流化床焚燒系統(tǒng)在危廢處置上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

寧紹宇 黃春艷

（中藍(lán)長化工程科技有限公司 湖南長沙 110000）

引言

危險(xiǎn)廢棄物（簡稱“危廢”）一直堅(jiān)持“減量化、資源化、無害化”的基本原則。其中，減量化是將危險(xiǎn)廢棄物進(jìn)行有效的焚燒處理，焚燒后的殘?jiān)w積可減少90%以上，重量可減少80%以上，再將焚燒后的飛灰和殘?jiān)M(jìn)行固化、穩(wěn)定化處理，進(jìn)而送至填埋場填埋；無害化是指對(duì)已產(chǎn)生但無法實(shí)現(xiàn)或現(xiàn)階段暫時(shí)不具備綜合利用能力的危險(xiǎn)廢棄物，經(jīng)過物理、化學(xué)或生物的方法，進(jìn)行對(duì)環(huán)境無毒無害的安全處理、處置，達(dá)到廢物的消毒、解毒或穩(wěn)定化，以防止并減少危險(xiǎn)廢物的污染危害；資源化處理主要包括對(duì)危廢的直接利用、回收再利用和能源化利用3 種模式[1]。因此，在固體廢棄物（含危廢）處理處置領(lǐng)域，減量化是過程、無害化是目標(biāo)、資源化是手段。

焚燒作為危廢減量化最主要的手段，其使用的焚燒爐類型較多，目前應(yīng)用較為廣泛的有液體噴射型焚燒爐、流化床焚燒爐和回轉(zhuǎn)窯焚燒爐3大類，而對(duì)固定床焚燒爐和多層床焚燒爐的應(yīng)用較少。本文從焚燒爐原理、關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)、工藝系統(tǒng)配置等多方面，詳細(xì)介紹流化床焚燒爐及后續(xù)的煙氣凈化系統(tǒng)。

1 流化床焚燒爐

1.1 工作原理與基本結(jié)構(gòu)

危廢流化床焚燒爐是一個(gè)垂直的襯耐火材料的鋼制容器，在焚燒爐的下部安裝有氣流板，板上裝有載熱的惰性顆粒。由于焚燒需要空氣，因而需要考慮一定的過量系數(shù)，焚燒爐底部的通風(fēng)裝置需將空氣引入爐內(nèi)，使?fàn)t內(nèi)的顆粒物被垂直上升的氣流吹動(dòng)，并使?fàn)t內(nèi)的顆粒物處于流態(tài)化狀態(tài)，這樣的焚燒爐就稱之為流化床焚燒爐。

流化床焚燒爐內(nèi)襯耐火磚或防火膠泥，燃燒室分為稀相區(qū)（懸浮段）和密相區(qū)兩個(gè)區(qū)域。流化床焚燒爐的工作原理是流化床爐在密相區(qū)床層中布置大量的熱載體（煤灰或沙子等），能提供非常大的熱容量，以滿足有機(jī)廢液蒸發(fā)、熱解、燃燒所需的大熱量要求，并且由底部布風(fēng)裝置送進(jìn)的空氣還能使床層處于良好流化狀態(tài)，同時(shí)熱載體也能存儲(chǔ)大量熱量使床層溫度保持均勻，避免投料時(shí)發(fā)生爐溫劇烈變化和局部過熱的現(xiàn)象，床層溫度易控制，有利于有機(jī)物的分解和燃燼。

1.2 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)

流化床焚燒爐的關(guān)鍵是控制流化速度與廢物粒徑，因此在設(shè)計(jì)中就對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)于流化床焚燒爐的穩(wěn)定高效運(yùn)行極為重要。

