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石油为世界上重要的化石能源，在我国开采量相对较低 [1]。为弥补我国石油资源短缺的问题，以煤炭为原料经化学加工生成油品和石油化工产品的煤制油技术受到广泛的关注[2-3]。煤制油技术包括直接液化技术和间接液化的费托合成技术[4]。其中，应用较多的费托合成工艺伴随产生的固废渣蜡主要成分是烷烃和少量烯烃组成的含氧化合物[5-6]，在我国固废管理中属于危险废物，长期堆放易对周围环境带来较大影响，且热值较高易蓄热自燃，会带来较大的环境风险,急需无害化处置[7-8]。若直接对渣蜡以填埋处理，会造成严重的环境污染问题和极大的资源浪费[9-10]。鉴于渣蜡的高热值，对渣蜡的热量回收和资源化利用，不仅会产生经济效益，而且能缓解资源短缺，满足固体废物“资源化、减量化、无害化”的管理要求，符合国家推进的“无废城市”建设理念[11]，具有广阔的应用和发展前景。而渣蜡在燃煤锅炉中掺烧是一种经济可行的回收其热量的处理方式，且掺混能够利用燃料的互补特性，改善掺混后燃料的综合性能[12]。
目前，锅炉掺烧的固体废物主要包括生物质、市政污泥和医疗废弃物等，研究方向包括掺烧比例和燃烧特性等对污染物排放和锅炉效率的影响。RAGO等[13]发现掺烧生物质得到更好的燃烧特性，主要原因是共燃过程中出现协同作用改善混合燃料的燃料特性，增强煤的燃烧。潘升全等[14]对300 MW燃煤机组掺烧生物质实验研究，发现生物质掺烧后的锅炉灰可以利用到建筑行业中。王荔等[15]对生活垃圾焚烧炉中掺烧医疗废弃物进行试验研究，此方式达到应急处置要求，且不会对焚烧炉的温度、炉渣中重金属浸出和烟气排放产生明显影响。LI等[16]发现污泥与煤掺烧后产生的CO、SO2和氮氧化物排放量并没有大幅度增加。HAI等[17]通过循环流化床焚烧炉研究发现，与污泥单独燃烧相比，污泥与煤共燃烧能显著降低二恶英排放。因此，利用锅炉掺烧固体废物减量化程度高，可以实现能量回收，而且不影响焚烧效率和污染物稳定排放，成为固体废物处理的重要方法[18-19]。循环流化床 (CFB) 锅炉具有燃料适应性广、氮氧化物排放低、易于实现灰渣利用等特点[20]。因此，为达到固体废物的合理利用与处置，以及降低燃料成本，配有CFB锅炉的发电机组大都将掺烧作为主流燃烧方式[21-22]。而入炉燃料的品质会直接影响CFB锅炉炉膛内床料的品质，及时分析掺烧燃料对CFB锅炉运行的燃烧效率及污染物排放尤为重要[23-25]。
然而，如今尚无相关数据对CFB锅炉掺烧渣蜡的锅炉效率和产生的粉煤灰与炉渣中特征污染物的质量分数进行研究分析。因此，本研究以国家能源集团某公司的4×106 t.a−1煤制油项目及CFB锅炉为例，对其焚烧燃料煤和掺烧燃料的2种运行工况进行对比分析，研究不同工况下锅炉运行效率和粉煤灰与炉渣中污染物质量分数的影响，评估CFB锅炉掺烧渣蜡的可行性和安全性，以期为渣蜡的资源化利用和CFB锅炉掺烧渣蜡运行提供参考和依据。
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CFB锅炉燃煤是一种洁净煤燃烧技术[26]。国内目前采用CFB锅炉掺烧固体废物已经成为一种趋势[27]。CFB锅炉所需燃料自燃料库经皮带输送至炉前煤仓，后经称重式皮带给煤机计量后送入炉前落煤管，通过增压的播煤风送入锅炉炉膛，CFB锅炉运行由分散控制系统 (DCS) 控制。CFB锅炉的掺烧工艺流程见图1。
渣蜡是煤制油过程中费托合成工艺反应器过滤系统产生的固体废物。本研究将通过预过滤器、过滤器和稳定过滤器分别排出的一级渣蜡、二级渣蜡和稳定渣蜡按3∶1∶1进行破碎混合，得到混合渣蜡。再将混合渣蜡与已破碎的燃料煤按1∶1比例通过装载机进行掺配均匀，后将掺配均匀的燃料撒入紧急下料口内，与同时撒入下料口燃料煤共同通过皮带送CFB锅炉炉前煤仓，燃料煤与渣蜡按30∶1比例均匀制备掺烧燃料，经称重式皮带给煤机送入炉膛焚烧。
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本研究分别对空白工况 (燃料仅为燃料煤) 和掺烧工况 (燃料为燃料煤和渣蜡混合得掺烧燃料) 的粉煤灰和炉渣进行采样分析，采样标准参考《工业固体废物采样制样技术规范》 (HJ/T 20-1998) [28]和《危险废物鉴别技术规范》 (HJ 298-2019) [29]，炉渣的采样位置为炉膛下部的排渣口，粉煤灰的采样位置为电袋除尘装置后的粉煤灰库。同时对入炉燃料煤、3种渣蜡、掺烧燃料分别进行样品采集，其中掺烧燃料取样为混合均匀后的样品，现场取样照片如图2所示。以上每个样品采集2 000 g左右，炉渣和粉煤灰样品各取3次样品，燃料煤、各种渣蜡和掺烧燃料各取2次样品。对各样品进行灰分、热值、热灼减率、二恶英和重金属含量等指标进行检测，得到原料组分特性和灰渣特征污染物定量分析数据，以此判断掺烧渣蜡对CFB锅炉运行和灰渣特征污染物的影响。本研究所测算数据均为以上指标检测值的平均值。
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本次CFB锅炉掺烧试验燃料为燃料煤和掺烧燃料2种，其中掺烧燃料中含有燃料煤、一级渣蜡、二级渣蜡和稳定渣蜡。燃料组分的工业分析、元素分析、热值及氟元素和氯元素含量分析表1。
