循環(huán)流化床鍋爐燃煤耦合污泥技術(shù)研究與展望！
隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展、城市化進程的不斷加快，污泥等固體廢棄物產(chǎn)量不斷增加，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻。據(jù)報道，我國市政污泥年總產(chǎn)量逐年增大，2017年底已超過了4000萬t，預(yù)計到2020年將達到6000萬~9000萬t，約合170萬~255萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。為此，習(xí)近平總書記在十九大報告中著重強調(diào)“加強固體廢棄物和垃圾處置”，把堅持“節(jié)約資源和保護環(huán)境”作為一項基本國策，強化社會的節(jié)能環(huán)保意識。《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》提出，推動城市污泥等典型廢棄物集中處理和資源化利用，推進燃煤耦合污泥等城市廢棄物發(fā)電技術(shù)研究。2018年6月，國家能源局、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布了84個污泥、農(nóng)林廢棄物燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電技改項目試點？梢，發(fā)展污泥處置處理技術(shù)，加速燃煤耦合污泥等固體廢棄物處理技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化推廣，已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略，成為我國生態(tài)文明建設(shè)不可缺少的重要內(nèi)容。
在能源和環(huán)保政策等影響下，燃煤耦合污泥研究受到廣泛關(guān)注；電力等企業(yè)也開始摻燒污泥或生物質(zhì)等燃料，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益和社會效益的雙贏。
為保證鍋爐燃燒系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，燃煤鍋爐摻燒污泥的工業(yè)應(yīng)用一般是以煤粉燃燒為主，污泥摻燒為輔。由于煤中固定碳較高、灰分較低，與含水率很高的污泥相比，煤熱值很高，煤粉與污泥的混合燃料熱值遠遠高于污泥熱值。
PIODT等利用中試鼓泡流化床裝置研究了農(nóng)林廢棄物和污泥的燃燒特性。結(jié)果表明，二者可實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，并且污泥的加入未帶來NO、CO和HCl排放增加。COIMBRA等人研究了煙煤與紙漿污泥混燃的可行性，結(jié)果證實該方法可有效處理紙漿污泥，同時減少了CO2和NOx的排放。YANG等人進行了干態(tài)污泥顆粒與煤矸石的摻燒實驗。LIAO等人和HU等人進行了無煙煤和紙漿污泥的摻燒性能實驗，揭示了2種材料在共燃過程中的協(xié)同作用。FUBiao等研究了水煤漿和市政污泥共燃過程中的熱化學(xué)機制及重金屬排放行為，證明了二者燃燒過程中的協(xié)同效應(yīng)。
