对在循环流化床锅炉用煤泥伴生物污泥燃烧供热项目的评价和建议

摘要：本文介绍了在循环流化床锅炉用煤泥伴生物污泥燃烧供热项目情况，从技术角度总结了项目前期试验及实际运行效果，并在此基础上对项目做了评价，认为其具有很高的环境效益、经济效益和社会效益，最后就项目进一步的推广实施提出了几点建议。

关键词：循环流化床锅炉；煤泥；污泥；环境效益；经济效益

中图分类号：X791 文献标志码：B

Evaluation and Suggestion on Heating Project Based on Co-combustion of Coal Slime and Sludge in CFB Boiler

Abstract： This paper introduced a centralized heating project based on co-combustion of coal slime and sludge in CFB boiler. The results of related tests and actual running status were also described. An evaluation on the project was then made based on the results， which indicated the project could lead to great environmental， economic and social benefits. Some suggestions for further promotion of the project were also made in this paper.

Key words： circulating fluidized bed boiler； coal slime； sludge； environmental benefit； economic benefit

1 项目背景

1955年苏州市政府为保护市区环境，决定在东区甪直镇建立工业园区，并将一些高污染的企业，尤其是印染企业集中迁往工业园区。2002年甪直镇政府决定拆除园区内的小型燃煤供热锅炉，实行集中供热。在此背景下，2005年吉力热能有限公司甪直热电厂建成，正式投产供热。除原有的 1台20 t锅炉外，热电厂新增 1 台由上海交大设计、鞍山锅炉制造厂生产的35 t水煤浆循环流化床锅炉，负责新锅炉运行管理的是长期从事水煤浆技术应用与推广的苏州展阳新能源科技有限公司。

多年来，展阳公司根据水煤浆流化床锅炉的实际运行经验，又实地研究分析了印染厂排出污泥的特性，提出将印染厂排出的污泥掺到水煤泥浆中进行燃烧并给印染厂供热的方案，并随后进行了在水煤浆流化床锅炉内掺烧污泥的小试，获得了良好的运行效果。在取得初步成效的基础上，展阳公司积极向上海交通大学、河海大学等该领域的权威科研机构寻求技术支持，成立了“在循环流化床锅炉用煤泥伴生物污泥燃烧供热项目”，并进行了一系列的研究和探索。目前，项目已受到多方重视，上海、江苏、浙江、广东等地均在推广应用。

2 对项目技术的研究与探索

要深入研究这项燃烧技术，首先必须搞清楚三方面问题。

2.1 生物污泥的基本特征

生物污泥是污水处理的附属产品，是一种有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的非均质体，不仅产量巨大而且含有重金属、病原菌、寄生虫以及某些难分解的有机毒物，如处理不当就会对环境造成严重污染。鉴于以上原因，污泥必须经科学处理以达到无害化、稳定化、减量化和资源化 4 个目标，这已成为全世界公认的目标以及相关处理技术革新的出发点。

随着我国社会经济和城市化的发展，污水的总量也不断增长。预计到2015年，我国污水处理能力将达到475亿t/年，按污泥产率 5 t/万t污水、污泥含水率80%计算，则需要处理的湿污泥量将达到2 375万t/年。目前我国污水处理所产生的污泥有80%未得到妥善处理，污泥随意堆放所造成的污染环境与再污染问题凸显。对此，国家发展改革委、住房和城乡建设部、环境保护部联合出台了《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》，将污泥处理处置列为“十二五”期间的重点治理范畴，要求在无害化处理后进行综合利用。

目前，国内外普遍采用的污泥处理技术主要有以下 5种。

（1）填埋处理：此法不仅占用大量填埋场地，占用宝贵的土地资源还将产生污染严重的渗滤液污染水源，不能采用。

（2）焚烧处理：利用高温将污泥中的有机物彻底氧化分解，最大程度地达到减量化和无害化，但污泥在焚烧过程中，会产生大量烟气，而且这些烟气中含有多种有毒物质，如氮氧化物、二氧化硫、重金属和二噁英等，会造成二次污染。这种处理方式也不能采用。

（3）好氧发酵处理：利用微生物的作用，将不稳定的有机物降解和转化成较为稳定的有机物质，并使挥发性物质含量降低，减少臭气，使污泥物理性状明显改善，并便于贮存、运输和使用，还可杀灭堆料中的病原菌、虫卵和草籽。同时好氧发酵产生的腐殖物质还能改良土壤。但使用该方法时必须考虑致病微生物、重金属物质和活性有机物等三方面的安全性问题。

