生活垃圾焚烧炉排炉掺烧污泥对灰渣特性的影响

张瑞娜

生活垃圾焚烧炉排炉掺烧污泥对灰渣特性的影响

张瑞娜

(上海环境卫生工程设计院有限公司，上海生活垃圾处理和资源化工程技术研究中心，上海 200232)

本研究以生活垃圾焚烧炉排炉掺烧污泥的运行项目为依托，经过近半年的现场运行发现炉内多处位置易产生结焦．对焦样和灰渣采集，并使用XRF、SEM和EDS等样品测试，分析讨论垃圾焚烧炉掺烧污泥对灰渣特性的影响及产生结焦的主要原因．研究结果表明：由于污水处理过程中含铁絮凝剂的加入，使污泥中含有大量的Fe，掺烧污泥后易形成低温熔融的铁系复盐，呈现烧结状态，这是焚烧炉火焰区结焦的主要原因；垃圾中含有较多的Na、K，铁的加入易与底渣的Si、Al结合，从而降低了Si、Al捕捉Na、K的能力，随气流上升到炉膛上部的Na、K生成低熔点硫酸盐，是造成烟道区结焦的原因之一；由于焚烧炉喉口尺寸狭窄，炉内拐点引起颗粒惯性撞壁，让未燃尽的炭粒撞击到墙壁，炭粒表面的高温促成了喉口附近结焦．结焦特性的研究对于改进污泥掺烧工艺有一定的理论指导意义．

生活垃圾；焚烧炉；污泥；结焦

随着工业化和城市化进程的发展，城市污水处理厂产生的污泥量逐步增加，对环境造成了严重威胁[1].污泥是废水处理的副产品，2007年至2013年，中国产污泥总量年均增长率达到13%[2]，2014年产干污泥712万吨[3]．2018年排放污水污泥3100万吨(含水率85%)．污泥的处理变成一个具有挑战性的环境问题．污泥处置有3种主要方式：填埋、堆肥、焚烧或热转化[4]．其中，城市污水污泥焚烧已成为主要的处理技术之一．通过焚烧，可以在有效减量化、能源资源再利用中发挥重要作用，焚烧应用逐渐增多．

污泥焚烧可分为直接焚烧和协同焚烧两类．由于污泥的含水量高且热值低，直接焚烧需通过机械脱水降低污泥的含水量、提高热值，在锅炉中无法单独稳定燃烧．因此，通常采用污泥与煤或者其他辅助燃料混合燃烧的方法来进行污泥处置[5-6]．国内外对污泥与垃圾混合燃烧已进行了相关研究与实践[7-8]．在早期的欧洲、日本等国家和地区，通过将城市污泥按10%左右的比例运送到垃圾焚烧厂或燃煤电厂进行协同处理城市污泥，但是国外协同焚烧案例中炉型多以流化床为主[9-10]．关于垃圾焚烧炉排炉协同焚烧污泥的研究发展很快，目前国内已经有很多工程案例. 冯淋淋等[11]采用数值模拟的方法对污泥掺烧时大型垃圾焚烧炉排炉炉膛焚烧过程及尾部烟道进行热态模拟，发现添加质量分数10%的污泥在垃圾焚烧炉排炉中掺烧对垃圾焚烧炉燃烧热稳定影响较小．杨栩聪等[12]以某台350t/d垃圾焚烧炉为研究对象，利用CFD数值模拟方法研究掺混不同比例半干化污泥下的燃烧特性以及污染物排放特性，发现7%是比较合适的污泥掺混量，且NO生成量与污泥掺混量成正相关[12]．

本研究以在中国应用的主流炉型垃圾焚烧炉排炉掺烧污泥的运行项目为依托，经过近半年的现场运行后，在焚烧炉年度例行检修过程中，对焚烧炉膛、一烟道和余热锅炉进行焦样和灰渣采集，以分析污泥与生活垃圾掺烧后产生的结渣现象，并通过XRF、SEM和EDS等分析测试对焦样、渣样的成分及产生结焦的可能原因进行了解析．

