垃圾焚烧发电厂协同处置市政污泥应用研究

张伟，赵树明

（1.北京首钢生态科技有限公司，北京 102300；2.廊坊首钢盛业生物质能源有限公司，河北 廊坊 065600）

引言

随着“十三五”期间垃圾焚烧设施的大规模建设，当前各地垃圾焚烧发电厂普遍面临“吃不饱”的现象，而城市污水处理厂市政污泥的处置需求却逐渐增大，因地制宜成为缓解垃圾焚烧发电厂产能缺少与市政污泥处置量大这一矛盾的重要原则。利用现有垃圾焚烧设施协同处置市政污泥，在实现污泥无害化处理的同时，可充分利用垃圾焚烧厂产能缺口，降低社会投资，符合节能减排和循环经济的理念。受引入市政污泥给垃圾焚烧发电厂的运行组织、操作调整带来的一定影响，本文从实际生产角度出发，探究了实现垃圾焚烧发电厂协同处置市政污泥稳定运行的适宜方法。

1 垃圾焚烧发电厂协同处置市政污泥研究背景及意义

伴随着我国经济的发展，人们的生活水平虽日益变好，但工业废水和市政生活污水的排放量却日益增加，且由于传统的污水处理工艺通常采用活性污泥的生物处理技术，因此在城市污水处理的过程中会产生一些污泥。伴随着废水量的不断增多，污泥产生量也随之显著增多[1]。由于污泥含水量高、易腐烂、有强烈臭味，同时含有大量病原菌、寄生虫卵、重金属和多种难以降解的有毒有害物质，因此市政污泥若得不到及时有效处理，极易对地下水、土壤等造成二次污染[2]。

本研究立足于生活垃圾焚烧发电厂协同处置市政污泥的具体工程实例，针对实际生产运行中出现的问题，详细讨论优化原有处置工艺，改善混合、焚烧等环节，结合理论分析及实际运行效果，对原有污泥输送系统进行必要的工艺改造，在确保污泥稳定、环保处置的前提下，提高垃圾焚烧炉掺烧污泥的比例，确定各阶段最佳工艺运行参数，完善污泥处置整体工艺流程，以实现环保、经济效益的最大化。

2 市政污泥直接掺烧式协同处置工艺及存在的问题

本研究选取北京市设计处理能力为3000t/d的某生活垃圾焚烧发电厂为研究对象，分析市政污泥直接卸入垃圾焚烧发电厂垃圾池协同处置工艺、处置效果，为市政污泥的安全快速高效处置提供新途径。

2.1 市政污泥直接掺烧式协同处置工艺分析

进入北京市某生活垃圾焚烧发电厂的生活垃圾均由垃圾车直接卸在垃圾池内，通过垃圾吊与垃圾池内生活垃圾混合发酵以提高热值。然后，利用垃圾吊的液压抓斗，污泥由垃圾池进入垃圾落料槽，并在推料器的推送下进入炉膛，落在倾斜的炉排上，取自垃圾池的一次风从炉排下部鼓入。此时，在炉排的作用下，不断地翻滚、搅拌污泥，完成干燥、着火、燃烧和燃尽过程，炉渣经排渣机排出炉外。最后，污泥燃烧产生的热烟气经余热锅炉换热后由尾部烟道引出，进入烟气净化系统，水冷壁、余热锅炉产生的蒸汽经主蒸汽管道进入汽轮发电机，推动机组发电，乏蒸汽经空冷岛冷却后产生凝结水，回收循环利用。

烟气净化采用“SNCR 脱硝+半干法脱酸+干法脱酸+活性炭喷射吸附+布袋除尘+SCR脱硝”的工艺，烟气达标处理后经烟囱排入大气。渗沥液处理采用“调节池+中温厌氧+MBR（含两级反硝化硝化池）+纳滤+两级反渗透+浓水MVR 蒸干或浸没燃烧蒸干”的工艺，飞灰、炉渣委托有资质的第三方企业进行安全处置。

