炉床料自身储热能力强, 在运行过程中, 床料处于湍动状态, 因此床料之间的热量传递可瞬间完成, 容易实现温度场和物料场的均匀分布; 质量交换和热量传递速率快, 当出现局部低温或高温时, 热量能够瞬间从其他床料处传来, 使床内温度重新恢复均匀, 因而能够对床内温度实现较好的把控; 流化床的构造并不复杂, 且其燃烧效率高, 在较低的过量空气系数条件下依然能够保持流化态燃烧, 稳定性较好; 燃料适应性好, 能广泛应用于各种特质的燃料, 在处理含有大量易挥发物质(如含油污泥等)时, 也不存在爆炸的风险; 能够有效降低SO₂和NO_x等酸性气体的排放, 在环保方面具有重大意义。

在各类焚烧装置中, 对于污泥的焚烧处理, 流化床焚烧炉不仅能够有效地解决污泥本身的一些缺点, 如细颗粒含量较高、燃烧不充分以及不稳定等问题, 而且在烟气排放方面, 能降低酸性气体含量, 抑制二噁英的生成, 若配合适当的尾气洁净处理系统, 则完全可以满足环保要求。因此, 在燃煤电厂进行污泥掺烧时, 流化床焚烧设备得到了广泛的应用。

2 燃煤电厂掺烧污泥的研究现状与典型污泥焚烧案例

2.1 燃煤电厂混合燃烧污泥的研究现状

污泥焚烧工艺在20世纪90年代以后逐渐成熟。在德国、丹麦、日本等许多发达国家, 焚烧处理法得到了迅速发展, 且应用非常广泛。随着国际环保标准的提高, 污泥焚烧法因具有减量和无害化的优势, 受到越来越多研究者和企业的重视^[12]。

OGADA T等人^[13]研究了流化床中湿污泥颗粒的燃烧过程。在加热过程中, 污泥中80%的碳析出, 污泥的焚烧主要是一个气相焚烧的过程。段峰等人^[14]研究了不同煤种与污泥之间的掺烧状况, 结果发现, 混合燃料各有其最优掺烧比。LECKNER B等人^[15]分别在两种不同规格的循环流化床锅炉上进行了污泥与煤和生物质的混合燃烧实验。结果表明, 当污泥掺混比少于25%时, 污泥与煤或生物质在循环流化床内的掺混燃烧可以实现气相污染物的有效控制, 并满足欧盟和德国的排放标准要求。时正海等人^[16]在1 MWth循环流化床燃烧试验平台上对污泥和煤混合燃料进行了燃烧试验, 并对燃烧过程中产生的酸性气体、二噁英和飞灰等气相污染物进行了监测。结果表明, 进行炉内脱硫处理时, 可以将污染物控制在国家排放标准以内。高颖佳^[17]研究对比了污泥与煤在不同混合比例和不同煅烧温度下灰渣的特性。结果表明, 赤铁矿和钙长石的存在导致混合物料的熔融温度降低, 而煤灰中莫来石的存在会使混合物的熔融温度增加。

国外关于污泥直接焚烧和混合燃烧的实验研究开始得较早, 发展时间也较长, 在具体工程应用方面处于领先水平。近年来, 国内也陆续启动了污泥直接焚烧和混合燃烧项目的研究, 总体来说, 污泥焚烧的理论研究取得了一定的进展, 但仍有提升的空间。随着国家政策导向和固废处理的迫切要求, 污泥焚烧技术, 尤其是对污泥与煤的掺烧进行进一步的研究和发掘很有必要。

2.2 国内外污泥焚烧案例简介

目前, 国内外已经有很多使用不同的干化焚烧工艺系统的实际工程案例。

(1) 西格斯污泥焚烧系统^{[5, 18]} 比利时西格斯焚烧炉排控制系统使用SHA多级顺推炉式排炉, 能够分离水平运动(输送动作)和垂直运动(翻搅、通风动作), 滑动炉排不仅能控制污泥层厚度以及停留时间, 还能搅动污泥层。系统根据炉排上的燃烧情况调节分级送风, 实现温度控制、分级燃烧等功能, 可使污泥充分燃烧, 而且可以在空气过剩系数较低的情况下运行, 并能降低CO和NO_x的排放量。

(2) 日本田熊SN型炉排炉^[19] 该系统具有足够的炉排区域, 内置两个台阶, 污泥在炉内翻滚并燃烧, 且炉内通风能力较好。系统通过调节每个独立驱动单元的速度, 可以控制灰层和污泥的厚度, 并且供气管不受污泥层厚度的影响。每个炉条后有鳍状物, 用来提高炉条冷却效率, 防止炉条燃烧。

(3) 上海石洞口污泥干化焚烧项目^[20] 石洞口污水处理厂采用的是对污泥先进行脱水、低温干化后, 在循流化床系统内进行高温焚烧的一体化串联系统。烟气中的热量以蒸汽或其他方式回收用于干燥系统。该工艺可以达到系统能量的自平衡, 取得了较好的效果, 并稳定运行了多年。

