利用粉煤氣化爐處理煤化工企業(yè)干化污泥的初步探索

付春雨

（中國石化 健康安全環(huán)保管理部，北京 100728）

隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，工業(yè)污泥的產(chǎn)量逐年增加，污泥的處理處置問題已成為社會關(guān)注的重要問題。工業(yè)廢水經(jīng)污水處理廠處理后沉淀分離出的污泥，依據(jù)產(chǎn)生單元位大致可分為浮渣、罐底泥、剩余活性污泥、化學(xué)沉淀污泥等。由于污泥含水率高、體積大，給堆放和運輸帶來困難。部分行業(yè)的工業(yè)污泥可能含有As，Cu，Cr，Hg等重金屬及難降解有毒有害物質(zhì)，如果處理不當(dāng)或不規(guī)范處置會對生態(tài)環(huán)境造成二次污染，如能開展綜合利用，則是寶貴的二次資源。

工業(yè)污泥的處理不僅局限于衛(wèi)生填埋、堆肥和焚燒等傳統(tǒng)處理方式，污泥熱解和氣化處理等技術(shù)由于在處理效果上更具優(yōu)勢而被逐漸推廣開來［1-2］。國家和地方相繼出臺了一系列政策、法規(guī)，支持鼓勵企業(yè)通過穩(wěn)定化、減量化、無害化、資源化途徑對包含污泥在內(nèi)的固體廢物進(jìn)行處理處置，該領(lǐng)域更是成為了近些年國內(nèi)外污泥處理的研究方向。為降低污泥貯存、運輸以及處理處置過程的環(huán)境風(fēng)險［3］，減少處置成本，很多企業(yè)都在結(jié)合自身實際生產(chǎn)情況尋求解決污泥處置的新思路和新途徑。近年來，不少企業(yè)將污泥和煤混合送入鍋爐利用其熱值進(jìn)行產(chǎn)熱發(fā)電［4］，或送入氣化爐進(jìn)行協(xié)同處置［5-6］，取得了較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益［7-8］。

本工作以某煤化工企業(yè)生化污泥、浮渣和罐底泥為研究對象，將其干化后與原料煤一起送入粉煤氣化爐進(jìn)行綜合利用，對協(xié)同處置后的入爐煤質(zhì)、污染物排放和合成氣質(zhì)量的變化進(jìn)行分析，為粉煤氣化爐處理煤化工企業(yè)干化污泥提供有益參考。

1 工業(yè)污泥的處理處置現(xiàn)狀

某煤化工企業(yè)建設(shè)有煤制甲醇、甲醇制烯烴和聚丙烯等主體工程裝置，配套給水處理站、循環(huán)水站、污水處理場等輔助及環(huán)保設(shè)施。污水處理場運行時由均質(zhì)調(diào)節(jié)等設(shè)備單元產(chǎn)生的浮渣和罐底泥以及二沉池等單元產(chǎn)生的生化污泥，體積大且含有少量有毒有害物質(zhì)，堆放貯存存在一定困難，如委托處理，長距離運輸存在較大的環(huán)境風(fēng)險且處理成本頗高。生產(chǎn)運行中發(fā)現(xiàn)，污泥中含有多種可燃組分，污泥的干燥基低位熱值在11 MJ/kg以上，相當(dāng)于劣質(zhì)褐煤的熱值，推測該污泥具有很高的能源回收價值。企業(yè)擬將生化污泥、浮渣和罐底泥混合脫水后與原料煤一起送入粉煤氣化爐進(jìn)行綜合利用。

