水泥窯焚燒干化污泥煙氣排放特性實(shí)驗(yàn)研究*

聶小琴，屈志云，郭慶海，孫凱麟，黃丹丹，尹可清

（中國城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120）

污泥處理處置的主要原則是減量化、無害化和資源化。由于水泥窯焚燒干化污泥工藝能徹底實(shí)現(xiàn)污泥的減量化和無害化，近年來得到越來越廣泛的研究。由于污泥中重金屬及其他有毒有害成分相對水泥生料含量高，水泥窯焚燒干化污泥工藝除了考察污泥是否影響水泥熟料特性之外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注水泥窯焚燒煙氣的污染排放特性。筆者從實(shí)驗(yàn)室模擬水泥窯工況，研究水泥窯焚燒干化污泥工藝中不同污泥混燒比例時煙氣常規(guī)污染物、重金屬等污染物排放特性，為水泥窯焚燒干化污泥工藝煙氣凈化提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 燒制方法

在高溫管式爐中，首先將生料試樣（污泥、生料、煤粉混合物）在950℃保溫30 min，然后分別于1250、1350、1450℃下保持30 min，共計4.5 h。高溫管式爐充氧速率約2.5 L/min，升溫速率10℃/min。生料試樣的污泥摻燒比見表1，生料試樣的物化特性見表2。

表1 生料試樣中污泥摻燒量 %

表2 生料試樣的物化特性分析

1.2 采樣及分析方法

硫氧化物、氮氧化物、氨氣及顆粒物從爐子開啟開始采樣，溫度每升高100℃采樣1次；HF、HCl、重金屬通過吸收液吸收的整個過程的總量。采樣方法、檢測方法、使用儀器及方法見表3。

表3 采樣方法、檢測方法、使用儀器及方法檢出限

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 SO2

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見圖1）表明：SO2析出具有集中析出特性，不同污泥摻燒比的生料均在1050～1100℃集中析出；另外，污泥摻燒量10%及以下，SO2釋出濃度低于GB4915—2013水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的200 mg/m3，隨著污泥添加量的增大，SO2釋出濃度有明顯增加，污泥摻燒量達(dá)30%時，SO2釋出濃度達(dá)最大為1631 mg/m3，煙氣中的SO2需要做進(jìn)一步凈化，才能達(dá)到水泥行業(yè)煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 不同污泥摻燒比煙氣中的SO2析出情況

2.2 NOx

燃燒過程中產(chǎn)生的NOx主要包括N O和NO2，在爐膛內(nèi)NO2的含量不到5%，因此NOx主要是指N O。煤燃燒過程有熱力型、快速型和燃料型3種形式的NOx。在粉煤燃燒和熔煉爐中的高溫作用下，熱力型 NOx比較顯著［1-2］。

由于煤的著火溫度較污泥高，且固定碳的燃燒需要更高的能量，因此混燒污泥時NOx產(chǎn)生的峰值及需要的溫度均比單一燃煤時低，這時所產(chǎn)生峰值所需的時間比混燒煤時要多。煤混燒10%～30%的污泥時，NOx峰值出現(xiàn)的時間推遲，這是因?yàn)槲勰嘀械幕曳趾枯^高且混合燃料中的水分含量增加，不利于燃料的燃燒并影響燃料中N的釋放。隨著混燒量的增加，NOx的生成量增加。這是由于污泥中的N含量是煤中N含量的4倍，從而有更多的N轉(zhuǎn)化為NOx。

如圖2所示，當(dāng)污泥摻燒量從0增加到20%，NOx釋出濃度從450 mg/m3增加到786 mg/m3，繼續(xù)添加污泥至30%，NOx釋出濃度略有下降，這可能與污泥過多添加導(dǎo)致高溫段延遲所致。10%以上的煙氣中NOx釋出濃度超出了GB4915—2013規(guī)定的400 mg/m3，需要做進(jìn)一步凈化。

圖2 不同污泥摻燒比煙氣中的NOx析出情況

2.3 HCl

不同污泥摻燒比的HCl產(chǎn)生量隨溫度變化關(guān)系如圖3所示，添加污泥后，煙氣中的HCl明顯增加。當(dāng)添加比例小于25%時，隨著污泥摻燒比例的增加，煙氣中HCl濃度也相應(yīng)增加了17.74%～48.37%。摻燒比例為30%時，煙氣中HCl的濃度達(dá)到0.933 mg/m3，比未添加污泥時高50%，這是原始污泥含Cl高所致。排放濃度符合GB30485—2013水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 不同污泥摻燒比煙氣中的HCl析出情況