由于循環(huán)流化床（circulatedfluidizedbed，CFB）鍋爐燃料適應(yīng)性廣、污染物排放低、負荷調(diào)節(jié)范圍大，基于CFB鍋爐的燃煤耦合污泥技術(shù)也受到了廣泛關(guān)注。DONG等人在220t/h的CFB鍋爐上進行了皮革污泥摻燒煙煤的研究。結(jié)果表明，相比于煙煤，皮革污泥表現(xiàn)出更高的反應(yīng)活性，皮革污泥的存在更有益于煙煤的著火。由于污泥灰分較高，在CFB鍋爐摻燒過程中，普遍存在爐膛內(nèi)壁磨損問題。LOUBo等針對污泥摻燒后，CFB鍋爐內(nèi)壁耐磨特性及耐磨材料展開了研究。
雖然CFB鍋爐燃煤耦合污泥研究取得了部分成果，但總體來說，研究系統(tǒng)性有待加強，研究方向也有待進一步明確，尚需在有關(guān)污泥摻燒可行性、污泥燃燒工況評價、污染物一體化脫除等領(lǐng)域開展標(biāo)準(zhǔn)制訂、技術(shù)研發(fā)等工作。
本文從燃燒工況、污染物控制與排放、數(shù)值模擬等方面綜述了CFB鍋爐燃煤耦合污泥研究進展，相關(guān)結(jié)論對于優(yōu)化燃煤耦合污泥處理工藝、明確CFB鍋爐燃煤耦合污泥研究方向、指導(dǎo)污泥合理利用、保護綠水青山具有重要意義。
1、CFB鍋爐燃煤耦合污泥燃燒工況
CFB鍋爐燃煤耦合污泥運行實踐表明，污泥水分和灰分是污泥摻燒企業(yè)最為關(guān)注的兩大指標(biāo)。污泥收到基含水率很高，一般在50%~80%，有的甚至高達90%；污泥灰分也較高，一般高于20%，電鍍等工業(yè)污泥灰分可高于80%。受水分和灰分等因素影響，污泥收到基熱值很低，一般為0.1~15MJ/kg，大多在10MJ/kg以下。這是燃煤耦合污泥摻燒可行性的可選參考指標(biāo)。
摻燒比例是影響CFB鍋爐燃煤耦合污泥燃燒狀況的重要因素。污泥摻燒比例越高，對混合燃料水分和灰分的影響越大。
此外，燃料粒徑也會對CFB鍋爐燃煤耦合污泥燃燒狀況產(chǎn)生影響。
因此，以下將詳細分析污泥水分、灰分、摻燒比例、燃料粒徑等對CFB鍋爐燃煤耦合污泥燃燒狀況的影響。
1.1 污泥水分對CFB鍋爐燃煤耦合污泥影響
污泥含水率高，在摻燒污泥過程中容易出現(xiàn)貼壁粘連、抱團堵塞問題。改變污泥摻燒比例，可引起混合燃料水分、灰分和發(fā)熱量發(fā)生變化，帶來床壓波動；增加污泥摻燒比例，煙氣含水率升高，引起低溫腐蝕，增加CFB鍋爐尾部受熱面積灰或結(jié)渣的可能性，影響風(fēng)機電耗和煤耗、物料循環(huán)倍率和分離器效率，降低鍋爐熱效率，影響煙氣污染物處理水平。
針對污泥含水率高引起的上述問題，山東某熱電企業(yè)CFB鍋爐通過壓濾、增加生活污泥倉內(nèi)攪拌頻率、高溫爐渣或灰與污泥摻混、加裝疏松器等方式降低了污泥水分和黏性，提高了生活污泥燃用量和燃用效率。將機械脫水污泥與稻殼、鋸木、生物秸稈等混合，可降低燃料的含水率。徐正坦和吳松發(fā)研究了利用CFB鍋爐生活垃圾焚燒發(fā)電的煙氣余熱干化污泥，并將干化后的污泥與垃圾一起焚燒發(fā)電的技術(shù)，實現(xiàn)了煙氣余熱和污泥熱值的充分回收利用。工業(yè)鍋爐和發(fā)電企業(yè)鍋爐煙氣排放溫度在100~200℃，可利用電廠尾部煙氣余熱或低品位蒸汽干化污泥，之后進行污泥焚燒處置。污泥干燥系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)貧氧，并且需及時將密閉干燥系統(tǒng)內(nèi)氣體抽吸至鍋爐內(nèi)燃燒處理。將機械脫水污泥經(jīng)尾部煙氣余熱或低品位蒸汽爐外干燥后，與煤、生物質(zhì)、垃圾等混合燃燒，不僅可降低煙氣濕度，還提高了鍋爐熱效率，是目前較為推薦的摻燒方法。