由表1可知，燃料煤和渣蜡的水分、灰分和热值等差异较明显，而3种渣蜡之间的元素含量、水分和灰分等差异不大。其中，渣蜡的水分、碳元素和硫元素含量明显低于燃料煤，但热值高于燃料煤。渣蜡中的挥发分含量高 (>30%) ，使掺烧燃料的挥发分含量达到中等水平，在进入锅炉后更利于着火，提高着火性能[30]。虽然掺烧燃料中渣蜡占比较小，但在煤与渣蜡配料的充分混合过程中，燃料煤的部分水分挥发，导致燃料体系中的水分降低，掺烧燃料的发热量也会升高，使得煤与渣蜡混合后的燃料热值较高。
燃料煤、渣蜡、掺烧燃料中的重金属含量见表2，燃料煤中各重金属元素含量与渣蜡相比差异明显。燃料煤中铅、铬、锡、镍、锰、铜、锌、银、硒的含量低于渣蜡中含量，而钴、钒、钡在燃料煤中含量高于渣蜡；燃料煤和渣蜡中汞、砷、铍、锑含量无明显差异。掺烧燃料中锰和铜含量是燃料煤的3~6倍，主要原因是一级渣蜡和二级渣蜡中的锰和铜含量远高于燃料煤中的含量，其他重金属含量相差无异。
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实验期间CFB锅炉运行时的DCS数据如图3所示，整个试验过程中CFB锅炉运行负荷为80.9%~96.8%。根据称重式给煤机称重数据统计入炉燃料数量，在2种工况下，入炉燃料的投加量基本保持一致。根据DCS数据发现空白工况期间锅炉负荷为86.2%~89.6%，掺烧工况期间锅炉负荷为85.4%~94.3%，在掺烧前期 (0~5 h) 锅炉负荷有个明显升高的过程，之后测试期间锅炉工况较为稳定，未发生较大波动，稳定后的掺烧工况锅炉负荷要高于空白工况。分析可知，在掺烧工况下掺烧燃料的热值较高，且掺烧燃料在掺配过程中多次将物料翻抛混合，制备的燃料颗粒度降低，入炉燃烧较燃料煤更加充分。
CFB锅炉的温度检测主要包括前墙床温度、后墙床温度、密相区温度、稀相区温度、炉膛出口温度，各区域温度均设置多个测点。分析表3中CFB锅炉炉膛中各区域监测点的平均温度数据结果，得到掺烧工况各区域温度平均值较空白工况的温度平均值都高，掺烧工况较空白工况炉膛出口温度在运行初期有明显的升温过程。炉膛出口温度变化曲线详见图4，可以发现，随掺烧实验开展，掺烧工况下锅炉炉膛出口温度整体处于上升趋势，最后稳定在875 ℃以上，但空白工况温度未出现明显上升，最高温度在860 ℃左右。这说明，掺烧燃料在CFB锅炉运行中产生的热量高于燃料煤，从而印证掺烧工况锅炉负荷高于空白工况。
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为了确定掺烧对CFB锅炉运行产生粉煤灰和炉渣特征污染物的影响，选择空白和掺烧2种运行工况下，对采集的粉煤灰和炉渣样品中二恶英、重金属、有机质、热灼减率等指标进行检测，进而分析CFB锅炉掺烧渣蜡后灰渣中的特征污染物质量分数变化情况。
1) 掺烧对一般指标的影响。掺烧前后粉煤灰和炉渣样品中氟元素、硫元素、有机质、水分及热灼减率检测结果见表4所示。 对比CFB锅炉空白和掺烧2种运行工况，粉煤灰和炉渣中除硫外其他指标变化较小。
2) 掺烧对二恶英类质量分数和毒性当量的影响。在空白工况下粉煤灰与炉渣中二恶英单体只有OCDD被检测出。掺烧渣蜡后粉煤灰中新增了1,2,3,4,6,7,8-HCDF和OCDF单体可检出，检出的1,2,3,4,6,7,8-HCDF单体质量分数为6.6 ng·kg−1，OCDF单体质量分数为12 ng·kg−1。掺烧渣蜡后炉渣中新增了1,2,3,4,6,7,8-HCDF单体可检出，检出的1,2,3,4,6,7,8-HCDF单体质量分数为0.69 ng·kg−1。对2种工况下二恶英毒性当量进行计算 (单体质量分数未检出时，以检测限的0.5倍计) ，在空白工况下，粉煤灰和炉渣的二恶英毒性当量分别为6.0和0.61 ng TEQ·kg−1，在掺烧工况下，粉煤灰和炉渣的二恶英毒性当量分别为6.1和0.61 ng TEQ·kg−1，均远低于《危险废物鉴别标准 毒性物质含量鉴别》 (GB/T 5085.6-2007)[31]中规定的二恶英类质量分数限值：15 µg TEQ·kg−1和《生活垃圾填埋场污染控制标准》 (GB 16889-2008) [32]中规定的二恶英类质量分数限值：3 µg TEQ·kg−1。以上结果说明，按照30∶1的比例掺烧渣蜡对于粉煤灰中可检出的二恶英同系物的质量分数和二恶英类的毒性当量稍有增加，但远低于固体废物危废鉴别标准限值，增加的环境风险可控制，炉渣中二恶英类的毒性当量没有变化。粉煤灰与炉渣中二恶英类质量分数均主要由OCDD主导。
CFB锅炉运行中二恶英的组成特征主要受炉温度、氧含量和含氯情况的影响[33-35]。而混合渣蜡后氯元素含量较燃料煤并未发生明显变化。而且CFB锅炉的运行负荷较高，各相区域的温度平均值也在850 ℃以上，烟气停留时间大于2 s，满足二恶英高温分解的工艺要求。本实验产生的粉煤灰中二恶英类毒性当量远低于城市生活垃圾焚烧产生粉煤灰中二恶英类毒性当量 (0.78~2.86 ng TEQ·g−1) [36]和干季条件下市政污泥与垃圾协同焚烧产生飞灰的二恶英类毒性当量 (12.2~17.6 ng TEQ·g−1) [37]。
3) 掺烧对重金属含量的影响。不同重金属化学性质及在煤中存在形式不同，导致它们在燃烧中的行为也有所不同[38]。如铜在焚烧过程易形成不易挥发的氧化物，而焚烧过程温度低于铜单质和氧化物的沸点，所以灰渣中铜在焚烧时很难挥发；而汞的沸点为356 ℃，属于低沸点金属，具有较高蒸气压，难以与矿物结合形成稳定的化合物，极易在高温下变为气态，挥发性较高[39]。
