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1、1 循环流化床污泥焚烧处理技术方案的介绍贠小银，吕清刚，马人熊中国科学院工程热物理研究所摘要：本文以高碑店污泥为原料， 煤作为辅助燃料在循环流化床中试装置中完成了湿污泥焚烧实验，给出了循环流化床湿污泥焚烧锅炉的各项技术参数。实验结果表明，燃烧工况稳定，炉膛内的温度非常均匀，烟气排放满足国家相关标准。每吨污泥的运行成本小于 200 元人民币。1 污泥处理技术概述污泥的处理方式有填埋、干化、综合利用、焚烧等。污泥经消化脱水后再进行填埋是许多大型污水处理厂污泥处理的主要方式。经过消化后的污泥有机物含量减少，性能相对稳定，总体积减少，脱水后再进行填埋也是一种比较经济的处理方式。由于消化装置工艺复杂、一
2、次性投资大、运行操作难度大, 实际运行经验表明往往难以达到预期的效果。加之脱水污泥含水率大大高于普通生活垃圾卫生填埋场所要求的 30% 含水率 , 因此需再处理才能送生活垃圾填埋场填埋；或者根据污泥的含水率及力学特性等因素设置专用的污泥填埋场。专用污泥填埋场占地面积较大、选址不易、存在二次污染和安全隐患等问题。污泥制肥料曾是污泥利用的主要途径。近年来，由于人们对绿色食品的要求和对土壤污染的警惕，污泥肥料农用的标准日趋苛刻，许多国家如德国、意大利和丹麦等污泥农用的比例急剧下降 , 欧洲大部分国家 2005年后将禁止在农业区使用污泥肥料。过去我国城市污泥的出路也是农用，农民花钱买污泥作肥料，现在变
3、成倒贴钱农民也不要。国内的污泥肥料由于使用不方便和肥效差等原因无法和化肥抗衡，污泥用作农业肥料已经难以为继。此外还有顾虑重金属、 洗涤添加剂污染等原因， 使得此种处置方式日益萎缩。污泥的干化处理工艺能耗高，设备复杂，费用高，减量化不彻底。干化后的污泥或送去焚烧或用作肥料，仍然存在出路问题，一般使用较少。以焚烧技术为核心的污泥处理方法是最彻底的处理方法，是发达国家普遍采用的处理方法。有资料显示，在2005年采用焚烧处理污泥的比例美国达到20, 欧盟各国达到38，日本超过 55。焚烧处理污泥的优点是占用场地小，处理快速处理量大；减量明显，减容量大于 90；焚烧后的灰渣可以直接进入填埋场，也可用作建
4、筑材料或铺路等；因此，采用焚烧法处理污泥，能最大程度地实现减量化、稳定化和无害化。焚烧法是将脱水污泥直接送入焚烧炉焚烧, 可直接焚烧 75% 80% 甚至更高含水率的污泥。为了保证污泥的稳定燃烧，并对污泥含水率的波动具有一定的适应性，一般都需2 掺入辅助燃料如煤、 油、燃气等。普通的焚烧方法必需掺入大量的辅助燃料来稳定燃烧，且燃烧效率和热效率低。循环流化床焚烧污泥是一种较好的解决方案。循环流化床焚烧炉由于具有强烈的湍流、长久的气体停留时间、均匀的温度分布，能在相对较低温度和较少过剩空气下高效率焚烧，获得较高的有害物质的破坏和去除率，有害物质脱除剂的利用效率高。通过分级燃烧，大幅度控制NOx生成
5、；通过床内加入碱性物质如石灰石等，大幅度降低烟气中的酸性气体 (SOx 和 HCl)的含量，使烟气直接达标排放，而不需要另加尾气处理系统。通过尽可能多地回收燃烧烟气中的显热, 减少辅助燃料的加入量，从而把污泥处理的成本降至最低。循环流化床焚烧炉属于高热负荷型技术，易于大型化，没有运动部件，因此有较长的寿命， 维护费用比其它炉型低。 由于循环流化床污泥焚烧炉具有炉内热传导均匀，蓄热性高，废热回收效率高，回收热源稳定等优点，循环流化床焚烧污泥已成为国际上污泥处理的发展趋向。2 循环流化床污泥焚烧技术在循环流化床污泥焚烧炉中，污泥通过给料系统直接加入炉内，与炉膛内的热烟气和热物料结合与掺混，先后经历
