污泥焚烧飞灰的特性与控制技术

2018-03-25李海霞廖传华

塑料助剂 2018年6期

李海霞廖传华

（1.南京科技职业学院，南京，210048；2.南京工业大学机械与动力工程学院，南京，211816）

城市污泥中含有大量的有机物和一定量的纤维素、木质素，污泥焚烧是在高温条件下，将其中所含有的有机物氧化分解成为无机物残渣、二氧化碳和水，同时放出大量的热量。由于焚烧能实现有机污泥的无害化处理与能源化利用，因此是当前最主要的污泥热处理方法。然而，污泥焚烧产生的无机物残渣，由于其粒径和质量较小，极易随烟气的排放而飞扬，从而形成飞灰，如果不对其进行处理，极易对焚烧厂周边的大气环境造成二次污染，因此在烟气排入大气前，必须对其中的颗粒物，即飞灰含量进行控制。

1 飞灰的特性与产生量

污泥的种类不同，所产飞灰的特性和飞灰量也不同，并与污泥的化学性质及污泥焚烧方式紧密相关。不同污泥焚烧过程所产飞灰中各组分的含量如表1所示。

表1 不同污泥产生的焚烧飞灰的组分Tab.1 Compositions of fly ashes from the incineration of different sluge types

由表1可以看出，不同污泥焚烧飞灰的主要成分是不溶性的硅酸盐、磷酸盐、硫酸盐、金属氧化物和不熔性金属。一些焚烧飞灰中的金属含量见表2。

表2 污泥焚烧飞灰的重金属含量 mg/kgTab.2 Contents of heavy metals in fly ashes from sluge incineration

污泥的来源与特性不同，所采用的焚烧方式不同，所产生的飞灰量也各不相同。一般说来，在不考虑污泥中的砂石等固体物时，湿污泥焚烧所产生的飞灰量占干基污泥量的20%~40%，而消化污泥焚烧所产生的飞灰量占干基污泥量的35%~50%。

2 飞灰对环境的影响

如前所述，污泥焚烧飞灰的主要成分是不溶性的硅酸盐、磷酸盐、硫酸盐、金属颗粒和金属氧化物，同时也含有因有机物不完全燃烧产生的二噁英等有毒物质，其中对环境影响最大的是重金属，其次是焚烧过程中产生的二噁英等有机污染物。

2.1 重金属对环境的影响

污泥焚烧飞灰中的重金属来源于污泥所含的重金属，其排放量取决于金属的类型和焚烧温度。

一般地，污泥中所含的金属都以氧化物的形式存在，但在焚烧过程中，部分金属氧化物在焚烧炉的还原区被还原为金属单质。为了保证污泥所含的有机物充分分解，污泥焚烧的温度较高，均在780~1350℃。在如此高的焚烧温度下，大部分金属都受热蒸发，以蒸气的形式进入烟气中，并夹带着飞灰一起外排。当烟气流冷却时，烟气中的金属蒸气将以固体颗粒为核心而凝结，从而固定在飞灰中。金属的密度越大，其熔点也越高，当烟气流冷却时，重金属蒸气便首先以飞灰颗粒为核心而发生凝结，进而固定在飞灰颗粒核心的周围；随着烟气流的温度进一步降低，Si和 Al、Ca、Na、K 等轻金属，则在已凝结有重金属的飞灰颗粒的表面发生凝结，分布在飞灰颗粒的表面。研究表明：污泥中78%~98%的 Cd、Cr、Cu、Ni、Pb 和 Zn 都被固定在飞灰中。然而，由于Hg的特性，其凝结温度较低，常规条件下仍以蒸气的形式存在，因此占总量98%的Hg随着烟气排放到大气中。当然，由于重金属的熔化温度都很高，因此当焚烧炉温度低于870℃时，大多数的重金属都处于未蒸发状态，因此对其排放量的影响很小。

另外，如果污泥中含有一定量的氯，则会促进焚烧温度对Pb和Cd排放的影响，这是因为污泥中所含的氯在焚烧温度条件下会与Pb和Cd发生反应生成高挥发性的物质PbCl2和CdCl2，从而增大烟气中Pb和Cd的含量。一般来说，氯离子在干基污泥中的含量大多低于0.5%，对Pb和Cd排放的影响不明显。但如果污泥在焚烧前采用添加石灰和氯化铁的方法进行脱水预处理时，氯离子在干基污泥中的含量可提高到7%~9%。对于这样的污泥，焚烧过程中Pb和Cd的排放量将大大提高，有的甚至可提高达6倍。

