陳全喜，付江濤

（1.武漢天和技術(shù)股份有限公司，武漢 430010；2.江漢大學(xué)a.精細(xì)爆破國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.爆破工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.湖北（武漢）爆炸與爆破技術(shù)研究院，武漢 430056）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的高速發(fā)展，城市污水處理能力不斷提升，市政污泥的產(chǎn)出量也隨之迅速增長。2020 年，我國市政污泥產(chǎn)出總量60～90 Mt/年，且呈逐年上升趨勢。城市污水處理必須由“重水輕泥”向“泥水并重”模式轉(zhuǎn)變，并需新增污泥無害化處理規(guī)模22 Mt/年［1?2］（以含水率80%的濕污泥計(jì)）。目前，我國的市政污泥無害化處理率較低，常規(guī)的土地利用、衛(wèi)生填埋、建材利用、堆肥、焚燒等處理方式已經(jīng)不能滿足日益嚴(yán)苛的環(huán)境保護(hù)政策要求。

市政污泥的主要成分包括大量的水分及有機(jī)物質(zhì)、砂礫、重金屬、鹽類、難降解物質(zhì)、病原微生物、寄生蟲卵等，處置不當(dāng)會對環(huán)境造成二次污染?！冻擎?zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術(shù)指南（試行）》［3］中指出，污泥焚燒與協(xié)同處理技術(shù)為市政污泥“穩(wěn)定化、減量化、無害化、資源化”的有效方法，具有污泥處理能力大、穩(wěn)定性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、系統(tǒng)效率高等獨(dú)特優(yōu)勢。2017—2018 年，國家能源局和環(huán)境保護(hù)部聯(lián)合密集發(fā)文［4?5］，為燃煤電廠耦合市政污泥發(fā)電提供政策支持，并在全國范圍內(nèi)批準(zhǔn)了29個(gè)市政污泥耦合發(fā)電示范項(xiàng)目。目前，各示范項(xiàng)目正處于實(shí)施階段，探索燃煤電廠耦合市政污泥發(fā)電技術(shù)中的關(guān)鍵影響因素十分必要。

1 市政污泥的特性

陳大元等［6］對比分析不同市政污泥和不同動力煤種，認(rèn)為污泥的全水分如果降低至40%以下，其特性基本與國內(nèi)年輕褐煤接近，但揮發(fā)分明顯偏高。干化污泥整體上屬于低熱值、高揮發(fā)分、高水分、高灰分、嚴(yán)重結(jié)渣燃料。

1.1 含水率

市政污泥產(chǎn)生于城市污水處理廠生產(chǎn)過程中，污泥中含有大量的水分。水分存在的形式可分為自由水、間隙水、吸附水和結(jié)合水。自由水存在于污泥顆粒之間，占總水分的65%～85%；間隙水存在于污泥顆粒與微生物細(xì)胞間的裂紋及楔形毛細(xì)管內(nèi)，占總水分的15%～25%；吸附水存在于污泥顆粒的表面，被表面張力所吸附；結(jié)合水存在于污泥顆粒和微生物細(xì)胞內(nèi)［7?8］。典型的城市污水處理廠生產(chǎn)過程中，各工藝段產(chǎn)生的污泥含水率［9?10］見表1。

由表1 中數(shù)據(jù)可見，市政污水處理廠生產(chǎn)中的每一個(gè)工藝段產(chǎn)生的污泥含水率都極高。而市政污泥耦合燃煤電廠發(fā)電，主要是利用市政污泥中所含的熱值。含水率的高低，將會直接影響單位質(zhì)量污泥的熱值，從而影響市政污泥耦合發(fā)電的效率。

表1 城市污水處理廠不同工藝段污泥含水率Tab.1 Water content in sludge from different links of the municipal waste water treatment plant %

1.2 熱值

市政污泥中含有的有機(jī)質(zhì)是生物法處理污水過程中微生物新陳代謝的產(chǎn)物，也是污泥熱值的主要來源。由于污泥中含有大量的水分，污泥的熱值與污泥含水率密切相關(guān)。圖1為污泥干物質(zhì)熱值為21 MJ/kg 且溫度為10 ℃時(shí)，污泥熱值與含水率之間的關(guān)系［10］。

圖1 污泥熱值與含水率關(guān)系Fig.1 Relationship between sludge calorific value and water content