2 污泥組分及氣化后元素流向分析

該企業(yè)甲醇制烯烴裝置污水厭氧預(yù)處理單元產(chǎn)生的厭氧污泥、生化單元產(chǎn)生的剩余活性污泥分別經(jīng)泵提升送入活性污泥濃縮池進(jìn)行濃縮，經(jīng)重力濃縮后污泥含水率約為98%，經(jīng)離心機(jī)處理后含水率約為85%，干化處理后污泥含固率控制在70%左右。溶氣氣浮裝置產(chǎn)生的浮渣與污水均質(zhì)罐底泥混合，經(jīng)浮渣濃縮罐濃縮后由污泥泵送入浮渣離心機(jī)脫水裝置，脫水后含水率約為85%。將兩種污泥按照固定比例混合均勻，送入煤氣化裝置摻燒。入爐摻燒各組分主要元素分布情況見表1。

表1 入爐摻燒各組分主要元素分布情況 mg/kg

干化污泥（包含生化污泥、浮渣和罐底泥，下同）摻燒前后煤氣化裝置主要原料消耗變化情況見表2。由表2數(shù)據(jù)可知，綜合利用后干化污泥在原料中占比僅為0.052%。芮新紅等［9］的研究結(jié)果表明，燃煤中摻入少量污泥（比例不大于6%），對燃料燃燒的穩(wěn)定、鍋爐參數(shù)和受熱面工作的安全性不會產(chǎn)生不良影響。

表2 摻燒前后煤氣化裝置主要原料變化情況

結(jié)合國內(nèi)氣化爐綜合利用處置干化污泥的相關(guān)資料，經(jīng)氣化爐氣化后污泥中的各主要元素會部分殘留在灰渣中，部分富集在飛灰中。Zn，Cu，Cr等熔點和沸點較高的不易揮發(fā)的重金屬元素主要殘留在灰渣中；Pb，Cd，Ni相對容易揮發(fā)，部分殘留在灰渣中；As，Hg等熔沸點過低的元素極易揮發(fā)，大量富集在飛灰中［10］。干化污泥摻燒后各主要元素在灰渣和飛灰中的分布情況會受焚燒溫度、添加劑、焚燒氣氛、焚燒時間、升溫速率和原污泥含水率等因素的影響，沒有固定分配比例。該項目煤氣化裝置綜合利用后爐渣和灰分中的主要元素分配比例見表3。

表3 摻燒后爐渣、灰分中各元素分配比例

干化污泥初步鑒定報告中有檢出的主要元素包括F，Hg，Cd，As，Pb，Cr，Cu，Mn，Ni，V，其含量分別為53.840，11.789，2.507 0，452.154，25.404，56.251，45.238，247.358，19.154，66.017 kg/a。煤氣化裝置綜合利用后各主要元素遷移平衡情況見表4。

表4 摻燒后主要元素遷移平衡情況 kg/a

3 干化污泥綜合利用可行性分析

結(jié)合國內(nèi)相關(guān)的干化污泥綜合利用工藝，根據(jù)與該工藝相近的污泥送煤制氫裝置綜合利用的處理方法以及粉煤氣化爐對原料適用性廣泛的獨特優(yōu)勢，對該企業(yè)干化污泥送入粉煤氣化爐綜合利用的可行性進(jìn)行分析。

3.1 入爐煤質(zhì)變化分析

根據(jù)煤氣化裝置原料煤入爐設(shè)計指標(biāo)，通過計算分析干化污泥綜合利用后入爐煤質(zhì)是否滿足相關(guān)設(shè)計要求，結(jié)果見表5。由表5可知：干化污泥中含水量較少，入爐后煤質(zhì)水分遠(yuǎn)低于設(shè)計指標(biāo)；干化污泥中的硫分很低，灰分組分對氣化爐運行基本不會產(chǎn)生影響；根據(jù)運行階段的平均入爐煤質(zhì)情況，選取F，As，Hg，Cd，Pb開展分析，F(xiàn)，As，Hg，Cd，Pb帶入原料中的增加量僅為0.016%，3.6%，1.67%，0.83%，0.05%，占比較低，不會對原料煤性質(zhì)產(chǎn)生大的改變，摻燒后入爐煤質(zhì)基本維持原有水平。

