城市污水处理厂污泥+热电厂循环流化床锅炉焚烧技术.docx
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城市污水处理厂污泥+热电厂循环流化床锅炉焚烧技术
城市污水处理厂污泥热电厂循环流化床锅炉焚烧技术
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2006
发布时间:
2008-12-11
目 录
1 课题研究的背景...
1.1国内外污水厂污泥处置现状及趋势...
1.1.1概述...
1.1.2主要污泥处置方式简介...
1.2常州市城市污水厂污泥2005年处置状况及存在问题...
1.3常州市污泥处置的适应性分析...
2 污泥焚烧中间试验...
2.1试验装备及工艺...
2.1.1流化床锅炉流程、技术参数及特点...
2.1.2污泥试验系统介绍...
2.2试验内容...
2.3试验方法...
2.4污泥样品检测...
2.5不同污泥量掺烧对锅炉相关参数的影响...
2.6烟气排放和灰渣成分测定...
2.6.1烟气排放...
2.6.2灰渣测定...
2.7中间试验成果鉴定...
3 污泥焚烧规模化应用...
3.1焚烧厂厂址选择...
3.2试验设备及工艺...
3.2.1循环流化床锅炉简介...
3.2.2工艺流程...
3.2.3构筑物...
3.2.4主要材料及设备...
3.3系统运行参数...
3.3.1污泥特性...
3.3.2焚烧准备工作及过程...
3.3.3污泥系统投用条件...
3.3.4污泥投用...
3.4试验过程...
3.4.1工程实施过程概况...
3.4.2焚烧系统流程简述...
4 关键技术和创新...
4.1污泥掺烧比例变化对锅炉的有关参数的影响数据分析...
4.1.1污泥特性...
4.1.2对锅炉排烟温度的影响...
4.1.3对锅炉排烟效率的影响...
4.1.4对锅炉烟气量的影响...
4.1.5掺烧比例分析...
4.2污泥喷射设备和系统...
4.2.1污泥喷射压力...
4.2.2污泥喷嘴结构...
4.2.3污泥供料粒度大小对焚烧的影响分析...
4.2.4 控制系统及烟气处理系统的研究...
4.3.1掺烧污泥后烟气量研究...
4.3.2掺烧污泥后烟气处理系统研究...
4.4不同掺烧比例的研究...
4.4.1不同掺烧比例对热平衡技术、热效率和实耗量的研究...
4.4.2对温度的研究...
4.5 历年焚烧污泥情况...
4.6投资及效益焚烧成本分析...
4.6.1投资...
4.6.2焚烧成本分析...
4.7经济效益分析...
5 环境影响评价...
5.1污泥的监测结果...
5.2烟气排放对环境的影响...
5.2.1废气中NOX、SO2等指标检测结果...
5.2.2废气中重金属、二噁英等指标检测结果...
5.2.3粉尘监测结果...
5.2.4焚烧废渣监测结果...
5.2.5.焚烧污泥后的炉渣、粉煤灰的安全利用...
5.3小结...
6 结论及建议...
6.1结论...
6.2建议...
