1、研究背景

目前，市政污泥（以下简称“污泥”）协同焚烧在国内以燃煤电厂协同焚烧方式为主，已经成为污泥处理处置的重要补充方式。燃烧可最大程度上实现污泥减量化和无害化，还可回收污泥中的热能。从政策层面，我国对污泥进行燃煤电厂协同焚烧处置持鼓励态度。例如，《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南（试行）》（以下简称《指南》），将污泥电厂掺烧作为污泥处置推荐方式之一。《指南》中提到：采用火电厂协同处置，既可以利用火电厂余热作为干化热源，又可以利用火电厂已有的焚烧和尾气处理设备，节省投资和运行成本。《指南》还指出，在具备条件的地区，鼓励污泥在火力发电厂锅炉中与煤混合焚烧。《污泥无害化处理和资源化利用实施方案》中提及，含重金属和难以生化降解的有毒有害有机物的污泥，应优先采用集中或协同焚烧方式处理；有效利用本地垃圾焚烧厂、火力发电厂、水泥窑等窑炉处理能力，协同焚烧处置污泥。

燃煤电厂锅炉主要包括循环流化床锅炉和煤粉炉两类，其中，流化床锅炉的燃烧温度较低，为850~950℃，煤粉炉为1200~1500℃；此外，流化床锅炉对燃料的含水率和粒径要求都较低（粒径一般小于12mm）。相比于煤粉炉，流化床锅炉更适于污泥协同焚烧。我国已有很多燃煤电厂开展了污泥协同焚烧工作，循环流化床可掺烧脱水污泥（污泥含水率为70%~80%），湿污泥掺烧比例约20%~25%；而煤粉炉主要掺烧干化污泥，干污泥掺烧比例为1%~5%。目前，国家尚未出台污泥在燃煤电厂协同焚烧处置相关的强制性泥质标准，仅部分标准对污泥掺烧比例进行了限定。例如，《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南（试行）》中规定，在现有热电厂协同处置污泥时，入炉污泥的掺入量不宜超过燃煤量的8%；对于考虑污泥掺烧的新建锅炉，污泥掺烧量可不受上述限制。电厂在开展污泥掺烧项目时没有具体准则，实施过程多样，不利于行业的可持续发展。

污泥含水率较高、有机质含量较低、热值偏低，燃烧特性与煤相差较大，掺烧污泥造成的影响主要有两方面：一是设备问题，二是烟气污染物排放问题。例如，污泥与燃煤混合后燃料黏性会增加，从而造成设备积煤、堵煤的概率增大；城市排水雨污不分流造成污泥含砂量较高，也会导致设备磨损；污泥掺烧量较大时燃料热值急剧下降，致使锅炉热效率降低；含N、S等元素的污泥燃烧后会生成酸性气体，从而腐蚀管道，并可能造成烟气污染物排放情况发生变化。此外，部分电厂运营人员担心污泥协同焚烧会加剧燃煤锅炉结焦程度而导致项目难以开展。但是，狄万丰等通过在1000MW机组开展污泥掺烧试验发现，掺烧污泥后炉内结焦情况并无明显加剧。

目前，关于燃煤电厂协同焚烧处置污泥时其成分对锅炉结焦影响和污泥结渣特性的研究鲜有报道。针对污泥协同焚烧是否会造成电厂燃煤锅炉结焦的问题，通过调研若干污泥协同焚烧项目，借助污泥中非金属元素含量检测、灰熔融性分析、灰氧化物成分分析等手段，探讨了污泥成分对燃煤锅炉可能产生的影响，为污泥脱水调理剂的选择提供了一定的依据。此外，通过综合判别指数计算，对调研项目的污泥结渣特性进行了预测，可供类似工程项目参考。

2、材料与方法

2.1 污泥来源

调研采样检测的污泥分别来自内蒙古、广东、江西、安徽、江苏、山西、天津和辽宁8个省市的污水/污泥处理厂，共9个样品，分别标记为样品A、B、C、D、E、F、G、H和I，其中样品B和C来自同一城市的不同污水厂。样品概况如来自地区、种类、含水率、pH和掺烧比等信息见表1。

