污泥干化焚燒系統在燃煤電站鍋爐應用

隋樹波，楊全業

（山東華能臨沂發電有限公司，山東 臨沂 276000）

0 引言

隨著我國工業化的發展和城市化進程的加快，城市污水處理率的提高，產生了大量污泥，污泥是一種性質復雜、污染物含量高、潛在環境風險巨大的污染物，是高含水率的液固物質，含有大量的病原菌、寄生蟲卵，以及鉻、汞等重金屬有毒有害物質。污泥已經嚴重影響了人們的生產生活，給環境造成了嚴重污染，城市污泥處理問題已經成為當今社會亟需解決的一大環保難題。相對于污泥的填埋與堆肥處理，焚燒法具有減容、減重率高，處理速度快，無害化較為徹底，能源再利用等優點，是處置污泥的有效實用技術之一。

雖然焚燒處理污泥具有很多優點，但由于自然絮凝沉淀的污泥的含水率一般在90%以上，采用機械脫水裝置脫水處理后，一般仍高于75%。如此高的含水率一方面不能維持燃燒過程的自持進行，必須加入輔助燃料；另一方面使污泥體積龐大，增加了焚燒處理過程中運輸、存儲的難度。由于上述原因，單獨建設污泥焚燒爐往往需要很大的一次性投資。由于燃煤電站鍋爐排出的高溫煙氣中仍有一定熱能未被利用，使得利用這部分熱能加熱干化污泥成為可能；另外電站鍋爐燃煤需求量大、爐膛火焰溫度高，所以利用電站鍋爐來焚燒干化的污泥可以做到最徹底的無害化處置；由于電站鍋爐的高效率也使得污泥中的有機物燃燒產生的熱能得到了更充分的利用。

綜上所述，通過充分利用火電廠燃煤鍋爐的現有設備條件、選擇合式的干燥裝置和合理的干化摻燒流程，在燃煤火電廠進行污泥的干化焚燒，為實現污泥處置的節能化、無害化和資源化提供了一條可靠的途徑。為了敘述的方便，以下文中的污水處理廠污泥簡稱污泥、燃燒電站鍋爐簡稱鍋爐。

1 污泥干化焚燒需要解決的主要問題

1.1 高溫煙氣參數的選擇

更高溫度的熱源有利于干燥過程，而煙道及干燥設備對于煙氣溫度的承受能力有限,若抽取的煙氣溫度過高，對鍋爐出力也會帶來不利影響，因此，高溫煙氣參數要適當的選擇，兼顧以上幾個方面。

1.2 干燥設備的選擇

合理的干燥設備，首先要適應現場的布置空間，達到污泥干化后便于輸送摻燒的目的，同時要兼顧能耗、噪聲等運行性能要求。

1.3 輸送摻配流程的設計

與干燥設備的選擇一樣，干化污泥的輸送設備也要適應現場有限的布置空間，并與現有的輸煤設備相融合。

1.4 對機組運行的影響

為了確保發電機組的安全運行，干化系統的啟停對鍋爐正常穩定燃燒的干擾要盡可能小。為了方便機組及干化焚燒系統的正常檢修，污泥干化系統需要操作簡便，并能夠及時迅速的投入退出或與機組徹底的隔離。

1.5 二次污染的防控

污泥干化系統的設計應充分考慮并避免干化及輸送過程對電廠生產區環境和污泥干化車間的二次污染問題。

2 污泥干化與輸送系統的工程設想

2.1 干化污泥的高溫煙氣的抽取

本工程以135 MW發電機組為實例，鍋爐為SG－435/13.7－M765型超高壓自然循環鍋爐，進行改造后抽取高溫煙氣用于加熱污泥的實例，探討污泥干化焚燒系統在燃煤電站鍋爐上的應用。鍋爐各段煙氣的參數分別如表1所示。

從提高換熱強度和干燥系統出力的角度出發，煙氣抽取位置越靠前，對干燥系統越有利，但當前用于煙道的風門及補償器設計溫度一般在400℃以下，溫度再提高后，對設備有特殊的要求，造價會大大提高。從提高干化系統和鍋爐的總體經濟性出發，煙氣抽取位置越靠后，經濟性越好，從上表可以看出，空預器之后沒有受熱面布置，煙氣所含熱量為鍋爐余熱，用于干化污泥對鍋爐效率無影響。但由于空預器后煙溫太低，使用這部分煙氣，要完成同樣數量污泥的干化，干燥設備的體積要做得很大，干化的流程也要大大延長，限于已經建成的電廠生產區，存在無法設備系統布置的問題。綜合各方面的因素，本項目中，擬抽取鍋爐省煤器后的高溫煙氣用于干化污泥。

