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超详细!7种污泥焚烧设备的选择与比较!

北极星水处理网  来源:《中国化工装备》  作者:周玲1 廖传华2  2019/8/23 9:20:12  我要投稿  

北极星水处理网讯:摘 要:污泥是污水处理的副产物,含有大量的有害物质。污泥焚烧是将污泥中的有机物在高温条件下氧化分解为二氧化碳和水,同时回收热能,能实现污泥的无害化治理与资源化利用,是当前最主要的污泥热处理利用方法。本文对多膛式焚烧炉流化床焚烧炉、回转窑式焚烧炉、炉排式焚烧炉等多种污泥焚烧设备的结构、运行方式及主要优缺点进行介绍,以期为污泥焚烧设备的合理选型并拓展污泥焚烧处理技术的应用范围提供指导。

关键词:污泥 焚烧设备 结构 运行方式 优缺点

引言

城市污泥中含有大量的有机物和一定量的纤维素、木质素,具有一定的热值。焚烧法处理是在高温条件下,使污泥中的可燃组分与空气中的氧进行剧烈的化学反应,将其中的有机物转化为水、二氧化碳等无害物质,同时释放能量,产生固体残渣。如将热量加以回收利用,可达到废物综合利用的目的。同时焚烧处理还具有有机物去除率高(99%以上)、适应性广等特点,所以在发达国家已得到广泛应用。

在污泥焚烧设备中,流化床(FBC)和多膛焚烧炉(MIF)是应用最广泛的主要炉型,尽管其他炉型,如旋转炉窑、旋风炉和各种不同形式的熔炼炉也在使用,但所占份额不大。

1 多膛式焚烧炉

多膛式焚烧炉又称为立式多段焚烧炉,是一个垂直的圆柱形耐火衬里钢制设备,内部有许多水平的由耐火材料构成的炉膛,自上而上布置有一系列水平的绝热炉膛,一层一层叠加。一段多膛焚烧炉可含有4—14个炉膛,从炉子底部到顶部有一个可旋转的中心轴,如图1所示。

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多膛式焚烧炉的横截面如图2所示,各层炉膛都有同轴的旋转齿耙,一般上层和下层的炉膛设有四个齿耙,中间层炉膛设有两个齿耙。经过脱水的泥饼从顶部炉膛的外侧进入炉内,依靠齿耙翻动向中心运动并通过中心的孔进入下层,而进入下层的污泥向外侧运动并通过该层外侧的孔进入再下面的一层,如此反复,从而使得污泥呈螺旋形路线自上而下运动。铸铁轴内设套管,空气由轴心下端鼓入外套管,一方面使轴冷却,另一方面空气被预热,经过预热的部分或全部空气从上部回流至内套管进入到最底层炉膛,再作为燃烧空气向上与污泥逆向运动焚烧污泥。

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从污泥的整体焚烧过程来看,多膛炉可分为三个部分。顶部几层为干燥区,起污泥干燥作用,温度约为425℃—760℃,可使污泥含水率降至40%以下。中部几层为污泥焚烧区,温度为760℃—925℃。其中上部为挥发分气体及部分固态物燃烧区,下部为固定碳燃烧区。多膛炉最底部几层为缓慢冷却区,主要起冷却并预热空气的作用,温度为260℃—350℃。

该类设备以逆流方式运行,分为三个工作区,热效率很高。气体出口温度约为400℃,而上层的湿污泥仅为70℃或稍高。脱水污泥在上部可干燥至含水50%左右,然后在旋转中心轴带动的刮泥器的推动下落入到燃烧床上。燃烧床上的温度为760℃—870℃,污泥可完全着火燃烧。燃烧过程在最下层完成,并与冷空气接触降温,再排入冲水的熄灭水箱。燃烧气含尘量很低,可用单一的湿式洗涤器把尾气含尘量降到200mg/m³以下。进空气量不必太高,一般为理论量的150%-200%。

