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火电协同处理污泥对粉煤灰综合利用影响研究

2024-10-17 53 上传者：管理员

摘要：燃煤电厂协同处理污泥是消纳城市污泥的重要举措之一。粉煤灰作为燃煤电厂的重要副产物，科学评估掺烧污泥对其造成的影响十分必要。以某市燃煤电厂污泥协同项目为例，对比了掺烧污泥前后电厂生产粉煤灰的各项关键指标。结果表明，在高、低掺烧比两种工况下，掺烧污泥前后粉煤灰的理化性质以及产品质量均没有发生明显改变，证明燃煤机组协同处理污泥技术安全经济。

关键词：
掺烧影响
污水处理
污泥掺烧
燃煤电厂
粉煤灰
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污泥是污水处理过程中产生的固态/半固态物质，其中富集大量的致病微生物、重金属以及有机污染物等有害物质[1]。污泥的产生量随着污水处理规模的扩大而不断增加，2022年我国干污泥产生量1369.9万吨[2],折合含水率80%污泥约6849.5万吨；预计到2025年，我国城市污水污泥产量将突破9000万吨[3],如不及时处理将导致“污泥围城”,对自然和居住环境造成巨大破坏。目前，市政污泥多采用卫生填埋、土地或建材综合利用以及焚烧法处置，其中卫生填埋法占比较大，综合利用以及焚烧法应用较少[4]。相比其他处理方法，焚烧法处理污泥具有病原体灭杀彻底、减量化程度高、不易造成二次污染、处理速度快等优点[5],同时可回收污泥中有机质热值，符合国家固废污染防治“三化”原则。然而，独立焚烧法存在尾气处理困难、投资运行成本较大、热值回收效能低等缺陷，无法处理当下我国快速增长的大量污泥，因此更加先进高效的如燃煤机组协同处理污泥等技术受到持续关注。

相比独立焚烧法，燃煤机组协同处理污泥技术具有投资运行成本低、污泥资源化程度高、环境风险低等突出优势，是有前景的先进污泥处理技术。同时为了实现双碳目标，我国将严格合理控制煤炭消费增长、加快煤炭减量步伐，而燃煤机组协同处理污泥是燃煤电厂低碳转型的重要举措之一，在消纳污泥的同时实现节煤降碳，符合双碳战略要求。基于以上原因，2017年国家能源局发布的《关于开展燃煤耦合生物质发电技改试点工作的通知》中明确表达了对燃煤机组协同处理污泥等生物质资源的支持，并于2018年批准了29个污泥耦合发电示范项目。

粉煤灰是从燃煤烟气中收集的细小固体颗粒物，是燃煤电厂重要的副产品，也是我国高品质水泥制品的材料来源[6]。污泥焚烧所产生的焚烧灰具有较好的吸水性、凝固性，与粉煤灰的性质相差不大，因此燃煤机组掺烧污泥所产生的粉煤灰也可作为水泥原料进行利用[7]。张津践[8]等研究发现，过量的污泥焚烧残渣会影响水泥水化进程，污泥焚烧残渣掺量越大，水泥的凝结时间延长越明显。郭澍来[9]等研究表明，当污泥焚烧残渣掺量大于20%时，胶砂试件强度快速降低。以上研究说明，污泥焚烧后的焚烧灰作为掺料可能对水泥品质产生影响，而燃煤机组产生的粉煤灰主要应用于水泥和混凝土行业，因此对燃机组掺烧污泥后所生产粉煤灰进行研究十分必要。然而，当前对燃煤机组掺烧污泥后所产粉煤灰性质的研究鲜有报道。

本文以某市大型燃煤机组协同污泥资源化焚烧项目为例，研究高掺烧比以及低掺烧比工况下燃煤机组所产粉煤灰性质，通过对比不同工况下产出粉煤灰的浸出物毒性、重金属含量以及产品质量，从而评估污泥掺烧对粉煤灰综合利用的影响。本研究的结论是对燃煤机组协同处理污泥技术的拓展，对该技术的工艺设计、流程优化以及应用推广具有积极影响。

1、材料与方法

1.1 项目机组概况

该机组容量2×630 MW,锅炉为哈尔滨锅炉厂生产的超临界一次中间再热螺旋管圈直流锅炉，除尘器为双室四电场静电除尘器，年耗煤量330万吨，机组烟气处理装置均完成脱硫脱硝除尘超低排放。锅炉结构如图1所示。

图1锅炉结构示意图

1.2 污泥泥源概况

本项目泥源为该市的市政污泥、印染污泥以及酿酒污泥，均为一般固废。

1.3 取样位置及测试方法

本实验取样位置在空预器出口处。本项目污泥干化掺烧的工艺为：含水率约80%的湿污泥进入干化系统中被干化为含水率约40%的干污泥，而后输送至输煤皮带上，与燃料煤一起送入磨煤系统后进炉焚烧。在空预器位置收集到不同工况下的粉煤灰，分别为空白工况、掺烧比2.375%工况(低掺烧比)以及掺烧比6.03%工况(高掺烧比)。检测不同工况下粉煤灰的浸出物毒性、重金属含量以及产品质量，测试方法以及依据标准如表1所示。

