加壓鼓泡流化床污泥摻燒蘭炭研究

關(guān)鍵詞：污泥楚燒；加壓鼓泡流化床；蘭炭；污染物排放

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500(2025)06-0007-05

DOI: 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.06.002

Study on the Co-Firing of Pressurized Bubbling Fluidized Bed Sludge with Semi-Coke

ZHANGZhi

(Guangdong Branch of Ningbo Contemporary Brunp Lygend Co.，Ltd.，F(xiàn)oshan 5281Oo， China)

Abstract: Inorder tounderstand theemission characteristicsand incinerationresiduecompositionof pressurized bubbling fluidizedbed incineration fluegas，asmall-scale experimentof sludge incineration is conductedbyusing sludge froma sewage treatmentplantinXi'ancity.Semi-cokeismixed intosludge toprepare three typesofmixed sludge (numbered MS1，MS2，MS3)，theirmissioncharacteristicsofincinerationfluegasarecompared，andX-RayFuorescence(Fis used todeterminethematerial compositionof theresidue inthe incinerator.Theexperimentalresultsshowthatwhen the calorific value of the mixed sludge is 3500～4500kJ/kg ，it burns fully in the experimental device，and the operating temperatureofeach partof theincineratorcanbe maintainedabovethesettemperature.Thedetectionresultsoftheonline flue gas analyzer show that when the mixed sludge is stably burned， the O₂ content can be reduced to a minimum of 5% ，the CO content can reach a maximum of 52mg/m³ ，the nitrogen oxide (NOx) content remains stable at 30～100mg/m³ ，and the （20 SO₂ content can reach a maximum of about 60mg/m³ .The XRF measurement results indicate that the main components of the residue in the incinerator are alkaline earth aluminosilicates (MgSi_xAl_yO_z， CaSixAl，O， etc.)，alkali metal aluminosilicates （204 (NaSi，Al_yO_z， （204 KSi_xAl_yO_z. ，etc.)，and iron metal aluminosilicates (FeSixAlOz).

Keywords: sludge incineration; pressurized bubbling fluidized bed; semi-coke; pollutant emission

污泥是一種含有氮磷元素、有機物、重金屬和病菌的固體廢棄物，長期堆存會對環(huán)境造成嚴重危害。目前，國內(nèi)外污泥處理方法主要包括衛(wèi)生填埋、厭氧消化、好氧堆肥和焚燒[1-4]，其中燒具有污泥減量大、處理速度快、可回收能量等優(yōu)點，其工程案例逐年增多。在日本，污泥焚燒處理量已經(jīng)占污泥總量的 60% 以上，污泥焚燒技術(shù)應(yīng)用很普遍，許多污泥處置廠已經(jīng)穩(wěn)定運行 15～20 年[5。2019—2021年，我國采用污泥焚燒技術(shù)的污泥處置項目占比已達 70% 左右[]。污泥焚燒技術(shù)的核心設(shè)備是焚燒爐，焚燒爐類型主要有回轉(zhuǎn)窯、多段立式焚燒爐和流化床[，其中流化床焚燒爐具有焚燒效率高、處理量大、占地面積小等優(yōu)點，逐漸成為主流污泥焚燒處置設(shè)備。近年來，國內(nèi)污泥焚燒爐以鼓泡流化床和循環(huán)流化床為主，如上海市竹園污泥處置工程、溫州市污泥集中干化焚燒處理工程和成都市第一污水污泥處理廠工程等[。

相比常壓流化床，加壓流化床具有4個突出優(yōu)勢。流化床在加壓下操作，氧分壓高，有利于提高燃燒效率，能降低 SO₂ 、氮氧化物（ NO_x ）等氣體污染物排放濃度；流化床在加壓下操作，可減小設(shè)備直徑，減少焚燒爐占地面積和熱量損耗；加壓流化床產(chǎn)出煙氣有壓力（ 0.2～1.0MPa ），回收煙氣高品位能量可副產(chǎn)壓縮空氣或電能，壓縮空氣可供給焚燒爐或氣動儀表使用，減少鼓風(fēng)機的使用，且?guī)簾煔馓幚硪部墒÷砸L(fēng)機，降低整個燒系統(tǒng)的設(shè)備投資；脫水污泥（含水率 75%～83% ）不經(jīng)過干化處理直接泵入加壓流化床內(nèi)焚燒，省略污泥干化裝置，避免干化污泥黏壁的影響，提升整個污泥焚燒系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性[8-9]。試驗?zāi)M加壓流化床，考察污泥焚燒煙氣的排放特性和爐內(nèi)污泥殘渣組成，為工程應(yīng)用提供參考。

型號DGX-9073BC-1）和萬分位電子天平（梅特勒-托利多儀器有限公司，型號AL204），工業(yè)分析的主要儀器是節(jié)能箱式電爐（天津中環(huán)電爐股份有限公司，型號SX-G30103）和萬分位電子天平（梅特勒－托利多儀器有限公司，型號AL204），元素分析的主要儀器是元素分析儀（德國元素分析系統(tǒng)有限公司，型號Elementar）和萬分位電子天平（梅特勒-托利多儀器有限公司，型號AL204），熱值分析的主要儀器是全自動量熱儀（長春實誠科技有限公司，SCLR-5000），結(jié)果如表1所示。從分析結(jié)果得出，污泥水分含量較高，產(chǎn)生的煙氣含水量較大；污泥硫氮含量較高，煙氣處理可能需要考慮脫硫脫硝；從熱值來看，污泥熱值低，在試驗裝置中難以自熱。

