330 MW熱電聯產機組燃煤耦合污泥發電技術的應用
摘 要：隨著環保要求的提高和城市污水處理規模的擴大，城市污泥量迅速增加，而現有的污泥處置方式已不符合污泥處置的基本要求，還存在二次污染，污泥處置困局日益擴大。本文結合國內外的污泥處置的先進經驗，污泥在大型燃煤火力發電機組中進行燃煤耦合發電的實際運用，提出了城市污泥減量化、無害化、綜合利用的新途徑，實現了社會效益和企業效益的共贏。
關鍵詞：污泥處置;熱電聯產;燃煤機組;耦合發電;環保;經濟;
當前城市污泥生成現狀(以廣州為例):在《廣東省環境保護“十三五”規劃》(粵環[2016]51號)、《廣東省城鎮生活污水處理廠污泥處理處置管理辦法(暫行)》的推動下，廣東省城鎮污水和污泥處理設施加速建設，污水處理規模大幅提升;到2020年全省縣級以上城市新增配套污水管網10776.92 km，建制鎮新增配套污水管網4556.81 km，改造各類老舊污水管網2342 km。2018年廣州市設計污水處理規模在1000 t/d以上的污水處理廠總規模為597萬t/d;2020年廣州市新建成6座污水處理廠，新增污水處理規模101萬t/d;按照處理1萬t生活污水(含水率80%)產生污泥5～8 t，廣州市污水處理廠按60%設計規模運行計算，所產的污泥量為2100～3360 t/d,76～122萬t/a。
1 當前污泥處置方式
污水處理廠在污水處理過程中必定會產生一定量的半固態或固態物質，即慣稱的“污泥”。污泥的處理、處置應遵循減量化、穩定化、無害化、資源化的原則，鼓勵回收和利用污泥中的能源和資源，以達到節能減排和發展循環經濟的目的。目前污泥處置消納方式主要有3種:土地利用、填埋、建筑材料綜合利用等。
1.1 土地利用消納方式
污泥的土地利用消納方式主要包括土地改良、園林綠化和農用。該方式充分利用污泥中的氮、磷、鉀等有機營養成分促進植物生長，并利用植物吸收特性改善土壤性狀。這樣既達到了處置污泥的目的，又產生了一定環境效益。但污泥農用對污泥質量尤其A級污泥利用方面的要求比較高，并對重金屬及有毒有機物的含量做了嚴格限制。
1.2 作為建筑材料綜合利用
污泥作為建筑材料的綜合利用是指污泥的無機化處理，即用于制作水泥添加料、制磚、制輕質骨料和路基材料等。污泥建筑材料利用需符合國家和地方的相關標準和規范要求，并嚴格防范在生產和使用中造成二次污染。
1.3 污泥填埋處置
污泥填埋一般是指混合填埋，即將污泥運入生活垃圾衛生填埋場與生活垃圾進行共同處置的過程。污泥的特性使污泥容易堵塞垃圾填埋場的滲濾液收集管道，加上污泥堆積發酵產生的甲烷等氣體，不僅有惡臭，還極易引發安全隱患。目前國家已嚴格限制未經無機化處理的污泥的直接填埋，填埋也不再作為污泥處置的主要處置方式，僅僅作為污泥處置的應急方式使用。
2 污泥處置趨勢
2.1 污泥處置的政策導向
根據《廣東省打好污染防治攻堅戰三年行動計劃(2018—2020年)》(粵辦發[2018]29號)中的落實固體廢物綜合管理具體措施，到2020年全省新增污泥處理處置設施17座，要加快廣州、佛山、江門、肇慶、清遠等市危險廢物焚燒設施建設，力爭2020年全省焚燒處置能力增加20萬t/a以上。2021年廣州市《政府工作報告》推進污泥焚燒設施建設，加快5座資源熱力電廠二期建設，焚燒處理率從15%提升到70%。政府對污泥等固廢處置的重點導向為焚燒，政策也正積極鼓勵城市污泥的焚燒設施建設。
2.2 污泥耦合發電可行性
污泥焚燒處置法在日本應用最為廣泛，1992年日本共有1892座焚燒爐燃燒處置了75%的市政污泥，污泥焚燒早期只為處理污泥而生。隨著科技發展和對污泥的認識的提高，人們發現污泥中含有一定的熱值，可以加以利用。污泥焚燒多段豎爐在德國開始應用，后來流化床爐污泥焚燒技術逐漸占領市場，至今大約占90%以上份額。隨著污泥量的增加，此種方式的弊端也日益顯現。最主要的弊端包括投資大，爐溫低，處置過程中需專門添注燃料，且產生的二噁英會形成二次污染。隨著技術發展，燃煤耦合污泥發電技術在大型燃煤發電廠中開始被運用，將污泥干化處理后，再由電廠燃煤鍋爐耦合焚燒，不但有效處置了污泥，還能利用產生的熱量實現發電，同時借助燃煤電廠現有環保處理設備實現達標排放，實現污泥的減量化、無害化、資源化處置。因此，燃煤耦合污泥發電是一種高效、環保的污泥處置方式。