由圖1 可見，污泥的熱值隨著含水率的降低和干物質(zhì)可燃燒成分比例的上升呈上升趨勢。因此，污泥耦合燃煤電廠發(fā)電時(shí)，電廠會希望污泥的含水率越低越好。但是一般市政污水處理廠產(chǎn)出的污泥含水率都在80%左右，要降低污泥含水率就需進(jìn)行干化處理。而污泥干化工藝的運(yùn)行成本將直接關(guān)系到污泥耦合發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。

Magdziarz 等［11］對比分析了來自波蘭某污水處理廠的干化市政污泥與當(dāng)?shù)孛旱V所產(chǎn)煤碳的熱值和主要元素含量，見表2。

由表2 中數(shù)值可見，當(dāng)干化市政污泥的含水率為5.3%時(shí)，其氫元素和煤相當(dāng)，但其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和熱值遠(yuǎn)低于煤。表2中干化市政污泥的熱值與圖1中的數(shù)值接近。

表2 干化市政污泥與煤的元素分析Tab.2 Element analysis on dried municipal sludge and coal

為防止污泥耦合燃煤發(fā)電產(chǎn)生的煙氣中酸性物質(zhì)低于露點(diǎn)導(dǎo)致酸析出后腐蝕煙道和設(shè)備，鍋爐的排煙溫度都高于酸的露點(diǎn)［12］，一般在100 ℃以上。污泥耦合到燃煤電廠燃燒后，其中的水分將轉(zhuǎn)化成蒸汽混合到煙氣中，這些蒸汽含有氣化潛熱，其熱量來源于煤和污泥的燃燒。只有當(dāng)污泥燃燒產(chǎn)生的熱量大于污泥中的水分轉(zhuǎn)變成蒸汽所需的能量時(shí)，其超出部分的熱量才有可能被利用而發(fā)電。對于干物質(zhì)低位熱值為8.374 MJ/kg的污泥，當(dāng)其水分達(dá)到76.9%時(shí)，燃燒污泥產(chǎn)生的熱量剛好可以使其中的水分完全蒸發(fā)［9］。若污泥含水率稍高就無法實(shí)現(xiàn)自持燃燒，需要添加輔助燃料。文獻(xiàn)［3］中也提出，若將含水率為80%的市政污泥干化到含水率40%入爐焚燒，污泥干化機(jī)和焚燒爐的熱效率以85%計(jì)，則只有污泥干基質(zhì)低位熱值達(dá)到約13.510 MJ/kg 時(shí)，才不需要輔助燃料，從而達(dá)到自持燃燒。陳莉佳等［13］也提出，采用“污泥脫水干化至含水率40%+污泥焚燒”工藝路線較“污泥脫水至含水率80%+污泥干化焚燒”和“污泥深度脫水至含水率60%+污泥干化焚燒”工藝路線，碳排量更低，能耗更低。馬盟等［14］建議耦合燃煤電廠發(fā)電的市政污泥的含水率應(yīng)在30%～35%。針對不同的污泥耦合發(fā)電項(xiàng)目，項(xiàng)目方應(yīng)根據(jù)自身情況，充分利用項(xiàng)目各方資源和條件，設(shè)計(jì)合理的污泥含水率，優(yōu)化污泥熱值含量。

1.3 含砂率

市政污泥中的砂礫在污泥耦合燃煤電廠發(fā)電時(shí)是一個(gè)極易被忽略的問題。砂礫由于硬度高，無論是在污泥干化工藝中，還是混入燃料在爐膛中燃燒時(shí)，都會由于與受熱面頻繁接觸，導(dǎo)致干化設(shè)備和鍋爐受熱面產(chǎn)生磨損，從而損壞設(shè)備，造成導(dǎo)熱介質(zhì)泄漏、增大設(shè)備維護(hù)量、降低設(shè)備利用小時(shí)數(shù)、增加運(yùn)行成本等問題。

