城市污泥專用焚燒爐優(yōu)化設(shè)計(jì)

曾孝陽(yáng) 黃寶成 孫 瑜

（1.江蘇綠威環(huán)保科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215123；2. 國(guó)家電投蘇州吳中綜合能源有限公司，江蘇 蘇州 215000）

近年來(lái)，隨著污水處理廠建設(shè)的增加，污泥產(chǎn)生量隨之急劇增多，然而產(chǎn)生的部分污泥只進(jìn)行簡(jiǎn)單的脫水就被隨意堆放，這樣不僅有礙市容，而且會(huì)對(duì)環(huán)境衛(wèi)生產(chǎn)生危害?！笆奈濉币?guī)劃綱要要求推進(jìn)城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)全覆蓋，開(kāi)展污水處理差別化精準(zhǔn)提標(biāo)，推廣污泥集中焚燒無(wú)害化處理，城市污泥無(wú)害化處置率達(dá)到90%，地級(jí)及以上缺水城市污水資源化利用率超過(guò)25%。焚燒處理是實(shí)現(xiàn)污泥減量化、資源化、無(wú)害化處置較為有效的方式之一。

1 概述

與其他固體燃料爐型相比，流化床燃燒技術(shù)具有燃燒熱效率高、燃料適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)保性能好、灰渣易于綜合利用等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)污泥處理處置工程采用的流化床焚燒爐有鼓泡流化床焚燒爐和循環(huán)流化床焚燒爐兩種，以鼓泡流化床焚燒爐居多。廢物焚燒爐設(shè)計(jì)的基本原則是使廢物在爐膛內(nèi)按規(guī)定的焚燒溫度和足夠的停留時(shí)間達(dá)到完全燃燒。污泥焚燒爐設(shè)計(jì)、運(yùn)行時(shí)主要的控制參數(shù)包括：焚燒溫度、煙氣停留時(shí)間、CO排放濃度、過(guò)量空氣系數(shù)、殘?jiān)脺p率等。結(jié)合多年對(duì)污泥焚燒特性、爐型的了解，本文結(jié)合已經(jīng)投運(yùn)項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行情況闡述了城市污泥專用焚燒爐優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種方式。

圖示1為國(guó)外技術(shù)廣泛使用的鼓泡流化床污泥獨(dú)立焚燒爐結(jié)構(gòu)，主要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)為大床面、厚床料、超低流化速度運(yùn)行，爐體呈圓柱形結(jié)構(gòu)。布風(fēng)板假想截面風(fēng)速大都小于 0.5m/s，靜止床層裝砂高度1~1.5m，正常運(yùn)行時(shí)，沸騰床高度約2~2.5m，流化風(fēng)機(jī)選型風(fēng)壓基本上都在20kPa以上。綠威開(kāi)發(fā)的250t/d設(shè)備在臺(tái)灣某項(xiàng)目已投入正常運(yùn)行2年。

圖示2為綠威開(kāi)發(fā)的江蘇某污泥處理項(xiàng)目的另一種污泥焚燒爐結(jié)構(gòu)，處理規(guī)模為600t/d，入爐污泥熱值900~1100 kCal/kg。與圖1爐型相比，床面面積較小，運(yùn)行時(shí)布風(fēng)板假想截面風(fēng)速為1.46~2.14m/s。采用此技術(shù)的焚燒爐床層厚度較薄，靜止床層裝砂高度0.3~0.6m，流化風(fēng)機(jī)選型風(fēng)壓基本都在16kPa以下。

圖1 鼓泡流化床污泥獨(dú)立焚燒爐結(jié)構(gòu)

對(duì)比兩種爐型，各有利弊，前者正常運(yùn)行時(shí)床溫相對(duì)穩(wěn)定，不易波動(dòng)，但由于床面面積過(guò)大，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)流化質(zhì)量及床溫影響較大，不易大型化；后者由于床面小，低負(fù)荷能力強(qiáng)，大型化設(shè)計(jì)空間更大，此外流化風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量較小，更為節(jié)能。經(jīng)我們市場(chǎng)調(diào)研，綜合兩種焚燒爐的設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況，同時(shí)結(jié)合吳中項(xiàng)目污泥特點(diǎn)及用戶要求，決定在本新建項(xiàng)目設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。