6、烘干成型、燃烧爆裂、缩核燃尽等焚烧过程，最后形成符合排放要求的灰渣， 污泥的减量化大于90。燃烧的空气分为一次风和二次风，一次风从炉膛底部加入，二次风从炉膛中部加入，形成分级燃烧，大幅度降低NOx的生成。炉膛出口的烟气携带固体颗粒进入高温旋风分离器，固体颗粒被分离下来返回炉膛，循环燃烧。干净烟气进入尾部换热器，经布袋除尘器排入大气，除尘器收集的灰渣可进入除灰系统。 利用燃烧后产生的热烟气来加热空气，把空气温度加热到湿污泥干化所需要的温度 (400600) 。石灰石从炉膛下部加入， 并形成反复循环固体物料与烟气中酸性气体持久反应，形成稳定的CaSO4 或 CaCl2，从而去除酸性气体，脱除率可以
7、达到95% 。循环流化床污泥焚烧炉采用0.5-2.0mm左右粒度范围的砂作为床料，一般常用的循环流化床床料多以二氧化硅(SiO2)为主，其中含有微量的三氧化二铝(Al2O3) 及三氧化二铁(Fe2O3)等物。污泥的灰熔点一般大于1000，循环流化床床温控制在800850间，污泥团粒在循环流化床内燃烧过程中为固态，所占床料重量比小于5，进入循环流化床内即被大量运动着的高温惰性床料冲散，因此，污泥在循环流化床内焚烧不会发生床砂的粘结问题。循环流化床通过高流化速度使炉床所含粗砂和废弃物颗粒向上浮出，并经固体回收分离装置（旋风分离器） 将烟气中的砂粒和燃烧完全或未完全的物料通过高温立管及返料器再循环送
8、入炉内形成高度混合的燃烧反应区，使物料能在足够的停留时间内被分解，破坏和焚烧。而单位时间由旋风分离器收集循环进入炉内的固体物料量(含床砂和3 燃烧过程产生的固体物 ) 除以单位时间内焚烧废弃物量的值(即固体颗粒循环倍率 ) 则介于3040之间。通过这种方式，循环流化床温度分布更为均匀一致，焚烧温度一般维持在850左右，由于停留时间长，循环流化床具有处理有害废弃物达到比规定的破坏去除率(DRE)更高的能力。循环流化床焚烧炉的另一优点是含有硫及氯成份时污泥采用炉内添加石灰石脱除技术，在炉内燃烧时所生成的SO2、HCl立即与石灰或石灰粉生成粉末状的CaSO4及CaC12，这样可大量减少烟气中所含有害
9、气体量。关键是反应的温度水平和添加剂的反复使用，使得SO2、HCl的脱除效率很高，可直接达到排放标准。中国科学院工程热物理研究所长期致力于发展循环流化床燃烧技术。从1984年建成国内第一台 2.8MWt 循环流化床工业化燃烧装置至今，开发成功了10t/h 到480t/h 蒸发量等多种循环流化床锅炉。采用本技术生产的循环流化床燃煤锅炉，已达到1500多台，占据国内 70以上市场份额。近年来，在研究开发燃煤循环流化床燃烧技术的同时，不断扩展新的研究领域，如城市固体废弃物焚烧技术、煤泥和污泥焚烧技术等。在污泥焚烧处理方面，考察了国内外各种污泥焚烧技术，依托自己的学科优势，在实验室研究和中试的基础上，
10、设计了有辅助燃料掺烧的情况下，适合污泥焚烧的循环流化床焚烧炉。在中试装置上，完成了污泥含水率790% 变化时的燃烧特性和排放特性的中试试验。试验结果表明：我们的循环流化床污泥焚烧技术是成功的，具有技术先进、燃烧充分和费用低廉的特点，排放满足国家标准，可以直接进行工程应用。3 高碑店污水处理厂污泥的焚烧处理技术针对北京市高碑店污水处理厂污泥的焚烧处理进行了系列实验和研究。该污泥的空气干燥基热值为 9432.5kJ/kg ；含水率为 80时，污泥的低位热值为117kJ/kg 。污泥直接入炉焚烧需要消耗一定量的辅助燃料。辅助燃料可以用煤， 也可以用污水处理场的沼气。如选用沼气为辅助燃料，具有系统简单
11、可靠，运行成本低，减轻除尘压力等特点。用煤作为辅助燃料时辅助燃料的费用较低，但污泥焚烧装置的选址应符合当地的政策法规，如在北京应选在四环路之外。如果污泥焚烧处理厂附近能有使用蒸汽或热水的用户，可以选用余热蒸汽锅炉或余热热水锅炉，产出商品蒸汽或热水，提高系统的经济效益。根据综合分析，方案采用煤作为辅助燃料， 焚烧的污泥为污水处理厂的新鲜污泥 （含水 80左右） 。循环流化床污泥焚烧本体可以在0% 120% 的超宽变负荷范围内安全稳定运行。4 4 污泥焚烧实验系统污泥焚烧实验系统由循环流化床污泥焚烧本体、给料系统、烟风系统、烟气净化系统、灰渣输送系统、热水系统与水冷却系统、点火系统、电气系统和仪表
