关键词：污泥焚烧；燃煤电厂；锅炉烟气；治理措施
本文以鲁西南地区某大型燃煤发电厂为例，分析了协同处置电厂周边城镇污水厂污泥焚烧发电技术可行性，对焚烧锅炉烟气特性及治理措施进行研究。鲁西南地区某发电厂一期工程1~2号锅炉2×420t/h出力，一期续建工程3~4号锅炉2×440t/h出力，共配4台145MW中间再热凝汽式汽轮机；二期工程5~6号锅炉2×1025t/h出力，配2台330MW亚临界、单轴凝汽式汽轮机；形成了现装机总容量1240MW的规模。根据《国家能源局 生态环境部关于燃煤耦合生物质发电技改试点项目建设的通知》（国能发电力[2018]53号文），认为现有5、6号煤粉锅炉（2×330MW）完全具备干化掺烧污泥的优良条件，5、6号采用的是2×1025t/h固态排渣煤粉炉，设备型号为SG-1025/17.47-M881，额定主汽压力17.47MPa，额定主汽温度541℃，额定功率330MW。设计污泥和煤的掺烧比例为2%，采用污泥来源于电厂周围城镇生活污水厂，污泥含水率80%左右，入炉焚烧前采用5、6号炉SCR后的烟气干燥至含水40%以下。
1污泥产生及处置必要性
1.1污泥产生
该电厂掺烧污泥主要来源周边产生的工业废弃物及生活污泥等，污水处理设施的有效建设是城市可持续性发展的基础。根据当地环保局提供的资料，已建成的污水处理厂及企业与规划建设的污水处理厂属于一般固体废物的污泥产生量约1530t/d（含水率80%）。且目前产生的污泥由固废处置公司收集，干化后的污泥用于生产有机肥，但处理量仅为300t/d，远远不能满足现有企业污泥产生量要求，剩余无法资源化利用的污泥用于填埋，将占用大量的填埋土地。其次，由于污泥中含有的有害物质经过雨水侵蚀和渗漏，会不同程度地污染地下水环境，带来二次污染的威胁。
表2.4-7 污泥分析数据表
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该电厂掺烧污泥泥质重金属监测指标能够满足《城镇污水处理厂污泥泥质》（GB24188-2009）标准。热电厂协同处置的主要方式有：湿污泥（含水率80%）直接加入锅炉掺烧，和干化或半干化（含水率40%以下）后的污泥进入循环流床锅炉或煤粉炉焚烧。
根据芮新红（南京工程学院）、周强泰（东南大学）、魏昆生（仪征化纤股份公司）等联合发表文献《煤粉锅炉掺污泥燃烧的计算和分析》（2003年11月），燃煤中掺入少量污泥（比例不大于6%），对燃料燃烧的稳定、锅炉参数和受热面工作的安全性不会产生不良影响。
另外，根据2017年广州热电有限公司采用石井污水处理厂含水率40%的干化污泥进行了一组掺烧试验，试验过程分别在220MW、280MW两种工况下，对1-10%掺烧比例的锅炉机组运行情况进行了监控。掺烧1-10%干化污泥前后的锅炉热效率变化来看，锅炉热效率未发生明显变化，说明在目前试验比例（1-10%）下，干化污泥掺烧并未造成锅炉燃料燃尽率的下降，未影响锅炉的热效率。
因此，为了避免锅炉本身热值损失并保证良好的掺烧效果，同时根据污泥产生量及本电厂的安全生产负荷情况，结合设计单位和建设单位提供的基础数据，确定污泥和燃煤的掺烧比例为2%。
污泥掺烧后混合质量比例约为污泥：煤=2%：98%，掺烧污泥后混合燃料成分分析见表2.4-10。
表2.4-10 掺烧污泥后混合燃料分析数据表
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1.2污泥处置必要性
随着我国污水处理的普及和深入，城市污泥产量越来越大，且成分愈加复杂，如何对城市污泥加以处置与利用已成为人们所关注的问题。污泥的处理处置应该以减量化、稳定化、无害化为最终目的，在此原则下应选择技术优越、经济性较好的技术。
