城市污泥雖然富含有機(jī)質(zhì)和多種營(yíng)養(yǎng)元素，但也含有大量的致病菌、寄生蟲(chóng)卵、重金屬、多環(huán)芳烴等有毒有害物質(zhì)。污泥處理技術(shù)主要包括污泥干燥、濃縮脫水、厭氧消化、好氧發(fā)酵等。污泥處置方法主要包括填埋、土地利用、建筑材料利用、焚燒和其他。

目前，發(fā)達(dá)國(guó)家的污泥處置技術(shù)比較成熟，法律體系也比較完善。在歐洲，污泥處置已從土地利用和填埋逐漸發(fā)展到焚燒，而在北美，污泥處置一直主要用于農(nóng)業(yè)和焚燒，而在日本，污泥處置受土地限制，主要用于焚燒后的建筑材料利用。表1顯示了國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家主要的污泥處理方法。

填埋是我國(guó)城市污泥處理的主要方式，各大城市垃圾填埋場(chǎng)接近飽和，逐漸形成“污泥圍城”現(xiàn)象。隨著城市環(huán)保政策的日益嚴(yán)格，城市污泥直接填埋處理的比例將逐步降低。同時(shí)，由于大部分城市工業(yè)和生活污水共用同一管網(wǎng)，污泥中各種重金屬含量高，土地利用受限。相比之下，污泥焚燒不僅可以消除有害物質(zhì)，還可以大大減少污泥的體積，實(shí)現(xiàn)污泥的無(wú)害化處理，是最有前途的污泥處置方法之一。

燃煤機(jī)組耦合污泥發(fā)電作為污泥焚燒利用的一種形式，具有處理量大、適應(yīng)性強(qiáng)、系統(tǒng)效率高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。2017年，國(guó)家能源局提出“直轄市、省會(huì)城市、計(jì)劃單列市等36個(gè)重點(diǎn)城市和垃圾污泥量大、用地困難或空間有限、以填埋處置為主的地區(qū)，優(yōu)先選擇熱電聯(lián)產(chǎn)燃煤發(fā)電機(jī)組，布局燃煤耦合垃圾污泥發(fā)電技改項(xiàng)目”，首批批準(zhǔn)了42個(gè)污泥耦合發(fā)電示范項(xiàng)目。

1.污泥干燥

大多數(shù)城市污水處理工廠都有濃縮脫水污泥，總含水量約為80%。需要對(duì)污泥進(jìn)行干燥處理，使其總含水量降至40%以下，使污泥由流動(dòng)狀態(tài)變?yōu)轭w粒狀或粉末狀，燃燒只能靠輔助燃料或外加熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

污泥干燥技術(shù)主要包括熱力干燥、自然干燥或太陽(yáng)能干燥、生物干燥、鈣干燥等。熱干化是目前比較成熟的污泥干化技術(shù)，可分為直接干化、間接干化、直接-間接聯(lián)合干化等。直接干燥是指通過(guò)向干燥設(shè)備提供熱煙氣或熱空氣等干燥熱源，使污泥與干燥熱源直接接觸，使污泥中的水分吸熱蒸發(fā)，污泥外部的水分揮發(fā)，而內(nèi)部的水分在水分梯度的推動(dòng)下從內(nèi)部向外部轉(zhuǎn)移，然后在污泥表面釋放；間接干燥是指以蒸汽或?qū)嵊蜑闊嵩?，通過(guò)加熱管與污泥間接接觸，通過(guò)傳熱使污泥水分在接觸面上蒸發(fā)，而溫度梯度推動(dòng)污泥水分從接觸面轉(zhuǎn)移到空氣中，在污泥表面釋放。間接組合干燥是直接接觸加熱和間接接觸加熱相結(jié)合的干燥技術(shù)，如流化床干燥技術(shù)。

污泥的干化過(guò)程不僅是水分的蒸發(fā)，也是污染物惡臭氣體的釋放，主要包括含硫氣體，如H2S、SO2、COS、CS2、CH3SH等。(其中H2S和SO2占82.4%)，少量含氮?dú)怏w如NH3、HCN、NOx等揮發(fā)性有機(jī)物，如果直接排放會(huì)造成很大危害。因此，有必要在污泥干化的同時(shí)考慮惡臭氣體的無(wú)害化處理。研究表明，污泥調(diào)理技術(shù)和低溫干燥可以減少污泥干燥過(guò)程中污染物的釋放。