对于污泥中所含的重金属，虽然在焚烧过程中被蒸发进入烟气后，随着烟气流遇冷，大部分重金属将以烟气中的飞灰颗粒为核心而凝结，但受限于烟气流的温降，这种凝结并不完全，仍有部分重金属蒸气随烟气一并排放。因此，需对焚烧烟气进行洗涤等处理。实践表明，污泥焚烧过程中重金属在飞灰、洗涤水和烟气中的分配比例如表3所示。

表3 污泥焚烧过程中重金属的分配Tab.3 Proportions of heavy metals in the products from sludge incineration

2.2 二噁英

污泥焚烧过程中二噁英的形成有三个可能的途径：①包含PCDDs/PCDFs的化合物在燃烧室中不完全裂解；②通过炉膛中的氯酚和氯苯等氯化物形成；③由无机氯化物与有机物综合反应的结果。这几条途径均通需在有催化剂存在的条件下发生，但对于温度范围为250～400℃的余热锅炉及除尘器中的飞灰，其中所含的金属化合物（一般有铜的氯化物、氧化物、硫酸盐以及铁、锌、镍、铝的氧化物）均可起到催化剂的作用，因此二噁英的产生不可避免。

运行实践表明，影响二噁英形成和排放的主要因素包括：污泥的成分及特性、燃烧条件、烟气成分、烟气中微粒的含量、烟气温度分布、粉尘去除装置的运行温度以及酸性气体的控制方式，其中氯含量和x(S)/x(Cl)比值是两个最重要的参数。研究表明，随着x(S)/x(Cl)比值的增加，污泥焚烧后烟气中二噁英和呋喃的浓度降低。这是因为SO2可消除催化反应中氯的形成，使它难以与有机化合物反应并形成二噁英和呋喃。

一般地，由于污泥中二氧化硫和氯的比例要高于城市废物（污泥中的x(S)/x(Cl)比值一般比其他废物中的高7～10倍），因此污泥焚烧生成的二噁英要比城市废物焚烧过程生成的少，通常低于规定值。生成的二噁英大部分存在于飞灰和气体中，采取以下措施可使多氯化合物的生成量减少：①将低碳含量的飞灰深度燃烧；②降低废物中的铜含量；③减少飞灰在临界温度区的停留时间。

3 飞灰控制技术

不同类型焚烧炉所排放烟气中的飞灰浓度不一样：流化床焚烧炉最高；多膛焚烧炉烟气中飞灰浓度是可变的，但一般低于流化床焚烧炉；电炉烟气中颗粒物含量最小。

焚烧烟气中飞灰的去除按去除原理有湿法（洗涤法）和干法（静电除尘器、布袋过滤器、旋风除尘器），可去除至（标准状态）10 mg/m3。

（1）湿法去除

湿法去除法是采用水洗烟气的方法去除其中的飞灰，工业上应用最多的是文丘里洗涤器。实际应用的文丘里除尘器是一套系统设备，由文丘里洗涤器、除雾器（或气液分离器）、沉淀池和加压循环水泵等多种装置组成。文丘里管包括收缩段、喉管和扩散段。文丘里洗涤除尘器对粉尘的捕集机理主要是惯性碰撞，扩散沉降机理只对小于0.1 μm的细小粉尘才有明显的作用。

图1 文丘里洗涤器示意图Fig.1 Schematic diagram of a Venture scrubber

图1 所示为常用于颗粒物控制和降温的文丘里/板式洗涤器。颗粒物中的水分一般要进行分离。通常采用密封件或挡板，突然改变气流方向，利用惯性去除水滴。含尘废水由除雾器锥形底部排至沉淀池，文丘里洗涤器排出灰渣的脱水可以有多种方法（蓄水池、沉淀池、真空过滤器等）。

文丘里洗涤除尘器的主要特点是：①结构简单紧凑，体积小，占地少，价格低；②既可用于高温烟气降温，高温、高湿和易燃气体的净化，也可净化含有微米和亚微米粉尘及易于被洗涤液吸收的有毒有害气体；③高速气流的动能要用于雾化和加速液滴，因而压力损失大于其他湿式和干式除尘器，压力损失高，处理的气体量相对较少，因而目前仅应用于小型的焚烧炉。

（2）干法去除

湿法去除相对的是干法去除，即去除烟气中飞灰的过程不加水。常用的干法去除方式有袋式除尘器和旋风分离器。

袋式除尘器的优点是装置简单、除尘效率高、回收的干粉尘能直接利用。其缺点是能耗高，活性炭和碱性试剂消耗量大；温度控制和系统维护要求高；要求烟气分布均匀，每一室的压降需独立监测；注入活性炭有自燃/着火的风险，会使Hg排放增加，烟气处理残留物中PCDD/PCDF和Hg含量增加；设备对冷凝水敏感，存在酸露点问题，会造成腐蚀；灰渣贮存罐有着火风险；采用催化过滤袋时，需增加去除Hg的装置；对通过的气体不起冷却作用，占地面积较大。

