王鳳超，屈撐囤，王益軍

(1 西安石油大學(xué)陜西省油氣田環(huán)境污染控制與儲(chǔ)層保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2 克拉瑪依市三達(dá)新技術(shù)開發(fā)股份公司，新疆 克拉瑪依 834000)

?

含油污泥與煤混燒技術(shù)的研究進(jìn)展*

王鳳超1，屈撐囤1，王益軍2

(1 西安石油大學(xué)陜西省油氣田環(huán)境污染控制與儲(chǔ)層保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2 克拉瑪依市三達(dá)新技術(shù)開發(fā)股份公司，新疆 克拉瑪依 834000)

隨著石油化工行業(yè)的快速發(fā)展，含油污泥產(chǎn)量逐年增加，若不進(jìn)行處理，將會(huì)造成二次污染。本文介紹污泥的焚燒工藝與設(shè)備，污泥與煤混燒技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，焚燒工藝、影響因素等。污泥與煤混燒過(guò)程中含碳官能團(tuán)、燃燒特性、能量的變化?；鞜蟮慕Y(jié)渣、尾氣的研究。分析污泥與煤混燒工藝的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，及應(yīng)用中存在和要解決的問(wèn)題。

含油污泥；焚燒； 煤；熱重分析

含油污泥成分復(fù)雜，屬于多相體系，是一種由水包油(O/W)、油包水(W/O)以及懸浮固體組成的穩(wěn)定的懸浮乳狀液體系，一般含油率在10%～50%，含水率在40%～90%，我國(guó)石油行業(yè)每年產(chǎn)生的含油污泥量多達(dá)千萬(wàn)噸[1]。污泥成分和物性受產(chǎn)出過(guò)程、儲(chǔ)層物性、處理藥劑等因素影響，差異性大，處理難度高。含油污泥含有大量的苯系物、蒽、酚類、重金屬等有毒有害污染物質(zhì)，污染土壤、大氣、水體，對(duì)人體造成危害[2]，其資源化、無(wú)害化處理時(shí)石油工業(yè)環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。對(duì)于含油污泥量的處理，已經(jīng)形成了溶劑萃取法、焚燒法、生物法、焦化法、含油污泥綜合利用等方法及工藝[3]。上述方法各有特點(diǎn)[4-7]，但資源化無(wú)害化程度略顯不足。含油污泥的焚燒是將預(yù)先脫水濃縮處理后的含油污泥，在焚燒爐進(jìn)行焚燒。該法具有廢物減容量大、熱量加以利用且多種有害物質(zhì)幾乎全部除去的特征，安全性好，屬含油污泥的最終處置方法。

1 含油污泥焚燒可行性

通常，含油污泥的最低熱值可達(dá)11213 kJ/kg[8]，具有較高的熱能。宋薇等對(duì)含油污泥進(jìn)行了熱解分析研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含油污泥熱值高，礦物油含量高，由低溫到高溫的熱解過(guò)程中，礦物油引起的失重占到總失重的80.95%，在含油污泥熱解中起主要作用。熱解氣體主要有H2、C2～C4與CH4，這些氣體易燃，且燃燒后不會(huì)造成二次污染[9]。

污泥焚燒設(shè)備主要有多段式焚燒爐、流化床焚燒爐、轉(zhuǎn)窯式焚燒爐、旋轉(zhuǎn)床式焚燒爐、旋風(fēng)式焚燒爐等，而流化床焚燒爐的應(yīng)用最為廣泛[10]。流化床具有較好的傳熱特性和較低的溫度要求，具有焚燒各種材料的能力，在焚燒污泥方面得到較好的應(yīng)用[11-12]。同時(shí)，污泥焚燒過(guò)程釋放的廢氣主要有SO2、CO、NO、N2O、多環(huán)芳烴等[13]，采用流化床對(duì)污泥和煤混燒，可適當(dāng)?shù)目刂婆c降低NOX、煙氣中汞及二噁英的排放[14-16]。

2 污泥的焚燒

單純的煤焚燒，灰分不易結(jié)渣且易造成二氧化硫污染，而生物質(zhì)燃料效率低、易降解、固體成型燃料剛剛起步[17-21]。污泥焚燒始于20世紀(jì)中葉，給污泥中摻入一定量的助燃劑和膨松劑等配成“混合燃料”有助于污泥的焚燒[22-25]。

污泥含水較高，不易于持續(xù)燃燒，必須加以輔料。田福軍等將不同來(lái)源的污泥與煤粉按不定比例混合制成型煤，對(duì)型煤的熱值與添加污泥種類、添加比例的關(guān)系研究可知，各種原生污泥的添加最佳比例為20%～30%[26-28]。李洋洋等[29]采用熱重分析對(duì)煤與干污泥在不同比例混燒進(jìn)行研究分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與純煤樣相比,污泥與煤混燒可降低著火溫度,減少可燃性指數(shù)與綜合燃燒性能。