在2种工况下，CFB锅炉产生的粉煤灰和炉渣中重金属迁移情况，如图5所示，炉渣中的钒和锰重金属质量分数高于粉煤灰，其他重金属质量分数差异不大。其可能原因是，钒和锰元素不易挥发，导致其主要富集在炉渣中，部分迁移到粉煤灰中。通过空白和掺烧2种工况的对比，发现掺烧工况下粉煤灰中的铬、锰和铜重金属质量分数稍高于空白工况，分别为空白工况的1.43倍、2.75倍和3.01倍，而炉渣中的铬、锰和铜重金属质量分数也高于空白工况，分别为空白工况的1.71倍、2.16倍和3.89倍，其他类别的重金属含量未发现明显差异。结合渣蜡中重金属含量和掺烧燃料特性分析，其可能原因是受渣蜡原料中的重金属含量影响，导致掺烧后铬、锰和铜重金属质量分数明显高于空白工况。总体上，掺烧渣蜡对CFB锅炉产生的粉煤灰和炉渣的重金属含量会有部分影响，但整体影响可控，且掺烧工况下的重金属质量分数与空白工况差异较小，部分重金属甚至出现下降趋势。这与闫大海等[40]研究水泥窑共处置固体废物过程中重金属分配结果一致，大部分重金属在不同相的分配，分配率在掺烧前后基本不受影响。
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1) 燃料煤经过与渣蜡混合后，掺烧燃料的挥发分、固定碳、水分含量和热值等基本组分特性均发生明显变化，热值得到明显增加，而且锰和铜等部分重金属含量受渣量影响也较为显著，含量是燃料煤的3~6倍。
2) 掺烧渣蜡后，CFB锅炉运行负荷最大值从89.6%提高到94.3%，CFB锅炉各区域温度也随之升高，掺烧中各区域平均温度均高于空白工况，掺烧工况稳定后温度波动不明显。
3) CFB锅炉掺烧渣蜡前后产生的粉煤灰和炉渣中有机质和热灼减率无明显差异，掺烧渣蜡后产生的粉煤灰和炉渣中二恶英类质量分数相较CFB锅炉掺烧其他类别较低，但不易挥发的铬、锰和铜重金属质量分数要高于空白工况。
循环流化床锅炉掺烧危废渣蜡对灰渣污染特征的影响
Influence of wax residue co-combustion in circulating fluidized bed boiler on the characteristics of fly ash and slag
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摘要: 煤制油技术产生的易蓄热自燃的渣蜡属于危险废物，处置不当会带来较大的环境影响和环境风险。通过与燃料煤混合燃烧的利用方式处理渣蜡可降低处理成本，同时减少能源浪费。按燃料煤与渣蜡30∶1的比例混合，通过循环流化床 (CFB) 锅炉掺烧，对其热能进行利用，并研究其对CFB锅炉运行和灰渣特征的影响。结果表明，混合后的掺烧燃料组分变化差异较大，部分重金属含量有所增高；掺烧实验开始阶段锅炉的运行负荷和炉膛的出口温度出现明显上升，而工况稳定后，波动不大；相比燃料煤，掺烧产生的粉煤灰和炉渣的热灼减率无明显差异，二恶英类持久性有机污染物贡献均以OCDD为主导，但重金属铬、锰和铜含量稍有增加，主要受渣蜡中重金属迁移和难挥发影响。本研究结果可为通过循环流化床 (CFB) 锅炉掺烧发电的方式对渣蜡进行合理的资源化利用提供参考。Abstract: The wax residual produced by coal-to-oil technology, which could induce heat accumulation and spontaneous combustion easily, is a kind of hazardous waste. Its improper disposal will bring about great environmental impacts and risks. The utilization of wax residue by co-combustion with fuel coal can reduce the disposal cost as well as energy waste. This study investigated the influences of wax residue co-combustion on the operation of the circulating fluidized bed (CFB) and the characteristics of fly ash and slag by co-combusting the fuel coal and the residual wax at the ratio of 30:1 in CFB to recover the thermal energy. The results showed that the mixed fuels varied widely in components, with some increased in heavy metals contents. The load of the boiler and the temperature at the furnace outlet experienced an obvious increase at the beginning of the co-combustion, while no significant fluctuations under stable working conditions. Compared