生活垃圾焚燒爐排爐摻燒污泥對灰渣特性的影響

張瑞娜

生活垃圾焚燒爐排爐摻燒污泥對灰渣特性的影響

張瑞娜

(上海環(huán)境衛(wèi)生工程設計院有限公司，上海生活垃圾處理和資源化工程技術研究中心，上海 200232)

本研究以生活垃圾焚燒爐排爐摻燒污泥的運行項目為依托，經(jīng)過近半年的現(xiàn)場運行發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)多處位置易產(chǎn)生結焦．對焦樣和灰渣采集，并使用XRF、SEM和EDS等樣品測試，分析討論垃圾焚燒爐摻燒污泥對灰渣特性的影響及產(chǎn)生結焦的主要原因．研究結果表明：由于污水處理過程中含鐵絮凝劑的加入，使污泥中含有大量的Fe，摻燒污泥后易形成低溫熔融的鐵系復鹽，呈現(xiàn)燒結狀態(tài)，這是焚燒爐火焰區(qū)結焦的主要原因；垃圾中含有較多的Na、K，鐵的加入易與底渣的Si、Al結合，從而降低了Si、Al捕捉Na、K的能力，隨氣流上升到爐膛上部的Na、K生成低熔點硫酸鹽，是造成煙道區(qū)結焦的原因之一；由于焚燒爐喉口尺寸狹窄，爐內(nèi)拐點引起顆粒慣性撞壁，讓未燃盡的炭粒撞擊到墻壁，炭粒表面的高溫促成了喉口附近結焦．結焦特性的研究對于改進污泥摻燒工藝有一定的理論指導意義．

生活垃圾；焚燒爐；污泥；結焦

隨著工業(yè)化和城市化進程的發(fā)展，城市污水處理廠產(chǎn)生的污泥量逐步增加，對環(huán)境造成了嚴重威脅[1].污泥是廢水處理的副產(chǎn)品，2007年至2013年，中國產(chǎn)污泥總量年均增長率達到13%[2]，2014年產(chǎn)干污泥712萬噸[3]．2018年排放污水污泥3100萬噸(含水率85%)．污泥的處理變成一個具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境問題．污泥處置有3種主要方式：填埋、堆肥、焚燒或熱轉化[4]．其中，城市污水污泥焚燒已成為主要的處理技術之一．通過焚燒，可以在有效減量化、能源資源再利用中發(fā)揮重要作用，焚燒應用逐漸增多．

污泥焚燒可分為直接焚燒和協(xié)同焚燒兩類．由于污泥的含水量高且熱值低，直接焚燒需通過機械脫水降低污泥的含水量、提高熱值，在鍋爐中無法單獨穩(wěn)定燃燒．因此，通常采用污泥與煤或者其他輔助燃料混合燃燒的方法來進行污泥處置[5-6]．國內(nèi)外對污泥與垃圾混合燃燒已進行了相關研究與實踐[7-8]．在早期的歐洲、日本等國家和地區(qū)，通過將城市污泥按10%左右的比例運送到垃圾焚燒廠或燃煤電廠進行協(xié)同處理城市污泥，但是國外協(xié)同焚燒案例中爐型多以流化床為主[9-10]．關于垃圾焚燒爐排爐協(xié)同焚燒污泥的研究發(fā)展很快，目前國內(nèi)已經(jīng)有很多工程案例. 馮淋淋等[11]采用數(shù)值模擬的方法對污泥摻燒時大型垃圾焚燒爐排爐爐膛焚燒過程及尾部煙道進行熱態(tài)模擬，發(fā)現(xiàn)添加質量分數(shù)10%的污泥在垃圾焚燒爐排爐中摻燒對垃圾焚燒爐燃燒熱穩(wěn)定影響較?。畻铊蚵?shù)萚12]以某臺350t/d垃圾焚燒爐為研究對象，利用CFD數(shù)值模擬方法研究摻混不同比例半干化污泥下的燃燒特性以及污染物排放特性，發(fā)現(xiàn)7%是比較合適的污泥摻混量，且NO生成量與污泥摻混量成正相關[12]．

本研究以在中國應用的主流爐型垃圾焚燒爐排爐摻燒污泥的運行項目為依托，經(jīng)過近半年的現(xiàn)場運行后，在焚燒爐年度例行檢修過程中，對焚燒爐膛、一煙道和余熱鍋爐進行焦樣和灰渣采集，以分析污泥與生活垃圾摻燒后產(chǎn)生的結渣現(xiàn)象，并通過XRF、SEM和EDS等分析測試對焦樣、渣樣的成分及產(chǎn)生結焦的可能原因進行了解析．

