1、研究背景
目前，市政污泥（以下簡稱“污泥”）協同焚燒在國內以燃煤電廠協同焚燒方式為主，已經成為污泥處理處置的重要補充方式。燃燒可最大程度上實現污泥減量化和無害化，還可回收污泥中的熱能。從政策層面，我國對污泥進行燃煤電廠協同焚燒處置持鼓勵態度。例如，《城鎮污水處理廠污泥處理處置技術指南（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備，節省投資和運行成本。《指南》還指出，在具備條件的地區，鼓勵污泥在火力發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施方案》中提及，含重金屬和難以生化降解的有毒有害有機物的污泥，應優先采用集中或協同焚燒方式處理；有效利用本地垃圾焚燒廠、火力發電廠、水泥窯等窯爐處理能力，協同焚燒處置污泥。
燃煤電廠鍋爐主要包括循環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同焚燒。我國已有很多燃煤電廠開展了污泥協同焚燒工作，循環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同焚燒處置相關的強制性泥質標準，僅部分標準對污泥摻燒比例進行了限定。例如，《城鎮污水處理廠污泥處理處置技術指南（試行）》中規定，在現有熱電廠協同處置污泥時，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目時沒有具體準則，實施過程多樣，不利于行業的可持續發展。
污泥含水率較高、有機質含量較低、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，也會導致設備磨損；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生變化。此外，部分電廠運營人員擔心污泥協同焚燒會加劇燃煤鍋爐結焦程度而導致項目難以開展。但是，狄萬豐等通過在1000MW機組開展污泥摻燒試驗發現，摻燒污泥后爐內結焦情況并無明顯加劇。
目前，關于燃煤電廠協同焚燒處置污泥時其成分對鍋爐結焦影響和污泥結渣特性的研究鮮有報道。針對污泥協同焚燒是否會造成電廠燃煤鍋爐結焦的問題，通過調研若干污泥協同焚燒項目，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生的影響，為污泥脫水調理劑的選擇提供了一定的依據。此外，通過綜合判別指數計算，對調研項目的污泥結渣特性進行了預測，可供類似工程項目參考。
2、材料與方法
2.1 污泥來源
調研采樣檢測的污泥分別來自內蒙古、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、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，燃煤電廠協同焚燒污泥可能會引發設備腐蝕問題以及煙氣中二口惡英等污染物的排放情況發生變化，因此對污泥中的Cl元素進行含量分析。檢測方法參考《生活垃圾化學特性通用檢測方法》（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，是煤質的重要分析指標，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。值得說明的是，灰熔點低的煤種在燃燒時結焦傾向較高。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行檢測。
3、結果與討論
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《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會造成嚴重設備腐蝕，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渣；另一方面，考慮到煙氣指標中二口惡英類污染物排放風險，摻燒污泥中的氯含量應越低越好。基于調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%（一般情況難以達到，僅用于計算污泥最大摻燒干基量下的極限值）的條件下，根據燃煤鍋爐內可允許達到的燃料Cl含量極限值（0.15%）進行反算，得出污泥干基Cl含量極限值為1.57%。因此，燃煤電廠協同焚燒處置的污泥在脫水過程中選擇調理劑時，不宜使用含氯類污泥調理劑；若為保障出泥含水率達標，必須添加含氯類調理劑時，則應合理調節藥劑的添加比例，使污泥干基中氯含量不高于1.57%。
調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%，大多數為1.0%~3.0%，其中無機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渣傾向較高，摻燒污泥中的硫含量應越低越好。陳招妹等統計了全國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《商品煤質量煤粉工業鍋爐用煤》（GB/T26126—2018）中規定的硫含量限值1%進行反算，得出污泥干基中硫含量極限值為3.11%。因此，燃煤電廠協同焚燒處置的污泥在脫水過程中選擇調理劑時，不宜使用含硫類污泥調理劑；若為保障出泥含水率達標必須添加含硫類調理劑時，則應合理調節藥劑的添加比例，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《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℃）。
劉京燕等發現銀川南部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均高于1500℃，屬于不熔煤種。據統計，我國動力用煤的煤灰熔融性差異很大，但大多數煤灰的ST均在1250~1350℃范圍內。因此，調研的部分樣品的污泥灰熔融性與大多數燃煤相當。
