150 MW锅炉城市污泥掺烧性能试验研究
摘 要：针对在污水处理过程中产生大量污泥的问题，以4台循环流化床锅炉为例，对经过浓缩、投加PAM后压滤形成的预脱水干化污泥进行掺烧试验，分析掺烧时的锅炉燃烧稳定性、锅炉效率及污染物排放情况。试验结果表明，掺烧含水率低于60%的污泥，掺煤比达到15%时对锅炉燃烧影响非常小，排放出的污染物符合环保要求。
关键词：污泥; 污泥掺烧; 含水率; 掺煤比;
随着我国经济的快速发展，城市污水处理率逐渐提高，伴随而来的污泥无害化问题日益突出。把污泥无害化、资源化、能源化为解决污泥处置问题提供了一种出路，同时也有利于循环经济的发展，是区域生态平衡的重要一环。污泥在生产过程以及后处理过程中会包含很多有机物，有机物中含有很多致病菌、微生物以及其他对人体有害的微生物。若对城市污泥不加以处理，直接排放，会对土壤、水体以及植被等造成非常严重的破坏。目前，处理污泥的方法主要有土地填埋、土地利用、污泥干燥、污泥焚烧、直接排海等。其中，直接排海的方式已经逐渐被弃用。以焚烧为核心的处理方法是最为彻底的处理方法之一，这是由于焚烧能够使污泥中所含有的有机物全部碳化并完全燃烧，完全处理掉其中的致病微生物，且污泥焚烧的处理速度快，不需要长期储存；同时，污泥的焚烧还具有运输距离短、减容效果明显等特点。
现阶段有很多学者利用热重分析对污泥的各种物化性质展开了研究。FONT R等人利用热重分析研究了几种不同污泥的热重与热解特性，得出不同种类的污泥由于其产地以及生产方式的不同，物化性质以及热重特性有着非常大的差别，不能单纯的采用与煤粉相同的分析方法对不同种类的污泥进行分析。OTERO M等人通过研究干燥污泥与煤粉不同的掺混情况，得到在不同的掺混比下污泥与煤粉混合物的热解与燃烧特性。NADZIA-KIEWICZ J通过热重分析，研究污泥与煤粉混样混合并进行掺烧的情况，得出污泥中所含有的物质会对掺烧情况造成非常巨大的影响。在实际掺烧过程中，火力发电厂需要对污泥的掺烧比以及其含有的物质进行严格的控制。
本文基于上述研究，采用掺烧含水率小于60%的污泥，且掺烧比例分别为0%、5%、10%、15%的方式进行试验，研究此方式对150 MW燃煤锅炉实际运行情况和污染物排放情况的影响并进行分析。
1 概述
1.1 城市污泥特性
某城市的污泥化验结果如表1所示。
表1 某城市污泥化验结果
1.2 引风机及给煤机技术规范
引风机及给煤机的相关技术规范如表2、表3和表4所示。
表2 引风机设备规范
2 试验分析
本次试验由某煤矸石热电有限责任公司拟协同政府环保部门，利用现有的4台循环流化床锅炉，焚烧来自于阜新、沈阳等污水厂氧化沟排出的经过浓缩、投加PAM后压滤形成的预脱水干化污泥，污泥含水率低于60%。利用锅炉一次热风在磨煤机中将燃料进行加热烘干后，再磨成煤粉，送入锅炉燃烧。试验分为无污泥掺烧、5%污泥掺烧、10%污泥掺烧等3种比例掺烧，对锅炉燃烧稳定性、飞灰和炉渣含碳量及污染物排放情况等指标进行分析。
2.1 对引风机及给煤机出力的影响
引风机额定功率是2500 kW，引风机功率增加6%。若引风机余量可以满足增加6%的要求，则不需增容改造；反之，需进行引风机增容改造。试验结果如表1所示。
含水率60%的污泥是板块压滤机出口产品，平均分配到6台给煤机中，则每台给煤机出力增加6.75 t/h。给煤机额定功率是3 kW，功率增加16%，若给煤机余量可以满足增加16%的要求则不需增容改造；反之，需进行给煤机增容改造。
根据对某公司引风机及给煤机设备的设计参数校核及实际运行情况分析，以上设备的设计余量均能满足污泥掺烧的要求。
2.2 对燃烧系统的影响
根据物料平衡，当掺烧含水率为60%的污泥且掺烧比例达到15%以上时，各项参数的计算结果如表5所示。
表5 物料及热平衡计算
与燃煤相比，含水率60%的污泥热值较低，含水量大，掺入锅炉燃烧时会对锅炉的燃烧系统产生影响，主要表现在对燃烧稳定性和锅炉效率方面的影响。
2.2.1 对燃烧稳定性的影响
根据已有的同类项目试验研究结果，当掺烧比例较小时，对炉内的燃烧情况进行观察可发现，火焰均很明亮，燃烧稳定，且差别不大；同时，混煤的燃料燃尽特性较好，其燃尽特性几乎没有改变；当锅炉负荷不变时，炉膛温度分布的曲线变化随着掺烧污泥的比例逐渐升高。因此，掺烧比例尽量控制在一定范围内。
燃用设计煤种时，额定负荷下锅炉燃煤量为115 t/h，燃煤低位发热量为12.16 MJ/kg。根据工艺设计结果，当掺烧含水率60%的湿污泥且掺烧比例达15%时，掺烧污泥量为17.25 t/h，每小时补充热量折算成标煤为337.45 kg/h。因此，掺烧污泥对密相区床温影响不大，主要是炉膛出口的烟气量增加，继而携带的热量增加，锅炉效率降低。从热值、水分、灰分或者硫份方面分析，掺烧后的物料在实际燃烧的燃料变化范围以内，不会对锅炉的稳定燃烧产生影响。