該項(xiàng)目新建2×400t/d（80%含水率）的污泥焚燒線，用戶要求按含水率40%、低位發(fā)熱量1300kCal/kg作為設(shè)計(jì)點(diǎn)，污泥熱值范圍1100~1800kCal/kg時(shí)能夠滿足自持燃燒、安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。

鍋爐技術(shù)性能參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐技術(shù)性能參數(shù)

2 設(shè)計(jì)中應(yīng)著重考慮的問(wèn)題

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，污泥獨(dú)立焚燒爐主要需要解決的問(wèn)題包括：如何保障污泥自持焚燒；污泥熱值波動(dòng)時(shí)床溫穩(wěn)定運(yùn)行保障；低負(fù)荷排煙溫度過(guò)低的問(wèn)題；低溫段空預(yù)器冷端積灰腐蝕問(wèn)題；啟爐時(shí)間及成本等。

污泥含水率高、收到基低位熱值低，理論燃燒溫度較低，在污泥特性一定的情況下提高絕熱燃燒溫度是保障污泥自持焚燒的唯一方式。而提高絕熱燃燒溫度的方式有兩種：①添加輔助燃料（會(huì)增加運(yùn)行成本，本項(xiàng)目不考慮）；②提高入爐燃燒風(fēng)溫度。

本次設(shè)計(jì)考慮重點(diǎn)：污泥熱值波動(dòng)較大，考慮通過(guò)運(yùn)行當(dāng)中調(diào)整入爐熱風(fēng)溫度，保障不同熱值污泥的穩(wěn)定燃燒；污泥中含硫量相對(duì)較高，酸露點(diǎn)溫度較高，設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留煙氣在受熱面之間跨級(jí)穿越，控制尾部排煙溫度過(guò)低；解決低溫段空預(yù)器冷端積灰腐蝕主要手段是提高該處金屬壁溫；縮短啟爐點(diǎn)火時(shí)間、降低運(yùn)行成本主要通過(guò)優(yōu)化墻體結(jié)構(gòu)和布風(fēng)系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)。

3 設(shè)計(jì)方案及展望

根據(jù)用戶提出的問(wèn)題及意見(jiàn)，結(jié)合已運(yùn)行項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)本次城市污泥專用焚燒爐。

3.1 設(shè)計(jì)方案

3.1.1 爐型選擇

焚燒爐和余熱爐互為一體，結(jié)構(gòu)較為緊湊，爐體方案布局如圖3所示。

圖3 爐體方案布局

本次流化床污泥焚燒爐爐膛爐墻結(jié)構(gòu)采用膜式壁管上爐墻保溫結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性、密封性好，爐墻及保溫重量全部由膜式壁承擔(dān)，除了管外側(cè)保溫外，爐內(nèi)同樣設(shè)置了輕質(zhì)保溫及絕熱層，與重型爐墻相比，減輕了爐墻保溫的厚度及重量，縮短了啟爐升溫時(shí)間。同時(shí)，此次設(shè)計(jì)膜式壁向火側(cè)增加了輕質(zhì)保溫層，大大減少了爐膛水冷度，有利于保障爐膛內(nèi)煙氣溫度，具體保溫厚度可根據(jù)污泥熱值等特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1.2 高溫分離除塵

此前運(yùn)行的圖2項(xiàng)目中設(shè)計(jì)了方形水冷分離器，配套有返料等循環(huán)燃燒系統(tǒng)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次取樣數(shù)據(jù)分析，循環(huán)灰含碳量小于1%，循環(huán)燃燒意義不大。同時(shí)，幾乎無(wú)熱值的循環(huán)灰會(huì)降低爐膛床溫，不利于污泥的穩(wěn)定燃燒，因此本次方案不采用循環(huán)燃燒。因?yàn)槲勰囝w粒小、粉塵量大，為了減輕尾部受熱面磨損及除塵器負(fù)擔(dān)，設(shè)計(jì)采用分離效果更高的蝸殼式高溫旋風(fēng)除塵器，分離下來(lái)的高溫灰經(jīng)冷卻后送入灰渣庫(kù)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，高溫分離除塵灰量為整個(gè)灰渣量的30%~40%，通常作為一般固廢處理或建材使用，降低了尾部飛灰處理成本。

