大型循环流化床锅炉污泥掺烧技术研究

　　引 言

　　污泥是废水处理过程中所产生的固体沉淀物质,含有重金属、泥沙、有机细菌、无机颗粒物等。由于污泥结构松散不易沉降,难以进行彻底的固液分离和处置,目前最好处理工艺是通过直接焚烧,氧化处理内部的有害物质并综合利用燃烧后的残渣。四川白马循环流化床示范电站有限责任公司(简称白马公司)现有300MW和600MW循环流化床锅炉各一台,将干化后的污泥掺配到燃煤中,与煤一同送入炉膛进行燃烧处理,实现了经济和社会效益。

　　截止2019年中国人口已达14亿,随着中国城市化进程的加快和人民生活质量的不断提高,我国市政污泥年总产量目前已超过了4000万吨。同时随着工业环保要求的提高,工业污泥产量也在3600万吨左右。而2019年全国污泥无害化处理率不足50%,已满足不了环保处置要求。针对现有的污泥技术处理工艺分类,主要方式有无害化土地填埋处理、无害化土地直接利用、直接焚烧等三种方式。

　　直接焚烧是利用污泥的有机成分较高、具有一定热值等特点来处置污泥,技术优势在于其处理有害物的彻底性,减量率可达95%,其有机物被完全氧化,重金属几乎全被截留在灰渣中。随着污泥的预处理技术、高效的热回收技术、对排放有效控制技术的采用,污泥在运输、储存中恶臭技术难题已经得到了很好的解决,已成为污泥处理与处置的主流技术。直接焚烧需要在高温下对污泥进行加热分解,所采用的设备有直排炉、回转窑炉、鼓泡炉、循环流化床炉等,在使用上各具优劣,但由于循环流化床焚烧炉燃料适应性广,对污泥水分要求不高,同时燃烧温度低,NOX排放量小,灰渣易于综合处理等特点,已被普遍采用作为污泥焚烧的主要炉型,但也存几个问题。

　　1 二噁英影响

　　二噁英又称二氧杂芑,是2个或1个氧键连结2个苯环的含氯有机化合物,不是单一物质而是指一类物质。二噁英是一种大气环境污染物,不能自然降解,当人体吸入后会危害人体多种器官和系统。二噁英焚烧生成温度在320～510℃之间,720℃开始分解,800℃左右2秒完全分解。白马公司循环流化床炉膛温度在900℃左右,炉膛出口至旋风分离器温度在910℃左右,烟气在锅炉及旋风分离器总计停留时间在10秒左右,该温度区间及停留时间能使二噁英完全发生氧化反应,分解产生无毒芳烃,该反应不可逆。研究表明影响二噁英排放的主要参数是氯离子含量和污泥中硫比值,当硫氯离子比值值大于1时可大大降低二噁英的产生,当硫氯离子比值大于10可抑制90%的低温二噁英生成。根据浙江大学能源清洁利用国家重点实验室对市政污泥的抽样,硫氯离子比值比为80.1远高于10,所以在源头就可以大大抑制二噁英的产生。

　　白马公司在试验时对污泥样品在四种不同工况进行了焚烧试验:污泥单独焚烧、污泥与煤按照1:1掺混后焚烧、污泥与煤按照1:1掺混并添加石灰石(按钙硫比2计量)焚烧、煤单独焚烧。试验的污泥最高含量的为单独焚烧,产生的二噁英为0.0917ngTEQ/m3;污泥和煤以质量比1∶1混烧后二噁英浓度降为0.0045ngTEQ/m3;污泥与煤按照1:1掺混并添加石灰石(按钙硫比2计量)焚烧结果为0.018ngTEQ/m3;纯煤燃烧时二噁英的结果为0.0035ngTEQ/m3。二恶英在国家危险废物焚烧污染控制标准中排放标准是0.5ngTEQ/Nm3,在国家生活垃圾焚烧污染控制标准中排放标准是0.1ngTEQ/Nm3。所以在没有进行任何尾部烟气处理的条件下,试验各方式污泥掺烧所排放二噁英质量浓度已远低于国家规定排放标准。

　　2 污泥的恶臭影响

　　恶臭是指污泥在储存运输过程中向大气挥发的异味物质,通过空气介质作用于人的嗅觉器官、并有害人体健康的一类公害气态污染物质。恶臭是大型循环流化床锅炉处理污泥的一大技术难点,特别是在人口集中区域将对企业会造成不好的影响。污泥产生的气体成分主要有氧、氮、硫化氢、二氧化碳、甲烷、氨以及一些产生臭味的气体,如粪臭素、吲哚、有机硫化物、胺类、硫醇等微量MVOC气体,其中氧、氮、二氧化碳是空气中是常见组成成分,不需要对其进行处理。臭气产生的最大来源为硫化氢和氨,它们在空气中飘散,影响空气质量,另外硫化氢是易燃的酸性气体,其水溶液氢硫酸会对管道、土壤、混凝土结构、金属机械设备、配电柜等产生酸性腐蚀。

　　根据韦伯一费希纳定律,恶臭给人的感觉量(即恶臭强度)是与恶臭物质对人嗅觉的刺激量的对数成正比。当恶臭浓度降低97%臭味强度只减少50%,所以说即使还余3%的恶臭浓度,也会给人体带来极度不舒适感,造成防治恶臭比防治其它大气污染物更为困难,要消除整个恶臭对人体的感官比达到排放标准还要严格。白马公司此次试验对恶臭处理方法,首先将污泥进行加入聚丙烯酰胺调质,通过搅拌处理使污泥与药剂充分反应,增加污泥的脱水率,同时污泥经过加药调质成为95～97%絮状物,随后送入压滤机内过滤压榨后可将污泥含水率降至60%。由于污泥与药剂反应混合大大降低污泥挥发物,恶臭感明显减少;其后再将干化后恶臭减少的污泥与燃煤进行混合,并在储存、输送系统上增加一套收集系统对剩余少量的臭气进行收集环保处理,将其变为有组织环保排放。通过上述两种工艺相结合已完全解决了试验时的恶臭问题,达到了国家相关标准,解决了污泥掺烧时的一大技术难题。

