废墨粉与污水污泥流化床共燃烧热处理技术研究

《Applications in Energy and Combustion Science》：Thermal treatment of waste toner powder by fluidised bed combustion with sewage sludge

　　

研究人员针对全球废弃物尤其是电子废弃物与污水污泥产生量持续上升的现状，探讨了将其作为替代燃料的应用潜力。当前仅约半数收集的空打印机与墨粉盒可被再利用，其余部分多采用焚烧或填埋处置，且现有废墨粉处置方式均缺乏环境友好性。为此，研究人员提出将废墨粉与污水污泥混合制备成颗粒，在800–900°C的砂介质流化床中进行燃烧处理。待系统达到稳态后，研究人员在烟气氧浓度为11%的条件下，对汞（Hg）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）、氨（NH3）、氯化氢（HCl）、重金属、多氯二苯并对二噁英（PCDD）、多氯二苯并对呋喃（PCDF）、多氯联苯（PCB）及多环芳烃（PAH）等污染物进行了分析，并将排放结果与《工业排放指令》（IED）附件VI第3部分的排放限值（ELVs）及废物焚烧最佳可行技术关联排放水平（WI BAT-AELs）进行了对比讨论。

该研究由Milan Carsky、David Lokhat、Marek Jadlovec等学者完成，发表于《Applications in Energy and Combustion Science》。随着激光打印与复印设备的普及，废墨粉产生量持续增长，其中兼容墨盒因价格低廉占据市场主导地位，但多项检测显示其含有超标的乙二醇醚、钴、苯、苯乙烯、萘及阻燃剂等有害物质，在打印过程中可形成可吸入细颗粒物，长期暴露具有肝损伤与致癌风险。现有废墨粉资源化路径，如掺入混凝土或沥青，仅能实现污染物的暂时封存，在道路翻修或材料降解过程中仍会释放至环境；而直接填埋则存在地下水污染隐患。与此同时，污水污泥作为另一类难处置废弃物，含有重金属、药物残留、微塑料及全氟烷基物质（PFAS）等污染物，传统土地利用受限于法规对重金属的管控，热处置成为更具吸引力的管理路径。流化床燃烧（FBC）因混合均匀、温度分布稳定及有机物燃尽率高，被视为污泥能源化的优选技术，但碱金属引起的床料结焦与流化失效是需要解决的运行难题。在此背景下，将废墨粉作为补充燃料与污水污泥共燃，既可同时消纳两类废弃物，又能通过废墨粉较高的低位发热值（LHV 32–36 MJ·kg^–1）提升系统能效，具有重要的环境与资源循环意义。

研究人员采用的关键技术方法包括：以捷克REMA公司收集的废激光墨粉与捷克本地污水污泥（SS5）为原料，按质量比10:1制备成型颗粒，控制造粒含水率15–20%、压力55 MPa、温度90°C，所得颗粒经测试满足Pellet Durability Index（PDI）>97%的机械强度要求；在中试规模鼓泡流化床燃烧装置上进行燃烧试验，床料为粒径0.1–0.6 mm的石英砂，运行温度控制在800–900°C，过量空气系数1.7，通过高频给料与在线监测确保稳态燃烧；对烟气中常规气体、酸性气体、重金属及持久性有机污染物（POPs）进行全组分定量分析，并以11% O₂干烟气为基准进行归一化处理，对照欧盟IED与WI BAT标准进行合规性评估。

研究结果分为五个部分。第一部分为重金属排放特征。研究发现重金属主要来源于污水污泥组分，废墨粉贡献极低。汞（Hg）、砷（As）、铜（Cu）、铅（Pb）等排放浓度超过参照锅炉限值4–8倍，其中Hg达78.2 μg·Nm^–3，需削减约八成；而锰（Mn）、钴（Co）、钒（V）、铊（Tl）、镉（Cd）已满足现行标准要求。固相产物分析显示，铜、锌、铅等主要以氧化物或硫酸盐形式留存于灰渣的稳定矿物相中，汞与砷则倾向于挥发进入气相。第二部分为气态污染物排放。一氧化碳（CO）、氨（NH₃）、甲烷（CH₄）排放显著低于限值，表明燃烧充分、挥发分燃尽良好；氮氧化物（NO_x）浓度达806.9 mg·Nm^–3，超标约七倍，主要源于污泥中燃料氮的转化；二氧化硫（SO₂）浓度高达1328.9 mg·Nm^–3，超标约八倍，与污泥硫含量及赋存形态有关。第三部分为酸性气体排放。氯化氢（HCl）与氟化氢（HF）浓度分别为44.8 mg·Nm^–3与10.5 mg·Nm^–3，需削减约八成方可达标。第四部分为持久性有机污染物（POPs）。二噁英类（PCDD/PCDF）毒性当量浓度为0.159 ng TEQ·Nm^–3，约为参照限值的四倍；多氯联苯（PCB）与多环芳烃（PAH）浓度分别为4.47 μg·Nm^–3与0.914 μg·Nm^–3，主要源于不完全燃烧或冷却段de novo合成。第五部分为综合环境评估。研究指出，尽管多项污染物超标，但均处于现有商业污染控制技术的可治理范围内；与同规模燃煤锅炉相比，该共燃工艺的CO排放更低，NO_x与SO₂排放略高，从系统层面实现了两类废弃物的协同能源化，符合循环经济与IED/BAT管理导向。

在讨论与结论部分，研究人员强调，废墨粉与污水污泥共燃在技术可行性上已得到验证，颗粒燃料的机械性能与热值均满足流化床进料要求。针对超标污染物，可通过组合工艺实现达标：重金属方面，采用污泥预处理（化学稳定化、生物浸出）结合烟气净化（静电除尘、布袋除尘、活性炭喷射ACI）削减；NO_x可通过燃烧优化或选择性催化还原（SCR）/选择性非催化还原（SNCR）控制，脱除效率可达95%；SO₂可通过石灰石或熟石灰湿法/干法脱硫实现90–99%去除；酸性气体可通过干法吸附剂喷射（Ca(OH)₂、NaHCO₃）高效脱除；POPs则需保障850–1100°C高温停留时间与充足氧气，并辅以活性炭吸附。总体而言，该技术为废墨粉提供了优于填埋与建材利用的最终处置路径，可在现有污泥焚烧或垃圾发电设施中实施，配合标准烟气净化系统即可满足环保要求，兼具环境效益与能源回收价值。