楊延梅　譚子其　閆大?！±铥?/p>

摘? ?要： 流化床鍋爐共處置固體廢物是一種新興的固體廢物處置技術，能夠實現(xiàn)固體廢物的無害化處置和資源化利用，但處置過程中固體廢物內含有的重金屬會發(fā)生遷移轉化，對環(huán)境安全和人身健康造成潛在影響。對固體廢物處置過程中重金屬的遷移轉化特性進行綜述，表明目前研究主要集中于流化床共處置污泥、城市生活垃圾和生物質燃料方面，對共處置危險廢物的研究較少;基于脫硫劑對重金屬遷移分布影響的研究較為詳細，但分析得知重金屬在爐內的氣化、凝結以及在飛灰、煙氣、爐渣中的分配率仍待推進;將結合污染物排放和鍋爐運行工況，開展重金屬遷移轉化特性的系統(tǒng)性研究，促進流化床共處置固體廢物的大規(guī)模工業(yè)應用，期待同行的共同研究。

關鍵詞： 流化床;共處置;固體廢物;重金屬;遷移轉化

中圖分類號：X705? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 01-087-05

工業(yè)技術創(chuàng)新 URL： http： //www.china-iti.com? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.01.017

引言

我國固體廢物種類多、產生量大、來源復雜，常見的固體廢物主要有城市生活垃圾、危險廢物、工業(yè)固體廢物、污泥、電子廢棄物等[1]。隨著全球經濟的快速發(fā)展，我國城市化進程不斷加快，固體廢物的產生量呈逐年增長的趨勢。根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒2018》中的數(shù)據(jù)，2017年我國工業(yè)固體廢物產生量為331 592萬噸，與2016年相比增加了7.3%，處置率僅占24.07%;2017年危險廢物產生量6 936.89萬噸相比于2016年的5 347.3萬噸增加了29.7%，處置率占36.78%[2]。由此可見，我國固體廢物的處置能力嚴重不足，因此固體廢物的無害化處置及資源化利用就顯得尤為重要。

流化床共處置固體廢物作為一種新興的固體廢物處置技術，在國內外得到了迅速發(fā)展。這種技術是指在工業(yè)生產期間，利用企業(yè)現(xiàn)有的流化床鍋爐等設備，將固體廢物與其他原料、燃料協(xié)同處置，在滿足企業(yè)正常生產要求、保證產品質量與環(huán)境安全的同時，實現(xiàn)固體廢物的無害化處置和資源化利用[3]。然而，固體廢物內含有的重金屬在進行燃燒處置時會發(fā)生遷移轉化，分布在飛灰、底渣和煙氣中，一旦處置不當被排放到環(huán)境中，不僅會造成環(huán)境安全問題，還可能對人體產生巨大危害。

本文基于國內外對于流化床共處置污泥、城市生活垃圾和生物質燃料方面的研究，分析了行業(yè)現(xiàn)狀，從三方面對處置過程中重金屬遷移轉化特性開展研究，提出了流化床共處置固體廢物作為一種新興的處置方式的優(yōu)勢和不足。

1? 國內研究進展

國內對于流化床共處置固體廢物的大部分研究處于小試階段，工業(yè)試驗鮮有開展，研究機構主要有浙江大學、東南大學、華南理工大學等，實際研究過程中運行的爐型以循環(huán)流化床鍋爐為主。共處置的固體廢物有污泥、城市生活垃圾、糠醛渣、石油焦以及油田油泥等，但大多數(shù)研究關注的重點是共處置過程中SOx、NOx、HCl、PAHs的排放特性以及對鍋爐結渣、煤耗和熱效率的影響，而對重金屬遷移轉化特性的研究還十分有限，主要集中在共處置污泥和城市生活垃圾方面，石油焦方面也有少量研究成果。

1.1? 流化床共處置污泥

污泥是一種高水分、低熱值的燃料，屬于不易燃燒的劣質燃料，對于這種燃料的燃燒，流化床獨具優(yōu)勢，成為國內學者關注的重點[4-5]。朱葛等[6]把石化污泥和煤在一臺0.2 MW的循環(huán)流化床試驗臺（圖1）上進行共處置，研究了不同的混燒質量比、燃燒溫度、二次風率、Ca/S摩爾比和空氣過剩系數(shù)對Hg、Pb、Ni、Cr、Cu、Zn這6種重金屬排放特性的影響。共處置結果表明：

