喬 旭

(上?？岛悱h(huán)境股份有限公司,上海 201703)

引 言

目前污泥主要處理方式有衛(wèi)生填埋、土地利用、焚燒等[1]。衛(wèi)生填埋投資費用低，但可能出現有害物質滲漏，極易造成地下水的污染，并且占用大量土地資源，而土地利用可能產生重金屬污染、散發(fā)臭氣等環(huán)境問題[2]。焚燒被認為是最高效、最徹底的污泥處理方式[3]。機械式爐排焚燒爐由于焚燒效果好、技術經濟性佳、市場占有率高等特點成為污泥摻燒的最佳選擇。

汪洋等[4]探討了機械式爐排爐摻燒污泥的設計運行及其可行性，為摻燒污泥協同焚燒工藝的技改提供了技術借鑒。石靖宇等[5]闡述了垃圾焚燒發(fā)電廠中摻燒干化污泥技術在國內外應用情況及其工藝流程，提出垃圾焚燒發(fā)電廠摻燒干化污泥的可行性及優(yōu)勢。余毅等[6]基于往復式機械爐排爐分析了生活垃圾焚燒廠協同焚燒污泥的運行特性，項目運行表明，污泥干化至含水率為35%～40%后垃圾協同焚燒比例較為合適。

本文結合某采用機械往復式爐排的垃圾焚燒發(fā)電項目，通過計算分析，考察了摻燒不同比例的干化污泥對焚燒爐出口煙氣量和煙溫、鍋爐蒸發(fā)量和鍋爐整體效率、爐渣和飛灰、焚燒爐出口污染物濃度的影響，以期為垃圾焚燒廠協同焚燒污泥提供參考。該發(fā)電項目為一座2 250 t/d的生活垃圾焚燒發(fā)電廠，配置3x750t/d焚燒線，垃圾設計低位熱值為7 536 kJ/kg(1 800kcal/kg)，鍋爐主蒸汽參數為6.4MPa(g)、450℃，臥式布置。

1 污泥摻燒工藝

1.1 工藝技術方案

圖1為垃圾焚燒廠協同焚燒污泥工藝系統(tǒng)。各城市污水處理廠的污泥(80%含水率)用密閉的污泥輸送車運輸至廠內的污泥接收倉內，污泥通過汽車卸入濕污泥接收儲存?zhèn)}，再送入干化、造粒系統(tǒng)進行干化、造粒處理。處理后的污泥暫時送到干污泥儲倉內存儲，再通過污泥輸送系統(tǒng)運至垃圾坑，通過抓斗與生活垃圾共同入爐焚燒。從垃圾焚燒廠送來的汽輪機抽汽(1.1MPa、300℃)，經一套減溫減壓裝置后，變?yōu)轱柡驼羝?0.6MPa、159℃)，作為干化的熱源。

圖1 焚燒廠協同焚燒污泥工藝系統(tǒng)Fig.1 Synergistic sludge incineration process system in incineration plant

本系統(tǒng)利用焚燒生活垃圾產生的能源為污泥干化提供所需的熱量，同時將污泥在干化過程中產生的廢氣送至焚燒廠作為助燃空氣使用，可以避免臭氣的溢出。這種協同焚燒使得污泥干化過程中的能耗和廢氣的處理成本大大降低。

1.2 污泥熱值分析

污泥熱值是焚燒廠協同焚燒的關鍵性能參數，不同含水率的污泥熱值存在較大差別，表1為本項目污泥工業(yè)分析、元素分析及低位熱值。從表1可以看出，隨著含水率的升高，污泥熱值逐漸降低，當含水率為38%時，污泥低位熱值達到4 187 kJ/kg。

表1 污泥工業(yè)分析、元素分析及低位熱值Tab.1 Industrial analysis, element analysis and low calorific value of sludge

1.3 干污泥摻燒比例

對于不同地區(qū)的生活垃圾，污泥摻燒比例也不同，高熱值生活垃圾可適當增大污泥摻燒比例，具體需要針對各地實際情況進行綜合技術分析。本方案重點比較生活垃圾與干化污泥不同摻燒比例時的焚燒爐燃燒特性，共分析了4個設計工況，均保持焚燒處理量為750t/d。有國內相關研究表明低位熱值高于4 187kJ/kg的燃料才能維持穩(wěn)定燃燒，保證焚燒廠的穩(wěn)定發(fā)電[7]，鑒于此，設計工況污泥含水率控制在38%。

