燃煤机组耦合污泥发电技术

城市污泥虽然富含有机质和多种营养元素，但也含有大量的致病菌、寄生虫卵、重金属、多环芳烃等有毒有害物质。污泥处理技术主要包括污泥干燥、浓缩脱水、厌氧消化、好氧发酵等。污泥处置方法主要包括填埋、土地利用、建筑材料利用、焚烧和其他。

目前，发达国家的污泥处置技术比较成熟，法律体系也比较完善。在欧洲，污泥处置已从土地利用和填埋逐渐发展到焚烧，而在北美，污泥处置一直主要用于农业和焚烧，而在日本，污泥处置受土地限制，主要用于焚烧后的建筑材料利用。表1显示了国外发达国家主要的污泥处理方法。

填埋是我国城市污泥处理的主要方式，各大城市垃圾填埋场接近饱和，逐渐形成“污泥围城”现象。随着城市环保政策的日益严格，城市污泥直接填埋处理的比例将逐步降低。同时，由于大部分城市工业和生活污水共用同一管网，污泥中各种重金属含量高，土地利用受限。相比之下，污泥焚烧不仅可以消除有害物质，还可以大大减少污泥的体积，实现污泥的无害化处理，是最有前途的污泥处置方法之一。

燃煤机组耦合污泥发电作为污泥焚烧利用的一种形式，具有处理量大、适应性强、系统效率高等独特优势，近年来受到广泛关注。2017年，国家能源局提出“直辖市、省会城市、计划单列市等36个重点城市和垃圾污泥量大、用地困难或空间有限、以填埋处置为主的地区，优先选择热电联产燃煤发电机组，布局燃煤耦合垃圾污泥发电技改项目”，首批批准了42个污泥耦合发电示范项目。

1.污泥干燥

大多数城市污水处理工厂都有浓缩脱水污泥，总含水量约为80%。需要对污泥进行干燥处理，使其总含水量降至40%以下，使污泥由流动状态变为颗粒状或粉末状，燃烧只能靠辅助燃料或外加热量来实现。

污泥干燥技术主要包括热力干燥、自然干燥或太阳能干燥、生物干燥、钙干燥等。热干化是目前比较成熟的污泥干化技术，可分为直接干化、间接干化、直接-间接联合干化等。直接干燥是指通过向干燥设备提供热烟气或热空气等干燥热源，使污泥与干燥热源直接接触，使污泥中的水分吸热蒸发，污泥外部的水分挥发，而内部的水分在水分梯度的推动下从内部向外部转移，然后在污泥表面释放；间接干燥是指以蒸汽或导热油为热源，通过加热管与污泥间接接触，通过传热使污泥水分在接触面上蒸发，而温度梯度推动污泥水分从接触面转移到空气中，在污泥表面释放。间接组合干燥是直接接触加热和间接接触加热相结合的干燥技术，如流化床干燥技术。

污泥的干化过程不仅是水分的蒸发，也是污染物恶臭气体的释放，主要包括含硫气体，如H2S、SO2、COS、CS2、CH3SH等。(其中H2S和SO2占82.4%)，少量含氮气体如NH3、HCN、NOx等挥发性有机物，如果直接排放会造成很大危害。因此，有必要在污泥干化的同时考虑恶臭气体的无害化处理。研究表明，污泥调理技术和低温干燥可以减少污泥干燥过程中污染物的释放。

2.污泥的主要煤质指标

表2显示了典型污泥、干污泥和典型煤的主要煤质参数的比较。

从表2可以看出，污泥和干化污泥的灰熔点较低，接近我国典型褐煤和侏罗纪烟煤的灰熔点；湿污泥的总含水量一般在80%左右，干无灰挥发分在90%左右，低碱处热值基本为负值。干化污泥含水率降低，灰分增加，热值增加。污泥中总水分Mt降至40%以下，基本接近国内年轻褐煤，但挥发分仍明显偏高。干化污泥总体上属于高水分、高灰分、高挥发份、低热值、结渣严重的燃料。

3.燃煤机组耦合污泥发电工艺

燃煤机组耦合污泥发电技术主要是利用机组的热烟气或蒸汽作为热源，采用直接干燥或间接干燥工艺将污泥干燥后与燃烧混合进行发电。燃煤机组耦合污泥发电的主要工艺有污泥直接混合、烟气直接干化污泥和蒸汽间接干化污泥耦合发电。

3.1污泥直接混合燃烧

图1显示了污泥直接燃烧耦合发电的工艺流程。污水处理工厂污泥由罐车运输至电厂污泥池。污泥通过污泥罐底部的隔离阀落入底部预压螺旋输送机，液压小车启动。污泥通过预压螺旋输送机送入活塞泵，经活塞泵加压后，通过管道送入循环流化床(CFB)锅炉燃烧，或在输煤皮带上方的出料口将污泥平铺在原煤层(煤粉锅炉)上。