武宏香等[30]將污泥與煤、木屑進(jìn)行混合燃燒并對(duì)其燃燒參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析研究，指出污泥與煤或木屑混燒，對(duì)固定碳的燃燒影響較顯著。在有機(jī)廢棄物(生活垃圾和污泥)中按一定比例加入煤粉,可提高燃料的熱值,同時(shí)加入的脫硫劑可對(duì)燃料燃燒過(guò)程中排放的污染氣體進(jìn)行控制[31]。胡益等[32]對(duì)污泥與煤混燒研究結(jié)果表明：混燒使最終的非氧化態(tài)碳官能團(tuán)含量降低，氧化態(tài)的含碳官能團(tuán)含量升高，有利于污泥和煤混合物的燃燼。

污泥與煤的混燒已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，其中德國(guó)、瑞士、丹麥和日本等國(guó)家在循環(huán)流化床混燒污泥與煤上工業(yè)化應(yīng)用較多，污泥與煤的CFB混燒的尾氣也已成為研究的焦點(diǎn)。

污泥與煤混合燃料焚燒后，在煙氣，飛灰和底渣中均檢測(cè)到多環(huán)芳烴。隨著空氣過(guò)剩系數(shù)的增加，多環(huán)芳烴的排放量均呈明顯的下降趨勢(shì)。石灰石的加入，能有效控制多環(huán)芳烴的排放[33]。

污泥與煤混燒，其煙氣排放也是關(guān)注的對(duì)象。煙塵，SO2，NOX一直是煙氣處理的關(guān)注點(diǎn)。在燃煤過(guò)程中，污泥的加入，NO和N2O的生成濃度均高于一般燃煤的排放水平，隨著污泥混燒率的增加，NO的生成濃度明顯提高[34-36]。由污泥與煤的元素分析中可知，污泥中含N量遠(yuǎn)高于煤的含N量，煤中加入污泥焚燒，煙氣中NO和N2O的濃度自然要高于燃煤的排放量。

3 污泥與煤混燒的影響因素

污泥與煤混合燃燒的因素主要有：污泥與煤的混合比例，燃燒時(shí)間、溫度，型煤與空氣的之間的混合度。

3.1 污泥與煤的比例

污泥與煤的混合比例直接影響燃燒過(guò)程的熱值、著火點(diǎn)、燃盡溫度及燃燒速率等。張成等對(duì)煤與干污泥混燒，當(dāng)污泥與煤的混合比大于1:4時(shí)，著火性能明顯下降；當(dāng)比例達(dá)到1:2時(shí)，混合物的燃燒特性受污泥的影響較大，當(dāng)污泥摻混比例小于等于 1:4 時(shí)，效率略大于單煤[37]。從焚燒后的結(jié)渣產(chǎn)物及特性可知，隨著污泥的摻入比例增大，混燒后的灰熔點(diǎn)明顯下降，混燒后屬于中等結(jié)渣，但泥煤混合物的結(jié)渣灰成分與單煤相比并沒(méi)有較大變化，屬于輕微結(jié)渣。

3.2 燃燒時(shí)間的影響

污泥與煤顆粒越大，比表面積越小，與空氣的接觸面越小，燃燒速率越小，在焚燒爐停留時(shí)間越久。污泥與煤的顆粒越小，比表面積越大，與空氣的接觸面越大，燃燒速率越大，在焚燒爐停留時(shí)間越短[38-39]。

3.3 焚燒溫度

燃料持續(xù)穩(wěn)定燃燒時(shí)，爐溫多在700～800 ℃之間，污泥焚燒可以徹底將有害的微生物處理掉。爐溫過(guò)低時(shí)，燃料燃燒不充分，產(chǎn)生二次污染，而當(dāng)焚燒溫度過(guò)高時(shí)，且通入空氣過(guò)量，導(dǎo)致煙氣中氮氧化物的含量增加，產(chǎn)生二次污染[40]。

3.4 與空氣的混合度

為了使污泥焚燒徹底，需向爐膛內(nèi)通入足量的空氣，當(dāng)氧濃度充分時(shí)，燃燒速率就快。除了通入足量空氣，混燒時(shí)，燃料與空氣的接觸量也有很大的關(guān)系，當(dāng)燃料與空氣接觸不充分時(shí)，燃料燃燒不徹底，將會(huì)導(dǎo)致不完全燃燒產(chǎn)物生成，影響燃燒速率[41-42]。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)總量的不斷增加，污泥的產(chǎn)量會(huì)逐年增加，我國(guó)雖然在污泥焚燒方面已有成功事例，但仍需加大科學(xué)研究力度。