2.2 污泥非金属元素含量检测

由于污水污泥处理过程中含氯类药剂的添加，污泥中氯元素含量高于煤，燃煤电厂协同焚烧污泥可能会引发设备腐蚀问题以及烟气中二口恶英等污染物的排放情况发生变化，因此对污泥中的Cl元素进行含量分析。检测方法参考《生活垃圾化学特性通用检测方法》（CJ/T96—2013）。污泥中的硫燃烧会生成酸性气体而腐蚀管道，同时干燥基硫含量影响结渣倾向，因此参考《煤中全硫的测定方法》（GB/T214—2007）对污泥中的硫含量进行检测。

2.3 污泥灰熔融性和氧化物成分分析

煤灰熔融性是指煤灰在高温条件下软化、熔融、流动时的温度特性，是煤质的重要分析指标，通常用4个特征温度来表示：变形温度（deformationtemperature，DT）、软化温度（softeningtemperature，ST）、半球温度（hemisphericaltemperature，HT）和流动温度（flowingtemperature，FT）。一般以软化温度来衡量煤灰熔融性，即灰熔点。值得说明的是，灰熔点低的煤种在燃烧时结焦倾向较高。参考《煤灰熔融性的测定方法》（GB/T219—2008），对不同污泥样品的灰熔融性进行了分析。

影响煤灰熔融性的氧化物成分主要有8种：SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、Na2O、K2O，参考《煤灰成分分析方法》（GB/T1574—2007），对污泥灰分的氧化物成分进行检测。

3、结果与讨论

3.1 污泥非金属元素含量

不同污泥样品中Cl、S含量如图1所示。调研污泥干基中Cl含量为0.02%~3.34%，其中样品A、D、E、G在污泥脱水过程中有含氯类调理剂（主要是FeCl3）的投加，故污泥中氯含量相对较高，尤其是样品A。刘彩等研究表明，燃煤中Cl含量平均为0.019%~0.026%。根据《煤中有害元素含量分级第2部分：氯》（GB/T20475.2—2006）中划分的不同煤炭氯含量等级，仅样品I氯含量符合特低氯煤的要求（≤0.05%），样品B、C和H符合低氯煤的要求（0.05%~0.15%），而样品A中氯含量超过高氯煤氯含量限值（>0.3%）的10倍。一方面，氯在燃烧过程中会生成HCl、Cl2和碱金属氯化物，其中HCl会造成严重设备腐蚀，而碱金属氯化物冷凝在飞灰颗粒或换热器表面会造成积灰结渣；另一方面，考虑到烟气指标中二口恶英类污染物排放风险，掺烧污泥中的氯含量应越低越好。基于调研的燃煤全水分平均值（9.21%），在燃煤Cl含量为0.026%、污泥掺烧比为10%和含水率为10%（一般情况难以达到，仅用于计算污泥最大掺烧干基量下的极限值）的条件下，根据燃煤锅炉内可允许达到的燃料Cl含量极限值（0.15%）进行反算，得出污泥干基Cl含量极限值为1.57%。因此，燃煤电厂协同焚烧处置的污泥在脱水过程中选择调理剂时，不宜使用含氯类污泥调理剂；若为保障出泥含水率达标，必须添加含氯类调理剂时，则应合理调节药剂的添加比例，使污泥干基中氯含量不高于1.57%。

调研污泥干基中硫含量为0.10%~3.39%，平均为1.40%。王永征的研究表明，燃煤中的硫含量为0.2%~10.0%，大多数为1.0%~3.0%，其中无机硫主要来源于含铁矿物（以黄铁矿为主），其次还有少量白铁矿和硫酸盐；有机硫主要来自硫醇、硫醚等化合物。对比可知，污泥和燃煤在硫含量方面差别不大，考虑到硫燃烧生成的酸性气体会腐蚀管道以及含量较高时结渣倾向较高，掺烧污泥中的硫含量应越低越好。陈招妹等统计了全国200种燃煤的收到基硫含量，其中硫含量为0.11%~3.47%，平均为0.82%。在燃煤硫含量为0.82%（收到基）、污泥掺烧比为10%和含水率为10%条件下，根据《商品煤质量煤粉工业锅炉用煤》（GB/T26126—2018）中规定的硫含量限值1%进行反算，得出污泥干基中硫含量极限值为3.11%。因此，燃煤电厂协同焚烧处置的污泥在脱水过程中选择调理剂时，不宜使用含硫类污泥调理剂；若为保障出泥含水率达标必须添加含硫类调理剂时，则应合理调节药剂的添加比例，使污泥干基中硫含量不高于3.11%。