戴曉虎等［15］在調(diào)研我國污水處理廠污泥含砂特性及其成因時(shí)指出，現(xiàn)階段我國市政污泥普遍存在含砂量高、污泥處理設(shè)備磨損嚴(yán)重、處理成本高等問題。王建偉等［16］在調(diào)研青島市5個(gè)典型城市污水處理廠的含砂率后，分析得出以工業(yè)廢水為主的污水處理廠產(chǎn)出的污泥中含砂率為22%～44%，而以生活污水為主的污水處理廠產(chǎn)出的污泥含砂率為10%～15%。各污水處理廠污泥中無機(jī)砂質(zhì)顆粒成分基本相同，主要為淡黃色硅質(zhì)無機(jī)砂質(zhì)顆粒和黑色磁性無機(jī)砂質(zhì)顆粒，但其成分比例及形態(tài)差異較大。由于污泥中的硅質(zhì)砂礫和黑色磁性砂礫的熔點(diǎn)較高，進(jìn)入污泥干化設(shè)備和鍋爐爐膛中很難熔化，因此污泥耦合發(fā)電工藝流程中砂礫極易與設(shè)備產(chǎn)生摩擦，而造成設(shè)備損壞。李文興等［17］在溫州市東片污水廠240 t/d 污泥集中干化焚燒項(xiàng)目實(shí)踐中，多次提到由于污泥含粉砂量偏高，導(dǎo)致空心槳葉干化設(shè)備磨損加劇、葉片漏蒸汽等問題，故障率高。為應(yīng)對污泥中砂礫對設(shè)備的負(fù)面影響，對砂循環(huán)系統(tǒng)、冷渣器和振動篩進(jìn)行技術(shù)改造。經(jīng)測定，上海石洞口污泥干化焚燒項(xiàng)目，污泥干基的含砂率達(dá)到了22.4%，而在歐洲此數(shù)值僅為6.0%～8.0%。高含砂量的污泥在高速流化狀態(tài)下，會對干化設(shè)備和鍋爐設(shè)備造成很大程度磨損，并多次出現(xiàn)干化機(jī)導(dǎo)熱油泄漏情況。

鑒于我國污泥高含砂率的現(xiàn)狀，為減少污泥干化設(shè)備和耦合燃燒發(fā)電設(shè)備的磨損，提高設(shè)備利用小時(shí)數(shù)，應(yīng)從2個(gè)方面著手。其一，從污水收集源頭采取過濾措施；其二，提高污水處理廠的除砂效率，在進(jìn)行污泥干化和耦合燃燒發(fā)電前，應(yīng)對污泥進(jìn)一步除砂。

1.4 污泥耦合工藝中的污染物

市政污泥耦合燃煤電廠燃燒發(fā)電后，由于污泥中含有重金屬、有機(jī)物等污染物質(zhì)，會產(chǎn)生重金屬和二噁英污染，同時(shí)增加灰飛和爐渣量。

1.4.1 重金屬及堿金屬

市政污泥中重金屬以無機(jī)物和有機(jī)物中的重金屬這2 種形式存在，后者主要是微生物代謝富集重金屬后形成的［18］。當(dāng)污泥與煤耦合進(jìn)行燃燒后，會以2 種形式排放，一種是以灰飛形式排放至大氣中，一種是以爐渣形式排放。由于一般市政污泥的灰分較動力用煤大，因此耦合市政污泥燃燒后的煙氣灰分會增加，同時(shí)會增加對鍋爐受熱面的磨損，縮短設(shè)備使用壽命?；曳指邥p緩火焰?zhèn)鞑ニ俣?，?dǎo)致點(diǎn)火延遲，燃燒溫度也會下降，燃燒穩(wěn)定性變差，甚至造成鍋爐滅火。市政污泥耦合燃燒后，爐渣量有所增加，應(yīng)調(diào)整鍋爐排渣頻率。

Miller 等［19］對比分析了波蘭Krakow 地區(qū)的煤和瑞典Himmerfjardsverket 地區(qū)干化市政污泥中重金屬的成分分析，見表3。

對表3 中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，市政污泥中大部分中重金屬元素含量要遠(yuǎn)高于動力煤，其中重金屬將主要以飛灰和爐渣的形式排放。為預(yù)防重金屬二次污染，應(yīng)采取嚴(yán)格措施進(jìn)行飛灰和爐渣的環(huán)保處置。分析結(jié)果表明，重金屬Cd 和Hg 主要存在于耦合燃燒后的煙氣中，而Cr，Cu，Ni 和Zn 等重金屬在爐渣中的含量會隨著市政污泥摻燒比例的增加而增加。

表3 干化市政污泥與煤的重金屬成分分析Tab.3 Heavy metals analyses on dried municipal sludge and coal mg/kg

市政污泥中含有堿金屬，其在燃燒時(shí)會增加鍋爐受熱面腐蝕和結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)［20?22］，導(dǎo)致焚燒爐檢修頻率和檢修工作量明顯提高，連續(xù)焚燒作業(yè)時(shí)間縮短，停爐定修時(shí)間增加。摻燒污泥后導(dǎo)致鍋爐結(jié)焦加劇始終是一個(gè)突出問題。因此，應(yīng)考慮如何減少污泥耦合燃料燃燒過程中的結(jié)焦情況，同時(shí)應(yīng)定量分析煙氣及爐渣組分，以判斷耦合污泥燃燒后，對鍋爐燃燒和大氣環(huán)境產(chǎn)生的影響。