污泥直接掺烧耦合发电技术直接简单，设备投资和运行维护费用最低，适用于污泥掺烧量小于200 t/d的锅炉，由于污泥未经干燥，可有效避免恶臭气体的产生。但高水分污泥在给料皮带上与煤混合时，应尽可能均匀，避免因混合不均匀，在一定时间内大量高水分污泥进入制粉系统而造成堵塞或干燥出力不足，对锅炉运行产生不利影响。

3.2烟气直接干燥污泥

图2显示了烟气直接干燥污泥的耦合发电过程。在该工艺中，利用锅炉的高温低氧烟气作为热源来干燥污泥。干化后的污泥通过料仓送入磨煤机与煤混合，干化后的烟气(包括污泥蒸发的水分和恶臭气体)通过独立管道送入锅炉炉膛上部燃烧或尾部污染物处理系统。

锅炉炉膛的高温环境可以消除污泥中的有毒有害物质和干化过程中产生的恶臭气体，锅炉配备的脱硫脱硝除尘设备完全可以满足污泥燃烧后的排放要求。但如果污泥混烧比例过高，所需烟气量大，可能会影响锅炉热力系统，造成汽温不足。因此，该工艺的选择需要结合机组的热力计算综合确定。

3.3通过蒸汽间接干燥污泥

图3是蒸汽间接干化污泥耦合发电的工艺流程。

该工艺利用机组汽轮机抽汽作为热源，与污泥干燥设备中的污泥间接接触换热。蒸汽放热后成为冷凝水，返回机组汽水系统。污泥干燥后，冷却后送至煤场，或由给煤皮带与煤混合后送至制粉系统。污泥干化过程中产生的废气通过除尘器去除大部分固体颗粒，然后废气进入冷凝器与冷却水进行热交换。不凝性废气由风机送至锅炉焚烧，冷凝后的废水送至污水处理厂处理后达标排放。蒸汽干化污泥耦合发电工艺对锅炉运行影响较小，特别是污泥掺烧比例较大时优势明显，但浓缩废水处理难度大，系统复杂，投资成本高。

3.4不同污泥耦合发电工艺的技术经济比较

表3显示了三种主要燃煤机组耦合污泥发电工艺的技术和经济比较。从表3可以看出，污泥直接混合燃烧、烟气直接干化污泥和蒸汽间接干化污泥耦合发电技术各有特点，都有其技术可行性和适用范围，应根据当地污泥处理能力、混合燃烧要求、机组实际运行情况以及与污泥混合燃烧能力的匹配等综合分析确定。

4.耦合污泥发电对机组的影响

4.1污染物排放

污泥混烧会对锅炉运行产生一定的影响。实验结果表明，对于CFB锅炉，适当提高炉膛温度和降低干污泥含水率有利于控制NOx和丙烷等有机污染物的生成。混烧试验表明，干污泥混烧率提高1%，炉温降低约5℃，锅炉效率降低0.78%，烟气中NOx降低1.9%，HCl升高3.33%。污泥掺入比例小于15%，废气中NOx、Hg、二恶英等污染物达标。实验和模拟研究表明，对于煤粉锅炉，混煤的燃烧特性与煤相似，污泥的掺入比例在一定范围内。但当该比例超过20%时，炉膛温度场会降低，燃尽效果变差，NOx的质量浓度会大大增加。混燃试验表明，随着污泥混燃比例的增加，主燃区温度降低，炉膛出口飞灰含碳量增加，NOx增加。当掺混比小于20%时，炉内流动、燃烧和污染物排放特性变化不大。

4.2重金属排放

城市污泥中含有汞、砷、铜、锌、镉、镍、铬、铅、锰等有毒有害的重金属。这些重金属的不挥发部分会在燃烧过程中被固定并从炉渣中排出，而挥发部分会被吸附在飞灰中，被捕集或随烟气排出。结果表明，燃烧温度和HCl能促进重金属向飞灰中的迁移，随着温度的升高，大部分重金属元素的残留率降低。重金属Hg、As通常以气态形式存在于烟气中，Pb、Cd通常以气固两相形式出现，而Cu、Cr、Zn基本富集在底渣中。焚烧污泥会在一定程度上增加灰渣中重金属的含量，但总体来看，污泥焚烧的比例通常小于10%，烟气中主要污染物和重金属的浓度能够满足国家现行排放标准的要求，灰渣可以不经处理综合利用。

5.结论

1)燃煤机组耦合污泥发电是城市污泥减量化、稳定化、无害化和资源化的有效途径。

2)干污泥是一种高水分、高灰分、高挥发份、低热值、结渣严重的燃料。污泥直接掺混、烟气直接干化污泥、蒸汽间接干化污泥耦合发电等工艺各有特点，都有其技术可行性和适用范围。具体应根据当地污泥处理能力、掺配要求、机组实际运行情况以及与污泥掺配能力的匹配等综合分析确定。

3)只要污泥掺混比控制在10%以内，燃煤机组就可以掺烧污泥，锅炉运行稳定，飞灰炉渣质量变化不大，污染物和重金属排放达标。(资料来源:四川省电力工业调整试验研究院、Xi安热工研究院有限公司)

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