城市污泥專用焚燒爐優化設計

曾孝陽 黃寶成 孫 瑜

（1.江蘇綠威環?？萍脊煞萦邢薰?，江蘇 蘇州 215123；2. 國家電投蘇州吳中綜合能源有限公司，江蘇 蘇州 215000）

近年來，隨著污水處理廠建設的增加，污泥產生量隨之急劇增多，然而產生的部分污泥只進行簡單的脫水就被隨意堆放，這樣不僅有礙市容，而且會對環境衛生產生危害?！笆奈濉币巹澗V要要求推進城鎮污水管網全覆蓋，開展污水處理差別化精準提標，推廣污泥集中焚燒無害化處理，城市污泥無害化處置率達到90%，地級及以上缺水城市污水資源化利用率超過25%。焚燒處理是實現污泥減量化、資源化、無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，流化床燃燒技術具有燃燒熱效率高、燃料適應性強、環保性能好、灰渣易于綜合利用等優點。目前，國內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。廢物焚燒爐設計的基本原則是使廢物在爐膛內按規定的焚燒溫度和足夠的停留時間達到完全燃燒。污泥焚燒爐設計、運行時主要的控制參數包括：焚燒溫度、煙氣停留時間、CO排放濃度、過量空氣系數、殘渣酌減率等。結合多年對污泥焚燒特性、爐型的了解，本文結合已經投運項目實際運行情況闡述了城市污泥專用焚燒爐優化設計的一種方式。

圖示1為國外技術廣泛使用的鼓泡流化床污泥獨立焚燒爐結構，主要的設計特點為大床面、厚床料、超低流化速度運行，爐體呈圓柱形結構。布風板假想截面風速大都小于 0.5m/s，靜止床層裝砂高度1~1.5m，正常運行時，沸騰床高度約2~2.5m，流化風機選型風壓基本上都在20kPa以上。綠威開發的250t/d設備在臺灣某項目已投入正常運行2年。

圖示2為綠威開發的江蘇某污泥處理項目的另一種污泥焚燒爐結構，處理規模為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，運行時布風板假想截面風速為1.46~2.14m/s。采用此技術的焚燒爐床層厚度較薄，靜止床層裝砂高度0.3~0.6m，流化風機選型風壓基本都在16kPa以下。

圖1 鼓泡流化床污泥獨立焚燒爐結構

對比兩種爐型，各有利弊，前者正常運行時床溫相對穩定，不易波動，但由于床面面積過大，低負荷運行時流化質量及床溫影響較大，不易大型化；后者由于床面小，低負荷能力強，大型化設計空間更大，此外流化風機裝機容量較小，更為節能。經我們市場調研，綜合兩種焚燒爐的設計及運行情況，同時結合吳中項目污泥特點及用戶要求，決定在本新建項目設計上進行優化升級。

該項目新建2×400t/d（80%含水率）的污泥焚燒線，用戶要求按含水率40%、低位發熱量1300kCal/kg作為設計點，污泥熱值范圍1100~1800kCal/kg時能夠滿足自持燃燒、安全穩定運行要求。

鍋爐技術性能參數如表1所示。

表1 鍋爐技術性能參數

2 設計中應著重考慮的問題

根據市場調研，污泥獨立焚燒爐主要需要解決的問題包括：如何保障污泥自持焚燒；污泥熱值波動時床溫穩定運行保障；低負荷排煙溫度過低的問題；低溫段空預器冷端積灰腐蝕問題；啟爐時間及成本等。

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（會增加運行成本，本項目不考慮）；②提高入爐燃燒風溫度。

本次設計考慮重點：污泥熱值波動較大，考慮通過運行當中調整入爐熱風溫度，保障不同熱值污泥的穩定燃燒；污泥中含硫量相對較高，酸露點溫度較高，設計時預留煙氣在受熱面之間跨級穿越，控制尾部排煙溫度過低；解決低溫段空預器冷端積灰腐蝕主要手段是提高該處金屬壁溫；縮短啟爐點火時間、降低運行成本主要通過優化墻體結構和布風系統等實現。

