袁言言，黃 瑛，張 冬，董 岳，楊 凱，肖 軍

(1. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 能源轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210000；2. 南京水務(wù)集團(tuán)有限公司， 南京 210002)

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污泥焚燒能量利用與污染物排放特性研究

袁言言1，黃 瑛1，張 冬2，董 岳2，楊 凱1，肖 軍1

(1. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 能源轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210000；2. 南京水務(wù)集團(tuán)有限公司， 南京 210002)

利用Aspen Plus軟件對(duì)污泥半干化焚燒和摻燒發(fā)電2種工藝過(guò)程進(jìn)行模擬，探討了不同工藝下4種污泥的能量利用情況及污染物排放特性.結(jié)果表明：半干化焚燒時(shí)，4種污泥的干基熱值低于11.5 MJ/kg時(shí)均需補(bǔ)燃輔助燃料，且隨著污泥熱值的降低，補(bǔ)燃量顯著增加；重金屬含量高的污泥易造成大氣污染，灰渣也難滿(mǎn)足利用要求.污泥摻燒發(fā)電時(shí)，摻燒熱值高的污泥對(duì)發(fā)電效率有利；對(duì)于同種污泥，隨著污泥能量份額降低，發(fā)電效率提高，且污泥能量份額較低時(shí)，重金屬含量高的污泥也能滿(mǎn)足環(huán)保要求，適宜的污泥能量份額建議為5%～8%.當(dāng)污泥熱值低、重金屬含量高時(shí)，建議采用摻燒發(fā)電工藝，反之采用半干化焚燒工藝.

污泥； 半干化焚燒； 摻燒發(fā)電； 能量利用； 污染物排放

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化速度的不斷加快，污泥產(chǎn)量日益增加.城市污水處理廠(chǎng)的污泥容量大，不僅含有大量危害人類(lèi)健康的病原物，還有鋅、銅、汞等重金屬以及一些難降解的有機(jī)物[1-3].因此，大量污泥的安全處理處置問(wèn)題引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注.

污泥處理處置的最終目標(biāo)是達(dá)到減容化、穩(wěn)定化、無(wú)害化和資源化的要求.目前，國(guó)內(nèi)一般采用衛(wèi)生填埋、干化焚燒、堆肥、消化制沼氣和制建材等污泥處理處置途徑[3-4].污泥焚燒是污泥減量化、減容化最顯著的一種處理方式[5]，可將污泥中有機(jī)物碳化，消滅病原物，極大地減少污泥體積(可減少90%以上).污泥中含有較多的重金屬，主要是Zn、Cu、Pb、Hg、Cd、Cr、Ni和As等，焚燒過(guò)程中，重金屬一部分隨燃燒遷移到煙氣中，一部分富集在灰渣中.為了滿(mǎn)足環(huán)境排放的要求，煙氣需經(jīng)凈化處理[6]，而灰渣的利用與其中重金屬的濃度有關(guān).

污泥焚燒工藝主要包括半干化焚燒和摻燒發(fā)電.由于污泥含水量高，半干化焚燒的污泥雖可顯著減容，但干化能耗高，煙氣可利用能低，且易產(chǎn)生二次污染.而焚燒熱值較低的污泥時(shí)需添加輔助燃料才可穩(wěn)定燃燒，且能量平衡與脫水程度密切相關(guān)[7-9].污泥摻燒發(fā)電在實(shí)現(xiàn)減量化、減容化的同時(shí)，產(chǎn)生的蒸汽還可進(jìn)行發(fā)電，煙氣基本達(dá)標(biāo)排放[8-10].

污泥成分性質(zhì)的差異對(duì)污泥焚燒工藝的能量平衡及污染物排放特性影響很大[11-14]，而目前有關(guān)的研究較少.筆者針對(duì)不同來(lái)源的污水處理廠(chǎng)污泥，基于A(yíng)spen Plus軟件對(duì)污泥半干化焚燒和污泥摻燒發(fā)電進(jìn)行模擬和能量平衡計(jì)算，分析其能量利用情況及利用過(guò)程中污染物的排放特性，以期為不同性質(zhì)污泥的處理處置技術(shù)的選擇提供依據(jù)和參考.

