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        燃煤電廠污泥摻燒技術及其研究進展

        更新時間:2021-02-05 10:39 來源:上海電力大學學報 作者: 林英紅 閱讀:3840 網友評論0

        摘 要:隨著我國城市化進程的加快,城市生活污水量急劇增加。污泥作為污水處理后的附屬產品,對環境影響極大,因此污泥的無害化、減量化、資源化處理迫在眉睫。燃煤電廠污泥摻燒是實現最大體積減少污泥的處置方法之一。發達國家和地區中,污泥摻燒工藝已逐漸成熟,在燃煤電廠的應用更為廣泛。綜述了污泥摻燒技術的現狀,分析了燃煤電廠摻燒污泥造成的影響,并討論了燃煤電廠污泥摻燒技術的未來發展方向。

        關鍵詞:燃煤電廠; 污泥; 摻燒; 焚燒設備;

        隨著我國城市化進程的加快,生物質垃圾處理需求逐漸增加。截至2018年6月底,全國地市級城市建成城市污水處理廠累計5 222座(不含鄉鎮污水處理廠和工業),污水處理能力達2.28億m³/d。典型污泥成分復雜,由各種有機相、無機相、水分以及水溶性物質構成。除此之外,還含有其他物質,如:致病菌、病毒等有害微生物;銅、鋅、汞等重金屬;多氯聯苯、二噁英等難降解物質。如何采取有效措施,實現污泥處置“無害化、減量化、資源化”是急需解決的問題。常見的污泥處理技術有堆肥處理、海洋傾倒、填埋、農用和焚燒等。但以上幾種方法存在有害物質殘留、重金屬污染、水體污染、土地資源浪費、運行成本高等缺點。燃煤電廠摻燒污泥處理一般是指將污泥送入鍋爐與煤炭進行混燒。只要工藝選擇恰當、設施設備運行良好、操作運行規范,該方法可以減少甚至不添加輔助燃料,從而實現污泥的無害化、資源化、減量化,是一種極具前途的處置方法。

        01. 燃煤電廠摻燒污泥研究現狀

        國外較早對燃煤電廠摻燒污泥進行了研究。世界上第1臺焚燒污泥的流化床鍋爐在1962年建于美國華盛頓,至今仍在運行。目前,在眾多污泥處理處置工程中,污泥摻燒工藝被認為是污泥處理中的最有效技術之一。

        1.1 國外研究現狀

        污泥焚燒多段豎爐在德國首先得到應用,而后流化床爐逐漸占領了市場,大約占90%以上份額。為減少CO2排放量,自2012年以來,韓國政府對運行能力超過500 MW的燃煤電廠的發電公司實施了限制性政策。此外,煤電公司已嘗試使用污泥作為可再生燃料資源。焚燒法處理污泥在日本應用最為廣泛,1992年共有1 892座焚燒爐燃燒處置了75%的市政污泥。

        KRU O等人發現燃燒半干污泥時,煙氣中NOx的濃度高于濕污泥而低于干污泥,一次風溫較高時可以降低煙氣中N2O,CO,NH3和Corg(有機碳)的濃度;TAN P等人研究了木質生物質及污水污泥混合燃料與煤共燃條件下的燃燒情況和灰分行為,發現在燃料中加入大量木質生物質可降低揮發性、點火溫度和燃盡溫度,混合燃料導致各種灰分聚集傾向,高溫和木質生物質的添加導致灰分增加;FU B等人研究評估了來自6個污水處理廠和不同污泥處理裝置的干燥污水污泥樣品的燃燒特性和共燃效率,發現與煤摻混比例在30%以下時具有較高的熱值(8 083~16 124 J/g之間)。此外,在各種污水污泥穩定化方案中,石灰穩定化影響熱特性最多,厭氧穩定處理的污泥的熱值低于有氧穩定的污泥,隨著混合物中污泥含量從5%增加到30%,燃燒效率從99.5%逐漸降低到97.5%。AYSE S A等人對污水污泥、煤和生物質顆粒的燃燒機理和動力學進行了比較分析,認為與生物質相比,污水污泥的著火點更高,生物質和污水污泥的性質會導致燃燒過程的強化。德國Berlin-Ruhleben污泥焚燒廠采用流化床焚燒濕污泥,脫水后含水率為75%,每天約產生45 t灰分,煙氣中SO2含量為30 mg/m3。在煙氣脫硫系統中,每天消耗CaO約2.5 t,并產生7 t石膏。