1物性分析

針對西安市某污水處理廠污泥，開展水分分析、工業(yè)分析、元素分析和熱值分析。其中，水分分析的主要儀器是恒溫干燥箱（上海?，攲嶒炘O(shè)備有限公司，

2試驗裝置

試驗裝置主要由加壓鼓泡流化床、粉塵過濾器、供泥系統(tǒng)和連接管道等組成，工藝流程如圖1所示。加壓鼓泡流化床包括焚燒爐體和電加熱設(shè)備。

1.螺桿泵；2.加壓鼓泡流化床；3.電加熱設(shè)備；4.流量計；5.粉塵過濾器；6.煙窗；7.煙氣分析儀爐體材質(zhì)為310不銹鋼管，規(guī)格為 DN100mm ，總高約為 1800mm ，從下到上依次為預(yù)熱段（長度約380mm ）、密相區(qū)（長度約 400mm ）、稀相區(qū)（長度約 600mm ）。爐體上頂蓋焊接有進料管和若干測溫管，進料管通過軟管與供泥系統(tǒng)連接，測溫管插入不同長度的電阻絲，分別測定焚燒爐體的密相區(qū)和稀相區(qū)溫度。爐體上部側(cè)壁焊接有煙氣出氣管，規(guī)格為DN40mm ，材質(zhì)為310不銹鋼，焚燒爐煙氣出氣口與粉塵過濾器進氣口通過不銹鋼管連接。進風(fēng)管和測溫管焊接在燒爐體下蓋板，進風(fēng)管規(guī)格為 DN25mm 材質(zhì)為310不銹鋼，進風(fēng)口與壓縮空氣管道連接，測溫管插入電阻絲，測定焚燒爐體的預(yù)熱段溫度。電加熱爐分3段包裹住焚燒爐體，分別對焚燒爐的預(yù)熱段、密相區(qū)和稀相區(qū)加熱，每段電加熱爐的功率不小于 5kW 。

粉塵過濾器主要部件為蓋板、陶瓷濾芯、筒體和固定件。蓋板為法蘭式盲板，規(guī)格為 DN100mm ，材質(zhì)為304不銹鋼，蓋板上焊接有煙氣出氣管，規(guī)格為DN40mm ，材質(zhì)為304不銹鋼，出氣口與煙肉進氣口采用耐高溫軟管連接。筒體為304不銹鋼管，規(guī)格為DN100mm ，長度約為 1300mm 濾芯采用陶瓷過濾管，直徑為 60mm ，厚度為 10mm ，長度約為 1000mm 由固定件固定在筒體內(nèi)。供泥系統(tǒng)主要包括螺桿泵及管道，螺桿泵設(shè)計供料量為 5kg/h 。煙氣成分由便攜式紅外煙氣分析儀（北京雪迪龍科技股份有限公司，型號SDL3080-15）檢測。

首先，向流化床焚燒爐內(nèi)加入流化介質(zhì)（石英砂）做床料，通入壓縮空氣使床料呈流化狀態(tài)。然后，啟動電加熱爐，加熱焚燒爐至設(shè)定溫度，并調(diào)節(jié)煙肉進口管道的閥門使燒爐內(nèi)壓力恒定，煙肉進口管道開孔連接煙氣分析儀，檢測煙氣中的CO、 CO₂ 、 SO₂ 、NO_x 、 O₂ 濃度。最后，啟動螺桿泵，向焚燒爐供泥，脫水污泥在焚燒爐內(nèi)脫水干燥并燃燒，焚燒殘渣沉積在焚燒爐底部，定期外排，高溫高濕的煙氣進入粉塵過濾器，清潔煙氣穿過陶瓷濾芯進入陶瓷管內(nèi)，從煙肉外排。煙氣中飛灰不能穿透濾芯而被擋在陶瓷管外側(cè)，從而集聚在粉塵過濾器筒體下部。焚燒爐關(guān)鍵工藝參數(shù)如表2所示。

3試驗過程

污泥熱值低，僅為 1761.53kJ/kg ，無法自熱，故采用污泥摻入蘭炭的方法，提高污泥熱值，使其能穩(wěn)定燃燒。市售蘭炭熱值設(shè)定為 22.5MJ/kg ，熱值參考《蘭炭產(chǎn)品分類及質(zhì)量要求》（GB/T25211—2023）。蘭炭在摻入污泥前干燥去除表面水分，具體來說，首先將蘭炭顆粒磨成粉末（粒徑大于 0.178mm ），然后在溫度 105‰ 的空氣流下干燥至恒重，最后在隔絕水汽的情況下自然冷卻至室溫。為了解試驗裝置匹配的污泥熱值下限和污泥焚燒污染物排放特性，配制3種混合污泥（編號MS1、MS2、MS3），其成分與熱值如表3所示。

