污泥干化焚烧系统在燃煤电站锅炉应用

隋树波，杨全业

（山东华能临沂发电有限公司，山东 临沂 276000）

0 引言

随着我国工业化的发展和城市化进程的加快，城市污水处理率的提高，产生了大量污泥，污泥是一种性质复杂、污染物含量高、潜在环境风险巨大的污染物，是高含水率的液固物质，含有大量的病原菌、寄生虫卵，以及铬、汞等重金属有毒有害物质。污泥已经严重影响了人们的生产生活，给环境造成了严重污染，城市污泥处理问题已经成为当今社会亟需解决的一大环保难题。相对于污泥的填埋与堆肥处理，焚烧法具有减容、减重率高，处理速度快，无害化较为彻底，能源再利用等优点，是处置污泥的有效实用技术之一。

虽然焚烧处理污泥具有很多优点，但由于自然絮凝沉淀的污泥的含水率一般在90%以上，采用机械脱水装置脱水处理后，一般仍高于75%。如此高的含水率一方面不能维持燃烧过程的自持进行，必须加入辅助燃料；另一方面使污泥体积庞大，增加了焚烧处理过程中运输、存储的难度。由于上述原因，单独建设污泥焚烧炉往往需要很大的一次性投资。由于燃煤电站锅炉排出的高温烟气中仍有一定热能未被利用，使得利用这部分热能加热干化污泥成为可能；另外电站锅炉燃煤需求量大、炉膛火焰温度高，所以利用电站锅炉来焚烧干化的污泥可以做到最彻底的无害化处置；由于电站锅炉的高效率也使得污泥中的有机物燃烧产生的热能得到了更充分的利用。

综上所述，通过充分利用火电厂燃煤锅炉的现有设备条件、选择合式的干燥装置和合理的干化掺烧流程，在燃煤火电厂进行污泥的干化焚烧，为实现污泥处置的节能化、无害化和资源化提供了一条可靠的途径。为了叙述的方便，以下文中的污水处理厂污泥简称污泥、燃烧电站锅炉简称锅炉。

1 污泥干化焚烧需要解决的主要问题

1.1 高温烟气参数的选择

更高温度的热源有利于干燥过程，而烟道及干燥设备对于烟气温度的承受能力有限,若抽取的烟气温度过高，对锅炉出力也会带来不利影响，因此，高温烟气参数要适当的选择，兼顾以上几个方面。

1.2 干燥设备的选择

合理的干燥设备，首先要适应现场的布置空间，达到污泥干化后便于输送掺烧的目的，同时要兼顾能耗、噪声等运行性能要求。

1.3 输送掺配流程的设计

与干燥设备的选择一样，干化污泥的输送设备也要适应现场有限的布置空间，并与现有的输煤设备相融合。

1.4 对机组运行的影响

为了确保发电机组的安全运行，干化系统的启停对锅炉正常稳定燃烧的干扰要尽可能小。为了方便机组及干化焚烧系统的正常检修，污泥干化系统需要操作简便，并能够及时迅速的投入退出或与机组彻底的隔离。

1.5 二次污染的防控

污泥干化系统的设计应充分考虑并避免干化及输送过程对电厂生产区环境和污泥干化车间的二次污染问题。

2 污泥干化与输送系统的工程设想

2.1 干化污泥的高温烟气的抽取

本工程以135 MW发电机组为实例，锅炉为SG－435/13.7－M765型超高压自然循环锅炉，进行改造后抽取高温烟气用于加热污泥的实例，探讨污泥干化焚烧系统在燃煤电站锅炉上的应用。锅炉各段烟气的参数分别如表1所示。

从提高换热强度和干燥系统出力的角度出发，烟气抽取位置越靠前，对干燥系统越有利，但当前用于烟道的风门及补偿器设计温度一般在400℃以下，温度再提高后，对设备有特殊的要求，造价会大大提高。从提高干化系统和锅炉的总体经济性出发，烟气抽取位置越靠后，经济性越好，从上表可以看出，空预器之后没有受热面布置，烟气所含热量为锅炉余热，用于干化污泥对锅炉效率无影响。但由于空预器后烟温太低，使用这部分烟气，要完成同样数量污泥的干化，干燥设备的体积要做得很大，干化的流程也要大大延长，限于已经建成的电厂生产区，存在无法设备系统布置的问题。综合各方面的因素，本项目中，拟抽取锅炉省煤器后的高温烟气用于干化污泥。