        1.2 國內研究現狀

        我國燃煤電廠污泥摻燒技術要求污泥焚燒爐能處理65 t/d的污水污泥(含水量85.1%),同時處理廢塑料和廢橡膠各2.5 t/d。張成等人認為,在相同摻燒比情況下,降低污泥的含水率會增加NOx的排放,但有利于改善鍋爐的燃燒特性;污泥摻燒比小于20%時,燃燒特性與污染物NOx的排放特性與單煤燃燒情況基本類似;污泥摻燒比大于20%時,整體燃料特性出現顯著變化,鍋爐燃燒效果變差,NOx排放大幅度上升。廖艷芬等人研究發現,由于利用了固體廢棄物的化學內能,污泥與垃圾或者與煤混合摻燒降低了化石能量消耗,但環境排放以酸化和富營養化為主,對局地性環境影響較大。張世鑫等人研究表明,利用電廠目前運行的1 025 t/h循環流化床鍋爐機組實現日摻燒生物質200 t、處理固廢400 t、垃圾衍生燃料(RDF) 50 t、污泥200 t是可行的,且利用電廠現有的除塵系統、脫硫系統、脫硝系統,可以達到生物質摻燒及城市固廢處置無害化和資源化的目的。賈建偉對電廠鍋爐摻燒污泥進行了分析設計,以蒸汽對污泥進行干化,然后進行燃燒,最終實現了污泥的再利用。

        從以上綜述可以發現,污泥焚燒研究在國內外取得了一定的進展,但仍有提升的空間。污泥焚燒技術,尤其是對污泥與煤的摻燒進行進一步的研究和發掘很有必要。近年來,隨著研究的深入,不同的污泥摻燒工藝也給污泥焚燒處理提供了多種選擇。

        02. 燃煤電廠污泥摻燒技術工藝流程

        燃煤電廠鍋爐主要爐型為煤粉爐和循環流化床鍋爐。研究者分別提出了城市污泥在煤粉爐和循環流化床鍋爐中與煤混合燃燒的技術手段。具體工藝流程如圖1所示。

        無論是煤粉爐或是循環流化床鍋爐對燃料的含水率都有嚴格的要求,含水率與熱值之間的關系如表1所示。

        由表1可知,污泥含水率越高,熱值越低,隨著含水率的升高,熱值從12 558 k J/kg降至-950 k J/kg。目前主要的污泥干化處理技術有熱蒸汽、煙氣干化、脫水劑干化等。如果采用煙氣干燥污泥,煙氣中的粉塵會對設備的管壁進行沖刷,而且需要單獨的引風機,將會產生額外的耗電與熱損失。若全部采用脫水劑干化則經濟性無法保證。因此,常用的污泥干化技術主要采用熱蒸汽作為熱源干化或半干化污泥。該技術具有污染小、噪聲小、系統簡單等優點。

        循環流化床鍋爐因其特殊的結構而具有蓄熱量大、可低溫燃燒、煤種適應性強、燃燒穩定、氮氧化合物排放低等優點,但對二噁英的生成不可控。煤粉爐則在兼具以上優點的同時能有效處理污染物,是可靠的污泥與煤摻燒工藝。但污泥通常在焚燒爐與煤混燒,會對原有的設備造成影響。

        03. 燃煤電廠摻燒污泥的影響因素分析

        3.1 摻燒污泥對鍋爐的影響

        (1)制粉系統磨損、積煤、堵煤污泥與煤粉混合后物料的含灰量增加,同時攜帶部分金屬元素,會增加燃燒器、噴口、管道的磨損,另外混合物中堿金屬含量的增加容易導致受熱面結渣和腐蝕。由于污泥含水量高,經干燥預處理后含水量仍比煤高,因此污泥與煤炭摻混后提高了物料的黏度并降低了流動性,易使制粉系統發生積煤、堵煤。

