各种焚烧炉在市政下水污泥焚烧中的应用
摘要：污水处理厂剩余活性污泥中含有99%以上的水分，其余的1%中含有机物（60%～70%）、营养物、病原体、重金属离子和毒性有机物，处置不当容易产生二次污染。文章介绍了各种污泥焚烧炉炉型，污泥焚烧设备主要有回转焚烧炉、立式多段焚烧炉、流化床式焚烧炉等。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。流化床污泥焚烧炉在国际上也得到了较好的应用。文章旨在为国内市政下水污泥焚烧工作提供参考。
关键词：下水污泥；焚烧炉；污泥焚烧；污泥处理；流化床焚烧炉
一、污泥焚烧技术的应用背景
电厂锅炉处置废弃物属于混烧范畴，实际使处置过程中产生的有害物质被煤产生的烟气稀释，混烧污泥这一低成本的污泥处置方案在欧美很少被采用。污泥焚烧设备主要有回转焚烧炉、立式多段焚烧炉、流化床式焚烧炉等。流化床污泥焚烧炉在国际上得到了较好的应用。在过去的20年中污泥的焚烧量大幅增加，据不完全统计，在需要焚烧的污泥中约65%以上的污泥是通过流化床焚烧炉实施焚烧处理的。
污水处理厂剩余活性污泥中含有99%以上的水分，其余的1%中含有机物（60%～70%）、营养物、病原体、重金属离子和毒性有机物，其中有机物成分复杂，易产生异臭。从数量和危害上分析，污泥处理处置重点在于水分、有机物、重金属，如处置不当容易产生二次污染。污泥中的大量水分是影响污泥处理经济性的重要因素，污泥含空隙水（70%）、毛细水（20%）、吸附水和内部水（10%），污泥浓缩、脱水是比较经济的减少水分的方法，但目前采用的机械挤压的脱水效果有限。
污泥完全烘干后便失去了所有水分，干态污泥除致密程度外与褐煤有许多相似之处，可充当低档燃料使用。烘干污泥需要消耗大量的能源，需要专门的锅炉产生0.8Mpa低压蒸汽，在蒸汽与污泥进行热交换时，蒸汽变成未饱和水，而污泥中的水分则被蒸发，被空气带离干燥装置进一步处理。国外比较常用的烘干机为桨叶式干燥机。
污泥焚烧是利用焚烧炉高温氧化污泥中的有机物，使污泥完全矿化为少量灰烬的处置方式。以焚烧技术为核心的污泥处理方法是最彻底的处理方法，是发达国家开始普遍采用的处理方法。
污泥焚烧主要可分为两大类：一类是将脱水污泥直接送焚烧炉焚烧，另一类是将脱水污泥干化后再焚烧。
污泥焚烧设备主要有回转焚烧炉、立式多段焚烧炉、流化床式焚烧炉等，早期国外常用立式多段炉，现阶段基本采用鼓泡床焚烧炉。
焚烧处理污泥的优点是占用场地小，处理快速、量大，减量明显，灰渣中的重金属不易浸出，也可用作建筑材料或铺路等。
目前国内的污泥焚烧处置方法均为一定程度的干化后，降低水分的含量，从而使热值有一定程度的提高，但仍不能达到自持燃烧的程度，通常掺入循环流化床电厂中，利用燃煤放出的热量一并焚烧，即混烧。
电厂锅炉处置废弃物属于混烧范畴，在国外有专门的法律予以管辖，而我国尚没有类似的立法，多沿用生活垃圾焚烧标准，这一引用很不科学。而欧美等发达国家为控制火电厂对环境的污染，均以热量单位来衡量有害物质的排放量。
以汞污染为例，目前我国用于火力发电的循环流化床汞捕集率为10%左右。由于燃煤热值远远高于污泥，而排放污染物浓度远远低于污泥，将少量比例的污泥加入煤中混烧，凭借燃煤产生大量烟气的稀释作用，如果单以烟气中的汞浓度来衡量，其排放是“达标”的。但如以欧洲的混烧排放减量规定计算，焚烧时的实际汞捕集率要达到98%以上，这一减量率几乎是不可能实现的，这就是电厂混烧污泥这一低成本的污泥处置方案在欧美很少被实际利用的原因。
这里可以看到在政策上的一个误区：一方面，我国由于燃煤占能源的极大比例，如果对燃煤做出减排规定，会导致能源成本上升，从而对经济发展不利，因此尽管燃煤的污染已形成较大威胁，对燃煤的使用只能采取宽容态度；另一方面，在鼓励废弃物热能利用的同时，却未对被焚烧的废物条件做出适当规定（如污染物浓度、热值、烟气含氧量等），导致热值贡献率极低甚至是负值的污泥也能在电厂锅炉上焚烧，同时污泥以数倍于燃煤的速率向大气中排放污染物，这一政策缺失，无论从经济上还是环境上都令人担忧。
二、各种污泥焚烧炉炉型
20世纪60年代以前，用作污泥焚烧的主要是多膛式焚烧炉，但由于辅助燃料成本上升和更加严格的气体排放标准，多膛炉逐渐失去竞争力，促使流化床焚烧炉成为较受欢迎的污泥焚烧装置。
流化床焚烧炉于20世纪60年代开始于欧洲，70年代出现于美国和日本。自1962年以来，已有125台流化床焚烧炉在美国安装，其中43台是1988年以后安装运行的。此外，回转式焚烧炉在焚烧工业污泥方面也有大量的工程应用。