1 模型與參數(shù)

1.1 研究對(duì)象

選取來(lái)自4個(gè)城市污水處理廠(chǎng)的污泥為研究對(duì)象，污泥經(jīng)簡(jiǎn)單的機(jī)械脫水，初始含水率均為80%.污泥和煙煤的干燥基成分以及污泥重金屬成分分析結(jié)果見(jiàn)表1和表2，系統(tǒng)給煤含水率為1.02%.

表1 污泥與煙煤的成分Tab.1 Proximate and ultimate analysis of the sludge and soft coal

表2 污泥的重金屬成分(干燥基)Tab.2 Content of heavy metals in the sludge %

1.2 污泥焚燒處理工藝

筆者研究的污泥焚燒處理工藝包括半干化焚燒與摻燒發(fā)電，濕污泥處理量均為120 t/d.

1.2.1 污泥半干化焚燒工藝

首先將初始含水率為80%的濕污泥送入污泥干燥器，干化為含水率50%的半干化污泥；干燥后的污泥送入流化床鍋爐進(jìn)行燃燒，流化床溫度在850～950 ℃，當(dāng)能量不足時(shí)需要向污泥焚燒爐中補(bǔ)充部分燃煤；燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入空氣預(yù)熱器，將空氣預(yù)熱至500 ℃后進(jìn)入流化床作為助燃空氣；從空氣預(yù)熱器排出的煙氣進(jìn)入余熱鍋爐加熱鍋爐給水，經(jīng)余熱鍋爐產(chǎn)生的0.6 MPa、194 ℃水蒸氣進(jìn)入污泥干燥器作為熱源對(duì)初始污泥進(jìn)行干燥，余熱鍋爐出口煙氣溫度為130 ℃，煙氣經(jīng)凈化、除塵后排放.污泥半干化焚燒工藝流程如圖1所示.

圖1 污泥半干化焚燒工藝流程Fig.1 Flow chart of the semi-drying incineration process

1.2.2 污泥摻燒發(fā)電工藝

污泥摻燒發(fā)電工藝流程見(jiàn)圖2.將初始含水率為80%的濕污泥送入污泥干燥器干化為含水率35%的半干化污泥；干燥后的污泥和煙煤混合進(jìn)入流化床鍋爐燃燒，加熱給水，產(chǎn)生13.5 MPa、550 ℃的高溫蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電，將0.6 MPa、194 ℃的部分抽汽送入污泥干燥器干燥污泥，其余高溫蒸汽做功后，排汽進(jìn)入凝汽器冷凝后循環(huán)利用；鍋爐出口高溫?zé)煔饨?jīng)過(guò)空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣，經(jīng)省煤器加熱給水后冷卻至130 ℃，最后煙氣經(jīng)凈化、除塵后排放.

圖2 污泥摻燒發(fā)電工藝流程Fig.2 Flow chart of the blending combustion process

1.3 研究方法

基于A(yíng)spen Plus軟件對(duì)污泥進(jìn)行半干化焚燒和摻燒發(fā)電的模擬和能量平衡計(jì)算.系統(tǒng)建模時(shí)進(jìn)行如下假設(shè)：(1) 顆粒溫度均勻，不考慮粒徑差異；原料所含灰分為惰性成分，不參與化學(xué)反應(yīng)；(2) 各反應(yīng)器單元模塊處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，且發(fā)生的反應(yīng)均能達(dá)到化學(xué)平衡；(3) 反應(yīng)器內(nèi)壓力均勻，不考慮壓降損失；(4) 污泥燃燒效率為99%，鍋爐散熱損失為輸入能量的1%.模擬流程主要包括裂解模塊、燃燒模塊、分離模塊、換熱模塊和冷凝模塊等，各模塊均考慮了質(zhì)量平衡、能量平衡和化學(xué)平衡等原理.污泥焚燒時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)定計(jì)算補(bǔ)充煤量以滿(mǎn)足污泥焚燒能量要求.