        (2)受熱面磨損、積灰增加煙氣中的含灰量增加,將導致受熱面的磨損和水平煙道的積灰加重。

        (3)對鍋爐效率的影響摻入污泥后燃料的整體熱值下降,飛灰增加,將降低鍋爐的整體熱效率。

        (4)酸性氣體排放的增加在燃料中摻入污泥,NOx和SO2的排放量有所增加,導致管道腐蝕嚴重加劇。

        (5)對其他設備的影響含灰量的增加,使得對于除塵器、引風機、倉泵、出渣裝置的容量均要求增加,從而增加了機組的投資成本。

        3.2 摻燒污泥對污染物排放的影響

        (1) SO2的形成和排放污泥的組成包含有機硫和無機硫,SO2的生成與污泥本身的含硫量、爐膛溫度、空氣過量系數、污泥含水率、湍流強度以及煙氣停留時間等都有關系。污泥含水率對煙氣中SO2濃度的影響較大,水分的存在會使SO2排放減少。當水分大于40%時,SO2排放急劇下降。

        (2) NOx的形成和排放污泥燃燒過程NOx的生成機理一般情況下與煤相同,然而污泥中的氮、揮發分和灰分含量很高,固定碳含量則很低。污泥中的氮含量一般為6%~8%,并以氨的化合物形式存在,因此污泥摻燒后NOx排放比單純燃燒煤炭更高。

        (3)煙塵的形成與排放燃料燃燒時會產生煙塵。污泥中重金屬含量較高,在摻燒過程中常以金屬化合物或金屬鹽的形式混入煙氣中排放造成污染,或沉積在管道、室壁的表面,加速了設備的腐蝕,同時影響了傳熱。

        (4)二噁英的形成與排放二噁英是多氯二苯并二噁英和多氯二苯呋喃兩類化合物的總稱,是一種難降解的致癌物,具有熱穩定性,通常當溫度高于850℃時,才被分解破壞。因此,要求焚燒爐的燃燒溫度高于850℃,并保證二噁英的停留時間在2 s以上,這樣才可以進行有效分解破壞。目前,電廠1 025 t/h流化床鍋爐負荷率較高,鍋爐額定負荷下的燃燒溫度均可以達到900℃以上,爐膛內煙氣停留時間大于5 s。煤粉爐燃燒溫度可達更高,但鍋爐尾部排放的溫度較低,二噁英依然可能存在,還需要進一步研究。

        (5)爐渣中重金屬的形成與排放在污水處理過程中,70%~90%的重金屬元素通過吸附或沉淀而轉移到污泥中。污泥摻燒過程中重金屬一部分以爐渣的形式排出,一部分由于焚燒爐中出現的過量空氣、湍流、真空等原因出現在煙氣中,形成飛灰顆粒,從而對機組造成一定的影響,因此需要研究燃煤鍋爐在不同運行工況下最佳的摻燒比,減小對鍋爐機組產生的影響。

        04. 燃煤電廠摻燒污泥的發展趨勢

        目前,污泥的無害化處理以及資源化利用還處于探索階段,焚燒和填埋仍將在一定時間內成為我國污泥處理的主流。但研究發現,電站鍋爐機組摻燒污泥避免了污泥填埋所產生的生物、化學、物理反應,消除了污泥中的有害氣體和滲透液對大氣、土壤的二次污染,能使有機物全部氧化,殺死病原體,可最大限度地減少污泥體積,達到了污泥無害化、減量化處理的目的,具有較好的環保效益??偟膩碚f,減少環境危害、降低污泥摻燒成本、控制污泥燃料特性、提高能源回收利用率是未來摻燒污泥技術的主要研究方向。

        05.結論

        (1)污泥與煤炭摻燒可以極大地降低污泥處理處置的成本,衍生的環境保護、土地資源利用等問題得到了一定程度的解決。電站鍋爐進行小比例摻燒污泥,無論在可行性、可靠性和環保性上,均是城市污泥“無害化、減量化、資源化”處理的有效途徑之一。但城市污水污泥來源復雜,仍需進行大量的研究和試驗。

        (2)目前,污泥與煤炭摻燒是通過對電廠現有的設備進行適當改造而進行的,但摻燒污泥對機組設備的磨損、腐蝕不可避免,污染處理費用及設備損壞維修費用高昂是制約電廠進行摻燒污泥應用的主要因素,尚需相應的政策扶持,同樣需要加強研究。

        作者簡介: 林英紅(1970—),女,高級工程師。主要研究方向為燃燒與污染物控制、低熱值燃料利用技術。E-mail:063@wg92.com。;

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