（一）多膛式焚烧炉
该种焚烧炉由若干用耐火砖砌成的上下串联炉膛和圆柱形钢壳体组成，一般可含有4～14个炉膛，从炉子底部到顶部有一个可旋转的中心轴。每个炉膛上都有搅拌装置，可以耙动污泥，使之以螺旋型轨道通过炉膛。
脱水污泥从炉子顶部注入炉膛，在焚烧的同时向下流动，依次流过各个炉膛。炉内温度中间高两头低，顶部两层起污泥干燥作用，温度为480℃～680℃，可使污泥含水率降至40%以下；中部几层为污泥焚烧层，温度可达760℃～980℃，污泥在此与上升的高温气体和侧壁加入的辅助燃料一并燃烧；下部几层为缓慢冷却层，主要起冷却并预热空气的作用，温度为260℃～350℃，炉渣在此冷却后从底部排灰口排出，而热烟气流到炉子顶部后一部分回流到炉底，一部分经除尘净化后排空。有时，污泥可从顶部第二个炉膛注入，将顶部炉膛作为后燃室，以便燃尽烟气中剩余的碳氢化合物。
多膛式焚烧炉由于具有对各种不同含水率的污泥都有较好的适应性、燃烧效率高、燃烧温度易于控制等优点而一度得到了广泛的应用，但在长期的使用过程中发现其二次污染严重。
（二）炉排型焚烧炉
炉排型焚烧炉是使用最普遍的一种连续式焚烧炉，常在处理量较大的城市生活垃圾焚烧厂中使用。炉排型焚烧炉的特点是垃圾在大面积的炉排上分布，厚薄较均匀，空气沿排片上升，供氧均匀。炉排炉的关键技术是炉排，一般可采用往复式、滚筒式、振动式等型式。由于炉排型焚烧炉的空气是通过炉排的缝隙穿越与垃圾混合助燃，所以，小颗粒的渣土、塑料（粒径＜5mm）等废物会阻塞炉排的透气孔，影响燃料效果。针对污泥性状来看，污泥焚烧会阻塞炉排的透气孔，因此炉排炉不适于焚烧污泥。
（三）旋转窑式焚烧炉
旋转窑式焚烧炉也称为回转炉、回转窑等，主要用于处理有毒有害的医疗垃圾、化工废料、工业污泥等废物。
回转式焚烧炉的燃烧设备主要是一个缓慢旋转的回转窑，其内壁可采用耐火砖砌筑或用管式水冷壁，以保护外筒，回转窑直径一般为4～6m，长度约10～20m，由挡轮、托轮支撑，倾斜放置。
根据污泥含水量的高低，一般选择顺流式焚烧系统，被焚烧的固体流向与烟气流动方向相同，回转炉以每分钟几转左右的转速缓慢转动本体，利用内壁耐高温抄板将污泥由下部带到上部，然后靠污泥自重落下。污泥在筒内翻滚，可与空气充分接触，进行较完全的燃烧。污泥由滚筒一端送入，利用热烟气对其进行干燥，在达到着火温度后燃烧，一直到筒体出口排出灰渣。当污泥含水率过高时，可在筒体尾部增加一级炉排，来满足燃尽要求，滚筒中排出的烟气通过一垂直的燃尽室，烟气中的可燃成分可在此得到充分燃烧。燃尽室温度一般控制在1000℃～1200℃。回转式焚烧炉因其能自动地对物料连续翻动，对于低热值的污泥或生活垃圾的焚烧比较有效、彻底。但回转式焚烧炉设备投资和运行费用稍高。
（四）流化床焚烧炉（鼓泡流化床焚烧炉）
流化床焚烧技术是近40年来迅速发展起来的一种新型清洁高效焚烧技术。流化床污泥焚烧炉采用一定粒度范围的石英砂作为床料，空气经风帽或风管进入焚烧炉，促使炉内的砂床流化。污泥由给料装置输入焚烧炉后，立即被大量运动着的高温惰性物料冲散并与炽热的砂粒迅速混合，由于床料的蓄热量极大，污泥在流化床中迅速干燥、着火和燃烧，焚烧条件优于其它焚烧设备，能够取得较好的燃烧效率；为了避免污泥中的灰分熔化，一般须将焚烧炉的温度控制在850℃，这对于流化床焚烧炉是可以并容易做到的。
流化床床料材质组成的选用应考虑到不被高温融化，且不得含有氯化钠（钾）或硫酸钠（钾）等低熔点化合物，其粒径应尽可能均匀。一般常用的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。与其它焚烧方式相比，流化床焚烧技术具有以下显著优点：
1．废物适应性好，可焚烧低热值、高水分、在其他燃烧装置中难以稳定燃烧的废弃物。
2．焚烧效率高，市政污泥属高水分、低热值废料，对于这种废料的焚烧，流化床具有优势。
3．燃烧强度高，单位截面的废物处理量大，结构紧凑，占地面积小。
4．炉内无活动部件，运行故障少。
5．能够满足苛刻的环保要求。
因此，流化床污泥焚烧炉在国际上得到了较好的应用。在过去的20年中污泥的焚烧量大幅增加，据不完全统计，在需要焚烧的污泥中约65%以上的污泥是通过流化床焚烧炉实施焚烧处理的。
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