表1 炉后段烟气参数表

2.2 干燥设备的选择

用于物料干化的装置很多，目前可采用高温烟气作为热源直接接触加热干燥的装置主要有三种：滚筒式干燥机、旋转桨叶式干燥机和旋转闪蒸式干燥机。三种干燥装置特点如表2。

表2 三种干燥方式的特点比较

通过比较分析，由于在已经投运的电厂中建设污泥干化系统，系统的占地面积往往成为确定干燥方式的决定因素，总体布置为立式的旋转闪蒸干化装置占地小，易于系统的布置，优势明显；在建设投资方面，旋转闪蒸干燥设备的物料流转动力来自烟气的流动，旋转设备动力小，精度要求低，系统简单，总的造价较低；旋转闪蒸装置的加热过程是在物料流化状态下进行，所以接触充分，换热强度高，生产效率高，能够实现较大的生产能力；此外，旋转闪蒸干燥装置由于物料干化过程在干燥塔内流化状态下完成，干化污泥由流动的烟气带走，不依赖机械的强力破碎，所以干化污泥的颗料形状保持较好，通过调节烟气流速可以在一定范围内调节干污泥粒径，这一点是其他两种方式无法实现的。当然，由于旋转闪蒸装置中的烟气流速较高，烟气热能的利用率相对于其他两种方式略低，但由于电厂的烟气余热本身是低质能源，而且量非常大，所以较低的利用率仍可以接受。综合以上比较，本工程实例中采用了旋转闪蒸干燥装置。

2.3 总体工艺流程

根据电厂原有设备配置与布置情况，设计了图1所示的工艺流程。

图1 污泥干化焚烧系统工艺流程图

2.4 对运行的保护

对于火力发电厂而言，保证机组的安全稳定运行是至关重要的，因此污泥干化焚烧系统的投运和停止，应该建立在保证锅炉安全稳定运行的前提下。

首先在抽取烟气量的确定上，在系统设计时把抽取烟气量的上限设为锅炉额定工况下烟气量的8%，这样，在机组负荷率70%以上时抽取的烟气量占总烟气量的比例最大为11%。由于污泥干化风机采用了变频控制系统，风机的启停都是步进可调的，即使是在污泥干化系统突然停止的极端状态，造成的风量波动也远低于单台引风机停运时引起的波动量，操作人员能够通过及时的调整并稳定锅炉的燃烧。

其次在污泥掺烧量的确定上，即设计污泥干化焚烧系统的处理能力时，为保证锅炉燃烧的稳定，干化污泥的掺入量对入炉煤的影响要小于煤质的正常波动范围为前提进行设计，在通过对锅炉设计煤种、校核煤种、实际的煤质波动和对燃烧影响的综合分析计算，得出掺入量在原煤量的5%以下，对灰份的影响小于2.5个百分点，对水份的影响小于0.2个百分点，是可以保证锅炉稳定燃烧的。

2.5 二次污染的防控

由于湿污泥在存放过程中有机物会发生水解、腐败等复杂的物理化学反应，所以会产生带臭味的有害气体，我们在对湿污泥池进行全封闭的基础上加装了负压风机，将湿污泥池内产生的异味气体排往电厂原有的半干化脱硫系统。在干化污泥输送过程中，散发出来的异味气体也由连接在锅炉烟道上的负压管道在脱硫系统的负压作用下，吸入半干化脱硫系统。所有的异味气体在脱硫系统内经过增湿水的喷淋洗涤和碱性脱硫剂反应吸收后排入大气，最大限度的降低气味的污染。

由于城市污水来源复杂，不能排除污泥中含有少量含苯有机物等可在燃烧过程中产生二恶英的物质，本应用实例中焚烧温度超过1200℃以上，有机物分解彻底、燃烧充分，避开了800℃左右的二恶英产生的温度区间，最大限度的减少了二恶英的产生。