（4）污泥热水解干化一体化新工艺：污泥热水解工艺与热力干化工艺相比，安全无粉尘，不会引起爆炸；没有干化尾气排放，并减少外排污水量；通过热水解，改变固相物的持水结构，24 h内靠自然风干，即可将污泥含水率降低到20%以下；由于热水解工艺是在密闭的反应器中进行，能迅速完成除臭杀菌过程，后续处理不污染环境和产生异味；没有燃烧过程，避免了二噁英的产生，有利于环保。由于系统较复杂，投资成本较高，较少采用。

（5）在循环流化床锅炉上采用煤泥伴生物污泥进行沸腾燃烧供热技术：正在研发的项目，已获初步成效，开发了污泥的新用途，是一项变废为宝、以废治废、节能减排的有效手段。

2.2 煤泥的基本特征

煤泥是选煤过程的副产品，与煤一样，也有发热量，只是由于煤泥的高水分、高粘度、高持水性和低热值等缺点，很难实现工业化应用，所以被电力部门和用煤单位拒之门外。由于煤泥的特性，其堆放、储存和运输比较困难，堆存时形态极不稳定，水分蒸发风干后，造成煤粉飞扬，不仅浪费资源，还严重污染环境。

目前我国煤炭产量居世界首位，随着煤炭产量的上涨，煤泥产量也快速上升，煤泥的综合利用已成为我国煤炭工业亟需解决的主要问题。当前，煤泥以民用就地销售为主，大部分是卖给煤矿周围的居民做煤球、煤饼，另外还有许多弃置于煤矿。在这种背景下，展阳公司研发的将煤泥伴生物污泥在循环流化床锅炉中燃烧供热的技术可谓一举两得，既开发了煤泥的新用途，又解决了污泥的综合利用难题，是变废为宝、以废治废的环保技术。

2.3 循环流化床锅炉的工作原理、优点和问题

燃料粒子经与气体接触而转变为类似流体状态的过程称为流化过程。流化床锅炉的燃烧原理是沸腾燃烧，燃料由给料口喷入流化床锅炉的炉膛，并呈燃料粒子状进行燃烧。循环流化床锅炉与传统流化床锅炉的主要区别（燃烧原理）则在于炉内流化速度较高，被烟气大量携带出炉膛的细小颗粒（床料或未燃烧尽的燃料颗粒）经炉膛出口的高温分离器分离后重新输回炉内燃烧。典型的循环流化床锅炉，其燃烧系统的炉膛不分沸腾段和悬浮段，出口直接与分离器相接，来自炉膛的高温气经分离器净化后进入对流管束，而被分离下来的飞灰经返料机构再送回炉内，与新添加的燃料一起继续燃烧后，再次被烟气携带出炉膛，如此往复不断“循环”，来实现循环流化床燃烧。另外调节循环灰量、给料量和风量，即可实现锅炉负荷调节。燃尽的灰渣则从炉膛下排渣口经冷却后排入灰渣收集处理系统。

据笔者统计归纳，循环流化床锅炉具有以下七大优点。

（1）燃料适应性广：从燃烧实践分析，可燃烧各类煤和各种液体燃料，如轻质油、柴油及水煤浆，也能燃烧煤泥伴生物污泥燃料。

（2）燃烧效率高，通常在97.5% ～ 99.5%。

（3）负荷调节性能好：由于炉膛内气流速度高，其吸热控制容易，因此负荷调节很快，每分钟调节的速率可达4%，其负荷调节幅度通常在30%～110%。

（4）脱硫效率高：在燃烧过程中，直接向床内加入石灰石等脱硫剂，使循环流化床的燃烧温度控制在800 ～ 950 ℃（石灰石脱硫反应的最佳温度），可有效地脱除燃料在燃烧过程中产生的SO2，脱硫率可达90%以上。