1?垃圾焚燒爐摻燒污泥工業(yè)示范試驗

1.1?焚燒爐摻燒污泥試驗及工況

研究的焚燒爐為上海市某垃圾焚燒廠的垃圾焚燒爐．該焚燒爐為三段式爐排爐，爐排間有一定的落差，使用再循環(huán)煙氣作為主要的二次燃燒室配風，混合爐排不均勻煙氣的氣體，同時具有控制溫度的作用，具體爐型見圖1．圖中標注了主要樣品灰渣的取樣位置．焚燒爐爐膛中設置有中間拱，中間拱與焚燒爐前拱形成副煙道，與后拱形成主煙道．燃燒段產(chǎn)生的煙氣一部分流經(jīng)副煙道，另一部分流經(jīng)主煙道，最后在爐膛出口處匯和，通入一煙道．

火焰區(qū)包括A—爐膛，B—副煙道，C—中間隔板上部；喉口區(qū)包括D—前拱，E—后拱；煙道區(qū)包括F—前置蒸發(fā)器，G—三級過熱器

1.2?燃料特性及運行效果

本文研究的污泥是在上海市某污水處理廠采集的污泥樣品，與焚燒廠摻燒的污泥來源一致，生活垃圾是進入焚燒廠垃圾坑的垃圾樣品．對污泥和生活垃圾進行工業(yè)分析及元素分析測試，具體數(shù)據(jù)見表1．生活垃圾及污泥的XRF數(shù)據(jù)見表2．由表1可以看出，污泥的灰分質量分數(shù)約占50%，揮發(fā)分含量也較高，占48.34%，固定碳含量則較少，只有約1.47%.相比于生活垃圾，污泥中N、S含量較高．表2顯示生活垃圾及污泥中都含有較高的CaO，生活垃圾中含有較多的Na2O和K2O，而污泥中SiO2、Al2O3、Fe2O3等含量較高．

表1?生活垃圾及污水污泥的工業(yè)分析與元素分析

Tab.1?Proximate analysis and ultimate analysis of domestic waste and sewage sludge

表2?生活垃圾及污水污泥的灰成分質量分數(shù)(XRF測試)

Tab.2?Ash composition analysis of domestic waste and sewage sludge(XRF) %

在垃圾焚燒爐中進行了垃圾摻燒污泥的工業(yè)示范試驗．工業(yè)示范試驗經(jīng)過半年的運行，發(fā)現(xiàn)運行過程中焚燒爐結焦較為明顯，在計劃停爐檢修過程中，進行了現(xiàn)場焦樣和灰渣樣品的采集．

2?結焦問題分析

2.1?結焦樣品測試分析

生活垃圾與污泥都具有熱值低、灰分高、熱值變化大、灰分含量高等特點，因此垃圾摻燒污泥后再焚燒過程中情況較為復雜，垃圾摻燒污泥后發(fā)生結焦問題比一般燃料燃燒過程更為復雜．為進一步研究焚燒爐結焦問題，對爐內(nèi)結焦樣品進行采樣分析，具體采樣位置見圖1．根據(jù)各個位置采集的樣品，樣品呈現(xiàn)略紅褐色，各位置都是硬度較大的大塊結焦樣品．

對采集的焚燒爐內(nèi)結焦樣品進行灰熔點測試，測試結果如表3所示，可見除D處灰熔點高于1400℃，其余均小于1400℃，且A、B、C位置處灰熔點不到1300℃，灰熔點低是摻燒污泥后產(chǎn)生結焦的主要原因．

表3?焚燒爐各個位置焦樣的灰熔點測試結果

Tab.3 Test results of ash melting point of coke samples at various locations of incinerator?℃

2.2?火焰區(qū)結焦原因分析

圖2為A、B、C三個位置處的XRF測試數(shù)據(jù)，火焰區(qū)焦樣中主要含有Ca、Fe、Si，幾乎沒有堿金屬Na、K和SO3．根據(jù)表3中灰熔點數(shù)據(jù)可知，焚燒爐內(nèi)A、B、C位置處灰熔點較低，灰熔點低是發(fā)生結焦的根源．對A處灰進行灰成分XRD測試，數(shù)據(jù)見圖3，圖中可見結焦處主要是不定型物質，未測出明顯的晶體結構．

圖2?A、B、C位置灰成分的XRF數(shù)據(jù)