传统城市污泥处置方法主要有填埋、堆肥和焚烧等。填埋法优点处理成本低，无需高度脱水；缺点是占用大量土地，同时污泥中的重金属和病原微生物有可能污染土地和水资源。堆肥法能够改善土壤的物理性能，增加土壤的保肥能力和微生物含量，但是处理过程中必须对工艺参数进行严格的控制，才能避免造成对重金属、病原菌等对土壤造成污染。相比之下，焚烧法具有其它处理方法所不具备的一些优点：减容量大，有机物热分解彻底等，尤其适合与火力发电厂等的燃煤锅炉机组联合使用，已经成为彻底处置污泥的最有效技术之一。
2废气污染因素、治理措施分析
2.1废气
根据项目原辅材料消耗情况，所产生的废气主要包括以下几方面：
（1）污泥焚烧锅炉产生的烟气主要污染物包括烟尘、SO2、NOx、其他酸性气体（如HCl等）、重金属（Pb、Cd、Hg等）及剧毒性污染物（二噁英）等几大类。
（2）干化污泥在污泥暂存库堆放、掺混揉制、转运、焚烧等过程中散发的恶臭气体。
（3）渣灰库排放的粉尘。
有组织排放废气包括污泥堆放及掺混揉制散发的恶臭（G2）和锅炉烟气（G3）；无组织排放废气包括、干化污泥转运、焚烧恶臭（Gw2）、灰渣库粉尘（Gw3）。
2.2废气各污染物成因
（1）SO2、HCl等酸性气体排放
污泥焚烧过程中SO2主要来源于污泥中硫元素的氧化反应，污泥中硫主要以有机硫和无机硫形式存在，有机硫在燃烧时可直接氧化成SO2，无机硫则比较稳定，分解温度很高，并不能转变成SO2，最后可存在于炉渣中。在污泥焚烧过程中硫元素转化成SO2的转化率与污泥本身的含硫量、运行条件（床温和空气过量系数）、含水率、湍流强度、燃烧效率以及烟气停留时间等有关。
HCl则是由污泥中含氯的有机物和无机物在燃烧时产生，HCl气体具有很强的腐蚀性，会造成受热面的高温腐蚀，污染大气环境，还会促进毒性有机挥发物的生成。同时HCl与有机化合物在催化剂的作用下反应还会生成二噁英。
（2）NOx排放
一般来说，污泥在焚烧过程中排放的NOx以燃烧型NOx为主，如流化床属于低温燃烧（800℃~950℃），可以认为烟气中NOx全部是燃料型NOx。污泥中的氮元素主要有2种存在形态，包括挥发分N和焦炭N，其中挥发分N占总量的60%~80%，其余为焦炭N。随着空燃比的增加污泥焚烧产生的NOx量也随之增大，此外高的燃烧温度也会导致NOx的排放量增大。
氮氧化物排放类比山东省内同等规模（山东香驰热动有限公司3台75t/h循环流化床锅炉，低氮燃烧升级改造后氮氧化物浓度降到70mg/m3）和炉型的锅炉烟气中氮氧化物浓度，并根据拟建项目混合燃料，确定氮氧化物排放量，采用低氮燃烧NOx产生浓度浓度一般为400mg/m3，拟建项目采用AO干法脱硫脱硝协同技术，参照污泥集中焚烧发电处置中心项目，脱硝效率87.9%，保守起见，本次评价取80%，排放浓度为80mg/m3。
（3）重金属排放
当污泥进行焚烧时，由于焚烧温度很高，大部分重金属及其化合物被汽化，以气态和气溶胶态的形式排出锅炉。污泥焚烧过程中重金属的挥发性大小与重金属的种类和存在形态有关。研究表明，污泥经过焚烧后，Zn、Cu、Cr等金属绝大部分残留在灰渣中，Pb、Cd、Ni等金属部分残留在灰渣中，而Hg、As等易挥发金属则大量富集在飞灰中，灰渣中含量很少。随着焚烧温度的提高，Cu、Zn、Pb、Cd 等中度挥发性金属元素挥发性有所增加，而Ni、Cr等难挥发性金属元素则变化不明显。KozinkiJA 等研究表明污泥中大约有78%~98%的Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn在焚烧之后最终存在于飞灰中，但是超过98%的汞却随烟气一起释放到大气中。由于不同金属的逐级冷凝使得它们在飞灰颗粒中的分布呈现出一定的规律，其中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb等主要分布在飞灰颗粒物的核心区域，而较轻金属如Si、Al、Ca、Na、K等则主要分布在颗粒物的表面。
（4）二噁英