　　3 锅炉燃烧性影响

　　白马公司600MW循环流化床机组日均给煤量为4063.2t/d,此次试验掺烧的污泥最大含水率80%时加入量为350t/d,经干化后污泥最小含水率60%时加入量为216t/d,参比率只占燃煤的5%左右。即使污泥低位发热量较低,但混合后燃料的组分变化较小,整体热值变化不大,所以锅炉的稳定燃烧不会产生太大的影响。通过研究发现,污泥掺烧比例的增加有利于提高机组启动初期燃煤的燃尽率,循环流化床锅炉燃烧的是5～8mm左右的燃煤颗粒,同普通煤粉炉相比在初期燃煤的燃烧性能不太好,由于污泥中有机物含量较高,所以具有更高的挥发分含量,由于这些有机物挥发分的着火点低于燃煤的着火点,因此在锅炉燃烧初期时污泥的挥发分可以释放更多的热量,从而促进燃煤的着火。由于循环流化床锅炉具有较高的热容性,当温度稳定后可以加强二次风扰动,促进燃煤燃烧性能,提高了整体燃煤燃尽率。

　　4 锅炉效率影响

　　污泥掺烧对锅炉的效率影响主要体现于水分增加带来的热能损耗、烟气增加及排烟温度增加,但如采用干化后污泥,由于低含水率和掺烧时掺烧比例低,锅炉效率降低值估计在0.1～0.2个百分点。此次试验采用的是利用压滤机械干化后含水率60%的污泥进行的试验。根据试验中对污泥掺烧比例对飞灰特性及锅炉经济性与安全性的影响试验数据,表明随着污泥的掺烧比例升高,灰渣未燃尽碳热损失由0.8%低至0.5%(主要原因在本文论述锅炉燃烧性能影响中以进行了充分的分析论证),降低了灰渣物理热损失Q6。污泥掺烧试验中不同燃烧工况排烟损失Q2在5.1～5.6%之间波动,整体变化率不大。另外污泥掺烧对于气体不完全燃烧损失Q3、固体不燃烧损失Q4影响不大,一直在1.3～1.4%之间波动。

　　另外此次试验还研究了不同污泥掺烧比例对锅炉效率的影响。掺烧试验前测试的锅炉效率为94.08%,随着污泥掺烧比例逐渐升高至2%、4%和6%时,锅炉效率分别为94.07%、94.07%和94.09%,锅炉效率变化不大。通过对一二次风、炉膛温度、漏风等因素对效率进行修正,锅炉效率在未掺烧污泥时为92.8%,随着污泥掺烧比例逐渐升高至2%、4%和6%时,锅炉效率分别为92.7%、92.8%和92.8%。综合以上表明,污泥在煤中的掺烧比例如控制在6%以内,掺烧对锅炉效率没有产生明显变化。

　　5 其他方面影响

　　对锅炉炉膛结焦的影响。锅炉炉膛内结焦的关键原因是灰熔点低,底渣出现焦熔现象,慢慢积累裹挟成结焦块,而造成灰熔点低的主要原因是燃煤中碱金属氧化物(如Na、K等)含量较高。将污泥燃烧后的灰成分进行研究,发现具有较高的磷化合物和二氧化硅,含量分别为10%与33%左右,所以污泥燃烧后的硅铝酸盐含量较高,但没有反映出碱金属氧化物含量高,可以忽略不计,如按照白马公司常用煤种进行结焦指数计算,常用煤种指数为4,污泥指数为2,污泥结焦指数远低于常用煤种,不会对炉膛内燃烧运行造成影响。

　　给煤系统的影响。此次试验由于采用干化后含水率60%污泥进行试验,加入系统由煤仓→重式皮带给煤机→链条式刮板给煤机→落煤管组成。将干化后污泥与燃煤按比列按照2～10%混合加入煤仓,再通过后面的加入设备送入炉膛,原给煤系统的中心给煤机、皮带给煤机、刮板给煤机电流几乎没有变化,落煤管也没有发生堵塞。

　　飞灰品质的影响。飞灰是白马公司发电重要的经济副产品,也是我国高品质水泥制品的材料来源。此次试验后对污泥焚烧所产生的焚烧灰进行实验室数据分析,其吸水凝固性能较好,与粉煤灰的性质相差不大。另外由于污泥燃烧后的灰在总灰量中占的比例很小,对飞灰销售的品质基本没有影响。

　　尾气排放影响。污泥掺烧后对锅炉尾气排放的主要影响是O2和NOX。由于白马公司机组配置了半干法烟气脱硫和SNCR脱硝系统,因此污泥掺烧对SO2和NOX的影响可以不用考虑。污泥灰分比较多,掺烧后产生的飞灰有所增加,但掺烧比较小,增量也很小,其后置有超净袋式除尘器,不会造成排放粉尘超标。

　　6 结语

　　通过以上研究,白马公司的大型循环流化床污泥掺烧是可行的,满足国家关于大气污染物排放指标。本文研究发现,600MW循环流化床锅炉污泥水分控制到60%以下、掺烧比例控制在6%以下,完全能保证大型循环机组的安全性、环保性。同时由于机组容量大,污泥的处理量也较大,若采用更新工艺技术将污泥干化到20%左右,其经济性更好。