筆者主要考察污泥焚燒產(chǎn)生的大氣污染物和固廢污染物，污泥干燥過(guò)程中產(chǎn)生的廢水經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排放，暫不討論對(duì)水體環(huán)境的影響.其中大氣污染物考慮了SO2、NOx、二噁英、粉塵以及重金屬Hg、Cd、Cu、Pb、Ni、As、Zn和Cr等的排放；灰渣中污染物的排放則主要考慮了重金屬在灰渣中的殘留性.

根據(jù)煙氣中SO2、NOx等的生成機(jī)理，基于A(yíng)spen Plus軟件模擬獲得其排放量；根據(jù)重金屬在燃燒溫度下的揮發(fā)性計(jì)算其揮發(fā)量，由文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]確定Hg、Cd、Cu、Pb、Ni、As、Zn和Cr的揮發(fā)量分別為95%、50%、25%、30%、15%、65%、30%和10%.

目前，污泥焚燒煙氣凈化技術(shù)主要有濕式洗滌工藝、半干式噴霧工藝、氣體懸浮吸收工藝和干式凈化工藝等[6]，根據(jù)污染物排放種類(lèi)和排放標(biāo)準(zhǔn)，采用干式噴射吸收(活性炭)+袋式除塵器的煙氣凈化系統(tǒng).該系統(tǒng)SO2脫除效率為98.5%，粉塵經(jīng)過(guò)旋風(fēng)除塵器與袋式除塵器2級(jí)除塵，除塵效率分別為90%和99%，二噁英的脫除效率為80%.文獻(xiàn)[13]中各種系統(tǒng)的污泥焚燒煙氣經(jīng)凈化后二噁英排放量均可低于0.1 ng/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)，因此本文中考慮的二噁英可滿(mǎn)足環(huán)境排放要求，后文不多加贅述.干式噴射吸收(活性炭)噴射率為50～200 mg/m3[16-17]，對(duì)重金屬汞的脫除效率為90%，對(duì)其余重金屬的脫除效率為95%.污泥干化焚燒的大氣污染物排放濃度均轉(zhuǎn)化至污泥焚燒排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18485—2014 《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》)基準(zhǔn)氧體積分?jǐn)?shù)11%下的排放濃度.除去隨煙氣排放到大氣中的重金屬，剩余的重金屬均認(rèn)為固化在固體灰渣中，按照總灰渣量(污泥+煤)計(jì)算重金屬在灰渣中的富集濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥焚燒工藝能量利用

2.1.1 污泥半干化焚燒

表3為污泥半干化焚燒時(shí)所需的補(bǔ)燃煤量.由表3可知，本文中討論的4種樣品污泥，將其由含水率為80%半干化至含水率為50%進(jìn)行焚燒時(shí)，均需補(bǔ)燃部分煤炭才可滿(mǎn)足能量平衡，且隨著污泥熱值的降低，補(bǔ)燃煤量明顯增加，能量消耗量也明顯增加.其中，污泥1的補(bǔ)燃煤能量與污泥能量的比值僅為0.03，能量消耗量為0.36 MJ/kg，而污泥4補(bǔ)燃煤能量與污泥能量的比值為0.76，能量消耗量也達(dá)到了4.19 MJ/kg;其次是污泥2，其能量消耗量達(dá)到了3.95 MJ/kg.由此可見(jiàn)，高熱值污泥消耗的外部資源較少，低熱值污泥消耗的外部資源則明顯增加.

2.1.2 污泥摻燒發(fā)電

燃煤與污泥(含水率80%)以質(zhì)量比為0.4進(jìn)行摻燒發(fā)電時(shí)，摻燒4種污泥時(shí)的發(fā)電效率如表4所示.

