蕭山4000t/d污泥集中焚燒處理項目實踐
摘要：蕭山4000t/d污泥集中焚燒處理項目針對污水廠污泥處理難題，通過深度脫水與焚燒發電相結合的方式處理污泥。深度脫水工藝采用化學調理和機械壓濾的脫水方式，不同含水率的污泥通過一次壓濾脫水就能達到焚燒要求。脫水干化后的污泥含水率降至45%～50%，與質量比為10%的煤混合后，送入循環流化床鍋爐進行焚燒。與普通燃煤電廠摻燒污泥相比，本項目泥煤配比有重大突破，污泥焚燒量有很大的提高，入爐焚燒處理污泥達1800t/d（含水率45%）。污泥燃燒的余熱用于發電，實現了污泥能量轉化和凈能量輸出。煙氣處理系統配置石灰石-石膏濕法脫硫、靜電除塵、布袋除塵、低氮燃燒等技術措施，煙氣排放指標長期穩定優于歐盟2010排放標準。
01 項目概況
杭州市蕭山區先后采用衛生填埋、污泥制磚、深度脫水干化等方式處理污泥，在當時發揮了積極、應急的作用。近些年來，隨著蕭山區污水處理量增加，污泥量大幅增加，周邊縣市的污水廠也陷入“污泥圍城”窘境，杭州地區亟需尋找滿足“環保、量大、徹底”要求的新方法。2014年蕭山水務集團啟動了4000t/d污泥處理工程項目，2018年初進入生產調試，至今已安全穩定運行3年多。
該污泥處理工程項目總用地面積3.98hm2，投資概算4.7092億元，建設1套4000t/d濕泥（含水率80%）深度脫水系統，3臺次高溫次高壓循環流化床污泥焚燒爐，單臺鍋爐干泥（含水率45%）焚燒處理能力為600t/d，蒸發量48.8t/h，設計單臺鍋爐年運行時間6500h，2臺N15-4.9次高溫次高壓凝汽式汽輪發電機組，配置多重煙氣脫硫脫硝除塵設施，確保煙氣達標排放。
02 處理工藝
該項目處理對象為城市污水廠產生的污泥、印染紡織企業的預處理污泥等，屬于一般固體廢棄物的污泥。污泥處理項目分深度脫水、干泥焚燒、煙氣處理、蒸汽發電四個工藝環節。污泥脫水干化通過藥劑調理和機械壓濾方式完成，焚燒爐采用次高溫次高壓循環流化床鍋爐。工藝流程見圖1。本項目工藝有別于噴霧干化焚燒工藝，后者是將脫水污泥通過霧化噴嘴形成滴霧后與高溫煙氣并流接觸達到干化，然后在回轉式焚燒爐進行焚燒。
2.1 深度脫水
為了提高脫水機械生產能力、降低運行能耗、改善污泥脫水性能，采用化學方式對污泥顆粒進行調理和改性，使得顆粒表面的吸附水、毛細孔道的束縛水及部分微生物的胞內水轉變成自由水，再投加一定量的絮凝劑進行壓濾，實現污泥深度脫水。化學調理-機械壓濾深度脫水工藝需要添加調理藥劑和改性藥劑，選擇的藥劑既要有利于脫水，又要減少污泥熱值損失，尤其是外加藥劑不能超量。
污泥深度脫水系統由污泥接收、調理改性、壓濾脫水和廢氣吸收凈化等四個單元組成，如圖2所示。
通過汽車駁運的污泥進廠后倒入污泥接收料倉，經過加藥調理、改性等環節后泵入廂式隔膜壓濾機，經壓濾脫水為含水率45%左右的干泥，最后由輸送機送入干污泥棚堆放。為廣泛接收周邊地區不同含水率的污泥，該項目設置90%～98%含水率的濃縮污泥接收裝置，毗鄰的污水廠均質池污泥可以直接泵送到濃縮泥罐；60%～70%含水率的污泥先破碎再深度脫水；如果含水率已經達到50%以下，則可以直接卸于干泥庫。該系統共配置38臺廂式隔膜壓濾機（單臺濾板尺寸1500mm×1500mm，過濾面積500m2），可以在常溫低壓（<0.6MPa）條件下完成污泥的高干脫水。