12、系统等组成。4.1循环流化床污泥焚烧本体循环流化床污泥焚烧本体由绝热流化床炉膛、高温旋风分离器、返料器、省煤器和空气预热器等组成。 通过优化配置和优化能量分配，能尽可能多地回收燃烧烟气中的显热, 减少辅助燃料的加入量，从而把污泥处理的成本降至最低。4.2给料系统给料系统包括以下几部分：污泥的加入系统，主要有污泥储池、污泥泵组成；辅助燃料煤的加入系统；石灰石的加入系统，用于炉内脱硫；沼气的接入系统。同时设一个循环流化床床料的加入口。4.3烟风系统烟风系统由烟风管道、鼓风机、引风机和调节风门等组成。燃烧所需的空气经过空气预热器预热后分为一二次风从炉底和炉膛中部分级送入焚烧炉内。燃烧产生的高温烟气进
13、入尾部烟道，流经空气预热器冷却后通过除尘器和烟囱排入大气。4.4烟气净化系统采用循环流化床焚烧污泥，污泥焚烧产生的灰主要形成焚烧残留物被烟气所携带，除尘方式采用布袋式除尘器。脱硫采用炉内加石灰石方式，可以不加装尾部脱硫设备。4.5焚烧残留物输送系统布袋除尘器排出的焚烧残留物由输送系统送至灰仓。焚烧残留物输送系统由锁气器和螺旋输送机等组成。 焚烧炉正常运行时底部基本不排渣，底部放渣管作为停炉检修时清除床料用。4.6热水系统与水冷却系统由于焚烧炉的入炉热量较低，为维持炉内燃烧工况的稳定，本实验方案采用绝热燃烧炉膛，炉膛内没有布置受热面。在尾部烟道内布置适量的省煤器受热面来吸收烟气中的热量，从而把
14、30水加热到 80的热水。热水经过水冷却系统冷却后再循环使用。污泥焚烧锅炉水冷却系统由水泵、冷却塔和管道阀门等组成。5 4.7点火系统焚烧炉点火系统用于焚烧炉启动时将床料从常温加热到污泥着火温度。点火燃料为柴油，系统由燃烧器、管道阀门等组成。其中点火燃烧器布置在床下风室中。4.8电气系统电气系统用于控制鼓引风机、 水泵、灰输送机和点火器等设备的启停，污泥给料机、脱硫剂给料机的启停和给料量调节，风门调节等。4.9仪表系统仪表系统用于监测焚烧炉燃烧温度、排烟温度、一次风量、二次风量、风室压力、炉膛负压、冷却水温度和流量、 给料量等参数， 并对这些参数进行计算机自动数据采集。另外还要装设烟气排放连续
15、监测系统。5 高碑店污水处理厂污泥焚烧的环保性能循环流化床焚烧污泥产生的排放物只有烟气和焚烧残留物两种。烟气中所含的各项污染物质指标经测试均满足国家相关标准，可以直接排入大气。 污泥中存在一定量的重金属元素，焚烧时污泥中的重金属元素基本富集在焚烧残留物中。经过测试，污泥焚烧残留物中的重金属指标均低于国家相关标准，可直接进入填埋场填埋，也可以考虑资源化利用 , 如制造高级瓷砖或作高级水泥的调和料。焚烧高碑店污水处理厂污泥的烟气污染物的排放测定值如表7.1 所示。表 7.1 烟气污染物排放测定值序号项目单位排放测定值国家标准限定值1 烟尘mg/m3 50 80 2 一氧化碳mg/m3120 150
16、 3 氮氧化物mg/m3280 400 4 二氧化硫mg/m3150 260 5 氯化氢mg/m31.8 75 6 汞mg/m30.04 0.2 7 镉mg/m30.008 0.1 8 铅mg/m30.015 1.6 9 二恶英类ng TEQ/m3 0.200 1.0 注：本表所测数值均以标准状态下含11%O2的干烟气为参考值换算。6 6 300 吨/ 日循环流化床污泥焚烧系统设计方案根据我们的试验研究结果，提出了300吨/日循环流化床污泥焚烧系统设计方案。6.1循环流化床污泥焚烧锅炉6.1.1设计条件设计方案用煤作辅助燃料，这样费用可以低一些。为了维持绝热炉膛稳定的燃烧温度，要求入炉燃料必须满足一定的发热量要求，因此，对辅助燃料的低位发热量或者掺烧比例均有有要求。对于一台300t/d的污泥焚烧炉，如果辅助燃料煤的热值为25871kJ/kg ，每天需用煤 28 吨。300t/d循环流化床污泥焚烧锅炉的设计条件如表6.1所示。表 6.1 300t/d 循环流化床污泥焚烧锅炉的设计条件项目单位数值燃料80含水率的污泥燃料热值kJ/kg 117 处