由表4可知，摻燒高熱值的污泥1時(shí)，污泥能量份額最大,為20.4%，系統(tǒng)發(fā)電量最大,發(fā)電效率也最高.當(dāng)摻燒熱值最低的污泥4時(shí)，污泥能量份額僅為10.9%，系統(tǒng)發(fā)電量與發(fā)電效率最低，即隨著污泥熱值的降低，發(fā)電量和發(fā)電效率均逐漸降低.原因是在相同的污泥與煤摻燒質(zhì)量比時(shí)，隨著污泥能量品質(zhì)降低，單位質(zhì)量混合燃料的熱值降低，發(fā)電量減少，且需要消耗更多的煤炭能量用于污泥的干燥，從而使得發(fā)電效率降低.

表3 污泥半干化焚燒時(shí)補(bǔ)燃煤量的參數(shù)Tab.3 Auxiliary fuels required in the semi-drying incineration process

表4 污泥摻燒發(fā)電的能量利用情況Tab.4 Energy utilization in the blending combustion process

為了研究污泥能量份額對(duì)發(fā)電效率的影響，計(jì)算了污泥1和污泥2能量份額在5%～21%時(shí)發(fā)電效率的變化情況，結(jié)果如圖3所示.由圖3可見(jiàn)，發(fā)電效率與污泥能量份額呈反相關(guān)關(guān)系，即隨著污泥能量份額的減少，污泥摻燒發(fā)電工藝發(fā)電效率提高，污泥1能量份額為5%左右時(shí)發(fā)電效率達(dá)到30%.相同的污泥能量份額時(shí)，摻燒高熱值污泥的發(fā)電效率更高，隨著污泥能量份額的減少，二者的發(fā)電效率差異逐漸減小.當(dāng)污泥摻燒能量份額由21%降低到5%時(shí)，二者的發(fā)電效率差由4.4%減小到1.1%.從表4和圖3中的發(fā)電效率來(lái)看，污泥的能量份額在5%～8%較為適宜.在現(xiàn)有的燃煤發(fā)電系統(tǒng)中減少污泥摻燒量，也有利于降低污泥對(duì)原燃煤發(fā)電系統(tǒng)的影響，且摻燒品質(zhì)較高的污泥更有利于系統(tǒng)熱力性能的提高.

2.2 污泥焚燒工藝環(huán)境性能

污泥焚燒污染物排放特性的研究均在上述工藝模擬參數(shù)及研究方法下進(jìn)行，其中固體污染物排放考慮了摻燒產(chǎn)生煤灰造成的影響.環(huán)境性能分析包括污染物的排放總量和排放質(zhì)量濃度2個(gè)方面，由于污泥的重金屬含量高，焚燒時(shí)不僅排放的煙氣中其質(zhì)量濃度易超標(biāo)，且固體廢渣也難滿(mǎn)足填埋要求，因此筆者從是否滿(mǎn)足污染物排放標(biāo)準(zhǔn)角度對(duì)2種污泥焚燒處理工藝的環(huán)境性能進(jìn)行分析和比較.

圖3 污泥能量份額對(duì)發(fā)電效率的影響Fig.3 Influence of sludge energy ratio on the power generation efficiency

2.2.1 污泥半干化焚燒

污泥焚燒過(guò)程中污染物在氣固兩相中的排放情況如表5和表6所示.由表5可知，煙氣中SO2、NOx等污染物的排放質(zhì)量濃度基本滿(mǎn)足國(guó)家關(guān)于焚燒產(chǎn)生污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，因污泥灰分含量高，排放的煙氣中PM10的質(zhì)量濃度未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求.半干化焚燒污泥3和污泥4的煙氣中排放重金屬的質(zhì)量濃度基本達(dá)標(biāo)，半干化焚燒污泥1的煙氣中除Hg和Cd之外，其他重金屬的質(zhì)量濃度均未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)；而半干化焚燒污泥2的煙氣中，除Cd的質(zhì)量濃度基本滿(mǎn)足排放要求外，包括Hg在內(nèi)的其他重金屬的質(zhì)量濃度均未達(dá)到污染物排放標(biāo)準(zhǔn).由此可見(jiàn),污泥1和污泥2中部分重金屬含量較高，采用半干化焚燒并經(jīng)煙氣凈化除塵后，煙氣中仍有部分污染物會(huì)引起大氣的二次污染.

