1、研究背景
目前，市政污泥（以下簡稱“污泥”）協(xié)同焚燒在國內(nèi)以燃煤電廠協(xié)同焚燒方式為主，已經(jīng)成為污泥處理處置的重要補(bǔ)充方式。燃燒可最大程度上實(shí)現(xiàn)污泥減量化和無害化，還可回收污泥中的熱能。從政策層面，我國對污泥進(jìn)行燃煤電廠協(xié)同焚燒處置持鼓勵態(tài)度。例如，《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術(shù)指南（試行）》（以下簡稱《指南》），將污泥電廠摻燒作為污泥處置推薦方式之一。《指南》中提到：采用火電廠協(xié)同處置，既可以利用火電廠余熱作為干化熱源，又可以利用火電廠已有的焚燒和尾氣處理設(shè)備，節(jié)省投資和運(yùn)行成本。《指南》還指出，在具備條件的地區(qū)，鼓勵污泥在火力發(fā)電廠鍋爐中與煤混合焚燒。《污泥無害化處理和資源化利用實(shí)施方案》中提及，含重金屬和難以生化降解的有毒有害有機(jī)物的污泥，應(yīng)優(yōu)先采用集中或協(xié)同焚燒方式處理；有效利用本地垃圾焚燒廠、火力發(fā)電廠、水泥窯等窯爐處理能力，協(xié)同焚燒處置污泥。
燃煤電廠鍋爐主要包括循環(huán)流化床鍋爐和煤粉爐兩類，其中，流化床鍋爐的燃燒溫度較低，為850~950℃，煤粉爐為1200~1500℃；此外，流化床鍋爐對燃料的含水率和粒徑要求都較低（粒徑一般小于12mm）。相比于煤粉爐，流化床鍋爐更適于污泥協(xié)同焚燒。我國已有很多燃煤電廠開展了污泥協(xié)同焚燒工作，循環(huán)流化床可摻燒脫水污泥（污泥含水率為70%~80%），濕污泥摻燒比例約20%~25%；而煤粉爐主要摻燒干化污泥，干污泥摻燒比例為1%~5%。目前，國家尚未出臺污泥在燃煤電廠協(xié)同焚燒處置相關(guān)的強(qiáng)制性泥質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，僅部分標(biāo)準(zhǔn)對污泥摻燒比例進(jìn)行了限定。例如，《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術(shù)指南（試行）》中規(guī)定，在現(xiàn)有熱電廠協(xié)同處置污泥時，入爐污泥的摻入量不宜超過燃煤量的8%；對于考慮污泥摻燒的新建鍋爐，污泥摻燒量可不受上述限制。電廠在開展污泥摻燒項(xiàng)目時沒有具體準(zhǔn)則，實(shí)施過程多樣，不利于行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
污泥含水率較高、有機(jī)質(zhì)含量較低、熱值偏低，燃燒特性與煤相差較大，摻燒污泥造成的影響主要有兩方面：一是設(shè)備問題，二是煙氣污染物排放問題。例如，污泥與燃煤混合后燃料黏性會增加，從而造成設(shè)備積煤、堵煤的概率增大；城市排水雨污不分流造成污泥含砂量較高，也會導(dǎo)致設(shè)備磨損；污泥摻燒量較大時燃料熱值急劇下降，致使鍋爐熱效率降低；含N、S等元素的污泥燃燒后會生成酸性氣體，從而腐蝕管道，并可能造成煙氣污染物排放情況發(fā)生變化。此外，部分電廠運(yùn)營人員擔(dān)心污泥協(xié)同焚燒會加劇燃煤鍋爐結(jié)焦程度而導(dǎo)致項(xiàng)目難以開展。但是，狄萬豐等通過在1000MW機(jī)組開展污泥摻燒試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻燒污泥后爐內(nèi)結(jié)焦情況并無明顯加劇。
目前，關(guān)于燃煤電廠協(xié)同焚燒處置污泥時其成分對鍋爐結(jié)焦影響和污泥結(jié)渣特性的研究鮮有報(bào)道。針對污泥協(xié)同焚燒是否會造成電廠燃煤鍋爐結(jié)焦的問題，通過調(diào)研若干污泥協(xié)同焚燒項(xiàng)目，借助污泥中非金屬元素含量檢測、灰熔融性分析、灰氧化物成分分析等手段，探討了污泥成分對燃煤鍋爐可能產(chǎn)生的影響，為污泥脫水調(diào)理劑的選擇提供了一定的依據(jù)。此外，通過綜合判別指數(shù)計(jì)算，對調(diào)研項(xiàng)目的污泥結(jié)渣特性進(jìn)行了預(yù)測，可供類似工程項(xiàng)目參考。