由于鍋爐結焦結渣的因素較多，僅從灰熔融性的角度，不能完全預測污泥燃燒時的結渣傾向，可參考燃煤結渣特性研究，分析污泥灰氧化物成分，并結合酸堿比、硅鋁比、硅比、鐵鈣比等指標進行綜合判斷。此外，李天榮研究發現，當灰熔點較低的煤種配灰熔點較高的煤種時，可避免鍋爐結焦，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同焚燒時，在一定程度上也可避免鍋爐結焦。
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理劑，可能導致污泥灰分中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。這是因為CaO在高溫下極易與其他礦物質發生化學反應，形成鈣長石、鈣黃長石等低熔點礦物質；當煤灰中CaO含量過高時，可能會形成高灰熔點的硅酸鈣，且存在較多CaO單體，將導致煤灰熔點隨CaO增加而升高。劉碩研究發現，CaO摻加比例為20%時FT最低，而繼續提高CaO比例時，FT開始逐步升高。呂宏俊等在系統中加入CaCO3后，焚燒爐在850和950℃下流化都很正常，結焦結渣比較輕微。
根據調研數據，污泥灰分中CaO含量與灰熔融性的關系如圖4所示。可以看出，當CaO含量超過30%時，灰熔點出現明顯升高趨勢，與前文論點一致。新疆準東煤是一種典型高鈣鐵含量的煤種，鈣鐵含量遠遠超過國內常見的褐煤和煙煤，其煤灰中CaO含量高達15%~35%、Fe2O3含量達到6%~20%。30MW以上的發電機組在燃燒準東煤時出現了嚴重的爐膛結焦現象，為了降低結渣傾向，一般將準東煤與高灰熔點的煤種進行摻燒，準東煤摻燒比例一般為50%，最高可達到75%左右。調研污泥灰中的CaO含量變化幅度較大（1%~62%，平均為18%），最高值約為準東煤的2倍，但污泥摻燒比例遠低于準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的影響可控，但應避免污泥成分中鐵鈣比接近1，以免出現鐵鈣協同結渣現象。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），實現了爐內脫硫的目的，脫硫效率達到90%~95%。
污泥灰分中Fe2O3含量與灰熔融性的關系如圖5所示。可以看出，兩者未表現出明顯規律。煤粉中含鐵礦物對結焦結渣特性的影響較為復雜，與礦物含量、種類、存在形式以及鈣的共生關系等都密切相關。李慧慧對燃煤鍋爐水平煙道不同部位的沉積物進行元素分析，發現沉積物中存在較高含量的鐵和硫，說明結焦主要源于含有鐵和硫的低熔點化合物。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熔融態中間體，當與低熔點的含鈣礦物反應生成鈣鐵低溫共熔體后，會加劇灰顆粒之間的團聚，從而加劇結焦現象。因此，鐵鹽調理劑在污泥脫水過程中不宜使用。綜上，燃煤電廠協同焚燒處置的污泥在脫水時不宜使用FeCl3或Fe（2SO4）3調理劑。
此外，當煤灰中SiO2含量不高時，其具有助熔作用；當SiO2含量高且無適量金屬氧化物與之結合時，煤灰中會存在較多的游離SiO2，使得煤灰熔融性提高。還有研究者認為，污泥調理劑中的Al和Si元素有利于提高灰熔點，但應控制二者比例，避免因硅鋁比大于2.65而出現協同結渣現象。
3.4 污泥結渣特性
參考燃煤結渣特性分析，污泥結渣特性可從以下幾個方面進行考慮：①硅鋁比（SiO2/Al2O3）；②鐵鈣比（Fe2O3/CaO）；③硅比（G）；④酸堿比（B/A）；⑤硫分結渣指數（RS）。調研的污泥樣品結渣特性指標計算結果和結渣傾向界限值分別如表2、3所示。根據表3中的界限值，預測污泥結渣傾向結果如表4所示。同一樣品的不同指標預測結果，都出現了互相矛盾的現象，從現有的指標角度預測是輕微結渣或不結渣，但從其他指標角度預測又是嚴重結渣。這與文獻中的結果類似，這是因為各個指標在結渣傾向預測中都存在相應的權重。
根據《大型煤粉鍋爐爐膛及燃燒器性能設計規范》（NB/T10127—2018），計算可得樣品A~I的綜合判別指數即結渣特性指數（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為中等結渣（1.75≤RZ≤2.25），樣品H為中等偏嚴重結渣（2.25<RZ結渣（RZ≥2.5）。因此，針對樣品A、E、F和樣品G污泥，電廠應盡量降低污泥摻燒比例并提高鍋爐結焦檢修頻率。
綜合以上分析可知，污泥在燃煤電廠協同焚燒處置一定會造成鍋爐結焦的結論并不準確，一方面泥質對結渣傾向的影響較大，另一方面燃煤種類、燃燒時介質性質、爐膛溫度、灰分含量等也會對鍋爐結焦造成一定影響。例如，燃燒工藝參數調整不當會造成鍋爐內局部缺氧和CO、H2等還原性氣體產生，可能導致高熔點的Fe2O（31565℃）被還原為低熔點的FeO（1369℃），從而使結渣傾向升高。因此，在燃煤電廠協同焚燒污泥處置項目實施前，首先應選擇合適的污泥脫水調理劑（如有脫水環節），然后開展摻燒小試及中試，對摻燒條件和工藝參數進行驗證。
4、結論
①氯和硫元素對設備管道腐蝕、結渣特性和煙氣污染物排放等具有顯著影響，燃煤電廠協同焚燒處置的污泥中氯和硫含量應越低越好，污泥脫水不宜使用含氯類或含硫類污泥調理劑；若為保障出泥含水率達標必須添加含氯類或含硫類調理劑時，應合理調節藥劑的添加比例，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含量的增大呈現先降低后升高的趨勢，當CaO含量超過30%后，灰熔點出現升高趨勢，同時CaO還可進行爐內脫硫，因此污泥脫水可投加一定量石灰；污泥灰熔融性與Fe2O3含量的關系未表現出明顯規律，但含鐵礦物易與其他礦物形成低溫共熔體而加劇鍋爐結焦，因此污泥脫水不宜添加鐵鹽調理劑，尤其是FeCl3或Fe（2SO4）3。此外，應控制污泥中的鐵鈣比例，避免鐵鈣比接近于1而出現協同結渣現象。
③結合灰熔點、硅鋁比、硅比和酸堿比指標，通過綜合判別指數計算可知，調研的9個污泥樣品中有4個為中等結渣，1個為中等偏嚴重結渣，剩余4個為嚴重結渣。針對預測為嚴重結渣的污泥，電廠應盡量降低污泥摻燒比例并提高鍋爐結焦檢修頻率，最大程度上降低污泥摻燒帶來的不利影響。（來源：北京恒潤慧創環境技術有限公司，華電水務科技股份有限公司，北京首創生態環保集團股份有限公司）