袋式除尘器广泛用于污泥焚烧烟气处理系统，滤袋上的残留物层充当额外的滤料，也起到吸附反应器的作用。常作为烟气净化系统的末端设备，用于粉尘、重金属、二噁英等去除率要求较高的情况，与选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）协同使用时，可使 PCDDs/PCDFs的排放水平小于0.1 ng/m3和粉尘排放量小于2 mg/m3。

旋风除尘器工作时，气流从上部沿切线方向进入除尘器，在其中做旋转运动，尘粒在离心力的作用下被抛向除尘器圆筒部分的内壁上降落到集尘室。旋风除尘器适用于净化粒径大于5~10 μm的非黏性、非纤维的干燥粉尘，结构简单、操作方便、耐高温、设备费用和阻力（780~1560 Pa）较低，除尘效率约70%~90%。

4 焚烧飞灰的固化与资源化

飞灰主要由无机物组成，可根据无机物的组成而实现飞灰的建材化利用，通常用作生产砖块的添加剂或用作波特兰水泥混凝土的填充物。如果污水处理厂采用化学方法去除磷酸盐，污泥中磷酸盐含量会较高，在焚烧过程中，飞灰在大于1100℃温度下与碳酸钠共热，飞灰中的磷酸盐可以转换为可溶态，从而可用作磷酸盐肥料，但必须严格控制飞灰中重金属的含量。

4.1 飞灰的固化处理技术

对于重金属含量较高的污泥焚烧飞灰，为了减少重金属对环境的危害，一般可采用水泥固化法进行处理。其原理是将飞灰与矿物质或水硬性胶凝材料（如水泥、煤炭、飞炭等）混合，控制水泥的性质，添加足够的水以确保水与水泥发生水合反应并将水泥粘合起来。飞灰中的重金属与水和水泥反应，形成金属氢氧化物或金属碳酸盐，这两种物质通常比残留物中原先的金属化合物更难溶解。

采用水泥固化法处理污泥焚烧飞灰，添加的水泥和添加剂增加了废弃物体积，使固化产物干重增加了50%；添加的水使干重增加了30%~100%；降低了难溶性金属氢氧化物或金属碳酸盐形成的可能性，短期内固化产物的重金属浸出性较低，但依然有沥出的风险，且高pH值的水泥固化系统会使两性金属（Pb和Zn）的浸出性显著增加。

4.2 飞灰的建材利用技术

对于重金属含量在规定范围内的污泥焚烧飞灰，可根据其组分特性实现建化化利用。常用的建材化利用方法有：

（1）制造结晶玻璃

结晶玻璃系指在玻璃质（非结晶）中均匀地析出适量的结晶，使本来的脆性玻璃改性为均质的半结晶体，具有很高的抗压性能和抗弯性能。利用污泥焚烧灰中的铁和硫，可生成硫化铁作为成核添加剂，从而制造结晶玻璃，其抗弯强度为50 MPa，是大理石的4.5倍、花岗岩的3倍以上；抗酸性是大理石的100倍、花岗石的10倍；硬度与花岗石相同，而且可以磨出光泽；外观上与大理石、花岗石相比毫不逊色。由于从结晶玻璃中不会溶出重金属，所以作为建设材料使用是安全的。

（2）作为混凝土填料

污泥焚烧灰渣的化学性质呈惰性，当灰渣中不含硫酸盐和氯化物或其含量很小时，可作为混凝土填料。但由于污泥焚烧灰的吸水性和干燥收缩比较大，作为混凝土混合材料和陶瓷材料大量使用时，会使强度降低。此外，当污水污泥含有较多的磷时，会影响混凝土的凝聚反应，使强度降低。

一般认为，使用无机混凝剂调理的污泥焚烧灰，其pH值高，且平均单位吸水量比在100%以下，可以作为砂浆和混凝土的混合材料使用。而使用高分子混凝剂调理的污泥焚烧灰，其pH值为中性且单位吸水量比都在100%以上，不适合用作砂浆和混凝土的混合材料。

4.3 作为高流动混凝土的混合材料

利用污水污泥焚烧灰的热化学特性，将焚烧灰雾化后喷向高温火焰（约1200～1500℃或者约2100℃），焚烧灰将迅速熔融，在表面张力的作为成为球状，冷却后的产物称为球状焚烧灰。球状焚烧灰的吸水量随着孔隙的减少而降低，同时，由于表面为玻璃质所覆盖，重金属、磷、硒、砷等有害成分的溶析受到抑制。利用球状焚烧灰作为高流动混凝土的混合材料所得流动混凝土的坍落度值、孔隙强度和抗压试验均符合要求，且未出现材料离析现象。