污泥接收料倉和反應釜為基本密閉空間，脫水壓濾機通過加罩封閉，這些空間通過負壓抽吸收集廢氣，并采用多重化學吸收法處理廢氣；干泥庫采用負壓運行，惡臭氣體經過一次風風口收集后，送入焚燒爐進行焚燒處理。脫水濾液是廢水的主要來源，其COD濃度1000～1500mg/L，氨氮150～200mg/L，其他廢水還有脫硫廢水、尾氣吸收系統廢水、生活污水等，共同輸送至廢水預處理站。廢水預處理站設計規模為5 000 m3/d，采用AAO處理工藝，預處理達到《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）三級標準后排入鄰近的污水處理廠集中處理。
設計進、出水水質見表1。
2.2 干泥焚燒
根據德國的污泥焚燒經驗，污泥焚燒溫度需維持在850～950℃，低于850℃時焚燒不充分，不利于抑制二口惡英產生；溫度高于950℃時，會產生高溫燒結現象。為了維持該溫度區間，當污泥干基低位熱值低于4 500 kJ/kg時，必須添加輔助燃料或將進風空氣預熱至500℃以上。據統計，德國22座污泥單獨焚燒項目共有19座使用了包括天然氣、厭氧消化沼氣、燃油、丙烷、煤在內的各種輔助燃料。蕭山周邊污泥有機質含量高低不一，污泥深度脫水后濕基低位熱值為1 670～4340kJ/kg，遠低于維持正常焚燒溫度所需熱值。因此，該項目設計了以煤作為輔助燃料的污泥焚燒系統，設計入爐干污泥濕基低位熱值4186kJ/kg，粒徑<20mm，摻煤比在10%左右，隨污泥熱值變化而變化。
常用污泥單獨焚燒爐有流化床焚燒爐和多級爐排焚燒爐兩種。其中多級爐排焚燒爐的空氣過剩系數通常為1.5～2.0；而流化床焚燒爐混合效果好、爐內熱分布均勻，空氣過剩系數通常為1.2～1.5，相比多級爐排焚燒爐能耗明顯降低。目前，德國污泥單獨焚燒項目中，82%以上采用流化床焚燒爐。美國的污泥焚燒項目也以多層爐排爐和流化床焚燒爐為主，其占比分別為70%和30%。其中，多層爐排爐從20世紀60年代開始就已經應用于污泥焚燒，但由于建設和運行成本較高，從2000年后開始新建項目基本以流化床焚燒爐為主。因此，該項目也采用流化床焚燒爐。
該工程設計脫水干化處理污泥（含水率80%）133×104t/a，焚燒處理干污泥（入爐量）48×104t/a，選用3臺循環流化床鍋爐，每臺鍋爐設計焚燒干污泥量為600t/d，鍋爐的設計綜合熱值為5860kJ/kg，污泥的熱值變化范圍為1 250～4180kJ/kg，鍋爐蒸發量為48.8t/h，鍋爐熱效率為77.8%。每臺鍋爐配爐前污泥倉2座，共儲存約5 h的污泥量，配爐前煤倉2座，共儲存約13h的煤量。質量占比90%的干泥經過破碎、計量，由輸泥皮帶送入爐前泥倉，再由給泥機送入鍋爐爐膛燃燒，質量占比10%的輔助燃料煤也同步送入爐膛。為實現污泥高比例焚燒，要改進循環流化床焚燒爐，合理設置進料口位置，優化一、二次風配比，保障低熱值泥料能迅速點燃并穩定燃燒。燃燒空氣分為一、二次風；一次風經過空氣預熱器加熱至290℃后，由爐膛底部風室進入燃燒室參與燃燒，二次風經過空氣預熱器加熱至308℃后，從爐膛側墻分級送入爐內燃燒。
污泥和煤燃燒所產生的高溫煙氣攜帶大量床料經爐頂轉向，通過高溫旋風分離器進行氣固分離。鍋爐高效旋風分離器分離出來的較粗顆粒的高溫物料通過返料器，沿回料管返回鍋爐中，循環再燃，形成物料的循環回路。分離后含少量飛灰的煙氣進入水平煙道、爐后豎井，對布置其中的高溫過熱器、低溫過熱器、省煤器、空氣預熱器進行放熱。根據煙氣量為95420m3/h（標準狀態下）、煙氣含水量為20.83%、含硫量為2.5%～3.0%推算，省煤器酸露點溫度為146℃，末級空預器煙氣溫度降至161℃左右，經煙氣凈化后通過60 m高的煙囪排入大氣。
該項目定制的循環流化床鍋爐比較適合焚燒污泥。循環流化床爐膛內有大量高溫湍流狀態的床料，床層溫度不會因為投加的干泥燃料明顯降低，燃料適用性廣，燃料燃燒充分、徹底，燃燒效率高。相較于鼓泡流化床鍋爐，循環流化床鍋爐適用于不同灰熔點的泥與煤混合協同焚燒，能焚燒水分高、熱值低且不穩定的污泥，且污泥處理量大。該項目循環流化床完全由國內自主研制，相對國外品牌的鍋爐，性價比優勢明顯。