1）Hg和Zn的排放量隨著石化污泥和煤的混燒質量比的升高而增加;相反，Pb和Ni的排放量相應減少;混燒質量比對Cr和Cu的排放沒有明顯影響;

2）隨著燃燒溫度的升高，Hg、Pb、Cu、Zn排放增加較快;

3）隨著Ca/S摩爾比的增加，Hg、Pb、Ni和Cu的排放量減少，但對Cr和Zn的排放影響不大。

吳成軍等[7]重點研究共處置污泥與煤過程中Hg的排放特性，即以煤作為輔助燃料，研究Ca/S摩爾比、脫硫劑種類、煙氣中SO2和NOx的濃度以及過量空氣系數(shù)等因素對Hg在煙氣、飛灰和爐渣中的排放和形態(tài)分布的影響。試驗結果顯示：

1）在共處置情況下，Hg在煙氣和飛灰中的含量均比純煤燃燒時要高，且Hg的富集程度在飛灰中遠高于底渣;

2）隨著污泥添加比的增大，Hg在煙氣中的濃度也不斷增大，元素Hg是煙氣中Hg的主要存在形態(tài);

3）隨著Ca/S摩爾比的增大，Hg的含量在飛灰中相應增加，在底渣中保持不變，在煙氣中少量減小，說明鈣基脫硫劑對煙氣中元素Hg的脫除效率低，但對HgO有較高的脫除效果;當Ca/S摩爾比增大到3時，煙氣中HgO脫除率達100%;在相同的Ca/S摩爾比下，CaO對煙氣中Hg的吸附效果比CaCO3更好;

4）煙氣中Hg2+的含量隨煙氣中SO2和NOx濃度的增加而增加;

5）空氣過量系數(shù)對煙氣和飛灰中Hg的分布影響顯著;

6）燃燒溫度也會影響Hg在煙氣和飛灰中的分布。

董浩[8]在一臺220 t/h循環(huán)流化床鍋爐上開展共處置制革污泥與煤的工程試驗，工藝流程如圖2所示。其中研究了制革污泥與煤的混燒對鍋爐灰渣重金屬分布的影響，并且與純煤燃燒工況下進行對比。結果顯示：

1）在純煤燃燒工況下，大多數(shù)重金屬在底渣中的分布比例與底渣占總灰量的比例基本一致，Cr和Ni揮發(fā)性較低，在底渣中所占的比例最高，As富集于超細顆粒中，按揮發(fā)性大小對As、Pb、Cd、Cr進行排序為：As>Cd>Pb>Cr;

2）加入制革污泥后，Cr和Ni的揮發(fā)性明顯提高，在飛灰中的富集程度高于底渣。

李洋洋[9]通過實驗室高溫管式爐混燒試驗分析，結合循環(huán)流化床共處置污泥工程試驗，得出當污泥與燃煤的混燒比例為25%時，Cd、Hg、Cr、As主要存在于飛灰及煙氣中，比例占80%以上;Pb主要存在于底渣中，比例約為70%。

田甲蕊[10]在一臺75 t/h的循環(huán)流化床鍋爐上共處置改性印染污泥與煤，研究了泥煤質量比（分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%）對爐渣、飛灰中重金屬Cd、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni含量的影響。結果表明：

1）隨著泥煤質量比的増加，飛灰和爐渣中的重金屬含量都隨之増加;

2）飛灰中重金屬Cd、Pb、Cu和Zn的含量總是大于爐渣中的含量，而Cr和Ni大部分都集中在爐渣中。

1.2? 流化床共處置城市生活垃圾

李建新等[11]對共處置煤和垃圾工況與純煤燃燒工況時重金屬的排放特性進行了對比分析，并研究了不同脫硫劑對重金屬的吸附效果及除塵前后煙氣中Hg、Pd、Cd的含量分析。結果表明：

1）純煤燃燒工況下飛灰和底渣中重金屬含量均低于共處置工況;無論是純煤燃燒工況還是共處置工況，飛灰中Hg和Cd的含量都高于底渣，且Hg主要以氣態(tài)形式出現(xiàn)在煙氣中，而Cu和Zn主要殘留在底渣中，Zn的含量在飛灰中差別不大，這些排放特性主要取決于它們的沸點高低;

2）不同脫硫劑對重金屬有不同的吸附效果，CaO對Hg、Cd、Cu的吸附效果比CaCO3好，CaCO3對Pb的吸附效果很強，而對Zn沒有吸附作用，這與矯維紅等[12]的研究結果中提到的脫硫劑對重金屬分布的影響相似。