1.4.2 二噁英

具有二噁英活性的鹵代芳烴化合物統(tǒng)稱為二噁英類似物。二噁英類物質(zhì)的生成條件包括：含苯環(huán)的化合物（苯、酚等）；含Cl元素的化合物（HCl，Cl2等）；反應(yīng)催化劑（Fe，Cu 等）；反應(yīng)溫度在300～600 ℃。由以上條件可知，市政污泥中含有的重金屬、有機(jī)物和Cl?，在污泥耦合至鍋爐中進(jìn)行燃燒時(shí)，滿足產(chǎn)生二噁英的條件。二噁英類物質(zhì)的熔點(diǎn)及沸點(diǎn)高，常溫下是固體，不溶于水，易溶于CCl4。二噁英類物質(zhì)在環(huán)境中穩(wěn)定性高，生物降解性遲緩，在低溫下穩(wěn)定存在，一般加熱到800 ℃才會降解。而要大量破壞二噁英類物質(zhì)，焚燒溫度則需要超過1 000 ℃，且一旦冷卻又可重新合成［23］。

根據(jù)二噁英產(chǎn)生的條件，宜將污泥耦合燃燒溫度控制在800 ℃以上。循環(huán)流化床（CFB）鍋爐及煤粉鍋爐的爐膛燃燒溫度都遠(yuǎn)高于800 ℃，且燃料在爐內(nèi)停留時(shí)間遠(yuǎn)大于2.0 s，為二噁英的燃燒分解提供了充足的時(shí)間。曾多等［24］在重慶市進(jìn)行燃煤耦合污泥發(fā)電實(shí)踐中，對二噁英采用“3T+E”原則進(jìn)行控制，即采用對燃燒溫度（Temperature）、停留時(shí)間（Time）、紊 流 程 度（Turbulence）和 過 量 空 氣 量（Excess）4種因素進(jìn)行控制，可有效控制污泥耦合燃煤燃燒過程中二噁英的生成。

2 市政污泥干化方法

提高市政污泥熱值最直接的方法是降低污泥的含水率。目前，對污水處理廠產(chǎn)出的80%含水率污泥脫除水分方法包括深度脫水和熱干化方法，后者根據(jù)污泥與熱源的接觸方式，可分為直接干化和間接干化2種方式。

2.1 污泥深度脫水工藝

污泥中所含的水分可以分為自由水、間隙水、污泥固體顆粒表面的吸附水和細(xì)胞內(nèi)的結(jié)合水。其中前兩者可以通過機(jī)械壓濾等方法脫除，而后兩者則需要經(jīng)過深度脫水才能脫除，主要通過降解污泥固體顆粒外胞外聚合物（EPS）實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過深度脫水處理后，污泥的含水率可由80%下降至60%左右。He 等［25］解釋了EPS 的降解原理，如圖2 所示。通過物理、化學(xué)和生物方法使細(xì)胞裂解分離出部分污泥固體顆粒表面的吸附水和細(xì)胞內(nèi)的結(jié)合水，同時(shí)EPS有機(jī)絮體會被分解成總有機(jī)碳。

圖2 污泥固體顆粒胞外聚合物降解原理Fig.2 Degradation principle of the extracellular polymeric substances of the sludge solid particles

部分深度脫水工藝需向污泥中投加石灰等堿類藥劑，脫水過程中并不能完全將Ca2+去除，因此脫水后污泥中Ca2+的含量增加。應(yīng)對耦合污泥后燃料的燃燒特性影響進(jìn)行研究，以免對燃煤電廠運(yùn)行造成負(fù)面影響。陳丹丹等［26］通過研究發(fā)現(xiàn)化學(xué)預(yù)處理方法對改善污泥脫水性能有較好的效果，在污泥絮凝方面有很大的優(yōu)勢。其中酸處理對污泥脫水能力和脫水速率提升較明顯。而高級氧化法脫水效果又優(yōu)于酸堿法，處理后污泥含水率可降低到52%左右，脫水速率提升50%～90%。相比之下，高級氧化法投資成本和運(yùn)行成本都較高。甄廣印等［27］總結(jié)了高級氧化法對污泥深度脫水的強(qiáng)化作用，使用臭氧和Fenton 法強(qiáng)化污泥脫水效果，但此類方法普遍存在工藝復(fù)雜、能耗高、投資大等問題。