2.3 煙氣處理
該項目煙氣處理執行《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB 18485—2014）。項目執行中充分考慮技術提升空間和先進性、適度超前的內在要求，設計標準不僅滿足環評批復要求，也滿足歐盟2010排放標準、《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223—2011），部分指標已經達到燃煤電廠超凈排放指標。該項目煙氣排放主要設計指標：顆粒物≤5mg/m3，SO2≤30mg/m3，NOx≤80mg/m3，HCl≤10mg/m3，CO≤70mg/m3，二口惡英類≤0.1ngTEQ/m3，汞及其化合物（以Hg計）≤0.05mg/m3，鎘、鉈及其化合物（以Cd+Tl計）≤0.1mg/m3，銻、砷、鉛、鉻、銅、錳、鎳及其化合物（以Sb+As+Pb+Cr+Cu+Mn+Ni計）≤1.0mg/m3。
鍋爐出口初始粉塵設計濃度為51g/m3左右，除塵采用一級靜電+活性炭噴射+布袋+濕式電除塵器三級除塵方式。一級靜電除塵器粉塵去除率約80%，布袋除塵器后粉塵濃度在20mg/m3以下，濕式電除塵器出口粉塵濃度在5mg/m3以下。干灰由氣力輸灰系統集中送至灰庫暫存。
脫硫系統以石灰石-石膏濕法脫硫為主，鈉堿法脫硫和爐內干法脫硫為輔助手段，可保證煙囪出口SO2含量低于30mg/m3。
通過控制焚燒爐中下部及爐出口處的爐溫，減少NOx的產生；另外，通過脫水干泥進爐后的水分蒸發降溫與還原性成分降低爐內高溫段NOx含量，實現鍋爐低氮燃燒。結合選擇性非催化還原反應（SNCR）脫硝技術，保證空預器出口NOx的排放濃度控制在80mg/m3以下，同時預留選擇性催化還原反應（SCR）脫硝的空間，作為日后提標改造備用。污泥堆放、處理過程中產生的NH3、H2S等執行《惡臭污染物排放標準》（GB 14554—1993）二級標準。
2.4 蒸汽發電
該工程主蒸汽壓力為5.3 MPa，溫度為485℃。主蒸汽系統采用集中母管制，鍋爐產出的主蒸汽先接入主蒸汽母管，再從主蒸汽母管上接出2路至汽輪機進口，選用2臺凝汽式汽輪機，額定功率15 MW，額定進汽壓力4.9MPa，額定進汽溫度470℃，額定進汽量63.1t/h，額定背壓4.9kPa，配置2臺汽輪發電機，額定功率15MW，額定轉速3000r/min，出線電壓10500V。鍋爐出口蒸汽量129.94t/h，汽機進汽量126.04t/h，設計全年發電量為195×106kW·h，全廠年供電量為140.4×106kW·h。
03 運行情況
3.1 經營狀況
該項目目前處于滿負荷運行狀態，投運至2020年底已累計處理污泥328×104t（含水率80%），總發電量445×106kW·h，其中約20%電量企業自用，剩余電量并入國家電網。項目接收包括杭州主城區在內的周邊污水廠的污泥，不設置污泥含水率和熱值要求，不同含水率和熱值的污泥處置費不同，含水率60%~70%的污泥處置價最高，平均處置單價約300元/t，上網電價為0.65元/（kW·h）。污泥費收入占總收入的80%，電費收入占20%。該項目不僅解決了“污泥圍城”難題，而且連續兩年實現盈利，取得了社會效益和經濟效益“雙豐收”。
3.2 污泥脫水