with the fuel coal, there was no significant differences in the loss of ignition of the fly ash and slag in the co-combustion scenario. The contribution of dioxin-like POPs were dominated by OCDD in both scenarios. However, due to the migration and difficult volatilization of heavy metals in wax residue, the contents of chromium, manganese and copper were slightly increased in the co-combustion scenario. The results of this study can provide a theoretical reference for the feasible resource utilization of wax residue by means of CFB boiler co-combustion for power generation.
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Key words:
- utilization of solid waste /
- wax residue /
- CFB /
- coal-to-liquid /
- hazardous waste /
- dioxin /
- persistent organic pollutants
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目前，我国各大城市污泥处理处置压力巨大，多数污水处理厂的污泥未得到有效处理处置[1]。据预测，2020年我国城市污泥产生量将突破6×107 t·a−1(含水率80.0%)，北京市的污泥产量也将达到2×106 t·a−1(含水率80.0%)[2]。近年来，北京市实施了污水治理三年行动计划，污水处理量大幅增加，污泥量也随之剧增。据不完全统计，每年北京市约有50.0%污泥得不到有效处置[3]。
目前，污泥处置主要方式有填埋、焚烧、建材利用，或经好氧发酵后土地利用(土壤改良、林地利用或农业利用等)。从2000年开始，欧洲已经对污泥填埋征收填埋税，要求减少直至完全禁止填埋。污泥作为建材原料在国外也有相关研究和实践，但污泥建材利用存在产品质量及环境污染风险等问题。污泥土地利用是一种有效的污泥最终处置方式。然而，污泥土地利用存在一定的潜在风险[4]，若施用不当，容易造成环境的二次污染。相较于其他城市污泥处置技术，污泥焚烧在经济发达地区有其发展潜力[5]，是一种成熟可靠的污泥处置方式[6]。将城市污泥直接掺烧到生活垃圾焚烧厂，关于直接掺烧比例和如何保证污染物达标排放，在国内还未见报道，更无大规模应用。而探索生活垃圾焚烧厂直接掺烧城市污泥是有意义的尝试[7]。掺烧城市污泥可以利用现有生活垃圾焚烧厂设备，有效实现两者体积和质量的减少，最终实现其无害化处理处置[8]。另外，采用掺烧城市污泥技术处置污泥可直接利用垃圾焚烧厂的设备，与生活垃圾共用焚烧设备及烟气净化等公用设施，只需增加污泥输送系统设备，大大降低了运营和维护成本[9-10]。
为研究不同比例下，直接掺烧城市污泥对垃圾焚烧厂系统的影响，本研究按照一定比例在城市生活垃圾焚烧厂直接掺烧城市污泥，将含水率80.0%左右的城市污泥直接掺烧到垃圾焚烧炉中，研究掺烧城市污泥前后对生活垃圾焚烧厂焚烧系统的影响。研究时间跨度将近3年，并对可能产生的二次污染问题提出有效的污染控制措施，以期为解决污泥处理处置问题提供新思路。
1. 实验部分
1.1 实验装置
实验在城市生活垃圾焚烧厂现有装置中进行。在不影响焚烧厂稳定运行的情况下，结合理论计算，将城市污泥直接掺烧比例控制在20.0%以内进行现场实验。研究从2016年开始，至2018年结束，跨越3年。
焚烧炉数量为2台，焚烧炉炉排型式为SN型炉排。每台焚烧炉额定处理垃圾量为800 t·d−1(即33.33 t·h−1)，进炉垃圾低位发热量为8 044 kJ·kg−1。每台余热锅炉额定蒸发量为73.8 t·h−1，省煤器出口烟温190~200 ℃，锅炉热效率保证值79.8%。焚烧炉-余热锅炉年能力工作时间为8 000 h。污泥掺烧按照10.0%和12.5%比例进行(比例有时根据工况进行调整，最大不超20.0%)。污泥含水率小于80.0%。
根据实验研究所做出的工况调整：当焚烧炉炉膛温度超过950 ℃时，且蒸发量处于稳定期时投入污泥上料系统；当炉温下降至900 ℃时，减少污泥给料量，以确保炉温在850 ℃以上，从而保持焚烧锅炉负荷稳定。
1.2 掺烧方式
通过前拱的4个给料点和后拱的4个给料点，把污泥直接送入焚烧炉，并根据污泥掺烧运行工况适当调整切换给料点，保证污泥和垃圾的均匀混合。污泥通过全封闭管路及变位器泵送至焚烧炉的前拱和后拱，最终进入垃圾焚烧炉进行焚烧。
1.3 掺烧城市污泥性质
掺烧城市污泥来自于多个城市污水处理厂及工业企业的污水处理站。为确保掺烧的城市污泥为一般固体废物，在直接掺烧前，对所有污泥性质进行了监测，掺烧污泥含水率在72.3%~80.9%，pH为6.07~7.40，矿物油含量213~2 980 mg·kg−1，有机质含量50.0%~62.0%。