①污泥與煤混合燃燒是可行的，深入研究不同類污泥與煤混燒過(guò)程中的酸性和有毒氣體產(chǎn)生過(guò)程，對(duì)該技術(shù)的推廣應(yīng)用可起到促進(jìn)作用；

②在污泥與煤混燒過(guò)程中，如何降低投資和運(yùn)行成本，是該技術(shù)能夠得以廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)；

③研發(fā)更為高效的焚燒設(shè)備，是污泥焚燒技術(shù)的基礎(chǔ)保障。

[1] 金一中,陳小平,陳雪明,等.含油污泥處理技術(shù)進(jìn)展[J].環(huán)境污染與防治,1998,20(4):30-32.

[2] 姜勇,趙朝成,趙東風(fēng).含油污泥特點(diǎn)及處理方法[J].油氣田環(huán)保護(hù),2005(4):42-45,64.

[3] 黃玲,高蕊,黨博,等.油田含油污泥產(chǎn)生途徑及處理方法[J].油氣田地面工程,2010(2):75-76.

[4] 劉寶洪,王通,趙瑞玉,等.溶劑萃取法在含油污泥處理中的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工,2013,33(9):32-35.

[5] 趙來(lái)強(qiáng),崔柳華,牟彤,等.聯(lián)合生物法處理煉油廠含油污泥的研究[J].油氣田環(huán)境保護(hù),2009(1):4-5,60.

[6] 歐陽(yáng)威,劉紅,于勇勇,等.微生物強(qiáng)化處理與堆制強(qiáng)化處理含油污泥對(duì)比試驗(yàn)[J].環(huán)境科學(xué),2006,27(1):160-164.

[7] 李凡修.含油污泥無(wú)害化處理及綜合利用的途徑[J].油氣田環(huán)境保護(hù),1998(3):44-46.

[8] 趙炬.鼓泡床鍋爐優(yōu)缺點(diǎn)探討[J].機(jī)械管理開發(fā),2006(5):62-63.

[9] 宋薇,劉建國(guó),聶永豐.含油污泥低溫?zé)峤獾挠绊懸蛩丶爱a(chǎn)物性質(zhì)[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2008(4):340-344.

[10]Jin-cai Du, Qun-xing Huang. Method for determining effective flame emissivity in a rotary kiln incinerator burning solid waste[J].Journal of Zhejiang University-Science A,2012,(12):969-978.

[11]Bo Li, Fei Wang, Yong Chi. Study on optimal energy efficiency of a sludge drying-incineration combined system[J]. Journal of Material Cycles and Waste Management, 2014(16):684-692.

[12]Embarek Belhadj, Stephen Chilton, William Nimmo. Numerical simulation and experimental validation of the hydro dynamics in a 350 kW bubbling fluidized bed combustor[J].International Journal of Energy and Environmental Engineering,2016,71:27-35.

[13]朱葛,趙長(zhǎng)遂,李英杰,等.石化污泥與煤混燒時(shí)多環(huán)芳烴的排放特性[J].動(dòng)力工程,2008(6):931-934.

[14]宋薇,劉建國(guó),聶永豐.含油污泥組成及其對(duì)熱解特性的影響[J].環(huán)境科學(xué),2008,29(7):2063-2067.

[15]吳成軍,段鈺鋒,趙長(zhǎng)遂.污泥與煤混燒中飛灰對(duì)汞的吸附特性[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008(14):55-60.

[16]楊麗,文科軍,姚曉霞，等.城市生活垃圾、污泥和煤粉混合燃料熱值的研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2008,2(9):1239-1242.

[17]Tianqi Xiong, Wei Jiang, Weidong Gao. Current status and prediction of major atmospheric emissions from coal-fired power plants in Shandong Province, China[J]. Atmospheric Environment,2016(124):46-52.

[18]劉曉飛.生物質(zhì)固體成型燃料燃燒設(shè)備開發(fā)利用的戰(zhàn)略研究[J].農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備,2013(12):23.

[19]葉新皞,王永紅,儲(chǔ)矩,等.生物質(zhì)燃料[J].生物學(xué)雜志,2004,21(2):14-17,44.

[20]王華,胡建杭,馬文會(huì),等.湖泊及城市污泥無(wú)害化綜合利用的工藝[P].CN01108478.2,昆明理工大學(xué),2001-10-24.

[21]劉奮強(qiáng).二段式垃圾焚燒爐簡(jiǎn)介及安裝調(diào)整[J].湖北電力,2005,29(6):21-23.

[22]劉建華.工業(yè)污泥干化與焚燒系統(tǒng)[P].中國(guó),200620047963.8，2008-01-30.

[23]趙長(zhǎng)富.雙筒回轉(zhuǎn)污泥焚燒窯[P].中國(guó),CN2777378，2006-05-03.