2.6 DCS的应用

得益于电厂在长期应用分散控制系统（DCS）中所积累的经验和维护开发能力，在本工程实例中，拟将DCS系统应用到污泥干化焚烧系统中。现场设备上的各类传感器变送器等将设备运行状态、介质的流量压力、设备转速、电机电流等参数送至DCS系统，监控人员在操作员站可以实现对系统运行状态的全面监视；对系统的调整、控制指令通过过程控制功能模块传送到就地设备的执行装置，对系统的运行过程进行调节与控制；技术人员在工程师站可对控制系统进行配置、组态、调试和维护。DCS系统的应用可以使得整个污泥干化与焚烧系统几十台设备的运行监视、启停操作和调节控制由1-2名操作人员在集控室内完成。另外DCS系统中的介质温度、各段差压、料位等的参数报警与联锁保护功能，使得干化装置的安全稳定性大大提高，也最大程度的减少了对锅炉稳定运行的扰动。

3 工程实践分析

污泥干化焚烧系统通过了分部试验及总体启动和试运行后，主要技术指标达到了设计值和使用需求，实现了连续稳定运行。

3.1 处理能力

在锅炉最低负荷不低于100 MW的情况下,系统最大抽取烟气量约3.5万Nm3/h，在湿污泥含水率小于80%时，单套装置最大处理能力170 t/h，干化后的污泥含水量在35%～40%，粒径在1～2 mm，扬尘量小、流动性好，易于输送，达到设计要求。

3.2 对运行的影响

污泥干化系统启动时，由于干化风机的启动，对锅炉的炉膛负压有扰动，通过延长启动的时间，减小风量增加的变化率可以将扰动控制在锅炉引风自动允许的范围内。但进行低负荷试验时，污泥干化系统的运行对机组稳定燃烧有较大影响，因此，污泥干化系统的启停及运行应避开负荷低谷，确保运行机组安全。通过试验，在入炉煤质稳定、负荷率在75%以上的情况下，机组运行是稳定可靠的。

3.3 对经济性的影响

污泥干化系统对于锅炉运行经济性的影响，需要较长时间的数据积累才能得出定量的结论，在试验运行阶段，仅用耗差分析的思路，做定性的评估。由于抽取了部分空预器前的高温烟气，使得参与空预器换热的烟气量减小，在发电机组运行负荷为100 MW时，锅炉热风温度降低15℃，热风温度的降低引起燃料着火推迟，火焰后拖，影响蒸发段的吸热，相应的增加减温水用量，提高了飞灰可燃物含量，从而对锅炉效率造成一定影响。试运期间，锅炉飞灰可燃物含量升高约2～3个百分点，过热器减温水量增加约0.5个百分点，根据耗差分析的结果，增加了机组发电煤耗约4 g/kW·h，在可接受的范围之内。

3.4 电耗

单套污泥干化系统的电动设备总容量为380kW，实际运行中在污泥干化系统最大出力时的设备总的功率为360 kW。

3.5 对环境的影响

污泥干化焚烧系统投运后，由环保部门组织专业检测机构对干化车间内部和周围，电厂周围等地点进行了粉尘、噪声、臭味气体含量等指标的检测，检测结果均未超过国家相关标准的规定。

4 结语

1）采用旋转闪蒸干化设备，利用火电厂高温烟气作为热源对污泥进行干化，干化后的污泥在电站锅炉内进行焚烧处理，是可行的。

2）由于污泥干化与焚烧系统与电厂的输煤、制粉、风烟等系统有关，干化与焚烧影响到锅炉的制粉、配风、燃烧、除灰等过程，其对锅炉设备寿命及运行经济性的影响还需要积累更多的资料进行精确分析。

3）由于本工程实例采用的是空预器前的高温烟气，所以单纯从经济性上考虑，并非最优方案。在建设厂地允许，设备布置方便的情况下，可以考虑减少高温烟气用量、增加空预器后低温烟气用量，同时综合考虑风机动力消耗，找到最佳的高低温烟气配比，实现单位湿污泥处理量综合能耗最低的目标。

4）通过对本工程实例中污泥干化过程运行数据的收集与经验的积累,建立数学运算模型，设置合理的闭环控制逻辑和参量，有望在湿污泥给料量、干化装置出口温度、干化风机开度等主要参数上实现自动控制。

本文以135 MW发电机组为例，结合工程设想，对污泥干化焚烧的实际效果进行了探讨分析，工程的实施具有较好的社会效益和环保效益，在社会愈加重视环保的形势下，是发电企业利国利民的重大举措。当然，污泥的干化焚烧一定程度上提高了发电机组的运行成本、加大了设备的磨损、影响了机组运行的经济型、增加了电厂的投资、同时需要较高的运行负荷，需要国家及环保部门出台相关的政策给予扶持，提高发电企业的积极性。

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