具體設計工況燃料的熱值和元素分析如表2所示。設計工況1為750t/d生活垃圾單獨燃燒工況，設計工況2為5%污泥摻燒比的燃燒工況，設計工況3為10%污泥摻燒比的燃燒工況，設計工況4為15%污泥摻燒比的燃燒工況。摻燒污泥的入爐燃料特性根據污泥和生活垃圾摻燒比例進行物理計算得到，由表2可知，隨著污泥摻燒比的增加，入爐燃料熱值減少，灰分和硫含量增加。

表2 入爐燃料收到基元素分析及熱值Tab.2 The basic element analysis and calorific value of the fuel entering the furnace

2 摻燒干化污泥對焚燒系統(tǒng)的影響

2.1 干化污泥摻燒對焚燒爐出口煙氣量及煙溫的影響

干化污泥摻燒比例對焚燒爐出口煙氣量及煙溫的影響如圖2所示?？梢钥闯?，在保持入爐燃料總量不變、過量空氣系數為1.6和省煤器出口煙溫為190℃的條件下，隨著干化污泥摻燒量的增加，焚燒爐出口煙氣量呈線性減小的趨勢，焚燒爐出口煙溫變化不明顯。當摻燒比例分別為5%、10%和15%時，煙氣量分別減少1.8%、3.6%和5.4%。與設計工況1相比，當干化污泥摻燒比例達到15%，焚燒爐出口煙溫降低1%。污泥的摻燒降低了入爐燃料的整體熱值，維持過量空氣系數不變，燃燒所需的一次風量和二次風量均減少，使得焚燒產生的煙氣量減少，焚燒爐出口煙溫略有下降。

圖2 干化污泥摻燒對焚燒爐出口煙氣量及煙溫的影響Fig.2 Effect of mixed combustion of dried sludge on flue gas volume and flue temperature at incinerator outlet

2.2 干化污泥摻燒對鍋爐蒸發(fā)量和鍋爐整體效率的影響

圖3示為干化污泥摻燒比例對鍋爐蒸發(fā)量和整體效率的影響。由圖3能夠看出，隨著干化污泥摻燒量的增加，余熱鍋爐蒸發(fā)量和整體效率變化趨勢相同，均為近似線性遞減。當摻燒比例分別為5%、10%和15%時，鍋爐蒸發(fā)量分別減少2.6%、5.2%和7.6%，鍋爐整體效率分別下降0.1%、0.2%和0.5%。由于干化污泥熱值低于垃圾，在入爐燃料總量不變的條件下，焚燒爐總輸入熱量減少。在焚燒爐熱量輸出端，盡管排煙損失降低，但焚燒產生的飛灰和爐渣量增加，帶走的熱量更多，導致鍋爐有效吸收熱減少，使得鍋爐蒸發(fā)量減少，鍋爐效率下降，一定程度上影響焚燒爐及余熱鍋爐整體的經濟性。

圖3 干化污泥摻燒對鍋爐蒸發(fā)量和鍋爐整體效率的影響Fig.3 The effect of mixed burning of dry sludge on boiler evaporation and overall boiler efficiency

2.3 干化污泥摻燒對爐渣和飛灰的影響

雖然焚燒法處理生活垃圾減量化效果顯著，但仍有20%～30%的質量留在了焚燒灰渣中。焚燒灰渣主要包括爐渣和飛灰，不同干化污泥摻燒量對焚燒爐灰渣的影響，如圖4所示。生活垃圾混燒污泥后產生的爐渣和飛灰含量表現為上升的趨勢，這是由于污泥中的灰分含量高于生活垃圾，摻燒污泥后產生的灰渣更多。與純垃圾焚燒相比，當混燒15%污泥后爐渣與飛灰的產生量分別增加了12.6%和12.5%，按照焚燒爐年正常工作時間8 000h計算，每臺爐每年多排出5 800t爐渣和1 100t飛灰。在實際運行中，摻燒污泥也會加劇過熱器、蒸發(fā)器、省煤器等換熱管束的積灰程度，降低受熱面的傳熱效率，容易導致各級受熱面進出口煙氣溫度比設計溫度高。另外，沾污積灰加快受熱面的腐蝕，縮短受熱面壽命，嚴重時會影響鍋爐的正常運行，甚至發(fā)生爆管。因此在設計階段需重點考慮優(yōu)化余熱鍋爐結構，提高煙氣流速，加大受熱面橫縱節(jié)距，增加吹灰點數等，運行階段提高吹灰頻次等。

圖4 干化污泥摻燒對爐渣和飛灰的影響Fig.4 Effect of mixed burning of dried sludge on slag and fly ash