[24]葉東,劉英.鼓泡焚燒爐在污泥焚燒領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].廣州化工,2010,38(2):163-164,199.

[25]SLi, C Cadet, P X Thivel, et al. Dynamic model of NOXemission for a fluidized bed sludge combustor[J].IFAC Proceedings Volumes,2009(11):810-815.

[26]呂清剛,李志偉,那永潔,等.CFBC混燒城市污泥與煤:N2O和NO的排放[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2004(01):163-166.

[27]李軍,李媛,H G Hohnecker.流化床焚燒爐污泥焚燒工藝特性研究[J].環(huán)境工程,2004,22(3):76-79.

[28]Shuanghui Deng, Xuebin Wang, Houzhang Tan, et al. Thermogravimetric Study on the Co-combustion Characteristics of Oily Sludge with Plant Biomass[J]. Thermochimica Acta,2016:69-76.

[29]李洋洋,金宜英,李歡.采用熱重分析法研究煤摻燒干污泥燃燒特性[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2011(3):408-411.

[30]武宏香,趙增立,李海濱,等.污泥與煤、木屑的混合燃燒特性及動(dòng)力學(xué)研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2011,34(7):73-77.

[31]田福軍,李海濱,吳創(chuàng)之,等.污泥型煤技術(shù)處理污泥的基礎(chǔ)研究Ⅰ.制備廢水污泥型煤工藝條件的研究[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào),2000(05):449-453.

[32]胡益,李培生,余亮英.污泥與煤混燒中含碳官能團(tuán)的演化過(guò)程[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2013(5):649-653.

[33]朱葛,趙長(zhǎng)遂,李永旺,等.石化污泥與煤混燒的流化床多環(huán)芳烴排放特性[J].熱能動(dòng)力工程,2008(6):645-648.

[34]侯海盟,李詩(shī)媛,呂清剛,等.城市干化污泥循環(huán)流化床燃燒過(guò)程中NO和N2O的排放特性[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2012,33(12):2197-2201.

[35]陳曉平,顧利鋒,趙長(zhǎng)遂,等.城市污泥與煤混燒過(guò)程中NOX和N2O的排放特性[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,35(1):122-125.

[36]張成,王丹,夏季,等.煤粉摻燒干化污泥的燃燒特性及能效分析[J].熱能動(dòng)力工程,2012(3):383-387,398.

[37]劉敬勇,孫水裕,陳濤,等.污泥焚燒過(guò)程中Pb的遷移行為及吸附脫除[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2014,34(2):466-477.

[38]李軍,王忠民,張寧,等.污泥焚燒工藝技術(shù)研究[J].環(huán)境工程,2005(6):48-52.

[39]劉敬勇,孫水裕.焚燒飛灰高溫過(guò)程中重金屬的揮發(fā)及其氯轉(zhuǎn)化特征[J].環(huán)境科學(xué),2012(9):3279-3287.

[40]丁經(jīng)緯.基于高速攝像法的流化床內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)特性研究[D].杭州:浙江大學(xué),2003.

[41]趙穎,劉富強(qiáng),聶永豐.運(yùn)用CFD技術(shù)進(jìn)行二段往復(fù)爐排焚燒爐二次風(fēng)口的輔助設(shè)計(jì)[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2006(1):132-135.

[42]鄭世忠.生活垃圾焚燒機(jī)理和控制要素[J].海峽科學(xué),2008(6):62.

Research Progress on Oily Sludge and Coal Mixed Burning Technology*

WANGFeng-chao1,QUCheng-tun1,WANGYi-jun2

(1 Shaanxi Oil and Gas Pollution Control and Reservoir Protection Key Laboratory, Xi’an Shiyou University,Shaanxi Xi’an 710065; 2 Sanda New Technology Stock of Karamay Co., Ltd., Xinjiang Karamay 834000, China)

With the rapid development of petrochemical industry, oily sludge production increased year by year. If it was not handled, it will cause secondary pollution. Sludge incineration technology and equipment, technical development status of sludge and coal burning, burning process, influencing factors, etc, were summarized. The burning process of sludge and coal contained carbon functional groups, burning characteristic and the change in energy. The advantages and disadvantages of sludge and coal burning process, development trend, application of the existence and the problem to be solved were analyzed.

oily-sludge; incineration; coal; thermogravimetric analysis

國(guó)家重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目(2016ZX05040-003)。

王鳳超(1992-)，女，在讀研究生，研究方向?yàn)閼?yīng)用化學(xué)。

屈撐囤(1964-)，男，教授，博士學(xué)位，研究方向?yàn)橛蜌馓锃h(huán)境保護(hù)。

O69

A

1001-9677(2016)023-0007-03