1.2 污泥灰分對CFB鍋爐燃煤耦合影響
相較于煤粉，污泥灰分較高。污泥摻燒比例加大，可引起尾部出渣揚塵或煙道積灰等問題，并且較高的灰分也會對料層壓差和爐膛壓差帶來影響。現(xiàn)有燃煤耦合污泥運行實踐表明，可通過調(diào)整除塵管路降低揚塵，增加吹灰頻次改善尾部換熱面?zhèn)鳠，配燒煤矸石或洗混煤等劣質(zhì)燃料保證床層料位和爐膛差壓。
以市政污泥為例，由于污泥灰熔融性溫度（變形溫度、軟化溫度和流動溫度）均在1167℃以上，而通常CFB鍋爐爐膛溫度在800~950℃，并且污泥與煤粉摻燒狀況下床溫的最佳控制溫度為900℃，因此，燃煤耦合污泥技術(shù)對于減緩CFB鍋爐高溫結(jié)渣將具有積極作用。QIXiaobin等對準(zhǔn)東煤和市政污泥的混合燃燒特性研究也表明，市政污泥的加入可減緩鍋爐尾部受熱面積灰，提高混合燃料灰熔融性，避免低溫?zé)Y(jié)情況的發(fā)生。
針對污泥燃燒過程中的沉積問題，李廉明等研究了在混燒干化污泥與煤的CFB鍋爐爐內(nèi)受熱面沉積層各層成分，晶相分析顯示均為CaSO4，并且認為氯的大量存在是受熱面沉積的根本原因。CaSO4熔點高達1450℃，不具備在受熱面上直接沉積的條件。因此，Ca可能是先與污泥本身和預(yù)處理過程中氯元素結(jié)合形成熔點較低的CaCl2（熔點782℃），形成黏性的初始沉積層，而后轉(zhuǎn)化為CaSO4進一步沉積。
污泥與煤粉摻燒，會引起飛灰或底灰含量增加，為后續(xù)除塵設(shè)備運行帶來壓力。HAORunlong等基于CFB鍋爐的木業(yè)污泥和無煙煤摻燒研究表明：摻燒木業(yè)污泥后，尾部煙氣飛灰含量增多；隨著木業(yè)污泥摻燒比例由0增大至70%，飛灰排放因子呈現(xiàn)線性增長趨勢；當(dāng)摻燒比例進一步增加至100%時，飛灰產(chǎn)率略有下降，這體現(xiàn)了木業(yè)污泥和無煙煤在提高飛灰排放過程中的耦合作用。在無煙煤-木業(yè)污泥共燃過程中，為保證煙氣顆粒物達標(biāo)排放，建議采用電-袋組合式除塵器等更為高效的除塵設(shè)備，以提高細顆粒物脫除技術(shù)水平。
值得注意的是，城市污泥中Na、Mg、Al、Si、Ca、Fe、S、F、P、Zn、Cu、Mn、Ni、Cr、As等元素含量較高，摻燒后各元素更易在飛灰和底灰中富集。因此，燃煤耦合污泥灰分處理或建材資源化利用需得到進一步重視。
1.3 摻燒比例對CFB鍋爐燃煤耦合污泥影響
有關(guān)污泥與煤粉摻燒計算模擬結(jié)果表明，針對某一特定種類污泥，CFB鍋爐爐膛平均溫度隨污泥摻混比例的增加而降低，燃燒劇烈程度及火焰充滿度越來越差。這主要是因為污泥熱值較低，含有大量水分，燃燒特性較差，嚴(yán)重影響了煤粉在CFB鍋爐中的穩(wěn)定燃燒。采用CFB鍋爐焚燒不同種類的污泥時，城市污泥與工業(yè)污泥的燃燒特性相近，摻燒不同種類污泥的CFB鍋爐運行參數(shù)變化較小。