表1 爐后段煙氣參數表

2.2 干燥設備的選擇

用于物料干化的裝置很多，目前可采用高溫煙氣作為熱源直接接觸加熱干燥的裝置主要有三種：滾筒式干燥機、旋轉槳葉式干燥機和旋轉閃蒸式干燥機。三種干燥裝置特點如表2。

表2 三種干燥方式的特點比較

通過比較分析，由于在已經投運的電廠中建設污泥干化系統，系統的占地面積往往成為確定干燥方式的決定因素，總體布置為立式的旋轉閃蒸干化裝置占地小，易于系統的布置，優勢明顯；在建設投資方面，旋轉閃蒸干燥設備的物料流轉動力來自煙氣的流動，旋轉設備動力小，精度要求低，系統簡單，總的造價較低；旋轉閃蒸裝置的加熱過程是在物料流化狀態下進行，所以接觸充分，換熱強度高，生產效率高，能夠實現較大的生產能力；此外，旋轉閃蒸干燥裝置由于物料干化過程在干燥塔內流化狀態下完成，干化污泥由流動的煙氣帶走，不依賴機械的強力破碎，所以干化污泥的顆料形狀保持較好，通過調節煙氣流速可以在一定范圍內調節干污泥粒徑，這一點是其他兩種方式無法實現的。當然，由于旋轉閃蒸裝置中的煙氣流速較高，煙氣熱能的利用率相對于其他兩種方式略低，但由于電廠的煙氣余熱本身是低質能源，而且量非常大，所以較低的利用率仍可以接受。綜合以上比較，本工程實例中采用了旋轉閃蒸干燥裝置。

2.3 總體工藝流程

根據電廠原有設備配置與布置情況，設計了圖1所示的工藝流程。

圖1 污泥干化焚燒系統工藝流程圖

2.4 對運行的保護

對于火力發電廠而言，保證機組的安全穩定運行是至關重要的，因此污泥干化焚燒系統的投運和停止，應該建立在保證鍋爐安全穩定運行的前提下。

首先在抽取煙氣量的確定上，在系統設計時把抽取煙氣量的上限設為鍋爐額定工況下煙氣量的8%，這樣，在機組負荷率70%以上時抽取的煙氣量占總煙氣量的比例最大為11%。由于污泥干化風機采用了變頻控制系統，風機的啟停都是步進可調的，即使是在污泥干化系統突然停止的極端狀態，造成的風量波動也遠低于單臺引風機停運時引起的波動量，操作人員能夠通過及時的調整并穩定鍋爐的燃燒。

其次在污泥摻燒量的確定上，即設計污泥干化焚燒系統的處理能力時，為保證鍋爐燃燒的穩定，干化污泥的摻入量對入爐煤的影響要小于煤質的正常波動范圍為前提進行設計，在通過對鍋爐設計煤種、校核煤種、實際的煤質波動和對燃燒影響的綜合分析計算，得出摻入量在原煤量的5%以下，對灰份的影響小于2.5個百分點，對水份的影響小于0.2個百分點，是可以保證鍋爐穩定燃燒的。

2.5 二次污染的防控

由于濕污泥在存放過程中有機物會發生水解、腐敗等復雜的物理化學反應，所以會產生帶臭味的有害氣體，我們在對濕污泥池進行全封閉的基礎上加裝了負壓風機，將濕污泥池內產生的異味氣體排往電廠原有的半干化脫硫系統。在干化污泥輸送過程中，散發出來的異味氣體也由連接在鍋爐煙道上的負壓管道在脫硫系統的負壓作用下，吸入半干化脫硫系統。所有的異味氣體在脫硫系統內經過增濕水的噴淋洗滌和堿性脫硫劑反應吸收后排入大氣，最大限度的降低氣味的污染。

由于城市污水來源復雜，不能排除污泥中含有少量含苯有機物等可在燃燒過程中產生二惡英的物質，本應用實例中焚燒溫度超過1200℃以上，有機物分解徹底、燃燒充分，避開了800℃左右的二惡英產生的溫度區間，最大限度的減少了二惡英的產生。