圖3?A處灰成分XRD測試

在焚燒過程中結焦的主要過程包括固-固反應和氣-固反應，其中鐵系復鹽的生成反應是固相參與的

主要形式，堿金屬和堿土金屬在煙氣中的固硫反應生成硫酸鹽是氣-固反應的主要形式．由于污水處理過程中含鐵絮凝劑的加入使污泥中含有大量的Fe，在火焰區(qū)域主要發(fā)生鐵系復鹽的生成反應，生成過程中會發(fā)生的主要反應包括：

火焰區(qū)域呈現(xiàn)富燃料、過量空氣系數(shù)低的狀態(tài).在該還原氣氛下FeCO3、FeSO3、Fe2O3等分解成FeO，而FeO會和Al2O3、SiO2等形成一系列復鹽[13-14].鐵含量高，形成低溫熔融的鐵系復鹽，且大多以非晶體的燒結不定形物存在，這是灰熔點偏低的主要原因．對比A、B位置的灰熔點，C灰熔點偏高，主要原因除了含有較少的FeO外，還因為含有較高CaO，當CaO在灰中的含量較高時，由于灰中形成了高熔點的單體CaO等物質，能夠使灰樣的灰熔點升高[15]．

2.3?煙道區(qū)結焦原因分析

對F、G位置進行灰成分XRF測試，結果見圖4．在煙道區(qū)域，灰成分中的Fe變少，SiO2、Al2O3偏低，而硫酸鹽(鈉鹽、鉀鹽)含量較高．

對F位置進行灰成分XRD測試，結果見圖5，只測出主要成分CaSO4的晶體成分，沒有測出Na、K鹽的對應晶體成分．

圖4?F、G位置灰成分XRF數(shù)據(jù)

圖5?F位置灰成分XRD數(shù)據(jù)

灰中的固硫反應主要發(fā)生在爐膛上部，固硫反應溫度區(qū)間為800～1000℃，主要反應方程式有：

這里M指Na、K、Mg、Ca等堿金屬或堿土金屬．晶體CaSO4的灰熔點溫度較高，因此形成結焦的可能原因是Na、K鹽．這里雖然因為其含量較少，XRD沒有測出其明顯的鈉鹽、鉀鹽晶體結構，但是從XRF測試可見該物質是存在的．其熔點低也成了飛灰發(fā)生結焦的原因之一．

2.4?喉口區(qū)結焦原因分析

對D、E位置進行灰成分XRF測試，結果見圖6．其中，灰中Na2O、K2O、SO3含量很高．圖7為E位置處灰成分XRD數(shù)據(jù)．從灰成分的比較來看，喉口位置的灰成分是燃燒區(qū)、煙道區(qū)的過渡形態(tài)，同時含有一些低灰熔點的鐵系復鹽和硫酸鹽．

圖6?D、E位置灰成分的XRF數(shù)據(jù)

圖7?E位置灰成分XRD數(shù)據(jù)

對焚燒爐內(nèi)結焦樣品進行了含碳量測試．根據(jù)測試結果得出，喉口位置即D、E處焦樣含碳量較多，為8%～10%，喉口處由于阻擋墻體的作用，喉口位置狹窄，讓未燃盡的炭粒撞擊到墻壁，燃燒中炭粒表面的高溫易形成熔融灰渣，造成結焦．

3?摻燒污泥后垃圾灰的變化

利用掃描電鏡(SEM-EDS)分析了不同位置結焦樣品的顯微組織及相應的元素種類及含量．選取了火焰區(qū)位置A和煙道區(qū)位置F進行SEM-EDS分析．圖8為A、F位置處SEM測試的灰渣形貌．由圖8(a)可見，A處灰渣呈燒結的熔融狀態(tài)，熔為一個整體．圖8(b)中F位置處不是全部呈熔融狀態(tài)，而是呈現(xiàn)鱗片狀結構，眾多塊狀物質黏在一起．

在圖8樣品中測試5個局部位置的EDS元素成分，平均結果見圖9，給出了灰的局部位置的元素組成．可見A處主要元素是Ca、Fe、Si、Al，主要含有較多的低熔點鐵系復鹽和硅鋁酸鹽，而F處除了Ca含量較多外還有較多的S、Mg、K、Na等元素，主要是因為含有較多硫酸鹽，也有一定的低灰熔點鈉鹽、鉀鹽等物質，低熔點物質讓灰熔點較高的CaSO4等黏附在一起，呈現(xiàn)了鱗片狀結構．這也是F處灰雖然熔點較高，但仍發(fā)生結焦的原因．同時，SEM-EDS的分析數(shù)據(jù)與XRF分析結果一致．

