污泥與木屑混合成型燃料燃燒的二次污染物排放規(guī)律.pdf

1、在全球范圍內(nèi)，生物質(zhì)能是第四大能源的來源，供應(yīng)了大約14％的世界能源總需求量。眾所周知，揮發(fā)分在生物質(zhì)的燃燒過程中占主導(dǎo)作用，而固定碳的燃燒只占次要地位。盡管原始的生物質(zhì)燃燒在全世界范圍內(nèi)分布廣泛，但這是一種低效率且高污染的燃燒方式。與此同時，與傳統(tǒng)的生物質(zhì)燃料相比，生物成型燃料可以方便地在流化床和鏈條鍋爐上使用，而且有以下優(yōu)點:更低的運(yùn)輸和儲藏成本、更高的能量密度、更低的粉塵濃度、更低的污染物排放、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)尺寸與組成。同時，成型顆粒

2、燃料使用起來與石油衍生產(chǎn)品一樣方便且便于自動化，具有更低的燃燒殘留物、更高的燃燒效率。
　　不斷增長的市政污水污泥(MSS)的產(chǎn)量對于一個社會的可持續(xù)發(fā)展來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。中國每年的污泥的產(chǎn)量超過8百萬噸（干重）。由于快速的城鎮(zhèn)化和工業(yè)化，污泥的產(chǎn)量正以8％-10％的年增長率增加。污泥的處理是非常復(fù)雜且困難的，主要原因是污泥中含有大量的有毒物質(zhì)，例如重金屬、內(nèi)分泌干擾物、農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴、二噁英、病原菌、其他微生物污染

3、物、導(dǎo)致富營養(yǎng)化的氮和磷等等。燃燒既可以回收能源，也可以處理污泥。所以最近用燃燒處理污泥的方式快速增長。在污泥燃燒過程中，鍋爐效率和二次污染物排放獲得越來越多的關(guān)注。
　　針對污泥與木屑混合成型燃料產(chǎn)品性狀、鍋爐效率、燃燒過程的二次污染物排放、灰渣中重金屬的化學(xué)形態(tài)、移動性和植物可吸收性以及重金屬風(fēng)險評價，本文開展了四個方面的研究工作。
　　第一個方面的工作是研究了不同污泥比例與木屑混合成型對得到的污泥與木屑混合成型燃料產(chǎn)品

4、性狀及其在鏈條爐中的燃燒情況。隨著污泥比例的增加，成型燃料的熱值隨著降低，而且燃料的顏色也隨之加深。燃料的密度也增大，直徑減少。30％污泥的污泥與木屑混合成型燃料(30％ MSS PF)的Meyer強(qiáng)度最小，而破碎率最大，50％污泥的污泥與木屑混合成型燃料(50％ MSS PF)則反之。10％污泥的污泥與木屑混合成型燃料(10％ MSS PF)和30％ MSS PF兩種成型燃料的密度、含水率、熱值均達(dá)到北京市地方標(biāo)準(zhǔn)(DB11/T541

5、-2008)，而50％ MSS PF的熱值低于該標(biāo)準(zhǔn)。10％ MSS PF、30％ MSS PF粒在鏈條爐中燃燒時，均能替代5000大卡左右的煤達(dá)到生產(chǎn)所需的蒸汽壓，且燃燒完全。50％MSS PF產(chǎn)生的蒸汽壓略低于生產(chǎn)所需，且有少量顆粒未燃燒完全，這可能是50％MSS PF熱值較低造成的。50％ MSS PF由于熱值低而導(dǎo)致其燃燒性能不佳。而10％ MSS PF雖然燃燒性能好，但處理污泥量有限。故在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下，應(yīng)該用30％ MS

6、S PF最為合適，燃燒性能又好，又能大量處理污泥。
　　第二個方面的工作是對比研究了10％和30％ MSS PF在鏈條爐燃燒過程中的鍋爐效率，常規(guī)污染物的排放，二噁英和重金屬的排放、分布特征和質(zhì)量平衡。10％和30％ MSS PF的鍋爐效率分別是76.6％和75.9％。污泥與木屑混合成型燃料燃燒后的煙氣中CO濃度(56-64mg Nm-3)非常低。10％和30％ MSS PF爐渣的熱灼減率分別只有0.66％和0.76％。10％和3