表6給出了污泥半干化焚燒時(shí)灰渣中重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并與5種污泥泥質(zhì)利用標(biāo)準(zhǔn)(表7)進(jìn)行對(duì)比，從而了解污泥焚燒灰渣中重金屬的殘留情況及灰渣的可應(yīng)用范圍.由分析可知，只有污泥3的灰渣滿(mǎn)足最高要求的農(nóng)用泥質(zhì)(A級(jí))標(biāo)準(zhǔn)；污泥4的灰渣不滿(mǎn)足A級(jí)農(nóng)用泥質(zhì)，但可作為B級(jí)農(nóng)用泥質(zhì)以及水泥熟料生產(chǎn)泥質(zhì)；而污泥1灰渣中Cd等重金屬超標(biāo)嚴(yán)重，污泥2的灰渣中Ni、As和Cr超標(biāo)，這2種污泥只能經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理后填埋.可見(jiàn)重金屬含量高的污泥，雖通過(guò)焚燒可迅速實(shí)現(xiàn)減量化、減容化，但是焚燒后產(chǎn)生的灰渣因重金屬含量高難以被二次利用；而重金屬含量低的污泥3和污泥4經(jīng)焚燒后灰渣可進(jìn)行二次利用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)減量化和資源化.

表5 污泥焚燒處理工藝的污染物排放質(zhì)量濃度Tab.5 Pollutants emission in different sludge incineration processes mg/m3

表6 污泥焚燒處理工藝的固體灰渣中重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.6 Heavy metals contained in solid residuals from sludge incineration process %

表7 污泥泥質(zhì)利用標(biāo)準(zhǔn)Tab.7 Application standard for quality of sludge %

2.2.2 污泥摻燒發(fā)電

由表5可知，4種污泥分別進(jìn)行摻燒發(fā)電時(shí)，大氣污染物SO2、NOx、粉塵以及重金屬等的排放質(zhì)量濃度均基本滿(mǎn)足污染物排放標(biāo)準(zhǔn).對(duì)比表5中半干化焚燒時(shí)污染物排放情況可知，摻燒發(fā)電可顯著降低煙氣污染物排放質(zhì)量濃度，使其滿(mǎn)足大氣污染物排放要求.

由表6可知，經(jīng)摻燒發(fā)電后，污泥3與污泥4的灰渣所能滿(mǎn)足的泥質(zhì)要求與半干化焚燒后的灰渣是相同的，灰渣質(zhì)量未改善，但是污染物排放量不同；污泥1灰渣可作為制磚和水泥熟料的原料加以利用；而污泥2灰渣中As嚴(yán)重超標(biāo)，仍難以滿(mǎn)足泥質(zhì)利用要求.經(jīng)計(jì)算，當(dāng)摻燒能量比降為5%左右時(shí)，污泥2可滿(mǎn)足制磚和水泥熟料生產(chǎn)泥質(zhì)要求.對(duì)比半干化焚燒和摻燒發(fā)電2種工藝灰渣中的重金屬含量可知，由于煤中灰渣的稀釋作用，污泥摻燒發(fā)電工藝可顯著降低灰渣中重金屬的含量，實(shí)現(xiàn)污泥灰渣的資源化利用，但是由于此時(shí)煤灰比例大幅增加，其中Ca、Mg等無(wú)機(jī)物增多，因此污泥摻燒發(fā)電產(chǎn)生的灰渣不宜用于農(nóng)用或者園林，建議作為制磚和水泥熟料的原料.

