高水分固体废弃物是生产、消费、生活和其他活动中产生的具有较高含水率的固态、半固态废弃物质，典型高水分固体废弃物包括煤泥、污泥、河道和湖泊底泥等，涉及煤炭开采、工业生产、园林市政、城市建设等多个领域。 据统计，近年来我国煤泥年产生量以近千万吨增长，截至2020 年已达到 3 亿 ｔ， 但其利用量还达不到产生量的 1／4，增长空间极大。 污泥产生量呈逐年递增，2020年污泥产生量达 7288 万 ｔ，其中，生活污泥约3578 万 ｔ，工业污泥约 3710 万 ｔ。 对于河道和湖泊底泥处理总量缺少总体统计，但随着水体标准的提升，其已经成为一些城市环保治理的重要一环 。 高水分固废一般热值较低，污泥和底泥中含有较多病原菌、重金属等有毒有害物质，焚烧是目前最有效的处置手段。笔者综述了高水分工业固废资源化燃烧处置技术的最新研究进展，介绍了典型高水分工业固废的特点及燃烧特性，分析对比了处置流程、预处理方式、焚烧方式、处置效果等，从优劣、处置量、经济性等多角度对比了专用处置和联合处置2种高水分工业固废的典型利用方式，得出不同高水分固体废弃物适用的掺烧方式，同时针对安全性、环保性、经济性分析了掺烧对循环流化床锅炉的影响，并对技术发展进行展望。
1 典型高水分固废燃烧性质及特性
1.1 煤泥
煤泥是原煤分选产物，其成分以黏土、砂石和少量煤粉为主，具有黏性大、灰分高、水分高等特点，通常水分在 ３０％左右，灰分在 ４０％以上。 煤泥燃烧一 般分为 ３ 个阶段，即干燥失水阶段、燃烧阶段和燃尽阶段，燃烧主要发生在 ４００ ～ ８００ ℃ ，整体燃烧速率较低，存在结团性和热爆性，整体稳燃性较差，需设置合适的给料高度使结团的煤泥有足够时间在下降过程中发生热爆，该过程中煤泥快速受热，外表面干燥，内部水分快速汽化，发生爆裂，将块状煤泥爆成碎裂状， 使煤泥焚烧更稳 定、 充分，减少沉积。 另外，煤泥燃点与灰分、挥发分和粒度组成等有关，研究发现煤泥与煤掺混后，随比例增加，着火温度降低，更易点燃，但存在掺烧峰值比例，达到比例后燃烧特性呈下降趋势。 综合考虑以上特性， 将煤泥与煤以适当比例掺混燃烧，不仅能减少煤炭资源浪费，实现资源的可持续利用，也降低了成本，实现良好的经济效益。另外，煤泥的高效利用有效减少其堆放、运输过程中的环境污染。
1.2 污泥
污泥主要来自工业和生活，不同含水率下形态不同，８５％以上呈流态，６５％ ～ ８５％呈可塑态，低于 ６０％呈固态。 污泥是含有大量有机物、磷、氮和微量元素的废物，若处置不当易被农作物吸收，造成健康安全隐患，带来环境污染。 污泥燃烧有 ３ 个 阶段，主要发生在第 ２ 阶段，最高温度在 ６００ ℃ 左右 ，徐向鹏等通过试验对比证实污泥对于燃 料的着火燃烧有正向作用。 城市污泥主要可燃成分为挥发分，燃点和燃尽温度远低于煤，可见其着火和燃尽性能均优于煤，煤与污泥掺烧，随污泥掺烧比例 的增加，着火和燃尽温度均有所下降。 试验表明 当污泥掺烧比为 １０％左右时，可燃性、稳燃性和综 合燃烧特性均达到最大值，最有利于燃烧，也有 实际应用中加入不同比例含水率 ４０％的城市污泥 与煤掺烧，泥煤比为 １∶４ 以下时，燃烧效率与纯煤燃烧接近，大于 １∶４ 燃烧效率很不理想。