二恶英(Dioxin)是一种无色无味、毒性严重的脂溶性物质。二噁英指的是结构和性质都很相似的包含众多同类物或异构体的两大类有机化合物，全称分别叫多氯二苯并-对-二恶英（简称 PCDDs）和多氯二苯并呋喃（简称 PCDFs），我国的环境标准中把它们统称为二恶英类，包括210种化合物，这类物质非常稳定，熔点较高，极难溶于水，可以溶于大部分有机溶剂，是无色无味的脂溶性物质，所以非常容易在生物体内积累。二恶英的产生主要是含氯的物质在低于300~400℃时燃烧产生的二恶英，其主要的污染源是城市和工业垃圾的焚烧。
2.2废气污染防治措施
（1）烟尘处理
除尘系统采用两级布袋除尘器，每台锅炉配置2级布袋除尘器。锅炉烟气经一级布袋除尘器预除尘后，进入AO干法脱硫脱硝塔，再经二级布袋除尘器回收药剂、活性炭吸附装置后送入高100m烟囱排入大气，除尘效率可达99.9%以上。
（2）脱硫脱硝处理
采用AO干法脱硫脱硝协同技术，AO干法脱硫脱硝协同技术为低温超级氧化脱硫脱硝一体化技术，是国惠集团自主研发的一项新型干法协同脱硫脱硝技术，该技术通过协同反应剂同步对二氧化硫和氮氧化物进行脱除，AO协同反应剂可对二氧化硫浓度为200-6000mg/Nm3、氮氧化物浓度为200-3000mg/Nm3的烟气进行有效处理，处理烟气温度范围为20-260°C，实现二氧化硫与氮氧化物的近零排放。焚烧锅炉烟气同样采用“一级布袋除尘器+AO干法脱硫脱硝协同技术+二级布袋除尘器+活性炭吸附”工艺处理后经100m高的烟囱排放。
（3）重金属处理
重金属的净化主要是在“高效捕集”和“低温控制”两个方面采取措施。烟气通过采用一级除尘器+活性炭吸附对重金属进行处理。气化温度较高的重金属及其化合物在烟气处理系统降温过程中凝结成粒状物质，然后被一级布袋除尘设备收集去除，基本达到排放标准。微量气化温度较低的重金属元素无法充分凝结，仍以气态存在，在烟道末端被活性炭床吸附。
（4）二噁英控制
①原料控制
本工程所用燃料为污泥和锯末制作的生物质燃料棒，相较生活垃圾或工业固废焚烧，污泥中有机物、氯元素含量相对较低，因此从二噁英合成前驱物的入炉控制方面，掺烧污泥所产生的二噁英较少。
②焚烧管理
使污泥在锅炉内得以充分燃烧是对二噁英类源头控制的最有效方法，拟建项目通过采用“3T+E”控制法，即保证锅炉出口烟气的足够温度（Temperature）、烟气在燃烧室内停留足够的时间（Time）、燃烧过程中适当的湍流（Turbulence）、过量的空气（ExcessAir）。控制炉温在1100℃之上；焚烧燃料产生的烟气在二燃室高温停留时间大于2S，保证二噁英的充分分解；并合理控制助燃空气的风量、温度和注入位置，使炉膛内部温度场均匀，不产生燃烧死区，保证污泥充分燃烧。
为减少二噁英的重新生成，采用的循环流化床锅炉在设计上通过提高烟气流速，使烟气迅速通过空气预热器进行降温，减少烟气从高温到低温过程的停留时间，以减少二噁英的再生成。
③末端备用措施
通过焚烧管理和AO协同反应剂催化氧化分解，二噁英在前端基本已被去除并达标。鉴于二噁英对环境的危害，烟道末端设置活性炭床作为备用措施，吸附烟气中可能逃逸的二噁英。
3结语
由此可见，用电站燃煤锅炉协同焚烧处置的方法，以及燃煤电站现有的燃烧设备与烟气净化系统，相比独自兴建的大型污泥焚烧厂，不仅降低了前期投资，减少了运行维护的成本，还与我国当前发展国情相符。同时，该方法既可以处理因城市化进程而造成产的污泥，也能回收污泥的能力，从而使污泥可以真正实现无害化、减量化、资源化的处置。
参考文献
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【4】单锋,卓利宏.提高水泥窑协同处置城市生活污泥能力的措施[J].水泥,2017(4):16-18.
论文作者:庄士成
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第17期
论文发表时间:2020/3/4
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