1.2.1 流化速度

流化速度（U）是指顆粒層由固定床轉(zhuǎn)為流化床時(shí)流體的表觀速度，即流化床的介質(zhì)在流化狀態(tài)下克服自身重力向上移動(dòng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速。當(dāng)上升的氣流速度大于介質(zhì)自由沉降速度時(shí)，介質(zhì)將會(huì)被帶出，此時(shí)的上升流速稱為帶出速度，介質(zhì)帶出速度是流化床中流化速度的上限。臨界流化速度又稱為最低流化速度，是指流體對(duì)顆粒的曳力等于顆粒的重力時(shí)所對(duì)應(yīng)的氣流速度，一般將介質(zhì)體積膨脹率為5%的上升流速設(shè)定為臨界流化速度，是流化床設(shè)計(jì)計(jì)算與操作的重要參數(shù)之一，此參數(shù)一般由實(shí)驗(yàn)確定。流化床焚燒爐的氣流速度介于臨界流化速度和帶出速度之間。流化數(shù)U/Umf一般在1.5～10 的范圍內(nèi)，也有高達(dá)幾十甚至幾百的，通常采用的氣速在0.15～0.5m/s[2]。此外，影響臨界流化床速度的因素還有介質(zhì)的直徑、密度以及廢物黏度等有關(guān)的物理特性參數(shù)[3]。

1.2.2 廢物粒徑

廢物粒徑不同其燃燒速度也不同。粒徑越小的廢物在焚燒爐內(nèi)停留的時(shí)間越短，但如果粒徑太小，則會(huì)導(dǎo)致沒有燃盡就被吹出爐膛，然后因受到分離器的切割粒徑限制不能被回收至爐膛重新燃燒，使得飛灰損失加大。而對(duì)于粒徑較大的粒子，一般燃燒時(shí)間較長，粒徑2mm 的廢物燃燒時(shí)間一般需要50s，粒徑再大些的廢物燃燒時(shí)間更長，甚至需要幾分鐘。

1.3 燃燒控制

在工程應(yīng)用中，流化床焚燒爐運(yùn)行主要從廢物性質(zhì)、熱介質(zhì)載體、流化風(fēng)量、輔助燃料4 個(gè)方面進(jìn)行燃燒控制。

1.3.1 廢物性質(zhì)

所有進(jìn)入流化床焚燒爐的廢物成分都要均勻，熱值都較高。如果料坑內(nèi)焚燒的廢物種類多、成分變化大、水分含量高、熱值低，則需要將廢物進(jìn)行預(yù)處理和配伍等，使入爐的廢物含水率合適，讓熱值得到均勻和提高。

1.3.2 熱介質(zhì)載體

流化床焚燒爐正常運(yùn)行時(shí)，高熱容量的熱介質(zhì)載體（煤灰或砂子等）在溫度700℃左右時(shí)，會(huì)在爐內(nèi)劇烈地翻騰和旋轉(zhuǎn)，使廢物不斷干燥、升溫和燃燒，但熱介質(zhì)載體要定期更換以保證其粒徑均勻。

1.3.3 流化風(fēng)量

鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的流化風(fēng)進(jìn)入流化床焚燒爐燃燒室下部的布風(fēng)板，進(jìn)入流動(dòng)的熱載體中，可形成穩(wěn)定的流動(dòng)層。因此，為了保證流動(dòng)層的穩(wěn)定就需要保證風(fēng)壓的穩(wěn)定，且各空氣分配管的擋板開度也應(yīng)隨季節(jié)而進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)定期對(duì)噴嘴和風(fēng)帽進(jìn)行檢查和維護(hù)。

1.3.4 輔助燃料

如果廢物含水率和低位發(fā)熱值變化很大，應(yīng)考慮在流化床焚燒爐內(nèi)安裝輔助燃料系統(tǒng)，使其在廢物熱值過低時(shí)，可自動(dòng)控制添加輔助燃料，并控制料層的溫度。

1.4 具有較多優(yōu)點(diǎn)

與常規(guī)焚燒爐相比，流化床焚燒爐具有焚燒效率高、環(huán)保性能好、對(duì)各類廢液適應(yīng)性強(qiáng)、占地面積小、重金屬排放量低、事故率低、結(jié)構(gòu)緊湊、維修工作量小等優(yōu)點(diǎn)。