2.2 污泥干化工藝

2.2.1 直接干化工藝

直接干化工藝一般采用高溫?zé)峤橘|(zhì)直接與污泥接觸，如火力發(fā)電廠空氣預(yù)熱器前的高溫?zé)煔?，煙氣溫度?50 ℃左右。芮延年［28］通過旋翼式沸騰干燥法對污泥進(jìn)行無害化處理，采用600 ℃的熱風(fēng)供熱，系統(tǒng)具有熱傳質(zhì)效率高、污泥被強(qiáng)制流態(tài)化、系統(tǒng)設(shè)備小等特點(diǎn)。但由于高溫氣體直接與污泥接觸，導(dǎo)致污泥中的有機(jī)物被氣化產(chǎn)生大量異味尾氣，同時(shí)產(chǎn)生大量水蒸氣。因此需設(shè)置復(fù)雜的尾氣處理系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)達(dá)到環(huán)保要求。某廠家的旋翼式沸騰污泥干化系統(tǒng)如圖3 所示，采用熱風(fēng)爐為干化系統(tǒng)供熱風(fēng)，也可將電廠高溫?zé)煔庾鳛闊嵩础?/p>

圖3 旋翼式沸騰污泥干燥系統(tǒng)Fig.3 Rotor boiling sludge drying system

干燥可分為預(yù)熱期、恒率干燥期和減率干燥期3 個(gè)階段。汪翠萍等［29］采用噴霧干燥方法干化污泥，將500 ℃的高溫?zé)煔鈬娙胛勰嗪?，煙氣溫度?.5 s 內(nèi)迅速降低到100 ℃以下，熱利用率高達(dá)80%以上。干化工藝后的尾氣經(jīng)過合理的處理，均可滿足環(huán)保要求。苑宏英等［30］采用太陽能產(chǎn)生的高溫氣體對污泥僅噴霧熱干化。隨著噴入量增加，冷凝水中磷酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不變，氨氮呈下降趨勢；干化后污泥溶出的陰陽離子變化趨勢相同，且隨著含水率的升高，呈現(xiàn)增大趨勢；冷凝水中的陰陽離子呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；干化后污泥中的重金屬除鎘之外其余略有增加。

2009 年，華電集團(tuán)滕州新源熱電有限公司對污泥進(jìn)行摻燒處理發(fā)電實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)城市污泥的無害化、資源化處理。該項(xiàng)目充分利用電廠煙氣余熱，采用旋翼式沸騰污泥直接干化工藝（160 ℃煙氣干化，1 500 ℃焚燒），開創(chuàng)了國內(nèi)100 MW 以上機(jī)組污泥焚燒處理的先例。

2.2.2 間接干化工藝

間接干化工藝中熱介質(zhì)將熱能傳遞給受熱面，由受熱面再傳遞給污泥。熱介質(zhì)包括飽和蒸汽、導(dǎo)熱油和熱風(fēng)等。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的大型間接干化設(shè)備包括：空心槳葉干化設(shè)備、圓盤干化設(shè)備和薄層干化設(shè)備等。林莉峰等［31］在上海竹園污泥干化焚燒工程中，采用6 臺4 軸空心槳葉式干燥機(jī)，單臺換熱面積為200 m2，處理600 t/d 含水率約80%的市政污泥。針對國內(nèi)污泥含砂量較高的情況，在槳葉表面噴涂碳化硅涂層增強(qiáng)受熱面的耐磨性能?？招臉~污泥干化系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 空心槳葉污泥干燥設(shè)備Fig.4 Hollow paddle sludge drying equipment

對比圖3 和圖4 可見，直接干化和間接干化系統(tǒng)最大的區(qū)別是前者的尾氣處理裝置較多、流程較長、操作相對復(fù)雜，而后者由于熱源溫度一般較低（150 ℃），與污泥接觸后產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物及水蒸氣量較前者少，因此污泥干化后尾氣的處理設(shè)備相對簡單。王沈兵等［32］探討了槳葉式污泥干化設(shè)備的若干問題，主軸和殼體以及疏水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮濕污泥干化過程中的腐蝕及磨損、脫水量大等特性，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)及加工工藝，槳葉式污泥干化設(shè)備將更加適應(yīng)市場對于黏度高、流動性差、腐蝕性突出和磨損嚴(yán)重的污泥干化需求。