2.4 HF

不同污泥摻燒比的HF產(chǎn)生量隨溫度變化關(guān)系如圖4所示，添加污泥后，煙氣中的HF也明顯增加。當(dāng)添加比例小于25%時，隨著污泥混燒比例的增加，煙氣中HF濃度也相應(yīng)增加了2.3%～25.28%。摻燒比例為30%時，煙氣中HF的濃度達(dá)到0.954 mg/m3，比未添加污泥時高26.44%。排放濃度符合GB30485—2013。

圖4 不同污泥摻燒比煙氣中的HF析出情況

2.5 重金屬

在高溫管式爐焚燒過程中，污泥中的重金屬大部分被固化在熟料中。水泥生料、30%含水率石灰干化污泥及煤粉的重金屬含量如表4所示。

表4 水泥生料、干化污泥及煤粉的重金屬含量 mg/kg

Hg、As、Cd、Zn為揮發(fā)性重金屬，標(biāo)準(zhǔn)氣壓下沸點(diǎn)分別為357、615、767、907℃；Pb為半揮發(fā)性重金屬，標(biāo)準(zhǔn)氣壓下PbCl2、Pb沸點(diǎn)為954、1620℃；Cr、Cu、Ni為難揮發(fā)型重金屬，標(biāo)準(zhǔn)氣壓下沸點(diǎn)分別為 2200、2300、2900℃［3-4］。

不同混燒比例時煙氣中各重金屬濃度如圖5～12所示。

圖5 不同污泥摻燒比時煙氣中Ni的濃度變化

圖6 不同污泥摻燒比時煙氣中Cu的濃度變化

圖7 不同污泥摻燒比時煙氣中Cr的濃度變化

圖8 不同污泥摻燒比時煙氣中Zn的濃度變化

圖9 不同污泥摻燒比時煙氣中As的濃度變化

圖10 不同污泥摻燒比時煙氣中Cd的濃度變化

圖11 不同污泥摻燒比時煙氣中Pb的濃度變化

圖12 不同污泥摻燒比時煙氣中Hg的濃度變化

添加污泥后，煙氣中這8類重金屬都有一定程度的增加，摻燒比例為30%時，焚燒煙氣中Ni、Cu、Cr、Zn、As、 Cd、Pb、Hg的濃度分別為0.828、 0.78、 0.85、 31.4、 0.41、 0.1、 1.2、 0.33 mg/kg，比未添加污泥時高10%～28%。Pb、Cd、Hg最高排放濃度均未超出GB30485—2013規(guī)定的國家煙氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.6 顆粒物

不同污泥摻燒比的煙塵排放特性如圖13所示，隨著添加污泥替代生料比例的提高，煙塵排放呈增加趨勢，但總排放量為0.15%～0.36%。

圖13 不同污泥摻燒比煙塵排放量及飛灰份額

煙塵產(chǎn)生量的理論計算中最關(guān)鍵的因子是飛灰份額（αfh），飛灰份額是指每燃燒1 kg原料進(jìn)入尾部的灰量與每燃燒1 kg原料產(chǎn)生的灰渣總量的比值。

試驗(yàn)中8組不同污泥摻燒比的飛灰份額如圖13所示。隨著污泥添加量的增多，飛灰份額略有增加，這是因?yàn)槲勰嗟膿]發(fā)分比生料和煤多，導(dǎo)致飛灰份額的增加。

3 結(jié)論

水泥窯焚燒干化污泥，污泥摻燒比低于10%時，排放煙氣污染物基本滿足GB4915—2013和GB30485—2013規(guī)定的限值；污泥摻燒比為10%～30%時，排放煙氣中SO2、NOx需要進(jìn)一步凈化處理才能達(dá)標(biāo)排放。

［1］ 劉淑靜.污泥燃燒與污泥排放特性研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2007.

［2］ 李斌，池涌，李愛民，等.造紙污泥與廢水污泥流化床焚燒時NOx和 S02的排放特性研究［J］.工程熱物理學(xué)報，1998，19（6）:776-779.

［3］ 王國華，孫曉，張辰，等.污水污泥送火力發(fā)電廠焚燒的環(huán)境風(fēng)險研究進(jìn)展［J］.給水排水，2006，32（6）:20-24.

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