焚烧炉采用4 台750t/d 日本三菱—马丁逆推往复式机械炉排炉，设计垃圾低位热值为1300～2300kcal，每台焚烧炉设有6 列推料器，液压驱动，可通过设置推料器的行程及速度调整给料动作。炉排共6 列13 级，倾斜角度为26°，炉排速度可通过液压缸油流量来调节。每台焚烧炉设有2 台除渣机，炉渣滚筒的速度可通过改变炉渣滚筒计时器来调节。一次风从炉排下部鼓入，共设有4 个风室，由挡板控制各风室风量。二次风从炉膛二次风喷嘴送入炉膛内，提供足够的燃烧空气对垃圾中的气化产物进行燃烧，同时加强燃烧气流的扰动，提高燃烧强度和效率，一次风、二次风均可加热至230℃。锅炉为单汽包自然循环水管锅炉，微负压运行，按烟气流向分别为主炉膛、U 型（第二、三）燃烬室、屏式受热面（蒸发器）、过热器及省煤器。

污泥协同焚烧主要是在850～1100℃的高温条件下，与氧气接触发生热解过程和燃烧过程，污泥中的有机成分被燃烧氧化，燃烧过程中污泥内的C、H、S 等元素发生氧化反应，释放出大量的热能。污泥与生活垃圾焚烧过程类似，焚烧过程主要分为污泥干燥、焚烧过程和燃尽过程3 个阶段，污泥与垃圾进行混合后一同入炉掺烧，在干燥段污泥和垃圾一同在热风作用下表水分得到干燥，之后进入焚烧段参与燃烧，与垃圾一同燃尽后排入渣井。

2.2 市政污泥直接掺烧式协同处置工艺存在的问题

根据实际运行数据来看，市政污泥由运输车辆直接卸入垃圾池内混合，再由垃圾吊抓取入炉焚烧，协同处置市政污泥的技术路线总体可行，但也存在问题。

2.2.1 污泥和生活垃圾混合效果差燃烧不彻底

局部污泥过多，造成焚烧炉内的燃烧不彻底，炉渣热灼减率上升，甚至导致焚烧炉出生料。污泥在推料器上经高温烘烤后容易形成硬壳，造成推料器下料不畅，焚烧炉炉温下降。《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB 18485-2014）要求焚烧炉渣热灼减率低于5%，炉膛温度不得低于850℃，污泥与生活垃圾混合不佳将在一定程度上增加了焚烧炉运行调整的难度。

2.2.2 垃圾池排水箅子易被堵塞入炉垃圾热值降低

垃圾焚烧发电厂垃圾池排水篦子通常设在卸料门一侧，实际运行中，当运输车辆直接将大量污泥卸入垃圾池内时，污泥容易堵塞垃圾池排水篦子。如果排水篦子堵塞后不能及时疏通，又会造成垃圾池内渗沥液外排不畅、渗沥液水位上升等问题，导致入炉垃圾含水率增加，垃圾热值降低，造成炉膛温度下降，影响焚烧炉工况和发电效率。但由于疏通排水篦子需要进入渗沥液收集通道，且渗沥液收集通道属于有限空间，区域内有毒有害气体、可燃气体浓度高，因此作业过程存在安全隐患。

2.2.3 渗沥液中悬浮物增加影响后端水处理系统

由于垃圾吊无法将污泥与生活垃圾均匀混合布料，因此会造成部分污泥直接进入渗沥液系统。根据实际运行数据，掺烧前渗沥液调节池内悬浮物（SS）为30000～35000mg/L，掺烧30d 后，调节池SS 增加至42000mg/L，而SS 的增加将加大厌氧罐的运行负荷，缩短厌氧罐连续运行周期，不仅会带动MBR 膜池内污泥浓度上升，还会造成膜丝断裂。

2.2.4 直接混合掺烧比例低处置规模难以扩大

由于存在上述问题，垃圾焚烧发电厂须严格控制污泥掺烧的比例。根据实际运行数据，每日3000t 生活垃圾入炉仅能掺烧60t 市政污泥，掺烧比例仅为2%，因此市政污泥直接掺烧式协同处置规模难以扩大，经济效益不能得到有效提高。

3 改造为市政污泥雾化喷入垃圾池协同处置工艺

市政污泥雾化喷入垃圾池协同处置工艺，是对市政污泥直接掺烧式协同处置工艺的优化改造与提升。一是对污泥接入环节进行了改造，由原来运输车辆将污泥直接卸入垃圾池，转变为运输车辆将污泥卸入污泥储存仓，进而通过柱塞泵及污泥管道输送至垃圾池，避开垃圾卸料门，送入靠近垃圾池内靠近料斗一侧，避免污泥堵塞排水篦子或进入渗沥液系统。二是改善混合环节，在污泥输送管道的末端设置了污泥喷枪，利用压缩空气将污泥雾化后喷入垃圾池内，从根本上解决污泥混合这一问题。三是在运行操作层面，优化焚烧炉运行控制，通过合理调整推料器行程、速度及给料间隔确保推料器的稳定运行；优化焚烧炉配风、炉排动作等运行参数，确保烟气、炉渣、炉膛温度等满足国家及北京市的环保标准，提高污泥掺烧比例。