同時，矯維紅等[12]還提出了垃圾與煤的不同混燒條件，比如燃料中S、Cl的變化可改變重金屬化合物形態(tài)，從而改變重金屬在灰渣中的分布。

金保升等[13]的研究表明，隨著垃圾加入量的增加，飛灰含碳量降低，底渣和旋后飛灰中Cr、Cu、Zn的含量均增加。

辛美靜等[14]認為隨著垃圾摻比的增加，飛灰中Cr、Zn、Cu、Pb和Fe的含量均升高，其中Fe的含量最高;當摻燒比恒定時，隨著溫度的升高，Cr、Zn、Cu、Pb和As主要分布在飛灰中，在底渣中的分布比例減少。

1.3? 流化床爐共處置石油焦

石油焦富含S、N、V和重金屬等化合物，屬于劣質、高污染燃料，適合在流化床鍋爐中進行燃燒。侯全輝等[15]在共處置煤和石油焦的試驗中，研究了13種工況下飛灰中重金屬的遷移規(guī)律，結果表明：

1）Pd、Cr、Mn、Ni主要富集在飛灰中，對比燃料及飛灰中的重金屬含量發(fā)現(xiàn)，重金屬均存在向飛灰中轉移的趨勢，Pb、Cr、Cd向飛灰中轉移最為明顯，Cu、Ni、Mn在飛灰中的含量較少;

2）隨著燃燒工況的變化，燃料中含量較高的重金屬元素變化波動越大，Ca/S摩爾比對重金屬的分布影響較小，而鍋爐負荷對飛灰中重金屬含量有較大影響。

崔健[16]的研究表明：

1）As、Cr、Cd、Ba、Mn、Pb和Cu主要向除塵器灰和底渣中遷移，分別占重金屬總排放的57.34%～92.12%和6.29%～35.78%;向大氣中排放的重金屬比例較低，只占重金屬總排放的0.16%～1.38%;

2）Pb、Cu和Ba等元素更易富集在飛灰這樣的細顆粒物上，而Mn、Cd和Cr等元素在底渣和飛灰當中的富集趨勢相當。

2? 國外研究進展

流化床燃燒技術在國外發(fā)展較早，有不少國外學者對流化床共處置固體廢物進行了研究。在國外，垃圾衍生燃料RDF的研究是熱門研究方向，流化床共處置RDF的實驗研究是從20世紀80年代末開始的。但國外的很多研究都集中在共處置RDF過程中NOx、SOx和CO的排放研究，以及HCl和二噁英PCDD/Fs的排放研究。關于重金屬遷移轉化，只在共處置污泥和生物質燃料方面有相關的研究。

2.1 流化床爐處置污泥

Elled等[17]和?mand等[18]在流化床鍋爐上進行了木材和城市污水污泥的共處置，研究了其燃燒過程中重金屬元素的變化規(guī)律，并通過熱力學平衡計算，預測了重金屬在氧化和還原條件下的揮發(fā)和凝結特性。研究發(fā)現(xiàn)：

1）隨著污水污泥摻比的增加，飛灰中重金屬元素也顯著增加;

2）氧化條件下，重金屬Hg、Cr、Cu、Mn、Ni、V和Zn大多殘留在飛灰中，而As、Cd、Hg、Pb、Se、Sb和Ti出現(xiàn)在煙氣中。

Miller等[19]對污水污泥和煤按不同比例進行混燒，重點研究原始燃料中存在的潛在危害最大的重金屬的行為特性。研究發(fā)現(xiàn)：隨著污水污泥摻比的增加，Cd和Hg主要出現(xiàn)在煙氣中，而As、Pb和Se這些元素富集在飛灰中。

Cennl[20]等在共處置煙煤和干污泥過程中，研究6種重金屬元素——Cr、Hg、Mn、Ni、Pb、Zn在飛灰、灰渣中的分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：Mn不受污泥添加比的影響;Cr、Ni、Pb在煙氣中比例下降，在灰渣中含量上升;Zn在灰渣中含量下降;Hg在飛灰中的含量增加了近5倍。

2.2? 流化床共處置生物質燃料

Miller等[21]使用三種輔助燃料（農業(yè)廢棄物、紙漿污泥和廢塑料）分別與云杉樹皮進行共處置，研究共處置過程中重金屬的遷移轉化規(guī)律。試驗數(shù)據(jù)表明：

1）Hg幾乎完全揮發(fā)，農業(yè)廢棄物作為輔助燃料不利于Hg的釋放;

