利用燃煤機組煙氣余熱干化污泥及耦合摻燒技術經濟性研究

劉啟軍，佟永財

(1.中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司,長春 130021；2.中國石油集團電能有限公司熱電一公司，黑龍江 大慶 163314)

污泥是污水處理后的產物，是一種由有機殘片、細菌菌體、無機顆粒、膠體等組成的極其復雜的非均質體。大量的污泥不僅會占用寶貴的土地資源，還會造成潛在的環境二次污染。我國污泥處理方式主要有填埋、堆肥、自然干化、焚燒等方式，目前主要以填埋為主。隨著地下水保護、土壤保護、食品安全等問題要求日益嚴格，污泥填埋場選址日益困難，填埋和污泥土地利用標準也不斷提高，使污泥填埋和土地利用受到越來越多限制。焚燒作為污泥減量化、無害化和資源化的重要技術，在污泥處置中的占比將不斷提高。

污泥焚燒的處置方式通常采用干燥焚燒，即將污泥通過干化處理后再進行焚燒的技術手段。當前焚燒工藝包括單獨焚燒、火力發電廠協同處置、水泥窯協同處置等。燃煤火力發電廠具有濕污泥干燥所需的充足熱源，同時干化后的干污泥可以與燃煤摻混后送到鍋爐焚燒，不需額外增加焚燒設備和尾氣處理設備，可大大降低污泥處置的投資和運行費用。火力發電廠協同處置污泥具有投資低、處理量大、排放指標優、節省占地等特點。國家目前也相繼出臺了相關政策措施鼓勵燃煤機組耦合摻燒污泥。

目前國內已經實施或正在實施的燃煤發電廠協同處置污泥項目的技術路線基本采用干化焚燒的方式。濕污泥的干化基本都是采用圓盤蒸汽干化機，干燥熱源為中壓輔助蒸汽，蒸汽與濕污泥通過轉盤組間接接觸傳熱。此種設備工作安全、可靠，設備外形尺寸較小，但由于利用的是汽輪機的中壓輔助蒸汽，對發電廠運行經濟性有一定影響。為了進一步挖掘火力發電廠余熱潛能，提高干化+摻燒污泥運行經濟性，利用煙氣余熱干化濕污泥的技術得到重視。帶式污泥干化機是一種可以利用低溫熱源干化濕污泥的先進設備。

1 帶式污泥干化機及相關系統

1.1 工作原理

帶式污泥干化技術屬于中低溫干化技術，是通過利用溫度為80～130 ℃的干燥熱空氣將均布在傳送網帶上的濕污泥中的水分蒸發出來，使濕污泥被逐步烘干，其出口污泥含水質量分數可降至10%～35%。帶式污泥干化裝置結構緊湊，干化帶相互之間上下疊加布置，安裝在一個保溫外殼內。帶式污泥干化裝置主要由濕污泥布料裝置、干化帶、冷凝設備、廢氣化學洗滌和生物濾床等組成[1]。

帶式污泥干化裝置工藝流程見圖1，工藝鼓風機出口熱空氣穿越干化帶和污泥層，熱空氣接觸污泥的同時帶走其中的水分。在穿流干化裝置的過程中，污泥逐漸變熱變干，根據所設置的干化溫度和污泥停留時間，可將污泥干化到含水質量分數10%～35 %。

干化空氣穿流污泥層時，空氣溫度下降，同時空氣中的濕度上升。當環流工藝空氣在冷凝裝置內被冷卻處理時，空氣溫度降低至露點以下冷凝脫水。冷凝脫水后的環流空氣通過熱交換器重新加熱后循環利用。 循環氣流中的一小部分氣體由鼓風機排出系統，以保證整個干化裝置始終處于微負壓狀態，從而防止干化空氣、臭味和水蒸氣外泄。