6.3说明
1 课题研究的背景1.1国内外污水厂污泥处置现状及趋势1.1.1概述
世界各国污泥处理的方式多种多样，其主流处理方式有卫生填埋、农田利用及焚烧等。
我国城市污水厂污泥（以下简称污泥）处置相对于国际先进水平来说明显落后。
污泥处置以废坑、河塘、洼地废弃为主，这些污泥不加掩盖和未经科学处置的集中堆填方法极易污染水源及大气，只有部分污泥进行卫生填埋和农田利用，但使用这种方法处置的污泥量非常少。
因此，国内污泥处置的落后状态与环境保护的矛盾非常突出，给城市环境带来了巨大的压力，因而污泥的出路已成为政府、业界十分重视的问题。
总而言之，污泥处置在国内尚处于起步阶段，一些城市已进行了污泥焚烧、污泥制肥后农田利用等方面的探索，但污泥处置方针、技术路线均未形成成熟方案。
1.1.2主要污泥处置方式简介
污泥处置的主流技术路线有卫生填埋、土地利用、干化焚烧等。
（1）卫生填埋
污泥的卫生填埋始于60年代，现已发展成为一项比较成熟的污泥处置技术，其优点是投资少、容量大、见效快。
污泥作卫生填埋处理时，主要考虑城填埋场地及对环境的影响。
（2）土地利用
污泥的土地利用已有多年历史，主要包括污泥农用，污泥用于森林与园艺、废弃矿场等场地的改良等。
一般来说，污泥要作土地处置必须经无毒无害化处理后（污水处理过程的净化和污泥高温堆肥），才能作土地利用，否则，污泥中的有毒有害物会导致土壤或水体污染。
（3）污泥焚烧
在污泥不能被填埋、农用的情况下，污泥必须被焚烧。
污泥焚烧处置的优势在于可以迅速和较大程度地使污泥达到减量化和无害化。
在所有的污泥处理中，焚烧方法产生的剩余物最少，焚烧的另一个优越性在于无异味。
其缺点是高成本和可能产生的污染（废气、噪声、震动、热和辐射），污泥中的重金属却随着烟尘的扩散而污染空气。
污泥单独干化焚烧的成本是其他工艺的2－4倍。
1.2常州市城市污水厂污泥2005年处置状况及存在问题
常州市区有城市污水厂5座，污水处理能力为32万m3/d，2005年年平均实际处理量为22.5万m3/d，年平均污泥产量约200t/d（含水率75~85%）。
表1-1列出了部分污泥处理厂的污泥产生量及处置方式。
表1-1 污泥量及处置方式一览表
序号
污水厂名称
规模（万m3/d）
工业废水比例%
污泥量（t/d）
处置方式
1
清潭污水厂
2.5
10~15
15~20
外运填埋
2
丽华污水厂
2.0
15~20
12~15
外运填埋
3
城北污水厂
15.0
20~30
130~150
外运填埋
4
戚墅堰污水厂
2.5
0
3~5
外运填埋
5
江边污水厂
10
20~30
20~35
外运填埋
6
小计
32.5
180~225
外运填埋
注：
1、污泥量系指含水率80%的脱水污泥；
2、污泥量按干质占污水量0.2‰比值测算。
常州市污泥基本上是利用废坑或洼地进行简单填埋，未经减量化、稳定化、无害化处置。
同时，伴随着土地资源的紧缺，抛弃污泥的场地极其难觅，污泥的现实出路成了十分头痛的问题，迫使政府、管理部门努力寻找污泥处置的最终出路。
1.3常州市污泥处置的适应性分析
（1）卫生填埋
常州市地处经济发达的苏南地区，地下水位高，土地资源十分紧张，现有的夹山垃圾填埋场已无多余场地消纳日益增长的污泥，
经选址调查，在常州市行政区内也无合适的场地供污泥填埋之用。
因此，污泥的卫生填埋方案不适合常州市的实际情况。
（2）农田利用
常州市城市污水厂污水均是生活污水与工业废水的混合水，一般生活污水和工业污水的混合比为7：
3。
表1-2列出城北污水厂污泥重金属成分的监测结果：
表1-2 城北污水厂污泥污染物监测结果
单位：
mg/Kg干污泥
项目
监测结果
污泥农用标准
（在酸性土壤上）
4月21日
4月22日
镉及其化合物（以Cd计）
0.430
0.219