2、材料與方法
2.1 污泥來源
調(diào)研采樣檢測的污泥分別來自內(nèi)蒙古、廣東、江西、安徽、江蘇、山西、天津和遼寧8個省市的污水/污泥處理廠，共9個樣品，分別標(biāo)記為樣品A、B、C、D、E、F、G、H和I，其中樣品B和C來自同一城市的不同污水廠。樣品概況如來自地區(qū)、種類、含水率、pH和摻燒比等信息見表1。
2.2 污泥非金屬元素含量檢測
由于污水污泥處理過程中含氯類藥劑的添加，污泥中氯元素含量高于煤，燃煤電廠協(xié)同焚燒污泥可能會引發(fā)設(shè)備腐蝕問題以及煙氣中二口惡英等污染物的排放情況發(fā)生變化，因此對污泥中的Cl元素進(jìn)行含量分析。檢測方法參考《生活垃圾化學(xué)特性通用檢測方法》（CJ/T96—2013）。污泥中的硫燃燒會生成酸性氣體而腐蝕管道，同時干燥基硫含量影響結(jié)渣傾向，因此參考《煤中全硫的測定方法》（GB/T214—2007）對污泥中的硫含量進(jìn)行檢測。
2.3 污泥灰熔融性和氧化物成分分析
煤灰熔融性是指煤灰在高溫條件下軟化、熔融、流動時的溫度特性，是煤質(zhì)的重要分析指標(biāo)，通常用4個特征溫度來表示：變形溫度（deformationtemperature，DT）、軟化溫度（softeningtemperature，ST）、半球溫度（hemisphericaltemperature，HT）和流動溫度（flowingtemperature，FT）。一般以軟化溫度來衡量煤灰熔融性，即灰熔點(diǎn)。值得說明的是，灰熔點(diǎn)低的煤種在燃燒時結(jié)焦傾向較高。參考《煤灰熔融性的測定方法》（GB/T219—2008），對不同污泥樣品的灰熔融性進(jìn)行了分析。
影響煤灰熔融性的氧化物成分主要有8種：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、Na2O、K2O，參考《煤灰成分分析方法》（GB/T1574—2007），對污泥灰分的氧化物成分進(jìn)行檢測。
3、結(jié)果與討論
3.1 污泥非金屬元素含量
不同污泥樣品中Cl、S含量如圖1所示。調(diào)研污泥干基中Cl含量為0.02%~3.34%，其中樣品A、D、E、G在污泥脫水過程中有含氯類調(diào)理劑（主要是FeCl3）的投加，故污泥中氯含量相對較高，尤其是樣品A。劉彩等研究表明，燃煤中Cl含量平均為0.019%~0.026%。根據(jù)《煤中有害元素含量分級第2部分：氯》（GB/T20475.2—2006）中劃分的不同煤炭氯含量等級，僅樣品I氯含量符合特低氯煤的要求（≤0.05%），樣品B、C和H符合低氯煤的要求（0.05%~0.15%），而樣品A中氯含量超過高氯煤氯含量限值（>0.3%）的10倍。一方面，氯在燃燒過程中會生成HCl、Cl2和堿金屬氯化物，其中HCl會造成嚴(yán)重設(shè)備腐蝕，而堿金屬氯化物冷凝在飛灰顆粒或換熱器表面會造成積灰結(jié)渣；另一方面，考慮到煙氣指標(biāo)中二口惡英類污染物排放風(fēng)險，摻燒污泥中的氯含量應(yīng)越低越好。基于調(diào)研的燃煤全水分平均值（9.21%），在燃煤Cl含量為0.026%、污泥摻燒比為10%和含水率為10%（一般情況難以達(dá)到，僅用于計(jì)算污泥最大摻燒干基量下的極限值）的條件下，根據(jù)燃煤鍋爐內(nèi)可允許達(dá)到的燃料Cl含量極限值（0.15%）進(jìn)行反算，得出污泥干基Cl含量極限值為1.57%。因此，燃煤電廠協(xié)同焚燒處置的污泥在脫水過程中選擇調(diào)理劑時，不宜使用含氯類污泥調(diào)理劑；若為保障出泥含水率達(dá)標(biāo)，必須添加含氯類調(diào)理劑時，則應(yīng)合理調(diào)節(jié)藥劑的添加比例，使污泥干基中氯含量不高于1.57%。