与市政污泥相比，工业污泥中硫含量较多，具有高挥发分和低固碳的特点。 工业污泥与煤掺混燃烧后，相比煤单烧，燃尽温度和着火温度降低，一定量工业污泥与煤掺混可促进燃烧。 李洋洋等研究了煤与工业干污泥掺烧的燃烧特性，发现掺烧一定比例污泥可改善煤的着火性能，稳燃性提高，但比例达到 ５０％以上综合燃烧性能有所下降，王海蓉等得到相似的结论，掺混比例为 ５０％时，掺混物可燃性指数和综合燃烧特性指数均达到峰值。另外，工业污泥相比煤结焦指数较低，二者掺混燃烧可有效缓解锅炉炉膛的结焦。
1.3 河道底泥
城市河道及湖泊多是污水的承载体，尽管有些北方城市景观河流的主要用水来自再生水，但由于其氮含量较高，极有可能造成河流富营养化与地下 水污染 。 河道底泥中主要化学成分为 ＳｉＯ２ 、 Ａｌ２Ｏ３ 、Ｆｅ２Ｏ３ ，其中 ＳｉＯ２ 含量最多，微量元素以 Ｚｎ、 Ｃｒ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ａｓ 重金属及有毒元素为主，这些金属元素主要来自河流上游沉积物和无机颗粒的初次迁移，不同河道污泥中重金属元素含量存在显著差异。目前，国内对于河道底泥的无害化处理技术有物理修复技术、化学修复技术和生物生态修复技术，存在物理修复耗时短、工程体量大、成本较高， 难以广泛应用；化学修复见效快，但极易造成二次污染；生物修复技术难以应对复杂的底泥污染，急需更有效的处置技术，另外，底泥所含主要元素及性质与污泥相似，但对于底泥的资源化燃烧处置研究较少。
除上述煤泥、污泥和底泥外，还存在一些含水率高、热值低但可燃烧的固废，如生活中产生的废弃纸张、塑料、织物，植物、药物残渣等。 植物残渣指植物在种植、加工、使用过程产生的剩余残物，包括植物饲料残渣。 药物残渣指药生产中产生的植物残渣，这些废弃物同样存在极大的利用空间。
研究表明，对污泥、煤泥进行燃料元素分析后，其中 Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｓ 五种元素占比之和与挥发分和固定碳占比之和基本一致，而挥发分和固定 碳含量与热值呈正相关。鉴于此，本文对污泥、煤泥成分进行统计 ，Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｓ 五种元素占比 之和与热值关系如图 １ 所示，可知随着 ５ 种元素占比之和增加，高水分固废热值呈增长趋势。 在收到基条件下，Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｓ 五种元素含量之和近似时，煤泥热值普遍高于污泥，工业污泥热值略高于市政污泥。
2 高水分工业固废典型利用方式
2.1 专用处置方式
工业固废处置方式主要有堆肥、填埋、焚烧等， 其中焚烧技术污染小，利用效率高，是最具发展潜力的处置方式之一 。 由于分散焚烧成本较大且不 易统一管理，目前国内以集中焚烧为主，主要有焚烧炉和回转窑焚烧技术两大类。 几种专用处置技术对比见表 １。
焚烧炉系统由于自身容量限制，以上海石洞口污水厂焚烧炉为例，设计污泥处理量为 ２８.４ ｔ／ｄ 。典型鼓泡式流化床焚烧炉结构如图 ２ 所示。 整体由炉本体、炉体框架、耐火材料、布风装置等部分组成。焚烧炉运行中，空气会穿过物料层，通过分配板，进入风箱。 当炉内空气流速达到一定值时，物料层开始松动，当空气流速超过临界流化速度时，料层中颗粒处于沸腾状态。 炉侧和炉顶有 ２ 处投料口，均可添加污泥，污泥加入后会在流化床层内进行干化、粉碎等过程，而后成型燃烧。