5
汞及其化合物（以Hg计）
4.83
5.50
5
铅及其化合物（以Pb计）
35.3
34.7
300
铬及其化合物（以Cr计）
351
346
600
砷及其化合物（以As计）
9.25
10.0
75
铜及其化合物（以Cu计）
736
774
250
镍及其化合物（以Ni计）
75
69
100
城北污水厂污泥成分中铜严重超标，另外常州市处于水网地带，雨季长、雨量大，污泥农用条件受到较大限制。
所以污泥土地利用方式在常州市也无法行得通。
（3）单独干化焚烧
污泥单独干化焚烧因其投资庞大，运转费用高，以现有的经济实力在常州实现全部污泥干化焚烧并不现实。
（4）利用流化床锅炉焚烧
常州市工业发达，热电厂较多，仅常州市经贸委下属的热电公司就有流化床锅炉9台，蒸汽总规模620t/h，其中广源5台75t/h，广达3台75t/h，第一热电厂1台20t/h，燃料为煤。
为了给常州市污泥处置找到现实出路，并为国内污泥处置开辟全新的道路，我们首先选择了常州市第一热电厂5#流化床锅炉、常州市丽华污水厂脱水污泥（含水率约75~85%）直接添加到5#流化床锅炉进行试验研究，试验结果证明：
脱水污泥直接进流化床锅炉焚烧是可行的，在此基础上可以实现常州市污泥全量焚烧。
2 污泥焚烧中间试验2.1试验装备及工艺
常州市第一热电厂5#流化床锅炉
2.1.1流化床锅炉流程、技术参数及特点
（1） 循环流化床锅炉流程图
图2-1 常州市第一热电厂循环流化床锅炉流程图
（2） 流化床锅炉技术参数
额定蒸发量：
20t/h。
（3） 循环流化床锅炉的技术特点：
燃料适应性广；
燃烧效率高；
负荷调节范围大，负荷调节快；
洁净的燃烧技术；
易于实现灰渣的综合利用；
床内不布置埋管受热面。
2.1.2污泥试验系统介绍
（1） 工艺流程图
图2-2 污泥试验系统工艺流程图
（2）污泥系统
Ø 污泥进料系统
Ø 污泥送料系统
Ø 冲洗系统
Ø 吹扫系统
Ø 料仓料位报警、连锁系统
Ø 污泥坑污水抽送系统
（3）增加的试验设备参数
表2-1 主要试验设备一览表
序号
名称
单位
数量
备注
1
钢料仓
个
1
2
螺杆泵
台
2
3
污水泵
台
1
排水用
4
冲洗泵
台
1
5
电推杆
台
2
6
闸板阀
台
2
7
变频器
台
1
控制进料量
8
水位自控仪
台
1
9
污泥料位仪
台
1
自制
10
膜片压力表
只
4
2.2试验内容
（1）污泥样品工业分析、检测，主要测定元素成分、发热量，为焚烧试验提供基础数据；
（2）含水率75~85%的脱水污泥直接与煤掺烧对锅炉燃烧的影响，锅炉产气量的变化、污泥是否充分燃烧，污泥掺加量的大小对炉膛温度、热效率、耗煤量的影响，寻找最佳的掺烧量；
（3）效益测算：
污泥掺加后耗煤量的增加值、电耗指标的增加值等指标测定、进而推算出每吨污泥处理成本；
（4）掺烧污泥后，锅炉尾气经电除尘后是否满足环保要求，测定二噁英指标及重金属指标，并对灰渣进行检测，灰渣中是否存在不安全的因子，进而确定灰渣的最终用途。
2.3试验方法
（1）由于测试水平、资质的限制，污泥样品分析委托具备资质的有关部门代为检测；
（2）污泥进料量由变频泵控制；
（3）调整引风机频率，保证炉膛压力；
（4）污泥进入炉膛后，床温会下降，如下降速度过快，可降低螺杆泵的频率，以减少进入炉膛的污泥，或增加给煤量以稳定床温，同时控制氧量；
（5）对不同进泥量测定相对应的参数，找出适宜的污泥焚烧量值；
（6）调整减温水量，保证主蒸汽温度不超温；
（7）对大气环境有主要影响的NOX，SOX、二噁英及重金属排放情况，委托有资质单位跟踪检测，判断结果是否符合国家的有关规定，测定灰渣中重金属，判断重金属是否固结。
2.4污泥样品检测
丽华污水厂脱水污泥，检测时间2003年7月16日，由东南大学热能研究所转国家煤炭质量监督检验中心的检测，检测报告如表1-4所示：