調(diào)研污泥干基中硫含量為0.10%~3.39%，平均為1.40%。王永征的研究表明，燃煤中的硫含量為0.2%~10.0%，大多數(shù)為1.0%~3.0%，其中無機(jī)硫主要來源于含鐵礦物（以黃鐵礦為主），其次還有少量白鐵礦和硫酸鹽；有機(jī)硫主要來自硫醇、硫醚等化合物。對比可知，污泥和燃煤在硫含量方面差別不大，考慮到硫燃燒生成的酸性氣體會腐蝕管道以及含量較高時結(jié)渣傾向較高，摻燒污泥中的硫含量應(yīng)越低越好。陳招妹等統(tǒng)計(jì)了全國200種燃煤的收到基硫含量，其中硫含量為0.11%~3.47%，平均為0.82%。在燃煤硫含量為0.82%（收到基）、污泥摻燒比為10%和含水率為10%條件下，根據(jù)《商品煤質(zhì)量煤粉工業(yè)鍋爐用煤》（GB/T26126—2018）中規(guī)定的硫含量限值1%進(jìn)行反算，得出污泥干基中硫含量極限值為3.11%。因此，燃煤電廠協(xié)同焚燒處置的污泥在脫水過程中選擇調(diào)理劑時，不宜使用含硫類污泥調(diào)理劑；若為保障出泥含水率達(dá)標(biāo)必須添加含硫類調(diào)理劑時，則應(yīng)合理調(diào)節(jié)藥劑的添加比例，使污泥干基中硫含量不高于3.11%。
3.2 污泥灰熔融性
不同污泥樣品灰熔融性分析結(jié)果如圖2所示。
由圖2可以看出，所有樣品的污泥灰分ST均在1100℃以上，其中樣品B、C、E、F、H和I的污泥灰分ST均低于1250℃，根據(jù)《煤灰軟化溫度分級》（MT/T853.1—2000），這些樣品的污泥灰分均屬于較低軟化溫度灰（1100~1250℃）；樣品D污泥灰分屬于中等軟化溫度灰（1250~1350℃）；樣品A和G污泥灰分屬于較高軟化溫度灰（1350~1500℃）。
劉京燕等發(fā)現(xiàn)銀川南部6種煤種的ST為1160~1280℃，均為中等熔融煤種；而銀川北部煤種灰熔點(diǎn)均高于1500℃，屬于不熔煤種。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國動力用煤的煤灰熔融性差異很大，但大多數(shù)煤灰的ST均在1250~1350℃范圍內(nèi)。因此，調(diào)研的部分樣品的污泥灰熔融性與大多數(shù)燃煤相當(dāng)。
由于鍋爐結(jié)焦結(jié)渣的因素較多，僅從灰熔融性的角度，不能完全預(yù)測污泥燃燒時的結(jié)渣傾向，可參考燃煤結(jié)渣特性研究，分析污泥灰氧化物成分，并結(jié)合酸堿比、硅鋁比、硅比、鐵鈣比等指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷。此外，李天榮研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灰熔點(diǎn)較低的煤種配灰熔點(diǎn)較高的煤種時，可避免鍋爐結(jié)焦，例如大同煤（ST=1120℃）與西山貧煤（DT、ST、FT均在1500℃以上）。以此類推，灰熔融性較低的少量污泥與灰熔融性較高的燃煤協(xié)同焚燒時，在一定程度上也可避免鍋爐結(jié)焦。
3.3 污泥灰氧化物成分
鋁鹽是污水處理過程中常用的混凝劑，石灰和鐵鹽（尤其FeCl3）是污泥脫水過程中最為常用的調(diào)理劑，可能導(dǎo)致污泥灰分中Al2O3、CaO和Fe2O3含量占比較高。不同樣品的污泥灰氧化物成分分析結(jié)果如圖3所示。
樣品A和G在污泥脫水過程中均有石灰投加，因此樣品pH均超過11且灰分中CaO占比較高，同時樣品A和G的污泥灰熔融性也最高。CaO在煤灰中的占比很少超過20%，其少量存在時能降低煤灰熔融性，但其含量超過30%可使煤灰熔融性溫度升高。這是因?yàn)?/span>CaO在高溫下極易與其他礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成鈣長石、鈣黃長石等低熔點(diǎn)礦物質(zhì)；當(dāng)煤灰中CaO含量過高時，可能會形成高灰熔點(diǎn)的硅酸鈣，且存在較多CaO單體，將導(dǎo)致煤灰熔點(diǎn)隨CaO增加而升高。劉碩研究發(fā)現(xiàn)，CaO摻加比例為20%時FT最低，而繼續(xù)提高CaO比例時，FT開始逐步升高。呂宏俊等在系統(tǒng)中加入CaCO3后，焚燒爐在850和950℃下流化都很正常，結(jié)焦結(jié)渣比較輕微。