除上述类型焚烧炉外，目前国内已应用的焚烧炉处置技术还有回转窑焚烧技术，包括独立的回转 窑焚烧炉和水泥窑协同处置污泥技术。 独立回转窑焚烧污泥系统如图 ３ 所示，整个系统包括干燥系统、 回转窑、余热回收系统与烟气处理系统。 污泥进行焚烧前，首先利用烟气余热对污泥进行干燥，水分需降到 ４０％以下，再通过给料机将污泥送入回转窑进行焚烧。 水泥窑焚烧污泥系统如图 ４ 所示，首先利用水泥窑产生的烟气余热对污泥进行干燥，水分需降到 ３０％以下，再通过给料机将污泥送入水泥窑进行焚烧，产生的飞灰被布袋除尘器收集，重新进入窑内实现循环焚烧。
2.2 联合处置方式
污泥联合处置，通常预处理对污泥进行间接干化，通过输送带或管道少数向锅炉泵送给料掺烧。而煤泥和污泥性质不同，预处理和给料方式不同，预处理对煤泥干燥，给料上多用煤泥泵掺烧。
2.2.1 固废预处理
固废高含水率会降低燃料热值，影响锅炉床温及运行效率，这些燃料一般需脱水预处理再掺烧，目的在于减少锅炉损耗，提高燃烧效率。 仅做脱水处理的污泥直接掺烧会很大程度降低炉膛燃烧温度，影响运行稳定性。 而污泥干化技术通过对水分蒸发，可显著提高热值。
目前工业固废应用较多的干化方式按接触方式分为直接干化、间接干化和联合干化。直接干化工艺相对简单且效率高，是将烟气余热直接与污泥接触，蒸发水分；间接干化是利用过热蒸汽传递热量使污泥受热蒸发；联合干化（直接－间接干化）是上述 ２ 种工艺共同使用。 ３ 种干化方式优劣对比具体见表 ２。
间接干化在国内污泥干化领域的应用最广泛， 间接干化可细分为带式干化、桨叶式干化和圆盘式干化等，各种间接干化优劣对比见表 ３。带式干化、 桨叶式干化和圆盘式干化工艺流程如图 ５ ～ ７ 所示。
2.2.2 炉前给料系统
目前应用较多的给料方式为泵送给料和输送带或管道运送给料。 输送带与泵送系统应用情况对比见表 ４。
１）输送带掺烧是最简易的掺烧方式，工艺流程如图 ８ 所示。 该系统根据不同掺烧比例，通过改变取料机速度，实现煤与污泥动态混合。 李博研究表明含水率低于 ６５％可与煤掺混直接掺烧，而含水率高于 ７０％易造成输送带黏滞、堵塞，须引入污泥螺旋泵。 故此种掺配方式更多适用于半干化污泥、干化污泥掺混。 潘春鹏针对流化床锅炉掺烧污泥过程中给料系统易堵塞问题，提出了一套污泥给料及配风系统。该系统将污泥和原煤分开输送，同时配备易及时清理的小容积炉前仓，保障系统顺畅运行的自动清堵装置和推力更大的无轴螺旋式给料机，有效避免了污泥因在炉前煤仓产生一定量堆积、挤压力太大造成的堵塞问题，有利于系统长期稳定、连续运行。
２）泵送系统主要分螺杆泵＋管道输送给料和挤压泵＋管道输送给料 ２ 种方式，均已成功应用。 煤泥泵送系统需要煤泥含有一定水分且对其所含杂质要求极严格，一般经管道泵送煤泥的水分要求在 ３０％± ３％，水分过少不利于运输，过多影响燃烧效率，因此建议泵送系统的煤泥含水率控制在 ２５％ ～ ３０％。