2.3 污泥焚燒工藝經(jīng)濟(jì)性

從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看，污泥處理成本主要包括投資建設(shè)費(fèi)和運(yùn)行費(fèi).由文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[18]可知，污泥干化焚燒工藝日處理300～400 t污泥的固定投資費(fèi)用為7 200～11 700萬(wàn)元，經(jīng)規(guī)模指數(shù)法估算，日處理120 t污泥的固定投資約為4 000萬(wàn)元，則投資成本為1 100 元/t(以污泥含水率80%計(jì)).運(yùn)行費(fèi)主要為輔助燃料費(fèi)、水電費(fèi)、設(shè)備維修費(fèi)、人員勞務(wù)費(fèi)以及煙氣處理添加劑成本(活性炭、生石灰等)等，考慮不同污泥輔助燃料費(fèi)的差異，運(yùn)行成本約為200～300 元/t.

污泥摻燒發(fā)電工藝通常采用污泥處理廠(chǎng)與熱電廠(chǎng)聯(lián)建方案，因此在原有燃煤電廠(chǎng)的基礎(chǔ)上，只需新建污泥儲(chǔ)存系統(tǒng)、進(jìn)料輸送系統(tǒng)和污泥干燥系統(tǒng)等，同時(shí)對(duì)鍋爐、煙氣余熱系統(tǒng)以及煙氣處理系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)改造.由文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[18]可知，日處理污泥120 t時(shí)，需增加固定投資約2 700 萬(wàn)元，則污泥摻燒發(fā)電工藝增加投資成本約為750 元/t，考慮增加的水電費(fèi)、設(shè)備維修費(fèi)、人員勞務(wù)費(fèi)以及煙氣處理添加劑成本，運(yùn)行成本約160～170 元/t.比較2種工藝的投資成本和運(yùn)行成本可見(jiàn)，污泥摻燒發(fā)電工藝的經(jīng)濟(jì)性較優(yōu).

3 結(jié) 論

(1) 4種污泥采用半干化焚燒時(shí)均需補(bǔ)燃輔助燃料才可滿(mǎn)足能量要求，相當(dāng)于污泥干基熱值低于11.5 MJ/kg時(shí)需補(bǔ)燃煤炭.4種污泥中熱值較低的污泥要補(bǔ)充的燃煤量最大，達(dá)到4.19 MJ/kg.

(2) 采用污泥摻燒發(fā)電工藝時(shí)，摻燒的污泥熱值越高，對(duì)系統(tǒng)的熱力性能越有利；對(duì)于同一種污泥，隨著污泥能量份額的降低，系統(tǒng)發(fā)電效率逐漸提高；適宜的污泥能量份額為5%～8%.

(3) 比較4種污泥的半干化焚燒和摻燒發(fā)電2種工藝，摻燒發(fā)電綜合性能相對(duì)較優(yōu)，建議當(dāng)污泥熱值較低、重金屬含量高時(shí)，采用摻燒發(fā)電的方式，一方面可實(shí)現(xiàn)污泥的減量化，另一方面摻燒后灰渣可作為水泥熟料或者制磚原料加以利用，實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用，從而達(dá)到廢渣零排放.當(dāng)污泥熱值較高、重金屬含量低時(shí)，也可采用半干化焚燒方式實(shí)現(xiàn)污泥的減量化，減少處理系統(tǒng)的復(fù)雜性.

[1] 姜玲玲, 孫蓀. 我國(guó)污泥處理處置現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程, 2015, 23(3): 13-14, 17.

JIANG Lingling, SUN Sun. Status and development of sludge treatment and disposal in China[J]. Environmental Sanitation Engineering, 2015, 23(3): 13-14, 17.

[2] 漆雅慶. 污泥干燥焚燒發(fā)電的生命周期評(píng)價(jià)[J]. 能源與節(jié)能, 2013(2): 47-48, 79.