3 燃煤耦合污泥發電技術實施方案
3.1 熱電聯產燃煤機組概況
某電廠2×330 MW機組為熱電聯產燃煤發電機組，鍋爐為東方鍋爐廠的DG1080/17.4-II6型、亞臨界參數、汽包自然循環、四角切圓燃燒、直吹式制粉系統、一次中間再熱、擺動燃燒器調溫、平衡通風、單爐膛“π”型布置、全鋼架全懸吊結構、緊身封閉、爐頂帶金屬防雨罩、固態排渣煤粉爐。汽輪機為東方汽輪機廠的CC330-16.67/3.5/1.0/538/538型亞臨界、中間再熱、單軸、兩缸兩排汽凝汽式供熱汽輪機。發電機為東方電機廠的QFSN-330-2-20B型三相、兩極、隱極式同步交流發電機。該廠一直貫徹“環保先行”的理念，于2015年6月率先在廣州市實施了燃煤電廠“超潔凈”排放改造:SCR脫硝系統增效改造、電袋復合除塵器改造、濕法脫硫增效改造、濕式電除塵器改造、MGGH煙氣蒸汽換熱改造、增壓風機和引風機的“增、引合一”改造。改造后環保排放指標均低于“50355”的排放標準。2016年實施脫硫廢水排放改造，基本實現生產廢水零排放。
3.2 具體實施方案
某電廠結合污泥的處置現狀，充分利用2×330MW熱電聯產燃煤發電機組的設備和技術優勢，實施建設燃煤耦合污泥發電技術項目工程。該項目工程建設規模:日處置污泥量350 t，年處置污泥量12.78萬t。項目工程采用“汽車運輸干污泥進廠+污泥儲存、輸送+與原煤摻混+(鍋爐現有制粉系統)研磨干燥+鍋爐焚燒+污物處置”的技術路線。該項目工程工藝流程:干污泥由汽車運至電廠污泥卸儲料一體車間，車間內設1個30 m3容量的卸料斗;卸料斗下設卸料滑架給料機，滑架給料機下設螺旋式卸料輸送機，將干化污泥分別輸送至提升機，由提升機螺旋將污泥送至系統頂部儲料倉。儲料倉下設置撥料式滑架給料機，干化污泥通過劃架計量裝置精準計量，將摻燒比例控制在需要摻燒量，再通過刮板式輸送機向電廠輸煤皮帶輸送。電廠的輸煤皮帶為A、B兩套，運行方式為一套運行一套備用，在刮板給料機下部設置一電動三通，以滿足對A、B兩套輸煤皮帶的選擇。經過電動三通后，污泥被輸送至電廠上煤系統的#7A、#7B輸煤皮帶尾部，與運行皮帶上的原煤均勻摻混后送至相應的給煤機原煤斗，再經過磨煤機碾磨、干燥后送入鍋爐焚燒。其主要流程如圖1所示。
3.3 項目實施控制效果
3.3.1 污泥處理過程中的廢氣控制
污泥處理過程中產生的廢氣主要為污泥卸儲量車間、料倉、棧橋及干料輸送過程中產生的廢氣。借助國內外同類工程設置的經驗，干化污泥卸儲量車間、料倉、棧橋及干料輸送系統均可采用微負壓系統，各吸風口的廢氣經各分管、支管收集后集中送到鍋爐中焚燒處置。整個過程采用的是負壓系統，直接排放對環境的影響極小。當機組均停機時，干化污泥卸儲量車間、料倉、棧橋及干料輸送中產生的廢氣，可以采用設置活性炭吸附裝置處理后，再經風機排出車間。
3.3.2 運輸風險控制
污泥在運輸過程中，運輸車輛采用密封的自卸罐車，實現點對點的對接，中途不轉場、不卸車，所以運輸環境風險低。
3.3.3 污泥焚燒后煙氣控制
該電廠“超潔凈”排放改造后，脫硫系統采用單塔單循環石灰石-石膏濕法脫硫技術，脫硫效率≥98.7%、脫硫后SO2<35 mg/m3，脫硝系統采用三層催化劑SCR脫硝技術，脫硝率≥90%，脫硝后NOx<50 mg/m3。對于在燃煤耦合污泥焚燒發電過程中產生的煙氣，主要考慮污泥燃燒后煙氣中的SO2、NOx排放。由于污泥的含硫量較低，甚至有的污泥含硫量為“0”，所以可以合理配比各污水廠污泥和每批摻混污泥數量，確保污泥和煤摻燒料的含硫量≤0.6%。
3.3.4 粉塵及爐渣控制
該電廠除塵器采用“2電場+2布袋”的電袋復合除塵器，在脫硫系統后布置濕式電除塵器，對于亞微米大小的顆粒，包括微細顆粒物(PM2.5粉塵)、SO3酸霧、重金屬(汞等)都有較好的收集性能，完全可以將引風機出口粉塵控制在5 mg/m3以內。對于爐渣中重金屬含量增量，經分析增加幅度小，可不作考慮，爐渣可以使用電廠現有的爐渣處理系統，并實現其爐渣的二次利用。