多膛炉的废气可通过文丘里洗涤器、吸收塔、湿式或干式旋风喷射洗涤器进行净化处理。当对排放废气中颗粒物和重金属的浓度限制严格时,可使用湿式静电除尘器对废气进行处理。

多膛焚烧炉具有以下特点:加热表面和换热表面大,炉身直径可达到7m,层数可从4层到14层;在连续运行中,燃料消耗少,而在启动的头1—2天内消耗燃料较多;在有色金属冶金工业中使用较多,历史也长,并积累了丰富的使用经验。多膛焚烧炉存在的问题主要是机械设备较多,需要较多的维修与保养;耗能相对较多,热效率较低,为减少燃烧排放的烟气污染,需要增设二次燃烧设备。

以前,污水污泥焚烧炉多使用立式多段炉,但由于污泥自身热值的提高使炉温上升并产生搅拌臂消耗,以及焚烧能力等原因,同时由于辅助燃料成本上升和更加严格的气体排放标准,多膛炉越来越失去竞争力,促使流化床焚烧炉成为较受欢迎的污泥焚烧装置。

2 流化床焚烧炉

流化床焚烧炉内衬耐火材料,下面由布风板构成燃烧室。燃烧室分为两个区域,即上部的稀相区(悬浮段)和下部的密相区。其工作原理是:流化床密相区床层中有大量的惰性床料(如煤灰或砂子等),其热容量很大,能够满足污泥水分的蒸发、挥发分的热解与燃烧所需大量热量的要求。由布风装置送到密相区的空气使床层处于良好的流化状态,床层内传热工况良好,床内温度均匀稳定,维持在800℃—900℃,有利于有机物的分解和燃尽。焚烧后产生的烟气夹带着少量固体颗粒及未燃尽的有机物进入流化床稀相区,由二次风送入的高速空气流在炉膛中心形成一旋转切圆,使扰动强烈,混合充分,未燃烬成分在此可继续进行燃烧。

按照流化风速及物料在炉膛内的运动状态,流化床焚烧炉可分为沸腾式流化床和循环流化环两大类,如图3所示。流化床焚烧炉的横断面如图4所示。高压空气(20kPa—30kPa)从炉底部耐火栅格中的鼓风口喷射而上,使耐火栅格上约0.75m厚的硅砂层与加入的污泥呈悬浮状态。干燥破碎的污泥从炉下端加入炉中,与灼热硅砂剧烈混合而焚烧,流化床的温度控制在725℃—950℃。污泥在循环流化床和沸腾流化床焚烧炉中的停留时间分别为数秒和数十秒。焚烧灰与气体一起从炉顶部排出,经旋风分离器进行气固分离后,热气体用于预热空气,热焚烧灰用于预热干燥污泥,以便回收热量。流化床中的硅砂也会随着气体流失一部分,每运行300h,应补充流化床中硅砂量的5%,以保证流化床中的硅砂有足够的量。污泥在流化床焚烧炉中的焚烧在两个区完成。第一个区为硅砂流化区,污泥中水分的蒸发和污泥中有机物的分解几乎同时发生在这一区中;第二区为硅砂层上部的自由空旷区,这一区相当于一个后燃室,污泥中的碳和可燃气体继续燃烧。

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流化床焚烧炉排放废气的净化处理可以采用文丘里洗涤器和/或吸收塔。

污泥流化床焚烧炉的焚烧温度一般为660℃—830℃(辅助燃料采用煤时,该温度区域可扩大为850℃),在该区域可有效消除污泥臭味。焚烧温度在730℃以上时,臭味的排放接近于零。此温度可由设在炉床处的辅助烧嘴及热风予以调节控制。

与多膛式焚烧炉相比,流化床焚烧炉具有以下优点:

2.1 焚烧效率高。流化床焚烧炉由于燃烧稳定,炉内温度场均匀,加之采用二次风增加炉内的扰动,炉内的气体与固体混合强烈,污泥的蒸发和燃烧在瞬间就可以完成。未完全燃烧的可燃成分在悬浮段内继续燃烧,使得燃烧非常充分。热容量大,停止运行后,每小时降温不到5℃,因此在2天内重新运行,可不必预热载体,可连续或间歇运行;操作可用自动仪表控制并实现自动化。