QI Yaqing. Life cycle assessment on the dry sludge combustion to generate electricity[J]. Energy and Energy Conservation, 2013(2): 47-48, 79.

[3] 宋豐產(chǎn), 張向炎, 張楠. 城市污水處理廠(chǎng)污泥處置與資源化利用途徑探討[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 38(36): 20891-20892.

SONG Fengchan, ZHANG Xiangyan, ZHANG Nan. Discussion on disposal and utilization of sludge in sewage treatment plant[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2010, 38(36): 20891-20892.

[4] 甄廣印, 趙由才, 宋玉, 等. 城市污泥處理處置技術(shù)研究[J]. 有色冶金設(shè)計(jì)與研究, 2010, 31(5): 41-45.

ZHEN Guangyin, ZHAO Youcai, SONG Yu,etal. A review on treatment and disposal of sludge from municipal sewage treatment plants[J]. Nonferrous Metals Engineering & Research, 2010, 31(5): 41-45.

[5] 唐子君, 岑超平, 方平. 城市污水污泥與煤混燒的熱重試驗(yàn)研究[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2012, 32(11): 878-884, 897.

TANG Zijun, CEN Chaoping, FANG Ping. Thermogravimetric experiment on co-firing characteristics of coal with municipal sewage sludge[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2012, 32(11): 878-884, 897.

[6] 胡德飛, 孫云生. 垃圾焚燒發(fā)電中煙氣凈化系統(tǒng)的選擇與分析[J]. 中國(guó)電力, 2002, 35(11): 79-82.

HU Defei, SUN Yunsheng. Selection and analyses of flue-gas cleaning system in refuse incinerated power plants[J]. Electric Power, 2002, 35(11): 79-82.

[7] 李輝, 吳曉芙, 蔣龍波, 等. 城市污泥焚燒工藝研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境工程, 2014, 32(6): 88-92.

LI Hui, WU Xiaofu, JIANG Longbo,etal. Progress in study on the incineration technology of municipal sewage sludge[J]. Environmental Engineering, 2014, 32(6): 88-92.

[8] 秦翠娟, 李紅軍, 鐘學(xué)進(jìn). 我國(guó)污泥焚燒技術(shù)的比較與分析[J]. 能源工程, 2011(1): 52-56, 61.

QIN Cuijuan, LI Hongjun, ZHONG Xuejin. Comparison and analysis of domestic sludge incineration technology[J]. Energy Engineering, 2011(1): 52-56, 61.

[9] 張洪. 污泥焚燒技術(shù)的環(huán)境問(wèn)題及解決方法淺析[J]. 能源與節(jié)能, 2012(10): 71-72.

ZHANG Hong. Discussion on the environmental problems and solving methods of sludge incineration technology[J]. Energy and Energy Conservation, 2012(10): 71-72.

[10] 高太振. 污泥在大型燃煤電廠(chǎng)中干化摻燒處理的應(yīng)用[J]. 企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā), 2013, 32(4): 42-43.

GAO Taizhen. Sludge drying and blending application in large coal-fired power plant[J]. Technological Development of Enterprise, 2013, 32(4): 42-43.

[11] 劉敬勇, 孫水裕. 城市污泥焚燒過(guò)程中重金屬形態(tài)與分布的熱力學(xué)平衡分析[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2010, 20(8): 1645-1655.

LIU Jingyong, SUN Shuiyu. Thermodynamic equilibrium analysis of heavy metals speciation transformation and distribution during sewage sludge incineration[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(8): 1645-1655.

[12] 王彬全, 麻紅磊, 金余其, 等. 污泥干化焚燒過(guò)程中的能量平衡及經(jīng)濟(jì)性分析[J]. 熱力發(fā)電, 2010, 39(7): 14-17.

WANG Binquan, MA Honglei, JIN Yuqi,etal. Energy balance in drying incineration process of sludge and economic efficiency analysis thereof[J]. Thermal Power Generation, 2010, 39(7): 14-17.