4 案例生活垃圾焚烧发电厂的市政污泥协同处置工艺改造

北京市某生活垃圾焚烧发电厂结合市政污泥雾化喷入垃圾池协同处置工艺流程，对该生活垃圾焚烧发电厂市政污泥协同处置工艺进行了相应的技术改造。

4.1 优化污泥储存与输送

优化改造后设置了由平底仓、液压滑架、液压仓盖、超声波料位计等组成的100m3的污泥储存料仓，其中自动液压仓盖为平开式，尺寸设计为3500mm×2500mm，入料口处设置钢制隔栅，隔栅开口为150mm×240mm，避免石块等硬质物进入料仓损坏设备。同时，污泥储存料仓设有高低位报警，使储存料仓内始终保持合适的料位，并在底部设2 个滑架，采用液压驱动搅拌污泥，方便污泥下料；污泥通过双轴螺旋输送机进入柱塞泵，使污泥在输送机内进行充分搅拌混合均匀；输送机采用变频控制，可根据垃圾池情况实时调节污泥量；柱塞泵的泵送量为0～10m³/h，1 用1 备，最大输送量可达200m3/d 以上。

4.2 增设污泥雾化设备

提高污泥与生活垃圾混合效果的关键在于污泥的雾化，针对市政污泥的特点北京市某生活垃圾焚烧发电厂市政污泥协同处置工艺设计了专门的污泥喷枪。污泥被压力管道输送至料虹组件入口处，进入一级文丘管被收缩、瓶颈、扩散，在负压处吸入经气虹组件中文丘管的压缩空气，形成空气、污泥混合物后，再次被压送至料虹组件中的二级文丘管中被收缩、瓶颈，由扩散端喷出。改造完成后，在每个垃圾池长度方向上设置了4 台污泥喷枪，污泥经雾化后可均匀喷洒在喷枪下的垃圾上，同时通过顺序控制，调整各喷枪的喷射时间与喷射间隔，使污泥均匀覆盖整个垃圾平面。

4.3 调整焚烧炉的运行

生活垃圾焚烧发电厂要求入炉生活垃圾的含水率在50%～60%，而与生活垃圾相比市政污泥的含水率较高，一般在70%～80%，与生活垃圾混合后，容易使垃圾粘连、抱团，因而必须对焚烧炉的运行控制参数做出针对性调整，确保其连续稳定运行。另外，在污泥自身性质稳定的条件下，在污泥焚烧过程中控制好焚烧炉内的焚烧条件，如停留时间、炉内温度、空气含量等工艺条件，也是提高污泥掺烧率与保证焚烧炉稳定运行的重要因素[3]。

4.3.1 焚烧炉控制参数调整

生活垃圾焚烧系统掺烧污泥不仅仅是工艺技术或设备的问题，更是垃圾焚烧系统运营管理优化的问题。生活垃圾混入污泥后，与纯生活垃圾相比，更易结块、粘连，因此必须通过合理调整推料器行程、速度及给料间隔确保推料器的稳定运行，优化焚烧炉配风、炉排动作等运行参数，确保烟气、炉渣、炉膛温度等满足现行的国家及北京市环保标准。

4.3.1.1 提高推料器行程

按照“垃圾较轻采用较长的行程，垃圾较重采用较短的行程”，通过控制推料器行程和速度可控制炉排上垃圾的供给量，避免行程太短的垃圾不能顺利落下问题，以及行程太长的垃圾突然大量落下的现象。一般来说，如果推料器在运行，但垃圾不能落在炉排上，应延长推料器行程；如果垃圾大量落下，则应缩短推料器的行程。此外，掺烧污泥后，垃圾易粘连，增大推料器上的阻力，对于北京市某生活垃圾焚烧发电厂采用的三菱马丁炉，可将推料器行程提高至300～350cm，同时匹配合适的炉排速度。