采用CFB鍋爐摻燒污泥時，小比例摻燒（污泥摻燒比例小于20%）對鍋爐燃燒參數(shù)，如爐內(nèi)溫度場變化影響不大。通過適當(dāng)調(diào)整過量空氣系數(shù)、一二次風(fēng)配比、燃料在爐膛的停留時間等參數(shù)即可滿足運行要求。但是當(dāng)大比例摻燒污泥時，如摻燒比例超過20%，甚至大于30%時，燃燒區(qū)平均溫度和最高溫度均大幅下降，爐內(nèi)燃燒不穩(wěn)定；并且，由于污泥快速燃盡，需不斷向爐內(nèi)添加煤粉穩(wěn)定燃燒，這就增加了煤耗，降低了運行經(jīng)濟性。
另有研究和實踐表明，相較于單獨燃燒煤粉，當(dāng)污泥摻燒比例約7.50%時，可使CFB鍋爐爐膛溫度降低約20℃，此時鍋爐熱效率約為85%~87%；當(dāng)污泥摻燒比例繼續(xù)增大到31.94%時，爐膛溫度逐漸降低，鍋爐熱效率也隨之降低。這是由于污泥含水率很高，更多污泥摻燒進入爐膛，水分蒸發(fā)吸收了爐膛中更多熱量，引起爐膛溫度下降，排煙體積增大，排煙熱損失升高，機械不完全燃燒熱損失也可能加大，最終造成鍋爐熱效率降低。因此，燃煤電站協(xié)同處置污泥時，應(yīng)盡量避免大比例摻燒污泥。若進行大比例摻燒，則需要對污泥燃燒特性及含水率等進行嚴(yán)格分析。
相對于煤粉單獨燃燒，20%的污泥摻燒比例已足夠改變煤粉的某些燃燒特性，這也與實際中電廠協(xié)同處置污泥時摻燒比例普遍較低相對應(yīng)。在CFB鍋爐富氧燃燒過程中，煤粉和污泥混合比可適當(dāng)提高至1:1。
綜上，考慮工業(yè)運行實際，在保證污泥摻燒總量的前提下，針對不同種類、不同來源污泥，CFB鍋爐燃煤耦合污泥摻燒比例不宜大于30%。
1.4 燃料粒徑對CFB鍋爐燃煤耦合污泥影響
合理的燃料粒徑應(yīng)依據(jù)燃料燃盡特性確定。根據(jù)煤粉最佳經(jīng)濟細度經(jīng)驗式，若污泥干燥無灰基揮發(fā)分wdaf(V)大于25%，則污泥最佳經(jīng)濟細度R90經(jīng)驗式為
由式(1)顯見，R90與wdaf(V)成正比。以福建無煙煤為例，其揮發(fā)分一般低于5%。相比于普通市政污泥，木屑污泥、印染污泥等一般工業(yè)污泥wdaf(V)較高。因此，這些污泥與福建無煙煤摻燒后，混合燃料揮發(fā)分升高，其可燃性相較于福建無煙煤增強。混合燃料相較于福建無煙煤較易燃盡，因此其粒徑取值可偏大。
2、CFB鍋爐燃煤耦合污泥污染物排放研究分析
2.1 摻燒污泥對NOx、SOx生成和排放的影響
岳峻峰等認為，一般情況下，CFB鍋爐摻燒污泥對NOx生成和排放影響有限。這是因為，可通過空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環(huán)、污泥中可能含有的尿素或氨水、現(xiàn)有NOx脫除設(shè)備等措施控制NOx生成和排放。
同時，SOx尤其是SO2排放濃度受摻燒污泥后燃料硫分決定，生成的SO2也可能與灰中氧化物反應(yīng)生成硫酸鹽，因此，摻燒污泥對最終SO2排放濃度影響也不大。
李志偉在CFB試驗臺上開展了城市污泥與煤的焚燒試驗，研究了過量空氣系數(shù)對SO2、NOx排放特性的影響。結(jié)果表明，過量空氣系數(shù)的增加導(dǎo)致N2O排放濃度和燃料氮向N2O轉(zhuǎn)化率降低，NO排放濃度和燃料氮向NO轉(zhuǎn)化率增加，燃料硫向SO2轉(zhuǎn)化率上升。朱化軍等研究表明：隨著污泥摻燒量增大，CFB鍋爐流化床密相區(qū)和稀相區(qū)的溫度均明顯下降；煙氣中自由基O、OH、H的濃度降低，從而使得形成NO的最主要均相反應(yīng)減弱，最終導(dǎo)致NOx排放濃度隨著污泥摻燒量增大而下降。需要說明的是，在污泥投入爐內(nèi)的瞬間，SO2、NOx瞬時排放較燃煤時高出許多，說明了較高揮發(fā)分的污泥對燃燒的促進作用。ZHAOZhenghui等研究表明：在煤粉與污泥混合燃燒的揮發(fā)分析出燃燒階段，隨著污泥摻燒比例增加，SO2釋放量隨之增加；但由于污泥灰分較高，同時灰分對含硫成分具有保留作用，焦炭燃燒階段SO2釋放受到抑制。這與文獻有關(guān)煤粉與污泥燃燒初期SO2快速釋放的研究成果一致。