2.污泥的主要煤質(zhì)指標(biāo)

表2顯示了典型污泥、干污泥和典型煤的主要煤質(zhì)參數(shù)的比較。

從表2可以看出，污泥和干化污泥的灰熔點(diǎn)較低，接近我國(guó)典型褐煤和侏羅紀(jì)煙煤的灰熔點(diǎn)；濕污泥的總含水量一般在80%左右，干無(wú)灰揮發(fā)分在90%左右，低堿處熱值基本為負(fù)值。干化污泥含水率降低，灰分增加，熱值增加。污泥中總水分Mt降至40%以下，基本接近國(guó)內(nèi)年輕褐煤，但揮發(fā)分仍明顯偏高。干化污泥總體上屬于高水分、高灰分、高揮發(fā)份、低熱值、結(jié)渣嚴(yán)重的燃料。

3.燃煤機(jī)組耦合污泥發(fā)電工藝

燃煤機(jī)組耦合污泥發(fā)電技術(shù)主要是利用機(jī)組的熱煙氣或蒸汽作為熱源，采用直接干燥或間接干燥工藝將污泥干燥后與燃燒混合進(jìn)行發(fā)電。燃煤機(jī)組耦合污泥發(fā)電的主要工藝有污泥直接混合、煙氣直接干化污泥和蒸汽間接干化污泥耦合發(fā)電。

3.1污泥直接混合燃燒

圖1顯示了污泥直接燃燒耦合發(fā)電的工藝流程。污水處理工廠污泥由罐車(chē)運(yùn)輸至電廠污泥池。污泥通過(guò)污泥罐底部的隔離閥落入底部預(yù)壓螺旋輸送機(jī)，液壓小車(chē)啟動(dòng)。污泥通過(guò)預(yù)壓螺旋輸送機(jī)送入活塞泵，經(jīng)活塞泵加壓后，通過(guò)管道送入循環(huán)流化床(CFB)鍋爐燃燒，或在輸煤皮帶上方的出料口將污泥平鋪在原煤層(煤粉鍋爐)上。

污泥直接摻燒耦合發(fā)電技術(shù)直接簡(jiǎn)單，設(shè)備投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用最低，適用于污泥摻燒量小于200 t/d的鍋爐，由于污泥未經(jīng)干燥，可有效避免惡臭氣體的產(chǎn)生。但高水分污泥在給料皮帶上與煤混合時(shí)，應(yīng)盡可能均勻，避免因混合不均勻，在一定時(shí)間內(nèi)大量高水分污泥進(jìn)入制粉系統(tǒng)而造成堵塞或干燥出力不足，對(duì)鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

3.2煙氣直接干燥污泥

圖2顯示了煙氣直接干燥污泥的耦合發(fā)電過(guò)程。在該工藝中，利用鍋爐的高溫低氧煙氣作為熱源來(lái)干燥污泥。干化后的污泥通過(guò)料倉(cāng)送入磨煤機(jī)與煤混合，干化后的煙氣(包括污泥蒸發(fā)的水分和惡臭氣體)通過(guò)獨(dú)立管道送入鍋爐爐膛上部燃燒或尾部污染物處理系統(tǒng)。

鍋爐爐膛的高溫環(huán)境可以消除污泥中的有毒有害物質(zhì)和干化過(guò)程中產(chǎn)生的惡臭氣體，鍋爐配備的脫硫脫硝除塵設(shè)備完全可以滿足污泥燃燒后的排放要求。但如果污泥混燒比例過(guò)高，所需煙氣量大，可能會(huì)影響鍋爐熱力系統(tǒng)，造成汽溫不足。因此，該工藝的選擇需要結(jié)合機(jī)組的熱力計(jì)算綜合確定。