圖2 綠威開(kāi)發(fā)污泥焚燒爐結(jié)構(gòu)

3.1.3 流化風(fēng)系統(tǒng)

此前運(yùn)行的圖2項(xiàng)目設(shè)計(jì)有三級(jí)空氣預(yù)熱器，布置在尾部煙道的末端，熱風(fēng)溫度為200~220℃，末級(jí)空預(yù)器冷端容易容積積灰并逐漸加劇。本次設(shè)計(jì)時(shí)，將空預(yù)器分4組設(shè)計(jì)，高、低溫各兩組，將末級(jí)空預(yù)器設(shè)置于省煤器前，同時(shí)在流化風(fēng)機(jī)前設(shè)置一組暖風(fēng)器，以便提高空預(yù)器冷端壁溫，避免煙氣結(jié)露積灰。

為了提高絕熱燃燒溫度，本次鍋爐設(shè)計(jì)高溫空氣預(yù)熱器，空氣預(yù)熱器的空氣側(cè)設(shè)計(jì)有級(jí)間超越，使部分空氣超越多個(gè)殼程，流化風(fēng)預(yù)熱溫度可以在200~540℃之間調(diào)節(jié)且得到精確的控制，有利于污泥熱值變化時(shí)床溫的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1.4 排煙溫度控制

與燃煤爐相比，由于污泥中含硫量相對(duì)較高，酸露點(diǎn)高，污泥獨(dú)立焚燒鍋爐尾部排煙溫度不宜太低，通常在160℃以上。本項(xiàng)目入爐污泥熱值為1100~1800kcal/kg，在污泥量一定的情況下，熱值越低排煙溫度越低?？紤]到高低負(fù)荷的變化以及污泥熱值的波動(dòng)，根據(jù)之前工程實(shí)例中取得的經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)時(shí)我們加大了尾部豎井煙氣側(cè)受熱面級(jí)間超越，使部分煙氣超越多個(gè)受熱面，調(diào)節(jié)范圍更大，保排煙溫度可以在170~200℃范圍內(nèi)調(diào)解且得到精確的控制。

3.1.5 布風(fēng)裝置

在圖1所示的方案中，燃燒裝置大都采用管式布風(fēng)盤(pán)結(jié)構(gòu)，床面面積大，砂床容量大，加上爐墻為重型爐墻結(jié)構(gòu)，啟爐時(shí)床料需加熱的時(shí)間通常在8h以上，輔助燃料耗量較大。本次設(shè)計(jì)采用床下天然氣點(diǎn)火，為了保障啟爐升溫時(shí)膨脹、密封的可靠性，本項(xiàng)目采用水冷板式布風(fēng)盤(pán)結(jié)構(gòu)。布風(fēng)板假想截面風(fēng)速為1.03~1.62m/s，床溫下的沸騰速度為2.0~2.4m/s ，冷態(tài)啟爐至正常投運(yùn)只需3h左右，節(jié)約不少的運(yùn)行成本。

3.2 展望

圖1、圖2所示方案在污泥獨(dú)立焚燒領(lǐng)域已經(jīng)取得成功，本次項(xiàng)目爐型選擇上綜合考慮了上述兩種爐型的利弊，通過(guò)對(duì)焚燒爐進(jìn)行上述技術(shù)優(yōu)化，運(yùn)行性能有望得到更大的提升，完全能滿足用戶污泥獨(dú)立焚燒及國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。同時(shí)，本次鍋爐設(shè)計(jì)沿用了綠威低氮燃燒技術(shù)，在沒(méi)有任何脫硝設(shè)施的情況下，折算后NOX排放濃度低于120mg/Nm3，CO排放濃度低于50mg/Nm3。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于污泥獨(dú)立焚燒（鍋）爐而言，應(yīng)根據(jù)實(shí)際污泥特性非標(biāo)定制。文中對(duì)污泥獨(dú)立焚燒爐運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并結(jié)合已取得的成功經(jīng)驗(yàn)采取了可行性優(yōu)化措施，國(guó)產(chǎn)技術(shù)完全可以滿足城市污泥獨(dú)立焚燒的要求，希望能給同類型企業(yè)項(xiàng)目建設(shè)提供借鑒。