程剛等［33］對圓盤干燥技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，應(yīng)用于市政污泥干化的圓盤干燥器換熱面積可達(dá)到400 m2，單臺污泥處理量為100 t/d。同樣針對國內(nèi)市政污泥含砂率高的特點(diǎn)，設(shè)備與污泥接觸面也強(qiáng)化了防磨涂層。圓盤污泥干化設(shè)備如圖5 所示，該設(shè)備可根據(jù)客戶需求調(diào)整成品污泥的含水率（10%～40%不等），具有設(shè)備占地面積小，能耗相對空心槳葉設(shè)備略低，設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)較高等特點(diǎn)。耿震等［34］在設(shè)計(jì)圓盤式污泥干化系統(tǒng)時(shí)，通過圓盤干燥方法將80%含水率的市政污泥半干化至含水率40%，然后耦合至電廠發(fā)電。圓盤干燥方法在市政污泥干化領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

圖5 圓盤污泥干燥設(shè)備Fig.5 Disc sludge drying equipment

薄層污泥干化設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖6所示。龔旭等［35］在上海青浦區(qū)污泥干化廠采用了薄層干化設(shè)備對200 t/d 市政污泥進(jìn)行干化后耦合發(fā)電廠發(fā)電，項(xiàng)目取得良好效果。毛夢梅等［36］通過研究薄層干化設(shè)備干化市政污泥的特性，發(fā)現(xiàn)污泥干化過程中會有少量的有機(jī)物分解，導(dǎo)致干化后的污泥有機(jī)物揮發(fā)分略有降低。隨著干化的進(jìn)行，污泥的含水率下降，干化效率逐漸降低。在深圳市上洋污泥焚燒項(xiàng)目中，薄層干化設(shè)備也得到了成功應(yīng)用［37］。

圖6 薄層污泥干化設(shè)備Fig.6 Thin layer sludge drying equipment

嚴(yán)俊泉等［38］創(chuàng)新地提出將薄層干化和帶式干化相耦合的兩段式污泥干化工藝，污泥經(jīng)過該工藝處理后的含水率可下降至15%左右。工藝系統(tǒng)具有安全可靠、節(jié)能低耗、出泥含水率可調(diào)等特點(diǎn)。但帶式干化工藝占地面積較大，導(dǎo)致該組合工藝流程長、操作較為復(fù)雜。

2.2.3 3種市政污泥耦合發(fā)電工藝對比

曾多等［24］和陳大元等［6］總結(jié)對比了污泥直接摻燒、直接干化和間接干化耦合燃煤電廠發(fā)電的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，見表4。

表4 市政污泥耦合燃煤電廠發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比Tab.4 Technical and economic performances of the coupling of municipal sludge combustion and coal?fired power plants

3 不同爐型的市政污泥耦合發(fā)電方法

目前燃煤電廠廣泛使用的是煤粉鍋爐和CFB鍋爐。其中煤粉鍋爐普遍適配300 MW，600 MW 和1 000 MW 機(jī)組。CFB 燃燒技術(shù)是近20 年發(fā)展起來的新一代燃燒技術(shù)，在煤種適應(yīng)性、變負(fù)荷能力及控制污染物排放方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。目前，300 MW規(guī)模及以下已有成熟使用CFB鍋爐的案例，600 MW規(guī)模的電廠使用CFB 鍋爐也在積極研發(fā)和實(shí)踐中。國家能源集團(tuán)陜西彬長發(fā)電有限公司新建600 MW CFB 鍋爐1 臺，目前正處于前期研發(fā)和實(shí)施準(zhǔn)備階段。CFB鍋爐技術(shù)的發(fā)展為污泥耦合燃煤電廠發(fā)電提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。煤粉鍋爐和CFB 鍋爐耦合市政污泥發(fā)電工藝流程如圖7 所示。由圖7 可見，采用煤粉爐耦合市政污泥工藝，經(jīng)過干化后的污泥需與煤粉一同進(jìn)入磨煤機(jī)，混合均勻后噴入鍋爐爐膛內(nèi)燃燒。而采用CFB 鍋爐耦合市政污泥工藝，污泥直接通過活塞泵泵入鍋爐爐膛內(nèi)燃燒。

圖7 不同鍋爐耦合市政污泥工藝流程Fig.7 Combustion processes of municipal sludge coupled with different types of boilers