在干化裝置內部設有溫度和CO濃度監控系統。應急停機情況下，噴淋系統自動啟動工作，進行快速冷卻和消防滅火。

圖1 帶式污泥干化裝置工藝流程

1.2 帶式干化機的供熱系統

根據帶式污泥干化裝置的熱能來源，其干化裝置的供熱系統主要有以下幾種類型。

a.分散型供熱方式：以天然氣、沼氣或燃油等一次能源為燃料，在干化裝置的每一模塊內各配置一個工業燃燒爐。

b.集中型供熱方式：以燃煤為熱源，通過燃煤鍋爐集中產熱，然后通過在干化裝置內部配置的熱交換器輸入熱能。

c.工業余熱利用：將工業余熱轉換成100 ℃左右的熱水作為熱源，利用廢熱實現污泥干化，運行經濟性好，減小一次能源消耗。

帶式干化技術采用溫度為90～150 ℃的熱水作為設備的直接熱源，外部熱源熱量被轉化到熱水中再實現對系統的供熱[1]。

1.3 帶式干化機的環流空氣冷凝系統

帶式干化機是利用空氣與濕污泥直接接觸干化的帶式濕污泥干化裝置。空氣進入干化機前先經過熱水加熱升溫，熱空氣進入干化機本體帶走從濕污泥蒸發出來的水蒸氣。從干化機出來的濕空氣進入空氣冷凝裝置，通過冷卻水降低濕空氣溫度，從而將濕空氣中的水蒸氣冷凝，經過冷凝后的空氣重新循環利用。環流空氣只有少部分乏汽排放，并有等量的新空氣補充到系統內，以維持系統運行壓力。

環流空氣冷凝系統包括熱能回收利用裝置和冷凝裝置等設備，在冷凝裝置中利用冷卻水使空氣溫度降低至露點以下冷凝脫水，并以冷凝液形式排出冷凝裝置。通過熱能回收系統，將丟失的熱能重新回收利用。冷凝裝置所用的冷卻水可采用火力發電廠凝汽器循環水。冷凝裝置排出的冷凝液可送至電廠的脫硫廢水處理系統，具備條件的(離污水處理廠很近)可以送回污水處理廠。

1.4 帶式干化機的乏汽綜合利用系統

帶式干化機的環流空氣系統有一小部分循環氣流通過排氣風機排出系統。在抽排這部分空氣的同時，還可以保證整個干化裝置始終處于微負壓狀態，從而防止干化空氣、臭味和水蒸氣外泄。此時等量的環境新空氣進入干化裝置，以維持整個系統正常運行。

對于污泥干化與燃煤機組耦合發電項目，由于濕污泥干化裝置一般建設在火力發電廠廠區內，距離鍋爐很近，環流空氣中排放的少量乏汽可經過升壓風機送到燃煤鍋爐空氣預熱器(以下簡稱空預器)進口風道中，經空預器加熱后送入鍋爐燃燒。

2 利用燃煤機組煙氣余熱干化污泥的方案

2.1 現有燃煤機組煙氣余熱的利用方式

目前結合低低溫除塵器的廣泛應用，要求除塵器入口煙溫一般降低為90 ℃左右。從燃煤鍋爐空預器出口至低低溫除塵器前有較大的煙氣余熱量可以利用。目前此部分煙氣余熱一般用于加熱汽輪機回熱系統的凝結水。

2.2 煙氣余熱干化污泥的換熱系統擬定

燃煤機組的空預器出口與除塵器入口前煙道上布置的煙氣換熱器，在吸收煙氣余熱后可以提供100 ℃以上的熱水，熱水的溫度正好可以滿足帶式污泥干化機的換熱要求。

煙氣余熱干化污泥的換熱系統采用閉式循環，工作介質為軟化水。軟化水進入煙氣換熱器吸收煙氣余熱后，進入到帶式濕污泥干化設備中，將熱量傳遞給帶式污泥干化裝置中的循環空氣，被冷卻后的閉式循環軟化水再進入煙氣換熱器系統重新吸熱。系統流程圖見圖2，圖中實線為煙氣余熱干化污泥的換熱系統，1為煙氣換熱器；2為閉式循環水泵；3為定壓補充水箱；4為調節閥組；5為凝結水換熱器；6為帶式污泥干化裝置。

圖2 煙氣余熱干化污泥換熱系統流程圖

3 350 MW燃煤機組干化摻燒污泥的案例分析

3.1 干化摻燒污泥規模的確定

3.1.1 濕污泥干化處理規模所需熱量

不同的濕污泥干化處理規模、濕污泥的含水率、干污泥的含水率等會有不同的干化熱量需求。如濕污泥的含水質量分數為80%，干化后污泥含水質量分數為30%，干化設備采用帶式干化機，干化設備每天工作時間按20 h，則不同的濕污泥干化處理規模所需熱量見表1。

表1 不同濕污泥處理規模所需熱量匯總

3.1.2 350 MW燃煤機組煙氣余熱干化污泥規模的確定

一臺350 MW燃燒褐煤的鍋爐，煙氣換熱器布置于空預器出口至除塵器入口的尾部煙道上，鍋爐額定負荷時空預器出口煙氣溫度按143 ℃，煙氣換熱器出口煙溫按90 ℃，煙氣換熱器的換熱效率按98%計算，額定負荷時鍋爐尾部可利用的煙氣余熱量約為26 000 kJ左右。