污泥深度脫水采用杭州國泰環保公司專利技術，不同來源、不同熱值的污泥通過螺旋輸送器進入污泥接收釜，通過投加包括結合水轉化劑、污泥穩定化藥劑、污泥改性劑在內的污泥調理藥劑并使之充分混合均勻，調控活性污泥微生物胞外滲透壓釋放結合水，并同步構建脫水骨架及出水通道，從而提升污泥脫水性能。該技術可最大限度保持微生物細胞結構的完整性，以利于后續的資源化綜合利用。脫水后污泥呈塊狀，不與濾布粘連，在自身重力作用下落入下方泥斗，經皮帶輸送機輸送至干泥庫。在干泥庫內，不同來源的脫水干泥經破碎混合后，制成直徑<20mm的適合流化床焚燒的顆粒化燃料。
目前接收的污泥覆蓋城市生活污水污泥、工業廢水污泥、企業污水預處理后產生的壓榨污泥（含水率65%～75%）、市政管網清淤污泥等多個類別，來源于幾十家污水處理廠，污泥調理藥劑種類及投加量隨著這些不同來源污泥含水率、成分、種類等變化而適時調整，總投加量（以干物質計）約為含水率80%污泥的1.0%～8.0%。污泥深度脫水系統總耗電為15kW·h/t泥（80%含水率）。
3.3 煤泥摻比
該項目建設主要目的是“減量化、資源化、無害化”處理污水廠污泥，為迎合市場需求，更廣泛接納處理各類污水廠污泥（屬于一般固廢的污泥），對進廠污泥的熱值不做硬性規定。污泥是主要焚燒對象，煤炭作為輔助燃料，目的是保持爐膛溫度不會由于污泥種類、品質變化而降低。入爐干污泥的熱值對摻煤量影響很大，根據實際運行數據分析，當干污泥濕基低位熱值為1670～1880kJ/kg時，摻煤比約11.3%，當干污泥濕基低位熱值為2500～2926kJ/kg時，摻煤比約10.5%，當干污泥濕基低位熱值>3344kJ/kg時，摻煤比<10%。圖3顯示了2#鍋爐某個季度連續90d的爐膛出口溫度及床溫變化情況，低摻煤比的運行條件能確保鍋爐平均床溫穩定控制在910～950℃，爐膛出口溫度穩定在850～890℃。
由于污泥的燃料特性有別于燃煤，電廠協同摻燒污泥存在鍋爐效率降低、鍋爐結焦、煙氣達標排放、運行調度等風險，污泥摻燒量越大風險越大，因而國內外電廠協同焚燒污泥的摻泥比一般低于5%。2021年4月上海市發布了《燃煤耦合污泥電廠大氣污染物排放標準》（DB 31/1291—2021），明確限定燃煤耦合污泥發電鍋爐的污泥摻燒率不應該大于5%。以上海上電漕涇發電有限公司2×1000MW 超超臨界機組摻燒城鎮污水處理廠污泥為例，該廠最大摻燒10×104t/a含水率60%的城鎮污水處理廠污泥，摻燒污泥比例不高于5%。
燃煤耦合污泥發電項目主要功能是發電，兼顧處理少量污泥，解決一些迫在眉睫的污泥難題。該項目每年處理133×104t污泥（含水率80%），只需摻燒10%左右的煤，主要功能是處理污泥，單體污泥處理量遠大于普通燃煤耦合污泥電廠，鍋爐設計、煙氣處理環節都是以污泥為特定對象定制設計、定制設備，余熱用于發電，發電是副產品。
3.4 鍋爐腐蝕
單臺鍋爐運行時間都已累計超過20000h，運行期間鍋爐末級空預器出口溫度為155～165℃，停爐例行檢修期間跟蹤分析鍋爐腐蝕情況，鍋爐水冷壁、低溫過熱器、中溫過熱器、高溫過熱器的壁厚減薄率每年分別為1.18%、1.13%、1.13%、1.72%。低溫段空預器會被酸腐蝕，數年后出現少量末級空預管破損漏風，可以在例行檢修時更換破損空預管，使用搪瓷管空預器能更好地解決這個問題。污泥成分的復雜以及外加調理劑對鍋爐腐蝕、運行結焦的影響完全可控可解決，2020年3臺鍋爐全年累計運行時間分別為7613、7684、7959 h，遠大于設計運行時間（6500h），證實了生產運行的可靠性和穩定性。
3.5 煙氣排放