（5）NOx排放量很低：由于循环流化床锅炉是采用分段燃烧，低于燃烧化学当量的一次风从炉膛底部送入，使燃料先是在缺氧条件下燃烧，这就使析出的燃料氮不能与氧充分反应，生成氮氧化物，并迫使燃料氮转化为分子氮，这样不但能延迟燃烧过程，而且在还原性气氛中，还可降低NOx的生成率和抑制NOx的生成量；二次风是在炉膛底部、还原区上部加入，使过量空气达到20%，由于燃料氮已转化为分子氮，故在还原区上部形成NOx的机会就更小。

（6）灰渣的综合利用性能好：由于燃烧温度低，灰渣不会软化和粘结，活性较好，有利于灰渣的综合利用。

（7）自动化水平较高，大大降低了司炉工的劳动强度。

综上所述，循环流化床锅炉独特的优点使其非常适合燃烧煤泥拌生物污泥供热，这既能减少热电厂对煤的需求，降低燃料成本，又有利于节能减排，降低烟气中SO2和NOx的排放量，降低污泥的危害，达到污泥处理的稳定化、减量化、无害化和资源化的目标，具有极高的经济效益、社会效益和环境效益。

除了以上优点，循环流化床锅炉在使用时也存在着两方面的问题：一方面，燃料输送管道和炉膛受热面的磨损问题较常规锅炉要大得多；另一方面，循环流化床锅炉的耗电量为常规锅炉的1.5倍，根据估算生产 1 t蒸汽用电为15 kW·h，而常规锅炉则仅需10 kW·h。

3 项目相关研究成果

3.1 污泥基本特性的分析测定

从测定结果看，污泥的挥发成分含量高，固定碳含量低，这说明污泥的可燃物质以挥发成分为主，着火温度较低，容易燃烧。从燃烧过程和灰熔点的研究分析中可判断出污泥的着火方式为相着火。污泥灰熔融性的 3 个特征温度（变形温度、软化温度和流动温度）均在1 167 ℃以上，而通常流化床的炉膛温度在800 ～ 950 ℃，因此用流化床焚烧污泥不易发生结渣现象。

3.2 小型污泥流化床的焚烧实验

小型污泥流化床的焚烧实验旨在研究两种污泥流化床的燃烧现象和污染物排放特性，一次风率、污泥含水率等运行参数对流化床燃烧特性的影响，以及二次风率变化对污泥流化床温度及NOx和SO2排放量的影响。实验结果显示：污泥流化床温度随污泥含水率增加而降低；SO2排放量随污泥量的增加而降低；NOx排放量随一次风率增加而显著增加，而污泥含水率变化对NOx排放量并无明显影响；重金属主要聚集在炉膛底灰和分离器灰中，这有利于重金属的进一步处理。

3.3 大型污泥流化床焚烧实验

为提高实验数据的可靠性及准确性，明确污泥混煤泥焚烧的可行性，在大型污泥循环流化床上进行深入研究，得出如下结论。

（1）污泥含水量高则不易点火。对于含水量较高（≥29%）的污泥，要在炉膛温度达到400 ℃后开始投入才能顺利着火，并稳定燃烧，故提高密相区床料温度和一次风温度，强化密相区的湍流，混合好并增加床料量以及增加密相区的蓄热能力，对焚烧含水量高的污泥是十分必要的。

（2）由于污泥性质的不同，其着火点密相分布存在差异，因此在设计循环流化床时，需根据污泥基本性质来确定投料点受热面的布置、流化风量等。

（3）采用合理的空气计量系统和有效的分级送风即可将NOx和SO2等污染气体的排放量控制在GB 13271 — 2001《锅炉大气污染物排放标准》要求之内，不需要再采取额外的脱硫脱硝措施。

3.4 实际运行效果

为进一步明确项目的可行性，项目团队在甪直热电厂进行了现场试验，用高含水率污泥替代需要添加的水分配置出水煤浆，并调整不同污泥掺入比与煤泥进行混烧，实际运行效果如下。

（1）煤泥混生物污泥可稳定持续燃烧，为期两天的运行实验表明，掺入污泥后锅炉能正常稳定运行。

（2）烟气排放达标。从不同污泥掺入量对烟气SO2和NOx的影响来看，污泥混煤泥燃烧后烟气中SO2和NOx的排放量均很低，远低于《锅炉大气污染物排放标准》的要求，且SO2的浓度随污泥掺入量的增加而降低，可省去后续烟气脱硫脱硝处理，直接排放。