根据《关于污(废)水处理设施产生污泥危险特性鉴别有关意见的函》(环函[2010]129号)中的规定，专门处理工业废水(或同时处理少量生活污水)的设施产生的污泥，可能具有危险特性，应按《国家危险废物名录》、《危险废物鉴别技术规范》和《危险废物鉴别标准》的规定，对污泥进行危险特性鉴别。实验前，将本研究用到的城市污泥进行检测和危险废物鉴别，确保其属于一般固体废物，符合入炉要求。
1.4 焚烧排放污染物测试方法
重金属、二恶英和酸性气体等是污泥焚烧排放的主要大气污染物。对本研究中污泥焚烧排放的尾气采用紫外光谱吸收法在线监测和手动现场采样监测相结合的方法进行监测。手动现场采样监测方法按照《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485-2014)中规定的测定方法进行。
2. 结果与讨论
2.1 城市污泥与生活垃圾掺烧比例的确定
对于干基低位热值为10 000 kJ·kg−1的城市污泥，水分达到79.9%时，混入生活垃圾的混烧污泥不提供能量，其热值将全部用于污泥含水的蒸发[11]。任庆玖[12]对城市生活垃圾与污泥进行混烧发现，含水率大于80.0%的污泥掺烧会降低热值，掺烧比例过高会引起炉温或工况的波动，严重时需辅助燃料助燃。已有研究表明，若污泥掺入的比例过大，会引起混合燃料含水率过高，导致热值降低，从而影响混合燃烧运行。因此，必须保证垃圾和污泥保持适当的混合比例。为保证垃圾焚烧炉的正常运行，一般将掺烧污泥比例控制在20.0%以内[13]。
在掺烧前通过理论计算，确定合理的掺烧比例。研究所在焚烧厂的生活垃圾低位热值为8 044 kJ·kg−1(平均值)。干污泥的热值为14 000 kJ·kg−1(理想值)，污泥含水率为80.0%，水分的气化潜热以2 500 kJ·kg−1进行理论计算。若混合试样的低位热值为QL，污泥占混合试样的比例为X，计算方法[14]见式(1)和式(2)。
QL=8044(1−X)+(14000×20.0%−2500×80.0%)X (1) X=(8044−QL)/7244 (2) 根据热值和可焚烧性的关系，计算出在5种条件下临界值时试样的混合比例，结果见表1。
表 1 掺烧城市污泥所占混合试样的比例计算Table 1. Proportion calculation of mixed incineration municipal sludge in the mixed samples混合试样QL/(kJ·kg−1) 污泥提供热值/(kJ·kg−1) 污泥所占比例X 3 340.0 519.5 0.649 4 180.0 426.7 0.533 5 000.0 336.2 0.420 6 000.0 225.7 0.282 6 595.2 160.0 0.200 7 138.5 100.0 0.125 | Show Table
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若要保证稳定地焚烧供热发电，低位热值需大于6 000 kJ·kg−1[14]。根据计算结果和运行经验，当掺烧城市污泥比例小于20.0%时，混合试样的热值大于6 000 kJ·kg−1，可进行焚烧发电。当污泥按照10.0%~20.0%掺烧比例与生活垃圾进行混合焚烧时，混合试样的着火温度相差不大。当掺烧比例超过30.0%，混合试样的着火温度上升，其综合燃烧的性能将变差。因此，本研究将污泥掺烧量控制在20.0%以下，这与陈兆林等[15]的研究结果相一致。
2.2 掺烧城市污泥对生活垃圾入炉量的影响分析
随着垃圾分类措施开始施行，未来垃圾焚烧厂入厂垃圾热值会进一步升高，焚烧炉处理量将呈现下降趋势。若要提高垃圾处理效率，必须通过降低入炉热值以保证焚烧炉的入炉量。因为城市污泥具有含水率高、热值低的特点，所以可通过掺烧城市污泥来降低入炉垃圾热值，从而提高入炉焚烧量。不同掺烧比例下，每日总入炉量和生活垃圾入炉量的变化情况见图1。由图1可知，污泥掺烧比例为12.5%时，额定工况下的每日最大入炉量为749.51 t·d−1(其中，生活垃圾每日入炉量为655.85 t·d−1，污泥每日入炉量为93.69 t·d−1)，比不掺烧污泥时每日可增加84.37 t的入炉量，生活垃圾的每日入炉量略有降低，但影响程度不大。当在110.0%最大额定工况运行时，每日最大入炉量为824.46 t·d−1(其中，生活垃圾每日入炉量为721.40 t·d−1)，比不掺烧污泥时每日的垃圾入炉量增加56.26 t·d−1。因此，城市污泥按12.5%的比例掺烧时，对生活垃圾入炉量的影响不大。
图 1 额定工况下总入炉量和生活垃圾入炉量的变化Figure 1. Change of total charging capacity and municipal solid waste charging capacity under rated condition为研究掺烧城市污泥(含水率80.0%)对垃圾入炉量的影响，对相关运行数据进行了记录监测。掺烧污泥前(2016年11月—2017年3月)垃圾入厂量和入炉量的情况见图2；掺烧城市污泥后(2017年11月—2018年3月)垃圾入厂量和入炉量的情况见图3。