表2-2 丽华污水厂脱水污泥性质检测报告
空气干燥基
干燥基
干燥无灰基
收到基
全水%
85.26
分析水%
9.15
灰分%
29.66
32.65
4.61
挥发分%
50.50
55.59
82.53
6.19
固定碳%
10.69
11.77
17.49
1.73
高位发热量（MJ/Kg）
14.58
16.16
23.99
2.38
低位发热量（MJ/Kg）
13.64
0.26
全碳%
2.17
2.39
3.65
0.36
碳%
32.70
35.99
53.44
5.31
氢%
4.04
4.46
6.60
0.66
氮%
5.16
5.68
8.43
0.84
氧%
17.12
18.84
27.98
2.78
检测结果表明，收到基含水率高达85.26%，高位发热量2.38MJ/Kg,低位发热量0.26MJ/Kg/，远低于煤炭发热量，热值不能平衡，掺烧污泥将使炉膛温度下降、热效率降低，增加煤耗量和电耗量。
2.5不同污泥量掺烧对锅炉相关参数的影响
表2-3 不同掺烧量对锅炉参数的影响汇总表
煤炭
煤+0.4t/h污泥
煤+0.62t/h污泥
煤+1t/h污泥
减温幅度℃
6.69
25.22
26.66
28.52
减温焓（KJ/Kg）
19.93
76.50
80.83
86.45
热效率（%）
87.8
86.5
86.02
85.3
增加耗煤量（Kg/吨污泥）
25
40
54
增加耗电量
12.8
20.5
29
泥煤比例
10.49
15.7
26.2
由此可知，污泥量的增加将使减温幅度增加，热效率降低，耗煤、耗电量增加。
如以1t/h的污泥焚烧量为例，排烟温度由145.6℃上升至166.3℃，上升幅度为20.7℃；烟气量增大9%，烟气侧阻力增加200Pa，增加引风机电耗18Kw/h；污泥系统耗电量为11Kw/h；为保证原有蒸发量多耗煤0.054t/h；热效率下降2.5%。
2.6烟气排放和灰渣成分测定2.6.1烟气排放
烟气中主要的控制指标是SO2、NOX、二噁英及重金属，其控制标准是《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271-2001）及《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB19485-2001）。
燃烧产生的烟气经分离器分离，进入静电除尘器进行烟尘净化，静电除尘器效率99.95%，
浙江省环境检测中心站对该项目烟气排放污染物进行检测，试验选取5#流化床锅炉焚烧污泥1t/h状况下3个检测点采集数据，并送比利时SGS二噁英分析实验室分析，分析结果与生活垃圾焚烧污染控制标准（GWKB3-2000）对比如下：
表2-4 烟气排放污染物监测结果及比较
生产设备
循环流化床固体废物焚烧炉
焚烧炉大气污染物排放限值
设计指标（20t/h蒸汽量）
20t/h蒸汽量
测试日期
2004年11月6日
测试断面位置
5#流化床废气排放口
断面截面积（m2）
1.62
烟气温度（℃）
147
采样点烟气流速
8.76
烟气流量（m/s）
3.13×104
烟气含氧量
6.9%~9.6%
烟气含湿量（%）
4.66
铅（mg/N*m3）
0.24
0.35
0.30
1.6
镉（mg/N*m3）
＜0.004
＜0.004
＜0.004
0.1
汞（mg/N*m3）
＜0.01
＜0.01
＜0.01
0.2
二噁英测试浓度Ⅰ（Ⅰ-TEQng/m3）
5#-1
5#-2
5#-3
1.0
0.004
0.001
0.001
注：
焚烧固体废弃物为城市污泥，助燃物为燃煤，实验设计污泥和燃煤投放量百分比为20：
