污泥干化混煤燃烧工艺

　　污泥是一种水分含量高、呈流动状态的黑褐色物质。污泥中的有机物和氮、磷、钾等微量元素具有一定的利用价值，但同时也存在重金属元素和有毒有害的有机污染物。来自污水处理厂的污泥需要经过一定的处理措施，以实现污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化。目前常见的污泥处理处置方法有热化学处理、卫生填埋、土地和建材利用等。其中热化学处理包括焚烧、气化、高温热解等。

　　污泥焚烧是指污泥中可燃性物质通过燃烧反应分解减容，去除有害物质并回收能量的过程。相比其他方法，污泥焚烧法速度快，可以最大化实现污泥减容，减容率高达95%;污泥焚烧过程可以杀灭病菌，碳化全部有机物，消除臭味，污泥中的有机质具有一定的热值，焚烧还能够回收能量，用于污泥干化或发电供热等，实现污泥的资源化利用。因此焚烧法是最具发展前景的污泥处置方法。

　　污泥热值较低，因此在焚烧过程中燃烧状态不稳定，能量消耗比较大，并且污泥焚烧厂的建设和运行费用高，引进的设备一次性投资较大，同时污染物处理也比较复杂。如果将污泥与煤混合燃烧，则可以利用已有的燃煤锅炉设备和污染物处理设备进行适当改造，相比新建独立的污泥焚烧厂具有明显的优势。

　　污泥混煤燃烧的主要优势有：

　　(1)投资成本低、建设周期短。

　　污泥焚烧炉及污染物净化装置等设备价格较高，若利用现有的燃煤锅炉改造后进行污泥掺烧，建设周期比新建独立的污泥焚烧处理厂要短得多。

　　(2)运行成本低。

　　污水污泥含水率高，体积大，且污水处理厂的地理位置较为分散，由单独的污泥焚烧厂集中焚烧，运输成本会很高。如果利用已有的燃煤电厂就近焚烧污泥，将大大减少运输成本。污泥含水率高、热值低，必须吸收大量的热能后才能燃烧，与煤掺混后燃烧可以减少这部分成本，不仅解决了城市污泥的处理问题，而且同时还利用了污泥的热值进行发电或供热，具有显著的经济效益。

　　(3)提高污泥燃烧稳定性、减少污染物排放。

　　污泥与煤混合燃烧时，混合燃料的热值较高，因此提高了燃烧过程的稳定性。另外，污泥中的碱性成分可以抑制煤燃烧过程中氮氧化物、硫氧化物等气体污染物的排放，从而减轻了环境污染。

　　1、污泥混煤燃烧工艺

　　污泥与煤混合燃烧，可以充分利用现有的锅炉设备，降低投资和运行成本，还可用于供热或发电，实现了污泥资源化利用。根据掺烧锅炉的不同可以分为煤粉锅炉掺烧污泥和流化床锅炉掺烧污泥。当前，利用循环流化床锅炉进行污泥与煤混烧已逐渐成为常见的污泥处置措施。根据掺烧污泥的含水量可分为湿污泥直接混烧和污泥干化混烧两种方式。

　　1.1 湿污泥混烧工艺

　　湿污泥混烧的典型工艺流程如图1所示。含水率为80%左右的污泥存储在污泥仓内，燃烧时直接进入炉膛，迅速与大量炽热床料混合后干燥燃烧。通常炉膛内温度保持在850℃左右，燃烧产生的烟气经过脱硫脱硝和除尘设备净化后，由烟囱排出。通常湿污泥的掺烧比大约在20%〜25%之间。

　　由于湿污泥含水率越高，热损失大，锅炉热效率降低，且湿污泥对锅炉设备的腐蚀和磨损问题较为严重，因此湿污泥直接混烧方式目前已不再使用。

　　1.2 干化污泥混烧工艺

　　目前掺烧污泥大多采用污泥干化后与煤混烧的方式，如图2所示。干化污泥混烧工艺是在原有的循环流化床燃煤锅炉的基础上增加了污泥脱水干化处理单元，将污水处理厂的脱水湿污泥在干燥器内干化，干化后的污泥颗粒与煤混合，一同送入循环流化床锅炉燃烧。湿污泥含水率约为80%，而干化后的污泥含水率可降至20%〜40%，大大缓解了湿污泥直接混烧存在的问题。