图 2 掺烧污泥前污泥和垃圾入炉量的运行情况Figure 2. Operation of sludge and garbage quantity into the furnace before mixed incineration of municipal sludge
图 3 掺烧污泥后污泥和垃圾入炉量的运行情况Figure 3. Operation of sludge and garbage quantity into the furnace after mixed incineration of municipal sludge未掺烧污泥前，2016年11月—2017年3月垃圾入厂量和入炉量都呈下降趋势，垃圾每日平均入炉量仅为1 380.85 t·d−1，为设计值的86.3%。掺烧污泥后，2017年11月—2018年3月垃圾入厂量和入炉量均呈上升趋势，每日垃圾平均入炉量为1 373.49 t·d−1，每日污泥和垃圾的入炉总量平均为1 590.31 t·d−1，为设计值的99.4%。
分析以上数据可知，掺烧平均比例为12.5%~13.64%的城市污泥(含水率80.0%)时，生活垃圾的日入炉量并不会产生较大影响，但日入炉总量有较大提升，可达到额定处理量的99.4%，这也极大提高了焚烧炉的机械负荷。
2.3 污泥掺烧对污染控制系统的影响
焚烧炉采用烟气脱酸除尘一体化系统+活性炭石灰喷射+炉内脱硝等技术对烟气进行处理，处理后的烟气进入袋式除尘器。烟气颗粒物、中和反应物和活性炭吸附物均在除尘器中被捕集。除尘后烟气经引风机进入80 m高的集束烟囱排入大气。烟气脱酸除尘一体化系统以Ca(OH)2作为酸性气体的吸收剂，石灰和活性炭混合物用喷射风送入反应段入口。烟气中的酸性成分被混合物中的碱性成份Ca(OH)2吸收，生成CaSO3、CaSO4和CaCl2等。活性炭作为吸附剂可吸附重金属、二恶英和呋喃等。布袋除尘器采用两通道布置，除尘效率大于99.7%。采用正压浓相气力输送系统连续排灰，洁净的烟气通过引风机排入烟囱。炉内脱硝采用选择性非催化还原法(selective non-catalytic reduction，SNCR)，烟气中的NOx被还原成N2、O2及水蒸气，处理后的烟气高空排放。
烟气量增加除对燃烧工况有一定影响外，还可能对排放的污染物有影响[16]。2016年11月—2017年3月(未掺烧城市污泥前)和2017年11月—2018年3月(掺烧城市污泥后)两段时期，烟气排放量变化情况见图4。
图 4 掺烧城市污泥前后烟气小时平均排放量的变化Figure 4. Change of hourly average emission of flue gas before and after mixed incineration of municipal sludge由图4可知，掺烧城市污泥后垃圾焚烧炉烟气的小时平均排放量比同时段的烟气排放量略有增加。根据统计计算，掺烧城市污泥后烟气的月平均排放量比掺烧污泥前增加了8 621 m3·月−1。这是由于污泥含水率较大(80%左右)，转化的蒸汽量也大，导致烟气量略有增加。从整体上看，掺烧城市污泥对整个垃圾焚烧系统的烟气排放并未产生较大影响。
此外，比较掺烧城市污泥前后废气排口的大气污染物的监测数据(见表2)可知，烟气污染物排放浓度能满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485-2014)的相关标准要求。
表 2 城市污泥掺烧前后废气排口污染物监测数据Table 2. Pollutant monitoring data of waste gas outlet before and after mixed incineration of municipal sludgemg·m−3 工况及标准 颗粒物 氮氧化物 二氧化硫 氯化氢(以HCl计) 掺烧前 1.33~6.00 58.30~100.30 3.30~5.00 4.69~9.14 掺烧后 7.64×10−2~11.30 54.00~118.00 3.00~7.00 4.73~14.40 GB18485-2014 ≤30 ≤300 ≤100 ≤60 工况及标准 汞及其化合物(以Hg计) 一氧化碳 镉、铊及其化合物(以Cd+Tl计) 锑、砷、铅、铬、钴、铜、锰、镍及其化合物 掺烧前 <0.003 2.10~6.30 2.71×10−5~2.58×10−3 4.74×10−2~1.10×10−2 掺烧后 1.0×10−3~1.1×10−2 3.00~11.00 8.20×10−5~6.60×10−3 8.10×10−3~11.10×10−2 GB 18485−2014 ≤0.05 ≤100 ≤0.1 ≤1.0 | Show TableDownLoad:
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垃圾焚烧厂对二恶英进行了监测，监测结果表明垃圾焚烧厂在未直接掺烧城市污泥前后排放的二恶英类均满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》(GB 18485-2014)相关限值(≤0.1 ng·m−3)要求(见表3)。