3.2 污泥灰熔融性

不同污泥样品灰熔融性分析结果如图2所示。

由图2可以看出，所有样品的污泥灰分ST均在1100℃以上，其中样品B、C、E、F、H和I的污泥灰分ST均低于1250℃，根据《煤灰软化温度分级》（MT/T853.1—2000），这些样品的污泥灰分均属于较低软化温度灰（1100~1250℃）；样品D污泥灰分属于中等软化温度灰（1250~1350℃）；样品A和G污泥灰分属于较高软化温度灰（1350~1500℃）。

刘京燕等发现银川南部6种煤种的ST为1160~1280℃，均为中等熔融煤种；而银川北部煤种灰熔点均高于1500℃，属于不熔煤种。据统计，我国动力用煤的煤灰熔融性差异很大，但大多数煤灰的ST均在1250~1350℃范围内。因此，调研的部分样品的污泥灰熔融性与大多数燃煤相当。

由于锅炉结焦结渣的因素较多，仅从灰熔融性的角度，不能完全预测污泥燃烧时的结渣倾向，可参考燃煤结渣特性研究，分析污泥灰氧化物成分，并结合酸碱比、硅铝比、硅比、铁钙比等指标进行综合判断。此外，李天荣研究发现，当灰熔点较低的煤种配灰熔点较高的煤种时，可避免锅炉结焦，例如大同煤（ST=1120℃）与西山贫煤（DT、ST、FT均在1500℃以上）。以此类推，灰熔融性较低的少量污泥与灰熔融性较高的燃煤协同焚烧时，在一定程度上也可避免锅炉结焦。

3.3 污泥灰氧化物成分

铝盐是污水处理过程中常用的混凝剂，石灰和铁盐（尤其FeCl3）是污泥脱水过程中最为常用的调理剂，可能导致污泥灰分中Al2O3、CaO和Fe2O3含量占比较高。不同样品的污泥灰氧化物成分分析结果如图3所示。

样品A和G在污泥脱水过程中均有石灰投加，因此样品pH均超过11且灰分中CaO占比较高，同时样品A和G的污泥灰熔融性也最高。CaO在煤灰中的占比很少超过20%，其少量存在时能降低煤灰熔融性，但其含量超过30%可使煤灰熔融性温度升高。这是因为CaO在高温下极易与其他矿物质发生化学反应，形成钙长石、钙黄长石等低熔点矿物质；当煤灰中CaO含量过高时，可能会形成高灰熔点的硅酸钙，且存在较多CaO单体，将导致煤灰熔点随CaO增加而升高。刘硕研究发现，CaO掺加比例为20%时FT最低，而继续提高CaO比例时，FT开始逐步升高。吕宏俊等在系统中加入CaCO3后，焚烧炉在850和950℃下流化都很正常，结焦结渣比较轻微。

根据调研数据，污泥灰分中CaO含量与灰熔融性的关系如图4所示。可以看出，当CaO含量超过30%时，灰熔点出现明显升高趋势，与前文论点一致。新疆准东煤是一种典型高钙铁含量的煤种，钙铁含量远远超过国内常见的褐煤和烟煤，其煤灰中CaO含量高达15%~35%、Fe2O3含量达到6%~20%。30MW以上的发电机组在燃烧准东煤时出现了严重的炉膛结焦现象，为了降低结渣倾向，一般将准东煤与高灰熔点的煤种进行掺烧，准东煤掺烧比例一般为50%，最高可达到75%左右。调研污泥灰中的CaO含量变化幅度较大（1%~62%，平均为18%），最高值约为准东煤的2倍，但污泥掺烧比例远低于准东煤与其他煤种掺烧的比例，因此，污泥脱水过程投加的钙对系统的影响可控，但应避免污泥成分中铁钙比接近1，以免出现铁钙协同结渣现象。另外，煤种在燃烧过程中，其中的钙基成分对硫有固化作用。例如，柯希玮等向循环流化床锅炉中投加一定量的粒径合适的钙基脱硫剂（主要是石灰石），实现了炉内脱硫的目的，脱硫效率达到90%~95%。

污泥灰分中Fe2O3含量与灰熔融性的关系如图5所示。可以看出，两者未表现出明显规律。煤粉中含铁矿物对结焦结渣特性的影响较为复杂，与矿物含量、种类、存在形式以及钙的共生关系等都密切相关。李慧慧对燃煤锅炉水平烟道不同部位的沉积物进行元素分析，发现沉积物中存在较高含量的铁和硫，说明结焦主要源于含有铁和硫的低熔点化合物。煤种燃烧时，其中的硫铁矿在1300K温度下会形成极具黏附性的Fe-O-S熔融态中间体，当与低熔点的含钙矿物反应生成钙铁低温共熔体后，会加剧灰颗粒之间的团聚，从而加剧结焦现象。因此，铁盐调理剂在污泥脱水过程中不宜使用。综上，燃煤电厂协同焚烧处置的污泥在脱水时不宜使用FeCl3或Fe（2SO4）3调理剂。