2、结果与讨论

2.1 浸出物毒性评估

浸出是燃煤副产物中有害成分进入周围环境的重要途径，有害成分浸出毒性是评价燃煤副产物对环境危害的主要指标。浸出毒性试验是针对有害成分浸出过程的实验室模拟研究，目的是评估燃煤副产物在不同处理环境及处置方式下的有害成分污染。

表1测试粉煤灰的方法以及依据标准

粉煤灰浸出物毒性参照《危险废物鉴别标准》(GB 5085.7-2019)中规定的限值要求。依据《火电厂粉煤灰及炉渣中汞含量的测定》(DL/T 1656-2016)和《固体废物金属元素的测定电感耦合等离子体质谱法》(HJ 766-2015)浸出方法，并结合电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、冷原子吸收分光光度法和离子色谱法，检测该项目不同工况下粉煤灰浸出液中有害成分的浓度。

通过粉煤灰浸出实验，测定浸出液中Hg、Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、Be、Ba、Ni、As、Se、Ag、无机氟和氰化物共14种浸出物的浓度，污泥掺烧比为2.375%、6.03%工况及其对应的空白工况下的检测结果如表2所示。由表可知：在污泥掺烧比为2.375%和6.03%工况下，粉煤灰各项浸出物浓度远低于《危险废物鉴别标准》(GB 5085.7-2019)标准限值。综上，掺烧污泥所得粉煤灰不具有相应危险特性或毒性，即不具备危险固废特性，可按照一般固废进行综合利用。

2.2 重金属含量评估

粉煤灰中重金属元素含量参照《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中规定的污泥农用时污染物控制标准限值。依据标准DL/T 1656-2016、HJ 766-2015、《水质 65种元素的测定电感耦合等离子体质谱法》HJ 700-2014和EPA Method 29,检测项目掺烧污泥工况下粉煤灰中重金属含量。

表2污泥与煤掺烧所得粉煤灰浸出物毒性检测结果(mg/L)

污泥掺烧工况及其对应的空白工况下，粉煤灰中重金属含量检测结果如表3所示。由表可知：在掺烧污泥工况下，粉煤灰中各种重金属含量元素均低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中的限值。此外，污泥掺烧工况与其空白工况相比，粉煤灰重金属含量均相差不大，而且掺烧污泥降低了多种重金属元素在粉煤灰中的含量。综上，掺烧污泥对粉煤灰中重金属含量影响很小，且均低于标准限值。

表3污泥与煤掺烧所得粉煤灰重金属成分检测结果(mg/kg)

2.3 粉煤灰质量评估

粉煤灰产品质量参照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596-2017)中关于“水泥活性混合材料用粉煤灰理化性能要求”。依据GB/T 1345-2005、GB/T 1346-2019、GB/T 176-2017等多项标准对粉煤灰产品质量进行检测。

在污泥掺烧比为2.375%、6.03%及其对应空白工况下，对粉煤灰产品质量进行评价，检测结果如表4所示。由表可知，掺烧2.375%、6.03%污泥后粉煤灰的理化性能变化不大，且以上两个工况下所产粉煤灰产品均满足国标《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596-2017)水泥活性混合材料用粉煤灰理化性能要求。综上，掺烧污泥不影响粉煤灰综合利用，产品质量均优于国家标准。

表4掺烧污泥所得粉煤灰产品质量检测结果

3、结论

(1) 协同处理污泥后，燃煤机组产生的粉煤灰浸出物毒性仍旧远低于危废评定标准，可以作为一般固废进行综合利用。

(2) 协同处理污泥前后，燃煤机组产生的粉煤灰重金属含量变化不大，均符合标准限值。

(3) 协同处理污泥前后，燃煤机组产生的粉煤灰其理化性质变化不大，均符合国家相关水泥利用标准。

(4) 综上，在一定掺烧比内，燃煤机组协同处理污泥后产出粉煤灰的品质不会受到影响，仍可以作为高质量副产品进行综合利用。

依托现役煤电高效发电系统和污染物集中治理设施，结合污泥处置耦合发电技术，实现对污泥的三化利用，是促进煤电低碳清洁发展、破解污染治理难题、促进生态文明建设、推动经济社会绿色发展、助力“无废城市”建设的有力举措。

参考文献:

[1]戴晓虎.我国污泥处理处置现状及发展趋势[J].科学,2020,72(6):30~34,4.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.中国城乡建设统计年鉴2022 [M].北京:中国统计出版社,2023.

[3]易洋,陈立,肖波,等.基于专利分析的市政污泥干化产业发展趋势[J].中国资源综合利用,2023,41(4):198~200.

[4]曹文亮,李晓金,侯波,等.630 MW煤粉锅炉协同处理污泥对燃烧稳定性的影响[J].洁净煤技术,2023,29(S2):245~253.