　　干化污泥混煤燃烧系统与湿污泥直接混烧系统相比，需要增加污泥干化与存储、运输等相关设备。处置干化污泥主要系统组成包括:湿污泥储存与输送系统、污泥干化系统、干化后废烟气净化系统、干污泥储存与输送系统、臭气收集系统等。

　　2、污泥干化技术

　　污水处理厂的机械脱水最多只能将污泥的含水率降低至70%左右。并且在实际运行中，污泥的水分最终会以蒸汽的形式排出，带走了燃料中的大量热量，因此进入炉内燃烧的污泥水分越多，能量损失也越多。考虑到能量损失和运行费用等因素，在污泥与煤掺混燃烧前，不仅需要对污泥进行机械脱水，还需要干化处理。

　　2.1 干化原理

　　在循环流化床燃煤锅炉系统中，一般利用燃烧的余热对污泥进行干化，可利用燃烧排放的高温烟气作为干化热源，也可以利用汽轮机高温蒸汽或冷凝水作为干化热源。污泥干化方式依据传热介质是否与污泥接触，分为直接干化和间接干化两种方式直接干化方式是将高温烟气直接引入干化设备，烟气与湿污泥接触进行对流换热。这种方式的热效率和蒸发速率较高，可使污泥的含水率降至20%以下。但是由于烟气和污泥直接接触，废气需要经过污染物处理才能排放，因此工艺流程较为复杂。直接干化的典型工艺有带式干化工艺、转鼓干化工艺、离心干化工艺和流化床干化工艺等。

　　间接干化方式是将蒸汽或烟气的热量通过换热设备传给其他热介质，热介质在封闭的回路中循环，不与湿污泥直接接触。间接干化方式的热效率和蒸发速率均不如直接干化方式，但热介质可循环利用，需要处理的烟气量小，不会产生二次污染，环保性更好。间接干化技术包括薄层干化工艺和间接加热盘式干化工艺。

　　2.2 干化方式

　　2.2.1 热水干化法

　　热水干化法利用高温冷凝水的热量，通过干燥机进行热交换来干燥湿污泥。一般属于间接干化方式，对换热设备的要求较高。热电厂的蒸汽动力装置会产生冷凝水或高温冷却水等副产品，可实现就地取材，循环利用，是非常理想的干化热源。热水干化法的典型工艺流程如图3所示。

　　2.2.2 蒸汽干化法

　　蒸汽干化法利用高温蒸汽的热能干化污泥，也是一种间接干化方式，如图4所示。热电厂蒸汽使用广泛、容易获得，一般使用1.0MPa、160~230℃左右的低压蒸汽作为污泥干化热源。蒸汽热源可以就地取材，循环利用，并且具有干化效率高、操作弹性大、易于控制、稳定性好等优点，因此目前应用广泛。

　　2.2.3 烟气余热干化法

　　燃煤锅炉排烟温度一般在120〜200℃左右，也可以做为污泥干化的理想热源。烟气余热干化法有直接干化和间接干化两种形式。为保证污泥颗粒的形成，一般采用二段式干化工艺，如图5所示。一段干化后，污泥含水率降至60%左右，二段干化造粒使含水率进一步降低，形成直径约为2~8mm污泥颗粒便于储存与运输。

　　2.2.4 太阳能污泥干化法

　　太阳能污泥干化法指的是利用太阳能做为干化热源的一种新型污泥干化技术。这种技术借鉴了传统温室干燥工艺，具有干化温度低、成本低、工艺流程简单、运行稳定等优点。太阳能干化工艺是在一个装有翻泥机的大型暖房中进行，湿污泥从一端输入，干污泥从另一端输出。有的太阳能干化系统还配备热风机以加速水分蒸发。在太阳能资源丰富、土地面积充足的条件下太阳能干化法最为经济。