系统给料位置一般为炉顶给料和炉中给料，这 ２ 种给料方式中，炉顶给料更适合大比例掺烧煤泥 。 李宁等介绍了一种煤泥高压泵送系统工艺流程，该系统仅通过高压泵和管道实现煤泥处理 到进入锅炉燃烧的全过程。 该系统煤泥泵设有清洗回流管和放水口，系统闲置时放水口放出清洗水清洗管道，煤泥排出装置，有效防止其在管路中干结。 刘飙等介绍了由德国设计的某泵送系统（图９）。 整套系统由煤泥仓、仓底滑架、冲洗水加压泵及 ４ 条煤泥泵送管线组成，每条输送管线上可完成卸料、混合、给料等步骤。 煤泥仓内的煤泥被送至混合料斗混合，水分调节系统调整煤泥含水率，处理后由煤泥泵打入煤泥枪送入炉膛。煤泥枪在布风板上方，左右对称各 １ 个。
2.2.3 锅炉掺烧
经过预处理，脱水后的固废进入系统掺烧。 较常见的是循环流化床锅炉掺烧和煤粉炉掺烧。 对于循环流化床锅炉，高水分固体废弃物可直接掺入炉膛燃烧，尤其对于污泥这种成分复杂、含水量高的废弃物；对于煤粉炉，传统方式是高水分固体废弃物通过喷枪雾化后再喷入炉膛，需先用大量水稀释燃料，水分增多对后续锅炉燃烧 和受热面换热影响很大，尝试采用磨 煤机前掺混、前置处理等方式，在稳定可靠运行的基础上实现更大处理量。循环流化床锅炉与煤粉炉掺烧技术对比见表 ５。
掺烧煤泥是循环流化床锅炉的重要优势，我国对于煤泥掺烧已逐渐实现从小机组、低负荷发展到大机组、高负荷，从低比例发展到大比例掺烧，循 环流化床锅炉掺烧工艺流程如图 １０ 所示。 ２００６— ２０１０ 年，中矿环保公司已实现 ３０ ～ １３５ ＭＷ 中小型循环流化床锅炉的工业化掺烧，同时期临涣中利电厂在 ３００ ＭＷ 大型机组实现了掺烧比例 ２５％；神华上湾电厂应用 １５０ ＭＷ 循环流化床锅炉实现 ７０％大 比例掺烧；２０１４ 年，淮南矿业集团潘三电厂 ２ 台 １３５ ＭＷ 循环流化床锅炉平均煤泥掺烧比例达 ６０％。 ２０１９—２０２０ 年，济三电厂对循环流化床锅炉改造，于 ２０２０ 年实现了满负荷条件下，煤泥掺烧比 例达到 １００％，同时期，盘北电厂 ３００ ＭＷ 循环流化床锅炉实现了最高负荷下 ８４％的掺烧，中低负荷下已实现 １００％掺烧 。
有大量学者应用煤粉炉进行掺烧试验，燃煤电 厂应用煤粉炉较多 ，煤粉炉掺烧工艺流程如图 １１ 所示。 曹通等应用一种高温高压自然循环煤 粉炉，该锅炉原煤输送带上设有专门的第二物料进料口，经干燥后的污泥与原煤掺混后从此进料口混入煤粉，输送至给煤机，再到磨煤机，而后掺烧。 王雪等应用 ２２０ ｔ ／ ｈ 煤粉炉进行掺烧，得出污泥与煤按照质量比 １∶３ 掺烧时，污泥水分超过 ３０％影响制粉系统正常运行。冯炳全等在 ３００ ＭＷ 燃煤电厂开展污泥掺烧，发现控制掺烧比例小于 １０％对 于掺烧影响较小。 朱志斌等和牛彩伟通过数值模拟发现，污泥掺入达到一定比例后对燃烧有负面影响，同时污染物排放量增大。 ２０２０ 年，西安热工院研发出基于燃煤电厂的城市废弃物前置干燥炭化技术，并已在华能岳阳电厂完成试运行，该技术可针对含水率 ８０％的污泥实现 ２５０ ｔ／ｄ 的处置，在传统技术上，开辟了新技术路径，前置干燥炭化工艺流程如图 １２ 所示。
3 掺烧影响
3.1 安全性
研究发现较低（小于 １０％） 掺烧比例对锅炉运行影响不显著，但随掺烧比例增加，水分增加使蒸发吸热、温度降低，燃烧不充分，而循环流化床锅炉由于其自身特性，燃料有较长反应时间，可能存在一高掺烧比例使锅炉效率达到最高。 一般根据炉膛 温度变化、腐蚀、磨损和积灰情况判断掺烧污泥对锅炉安全性的影响。