7、0％ MSS PF燃燒后煙氣中的二噁英當(dāng)量毒性分別為0.191和0.157 ng I-TEQ Nm-3。盡管鏈條爐的運(yùn)行溫度介于653與667℃之間，這個溫度區(qū)間值很容易產(chǎn)生二噁英。但由于污泥與木屑混合成型燃料在燃燒過程中充分燃燒且穩(wěn)定的燃燒過程以及相對低的氯含量促進(jìn)了二噁英的排放降低;污泥中二噁英的PCDFs與PCDDs比值和同系物分布與燃燒后煙氣、飛灰和爐渣中的不一致。與此同時，爐渣中二噁英的PCDFs與PCDDs比值和同系物分布與

8、煙氣和飛灰中的也不一致。本研究中重金屬的分布特征主要取決于重金屬本身的蒸發(fā)特性。污泥與木屑混合成型燃料在鏈條爐上燃燒產(chǎn)生的二次污染都達(dá)到了中國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(GB18485-2014)。
　　第三個方面的工作是定量地研究了污泥與木屑混合成型燃料燃燒前后重金屬的化學(xué)形態(tài)、移動性和植物可吸收性的變化。飛灰和爐渣是成型燃料燃燒過程中產(chǎn)生的最主要副產(chǎn)物。由污泥、成型燃料、飛灰和爐渣的BCR結(jié)果可知，經(jīng)過燃燒后，污泥中的生物有效態(tài)的重金屬部分（

9、可交換的和與碳酸鹽態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)）大部分轉(zhuǎn)化為非常穩(wěn)定的重金屬部分（殘渣態(tài)）。在未成型的醫(yī)療垃圾和市政固體廢物焚燒產(chǎn)生爐渣中重金屬的生物活性部分(F1+F2+F3)的比例要高于本研究中爐渣中的部分。與爐渣相比，飛灰中還有更高比例的可交換的和與碳酸鹽態(tài)重金屬（除As以外），這表明除了As以外，飛灰中的重金屬比爐渣中的更具有生物可利用度和移動性。另一方面，TCLP法、二乙三胺五乙酸(diethylenetriamine pentaa

10、cetic acid，DTPA)法和HCl法的結(jié)果表明重金屬的移動性和植物可吸收性在燃燒后都大大地降低了。BCR、TCLP和植物可吸收性的結(jié)果都表明爐渣中的重金屬比飛灰中的更加穩(wěn)定。飛灰和爐渣中重金屬的直接和長期的生物可利用性和生態(tài)毒性都大大降低了。這表明成型后燃燒是一種有前景而且徹底安全的處理污泥方式。
　　第四個方面的工作是定量地評價了污泥燃燒前后，污泥、飛灰和爐渣中重金屬的環(huán)境風(fēng)險。采用的方法有生物可利用度和生態(tài)毒性、地累計

11、指數(shù)(GAI)、潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)(PERI)和風(fēng)險評估模型(RAC)等四種方法。生物可利用度和生態(tài)毒性的結(jié)果表明除了飛灰中Pb和爐渣中的As的直接生物可利用度和生態(tài)毒性外，飛灰和爐渣中重金屬的直接和長期的生物可利用度和生態(tài)毒性都顯著地下降了(P＜0.05)。地累積指數(shù)的結(jié)果表明燃燒顯著地降低了重金屬的污染水平。潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的結(jié)果表明重金屬的風(fēng)險總量顯著地下降了（P＜0.05），由污泥中的777.07(極高風(fēng)險)分別下降至飛灰中的28

12、8.72(中等風(fēng)險)和爐渣中的64.55(低風(fēng)險)。Cu和Cd占總的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的大部分。根據(jù)風(fēng)險評估模型的結(jié)果，除了爐渣中的As以外，飛灰和爐渣中的七種重金屬對環(huán)境只有很低甚至沒有風(fēng)險?？偠灾c污泥相比，飛灰和爐渣中重金屬的環(huán)境風(fēng)險都降了。然而，潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的結(jié)果表明飛灰的風(fēng)險等級為中等風(fēng)險，所以，污泥與木屑混合成型燃料燃燒產(chǎn)生的飛灰在再利用或者填埋之前應(yīng)該預(yù)處理或者改善?？傊?，污泥成型后燃燒，飛灰和爐渣中重金屬的污染危害