(4) 浙江萧山污泥干化焚烧工程^[21] 该工程采用新型预热处理技术、高效安全的雾化干燥系统和回转式焚烧炉系统的集成系统。回转焚烧炉的炉内燃烧温度控制在850 ℃以上, 可以从焚烧源头控制二噁英的产生, 并在焚烧的全过程安装分布式控制系统, 有利于项目实施单位对焚烧系统运行的监控, 以及监管方时刻监控其炉温与排放情况, 实现了对污泥干燥焚烧尾气高效处理和二噁英的有效控制, 而且湿污泥经干化焚烧(加煤)后产生的泥渣量约为10%, 泥渣可用于水泥生产、制砖、填路基等。采用污泥干燥焚烧一体化技术, 可以降低污泥处理的处置成本。

3 燃煤电厂掺烧污泥存在的问题

3.1 成本问题与燃料特性对掺烧的影响

运行成本和能耗可以反映污泥焚烧技术水平和能量利用效率, 也是判断系统优劣的重要参数。制约其发展的主要因素之一是较高的投资运行成本, 比如污泥在焚烧时还应同步建设相应的烟气处理设施, 以保证烟气排放满足国家标准^[22]。

污泥含水率与热值息息相关^[23], 如表 1所示。污泥含水率过大与煤粉过湿造成的后果相同, 但要降低污泥的含水量, 系统耗能将增加。当污泥的热值高且含水率低时, 可以减少辅助燃料的投入, 降低额外燃料成本; 当污泥的热值低且含水率高时, 则需要更多的辅助燃料输入, 将会大大增加运行成本^[24]。

表 1 含水率与热值的关系

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含水率/%	热值/ (kJ·kg^-1)	含水率/%	热值/ (kJ·kg^-1)
90	-951	40	6 562
80	553	30	8 066
70	2 057	20	9 566
60	3 557	10	11 070
50	5 057	0	12 570

3.2 环境污染与能量回收问题

由于污泥中含有多种污染物, 焚烧后烟气中也相应含有多种复杂的有害污染物(如NO_x, SO_x, HCl, 二噁英等)以及烟尘。污泥的污染物将会给环境安全和公众健康带来一定的影响。

污泥焚烧会产生大量的热量, 但目前污泥能量回收率依然较低。掺烧过程中, 过量空气系数增大, 烟气量增加, 导致烟气流速较大, 这不仅会造成能量的浪费, 还将会给烟气通道内的设备带来严重的磨损和腐蚀^[25]。提高污泥焚烧能源的回收率和利用率, 既可以降低污泥处理设备的投入和后期维修的费用, 又可以有效利用污泥热量, 避免能源的浪费。

3.3 污泥的燃烧稳定性问题

污泥掺烧比例较低, 一般不会影响锅炉的稳定运行, 对粉煤灰的综合利用影响不大, 也不会对锅炉烟气的达标排放产生影响。但是污泥热值一般都低于煤炭的热值。随着污泥掺烧量的增加, 炉膛内热量的下降将导致烟气出口温度降低。另外, 污泥中的挥发性物质含量相对较高, 主要燃烧区域略向炉膛上部移动, 烟气温度分布不均匀, 在低负荷运行时, 这可能导致锅炉运行不稳定^[26-27]。因此, 需要研究燃煤锅炉在不同运行工况下, 合适的污泥掺烧量和燃烧过程的优化调整, 使炉膛燃烧稳定, 达到最佳运行状态。

4 燃煤电厂掺烧污泥的发展趋势

目前, 污泥的无害化处理以及资源化利用还处于探索阶段, 焚烧和填埋仍将会在一定时间内成为我国污泥处理的主要渠道。总体来看, 降低污泥掺烧成本、控制污泥燃料特性、注重环境污染问题、提高能源回收利用率是未来污泥掺烧技术的主要研究方向。污泥是一种很有利用价值的潜在资源, 为了充分利用这种资源, 减少环境危害, 许多国家都在大力发展污泥处置和利用技术。虽然目前燃煤电厂掺烧污泥技术存在上述一些问题, 但是根据国情, 结合实际情况, 综合考虑掺烧工艺和污泥的特点, 随着科学技术的发展和研究的深入, 污泥的无害化掺烧必将成为未来最具潜力的处置方法。

5 结论

(1) 城市污水来源复杂、广泛, 任何点源的间歇性排放, 都可能使掺烧产生的污染物排放数据大幅跳跃, 而每批污泥都进行实时检测是难以做到的。因此, 燃煤电厂掺烧污泥成为污泥处置的发展方向仍需进行大量的研究和试验。

(2) 虽然燃煤电厂污泥掺烧仅建立污泥输送系统, 省却污泥干化系统的投资与建设, 系统简单, 操作较为方便, 但污染处理费用及设备损坏维修费用高昂是制约其发展的主要因素, 尚需要相应的政策扶持。

(3) 燃煤电厂污泥掺烧处理技术仍需进一步提升以降低处理成本。要真正做到无害化的污泥处置, 需要政府、研究机构、电厂和污水处理厂等共同努力, 建立相应的法律法规, 合理规划, 统筹考虑, 以解决我国污泥无害化处理的问题。

参考文献

[1]

中国城市污水厂污泥处置现状研究[J]. 环境科学与管理, 2015, 40(4): 86-89. DOI:10.3969/j.issn.1673-1212.2015.04.022

[2]

制革污泥的处理方法与资源化[J]. 上海电力学院学报, 2012, 28(2): 138-142.