陈国胜针对大容量流化床锅炉内大比例掺烧煤泥进行研究，得出高负荷时，炉顶给料方式对密相区床温的影响较小，但在典型工况 １５０ ＭＷ 以下低负荷时，煤泥掺烧量达到 ６０％以上，床温明显降低，易造成安全隐患，若小比例掺烧，床温降低较小， 对于锅炉性能影响不大。 另外，掺烧使烟气量增加，烟气量与烟气阻力成正比，烟气阻力增加使引风机失速裕度低于安全裕度，存在风机失速风险。
腐蚀主要分为高温和低温腐蚀 ２ 种，高温腐蚀主要发生在烟气侧和蒸汽侧锅炉受热面管表面，低温腐蚀主要发生在锅炉尾部受热面。 唐海鑫发现投入煤泥后，使排烟温度高于酸露点，降低低温腐蚀发生风险。 陈国胜计算得到，投入煤泥后床温会下降 １５ ℃左右，由于煤泥含硫量低于燃料煤，脱硫效率改善，腐蚀压力降低。
有学者发现掺烧后炉内磨损情况有所缓解，主 要原因可能是由于一次风使用量随物料颗粒粒径的减小而减少，炉内流化速度降低，有利于减轻炉内受热面磨损。 积灰主要集中在尾部烟道，研究表明随煤泥掺烧量增加，积灰增多，这是由于一般入炉工业固废粒度较细，加之煤泥本身具有热爆性特点，灰渣减少，飞灰量增加（图 １３） ，燃烧后大部分细灰经过分离器直接进入尾部烟道而不会成为循环灰。另外，由于灰渣减少，造成炉内大颗粒物料缺失，对于依靠排放底渣控制床压的方式有一定影响，影响整体运行的安全稳定。
3.2 环保性
掺烧后，排放的主要常规污染物分别为 ＣＯ、 ＳＯ２ 、ＮＯｘ、ＨＣｌ 等，根据元素分析污泥中氮元素含量远高于其他燃料，单独焚烧会造成 ＮＯｘ 排放量较高。 ＮＯＲＡ 等发现污泥与煤掺混后，氮元素含量降低，进而可减少 ＮＯｘ生成，说明掺烧对于减少含氮污染物排放量有一定效果。 实际应用中，张宗振等使用某电厂 １ ０００ ＭＷ 机组 １ 号锅炉分别掺烧 ３％和 ６％的生活污泥，发现不同掺烧量对出口 ＳＯ２浓度无明显影响。 周法等将不同含水率的上海竹园污泥在小型流化床焚烧炉中掺烧，发现含水 率对燃烧污染物的生成有较大影响，随含水率增加 ＣＯ 排放量显著增加，而易溶于水 ＳＯ２ 会减少，对 ＮＯｘ、ＨＣｌ 影响不大。 吕玮用负荷相近的锅炉分别掺烧 ５％和 １０％的污泥，发现较低掺烧比例对于 ＳＯ２ 、ＮＯｘ排放没有明显影响。 李洋洋等掺烧不同小比例污泥发现，随污泥掺烧比例增大，ＳＯ２ 、ＮＯｘ 排放量增加，ＣＯ２含量减少，可能是由于污泥中碳元素含量较低。综上，加入适当比例高水分固废可改 变燃料本身的燃烧特性，使燃尽时间缩短且燃烧更加充分。
除常规污染物外，对于二噁英和有害重金属的研究也很多。 曹通等分别测定了未掺烧污泥和掺烧 ７％污泥时烟气中二噁英质量浓度，发现掺烧后浓度略低于未掺烧时浓度，且 ２ 种工况下排放量 均远低于标准规定排放限值。 张建龙对比了未掺混和掺混污泥工况下，机组烟气总排口的二噁英浓度，得出未掺烧工况下二噁英浓度会较高于掺烧工况，但浓度均远低于国家及国际标准。