實測鍋爐出口的原煙氣指標比設計預測的污染物濃度要低，保證了后續煙氣處理主要指標超低排放。比如，實測1#鍋爐出口粉塵濃度為10～15g/m3。再如，僅依靠低氮燃燒控制技術，NOx在120～150mg/m3區間波動，投加SNCR脫硝后，NOx達標率得到可靠保障。實測煙氣總排口中二口惡英類最大為0.013ngTEQ/m3，遠低于歐盟2010排放標準和GB 18485—2014標準限值（0.1ngTEQ/m3）要求。煙氣中氯化氫、汞、鎘、鉛及其化合物的排放濃度均在GB 18485—2014標準限值的1/10以下。一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、顆粒物等煙氣污染物在多重可靠的防治措施之下，也優于歐盟2010排放標準。
圖4是8月期間1#鍋爐的煙氣污染物排放濃度情況，SO2為11.67～24.69mg/m3，NOx為24.01～48.66mg/m3，CO為26.25～55.40mg/m3，顆粒物為0.39～4.51mg/m3。
3.6 灰渣屬性
污泥焚燒產生的灰和渣都沒有明確的標準和屬性界定，環評報告要求對灰、渣是否屬于危險廢物進行屬性鑒定。灰、渣的產生率與入爐污泥的灰分含量高度關聯，爐灰產生率約為15%，爐渣產生率約2%。該項目煙氣在850～950℃的爐膛中實際停留時間超過4s，爐渣熱灼減率≤2%。基于以上有利的技術條件，第三方檢測機構對爐灰、爐渣連續隨機取樣分析結果：爐灰的二口惡英類毒性物質含量最大值為0.037μgTEQ/kg，遠低于《危險廢物鑒別標準 毒性物質含量鑒別》（GB 5085.6—2007）中的標準限值（15μgTEQ/kg），浸出毒性、急性毒性和腐蝕性監測濃度均不在危險廢物鑒定標準的限值范圍內。經過鑒定，該項目的灰和渣都屬于一般固體廢物，與其他污泥焚燒項目的飛灰鑒定結果一致，可以作為混凝土攪拌站、制磚廠、水泥廠的建材原料。
3.7 污水處理
該項目外來污泥以含水率低于50%的干泥為主，故壓濾廢水量比預期少，實際廢水預處理平均處理量<1500m3/d。壓濾廢水的COD和氨氮濃度較高，通過廢水處理池進水端的緩沖池進行水質調節和水量緩沖。2021年3月—5月，緩沖池出口COD濃度約1000～1 500mg/L，均值為1047mg/L，氨氮為150～200mg/L，均值為130mg/L，通過AO處理工藝，出水COD濃度均值為244mg/L，氨氮均值為4.45mg/L，SS均值為97mg/L，預處理后水質達到《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）三級標準后排入鄰近的污水處理廠集中處理。
04 結語
① 蕭山區4000t/d污泥處理項目取得成功，實踐證明采用焚燒方式處理污泥，技術可靠、污泥處理徹底、單位面積處理量大、處理過程環保經濟，污泥處理量越大，規模效益越顯著。建議在一些大城市集中力量建一個日處理幾千噸級的污泥集中處理項目，覆蓋周邊約100km范圍的污泥，打破“一個水務公司一個污泥項目”“一個污水廠一個污泥去向”的零散處置模式，污泥集中處理，可形成良好的社會效益和規模經濟效益。
② 目前，污泥處理通常被認為是污水處理工作的延伸，一些污泥處置的建設主體不一，各地的上級主管單位也不同，在項目審批、運行過程中，各方對政策、技術標準的解讀不一，不利于項目建設運營。宜盡早出臺一些污泥處理成熟工藝的行業標準和規范。
③ 污泥焚燒的灰渣利用非常依賴建筑行業，市場需求波動很大，灰渣出路是污泥焚燒運行的制約因素。建議政府和建材行業引導、出臺一些灰渣利用的扶持政策和技術指南，開發灰渣利用的新品種、新渠道，就近消化灰渣，行業協同，物盡其用。
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