3種混合污泥分別以一定速率（ 0.9～1.1kg/h ）泵入焚燒爐內(nèi)，壓縮空氣進氣量為 35～40L/min 。分別觀察焚燒爐的預(yù)熱段、密相區(qū)和稀相區(qū)的溫度能否穩(wěn)定在設(shè)定溫度之上，并記錄煙氣成分。

4試驗結(jié)果與討論

3種混合污泥在焚燒爐內(nèi)脫水、燃燒并放出熱量，焚燒爐預(yù)熱段、密相區(qū)和稀相區(qū)運行溫度與設(shè)定溫度如表4所示。

從表3、表4可得出，混合污泥MS1熱值最高電 (4560kJ/kg ），充分燃燒放出熱量可使燒爐各部分運行溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度之上?；旌衔勰郙S2的熱值比混合污泥MS1熱值低約 1000kJ/kg ，混合污泥MS2燃燒同樣可使焚燒爐各部分運行溫度在設(shè)定溫度之上，但出現(xiàn)稀相區(qū)運行溫度低于設(shè)定溫度的情況?；旌衔勰郙S3熱值約為 3000kJ/kg ，其燃燒放出熱量不足導(dǎo)致焚燒爐各部分發(fā)生運行溫度在設(shè)定溫度之下的頻率最大。爐膛溫度為 800^°C 左右，煙氣停留時間超過 2s ，二嘎英分解率超過 98%^[10-11] 。繼續(xù)降低混合污泥熱值，會導(dǎo)致焚燒爐溫度低于 800^°C ，造成煙氣中的二噁英排放濃度超過限值。綜上，試驗裝置匹配的最低污泥熱值在 3500kJ/kg 左右。

從圖2、圖3得出，3種混合污泥在焚燒爐內(nèi)基本完全燃燒，不存在因污泥燃燒不完全導(dǎo)致結(jié)塊堵塞焚燒爐的現(xiàn)象。大部分焚燒殘渣在焚燒爐內(nèi)被硫化介質(zhì)打散成小粒徑飛灰，并隨煙氣進入粉塵過濾器，所以焚燒爐內(nèi)只存在少量的焚燒殘渣。這是由于焚燒爐內(nèi)溫度高于污泥和蘭炭的著火溫度和燃爆溫度[12-14]，混合污泥進入焚燒爐后能迅速著火燃燒。用便攜式紅外煙氣分析儀（型號SDL3080-15）在線檢測煙氣中的cO、 CO₂ 、 SO₂ 、 NO_x 和 0₂ 濃度，煙氣成分如圖4所示。

20210 飛灰

從圖4可以看出，隨著混合污泥加入， 0₂ 含量迅速降低，而 CO₂ 、CO、 SO₂ 、 NO_x 含量增加。CO、NO_x 的排放濃度在開始進泥時突然升高，隨后逐漸正常，OGADA等[15]認為這是由于試驗開始期間床溫不是很穩(wěn)定，污泥投入量有波動，污泥投入過多，燃燒不完全導(dǎo)致CO排放量出現(xiàn)波動。但是，焚燒爐穩(wěn)定運行時，CO、 SO₂ ， NO_x 排放濃度均不高，分析認為，隨著爐膛的含氧量降低， SO₂ 、 NO_x 的生成得到抑制。試驗采用X射線熒光光譜儀（X-RayFluorescence，XRF）測定焚燒爐內(nèi)殘渣的物質(zhì)組成，檢測結(jié)果如表5所示。

從XRF測定結(jié)果來看，焚燒爐內(nèi)殘留物主要成分為堿土硅鋁酸鹽（ MgSi_xAl_yO_z 、 CaSi_xAl_yO_z 等）、堿金屬硅鋁酸鹽（ NaSi_xAl_yO_z 、 KSi_xAl_yO_z 等）和鐵金屬硅鋁酸鹽（ FeSi_xAl_yO_z ）等物質(zhì)。其中，堿金屬硅鋁酸鹽含量較高，可能會降低殘留物的灰熔點，具體數(shù)值還有待試驗進一步驗證。

5結(jié)論

當(dāng)混合污泥熱值為 3500～4500kJ/kg 時，污泥燃燒充分，焚燒爐各部分運行溫度能保持在設(shè)定溫度之上。在線煙氣分析儀檢測結(jié)果顯示，混合污泥穩(wěn)定燃燒時， 0₂ 含量最低可降至 5% ，CO含量最高升至52mg/m³ ， NO_x 含量穩(wěn)定在 30～100mg/m³ ， SO₂ 含量最高升至約 60mg/m³ 。XRF測定結(jié)果表明，焚燒爐內(nèi)殘留物的主要成分為堿土硅鋁酸鹽（ (?MgSi_xAl_yO_z CaSi_xAl_yO_z 等）、堿金屬硅鋁酸鹽（ |NaSi_xAl_yO_z KSi_xAl_yO_z 等）和鐵金屬硅鋁酸鹽（ FeSi_xAl_yO_z ）等物質(zhì)。

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