2.2.2 对锅炉效率的影响
根据设计煤质数据，全水分Mar为10.7%，收到基灰分Aar为45%。污泥的水分高达60%，所以当掺烧的污泥送入炉膛燃烧时，相当于增加了原煤的水分，排烟损失增大。绝干污泥的灰分与燃煤灰分相当，根据污水处理厂的污泥检验结果，灰分含量约为17%～33%。当掺烧17.25 t/h的湿污泥时，总灰分含量提高了3.55%～6.89%。初步估算，锅炉效率会因此降低0.1%～0.2%。
掺烧污泥后，水分对锅炉效率产生主要影响。经过估算，掺烧污泥相当于每小时多掺烧水10.35 t。如果燃用实际煤种并掺烧污泥，满负荷时相当于燃煤水分升高了约9%，增加吸热量9890443 kJ/h，会对锅炉效率产生一定影响。同时，污泥本身有一定的发热量，掺烧17.25 t/h含水率为60%的污泥，也可以放出热量。初步估算，锅炉效率会因此降低0.2%～0.5%。
2.3 对粉煤灰综合利用的影响
污泥焚烧所产生的焚烧灰具有较好的吸水性和凝固性，与粉煤灰的性质相差不大，国外也有将污泥燃烧产物作为水泥原料进行利用的应用实例。此外，掺烧污泥的比例不大，污泥燃烧后的灰在总灰量中占的比例很小，对粉煤灰的特性基本没有影响。因此，掺烧城市污泥对粉煤灰的综合利用影响不大。
考虑到污泥中含有较多的金属物质，不同性质的污泥中的重金属含量相差很远。污泥中的重金属主要有Cu、Cd、Cr、Mn、Pb、Hg和Zn等。污泥中的重金属主要以氧化物、氢氧化物、硅酸盐和有机络合物等形式存在，其次为硫化物。污泥掺入锅炉燃煤中燃烧后，除Hg外，绝大部分重金属保留在焚烧残渣中。因此，必须对掺烧后的飞灰进行检验，观察重金属含量是否超标。
表6是中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司对锡林浩特褐煤与城市生活污泥按75:25的掺烧比例进行试烧试验后，飞灰和底渣中主要重金属微量元素含量分析的结果。
由表6可以看出，掺烧污泥后，飞灰和底渣中重金属微量元素的含量均低于《农用粉煤灰中污染物控制标准》（GB 8173-1987）和《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中规定的重金属元素排放限值。
根据已投产项目运行经验，由于掺烧量较大，当污泥和燃煤混合较好时，给煤系统不会出现堵煤现象；若混合不好，则给煤系统可能出现堵煤现象，需在运行中避免该现象的发生。根据华能莱芜电厂的介绍，灰渣的正常销售没有因为掺烧污泥受到影响。
2.4 对烟气排放的影响
烟气排放物会随污泥掺混量的变化而变化。随着掺入污泥比例的增加，SO2、NOx、HCl和HF的排放浓度均有所增加。一般来说，HCl和HF的排放浓度都较低，不会对烟气的排放指标产生影响。表7是某清洁能源技术研究院有限公司对锡林浩特褐煤与城市生活污泥按75:25掺烧比例进行试烧试验后，烟气中二噁英含量
由表7可以看出，掺烧污泥后，烟气中二噁英的含量均低于《生活垃圾焚烧污染控制标准》和《危险废物焚烧污染控制标准》中规定的重金属元素排放限值。
根据已投产项目运行经验，掺烧污泥后不会对电厂脱硫、脱硝和除尘设备的运行产生影响。经过900℃左右的高温燃烧，二噁英大部分已经分解，烟气中二噁英的含量可以满足国家排放要求。
某300 MW燃煤电厂掺烧干化污泥后，上海城市建设设计研究总院对其产生的烟气和飞灰中的重金属及二噁英含量进行了测量，结果如表8和表9所示。
在掺烧10%污泥后的飞灰中，二恶英的浓度略有增加，从12.13 ng/kg增至16.0 ng/kg，但远远低于国家控制标准，掺烧后所产生的影响很小。
3 结论
1）从电厂运行角度来看，通过试验可以得出150 MW锅炉掺烧含水率为60%的城市污泥且掺烧比例达到15%时，对锅炉的经济性会有较小的影响。通过调整锅炉和输煤系统的运行方式，不会对锅炉运行的稳定性、设备的安全性和环保参数造成影响。燃烧生成SO2和NOx的浓度呈现先略微上升后下降的趋势，变化幅度较小，生成HF和HCl的浓度未发生明显变化，生成的二噁英浓度有所增加，经过废气处理设施处理后，其排放均符合相关标准。
2）利用好城市污泥掺烧，可以为社会提供后勤保障服务，也改善和加强了服务区范围以及处理生活垃圾的水平和能力，改善了城市的整体环境质量，提升了城市形象，促进经济进一步繁荣。
3）从环境影响经济损益角度分析，污泥掺烧工程每小时节约煤量为40.41 t，每年节约原煤量为222261 t，每年节约燃料费用约4511万元。因此，企业对污染源的治理有较好的环境效益和经济效益。
作者简介： 隋尹（1982-），男，辽宁北镇人，工程师。
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