考慮目前我國火電裝機容量過剩，火電機組的年設備利用時間逐年下降，2018年僅有4 361 h，火電機組的年平均負荷率基本維持在50%～60%，同時考慮摻燒干化污泥后對鍋爐燃燒穩定性、污染物排放等方面的影響，推薦一臺350 MW機組日處理濕污泥的規模在400～600 t/d較為合適。

3.2 濕污泥的干化系統及設備的設置

按確定的濕污泥處理規模，同時考慮目前市場上單臺帶式污泥干化機的出力，共設置3臺帶式濕污泥干化機，每臺帶式濕污泥干化機設計日處理濕污泥量為150 t/d。

帶式濕污泥干化機入口濕污泥含水質量分數為80% ，出口干污泥含水質量分數為30%(可調)。帶式干化裝置本體外型尺寸：長34 m，寬6 m左右，高5.7 m左右。

4 摻燒污泥的經濟性分析

一臺350 MW燃煤機組采用帶式濕污泥干化裝置，利用鍋爐尾部煙氣余熱干化濕污泥并摻燒，濕污泥的處理規模為450 t/d，濕污泥為市政污水處理廠產生的生活污泥。經濟性分析的邊界條件如下：

a.摻燒污泥后機組的年發電量不變，發電設備利用小時數按4 500 h考慮；

b.標準煤價格按550元/t計算；

c.上網電價按0.375元/(kW·h)計算；

d.處理1 t濕污泥的處置費按150元/t計算；

e.帶式濕污泥干化裝置年運行時間按6 500 h計算。

4.1 干化裝置年處理污泥量

一臺350 MW機組所配置的帶式濕污泥干化裝置處理能力為450 t/d，如果一天運行時間按20 h計算，則濕污泥處理能力為22.5 t/h。一年運行時間6 500 h，則年濕污泥的處理量約為1.462 5×105t。帶式污泥干化機進口濕污泥的含水質量分數為80%，出口干污泥含水質量分數為30%，1 t濕污泥干化后能產生0.286 t干污泥。一年處理1.462 5×105t濕污泥，可以產生4.183×104t干污泥。

4.2 燃燒干污泥所替代的燃煤量

干化后的污泥含水質量分數為30%，30%含水質量分數的干污泥收到基低位熱值取8 000 kJ/kg。則4.183×104t干污泥燃燒釋放熱量相當于11 418 t標準煤。如每噸標準煤的價格按550元計算，則每年節省的標準煤總費用約為628萬元。

4.3 摻燒污泥后鍋爐效率變化對燃煤量的影響

燃煤摻燒污泥后會使混合燃料的發熱量下降，根據混合燃料發熱量下降的程度估算鍋爐效率的變化。一臺350 MW機組干化摻燒450 t/d濕污泥，保守估算摻燒后對鍋爐效率影響約為0.16%。鍋爐效率下降0.16%后發電煤耗的指標升高約0.5 g/(kW·h)。年發電量一定時，每年多耗的標準煤量為787.5 t，增加的標準煤耗量費用約為43萬元左右。

4.4 余熱利用方案對燃煤機組發電標準煤耗率的影響

如煙氣余熱不用于干化濕污泥時一般是被回熱系統凝結水吸收利用，會使機組的發電標準煤耗降低約1.5 g/(kW·h)左右。干化裝置運行期間，由于余熱利用方式的改變而導致的發電標準煤耗率增加，年標準煤耗量增加，其增加的數值約為2 363 t，增加的標準煤耗量費用約為130萬元。

4.5 干化污泥所消耗的廠用電量

帶式濕污泥干化裝置及系統在運行過程中需要消耗一定的廠用電量，如：濕污泥的輸送、干化機的環流通風、干化帶運行、乏汽通風、干污泥輸送等。根據帶式干化機的相關資料，干化1 t濕污泥消耗的電能約為71.43 kW·h。一年處理干化濕污泥1.462 5×105t，消耗的電能約為1.044 7×107kW·h，使機組對外少供電量為1.044 7×107kW·h。如上網電價為0.375元/(kW·h)，則由于干化濕污泥而消耗的廠用電量，減少了機組的供電收益約為392萬元。

4.6 處理濕污泥的處置費

一臺350 MW機組每年處理濕污泥量約為1.462 5×105t，如果處理每噸濕污泥政府給予150元的濕污泥處理費，則每年濕污泥處理費約為2 194萬元。

4.7 燃煤機組干化摻燒濕污泥后總的毛收益

燃煤機組干化摻燒濕污泥后總的毛收益測算如下，燃煤機組摻燒污泥后所帶來的好處是節省了部分燃煤，同時政府給予一定的濕污泥處置費，但是燃煤機組在處置濕污泥同時，由于消耗了部分鍋爐余熱，相比常規余熱利用方案會使機組發電標準煤耗率有所增加，同時也消耗了部分廠用電量，使機組的年供電量減少。綜合以上各種因素，機組摻燒污泥后的毛收益為2 257萬元左右。