3.1 煤粉鍋爐

王雪等［39］在研究了市政污泥摻燒對煤粉鍋爐的影響后發(fā)現(xiàn)，20%含水率污泥摻燒后對鍋爐爐膛溫度影響較小，隨著污泥摻燒比例的增加，鍋爐燃燒效率下降。由于污泥所含碳分和硫分均低于動力煤，燃燒后煙塵含量和SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。李峰等［40］研究了上海某機(jī)組煤粉鍋爐中摻燒60%含水率市政污泥，結(jié)果表明，燃料中污泥摻燒比例達(dá)到7.30%，各設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，燃燒穩(wěn)定，污染排放達(dá)到環(huán)保要求，摻燒污泥后鍋爐效率下降了約0.34%。魏林清［41］在220 t/h 蒸發(fā)量的煤粉鍋爐中分別選取40 MW 和50 MW 兩種典型負(fù)荷條件下，摻燒10%，20%，30%和35%含水率為40%的半干化市政污泥。結(jié)果表明，污泥摻配后的煤質(zhì)與原鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)相比，水分、灰分、揮發(fā)成分增加，發(fā)熱量和碳含量有所降低，總體說來煤質(zhì)雖稍有下降但相差不大。根據(jù)污泥含水率變化確定污泥摻燒最佳比例，污泥耦合至煤粉鍋爐摻燒，對原煤輸送系統(tǒng)及鍋爐燃燒穩(wěn)定性影響很小。

Tan 等［42］對100 MW 煤粉鍋爐中摻燒市政污泥進(jìn)行模擬并對比現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明摻燒10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)以內(nèi)的市政污泥，摻燒效果較好。降低污泥的含水率有利于提升摻燒效果，但當(dāng)含水率降至40%以下后，對摻燒效果的提升能力有限。當(dāng)摻燒比例在20%時(shí)，NOx的排放量仍可達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，但當(dāng)比例高于10%時(shí)，混合燃料的著火性逐漸下降，同時(shí)可能會影響點(diǎn)火性能和火焰穩(wěn)定性。市政污泥的摻燒會增加鍋爐的維護(hù)成本，但對發(fā)電企業(yè)而言會產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。Deng 等［43］對煤粉爐中摻燒市政污泥后的飛灰和重金屬遷移特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，隨著市政污泥與煤粉的混合燃燒，會形成新的化合物成分飛灰。礦物分析顯示透輝石、鈣長石和鐵共晶的形成可以降低煤與污泥混合的灰熔溫度，尖晶石和莫來石的形成可以提高混合物的灰熔溫度。

3.2 CFB鍋爐

楊敘軍［44］在2007 年對市政污泥耦合至CFB 鍋爐進(jìn)行了有益的嘗試，處理市政污泥規(guī)模為400 t/d，污泥摻燒量控制在50%以內(nèi)時(shí)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益較好。朱化軍等［45］利用CFB 鍋爐進(jìn)行協(xié)同焚燒驗(yàn)證研究，發(fā)現(xiàn)污泥摻燒比例不高于40%時(shí)CFB 鍋爐可穩(wěn)定運(yùn)行，煙氣排放達(dá)標(biāo)，粉煤灰重金屬含量低于國家農(nóng)用粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)鍋爐爐膛溫度達(dá)到850 ℃以上時(shí)，能夠較為徹底地將有機(jī)物轉(zhuǎn)化CO2，并有效遏制二噁英的合成。但因濕污泥進(jìn)入爐膛焚燒會降低爐膛溫度，造成末端空氣預(yù)熱器腐蝕，大量水分蒸發(fā)會造成煙氣量增加，從而導(dǎo)致煙氣流速增加，進(jìn)一步加劇爐體和水冷壁管磨損，因此將市政污泥耦合至CFB 鍋爐前，應(yīng)對鍋爐相關(guān)部件進(jìn)行適應(yīng)性改造。邱旻昊［46］在蘇州江遠(yuǎn)熱電摻燒蘇州吳忠區(qū)市政污泥，建議80%含水率市政污泥的摻燒量小于10%，煙氣中SO2等污染物排放指標(biāo)滿足國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

相比煤粉爐耦合市政污泥燃燒發(fā)電，CFB 鍋爐具有其獨(dú)特的優(yōu)勢［47?48］。

（1）適應(yīng)性強(qiáng)。CFB 燃燒穩(wěn)定，爐內(nèi)溫度場均勻，特別適合焚燒高水分、低熱值的劣質(zhì)燃料。以市政污泥為輔助燃料可顯著降低運(yùn)行成本。

（2）焚燒效率高。由于爐內(nèi)氣體和固體、固體和固體之間的強(qiáng)烈混合，使污泥與灼熱的床料直接接觸，增大了污泥的熱解率。

（3）煙氣排放性能好。由于CFB 采用低溫（850～950 ℃）及分級燃燒，限制了熱力型NOx的形成。在CFB 中加入合適的吸附劑（如石灰石），可大大降低SO2和HCl 的排放。在稀相區(qū)噴尿素或氨水可進(jìn)行爐內(nèi)脫氮，保證NOx，SO2和HCl 的排放濃度符合環(huán)保要求。