表 3 掺烧城市污泥前后垃圾焚烧炉二恶英废气监测结果Table 3. Monitoring results of dioxin waste gas from municipal solid waste incinerator before and after mixed incineration of municipal sludgeng·m−3 工况 监测日期 二恶英类毒性当量(TEQ)质量浓度 监测数值 平均值 城市污泥掺烧前 2017-02-27 0.012 0~0.096 0 0.039 5 2017-10-26 0.002 5~0.015 0 0.006 4 城市污泥掺烧后 2018-01-31 0.004 4~0.049 0 0.013 7 | Show TableDownLoad:
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垃圾焚烧厂在生活垃圾掺烧城市污泥后，其排放的污水基本没有变化。在垃圾焚烧厂掺烧城市污泥前(2016年11月—2017年3月)和掺烧城市污泥后(2017年11月—2018年3月)飞灰和灰渣产生量对比情况见图5。在掺烧城市污泥后，垃圾焚烧厂飞灰和灰渣产生量相比较同时段的飞灰和灰渣产生量有减少，掺烧城市污泥对整个垃圾焚烧炉飞灰和灰渣产生量的影响可以忽略。
图 5 掺烧城市污泥前后灰飞和灰渣产生量对比情况Figure 5. Comparison of ash and slag production before and after mixed incineration of municipal sludge根据监测结果，焚烧飞灰样品各项指标均能达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB 16889-2008)。炉渣经过鉴别后属于一般固体废物，交由垃圾填埋场填埋处置。
2.4 污染控制措施
根据前文数据，掺烧污泥比例逐渐增加时，燃烧工况会出现波动，同时烟气量也会有所增加。特别是在比例超过20.0%时，烟气经过2 s的流动，温度低于850 ℃，无法满足完全燃烧的要求，个别污染物排放浓度上升。为有效减少直接掺烧污泥对整个系统的影响，在掺烧过程中对工况和污染控制采取微调措施。
生活垃圾焚烧厂除了采用原有的烟气脱酸和除尘一体化系统、活性炭石灰喷射、炉内脱硝等措施控制烟气中污染物的排放外，还可采取了以下措施：1)严格控制掺烧比例不超过20.0%。在锅炉炉膛温度超过950 ℃，且蒸发量处于稳定期，投入污泥上料系统。根据炉膛温度变化情况，调整入炉污泥掺烧量。同时保证垃圾焚烧炉在正常运行时炉膛内烟气温度大于850 ℃，滞留2 s以上，并使烟气有足够的扰动；2)为有效控制掺烧后CO和二恶英排放浓度的升高，在掺烧过程中提高过量空气系数，以增加炉膛内氧浓度，实现垃圾完全燃烧，从而有效抑制二恶英类的生成。将烟气含氧量控制在6.0%~9.0%，即过量空气系数在1.40~1.75，烟气中CO浓度低于100 mg·m−3(标准状态下)；3)在掺烧过程中，布袋压差因污泥掺烧量的增加出现递增，同时SO2、CO、HCl及重金属的排放略有上升。根据实际工况，在运行中及时调整布袋反吹压力，降低布袋压差，提高布袋的通流性，并根据SO2和HCl的排放情况，调整石灰给料量及再循环返料量。另外，为降低掺烧污泥带来重金属排放增加的风险，在原来的基础上增加污泥中活性炭投放量为0.05 kg·t−1，确保烟气中的重金属达标排放。
掺烧城市污泥过程产生的固体废物主要有焚烧炉炉渣和飞灰等。掺烧城市污泥后，灰渣量相对掺烧污泥前变化不大。为了防止飞灰飞扬对环境的影响，在料仓上设有抽风罩和布袋除尘器，房间内所有的抽风管也都装过滤器或过滤网，各滤网(袋)上积灰定期清除，交给有资质的单位进行处理处置。
3. 结论
1)城市污泥直接掺烧必须符合国家相关规定，直接掺烧的污泥含水率应该小于80.0%，比例不大于20.0%，且必须是一般固体废物才能进入垃圾焚烧厂进行直接掺烧。
2)根据掺烧结果可知，直接掺烧12.5%左右的污泥混烧，对生活垃圾入炉量及焚烧炉稳定以及污染物的排放量均未产生较大影响。根据掺烧城市污泥的烟气监测结果，直接掺烧城市污泥后，排放的污染物浓度略有升高，但都满足排放相关限值要求。掺烧前后产生的固体废物产生量没有太大变化，未对周围环境造成影响。
3)为有效控制废气中各污染物的排放浓度，应严格控制直接掺烧城市污泥的含水率和掺烧比例，根据炉膛温度变化情况(炉膛温度超过950 ℃)，调整入炉污泥掺烧量。在掺烧过程中提高过量空气系数，增加炉膛内氧浓度，抑制二恶英类污染物生成。根据运行情况进行及时调整，适当增加石灰和活性炭的给料量，确保污染物稳定达标排放。
4)生活垃圾焚烧厂按照一定比例直接掺烧城市污泥(含水率80.0%)在技术上可行，污染物排放可控。该技术未来可作为一种解决污泥出路的有效处置方法。
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表 1 燃料组分的基本特性
Table 1. Basic characteristics of fuel components