如果濕污泥處理系統的單位投資按25萬元/t計算，則450 t/d濕污泥處理規模的總投資約為1.125億元。按上述的經濟性數據分析，利用燃煤機組煙氣余熱干化濕污泥的耦合發電系統經濟效益可觀，摻燒工程的投資基本可以在五至六年內收回。

5 燃煤機組摻燒污泥對鍋爐效率、鍋爐運行及污染物排放的影響

5.1 摻燒污泥對鍋爐效率的影響分析

大型燃煤發電機組的燃煤量很大，以一臺350 MW燃燒褐煤的發電機組為例，設計燃煤的低位發熱量為13 540 kJ/kg，其在100%負荷時燃煤量為225.3 t/h，其在75%負荷時燃煤量為162.6 t/h，其在50%負荷時的燃煤量為111.8 t/h。

該臺350 MW機組燃煤鍋爐摻燒污泥，濕污泥的處理量按450 t/d，每天運行時間20 h，則濕污泥處理量為22.5 t/h。濕污泥的含水質量分數按80%計算，干污泥含水質量分數按30%計算，則摻混的干污泥量為6.435 t/h。30%含水質量分數的干污泥熱值約為8 000 kJ/kg，摻燒干污泥后對入爐煤質低位發熱量的影響見表2。

表2 摻燒干污泥后對入爐煤質低位發熱量的影響

根據相關技術文獻資料，當煤種熱值每變化420 kJ/kg，對于300 MW等級的燃煤鍋爐其鍋爐效率變化量約為0.16%。對于一臺350 MW燃煤鍋爐，濕污泥處理量為450 t/d，其50%負荷率時摻燒的干污泥量對混合后煤質發熱量的影響僅為302 kJ/kg。保守估算，350 MW機組摻燒污泥后鍋爐效率下降約0.16%[2]。

5.2 摻燒污泥對鍋爐運行及污染物排放的影響

城市污水處理廠的污泥中含有大量有機物和一定量的纖維素木質素，脫水后的污泥可以作為輔助燃料。污泥焚燒的處置方法雖然解決了污泥的出路問題，并充分利用了污泥中的能量，但是污泥中的重金屬卻隨煙塵進入空氣，因此，為使污泥處理處置真正實現無害化，必須要了解污泥摻燒的污染物排放特性，以便更好地進行控制。

污泥中的各種重金屬的含量比單煤明顯偏高，尤其是Zn、Cu和Pb，污泥中Cr、As、Ni的含量也較煤明顯偏高，Se和Hg在污泥和煤中的含量相當。混煤中的重金屬含量與單煤相比，Cr、As、Ni、Pb和Cu升高了約50%左右，Hg和Se較單煤基本無變化，而Zn在混煤中一般會比單煤高出幾倍。

煤和污泥混合燃燒后的灰渣中，大部分高沸點重金屬元素Pb、Cu、Cr和Ni殘留在灰渣中，Zn、Cd有部分殘留在灰渣中，而As、Hg和Se等易揮發元素則在燃燒后釋放到煙氣中，在灰渣中的含量很小。摻燒污泥后，灰渣中的重金屬含量較燒單煤都有了一定幅度升高，但重金屬濃度可以滿足現行國家標準。CO、HCl以及其他有機氣體排放濃度與單獨燃煤基本相同；NH3的排放濃度較單煤有所升高；SO2和NOx排放濃度在摻燒污泥后普遍略有降低。

6 結論

對污泥減量化、資源化、無害化處理是大勢所趨，是國家重點支持和鼓勵的污泥處理、處置方式。利用燃煤機組煙氣余熱干化污泥的耦合發電方式是處理污泥的重要方式之一，它具有投資少、運行效率高、運行經濟性好等優勢。結合燃煤機組鍋爐煙氣余熱所能提供的熱能溫度等級、熱能輸送介質的類型等特點，選擇利用中低溫介質干化濕污泥的帶式污泥干化機。煙氣余熱取自空預器出口和除塵器入口之間，煙氣余熱由熱水為載體帶出。帶式污泥干化裝置既可適應污泥全干化，也適用于污泥半干化，出口污泥含水率可自由設置，使用靈活方便，運行經濟性好。

帶式濕污泥干化裝置與燃煤機組煙氣余熱系統的完美結合，充分發揮了各自設備和系統的優勢，充分利用了現有燃煤機組的設備和系統，實現了節能減排，進一步提高了效率和經濟效益。