[13] 方平, 岑超平, 唐子君, 等. 污泥焚燒大氣污染物排放及其控制研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2012, 35(10): 70-80.

FANG Ping, CEN Chaoping, TANG Zijun,etal. Air pollutants emission and their control from sludge incineration: a review[J]. Environmental Science & Technology, 2012, 35(10): 70-80.

[14] 張巖, 池涌, 李建新, 等. 污泥焚燒過(guò)程中重金屬排放特性試驗(yàn)研究[J]. 電站系統(tǒng)工程, 2005, 21(3): 27-29.

ZHANG Yan, CHI Yong, LI Jianxin,etal. An experiment study on distribution of heavy metals in the incineration of sludge[J]. Power System Engineering, 2005, 21(3): 27-29.

[15] YAO Hong, NARUSE I. Combustion characteristics of dried sewage sludge and control of trace-metal emission[J]. Energy & Fuels, 2005, 19(6): 2298-2303.

[16] 吳俊. 垃圾焚燒煙氣凈化專(zhuān)用活性碳噴射控制系統(tǒng): 中國(guó), 201210278452.7[P]. 2012-11-21.

[17] 張文斌, 梅連廷. 半干法煙氣凈化工藝在垃圾焚燒發(fā)電廠(chǎng)的應(yīng)用[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保, 2008, 34(4): 37-39.

ZHANG Wenbin, MEI Lianting. Application of semi-dry technique for flue gas purification in MSW incineration power plant[J]. Industrial Safety and Environmental Protection, 2008, 34(4): 37-39.

[18] 齊瑞江, 曹作忠. 污泥焚燒處理成本分析[J]. 環(huán)境工程, 2009, 27(5): 103-106, 109.

QI Ruijiang, CAO Zuozhong. Cost analysis of the sludge incineration treatment[J]. Environmental Engineering, 2009, 27(5): 103-106, 109.

Energy Utilization and Pollutants Emission in Sewage Sludge Incineration

YUANYanyan1,HUANGYing1,ZHANGDong2,DONGYue2,YANGKai1,XIAOJun1

(1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education,School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210000, China;2. Nanjing Water Affairs Group Ltd., Nanjing 210002, China)

Numerical simulations were carried out on sewage sludge semi-drying incineration and blending combustion process of power generation using Aspen Plus software, during which the energy utilization and pollutants emission of 4 different sludge samples were studied. Results show that in the semi-drying incineration process, all the 4 sludge samples are required to supplement other fuels when their heating values of dry basis are lower than 11.5 MJ/kg, and as the heating value of sludge decreases, the supplements remarkably increase. The sludge samples with high content of heavy metals tend to cause air pollution and their solid residuals can hardly be recycled. In the blending combustion process, the high heating value of sludge contributes to the generation efficiency; for the same sludge samples, the generation efficiency increases with the reduction of energy ratio of sludge; lower energy ratio of sludge helps to satisfy the requirement of environmental protection, even in the case of higher content of heavy metals in the sludge; the suitable energy ratio of sludge blended to coal is suggested to be 5%-8%. When the sludge is low in heating value and high in heavy metal content, the blending combustion process is recommended, otherwise, the semi-drying incineration process is suggested.

sewage sludge; semi-drying incineration; blending combustion for power generation; energy utilization; pollutants emission

2015-09-15

2016-02-01

國(guó)家973計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013CB228106)；南京市科委青奧資助項(xiàng)目；南京市城建集團(tuán)科研資助項(xiàng)目

袁言言(1992-)，女，河南商丘人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉崔D(zhuǎn)化利用. 肖 軍(通信作者)，女，教授，博士，電話(huà)(Tel.)：025-83793452；E-mail:jxiao@seu.edu.cn.

1674-7607(2016)11-0934-07

X502

A 學(xué)科分類(lèi)號(hào)：610.30