1 垃圾焚烧炉掺烧污泥工业示范试验

1.1 焚烧炉掺烧污泥试验及工况

研究的焚烧炉为上海市某垃圾焚烧厂的垃圾焚烧炉．该焚烧炉为三段式炉排炉，炉排间有一定的落差，使用再循环烟气作为主要的二次燃烧室配风，混合炉排不均匀烟气的气体，同时具有控制温度的作用，具体炉型见图1．图中标注了主要样品灰渣的取样位置．焚烧炉炉膛中设置有中间拱，中间拱与焚烧炉前拱形成副烟道，与后拱形成主烟道．燃烧段产生的烟气一部分流经副烟道，另一部分流经主烟道，最后在炉膛出口处汇和，通入一烟道．

火焰区包括A—炉膛，B—副烟道，C—中间隔板上部；喉口区包括D—前拱，E—后拱；烟道区包括F—前置蒸发器，G—三级过热器

1.2 燃料特性及运行效果

本文研究的污泥是在上海市某污水处理厂采集的污泥样品，与焚烧厂掺烧的污泥来源一致，生活垃圾是进入焚烧厂垃圾坑的垃圾样品．对污泥和生活垃圾进行工业分析及元素分析测试，具体数据见表1．生活垃圾及污泥的XRF数据见表2．由表1可以看出，污泥的灰分质量分数约占50%，挥发分含量也较高，占48.34%，固定碳含量则较少，只有约1.47%.相比于生活垃圾，污泥中N、S含量较高．表2显示生活垃圾及污泥中都含有较高的CaO，生活垃圾中含有较多的Na2O和K2O，而污泥中SiO2、Al2O3、Fe2O3等含量较高．

表1 生活垃圾及污水污泥的工业分析与元素分析

Tab.1 Proximate analysis and ultimate analysis of domestic waste and sewage sludge

表2 生活垃圾及污水污泥的灰成分质量分数(XRF测试)

Tab.2 Ash composition analysis of domestic waste and sewage sludge(XRF) %

在垃圾焚烧炉中进行了垃圾掺烧污泥的工业示范试验．工业示范试验经过半年的运行，发现运行过程中焚烧炉结焦较为明显，在计划停炉检修过程中，进行了现场焦样和灰渣样品的采集．

2 结焦问题分析

2.1 结焦样品测试分析

生活垃圾与污泥都具有热值低、灰分高、热值变化大、灰分含量高等特点，因此垃圾掺烧污泥后再焚烧过程中情况较为复杂，垃圾掺烧污泥后发生结焦问题比一般燃料燃烧过程更为复杂．为进一步研究焚烧炉结焦问题，对炉内结焦样品进行采样分析，具体采样位置见图1．根据各个位置采集的样品，样品呈现略红褐色，各位置都是硬度较大的大块结焦样品．

对采集的焚烧炉内结焦样品进行灰熔点测试，测试结果如表3所示，可见除D处灰熔点高于1400℃，其余均小于1400℃，且A、B、C位置处灰熔点不到1300℃，灰熔点低是掺烧污泥后产生结焦的主要原因．

表3 焚烧炉各个位置焦样的灰熔点测试结果

Tab.3 Test results of ash melting point of coke samples at various locations of incinerator ℃

2.2 火焰区结焦原因分析

图2为A、B、C三个位置处的XRF测试数据，火焰区焦样中主要含有Ca、Fe、Si，几乎没有碱金属Na、K和SO3．根据表3中灰熔点数据可知，焚烧炉内A、B、C位置处灰熔点较低，灰熔点低是发生结焦的根源．对A处灰进行灰成分XRD测试，数据见图3，图中可见结焦处主要是不定型物质，未测出明显的晶体结构．