2 配伍系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

危廢在入爐焚燒前需要根據(jù)其成分、熱值等參數(shù)進(jìn)行搭配，以保障整個(gè)焚燒系統(tǒng)（焚燒爐、余熱鍋爐及煙氣凈化系統(tǒng)等）的安全穩(wěn)定運(yùn)行。如果焚燒系統(tǒng)對(duì)來料不加管控，對(duì)物料隨意焚燒，易導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行工況不穩(wěn)定。一方面，焚燒所產(chǎn)生的煙氣量和煙氣成份（酸性氣體含量、煙氣pH、含塵量等）波動(dòng)大，易造成設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，使得后續(xù)處理煙氣時(shí)需投加大量藥劑，造成藥劑浪費(fèi)，且煙氣達(dá)標(biāo)排放也較難控制。另一方面，入爐廢物熱值不穩(wěn)定，當(dāng)熱值高時(shí)，焚燒量減少，達(dá)不到設(shè)計(jì)的能力，造成單位處理費(fèi)用提高，爐膛溫度極易高于耐火磚的設(shè)計(jì)使用溫度，加劇耐火磚使用壽命的縮短；當(dāng)熱值低時(shí)，則增加油耗，又使得運(yùn)行費(fèi)用增大。

針對(duì)上述問題，需對(duì)進(jìn)爐焚燒物料進(jìn)行配伍，然后通過計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，自動(dòng)形成配料清單，使搭配的廢物各項(xiàng)參數(shù)接近設(shè)計(jì)指標(biāo)。一方面，可最大程度地確保入爐廢料熱值平穩(wěn)，讓以焚燒爐為主體的整套系統(tǒng)工況相對(duì)穩(wěn)定，提高焚燒效果，大大減少輔助燃料的消耗；另一方面，合理科學(xué)地配料使焚燒煙氣的酸堿性等參數(shù)保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，不僅能合理減少后續(xù)煙氣處理藥劑的投加量，并且波動(dòng)較小，還能相對(duì)較易地控制煙氣達(dá)標(biāo)排放。而計(jì)算機(jī)配伍系統(tǒng)在全面考慮處置中心要接收的各種廢物熱值、含水率、成份、酸度、元素組成、產(chǎn)生量等基礎(chǔ)上，還可通過軟件對(duì)廢物各參數(shù)數(shù)據(jù)及影響因素經(jīng)過綜合統(tǒng)籌運(yùn)算后，得出關(guān)于入爐廢物的種類搭配、數(shù)量配比、進(jìn)料速度、進(jìn)料周期、進(jìn)料方式等各個(gè)方面明確的菜單命令，從理論上為操作管理人員提供了可靠的參照，同時(shí)保證入爐廢物一段時(shí)間內(nèi)的均衡性，加強(qiáng)了焚燒爐的穩(wěn)定、安全、高效運(yùn)行，也利于廢物充分燃燒，降低殘?jiān)臒嶙茰p率。

2.2 配伍原則

危廢配伍的合理性是能否在低運(yùn)行成本下實(shí)現(xiàn)高效率穩(wěn)定運(yùn)行，滿足焚燒殘?jiān)蜔嶙茰p率和各分系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的先決條件。廢物配伍應(yīng)遵循7 項(xiàng)原則，即①嚴(yán)禁疏忽造成的禁入廢物混入配料，進(jìn)爐焚燒造成不良后果；②對(duì)那些污染物含量高、數(shù)量大的危險(xiǎn)廢物應(yīng)盡量多次、少量配入每次菜單中焚燒；③應(yīng)考慮廢物相互之間的相容性搭配，嚴(yán)禁對(duì)不相容的危險(xiǎn)廢物進(jìn)行混合，避免產(chǎn)生不良后果；④重點(diǎn)考慮鹵素、鹽分、重金屬等配伍；⑤高熱值廢物與低熱值廢物搭配；⑥廢液與固體和半固體廢物混合搭配；⑦高低含水率廢物的相互搭配。

3 余熱利用系統(tǒng)

流化床焚燒爐二燃室出口處煙氣溫度約為1100℃，溫度較高，可滿足除塵、脫硫、脫硝、脫除二噁英等煙氣凈化過程對(duì)溫度的要求，且余熱鍋爐能充分利用焚燒產(chǎn)生的熱能，并產(chǎn)生二次能源。但考慮到危廢中含有鉀鹽和鈉鹽等低熔點(diǎn)物質(zhì)，在1100℃的高溫條件下這些低熔點(diǎn)鹽都會(huì)升華，且在煙氣降溫后都會(huì)結(jié)晶，造成尾部煙道、受熱面和其它設(shè)備的結(jié)焦和腐蝕，減少余熱鍋爐的通流面積，造成煙氣流速的增加和流動(dòng)方向的改變，甚至造成余熱鍋爐的局部磨損爆管，影響焚燒爐運(yùn)行周期和使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)縮短余熱鍋爐的使用時(shí)限，因此為了解決這一問題，將余熱鍋爐設(shè)置成雙鍋筒對(duì)流管束的結(jié)構(gòu)形式，可使煙氣速度合理，并最大限度地把粉塵顆粒沉降下來，有效地延長焚燒爐運(yùn)行周期。