總體而言，污泥摻燒對于SO2和NOx排放的影響有限。
2.2 摻燒污泥對二噁英的生成和排放的影響
童敏等研究表明，城市污泥中氯元素含量較高，摻燒污泥需考慮二噁英（PCDD/Fs）生成與排放問題。污泥中有機硫在燃燒環(huán)境中可將活性氯氧化成氯化氫；煙氣中二噁英也較易吸附在飛灰顆粒上，并經(jīng)除塵系統(tǒng)吸附捕集。一般而言，可以從燃料源頭和燃燒中、燃燒后控制角度考慮污泥摻燒過程中二噁英的控制措施。
1）在燃料源頭方面，可以選擇摻燒含氯有機物低或不含氯元素的污泥？紤]到金屬元素在高溫燃燒過程中可能存在的對二噁英等污染物生成的催化作用，摻燒污泥種類也盡量選擇金屬含量低或者不含金屬的污泥。
2）在燃燒中控制技術(shù)方面，需要對燃燒溫度、停留時間、氧氣供給量、煙氣紊流等燃燒條件進行優(yōu)化控制。若燃燒溫度為850℃，則煙氣停留時間至少保證2s以上；若燃燒溫度為1000℃，則停留時間至少保證1s以上，以此來降低二噁英的生成和排放濃度。
3）在燃燒后控制方面，一種方式是快速降低尾部煙氣在煙道停留時間或者實現(xiàn)煙氣快速冷卻。但受限于燃煤發(fā)電企業(yè)煙氣量大等因素影響，煙氣快速冷卻操作難度較大。另一種方式是保證較高飛灰脫除率。因為飛灰可以為二噁英反應(yīng)提供活性表面，所以采用電袋復(fù)合除塵器等高效除塵技術(shù)保證飛灰高效脫除也是控制污泥摻燒過程中二噁英生成與排放的有效方式。
2.3 摻燒污泥后的重金屬排放問題
除SOx、NOx、二噁英外，污泥摻燒后重金屬排放問題也需得到重視。
ZHANGShaorui等研究表明，隨著污泥摻燒量的增加，煙氣中重金屬排放也明顯增加。為滿足國家有關(guān)重金屬排放標(biāo)準(zhǔn)，污泥摻燒量應(yīng)控制在10%以下；并且由于Cr、Ni、Cu和Pb等重金屬浸出毒性的影響，除塵設(shè)備捕集的飛灰需進一步處置后才能進行填埋或再利用。M.HelenaLOPES等認為：與市政污泥的重金屬含量相比，除塵設(shè)備底灰中重金屬含量較高，但浸出毒性較低，這也為底灰的進一步利用提供了機會；然而，由于旋風(fēng)分離設(shè)備中未燃盡碳的影響，該處灰樣中汞含量較高，有關(guān)污泥摻燒后汞污染物控制需重點關(guān)注。
3、CFB鍋爐燃煤耦合污泥燃燒機理分析
研究表明，污泥中可燃成分主要是揮發(fā)分，固定碳含量較少。燃煤耦合污泥技術(shù)可借助煤中較高的固定碳含量促使混合燃料穩(wěn)定持續(xù)燃燒，即混合試樣燃燒速率主要取決于煤粉燃燒。在燃燒的低溫階段（約500℃以下），污泥著火方式可認為是均相燃燒；在高溫段（高于500℃），燃燒方式應(yīng)為多相燃燒。