3.3通過(guò)蒸汽間接干燥污泥

圖3是蒸汽間接干化污泥耦合發(fā)電的工藝流程。

該工藝?yán)脵C(jī)組汽輪機(jī)抽汽作為熱源，與污泥干燥設(shè)備中的污泥間接接觸換熱。蒸汽放熱后成為冷凝水，返回機(jī)組汽水系統(tǒng)。污泥干燥后，冷卻后送至煤場(chǎng)，或由給煤皮帶與煤混合后送至制粉系統(tǒng)。污泥干化過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣通過(guò)除塵器去除大部分固體顆粒，然后廢氣進(jìn)入冷凝器與冷卻水進(jìn)行熱交換。不凝性廢氣由風(fēng)機(jī)送至鍋爐焚燒，冷凝后的廢水送至污水處理廠處理后達(dá)標(biāo)排放。蒸汽干化污泥耦合發(fā)電工藝對(duì)鍋爐運(yùn)行影響較小，特別是污泥摻燒比例較大時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯，但濃縮廢水處理難度大，系統(tǒng)復(fù)雜，投資成本高。

3.4不同污泥耦合發(fā)電工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

表3顯示了三種主要燃煤機(jī)組耦合污泥發(fā)電工藝的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較。從表3可以看出，污泥直接混合燃燒、煙氣直接干化污泥和蒸汽間接干化污泥耦合發(fā)電技術(shù)各有特點(diǎn)，都有其技術(shù)可行性和適用范圍，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)匚勰嗵幚砟芰?、混合燃燒要求、機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況以及與污泥混合燃燒能力的匹配等綜合分析確定。

4.耦合污泥發(fā)電對(duì)機(jī)組的影響

4.1污染物排放

污泥混燒會(huì)對(duì)鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于CFB鍋爐，適當(dāng)提高爐膛溫度和降低干污泥含水率有利于控制NOx和丙烷等有機(jī)污染物的生成。混燒試驗(yàn)表明，干污泥混燒率提高1%，爐溫降低約5℃，鍋爐效率降低0.78%，煙氣中NOx降低1.9%，HCl升高3.33%。污泥摻入比例小于15%，廢氣中NOx、Hg、二惡英等污染物達(dá)標(biāo)。實(shí)驗(yàn)和模擬研究表明，對(duì)于煤粉鍋爐，混煤的燃燒特性與煤相似，污泥的摻入比例在一定范圍內(nèi)。但當(dāng)該比例超過(guò)20%時(shí)，爐膛溫度場(chǎng)會(huì)降低，燃盡效果變差，NOx的質(zhì)量濃度會(huì)大大增加。混燃試驗(yàn)表明，隨著污泥混燃比例的增加，主燃區(qū)溫度降低，爐膛出口飛灰含碳量增加，NOx增加。當(dāng)摻混比小于20%時(shí)，爐內(nèi)流動(dòng)、燃燒和污染物排放特性變化不大。

4.2重金屬排放

城市污泥中含有汞、砷、銅、鋅、鎘、鎳、鉻、鉛、錳等有毒有害的重金屬。這些重金屬的不揮發(fā)部分會(huì)在燃燒過(guò)程中被固定并從爐渣中排出，而揮發(fā)部分會(huì)被吸附在飛灰中，被捕集或隨煙氣排出。結(jié)果表明，燃燒溫度和HCl能促進(jìn)重金屬向飛灰中的遷移，隨著溫度的升高，大部分重金屬元素的殘留率降低。重金屬Hg、As通常以氣態(tài)形式存在于煙氣中，Pb、Cd通常以氣固兩相形式出現(xiàn)，而Cu、Cr、Zn基本富集在底渣中。焚燒污泥會(huì)在一定程度上增加灰渣中重金屬的含量，但總體來(lái)看，污泥焚燒的比例通常小于10%，煙氣中主要污染物和重金屬的濃度能夠滿足國(guó)家現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，灰渣可以不經(jīng)處理綜合利用。

5.結(jié)論

1)燃煤機(jī)組耦合污泥發(fā)電是城市污泥減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化的有效途徑。

2)干污泥是一種高水分、高灰分、高揮發(fā)份、低熱值、結(jié)渣嚴(yán)重的燃料。污泥直接摻混、煙氣直接干化污泥、蒸汽間接干化污泥耦合發(fā)電等工藝各有特點(diǎn)，都有其技術(shù)可行性和適用范圍。具體應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)匚勰嗵幚砟芰Α脚湟?、機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況以及與污泥摻配能力的匹配等綜合分析確定。

3)只要污泥摻混比控制在10%以?xún)?nèi)，燃煤機(jī)組就可以摻燒污泥，鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定，飛灰爐渣質(zhì)量變化不大，污染物和重金屬排放達(dá)標(biāo)。(資料來(lái)源:四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗(yàn)研究院、Xi安熱工研究院有限公司)

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