城市污泥资源化处置在大型电站锅炉的应用与分析

董信光，张利孟，李荣玉

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

随着人们生活水平上升，人均用水量上升，城市污泥量增加较快。城市污泥是污水处理的产物，包括混入生活污水或工业废水中的泥沙、纤维、动植物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物，其中含有多种由微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物、重金属元素和盐类，还有少量的病原微生物、寄生虫卵等综合固体物质［1］。污泥表征有：黑色，黑紫色，黏稠流体状，水分高、有腐烂物、伴有恶臭。城市污泥中含有较多的有机物质和磷、钾等营养成分，如果不经过处理而将其随意排放到水中，会造成水体恶化，影响生活和工业用水。如果污泥被直接利用到农业中，污泥中的铜、铝、镍、铬、锌、汞等金属会污染土壤和农作物；污泥中的有机物被微生物分解后发出的有毒气体、尘埃会加重大气污染。同时，污泥中含有大量的致病菌及不易降解的有毒物质对周围生活环境极其不利。

现在污泥处理处置的方法［2］主要有发酵做成肥料、深埋、无害焚烧处理等，其中完全符合污泥处理的减量化无害化、资源化的要求的只有焚烧法，焚烧法具有减容和减重效果好，工艺简单、行程快，基本完全无害，余热可利用等优点。污泥含水率一般在80%左右，热值也很低，若单独在锅炉内焚烧很难实现稳定燃烧，故污泥要与煤或者油等混烧。另外从我国的现状出发，国内的发电厂大多还是火力发电厂，如果将污泥与煤在火电厂进行混烧处理，不仅减少了电厂煤炭的使用量，减少CO2排放而且可以使污泥得到资源化利用，解决城市污泥处理的难题。目前在山东省内已经有滕州电厂、南定电厂和临沂电厂进行了污泥与煤的混烧。

为了准确获得污泥与煤进行混烧对锅炉经济性和排放特性，直接在电站锅炉上进行现场试验等系统研究，为下一步更多电厂进行混烧提供参考。

1 污泥与煤在电站锅炉掺烧烧工艺和设备

1.1 混烧锅炉

某电厂1号机组为超高压、中间一次再热、抽汽供热凝汽式汽轮发电机组。锅炉采用上海锅炉制造有限公司生产的SG-480／13.7-M767型锅炉，采用单汽包自然循环、水平浓淡燃烧器和四角切向燃烧方式。炉膛断面呈正方形，燃烧器采用四角切圆，一、二次风喷嘴间隔布置，排渣方式为定期固态排渣，空气预热器为回转式，配有四电场高效电除尘器。锅炉设计燃用烟煤，采用钢球磨、中间储仓、乏气送粉方式的制粉系统。配有2台磨煤机、2台排粉机和2台给煤机。

1.2 掺烧工艺流程

污泥与煤混烧工艺流程见图1。污水处理厂经带式压滤脱水后的污泥由污水处理厂负责运至电厂内120 m3的污泥储存仓内，在仓内布置液位器计，底部设有干泥泵送料。液位计控制上料泵加入自动连锁，污泥泵采取变频控制并定量上料。液位计有可编程控制器（PLC）与干燥机、引风机、调节安全阀门等重要装置设备连锁。污泥经污泥泵输送到干燥机进料口，干燥机是系统中最为关键的设备。含水率达75%的湿泥从干燥机底部上料，在旋转翼的作用抛撒，热的烟气或热风从同端上方进入，抛撒的污泥相互碰撞，从而实现了物质和热量交换。在干燥系统中主要采用热气体接触式即对流干燥。干污泥送至收集器，其下方设有容积15 m3缓冲料斗，缓冲料斗下部出口有皮带输送机将干泥输送到5号甲、乙输煤皮带机与燃煤混合后进入锅炉燃烧。干燥机所需干燥介质为热烟气，烟气取自空气预热器入口和电除尘出口，尾气由引风机经旋风器及水幕除尘送至电厂尾部烟气系统。分离后的固体细颗粒进行回收。