　　3、污泥混煤燃烧特性

　　污泥混煤燃烧特性与所添加污泥的数量及污泥的性质有关，污泥的含水率越高，其热值越低。由表1可见，掺烧质量分数为20%的污泥时，燃料的含碳量降低，因此燃料的整体热值略有下降；氯元素的含量变化明显，掺烧污泥前前煤中氯的含量很低，添加污泥后，氯的含量由0.06%增加到0.15%，增加了循环流化床锅炉的腐蚀风险，燃料的含氮量也有所增加，可能造成氮氧化物污染物排放量的增加。

　　在污泥掺混比例小于10%时，混合燃料的燃烧特性与煤几乎相同，当掺混比例达到50%时，反应过程出现两个明显的阶段，在低温时反应特性接近于污泥，高温时接近于煤。混烧与煤单独燃烧相比，活化能提高，着火温度降低。在混合燃烧过程中，煤和污泥基本上保持了各自的挥发析出特性。

　　污泥的着火点低于煤，随着污泥掺烧比例的增加，混合燃料的着火温度逐渐降低，这是因为污泥中含有大量挥发分降低了着火点。在燃尽特性方面，污泥与煤混合燃烧时燃尽温度略低于煤，燃尽时间缩短，这是由于混合燃料的挥发分含量升高，燃烧初期由于挥发分的大量燃烧，为固定碳的着火提供了更多热量，使固定碳着火提前，从而缩短了燃尽时间。

　　污泥和煤的混合物的燃烧特性表现为污泥与煤共同叠加的结果。混合物的燃烧特性与污泥的掺混比例有关，当污泥掺混比低于20%时，混合物的燃烧特性与煤单独燃烧相似；当污泥掺混比增大到30%时，混合物的燃烧特性改变较大。为了保持燃烧的稳定性和锅炉的热效率，掺烧比例的选取，应考虑不同煤种的发热量和污泥的干化程度。

　　污泥的结渣严重，而煤的结渣问题较轻。随着污泥掺混比例的增加，混合物的灰熔点下降，混合后属于中等结渣范围。但从混合物灰成分判别指标看，污泥掺混比不超过20%时，结渣特性与煤比较相似，仍属于轻微结渣范围。因此根据污泥和煤掺烧后的灰结渣情况，污泥的掺混比例不宜过高，当污泥掺混比例不大于20%时是可行的。

　　4、掺烧污泥对循环流化床锅炉运行的影响

　　4.1 对锅炉燃烧工况的影响

　　4.1.1 污泥掺混比对炉内燃烧温度的影响

　　锅炉内的温度随着污泥掺混比的增加而下降，这是由于随着污泥掺混比的增大，由混合燃料的水分逐渐增多，水分蒸发吸收了大量的热量，致使炉内整体温度下降。当污泥掺混比达到50%时，混合燃料的平均低位热值明显低于锅炉的设计值，炉膛温度下降，床温低于850℃，不能满足锅炉的出力需求，同时，为确保二�英最大程度分解，烟气温度应大于850℃。因此污泥掺混比不宜过高

　　4.1.2 污泥掺混比对锅炉热效率的影响

　　随着污泥掺混比的增加，锅炉蒸发量和热效率呈下降趋势。这是由于随着污泥掺混比的增大，炉内水分增多导致排烟热损失增加，由于污泥热值较低，燃烧时需要吸热，导致燃烧温度明显下降，因此锅炉热效率降低，难以满足满锅炉负荷需求。另外，随着污泥掺混比例的升高，部分燃料有可能燃烧不充分，因此增加了不完全燃烧的热损失。

　　4.2 对受热面的磨损腐蚀的影响

　　研究表明，受热面磨损程度与烟气流速和烟尘浓度有关，随着污泥掺混比的上升，烟气流量、流速随之增加，烟气对锅炉炉壁的磨损也会增加，因此为了保证锅炉的运行安全，需要在锅炉内部进行防磨喷涂购。此外，由于污泥灰的特性不同于煤灰的特性，污泥与煤混合后的灰熔点较低，积灰和结渣问题更严重，污泥中的碱金属盐类随着烟气流动沉积在受热面，会加重受热面金属材料的腐蚀。