根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，污泥灰分中CaO含量與灰熔融性的關(guān)系如圖4所示。可以看出，當(dāng)CaO含量超過30%時，灰熔點(diǎn)出現(xiàn)明顯升高趨勢，與前文論點(diǎn)一致。新疆準(zhǔn)東煤是一種典型高鈣鐵含量的煤種，鈣鐵含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國內(nèi)常見的褐煤和煙煤，其煤灰中CaO含量高達(dá)15%~35%、Fe2O3含量達(dá)到6%~20%。30MW以上的發(fā)電機(jī)組在燃燒準(zhǔn)東煤時出現(xiàn)了嚴(yán)重的爐膛結(jié)焦現(xiàn)象，為了降低結(jié)渣傾向，一般將準(zhǔn)東煤與高灰熔點(diǎn)的煤種進(jìn)行摻燒，準(zhǔn)東煤摻燒比例一般為50%，最高可達(dá)到75%左右。調(diào)研污泥灰中的CaO含量變化幅度較大（1%~62%，平均為18%），最高值約為準(zhǔn)東煤的2倍，但污泥摻燒比例遠(yuǎn)低于準(zhǔn)東煤與其他煤種摻燒的比例，因此，污泥脫水過程投加的鈣對系統(tǒng)的影響可控，但應(yīng)避免污泥成分中鐵鈣比接近1，以免出現(xiàn)鐵鈣協(xié)同結(jié)渣現(xiàn)象。另外，煤種在燃燒過程中，其中的鈣基成分對硫有固化作用。例如，柯希瑋等向循環(huán)流化床鍋爐中投加一定量的粒徑合適的鈣基脫硫劑（主要是石灰石），實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)脫硫的目的，脫硫效率達(dá)到90%~95%。
污泥灰分中Fe2O3含量與灰熔融性的關(guān)系如圖5所示。可以看出，兩者未表現(xiàn)出明顯規(guī)律。煤粉中含鐵礦物對結(jié)焦結(jié)渣特性的影響較為復(fù)雜，與礦物含量、種類、存在形式以及鈣的共生關(guān)系等都密切相關(guān)。李慧慧對燃煤鍋爐水平煙道不同部位的沉積物進(jìn)行元素分析，發(fā)現(xiàn)沉積物中存在較高含量的鐵和硫，說明結(jié)焦主要源于含有鐵和硫的低熔點(diǎn)化合物。煤種燃燒時，其中的硫鐵礦在1300K溫度下會形成極具黏附性的Fe-O-S熔融態(tài)中間體，當(dāng)與低熔點(diǎn)的含鈣礦物反應(yīng)生成鈣鐵低溫共熔體后，會加劇灰顆粒之間的團(tuán)聚，從而加劇結(jié)焦現(xiàn)象。因此，鐵鹽調(diào)理劑在污泥脫水過程中不宜使用。綜上，燃煤電廠協(xié)同焚燒處置的污泥在脫水時不宜使用FeCl3或Fe（2SO4）3調(diào)理劑。
此外，當(dāng)煤灰中SiO2含量不高時，其具有助熔作用；當(dāng)SiO2含量高且無適量金屬氧化物與之結(jié)合時，煤灰中會存在較多的游離SiO2，使得煤灰熔融性提高。還有研究者認(rèn)為，污泥調(diào)理劑中的Al和Si元素有利于提高灰熔點(diǎn)，但應(yīng)控制二者比例，避免因硅鋁比大于2.65而出現(xiàn)協(xié)同結(jié)渣現(xiàn)象。
3.4 污泥結(jié)渣特性
參考燃煤結(jié)渣特性分析，污泥結(jié)渣特性可從以下幾個方面進(jìn)行考慮：①硅鋁比（SiO2/Al2O3）；②鐵鈣比（Fe2O3/CaO）；③硅比（G）；④酸堿比（B/A）；⑤硫分結(jié)渣指數(shù)（RS）。調(diào)研的污泥樣品結(jié)渣特性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果和結(jié)渣傾向界限值分別如表2、3所示。根據(jù)表3中的界限值，預(yù)測污泥結(jié)渣傾向結(jié)果如表4所示。同一樣品的不同指標(biāo)預(yù)測結(jié)果，都出現(xiàn)了互相矛盾的現(xiàn)象，從現(xiàn)有的指標(biāo)角度預(yù)測是輕微結(jié)渣或不結(jié)渣，但從其他指標(biāo)角度預(yù)測又是嚴(yán)重結(jié)渣。這與文獻(xiàn)中的結(jié)果類似，這是因?yàn)楦鱾�指標(biāo)在結(jié)渣傾向預(yù)測中都存在相應(yīng)的權(quán)重。