2.2 对各类污泥的适应性强。由于流化床层中有大量的高温惰性床料,床层的热容量大,能提供低热量、高水分污泥蒸发、热解和燃烧所需的大量热量,所以流化床焚烧炉适合焚烧各种污泥。

2.3 环保性能好。流化床焚烧炉将干燥与焚烧集成在一起,可除臭;采用低温燃烧和分级燃烧,所以焚烧过程中NOx的生成量很小,同时在床料中加入合适的添加剂可以消除和降低有害焚烧产物的排放,如在床料中加入石灰石可中和焚烧过程中产生的SOx、HCl,使之达到环保要求。

2.4 重金属排放量低。重金属属于有毒物质,升高焚烧温度将导致烟气中粉尘的重金属含量大大增加,这是因为重金属挥发后转移到粒径小于10μm的颗粒上,某些焚烧实例表明:铅、镉在粉尘中的含量随焚烧温度呈指数增加。由于流化床焚烧炉焚烧温度低于多膛式焚烧炉,因此重金属的排放量较少。

2.5 结构紧凑,占地面积小。由于流化床燃烧强度高,单位面积的废弃物处理能力大,炉内传热强烈,还可实现余热回收装置与焚烧炉一体化,所以整个系统结构紧凑,占地面积小。

2.6 事故率低,维修工作量小。由于流化床焚烧炉没有易损的活动零件,所以可减少事故率和维修工作量,进而提高焚烧装置运行的可靠性。流化床焚烧技术的优势还在于有非常大的燃烧接触面积、强烈的湍流强度和较长的停留时间。如对于平均粒径为0.13mm的床料,流化床全接触面积可达到1420㎡。

然而,在采用流化床焚烧炉处理含盐污泥时也存在一定的问题。当焚烧含有碱金属盐或碱土金属盐的污泥时,在床层内容易形成低熔点的共晶体(熔点在635℃—815℃之间),如果熔化盐在床内积累,则会导致结焦、结渣,甚至流化失败。如果这些熔融盐被烟气带出,就会黏附在炉壁上固化成细颗粒,不容易用洗涤器去除。解决这个问题的办法是:向床内添加合适的添加剂,它们能够将碱金属盐类包裹起来,形成像耐火材料一样的熔点在1065℃—1290℃之间的高熔点物质,从而解决了低熔点盐类的结构问题。添加剂不仅能控制碱金属盐类的结焦问题,而且还能有效控制废液或污泥中含磷物质的灰溶点。但对于具体情况,需进行深入研究

流化床焚烧炉运行的最高温度通常决定于:

(1)污泥组分的熔点;(2)共晶体的熔化温度;(3)加添加剂后的灰熔点。流化床污泥焚烧炉的运行温度通常为760℃—900℃

流化床焚烧炉可以两种方式操作,即鼓泡床和循环床,这取决于空气在床内空截面的速度。随着空气速度的提高,床层开始流化,并具有流体特性。进一步提高空气速度,床层膨胀,过剩的空气以气泡的形式通过床层,这种气泡将床料彻底混合,迅速建立烟气和颗粒的热平衡。以这种方式运行的焚烧炉称为鼓泡流化床焚烧炉,如图5所示。鼓泡流化床内空床截面烟气速度一般为1.0 m/s—3.0m/s。

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当空气速度更高时,颗粒被烟气带走,在旋风筒内分离后,回送至炉内进一步燃烧,实现物料的循环。以这种方式运行的称为循环流化床焚烧炉,如图6所示。其空床截面烟气速度一般为5.0 m/s—6.0m/s。

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循环流化床焚烧炉排放烟气中NOx的含量较低,其体积分数通常小于100×10-6。这是由于循环流化床焚烧炉可实现低温、分级燃烧,从而降低了NOx的排放

流化床焚烧炉的缺点是运行效果不及其他焚烧炉稳定;动力消耗较大;飞灰量很大,烟气处理要求高,采用湿式收尘的水要专门的沉淀池来处理。

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