不同污泥和煤粉摻燒比的試樣的燃燒都可分為干燥脫水、揮發(fā)分等有機物析出和燃燒、高分子大沸點有機物分解燃燒、固定碳及殘留物燃燒分解4個階段，這與煤粉燃燒過程大致相同。其中，揮發(fā)分的析出與燃燒是燃燒的初始階段，對燃料的著火、燃燒的穩(wěn)定性及燃盡有著重要影響。一方面，揮發(fā)分析出使得燃料顆粒質(zhì)量降低，揮發(fā)分燃燒又在氣相加速了燃料的著火與燃燒，提高了燃燒反應(yīng)前期的反應(yīng)能力；另一方面，揮發(fā)分的析出與燃燒使得顆；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)﹑表面形態(tài)及孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，影響了O2向顆粒表面和孔隙內(nèi)擴散能力，改變了焦炭的反應(yīng)能力和燃燒速率，提高了混合燃料的綜合燃燒燃盡能力。
基于木屑污泥、印染污泥、市政污泥等揮發(fā)分較高的特性，將污泥與無煙煤或其他煤粉進行摻燒，充分利用混合燃料揮發(fā)分析出和燃燒釋放的熱量，有利于混合燃料的著火和燃盡。
4、CFB鍋爐燃煤耦合污泥數(shù)值模擬
目前，CFB鍋爐燃煤耦合污泥的整體數(shù)學(xué)模型基本可以分為兩大類：
1）以設(shè)計CFB鍋爐控制系統(tǒng)為主要目的，主要關(guān)注重要輸入輸出參數(shù)，通過系統(tǒng)辨識CFB鍋爐動態(tài)過程的“控制模型”；
2）依據(jù)CFB燃燒理論、實驗成果和經(jīng)驗公式，結(jié)合CFB床內(nèi)流動、燃燒、傳熱等建立起來的“機理分析模型”，主要用于燃煤耦合污泥CFB鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化與運行指導(dǎo)。
目前，涉及燃煤耦合污泥CFB鍋爐固體物料破碎、磨損、燃燒、傳熱等系統(tǒng)過程的計算流體力學(xué)模型還未出現(xiàn)，已有的燃煤流化CFB鍋爐計算流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型也有待完善。
5、總結(jié)與建議
1）采用現(xiàn)有CFB鍋爐技術(shù)，進行煤粉與城市污泥摻燒，相比于新建污泥焚燒爐具有投資省、成本低等優(yōu)點。對城市污泥進行焚燒處理不但能回收能源，還能實現(xiàn)最大程度的減量化，是城市污泥最佳處置技術(shù)之一。
2）在CFB鍋爐燃煤耦合污泥摻燒運行和設(shè)計過程中，需注意污泥水分、灰分對燃燒狀況的影響，保證爐膛溫度和燃燒的穩(wěn)定性，避免由于污泥摻燒比例過大，煙氣含水率和酸露點升高，引起尾部受熱面低溫腐蝕，污泥摻燒比例不宜大于30%。
3）根據(jù)污泥種類和污泥中硫、氮等元素含量變化，調(diào)整原有煙氣污染物處理工藝參數(shù)，可保證污染物達標(biāo)排放。調(diào)整爐膛燃燒溫度、煙氣停留時間和尾部煙氣溫度等運行參數(shù)變化，可避免由于污泥摻燒帶來的二噁英生成與排放問題。加強對污泥的吹洗清理，可減少污泥輸送和噴入過程中的粘結(jié)和板結(jié)。
4）為提高污泥焚燒技術(shù)的資源化利用程度，還需開展如污泥干化、灰渣中重金屬含量、固化與回收，飛灰浸出毒性、制磚和水泥綜合利用評價等研究工作。其中，污泥干化后廢汽可通過密封管道與空氣一同輸入鍋爐爐膛進行燃燒，廢水經(jīng)檢測若無有害成分，可排入污水管網(wǎng)，否則需按照危險廢物有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行妥善處置。
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