图2 A、B、C位置灰成分的XRF数据

图3 A处灰成分XRD测试

在焚烧过程中结焦的主要过程包括固-固反应和气-固反应，其中铁系复盐的生成反应是固相参与的

主要形式，碱金属和碱土金属在烟气中的固硫反应生成硫酸盐是气-固反应的主要形式．由于污水处理过程中含铁絮凝剂的加入使污泥中含有大量的Fe，在火焰区域主要发生铁系复盐的生成反应，生成过程中会发生的主要反应包括：

火焰区域呈现富燃料、过量空气系数低的状态.在该还原气氛下FeCO3、FeSO3、Fe2O3等分解成FeO，而FeO会和Al2O3、SiO2等形成一系列复盐[13-14].铁含量高，形成低温熔融的铁系复盐，且大多以非晶体的烧结不定形物存在，这是灰熔点偏低的主要原因．对比A、B位置的灰熔点，C灰熔点偏高，主要原因除了含有较少的FeO外，还因为含有较高CaO，当CaO在灰中的含量较高时，由于灰中形成了高熔点的单体CaO等物质，能够使灰样的灰熔点升高[15]．

2.3 烟道区结焦原因分析

对F、G位置进行灰成分XRF测试，结果见图4．在烟道区域，灰成分中的Fe变少，SiO2、Al2O3偏低，而硫酸盐(钠盐、钾盐)含量较高．

对F位置进行灰成分XRD测试，结果见图5，只测出主要成分CaSO4的晶体成分，没有测出Na、K盐的对应晶体成分．

图4 F、G位置灰成分XRF数据

图5 F位置灰成分XRD数据

灰中的固硫反应主要发生在炉膛上部，固硫反应温度区间为800～1000℃，主要反应方程式有：

这里M指Na、K、Mg、Ca等碱金属或碱土金属．晶体CaSO4的灰熔点温度较高，因此形成结焦的可能原因是Na、K盐．这里虽然因为其含量较少，XRD没有测出其明显的钠盐、钾盐晶体结构，但是从XRF测试可见该物质是存在的．其熔点低也成了飞灰发生结焦的原因之一．

2.4 喉口区结焦原因分析

对D、E位置进行灰成分XRF测试，结果见图6．其中，灰中Na2O、K2O、SO3含量很高．图7为E位置处灰成分XRD数据．从灰成分的比较来看，喉口位置的灰成分是燃烧区、烟道区的过渡形态，同时含有一些低灰熔点的铁系复盐和硫酸盐．

图6 D、E位置灰成分的XRF数据

图7 E位置灰成分XRD数据

对焚烧炉内结焦样品进行了含碳量测试．根据测试结果得出，喉口位置即D、E处焦样含碳量较多，为8%～10%，喉口处由于阻挡墙体的作用，喉口位置狭窄，让未燃尽的炭粒撞击到墙壁，燃烧中炭粒表面的高温易形成熔融灰渣，造成结焦．

3 掺烧污泥后垃圾灰的变化

利用扫描电镜(SEM-EDS)分析了不同位置结焦样品的显微组织及相应的元素种类及含量．选取了火焰区位置A和烟道区位置F进行SEM-EDS分析．图8为A、F位置处SEM测试的灰渣形貌．由图8(a)可见，A处灰渣呈烧结的熔融状态，熔为一个整体．图8(b)中F位置处不是全部呈熔融状态，而是呈现鳞片状结构，众多块状物质黏在一起．

在图8样品中测试5个局部位置的EDS元素成分，平均结果见图9，给出了灰的局部位置的元素组成．可见A处主要元素是Ca、Fe、Si、Al，主要含有较多的低熔点铁系复盐和硅铝酸盐，而F处除了Ca含量较多外还有较多的S、Mg、K、Na等元素，主要是因为含有较多硫酸盐，也有一定的低灰熔点钠盐、钾盐等物质，低熔点物质让灰熔点较高的CaSO4等黏附在一起，呈现了鳞片状结构．这也是F处灰虽然熔点较高，但仍发生结焦的原因．同时，SEM-EDS的分析数据与XRF分析结果一致．