80，监测期间污泥实际投放量约为1吨/h，燃煤实际投放量为3.811吨/h，二者比例约为26.2：
73.8。
结果表明，二噁英测试浓度最大值为0.004TEQng/m3，国家标准限值1.0TEQng/m3，相差3个数量级，重金属浓度也远远低于国家标准限值，因此由污泥焚烧增加的烟气排放量污染物（重金属、二噁英）指标完全达到国家排放标准。
NOX，SOX由市环保局检测，与焚烧污泥前没有大的变化。
2.6.2灰渣测定
表2-5 焚烧废渣监测结果表
项目
监测结果（mg/Kg）
镉及其化合物（以Cd计）
0.15
0.12
汞及其化合物（以Hg计）
0.02
0.01
铅及其化合物（以Pb计）
3.5
3.8
铬及其化合物（以Cr计）
77
84
砷及其化合物（以As计）
0.4
0.3
铜及其化合物（以Cu计）
46
41
锌及其化合物（以Zn计）
32
31
2.7中间试验成果鉴定
2005年3月15，江苏省建设厅组织专家对污泥焚烧中间试验项目进行了专家评审和技术鉴定，鉴定结果为“具有明显的环境效益、社会效益和经济效益，具有广阔的应用前景。
总体技术达到国内领先，接近国际水平”。
3 污泥焚烧规模化应用3.1焚烧厂厂址选择
焚烧厂厂址选择需满足下列条件：
Ø 能满足常州市城市污水厂污泥（200）全量焚烧的要求；
Ø 交通便利、运输方便；
Ø 距离适中、尽量靠近主要污水厂；
Ø 尾气对周边环境影响小。
常州市广源热电有限公司是常州市经贸委下属的三家热电联产所属企业之一，座落常州天宁经济开发区，共装备有75t/h5.3MPa485℃循环流化床锅炉3台、35t/h5.3MPa 485℃链条炉1台、装备1.5万kw背压汽轮发电机组1台、0.7万kw抽凝发电机组1台、0.7万kw背压汽轮发电机组1台、并且还建有年产3000万块粉煤灰蒸压砖的建材厂一座。
2005年公司共供汽150万吨,上网电量1.5113亿kw/h。
经过筛选，常州广源热电有限公司满足要求：
（1）常州市广源热电有限公司3台75t/h蒸吨循环流化床锅炉焚烧污泥能力完全满足常州市城市污水厂现状180~225t/d污泥（含水率75~85%）焚烧要求；
（2）常州市广源热电有限公司热电厂距产泥量最大的污水厂城北污水厂仅5公里，且交通主干道青洋路紧靠厂区，交通便利；
（3）热电厂位于工业开发区，周边无居民，环境影响小。
3.2试验设备及工艺
常州市广源热电有限公司3台75t/h蒸吨循环流化床锅炉。
3.2.1循环流化床锅炉简介
该锅炉为75t/h次高压、次高温循环流化床锅炉，采用近年发展起来的循环流化床燃烧技术，无锡华光锅炉股份有限公司制造。
本锅炉结构紧凑、简单，与传统的煤粉炉炉型相似，锅炉本体由燃烧设备、给煤装置、床下点火装置、分离和返料装置、水冷系统、过热器、省煤器、空气予热器、钢架、平台炉墙等组成。
（1）锅炉参数
表4-6 焚烧炉工矿参数
锅炉型号
WG-75/5.3M-19 98G-SM1（A）
额定蒸发量
75t/h
额定蒸汽压力
5.3Mpa
额定蒸汽温度
485度
给水温度
104度
排烟温度
145度
锅炉设计效率
90%
（2）设计燃料
Ø 煤种：
以烟煤为主，低位发热值22885KJ/Kg。
Ø 燃料颗粒度要求：
煤为0-10mm。
Ø 石灰石颗粒度要求：
小于2mm。
（3）锅炉各部分结构简述
①燃烧装置
流化床布风板采用水冷布风板结构，有效面积7.7M2，布风板上布置了665只风帽，材质为cr25Ni20，风帽间风板上填保温砼和耐磨浇筑料。
空气分为一次风及二次风，一、二次风之比为60：
40，一次风从炉膛水冷风室两侧进入，经布风板风帽小孔进入燃烧室，二次风在布风板上高度方向分两层送入。
布风板布置两根Ф219放渣管，分别接冷渣器。
②给煤装置