样品名称 工业分析/% 元素分析/% 热值/(kJ·kg−1) 水分 灰分 挥发分 固定碳 C H O N S F Cl 燃料煤 17.107±0 24.627±1.22 20.067±0.41 38.237±0.81 49.917±0.91 2.517±0.05 8.567±0.27 0.577±0.02 0.737±0.01 0.167±0.01 0.017±0 1.68×104±10 一级渣蜡 0.27±0.11 40.86±3.58 48.29±2.24 10.58±1.77 40.23±2.03 7.49±0.39 7.80±0.39 0.05±0.02 0.05±0.01 0.14±0.02 <0.05±0 2.03×104±1 049 二级渣蜡 0.43±0.04 42.33±1.18 38.59±0.24 18.65±0.91 39.53±6.13 7.63±1.28 7.51±0.69 0.06±0.04 0.28±0.05 0.23±0.03 <0.05±0 1.92×104±2 879 稳定渣蜡 0.73±0.53 40.59±2.73 37.56±3.08 21.12±2.84 35.27±12.22 7.31±2.82 6.29±0.72 0.12±0.11 0.49±0.13 0.33±0.02 <0.05±0 1.49×104±5 660 掺烧燃料 14.36±0.45 28.15±0.29 29.20±2.47 28.42±2.71 42.43±0.63 3.67±0.11 15.30±0.21 0.50±0.01 0.56±0.02 0.16±0.01 0.01±0 1.90×104±334
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表 2 燃料中重金属含量
Table 2. Heavy metal contents in the fuel
mg·kg−1 样品名称 锑 钴 钒 镍 锰 铜 锌 钡 银 燃料煤 0.45±0.02 41.25±25.23 32.50±2.04 9.5070.40 157.00±50.21. 12.50±1.22 23.00±1.63 582.50±20.21 ＜0.10±0 一级渣蜡 0.89±0.11 4.47±0.45 3.20±0.37 54.97±4.01 1.34×104±715 2.95×103±237.63 39.03±3.61 16.23±1.07 1.90±0.19 二级渣蜡 0.44±0.10 2.30±0.72 11.83±2.17 18.50±7.39 1.02×104±1872 1.26×103±214.11 37.83±4.91 161.00±29.72 1.10±0.39 稳定渣蜡 0.09±0.04 3.40±0.31 18.97±4.52 18.57±10.11 735.30±468 64.20±53.82 45.8±1.85 307.33±86.05 0.93±0.53 掺烧燃料 0.46±0.04 10.73±0.54 49.60±1.22 16.20±0.88 470.66±16 61.00±2.25 41.63±0.51 910.33±34.65 0.70±0.12 样品名称 汞 铊 镉 铅 砷 铬 铍 锡 硒 燃料煤 0.03±0.01 <0.40±0 / 9.00±1.63 2.00±0 29.50±2.04 0.84±0.01 3.46±0.03 — 一级渣蜡 0.02±0.01 <0.60±0 <0.30±0 14.07±0.60 10.31±0.57 91.63±3.08 0.07±0. 10.13±0.35 9.42±0.92 二级渣蜡 0.09±0.01 <0.60±0 <0.30±0 14.47±1.03 5.67±0.91 50.00±21.85 0.86±0.18 6.33±0.84 6.97±0.74 稳定渣蜡 0.03±0.01 <0.60±0 <0.30±0 12.83±1.15 1.68±0.38 55.17±22.88 1.64±0.49 5.33±2.09 <0.01±0 掺烧燃料 0.03±0.01 0.20±0 0.01±0 11.96±1.13 2.24±0.25 31.00±1.41 1.22±0.02 2.36±0.33 0.56±0.04
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表 3 采样期间锅炉各区域平均温度
Table 3. The average temperature of each area of the boiler during the sampling
℃ 工况 前墙床温 后墙床温 密相区温度 空白工况 897.29±1.9 891.33±2.0 874.74±1.5 掺烧工况 905.92±1.5 901.65±1.8 884.11±1.2 工况 稀相区温度 炉膛出口温度 空白工况 844.33±1.8 867.02±2.1 掺烧工况 851.59±2.0 873.86±1.9
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表 4 粉煤灰和炉渣的各项指标
Table 4. Indicators of fly ash and slag
样品名称 工况 氟/ (g·kg−1) 硫/% 有机质/% 水分/% 热灼减率/% 粉煤灰 空白工况 0.40±0 0.94±0.03 1.78±0.51 21.2±0.90 1.31±0.41 掺烧工况 0.32±0.02 1.09±0.04 2.19±0.15 27.5±1.80 1.82±0.02 炉渣 空白工况 0.17±0.01 0.10±0.01 0.35±0.11 0.30±0.08 0.26±0 掺烧工况 0.15±0.01 1.43±0.11 0.48±0.09 0.15±0.04 0.29±0.34
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