2.4 干化污泥摻燒對焚燒爐出口污染物濃度的影響

生活垃圾焚燒產生的氯化氫(HCl)、硫氧化物(以SO2為計)等煙氣污染物濃度，可通過入爐物料元素分析進行計算。對比上述四種設計工況下的SO2和HCl濃度發(fā)現，隨著干化污泥摻燒比例增大，SO2和HCl排放濃度隨摻燒比例變化趨勢如圖5所示。從圖5中可以看出，SO2與HCl的排放濃度隨摻燒比例的增大而增大，尤其是SO2增加最為明顯。與垃圾單獨燃燒工況相比，當摻燒比例分別為5%、10%、15%時，SO2污染物濃度分別增加21.9%、44.7%、68.4%，HCl污染物濃度分別增加1.6%、3.2%和4.9%。由于污泥中的S、Cl元素含量均高于垃圾，使得干化污泥摻燒比例越大，焚燒爐出口酸性氣體排放濃度越高，特別是SO2污染物增幅明顯，對末端煙氣處理工藝要求更高，需適當增加脫硫藥劑的消耗量。

圖5 干化污泥摻燒對焚燒爐出口污染物濃度的影響Fig.5 The effect of mixed drying of sludge on the concentration of pollutants at the outlet of the incinerator

3 經濟性分析

單獨建設污泥焚燒廠，污泥焚燒廠產生的熱量僅能滿足干化需要熱量的70%[5]，需外購蒸汽作為干化輔助熱源，還需消耗大量的輔助燃料。垃圾焚燒廠產生的蒸汽可為干化污泥提供足夠的熱量，無需助燃即可保證垃圾焚燒爐穩(wěn)定運行要求，因此摻燒污泥的運行成本會大大降低。摻燒污泥運行成本主要包括污泥干化成本、直接摻燒成本、煙氣處理增加成本、飛灰處理增加成本和減少上網電量成本。

3.1 污泥干化成本：污泥從含水率80%經干化至38%，處理成本約160元/t污泥(含水率80%)。

3.2 直接摻燒成本：單位時間摻燒一定量的污泥意味著相應垃圾處理量的減少，按照本項目當地生活垃圾補貼政策，垃圾處置費用約為110元/t，摻燒含水率38%的污泥折合處理成本約為35元/t污泥(含水率80%)。

3.3 煙氣、飛灰處理成本:污泥中S、Cl以及灰分含量較生活垃圾高，摻燒污泥后煙氣處理過程中的消石灰等脫酸藥劑耗量和飛灰產量增加，折合處理成本僅為0.04元/t污泥(含水率80%)，對此煙氣、飛灰處理增加成本忽略不計。

3.4 上網電量成本：隨著污泥摻燒量的增加，入爐物料熱值降低，平均噸物料上網電量逐漸減少。垃圾單獨焚燒與摻燒污泥比例分別為5%、10%、15%時，平均噸物料上網電量分別為465.7 kWh/t、454.8 kWh/t、443.9 kWh/t和432.6kWh/t。以此測算，按摻燒比例15%，本項目單臺規(guī)模750t/d的焚燒爐上網電量減少約2.5萬度，按上網電價0.65元/度計算，上網售電收入減少16 250元，折合污泥處理成本約為46元/t污泥(含水率80%)。

經分析，摻燒污泥成本為241元/t污泥(含水率80%)。本項目污泥處置補貼費為320元/t污泥(含水率80%)，每噸濕污泥協同焚燒會增收79元/t污泥。

4 結 論

4.1 摻燒干化污泥對焚燒爐燃燒特性有一定影響。當干化污泥(含水率為38%)摻燒比例從0增加至15%，焚燒爐出口煙氣量減少5.4%，鍋爐蒸發(fā)量減少7.6%，鍋爐整體效率下降0.5%；爐渣與飛灰的產生量分別增加了12.6%、12.5%；SO2與HCl分別增加了68.4%、4.9%。

4.2 采用熱干化+協同焚燒的方式對污泥進行處置，可最大程度地實現污泥的“減量化”、“無害化”和“資源化”。污泥摻燒比例應根據項目的垃圾特性和污泥特性進行分析和控制，以確保摻燒污泥過程中爐膛溫度、灰渣和污染物排污濃度滿足環(huán)保要求，保證焚燒爐長期穩(wěn)定運行。

4.3 對垃圾焚燒廠摻燒污泥的經濟性進行分析，與單獨建設污泥焚燒廠相比，垃圾焚燒廠摻燒污泥運行成本會大大降低，經測算污泥協同焚燒成本為241元/t(含水率80%)。