2.6 DCS的應用

得益于電廠在長期應用分散控制系統（DCS）中所積累的經驗和維護開發能力，在本工程實例中，擬將DCS系統應用到污泥干化焚燒系統中?，F場設備上的各類傳感器變送器等將設備運行狀態、介質的流量壓力、設備轉速、電機電流等參數送至DCS系統，監控人員在操作員站可以實現對系統運行狀態的全面監視；對系統的調整、控制指令通過過程控制功能模塊傳送到就地設備的執行裝置，對系統的運行過程進行調節與控制；技術人員在工程師站可對控制系統進行配置、組態、調試和維護。DCS系統的應用可以使得整個污泥干化與焚燒系統幾十臺設備的運行監視、啟停操作和調節控制由1-2名操作人員在集控室內完成。另外DCS系統中的介質溫度、各段差壓、料位等的參數報警與聯鎖保護功能，使得干化裝置的安全穩定性大大提高，也最大程度的減少了對鍋爐穩定運行的擾動。

3 工程實踐分析

污泥干化焚燒系統通過了分部試驗及總體啟動和試運行后，主要技術指標達到了設計值和使用需求，實現了連續穩定運行。

3.1 處理能力

在鍋爐最低負荷不低于100 MW的情況下,系統最大抽取煙氣量約3.5萬Nm3/h，在濕污泥含水率小于80%時，單套裝置最大處理能力170 t/h，干化后的污泥含水量在35%～40%，粒徑在1～2 mm，揚塵量小、流動性好，易于輸送，達到設計要求。

3.2 對運行的影響

污泥干化系統啟動時，由于干化風機的啟動，對鍋爐的爐膛負壓有擾動，通過延長啟動的時間，減小風量增加的變化率可以將擾動控制在鍋爐引風自動允許的范圍內。但進行低負荷試驗時，污泥干化系統的運行對機組穩定燃燒有較大影響，因此，污泥干化系統的啟停及運行應避開負荷低谷，確保運行機組安全。通過試驗，在入爐煤質穩定、負荷率在75%以上的情況下，機組運行是穩定可靠的。

3.3 對經濟性的影響

污泥干化系統對于鍋爐運行經濟性的影響，需要較長時間的數據積累才能得出定量的結論，在試驗運行階段，僅用耗差分析的思路，做定性的評估。由于抽取了部分空預器前的高溫煙氣，使得參與空預器換熱的煙氣量減小，在發電機組運行負荷為100 MW時，鍋爐熱風溫度降低15℃，熱風溫度的降低引起燃料著火推遲，火焰后拖，影響蒸發段的吸熱，相應的增加減溫水用量，提高了飛灰可燃物含量，從而對鍋爐效率造成一定影響。試運期間，鍋爐飛灰可燃物含量升高約2～3個百分點，過熱器減溫水量增加約0.5個百分點，根據耗差分析的結果，增加了機組發電煤耗約4 g/kW·h，在可接受的范圍之內。

3.4 電耗

單套污泥干化系統的電動設備總容量為380kW，實際運行中在污泥干化系統最大出力時的設備總的功率為360 kW。

3.5 對環境的影響

污泥干化焚燒系統投運后，由環保部門組織專業檢測機構對干化車間內部和周圍，電廠周圍等地點進行了粉塵、噪聲、臭味氣體含量等指標的檢測，檢測結果均未超過國家相關標準的規定。

4 結語

1）采用旋轉閃蒸干化設備，利用火電廠高溫煙氣作為熱源對污泥進行干化，干化后的污泥在電站鍋爐內進行焚燒處理，是可行的。

2）由于污泥干化與焚燒系統與電廠的輸煤、制粉、風煙等系統有關，干化與焚燒影響到鍋爐的制粉、配風、燃燒、除灰等過程，其對鍋爐設備壽命及運行經濟性的影響還需要積累更多的資料進行精確分析。

3）由于本工程實例采用的是空預器前的高溫煙氣，所以單純從經濟性上考慮，并非最優方案。在建設廠地允許，設備布置方便的情況下，可以考慮減少高溫煙氣用量、增加空預器后低溫煙氣用量，同時綜合考慮風機動力消耗，找到最佳的高低溫煙氣配比，實現單位濕污泥處理量綜合能耗最低的目標。

4）通過對本工程實例中污泥干化過程運行數據的收集與經驗的積累,建立數學運算模型，設置合理的閉環控制邏輯和參量，有望在濕污泥給料量、干化裝置出口溫度、干化風機開度等主要參數上實現自動控制。

本文以135 MW發電機組為例，結合工程設想，對污泥干化焚燒的實際效果進行了探討分析，工程的實施具有較好的社會效益和環保效益，在社會愈加重視環保的形勢下，是發電企業利國利民的重大舉措。當然，污泥的干化焚燒一定程度上提高了發電機組的運行成本、加大了設備的磨損、影響了機組運行的經濟型、增加了電廠的投資、同時需要較高的運行負荷，需要國家及環保部門出臺相關的政策給予扶持，提高發電企業的積極性。

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