（4）CFB 鍋爐的結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)有機(jī)械傳動部件，故障少，建造費(fèi)用低。

（5）空氣過剩系數(shù)降低，能耗更低。

Shao 等［49］對CFB 鍋爐摻燒市政污泥后重金屬和有機(jī)污染物的排放特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，爐渣和飛灰中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布呈相同趨勢，即Zn＞Cu＞Mn＞Cr＞Ni＞Pb＞V＞Cd＞Co。其 中Co 和Cu 在爐渣中為典型污染物，Pb 和Zn 則更多地存在于飛灰中。多環(huán)芳烴等有機(jī)污染物隨著污泥的摻燒量增加而顯著增加。脂肪族有機(jī)污染物主要存在于飛灰中。

Hartman 等［50］在CFB 鍋 爐 中 摻 燒 干 化 市 政 污泥，對NOx的含量、重金屬富集進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，煙氣中CO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與NOx的質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)，CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，NOx的質(zhì)量分?jǐn)?shù)將越高。爐渣和飛灰中富集了豐富的Hg，Cd，Zn，Cu，Cr，Ni，Pb和其他微量金屬元素。

Miller等［19］也指出，CFB以固有對劣質(zhì)燃料的優(yōu)異適應(yīng)性，針對市政污泥作為燃料飛灰量大的特點(diǎn)，其具有較好的耦合燃燒優(yōu)勢。

3.3 污泥耦合發(fā)電對工藝設(shè)備的影響

根據(jù)污泥的特性，耦合至燃煤電廠發(fā)電中會對發(fā)電工藝設(shè)備造成如下負(fù)面影響［51?54］。

（1）摻燒污泥后煙氣流速和所含灰分增加，會加大受鍋爐熱面的磨損率。

（2）燃料含水率增加，導(dǎo)致磨煤機(jī)出力下降、能耗上升。建議污泥摻混比例應(yīng)以混合燃料總含水率不超過9%～10%為限。

（3）燃料含水率過高可能會造成磨煤機(jī)進(jìn)口部位燃料堆積，甚至導(dǎo)致給煤系統(tǒng)堵塞。

（4）污泥的添加影響鍋爐輔機(jī)的選擇，當(dāng)煤中添加20%的污泥時(shí)，所需的空氣量降低15%。

（5）煤的灰熔點(diǎn)溫度要高于純污泥的灰熔溫度。隨著配比中污泥比例的提高，灰分的4 個(gè)特征溫度依次降低。

4 展望與建議

市政污泥耦合燃煤電廠發(fā)電技術(shù)在我國已經(jīng)有10余年的研究和實(shí)踐，多種類型的污泥干化設(shè)備和鍋爐焚燒設(shè)備投入使用并穩(wěn)定運(yùn)行，積累了豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，驗(yàn)證了該工藝的可靠性。隨著我國現(xiàn)階段供給側(cè)的改革，煤電行業(yè)明顯處于過剩狀態(tài)。隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，污泥圍城的情況將日益嚴(yán)重。如何將二者有機(jī)地結(jié)合在一起，在盤活城市周邊的燃煤電廠資產(chǎn)的同時(shí)又可以解決城市的環(huán)保問題，這將是一個(gè)雙贏的選擇，市場前景廣闊。在市政污泥耦合燃煤發(fā)電廠項(xiàng)目實(shí)施過程中，提出以下建議。

（1）因地制宜，根據(jù)燃煤電廠和污泥產(chǎn)出地周邊的資源狀況，選擇合理優(yōu)化的工藝，研究最佳的污泥干化度和燃料增加量平衡點(diǎn)。

（2）充分考慮到污泥中含砂率對干化設(shè)備和鍋爐設(shè)備的負(fù)面影響，盡量減少原污泥中的含砂量。同時(shí)，應(yīng)促進(jìn)污泥干化設(shè)備受熱面、鍋爐受熱面耐磨材料的研發(fā)和使用。

（3）污泥耦合焚燒后，對產(chǎn)生的廢氣和廢渣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和治理，以滿足日趨嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

（4）研究合理的污泥耦合焚燒發(fā)電的政策優(yōu)惠機(jī)制，如增加燃煤電廠的計(jì)劃發(fā)電量、或者電網(wǎng)以優(yōu)質(zhì)電價(jià)收購污泥耦合的發(fā)電量等。

（5）建議各地政府在協(xié)調(diào)水務(wù)企業(yè)、燃煤發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)和政府關(guān)系上進(jìn)行創(chuàng)新，避免項(xiàng)目建成后出現(xiàn)停擺現(xiàn)象。