表5 摻燒后入爐煤質(zhì)的變化情況

3.2 污染物排放影響分析

根據(jù)某企業(yè)煤氣化裝置的實際生產(chǎn)情況，重點開展干化污泥摻燒對煤氣化裝置氣化灰水和固體廢物產(chǎn)生情況的影響分析。

3.2.1 氣化灰水

根據(jù)干化污泥摻燒后各元素的遷移規(guī)律和進(jìn)入氣化灰水中的各元素比例，對摻燒后氣化灰水中各元素的變化情況進(jìn)行計算分析，結(jié)果見表6。煤氣化裝置氣化灰水正常產(chǎn)生量為310 m3/h。根據(jù)表6可知，Hg，Cd，As，Pb，Cr，Cu，Mn，Ni，V的質(zhì)量濃度分別為0.000 2，0.000 03，0.007，0.000 3，0.000 2，0.000 2，0.003，0.000 2，0.000 3 mg/L，Hg，Cd，As，Pb，Cr，Cu，Ni，V的質(zhì)量濃度均遠(yuǎn)低于《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 31571—2015）［11］中的排放標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，本項目氣化灰水中極低濃度的污染物對廠內(nèi)現(xiàn)有污水處理設(shè)施的正常運行不會產(chǎn)生影響。

表6 氣化灰水各元素的質(zhì)量濃度與排放標(biāo)準(zhǔn)值對比 mg/L

3.2.2 固體廢物

根據(jù)污泥氣化后的元素流向分析，污泥中各元素主要存在于灰渣中。韓軍等［12］在中高溫熔融爐中的污泥焚燒實驗表明，1 350 ℃的高溫處理已經(jīng)能夠固化重金屬，在純水中浸出的各重金屬的濃度都非常低，甚至在惡劣酸性環(huán)境下灰渣的浸出結(jié)果也低于國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在本項目中，氣化爐氣化溫度為1 300～1 500 ℃，此溫度下重金屬固化性質(zhì)已經(jīng)較為穩(wěn)定，較好的固化程度更有利于水泥等行業(yè)將灰渣作為原料綜合利用。由此可見，結(jié)合企業(yè)的實際生產(chǎn)情況，將灰渣作為水泥等行業(yè)的原料進(jìn)行綜合利用也是可行的。

3.3 粗合成氣影響分析

根據(jù)各元素氣化后的遷移規(guī)律和進(jìn)入粗合成氣中的比例，對煤氣化裝置的粗合成氣中各元素含量進(jìn)行計算分析，結(jié)果見表7。根據(jù)表7中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，本項目摻燒的干化污泥中各金屬元素在粗合成氣產(chǎn)品中的濃度極低，進(jìn)入粗合成氣的微量金屬元素會在后續(xù)凈化單元變換裝置前的脫毒槽中脫除，微量殘存金屬元素也不會對產(chǎn)品合成氣產(chǎn)生影響。

表7 粗合成氣中各元素的質(zhì)量濃度 mg/m3

4 結(jié)論

a）將某煤化工企業(yè)污水處理廠的干化污泥和原料煤一起進(jìn)氣化爐摻燒進(jìn)行綜合利用，干化污泥在入爐煤中的占比為0.052%，入爐煤質(zhì)基本維持原有水平。

b）干化污泥中的各金屬元素大部分聚集在氣化爐的灰渣中，少部分進(jìn)入氣化裝置的灰水中，極微量會進(jìn)入粗合成氣中。

c）氣化灰水中重金屬的含量很低；氣化爐的高溫反應(yīng)更有利于重金屬固化；粗合成氣中極低濃度的金屬元素會在后續(xù)凈化單元被去除。

d）干化污泥送粉煤氣化爐綜合利用項目技術(shù)可行，對現(xiàn)有污水處理設(shè)施正常運行未產(chǎn)生影響，氣化爐爐渣可作為水泥原料使用。企業(yè)實際運行情況良好，產(chǎn)品合成氣無質(zhì)量問題。