4.3.1.2 优化焚烧炉配风

污泥与生活垃圾相比不易烧透，在运行中须根据炉膛氧量（6%～9%）、一氧化碳含量（小于55mg/m3）、炉膛温度（1050℃左右）、火焰颜色及焚烧炉出渣情况动态调整一次风。掺烧污泥后，须提高一次风的风量，可采取“富氧燃烧”的方式，根据运行经验，一次风的总风压应保持在4.5kPa 以上，以保证一次风可正常穿透垃圾料层。同时，将火线迁移，提高炉排下第一风室的风量，风室挡板开度可提高至70%（单烧生活垃圾时开度为20%），以缩短干燥段长度，延长燃烧段长度。炉膛氧量在任何条件下都不得低于6%，以保证足够的过量空气系数。此外，也可将一次风温度提高10～20℃以保证燃烧效果，如夏季可将一次风温度设置为180℃，冬季可将一次风温度设置为210℃。

4.3.2 控制污泥焚烧影响因素

4.3.2.1 合理调整停留时间

由于污泥焚烧主要包括污泥干燥、焚烧和燃尽过程3 个阶段，因而污泥的停留时间理论上要长于这3 个阶段花费的总时间，同时还要满足固体废物在燃烧室中的停留时间，以保证达到完全焚烧。综合考量，停留时间越长，污泥焚烧的就越彻底，但考虑到经济性的问题，还必须有一个合理的焚烧停留时间，并在能完成污泥焚烧的前提下降低停留时间[4]。

4.3.2.2 控制燃烧温度

燃料只有达到着火温度，才能与氧反应燃烧。而着火温度又是在氧气存在下可燃物开始燃烧必须达到的最低温度，因此燃烧室温度必须保持在燃料起燃温度以上。结合实际情况，北京市某生活垃圾焚烧发电厂的市政污泥与生活垃圾协同处置的焚烧温度，应控制在850～950 ℃。

4.3.2.3 空气的混合程度

焚烧炉中氧气的含量越高，表明生活垃圾与污泥的混合程度越均匀，污泥的燃烧速度就越快，燃烧效果就越好。在实际焚烧中，常用实际空气量与理论空气量的比值，即过剩空气系数，来表示燃烧固体与空气的混合程度。但在操作过程中，为了让污泥完全燃烧，往往还会进行二次送风，送入比理论空气量更多的助燃空气量，以提高焚烧炉中的流场湍流度，改善传质与传热效果。同时，需要注意的是如果助燃空气过剩系数太高，不仅会降低炉温，还会影响生活垃圾与污泥协同焚烧的效果[5]，因此需合理控制助燃空气通入量，实现生活垃圾、污泥与空气合理混合，让生活垃圾与污泥协同焚烧更彻底。

4.4 运行情况

“污泥管道输送+喷入垃圾池”的混合工艺极大地改善了北京市某生活垃圾焚烧发电厂市政污泥与生活垃圾协同处置的混合效果，解决了污泥堵塞垃圾池排水篦子或进入渗沥液系统的问题。同时，通过强化焚烧炉运行控制，市政污泥的处置能力由60t/d 提高至300t/d，掺烧比例由2%提高至10%，并在保证各项环保指标达标的前提下，提升了社会效益与企业自身的经济效益。

结论

综上所述，结合生活垃圾焚烧发电厂实际生产过程中在市政污泥协同处置方面遇到和需要解决的问题，通过对原有生活垃圾焚烧掺烧污泥混合环节和焚烧炉运行控制环节的进一步改造和优化，从工艺角度利用污泥雾化技术实现生活垃圾与污泥的充分混合，从实操角度优化给料器、炉排动作参数及焚烧炉配风，提高污泥掺烧比例，同时确保烟气、炉渣等各项指标满足现行的国家及北京市环保标准，实现了污泥与生活垃圾协同焚烧处置的稳定化、减量化、无害化和资源化，协同比例由2%提高到了10%，为市政污泥的长期稳定协同处置提供了思路及技术指导。而利用在运生活垃圾焚烧发电厂直接协同处置城市污泥，并与生活垃圾共用焚烧设备及烟气净化等公用设施，只需增加污泥输送系统设备，优化混合、焚烧等运行环节，与建立单独的污泥干化焚烧设施相比，不仅可大大降低建设及运营维护成本，还能实现市政污泥的安全快速高效处置，具有重大的现实意义。