典型城市污泥協同燃煤電廠焚燒過程中微量元素遷移規律研究

趙 喆，湛晨宇，唐 勛，馬 躍，岳長濤

［1.國能龍源環保有限公司，北京 100039；2.中國石油大學（北京），北京 102249］

污泥是污水處理過程中產生的一種不可避免的副產品，污泥的產量不斷增加，2019年，我國的污泥總產量已經超過了9 000萬t，但是由于過去對污泥的處理重視程度較低，現今污泥的處理仍是一大問題[1]。

目前污泥的處理方式主要有衛生填埋法[2-3]、建材利用法[4]、土地利用法[5-7]和焚燒法[8-9]。隨著人們環境保護意識的提高，常用的填埋法和土地利用法均提高了對污泥處理標準，污泥處理的成本隨之提高，焚燒法則因為能夠快速且大量地處理污泥，而受到各國的重視。對污泥的焚燒主要分為污泥的單獨焚燒和混合焚燒。單獨焚燒對污泥的要求較高，會增加處理成本。污泥的混合燃燒主要是將污泥與煤、木屑或者秸稈等高熱值的燃料進行混合。煤炭作為發電的主要能源，占全球發電比例的36%[10]，直接的燃煤發電利用率低下，加入適量的污泥可以明顯改善煤和污泥的燃燒特性。

1 實驗部分

1.1 樣品制備

樣品為：一種煤樣（陜西省神木縣升興礦區煤）、一種污泥樣（東南污泥，來自江蘇省印染廠），將樣品研磨后保存至密封袋中。

1.2 熱重實驗

稱量50±1g樣品，在10mL/min流量的空氣下實驗，25℃恒溫10min后，以10℃/min的速率升至800℃，在800℃恒溫3h。

2 結果與討論

2.1 污泥和煤的基本性質

基本性質如表1所示。

表1 基本性質

由表1可知，污泥的含水率遠高于煤，煤的含油率高于污泥。煤中半焦的含量遠超污泥。工業分析表明，污泥的表面水含量遠高于煤，固定碳的含量不足1%。煤的熱值遠超過污泥。

2.2 煤的燃燒特性

煤的熱重曲線主要有兩個峰，第一個峰出現在0～200℃，失去的主要是自由水和結合水，第二個峰出現在400～510℃，主要是由于揮發分的析出，該階段會產生CO、CO2、CH4等氣體。結合TG曲線來看，在650～800℃，煤的質量仍然在減少，在該階段揮發分基本燃盡，失重的主要原因是固定碳的燃燒。

2.3 污泥的燃燒特性

污泥的DTG曲線結果表明，在172℃以前，失重速率不斷增加，172℃之后，失重速率開始降低，最后趨于平緩。通過TG曲線可知，在200℃之前失去的主要是大量的水分，在200～400℃，由于污泥中揮發分含量較少，TG曲線仍然平緩下降，在700℃之后，TG曲線趨于平緩，污泥基本不再失重。

2.4 煤摻燒污泥的燃燒特性

不同摻混比下樣品的熱重曲線，如圖1所示。通過圖1的TG曲線可以看出，摻混1%污泥的失重曲線和煤燃燒的失重曲線相似，失重主要發生在200℃之前和380～800℃，200℃之前失去的主要是污泥和煤中的水分，380～800℃失去的主要是煤中的揮發分和固定碳。摻混3%污泥的失重曲線和煤燃燒以及摻混1%污泥的失重曲線相似，失重主要發生在200℃之前和380～800℃。摻混5%的污泥對整體摻燒過程仍然影響不大，整體失重趨勢與煤相近。總體分析來看，摻混5%以內的污泥對煤的燃燒過程影響不大，混燒的失重情況表現出兩者在不同失重區間的失重和。

圖1 煤摻燒不同比例的污泥的TG/DTG曲線

2.5 煤摻燒污泥的微量元素的遷移規律研究

由煤摻燒污泥的微量元素結果可知，污泥的摻混比為1%時，As的含量為0.08mg/kg，污泥的摻混比為3%時，As的含量為0.05mg/kg，污泥的摻混比為5%時，As的含量為0.08mg/kg，隨著污泥摻混比例的增加，燃燒后的殘渣中As的含量呈現出現先減小后增加的趨勢。在煤燃燒后，殘渣中Pb的濃度為0.20mg/kg，之后隨著摻混污泥比例的增加，Pb的含量逐漸增加。在摻混比為1%時，摻燒后Pb的含量為0.04mg/kg，摻混比為3%時，摻燒后Pb的含量為0.12mg/kg，摻混比為5%時，Pb的含量為0.24mg/kg。

3 結束語

以一種煙煤和一種污泥為研究對象，可知：①對煤與污泥的基本性質分析，煤具有高揮發分、高灰分、高固定碳和高熱值的特點，污泥則具有含水量高、固定碳低和熱值低的特點。②根據熱重實驗，污泥的失重過程主要是水分蒸發和揮發分析出的過程，由于污泥中水分含量較多以及揮發分含量較少，兩者的失重速率峰重合為一個峰，在揮發分析出過程中，有機質開始逐漸分解，最后由于固定碳含量較少，在700℃之后，污泥的失重曲線逐漸趨于平緩。煤的失重過程主要包括水分的失去、揮發分析出和固定碳燃燒三個過程，失去的水分主要包括自由水和結合水，在揮發分析出過程中會產生CO、CO2、CH4等氣體，最后是固定碳逐漸燃燒。通過對煤與污泥在不同摻混比下的熱重實驗研究發現，由于摻混的污泥都是少量的，所以熱重曲線和煤的熱重曲線相近，隨著摻混比例的增加，同溫度下的失重量有所增加。③對煤與污泥不同摻燒比下的殘渣中微量元素含量分析，污泥與煤摻燒后，隨著摻混比的增加，As的含量呈現先增加后減少的趨勢，Pb的含量呈現先減少后增加的趨勢。