根據(jù)《大型煤粉鍋爐爐膛及燃燒器性能設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T10127—2018），計(jì)算可得樣品A~I的綜合判別指數(shù)即結(jié)渣特性指數(shù)（RZ）分別為5.73、2.10、2.05、1.90、3.66、4.52、6.24、2.27和2.17，對比NB/T10127—2018給出的判斷界限可知，樣品B、C、D和I為中等結(jié)渣（1.75≤RZ≤2.25），樣品H為中等偏嚴(yán)重結(jié)渣（2.25<RZ結(jié)渣（RZ≥2.5）。因此，針對樣品A、E、F和樣品G污泥，電廠應(yīng)盡量降低污泥摻燒比例并提高鍋爐結(jié)焦檢修頻率。
綜合以上分析可知，污泥在燃煤電廠協(xié)同焚燒處置一定會造成鍋爐結(jié)焦的結(jié)論并不準(zhǔn)確，一方面泥質(zhì)對結(jié)渣傾向的影響較大，另一方面燃煤種類、燃燒時介質(zhì)性質(zhì)、爐膛溫度、灰分含量等也會對鍋爐結(jié)焦造成一定影響。例如，燃燒工藝參數(shù)調(diào)整不當(dāng)會造成鍋爐內(nèi)局部缺氧和CO、H2等還原性氣體產(chǎn)生，可能導(dǎo)致高熔點(diǎn)的Fe2O（31565℃）被還原為低熔點(diǎn)的FeO（1369℃），從而使結(jié)渣傾向升高。因此，在燃煤電廠協(xié)同焚燒污泥處置項(xiàng)目實(shí)施前，首先應(yīng)選擇合適的污泥脫水調(diào)理劑（如有脫水環(huán)節(jié)），然后開展摻燒小試及中試，對摻燒條件和工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。
4、結(jié)論
①氯和硫元素對設(shè)備管道腐蝕、結(jié)渣特性和煙氣污染物排放等具有顯著影響，燃煤電廠協(xié)同焚燒處置的污泥中氯和硫含量應(yīng)越低越好，污泥脫水不宜使用含氯類或含硫類污泥調(diào)理劑；若為保障出泥含水率達(dá)標(biāo)必須添加含氯類或含硫類調(diào)理劑時，應(yīng)合理調(diào)節(jié)藥劑的添加比例，使污泥干基中氯含量不高于1.57%或硫含量不高于3.11%。
②污泥灰熔融性隨著CaO含量的增大呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，當(dāng)CaO含量超過30%后，灰熔點(diǎn)出現(xiàn)升高趨勢，同時CaO還可進(jìn)行爐內(nèi)脫硫，因此污泥脫水可投加一定量石灰；污泥灰熔融性與Fe2O3含量的關(guān)系未表現(xiàn)出明顯規(guī)律，但含鐵礦物易與其他礦物形成低溫共熔體而加劇鍋爐結(jié)焦，因此污泥脫水不宜添加鐵鹽調(diào)理劑，尤其是FeCl3或Fe（2SO4）3。此外，應(yīng)控制污泥中的鐵鈣比例，避免鐵鈣比接近于1而出現(xiàn)協(xié)同結(jié)渣現(xiàn)象。
③結(jié)合灰熔點(diǎn)、硅鋁比、硅比和酸堿比指標(biāo)，通過綜合判別指數(shù)計(jì)算可知，調(diào)研的9個污泥樣品中有4個為中等結(jié)渣，1個為中等偏嚴(yán)重結(jié)渣，剩余4個為嚴(yán)重結(jié)渣。針對預(yù)測為嚴(yán)重結(jié)渣的污泥，電廠應(yīng)盡量降低污泥摻燒比例并提高鍋爐結(jié)焦檢修頻率，最大程度上降低污泥摻燒帶來的不利影響。（來源：北京恒潤慧創(chuàng)環(huán)境技術(shù)有限公司，華電水務(wù)科技股份有限公司，北京首創(chuàng)生態(tài)環(huán)保集團(tuán)股份有限公司）