余熱鍋爐采用自然循環(huán)，以防止管內(nèi)汽水分層，使管子得到良好冷卻，防止受熱管局部超溫。部分沉降在余熱鍋爐內(nèi)的煙塵顆粒，通過刮板輸送機(jī)出灰。飽和蒸汽通過主蒸汽管路進(jìn)入分汽缸，再通過分汽缸上的蒸汽出口分別送往蒸汽管網(wǎng)和其它用汽管路。但為了保證安全，需在分汽缸上設(shè)置安全閥、疏水閥、壓力表、溫度計(jì)，同時(shí)配置蒸汽消音器防止噪聲污染，并在分汽缸上預(yù)留2 個(gè)蒸汽接口，以備以后使用。另外，余熱鍋爐出口處還應(yīng)設(shè)置氧含量檢測(cè)裝置，設(shè)置鍋爐水質(zhì)人工取樣點(diǎn)及液位顯示、報(bào)警系統(tǒng)、液位自動(dòng)控制系統(tǒng)等。

4 煙氣處理系統(tǒng)

煙氣處理系統(tǒng)包括SNCR 脫硝系統(tǒng)、煙氣冷卻系統(tǒng)、干法脫酸塔、布袋除塵器、濕式脫酸塔系統(tǒng)等。

4.1 SNCR 脫硝系統(tǒng)

SNCR 脫硝系統(tǒng)主要包括還原劑儲(chǔ)存和溶液配置系統(tǒng)、在線稀釋系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)4 個(gè)部分。其中，出于對(duì)安全性的考慮，還原劑較多使用尿素溶液，并配制出質(zhì)量濃度為40%～50%的尿素溶液，然后由稀釋水模塊根據(jù)鍋爐運(yùn)行情況和NOx排放情況在線稀釋成所需的濃度，一般為5%～10%，再通過計(jì)量分配模塊送入噴射系統(tǒng)。SNCR 噴槍采用壓縮空氣霧化形式，根據(jù)溫度和CFD 模擬流場情況，設(shè)置在合適的位置，滿足鍋爐不同負(fù)荷和NOx不同濃度下，還原劑可調(diào)節(jié)方便、靈活可靠。

4.2 煙氣冷卻系統(tǒng)

依照《危險(xiǎn)廢物集中焚燒處置工程建設(shè)技術(shù)規(guī)范》 ( HJ/T 176-2005）的相關(guān)要求，為有效避免二噁英的再次合成，需要煙氣在1s 內(nèi)從500℃降至200℃以下，這就要求系統(tǒng)必須設(shè)置急冷降溫設(shè)備。

4.3 干法脫酸塔

在煙氣冷卻系統(tǒng)后煙道前投加碳酸氫鈉。然后將脫酸藥劑倉內(nèi)的脫酸藥劑經(jīng)過失重秤、文丘里風(fēng)送至煙道內(nèi)，并通過失重秤PID 調(diào)節(jié)進(jìn)入反應(yīng)塔的脫酸藥劑量。需要注意的是，脫酸藥劑輸送管工藝布置時(shí)應(yīng)盡可能行程短且減少彎頭。

4.4 活性炭吸附

為去除二噁英及重金屬污染物質(zhì)，一般要求在布袋除塵器前煙道上設(shè)置活性炭噴射裝置。在煙道中，活性炭與煙氣強(qiáng)烈混合，利用活性炭具有極大比表面積和極強(qiáng)吸附能力的特點(diǎn)，對(duì)二噁英和重金屬進(jìn)行凈化處理，不增加煙氣水份，避免袋式除塵器出現(xiàn)“糊袋”。另外，運(yùn)行中部分活性炭粉吸附在布袋表面，可以防止布袋結(jié)灰板結(jié)。