图1 污泥与煤混烧工艺流程

2 混烧锅炉的运行特性分析

2.1 污泥和煤的化学分析

试验样品包括城市污泥，烟煤。试验样品分析结果参考表1。

表1 试样的工业分析结果

从表中的数据发现，污泥与烟煤相比，其所含固定碳极低，挥发份高为所烧烟煤的2倍。污泥的收到基发热量很低，仅为250 kJ／kg，几乎没有可用能，经过干化后，空干基发热量为16 490 kJ／kg，和试验煤种相比仍有一定差距，其原因在于：在元素构成上，污泥与煤相比氧含量较高而碳含量较低；在成分组成上，污泥主要由纤维素、脂肪类、蛋白类及糖类化和物等组成，发热量较低，而煤主要由缩聚芳香结构组成，发热量较高［3-4］。

2.2 掺烧污泥后经济特性和排放特性摸底

首先进行了摸底试验，在定掺烧比下，观察锅炉掺烧污泥和不掺烧污泥的经济性变化和排放特性变化，具体测试结果见图2和图3。

图2 锅炉效率变化规律

图3 NO排放变化规律

从图2和图3可以看出，在5%的掺烧比下，其他参数维持在运行人员的习惯运行方式下，在锅炉蒸发量为 450 t／h，410 t／h，350 t／h 和 210 t／h 时进行了锅炉效率和NO排放特性进行了测试，发现在掺烧污泥的情况下，在锅炉不同负荷下，锅炉热效率有0.5%～1.1%的降低，其中锅炉最大出力时，锅炉效率下降最小，在210 t／h时，锅炉效率下降最大；图3表明，在掺烧污泥后，NO的排放量降低，其中在最大出力时，NOx的排放质量浓度下降最多，排放质量浓度从 780 mg／m3下降至 632 mg／m3， 在低负荷时，NOx的排放质量浓度降低较少，在锅炉蒸发量为210 t／h时NOx的排放质量浓度仅降低40 mg／m3左右。由此可以看出，在运行人员的习惯性方式下，锅炉经济性和污染物排放特性并非最佳还有很大的调整余地，通过进一步优化使锅炉在掺烧污泥情况下锅炉经济性和排放特性达到最佳。

3 污泥掺烧的运行特性优化

3.1 运行可控因素分析

针对运行操作的燃烧调节习惯，对各敏感可控因素全面考虑，确定各个测试工况。可控敏感因素为：运行氧体积分数φ（O2）（简称质量分数）、辅助风风温、一次风配风方式、辅助风配风方式、煤粉细度、污泥掺烧比例。

锅炉燃料效率的决定参数为：尾部排烟温度、尾部烟气成分、锅炉飞灰和炉底渣可燃物量、入炉燃料元素成分及入炉燃料发热量等；影响污染物排放的参数为：污泥掺烧比例、过量空气系数、炉内燃烧高温烟气温度等［5］；以上参数中，除入炉燃料元素成分及发热量为运行人员不能调节外，其余均可通过运行敏感可控因素进行间接调节。参考表2运行可控因素说明表［7-8］。

表2 运行可控因素说明

3.2 优化结果及分析

3.2.1 质量分数的分析与优化

运行操作人员最有效的调节参数为φ（O2）。而φ（O2）导致尾部烟气温度、尾部烟气成分和飞灰可燃物含量变化从而影响锅炉效率；同时φ（O2）变化也会引起炉内高温烟气温度、炉膛氧化性气氛变化对NO和SO2污染无排放特性产生影响。所以先对φ（O2）优化，得到最佳 φ（O2），再进调整其他因素。

试验过程中，质量分数在2.0%～5.5%之间调整，其他可控因素维持在运行人员最习惯的方式，即T3，P1，S2，D2和C3的模式。8个工况的锅炉热效率测试结果见图4，NO和SO2的排放质量浓度见图5。

图5 锅炉效率与质量分数的关系

图6 NO&SO2质量浓度与质量分数的关系

将锅炉的各项热损失和φ（O2）的趋势关系拟合成式（1），NO 和 SO2的排放质量浓度与 φ（O2）的趋势关系拟合成指数关系式（2）和（3）。

锅炉各项热损失变化范围与各污染物排放质量浓度的变化范围相比极小，敏感性较低，各项热损失数值乘以 103，则为式（4）。

式中：x为质量分数，%。

将2.0≤x≤5.5作约束条件，对式（5）的求极限小值，得出 x=3.607 813。 在 φ（O2）为 3.61%，综合特性即经济性和排放特性最好，然后再做其余敏感因素的调节。