圖8?爐內(nèi)灰渣采集樣品的SEM形貌測試

圖9?SEM-EDS測試A、F位置灰渣中元素含量

表4對比了垃圾焚燒爐摻燒污泥前后灰熔點數(shù)據(jù)，分析了爐內(nèi)A、F位置處灰渣的灰熔點．A位置處摻燒前后灰熔點變化不明顯．F位置處摻燒后灰熔點明顯降低約100℃，即爐內(nèi)更易發(fā)生結焦，主要是由于摻燒污泥后煙道區(qū)產(chǎn)生較多的灰熔點低的硫酸鹽．垃圾飛灰中原來就含有較多的Na、K．隨著污泥的加入，更多的鐵進入底渣，F(xiàn)e表現(xiàn)得更易于與Si、Al結合，同時降低了Si、Al捕捉Na等的能力，這樣就會有更多的Na、K等堿金屬飄到了爐膛上部，引起了固S后形成一定的熔點較低的硫酸鹽(如鈉鹽、鉀鹽)，容易黏壁而形成灰渣．

表4?摻燒污泥前后A、F處灰樣品的灰熔點數(shù)據(jù)

Tab.4 Data of ash melting point of ash samples at posi-tions A and F before and after mixing with burn-ing sludge ℃

4?結?論

(1) 由于污泥中鐵含量較高，垃圾焚燒爐摻燒污泥后，爐床底渣易形成低溫熔融的鐵系復鹽，呈現(xiàn)?燒結的非晶體結構，這是焚燒爐火焰區(qū)結焦的主要?原因.

(2) 煙道區(qū)結焦主要是灰中的堿金屬與堿土金屬捕捉爐內(nèi)的SO，形成了一定的低熔點硫酸鹽．垃圾飛灰中本來就含有較多的Na、K，鐵的加入易在底渣中與Si、Al結合，從而降低了Si、Al捕捉Na、K等的能力，更多飄到爐膛上部的Na、K，發(fā)生固硫后形成低熔點硫酸鹽．

(3) 由于試驗焚燒爐爐膛中心有一個阻擋墻體，導致后墻位置的煙氣溫度很高，為局部位置的結焦提供了條件，喉口區(qū)含有一些低灰熔點的鐵系復鹽和硫酸鹽，且焚燒爐喉口尺寸狹窄，爐內(nèi)拐點引起顆粒慣性撞壁，引起喉口位置結焦．

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Impacts of Co-Burning Sewage Sludge on Ash Formation Characteristics in Incineration Grate Furnace of Municipal Solid Waste

Zhang Ruina

(Shanghai Engineering Research Center of Municipal Solid Waste Treatment and Recycle，Shanghai Institute for Design and Research on Environmental Engineering Co.，Ltd，Shanghai 200232，China)

In this paper，based on an operation project of municipal solid waste(MSW) incineration grate furnace mixed with sludge，slagging was found at some positions in the furnace during almost half a year’s operation. The slag and ash were sampled in the furnace，which were tested using XRF，SEM and EDS.The influences of mixed sludge in waste incinerators on the characteristics of ash and the main reason for slagging were analyzed and discussed. Firstly，results show that the addition of iron-containing flocculant to the sewage treatment process makes the sludge contain a large amount of Fe. After the mixing of sludge，it is easy to form a low-temperature melting iron-based double salt，showing a sintered state. This is the main cause of slagging in the flame zone of the incinerator. Secondly，since the waste contains more Na and K，the addition of Fe facilitates the combination of Si and Al in the bottom slagging，which reduces the capability of Si and Al to capture Na and K. The alkali metals entrained by the upwind flue gas to the top of furnace reacts with SOto form the low melting point sulfate，which is one of the causes of the flue slagging zone. In addition，some unburned char particles collide with the wall of narrow throat in the incinerator，and the high temperature on the surface of carbon particles promotes coking near the throat. The experimental investigations are helpful in developing the co-combustion technology of sewage sludge in the MSW incinerator.

municipal solid waste(MSW)；incinerator；sewage sludge；slagging

X705

A

1006-8740(2021)03-0297-06

10.11715/rskxjs.R202006011

2020-06-16．

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2018YFC1901206)．

張瑞娜（1978—??），女，博士，高級工程師．

張瑞娜，zhangrn@huanke.com.cn.

(責任編輯：武立有)