图8 炉内灰渣采集样品的SEM形貌测试

图9 SEM-EDS测试A、F位置灰渣中元素含量

表4对比了垃圾焚烧炉掺烧污泥前后灰熔点数据，分析了炉内A、F位置处灰渣的灰熔点．A位置处掺烧前后灰熔点变化不明显．F位置处掺烧后灰熔点明显降低约100℃，即炉内更易发生结焦，主要是由于掺烧污泥后烟道区产生较多的灰熔点低的硫酸盐．垃圾飞灰中原来就含有较多的Na、K．随着污泥的加入，更多的铁进入底渣，Fe表现得更易于与Si、Al结合，同时降低了Si、Al捕捉Na等的能力，这样就会有更多的Na、K等碱金属飘到了炉膛上部，引起了固S后形成一定的熔点较低的硫酸盐(如钠盐、钾盐)，容易黏壁而形成灰渣．

表4 掺烧污泥前后A、F处灰样品的灰熔点数据

Tab.4 Data of ash melting point of ash samples at posi-tions A and F before and after mixing with burn-ing sludge ℃

4 结 论

(1) 由于污泥中铁含量较高，垃圾焚烧炉掺烧污泥后，炉床底渣易形成低温熔融的铁系复盐，呈现 烧结的非晶体结构，这是焚烧炉火焰区结焦的主要 原因.

(2) 烟道区结焦主要是灰中的碱金属与碱土金属捕捉炉内的SO，形成了一定的低熔点硫酸盐．垃圾飞灰中本来就含有较多的Na、K，铁的加入易在底渣中与Si、Al结合，从而降低了Si、Al捕捉Na、K等的能力，更多飘到炉膛上部的Na、K，发生固硫后形成低熔点硫酸盐．

(3) 由于试验焚烧炉炉膛中心有一个阻挡墙体，导致后墙位置的烟气温度很高，为局部位置的结焦提供了条件，喉口区含有一些低灰熔点的铁系复盐和硫酸盐，且焚烧炉喉口尺寸狭窄，炉内拐点引起颗粒惯性撞壁，引起喉口位置结焦．

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Impacts of Co-Burning Sewage Sludge on Ash Formation Characteristics in Incineration Grate Furnace of Municipal Solid Waste

Zhang Ruina

(Shanghai Engineering Research Center of Municipal Solid Waste Treatment and Recycle，Shanghai Institute for Design and Research on Environmental Engineering Co.，Ltd，Shanghai 200232，China)

In this paper，based on an operation project of municipal solid waste(MSW) incineration grate furnace mixed with sludge，slagging was found at some positions in the furnace during almost half a year’s operation. The slag and ash were sampled in the furnace，which were tested using XRF，SEM and EDS.The influences of mixed sludge in waste incinerators on the characteristics of ash and the main reason for slagging were analyzed and discussed. Firstly，results show that the addition of iron-containing flocculant to the sewage treatment process makes the sludge contain a large amount of Fe. After the mixing of sludge，it is easy to form a low-temperature melting iron-based double salt，showing a sintered state. This is the main cause of slagging in the flame zone of the incinerator. Secondly，since the waste contains more Na and K，the addition of Fe facilitates the combination of Si and Al in the bottom slagging，which reduces the capability of Si and Al to capture Na and K. The alkali metals entrained by the upwind flue gas to the top of furnace reacts with SOto form the low melting point sulfate，which is one of the causes of the flue slagging zone. In addition，some unburned char particles collide with the wall of narrow throat in the incinerator，and the high temperature on the surface of carbon particles promotes coking near the throat. The experimental investigations are helpful in developing the co-combustion technology of sewage sludge in the MSW incinerator.

municipal solid waste(MSW)；incinerator；sewage sludge；slagging

X705

A

1006-8740(2021)03-0297-06

10.11715/rskxjs.R202006011

2020-06-16．

国家重点研发计划资助项目(2018YFC1901206)．

张瑞娜（1978—  ），女，博士，高级工程师．

张瑞娜，zhangrn@huanke.com.cn.

(责任编辑：武立有)