对于有害重金属，ÅＭＡＮＤ 等发现，燃烧反应后，重金属物质主要存在于灰烬中，只有一小部分会与烟气通过过滤器排出，灰烬中主要有害物质为 Ｈｇ、Ｃｄ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｓ 和 Ｚｎ。 刘笑等掺烧 １％工业污 泥后对比未掺烧工况，发现产生的重金属基本无变化，根据模型推测大比例掺烧后产生的重金属质量浓度，仍低于国家限值。 严骁等 利用某垃圾焚烧 系统对不同掺烧比例（ ５％ ～ １５％） 污泥进行工业试 验，探究重金属在飞灰与炉渣中的分布，发现未掺烧时，Ｈｇ、Ｐｂ 由于其沸点低，挥发性强，多富集于被烟 气处理设施捕集的飞灰中，大多被处理，而部分 Ｃｄ、 Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ 主要残留在炉渣中未被处理，掺烧污泥后，Ｃｄ 残留量有所减少，说明低比例（小于 １５％）掺烧污泥对于焚烧后重金属的排放无明显影响。
3.3 经济性
一般根据锅炉热效率，综合耗煤量对于锅炉掺烧高水分固废的经济性进行评估。 对于大比例掺烧，宋江等应用循环流化床掺烧大比例煤泥发现，机组低负荷、煤泥掺烧量增加、含水量增大都会造成掺烧锅炉效率降低，但同时大比例掺烧煤泥后炉床温度显著降低，抑制 ＮＯｘ生成，进而减少了尾气处理的能源消耗，节约用电率，杨叙军通过试验 得出掺烧比例不高于 ５０％较经济。 盛洪产等利用 １３０ ｔ／ｈ 循环流化床燃煤锅炉在掺烧比 ０ ～ ８０％下 进行试验，经计算锅炉热效率随污泥掺烧质量分数 的增加而降低，质量分数达到 ６０％以上时，热效率明显降低，推测可能是由于排烟温度升高和烟气量增加造成排烟热损失增大。 虽然效率下降后耗煤量有所增加，但由于固废价格远低于煤炭，大比例掺烧可显著降低发电成本，经济性凸显。
4 结语
掺烧处置是高水分工业固废清洁高效利用的有效手段，实现了清洁低碳、安全高效，具有极大的技术发展空间。
１）采用联合处置方式应用较广泛且经济合理。在脱水预处理方面，间接干化优势明显，应用广泛， 其设备结构紧凑，干化效果好，热量利用率高，无污染且处置量较大；煤粉锅炉掺烧比例相对较小，循环 流化床锅炉掺烧比例大，总体上循环流化床锅炉的掺烧技术优势更明显，煤粉锅炉的分布和装机体量优势更大。
２）循环流化床锅炉掺烧污泥和煤泥时，输送带掺烧虽然简单但对环境污染较大，安全可靠性较差，一般仅用于少量掺烧和临时掺烧，而泵送掺烧虽然结构复杂，投资成本略高但可靠性更强，可作为大比例掺烧的首选方案。 根据高水分固废性质，输送带掺烧适用于半干化污泥、干化污泥，泵送掺烧适用于含水率 ２５％ ～ ３０％的煤泥，含水率高于 ７０％的污泥。 总体来看，污泥宜采用间接干化＋循环流化床锅炉掺烧方式，煤泥宜采用直接泵送掺烧方式。
３）掺烧对于锅炉安全性、环保性影响有限，对经济性的影响较显著。 在安全性方面大量学者从炉床温度、灰渣等多角度研究了掺烧比例对于锅炉安全稳定运行的影响，同时对于腐蚀和磨损的机理进行研究；环保性方面，掺烧适当比例可有效减少污染物生成，尽管掺烧会产生一定二噁英，但其排放浓度 满足国家现行标准规定要求；对于重金属污染物，通过掺烧小比例高水分固废后重金属生成量与未掺烧时无明显差异；经济性方面，针对不同型号、负荷的锅炉，给出最经济的掺烧比例范围。
４）煤泥掺烧技术成熟，实际应用较多，污泥掺烧已进行大量的理论和试验研究，亟待推广，而底泥掺烧研究较缺乏，未来仍有极大的研究空间。
来源：郑欣昱,尚曼霞,柯希玮等.高水分工业固废资源化燃烧处置利用技术研究进展[J].洁净煤技术,2023,29(S2):530-540.