[3]

我国城镇污泥处理处置现状及思考[J]. 给水排水, 2012, 38(2): 1-5. DOI:10.3969/j.issn.1002-8471.2012.02.001

[4]

几种垃圾焚烧炉及炉排的介绍[J]. 环境卫生工程, 2002, 10(2): 77-80. DOI:10.3969/j.issn.1005-8206.2002.02.009

[5]

TAIB M R, HUPHROY M, NASSERZADEH V, et al. Investigation of sludge waste incineration in a novel rotating fluidized bed incinerator[J]. Process Safety & Environmental Protection, 1999, 77(5): 298-304.

[6]

城市污泥焚烧工艺研究进展[J]. 环境工程, 2014, 32(6): 88-92.

[7]

燃煤烟气污染物脱除技术研究进展[J]. 上海电力学院学报, 2018, 34(3): 277-282.

[8]

城市污水处理厂脱水污泥的焚烧处置[J]. 中国给水排水, 2006, 22(18): 68-71. DOI:10.3321/j.issn:1000-4602.2006.18.020

[9]

贪小银, 吕清刚, 那永杰, 等.循环流化床污泥焚烧一体化工艺的研究与应用[J].环境工程2007, 25(4): 56-58.

[10]

丹麦Lundtofte污水处理厂的运行和管理[J]. 中国给水排水, 2008, 24(8): 104-108. DOI:10.3321/j.issn:1000-4602.2008.08.028

[11]

杨东娟.城市污水处理厂污泥处理研究[D].西安: 长安大学, 2015.

[12]

我国市政污泥干化焚烧技术及应用[J]. 中国市政工程, 2016(3): 45-48. DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2016.03.014

[13]

OGADA T, WERTHER J. Combustion characteristics of wet sludge in a fluidized bed: Release and combustion of the volatiles[J]. Fuel, 1996, 75(5): 617-626. DOI:10.1016/0016-2361(95)00280-4

[14]

市政污泥与不同烟煤混合燃烧特性[J]. 环境工程学报, 2012, 6(8): 2865-2869.

[15]

LECKNER B, ÅMAND L E, L CKE K, et al. Gaseous emissions from co-combustion of sewage sludge and coal/wood in a fluidized bed[J]. Fuel, 2004, 83(4/5): 477-486.

[16]

时正海, 高洪培, 王鹏利, 等.污泥混合燃料在1MWth循环流化床试验台的燃烧特性及污染物排放特性[C]//中国给水排水2012中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会论文集, 大连, 2012: 129-132.

[17]

高颖佳.污泥/煤灰渣物相变化与熔融特性研究[D].长沙: 长沙理工大学, 2011.

[18]

德国斯图加特市污水处理厂污泥焚烧工艺[J]. 中国环保产业, 2004(5): 38-40. DOI:10.3969/j.issn.1006-5377.2004.05.018

[19]

循环流化床锅炉在污泥焚烧中的工艺特性的研究[J]. 锅炉制造, 2008(4): 69-71. DOI:10.3969/j.issn.1674-1005.2008.04.023

[20]

我国污泥焚烧技术的比较与分析[J]. 能源工程, 2011(1): 52-56. DOI:10.3969/j.issn.1004-3950.2011.01.013

[21]

污泥焚烧处理成本分析[J]. 环境工程, 2009, 27(5): 103-109.

[22]

城市污水处理厂污泥与煤在工业锅炉内的混烧[J]. 上海电力学院学报, 2004, 20(2): 44-48.

[23]

污泥干化焚烧技术研究[J]. 设计技术, 2010(3): 12-14.

[24]

LUAN J, LI R, ZHANG Z, et al. Influence of chlorine, sulfur and phosphorus on the volatilization behavior of heavy metals during sewage sludge thermal treatment.[J]. Waste Management & Research, 2013, 31(10): 1012.

[25]

屈年凯, 园田健一, 熊诚, 等.日本污泥干化焚烧40年的处置经验引发对中国污泥市场的思考[C]//中国城镇水务发展国际研讨会暨中国城镇供水排水协会2009年年会论文集, 昆明, 2009: 740-751.

[26]

生活垃圾焚烧厂SCR低温催化剂运行案例分析[J]. 上海电力学院学报, 2018, 34(3): 287-290.

[27]

JIANG J G, DU X J, YANG S H. Analysis of the combustion of sewage sludge-derived fuel by a thermogravimetric method in China[J]. Waste Management, 2010, 30(7): 1407-1413. DOI:10.1016/j.wasman.2010.03.009