3.2.2 炉膛温度的影响分析

测试工况：φ（O2）为3.61%，炉膛燃烧温度为T1～T7，其余为 P1，S2，D2和 C3。

测试结论：炉膛燃烧高温烟气温度从1 200℃升高到1 500℃，锅炉效率的变化趋势为单调的非线性增加，即锅炉效率从89.2%升为89.5%；SO2的变化范围较小；而NO的变化接近线性增加见图7；经过寻优，炉膛燃烧温度最佳值1 278℃。

图7 NO质量浓度与炉膛温度的关系

3.2.3 煤粉细度和污泥掺烧比的影响分析

测试结果表明，煤粉越细，经济性越好，但污染物排放较高，制粉系统单耗大幅度上升，机组经济效益降低。优化计算确定，煤粉细度为R90=20%即D2。

污泥掺烧比例对锅炉经济性和污染物排放特性的影响见图8，从图可以看出，污泥掺烧比上升，锅炉效率相应降低，污泥的热量掺烧比从2%～10%，锅炉热效率下降0.53%，而NO和SO2质量浓度下降较多：NO质量浓度降了309.1 mg／m3，下降幅度达到41.9%；SO2质量浓度降了 219 mg／m3， 下降幅度为11.5%。经过长时间观察和测试，在5%～10%掺烧比例下锅炉没有发生严重积灰结焦和大面积高温腐蚀等，考虑到污泥的供应量和锅炉的长期安全稳定运行，保持污泥的掺烧比5%下锅炉可长期稳定安全运行。

图8 污泥掺烧比例与锅炉经济性和排放特性的关系

3.2.4 一次风和辅助风配风方式的影响

变化一次风配风的测试表明，在P3方式下，飞灰可燃物含量量达到6.6%，使锅炉经济性较差；NO质量浓度下降，SO2质量浓度基本不变［9］。

改变辅助风配风其实是变化改变炉内局部燃烧其氛，辅助风配风对锅炉经济性不产生影响，但对排放特性影响明显，其中在S1工况即缩腰型配风，NO和SO2质量浓度较低，排放特性最佳。测试中发现：缩腰配风，上层辅助风开度要适中，太小锅炉经济性下降，还原性气氛过强，会导致锅炉水冷壁表面高温腐蚀；开度过大不利于NO的还原。经过上层辅助风的优化，在辅助风总风压为 0.5 kPa，上层辅助风挡板开度为65%，NO排放特性最好，锅炉经济性最佳。

优化计算确定，P2和S1组合是最佳配风工况。

4 掺烧污泥的综合经济性分析

从以上分析可以看出，锅炉在进行污泥掺烧时对锅炉经济性的影响是负面的，对污染物排放的影响是正面的，但对整个电厂的经济运行来说需要进行综合衡量。

计算依据：日处理含水率80%以上的污泥100 t，采用标准煤（29 310 kJ／kg）价格 900 元／t计算，干污泥折算标煤（29 310 kJ／kg）按 700 元／t计算。 计算中选取锅炉效率90%。

变动成本核算（包括干燥用的热能，设备用电，维护等变动费用）：60.3+14+5=79.3（元 ／t）。

固定成本核算（包括人工和设备折旧）：4+12.9=16.9（元 ／t）。

污泥热值折算标煤价值：0.086×700元／t=60.2 元 ／t。

掺烧污泥费用分析：79.3+16.9-60.2=36（元 ／t）。

市政府按每吨湿污泥70元处理费用补贴电厂计算则电厂处理每吨湿污泥可盈利34元。

以上计算仅是从电厂的盈利出发，并未将污染物排放减少和减少了污泥填埋用地等社会效益。

5 结语

在电站锅炉进行污泥掺烧对锅炉的经济性是负面影响，但是可有效减少NOX和SO2的排放；掺烧过程中各运行可控因素的影响程度不一致，其中质量分数敏感性最强、最大，因此运行中要保证锅炉运行在最佳质量分数；炉膛燃烧温度对NO排放影响明显，为正向线性关系，对SO2基本没有影响；从电厂的经济效益来讲，掺烧污泥也是可以盈利的。