3 設計方案及展望

根據用戶提出的問題及意見，結合已運行項目的成功經驗設計開發本次城市污泥專用焚燒爐。

3.1 設計方案

3.1.1 爐型選擇

焚燒爐和余熱爐互為一體，結構較為緊湊，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構采用膜式壁管上爐墻保溫結構。該結構整體穩定性、密封性好，爐墻及保溫重量全部由膜式壁承擔，除了管外側保溫外，爐內同樣設置了輕質保溫及絕熱層，與重型爐墻相比，減輕了爐墻保溫的厚度及重量，縮短了啟爐升溫時間。同時，此次設計膜式壁向火側增加了輕質保溫層，大大減少了爐膛水冷度，有利于保障爐膛內煙氣溫度，具體保溫厚度可根據污泥熱值等特性進行設計。

3.1.2 高溫分離除塵

此前運行的圖2項目中設計了方形水冷分離器，配套有返料等循環燃燒系統，經現場多次取樣數據分析，循環灰含碳量小于1%，循環燃燒意義不大。同時，幾乎無熱值的循環灰會降低爐膛床溫，不利于污泥的穩定燃燒，因此本次方案不采用循環燃燒。因為污泥顆粒小、粉塵量大，為了減輕尾部受熱面磨損及除塵器負擔，設計采用分離效果更高的蝸殼式高溫旋風除塵器，分離下來的高溫灰經冷卻后送入灰渣庫。經統計分析，高溫分離除塵灰量為整個灰渣量的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 綠威開發污泥焚燒爐結構

3.1.3 流化風系統

此前運行的圖2項目設計有三級空氣預熱器，布置在尾部煙道的末端，熱風溫度為200~220℃，末級空預器冷端容易容積積灰并逐漸加劇。本次設計時，將空預器分4組設計，高、低溫各兩組，將末級空預器設置于省煤器前，同時在流化風機前設置一組暖風器，以便提高空預器冷端壁溫，避免煙氣結露積灰。

為了提高絕熱燃燒溫度，本次鍋爐設計高溫空氣預熱器，空氣預熱器的空氣側設計有級間超越，使部分空氣超越多個殼程，流化風預熱溫度可以在200~540℃之間調節且得到精確的控制，有利于污泥熱值變化時床溫的穩定運行。

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較高，酸露點高，污泥獨立焚燒鍋爐尾部排煙溫度不宜太低，通常在160℃以上。本項目入爐污泥熱值為1100~1800kcal/kg，在污泥量一定的情況下，熱值越低排煙溫度越低?？紤]到高低負荷的變化以及污泥熱值的波動，根據之前工程實例中取得的經驗，本次設計時我們加大了尾部豎井煙氣側受熱面級間超越，使部分煙氣超越多個受熱面，調節范圍更大，保排煙溫度可以在170~200℃范圍內調解且得到精確的控制。

3.1.5 布風裝置

在圖1所示的方案中，燃燒裝置大都采用管式布風盤結構，床面面積大，砂床容量大，加上爐墻為重型爐墻結構，啟爐時床料需加熱的時間通常在8h以上，輔助燃料耗量較大。本次設計采用床下天然氣點火，為了保障啟爐升溫時膨脹、密封的可靠性，本項目采用水冷板式布風盤結構。布風板假想截面風速為1.03~1.62m/s，床溫下的沸騰速度為2.0~2.4m/s ，冷態啟爐至正常投運只需3h左右，節約不少的運行成本。

3.2 展望

圖1、圖2所示方案在污泥獨立焚燒領域已經取得成功，本次項目爐型選擇上綜合考慮了上述兩種爐型的利弊，通過對焚燒爐進行上述技術優化，運行性能有望得到更大的提升，完全能滿足用戶污泥獨立焚燒及國家相關標準的要求。同時，本次鍋爐設計沿用了綠威低氮燃燒技術，在沒有任何脫硝設施的情況下，折算后NOX排放濃度低于120mg/Nm3，CO排放濃度低于50mg/Nm3。

4 結語

對于污泥獨立焚燒（鍋）爐而言，應根據實際污泥特性非標定制。文中對污泥獨立焚燒爐運行中可能出現的問題進行了分析，并結合已取得的成功經驗采取了可行性優化措施，國產技術完全可以滿足城市污泥獨立焚燒的要求，希望能給同類型企業項目建設提供借鑒。