2）三種輔助燃料的混燒不利于Cd的停留;

3）Pd很少殘留在飛灰中，廢塑料作為輔助燃料，增加了Pd的排放。

Vainikka等[22]對樹皮、污泥和固體回收燃燒（SRF）以不同的比例進行共處置，研究表明燃料中Cl、Br、Zn和Pb向煙氣和水冷壁灰中轉移，Cl、Br、Zn和Pb是促進鍋爐內水冷壁高溫腐蝕的主要原因。

Kandiyoti等[23]使用兩種煤、四種生物質燃料和三種廢物燃料進行共處置試驗，研究了這些燃料在各燃燒和混燒情況下飛灰中18種重金屬的濃度，并將實驗數(shù)據(jù)與熱力學平衡模型的預測進行比較，結果表明，根據(jù)重金屬在飛灰中的殘留量進行排序，最易揮發(fā)的是Hg和Se，其次是Cd、Tl、Pb和As。

3? 結論與展望

流化床共處置固體廢物作為一種新興的處置方式，利用企業(yè)現(xiàn)有的鍋爐資源對固體廢物進行處置，不僅能減少建設廢物填埋設施的費用支出，還可以利用廢物熱量替代傳統(tǒng)化石燃料實現(xiàn)減排。目前，流化床共處置固體廢物還缺乏系統(tǒng)的研究，國內外大多數(shù)研究還處于實驗室研究階段，工程應用試驗較少，且研究對象有限，主要集中在共處置污泥、城市生活垃圾和生物質燃料方面，對共處置危險廢物的研究較少。對共處置過程中污染物的排放研究，都集中于SOx、NOx、HCl的排放特性研究，以及共處置過程中對鍋爐結渣、煤耗和熱效率的影響，對重金屬遷移轉化特性的研究還不夠深入。

從本文對流化床共處置固體廢物過程中重金屬遷移轉化特性研究的綜述可以看出，關于共處置過程中脫硫劑對重金屬遷移分布影響的研究較為詳細，但關于重金屬在爐內的氣化、凝結以及在飛灰、煙氣、爐渣中的分配率的研究仍待推進。后續(xù)應結合污染物排放和鍋爐運行工況，開展流化床共處置固體廢物重金屬遷移轉化特性的系統(tǒng)性研究，這對于將來實現(xiàn)流化床共處置固體廢物的大規(guī)模工業(yè)應用是非常具有現(xiàn)實意義的。

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作者簡介：

楊延梅（1975—），女，重慶交通大學教授，博士。主要研究方向：固體廢物處理處置。

E-mail： cqyymei@163.com

譚子其（1994—），女，漢族，四川自貢人，重慶交通大學碩士。研究方向：固體廢物處理處置。

閆大海（1979—），通信作者，男，河南新鄉(xiāng)人，研究員，博士。主要研究方向：固體廢物處理技術。

E-mail： seavsland@163.com

（收稿日期：2020-02-14）

Advances in Research on Transfer and Transformation Characteristics of Heavy Metals during Co-disposal of Solid Wastes in Fluidized Beds

YANG Yan-mei1， TAN Zi-qi1， YAN Da-hai2， LI Li2

（1. School of Architecture and Construction， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400000， China;

2. Research Institute of Solid Waste Management， Chinese Research Academy of Environmental Sciences， Beijing 100012， China）

Abstract： The co-disposal of the solid wastes in the fluidized bed is a new solid waste disposal technology， which can realize the harmless disposal and resource utilization of solid wastes， but the heavy metals contained in the solid waste can be transferred and transformed during the disposal process， which will have potential impact on the environmental safety and human health. The transfer and transformation characteristics of the heavy metal in the process of the solid waste disposal are reviewed. It shows that the current research mainly focuses on the co-disposal of sludge， municipal solid waste and biomass fuel in the fluidized bed， but lacks on the co-disposal of the hazardous waste. At present， the research on the influence of the desulfurizer on the transfer distribution of heavy metals is in detail， but it is analyzed that the gasification， condensation of the heavy metal in the fluidized bed as well as the distribution rate of fly ash， flue gas and slag is still to be promoted. The systematic research on the transfer and transformation characteristics of the heavy metal will be carried out in combination with pollutant discharge and boiler operation conditions， so as to promote the large scale industrial application of the co-disposal of the solid wastes in the fluidized bed. The common research with peers is expected.

Key words： Fluidized Bed; Co-disposal; Solid Waste; Heavy Metal; Transfer and Transformation