4 对项目的评价

污泥混煤泥焚烧处理是一项以废治废、变废为宝、节能减排、利国利民的项目，是一种多效益的处理方式，既能减少热电厂对煤的需求，降低燃料成本，又有利于节能减排，降低烟气中SO2的排放量，降低烟气脱硫成本，更能最大化减少污泥体积，降低污泥对环境的危害，实现污泥处理的稳定化、减量化、无害化和资源化等 4 个目标，具有很高的环境效益、经济效益和社会效益。

新项目的实施将可极大地改善地方环境。以前苏州甪直镇污水处理厂对污泥处置方式为简单填埋，这种方式会给环境带来二次污染，导致三大危害：污泥的含水量极高，除一部分自然蒸发到空气中外，大部分将渗入地表上层，并在雨水等冲刷下进入地表水系统，影响地下水水质；未经卫生化处理的污泥若进入农田，会直接威胁人类的食物链；污泥散发恶臭，会影响相当大区域内的周边环境。

相比之下，污泥经与煤泥混合焚烧处理则能产生明显的环境效益：采用分级配风燃烧可减低氮氧化物的排放，再辅之以二次风，可抑制床内氮氧化物的生成并加强对已生成氮氧化物的还原反应，从而达到燃烧脱硝的目的；将石灰石破碎后在炉前均匀混入煤泥，在炉内形成煤泥石灰石凝聚团，可提高石灰石利用率，而且由于凝聚团在炉内有充分的停留时间，使脱硫剂反应完全，因此可实现高效脱硫；污泥经高温焚烧处理后，不仅恶臭得到了消除，细菌、病毒也均被杀死，不会发生传播；污泥经高温焚烧后，炉渣、炉灰可用作水泥厂、制砖厂的原料，不会产生重金属污染。

污泥混煤泥焚烧处理可获得很高的经济效益，具体又可分为直接效益和间接效益两部分。就直接经济效益而言，随着污泥掺入比例的增加，燃料成本必然下降，虽然这会使电耗成本有所增加，但综合来看，煤泥污泥混合煤浆的燃烧总成本仍低于水煤浆的燃烧成本，更远低于烧煤的成本。此外，为鼓励燃用污泥，政府会按处理量对热电厂给予财政补贴。经过两年半的运行，甪直热电厂采用循环流化床锅炉燃用煤泥混生物污泥已取得了可观的经济效益，共消耗生物污泥2.4万t，节省能源成本约600多万元。间接效益主要体现在污泥进行科学处理后，美化了环境，增强了当地的投资吸引力，有利于地方经济的可持续发展。

些外，项目的实施也获得了极大的社会效益，为污泥处理提供了科学的手段，可有效解决我国污水厂目前面临的污泥处置难题，使我国污泥处理的技术水平得到了快速提升。

5 对项目的推广实施建议

（1）要加大对这项新技术的宣传力度。首先应对这项新技术进行技术鉴定，扩大影响，尽快推广应用。实施对象应优先考虑污染企业、污水厂、热电厂比较集中的工业园区，以便对污水处理厂产生的污泥进行源头治理，就地使用，这既能确保污泥的新鲜度，使污泥热值得到最大化的利用，又可避免污泥在储存运输的中对环境造成二次污染，更可节省数额可观的运输费用。

（2）目前项目实际运行过程中，循环流化床锅炉的热效率仅为75%左右，远低于理想效率。对此，需强化循环流化床锅炉房的管理，完善系统配套，锅炉运行必须以DCS控制系统为核心，一次仪表要采用先进的标准仪表，为DCS系统提供准确、稳定的源信号，以保证锅炉的安全可靠运行，提高设备的自动化水平和供热效率。

（3）目前甪直污水处理厂的污泥池没有采取密封措施，热电厂中污泥直接堆置在锅炉房外的空地上，而新鲜污泥在敞开的空间中不仅散发臭气，污染空气，还会使污泥中燃烧热值很高的易挥发物质很快消散，导致污泥的新鲜度下降，热值大大降低，因此有必要在产出、运输、存储环节使污泥处于密封状态。

（4）除生物污泥外，建议尝试将酿酒厂的酒糟和中药制剂厂的药渣及高浓度有机废水混入煤泥，在流化床锅炉中进行焚烧供热的研究实验，以扩大燃料来源，进一步提升项目的效益。

（5）针对印染企业的生产需求，还可加强新技术在导热油炉上的应用研究。