本锅炉炉前布置了三台给煤装置，煤通过落煤管送入燃烧室，落料管上布置有送煤风和播煤风，以防给煤堵塞，送煤风接一次冷风，播煤风接一次热风，约为总风量4%。
给料口在离风帽1500mm处进入燃烧室。
③床下点火装置
本炉采用水冷布风板、油枪床下点火技术，油枪在床下预燃室内先燃烧，然后和冷空气混合成小于800度的高温烟气，再经风室进入燃烧室加热物料，点火油采用轻柴油，油量150-350kg/h，油枪采用压缩空气雾化。
④分离及返料装置
本炉采用高温旋风分离装置，布置在炉膛出口共两台，分离器入口烟温800-1000℃。
分离器下部布置返料装置。
分离下来的飞灰经返料装置送入炉膛继续燃烧。
返料口离风帽高度约1200mm。
经过分离的烟气从分离器中心筒出口流经水平烟道进入尾部烟道加热尾部受热面。
分离器的中心筒为耐热钢，材质cr25Ni20。
分离器进口烟道前装有非金属膨胀节。
⑤锅筒（俗称汽包）及内部装置
锅筒内经1380mm，壁厚60mm，材质20G/GB5310，锅筒内部装置由旋风分离器、顶部百叶窗、加药管、排污管、再循环管、紧急放水管等组成。
锅筒上还设置有高、低读水压表、压力表、安全阀、放气阀、自用蒸汽阀等部件。
锅筒中心线以下50mm为正常水位，距离正常水位上、下75mm为越限报警线，距离正常水位上、下120mm为限值报警线。
⑥水冷系统
炉膛水冷壁采用全悬吊膜式壁结构，炉室分左、右、前、后六个回路，前后墙水冷壁在水冷风室区域为φ51*5，其它为φ60*5，节距100mm，炉膛四周布置刚性梁，有足够的承载能力。
下降管采用先集中后分散结构，由锅筒引出两根直经φ325*16的集中下降管，一直到炉前下部，然后再引出分散至前、后墙各四根，两侧为三根。
管经为108*4.5汽水连接管直经，两侧墙为φ133*6各3根，前后墙为φ133*6，共8根在水冷壁易磨损部位采用焊鳍斤、焊销钉敷耐磨料方法防磨。
水冷壁及下降管的材质都为20G/GB5310。
⑦过热器系统
过热器管布置尾部烟道中，分高、低温两段，烟气经高温段后经低温段，为逆流布置。
高温过热器管φ42*4节距200mm，材质为12cr1MovG，低温过热器管φ32*4，节距100mm，管组上组为15crMoG，下组为20G/GB5310管子。
高、低过热器迎烟气第一排设有防磨盖板。
为调节过热汽温，在高、低温过热器器之间布置φ426的面式螺旋管减温器。
过热器汇汽集箱上装有压力表、温度计、安全阀、向空排汽阀、疏水阀等附件。
高、低温过热器采用悬吊方式，由每一排悬吊管来吊一排高温过热器管子、两排低温过热器管子。
⑧省煤器系统
在尾部烟道过热器后面，布置上、下二组省煤器，为防止磨损采用膜式省煤器结构，错列布置，横向节距80mm，管经φ32*4材质20G/GB5310。
上、下两组省煤器迎烟气冲刷第一排管子加装防磨板，弯头处加防磨罩。
省煤器支承在两侧护板上。
⑨空气予热器
采用卧式空予器，空气在管内，烟气在管外，采用顺排布置，管径φ40*1.5。
迎烟气第一排管子采用φ40*3.5的壁厚管，以防止磨损。
予热器分为三段，最上一管箱为二次风予热器，横向节距63mm，下二只管箱为一次风管箱横向节距68mm。
⑩梁和柱、平台扶梯
锅炉本体及炉墙、管道、附件等重量由钢架支承，通过钢架传至地基，钢架采用框架结构，锅筒支承在炉顶主梁上，其余部分载荷分别由相应的横梁、斜撑传至立柱上。
为使于运行维修，在锅炉四周设有几层平台，间距约3米，平台间有扶梯连接。
本炉一次风管、二次风管、播煤风管、床下点火燃烧器、给煤管运行时，一起随炉膛向下膨胀，设计院设计时考虑了足够的膨胀量。
eq\o\ac（○,11）11炉墙
布风板以上密相区炉内墙采用浇注高强度耐磨浇筑料，水冷壁外侧
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