　　4.3 对燃烧污染物排放的影响

　　4.3.1 对SO2排放的影响

　　随着污泥掺混比的增大，SO2的排放量呈下降趋势这是因为烟气中SO2主要来自煤的燃烧，随着污泥掺混比的增加，混合燃料中硫的含量降低。燃煤锅炉的脱硫装置基本能够满足污泥混煤燃烧烟气的脱硫要求，掺烧一定比例的污泥不会影响系统正常运行。

　　4.3.2 对NOx排放的影响

　　NOx排放浓度随着污泥掺混比的增加而降低。这是由于NOx的排放量随着燃烧温度的增加而增加，污泥混煤燃烧温度较低，一般为850-950℃，能有效地抑制NOx的生成。随着污泥掺混比的增大，燃烧会产生大量的水蒸气，通过气化和还原反应抑制了NO的生成，并且由于污泥的加入，循环流化床锅炉燃烧温度降低，形成NO的主要反应减弱，而循环流化床锅炉排放的NOx主要为NO，因此NOx的排放浓度下降问。

　　4.3.3 对烟尘和其他污染物排放的影响

　　飞灰形态与燃料特性和燃烧过程有关，污泥燃烧后产生的灰颗粒较小，可能透过除尘器排放到大气中，因此必须增加布袋除尘装置的过滤面积。掺烧污泥后，由于污泥中存在有害成分，导致烟气中会存在少量二�英，污泥中的部分重金属颗粒也会随烟气排入大气。重金属不能被微生物分解，并可以在生物体内富集，所以在污泥混烧的过程中，要注意重金属的含量带来的污染问题。

　　4.4 对锅炉经济性的影响

　　燃煤锅炉掺烧污泥可以解决污泥的处理处置问题，还可以利用污泥热值供热和发电，带来了良好的社会环保效益。但是掺烧污泥后，混合燃料整体的含水率提高、灰分增加、烟气流量增加，导致锅炉整体热效率有所下降。污泥的加入使燃料整体的品质下降，需要对锅炉运行参数做出调整，因此风机等电耗会增加，锅炉受热面的磨损和腐蚀问题更为严重，检修费用也会相应增加。因此，在循环流化床燃煤锅炉掺烧污泥时需综合考虑其经济性。

　　5、结束语

　　(1)污泥与煤混合燃烧，通过在已有的循环流化床燃煤锅炉的基础上进行合理的改造来实现，相比独立的污泥焚烧厂具有明显的优势。污泥混煤燃烧工艺目前大多采用干化污泥混烧的方式，干化后的污泥含水率降至40%以下，呈颗粒状，便于储存运输以及与煤混合，并且可以减轻由污泥水分过高带来的锅炉热效率损失和腐蚀问题。污泥干化热源可以就地取材，利用燃煤锅炉的高温蒸汽、蒸汽冷凝水或烟气余热进行干化。

　　(2)从燃烧特性来看，污泥和煤混合燃烧时两者的燃烧相互独立。污泥混烧与煤单独燃烧相比其活化能提高，着火温度提前，热效率有所下降。在混烧过程中，煤和污泥总体上保持了各自的燃烧特性，混烧灰的结渣问题比煤单独燃烧更严重。因此为减少混烧对燃烧工况的影响，污泥掺混比例应控制在20%以下。

　　(3)掺烧污泥对循环流化床燃煤锅炉会产生一定的不良影响。与单独燃煤相比，锅炉热效率下降，腐蚀和磨损增加，气体污染物SO2和NOx的排放量下降，但燃烧过程中会产生二�英、重金属污染物。实际生产过程中需要根据煤和污泥的种类和性质对其掺混比例、燃烧工况做出相应调整，以降低其影响。(来源：山东大学能源与动力工程学院，山东丰源通达电力有限公司)