3.3.5 二噁英控制
該電廠鍋爐為東方鍋爐廠的DG1080/17.4-II6型四角切圓燃燒、直吹式制粉系統鍋爐。B-MCR工況鍋爐蒸發量為1080 t/h，鍋爐火焰中心溫度可達1800℃，爐膛出口溫度約1100℃，遠大于二噁英生成溫度850℃。鍋爐爐膛出口標高為54.5 m，污泥作為燃料與煤粉一同送入爐膛內部，在爐內停留時間遠大于2 s。電廠運行中煙氣中氧含量在8%以下，理論上二噁英的增幅可忽略。鍋爐煙囪高210 m，完全可以實現煙氣處理達標后排放，滿足環保排放要求。
3.3.6 污泥的熱值再利用
污泥中含有一定的木質素和有機物，所以具有一定的熱值。本項目選定處置污泥來源為廣州市某幾家污水處理廠，通過對這幾家污水廠的污泥隨機抽樣，并進行工業分析(見表1)，可見其具有較好的可回收價值，可以再利用于協同發電和供熱。
4 燃煤耦合污泥發電摻燒試驗
該燃煤耦合污泥發電摻燒項目工程2018年5月建設立項，2019年1月開始建設，2020年9月建成投運。項目竣工后為項目組評估在污泥不同摻燒比例下對鍋爐燃燒安全、鍋爐效率、環境的影響，以及檢驗污泥除臭設備運行效果，進行了不同污泥摻燒比例(5%、7%、10%)及機組70%負荷(主蒸汽流量>700 t/h)和100%負荷(主蒸汽流量>900 t/h)工況下的對比試驗。記錄各個試驗工況下鍋爐運行主要參數及試驗結果見表2。二噁英排放根據環保技術要求設置2處監測點，根據監測曲線取最大值分析，二噁英的排放量遠遠小于控制標準，二噁英監測結果見表3。
在進行污泥摻燒比例為5%、7%、10%的3種不同比例，以及機組70%負荷(主蒸汽流量>700 t/h)和100%負荷(主蒸汽流量>900 t/h)工況下的對比試驗過程中，鍋爐燃燒穩定、火焰明亮、爐膛負壓正常，鍋爐主、再熱蒸汽參數達到設計值，鍋爐排煙溫度正常，鍋爐各輔機電流在額定范圍內，制粉系統、輸煤系統出力穩定，污泥輸送系統各項功能投入正常，鍋爐效率并未發生明顯變化(>93.46%設計值)，凈煙氣參數粉塵<5 mg/m3、SO2<35 mg/m3、NOx<50 mg/m3，廢氣排放均符合環保要求。
5 污泥耦合發電技術的環保效益和經濟效益
5.1 環保效益
該燃煤耦合污泥發電摻燒項目工程正常運行后，設計日均摻燒干污泥量約350 t，年均摻燒量約12.78萬t，可以有效解決污泥處置困境，實現城市污泥的“0”填埋。利用電廠現有的除塵、脫硫和除渣設備實現二次產物的有效回收利用，并減少二噁英生成，具有明顯的環保效益。
5.2 經濟效益
在原煤中摻入污泥，雖燃料單位平均熱值下降，但摻入后的混泥煤總的熱量增加。污泥摻燒后，在相同發電量情況下，減少了原煤量。污泥低位熱值取平均值(見表1)為476 kcal/kg,350 t干化污泥對應熱量為476×350=1.67×108kcal，轉換為標煤量為1.67×108÷7000=23.8 t/d，每年摻燒12.78萬t干化污泥可減少標煤約為12.78×108×476÷7000=0.87萬t/a。不同工況下污泥摻燒后煤量變化結果見表4。燃煤耦合污泥發電技術的應用，充分利用了電廠大型燃煤鍋爐現有先進的除塵、脫硫、脫硝和除渣設備和鍋爐燃燒系統優勢，實現了投資少、見效快，也無須另外占用土地資源，減小了社會和企業負擔。耦合污泥摻燒后可以優先獲得電量指標和相應等標煤量的發電量電價補貼及污泥處置費用，為大型發電企業也帶來了一定的經濟效益。
注:“1”按BRL工況計算，年可摻燒污泥12.51萬t，減標煤約8 672 t;“2”按BMCR工況計算，年可摻燒污泥12.86萬t，減少標煤8 760 t。
6 結語
大型火力發電廠利用燃煤污泥耦合發電技術處置城市污泥，可以有效解決城市污泥的處置問題，處置效率高、對環保更加親善，并實現污泥熱值再利用，減少了化石燃料的使用量。污泥耦合焚燒產物實現達標排放和全部回收再利用，實現了污泥處置的無害化、減量化、資源利用化的技術要求。燃煤耦合污泥發電技術對于社會發展及生態文明建設具有積極的意義，值得推廣應用。
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