4.5 布袋除塵系統(tǒng)

帶著較細(xì)粒徑粉塵的煙氣進(jìn)入袋式除塵器，煙氣由外經(jīng)過濾袋時(shí)，煙氣中的粉塵被截留在濾袋外表面，從而得到凈化，再經(jīng)除塵器內(nèi)文氏管進(jìn)入上箱體，從出口排出。除塵器由結(jié)構(gòu)框架及箱體、濾袋、骨架和花板、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、清灰系統(tǒng)、卸灰系統(tǒng)、平臺(tái)扶梯等組成。因此，清灰可采用壓縮空氣，PLC 控制吹灰，且工作溫度大于160℃，能有效地防止結(jié)露現(xiàn)象產(chǎn)生，同時(shí)能延長濾布的使用壽命。

4.6 濕法脫酸塔

濕法脫酸塔為圓筒狀結(jié)構(gòu)、立式布置，內(nèi)設(shè)噴淋層，出口處設(shè)除霧器，可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)氣液接觸時(shí)間、液氣比，并且結(jié)構(gòu)簡單、壓力較小。煙氣從布袋除塵器進(jìn)入濕式洗滌塔濕法脫酸塔可自下而上地向上流動(dòng)，煙氣在上升過程中與噴淋裝置噴出的堿液混合接觸，且可洗滌吸收穿過此區(qū)域的煙氣中的酸性物質(zhì)。由于該區(qū)域提供了良好的氣液接觸條件，同時(shí)堿性液體對(duì)氣體中的HCl、SO2、HF 具有較好的吸收效果，可高效去除煙氣中的酸性氣體。另外，濕法脫酸塔上部還設(shè)有除霧器，并配置沖洗噴頭，可將煙氣中攜帶的水滴去除，并能定期清洗沉淀的鹽類物質(zhì)。而濕法脫酸塔設(shè)置在引風(fēng)機(jī)之后，塔體選用具有較好耐酸耐堿腐蝕性能和一定耐溫性能的材質(zhì)，結(jié)合在排氣筒上設(shè)置的煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS），可監(jiān)測(cè)O2、CO2、CO、NOx、SO2、HCl、HF、H2O、煙塵、溫度等多項(xiàng)參數(shù)，并統(tǒng)計(jì)相關(guān)排放情況。

5 設(shè)計(jì)工程實(shí)例

某危險(xiǎn)廢棄物處置中心設(shè)置焚燒單元，采用流化床焚燒系統(tǒng)，處理能力60t/d，沸騰段面積1.2m×1.4m。沸騰段直段高度約1.6m，沸騰段操作溫度850～950℃，流化床過渡段及懸浮段高度約10.8m,懸浮段面積2.4m×2.81m。操作溫度1100～1150℃，煙氣出口操作壓力-100～-300pa，煙氣停留時(shí)間≥2s，排煙量24304Nm3/h。煙氣凈化系統(tǒng)采用“急冷+余熱回收利用+SNCR 脫硝+濕法脫酸+活性炭吸附+布袋除塵”，整套系統(tǒng)設(shè)備布置如圖1 所示。工程已建設(shè)完成，運(yùn)行效果良好，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)標(biāo)排放。

結(jié)論

流化床焚燒爐應(yīng)用于氣態(tài)、液態(tài)或半固態(tài)等可呈現(xiàn)流化態(tài)的危廢焚燒具有的優(yōu)勢(shì)較多，通過前端科學(xué)合理的熱值配伍，可減少使用輔助燃料節(jié)省能源，且經(jīng)過流化床焚燒爐和后續(xù)一系列煙氣凈化后，煙氣中NOX、SO2、CO、粉塵等污染物都能達(dá)標(biāo)排放，不產(chǎn)生二次污染。同時(shí)，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)工作中，可根據(jù)每個(gè)工程的不同工況，不斷優(yōu)化工藝流程和設(shè)計(jì)參數(shù)，能在保證處理效果的基礎(chǔ)上不斷減少工程一次性投資和降低運(yùn)行費(fèi)用。

圖1 流化床焚燒線設(shè)備布置圖