此外，当煤灰中SiO2含量不高时，其具有助熔作用；当SiO2含量高且无适量金属氧化物与之结合时，煤灰中会存在较多的游离SiO2，使得煤灰熔融性提高。还有研究者认为，污泥调理剂中的Al和Si元素有利于提高灰熔点，但应控制二者比例，避免因硅铝比大于2.65而出现协同结渣现象。

3.4 污泥结渣特性

参考燃煤结渣特性分析，污泥结渣特性可从以下几个方面进行考虑：①硅铝比（SiO2/Al2O3）；②铁钙比（Fe2O3/CaO）；③硅比（G）；④酸碱比（B/A）；⑤硫分结渣指数（RS）。调研的污泥样品结渣特性指标计算结果和结渣倾向界限值分别如表2、3所示。根据表3中的界限值，预测污泥结渣倾向结果如表4所示。同一样品的不同指标预测结果，都出现了互相矛盾的现象，从现有的指标角度预测是轻微结渣或不结渣，但从其他指标角度预测又是严重结渣。这与文献中的结果类似，这是因为各个指标在结渣倾向预测中都存在相应的权重。

根据《大型煤粉锅炉炉膛及燃烧器性能设计规范》（NB/T10127—2018），计算可得样品A~I的综合判别指数即结渣特性指数（RZ）分别为5.73、2.10、2.05、1.90、3.66、4.52、6.24、2.27和2.17，对比NB/T10127—2018给出的判断界限可知，样品B、C、D和I为中等结渣（1.75≤RZ≤2.25），样品H为中等偏严重结渣（2.25<RZ结渣（RZ≥2.5）。因此，针对样品A、E、F和样品G污泥，电厂应尽量降低污泥掺烧比例并提高锅炉结焦检修频率。

综合以上分析可知，污泥在燃煤电厂协同焚烧处置一定会造成锅炉结焦的结论并不准确，一方面泥质对结渣倾向的影响较大，另一方面燃煤种类、燃烧时介质性质、炉膛温度、灰分含量等也会对锅炉结焦造成一定影响。例如，燃烧工艺参数调整不当会造成锅炉内局部缺氧和CO、H2等还原性气体产生，可能导致高熔点的Fe2O（31565℃）被还原为低熔点的FeO（1369℃），从而使结渣倾向升高。因此，在燃煤电厂协同焚烧污泥处置项目实施前，首先应选择合适的污泥脱水调理剂（如有脱水环节），然后开展掺烧小试及中试，对掺烧条件和工艺参数进行验证。

4、结论

①氯和硫元素对设备管道腐蚀、结渣特性和烟气污染物排放等具有显著影响，燃煤电厂协同焚烧处置的污泥中氯和硫含量应越低越好，污泥脱水不宜使用含氯类或含硫类污泥调理剂；若为保障出泥含水率达标必须添加含氯类或含硫类调理剂时，应合理调节药剂的添加比例，使污泥干基中氯含量不高于1.57%或硫含量不高于3.11%。

②污泥灰熔融性随着CaO含量的增大呈现先降低后升高的趋势，当CaO含量超过30%后，灰熔点出现升高趋势，同时CaO还可进行炉内脱硫，因此污泥脱水可投加一定量石灰；污泥灰熔融性与Fe2O3含量的关系未表现出明显规律，但含铁矿物易与其他矿物形成低温共熔体而加剧锅炉结焦，因此污泥脱水不宜添加铁盐调理剂，尤其是FeCl3或Fe（2SO4）3。此外，应控制污泥中的铁钙比例，避免铁钙比接近于1而出现协同结渣现象。

③结合灰熔点、硅铝比、硅比和酸碱比指标，通过综合判别指数计算可知，调研的9个污泥样品中有4个为中等结渣，1个为中等偏严重结渣，剩余4个为严重结渣。针对预测为严重结渣的污泥，电厂应尽量降低污泥掺烧比例并提高锅炉结焦检修频率，最大程度上降低污泥掺烧带来的不利影响。