城市污泥流化床焚烧试验研究
1引言
城市污泥是城市生活污水和工业污水处理过程中产生的固体废弃物。处理城市污泥的方法很多，但焚烧法已被越来越多发达国家所重视、使用，其优点在于：城市污泥经焚烧后减量化十分明显，减容量大于90%，可节约大量的填埋用地；污泥烧余中有害成分的含量极低，灰渣可综合利用，若对烧余进行填埋处理也不影响填埋场周围的环境；可以回收污泥焚烧产生的热量，使资源得到充分利用。因此，研究城市污泥焚烧诸影响因素就显得非常重要，本文研究了城市污泥在不同二次风率、不同水分、不同流化速度及空气系数时的燃烧。
2试验装置、测量系统和试验方法
2.1试验装置
污泥焚烧炉是城市污泥焚烧处理系统的核心设备，按结构特性可分为立式多层炉、回转窑炉、多膛炉、流化床炉和喷射式炉。流化床焚烧炉内没有运动部件，它具有强烈的湍流，均匀的温度分布，能在相对较低的温度和较少的过剩空气下高效率燃烧，获得较高的有害物质去除率。
整个试验装置由燃烧本体部分、启动燃烧室、风机部分、加料系统、旋风分离器等部分组成。
燃烧本体分风室、沸腾段、过渡段和悬浮段4部分，总高度5.03m；沸腾段高1.16m，内截面积230mm×230mm；过渡段高0.20m；悬浮段分为2级，总高度为3m，内截面积460mm×395mm。风机部分由引风机和空气压缩机组成，由压缩机送过来的一次风经预热后被送往风室，二次风是由风室下部引出，分为2个支路在悬浮段部分被送入炉膛。为了提高沸腾段的热负荷，减少污泥在沸腾段的水分蒸发量，将加料器安装在炉体顶部。城市污泥在下落过程中，在悬浮段会蒸发掉部分水分，从而减少在沸腾段蒸发的水分，以提高床层的温度。城市污泥属于纤维状含有高水分的物料，容易受压，由于试验台上常用的螺旋加料器螺距和孔径较小，且输送部分较长，污泥极易受到挤压而使加料器堵塞。为此，对加料器结构进行了专门的研究改进，从加料器加料口到污泥进炉膛之间这一部分距离很短，空间较大，且加料器转轴上只安装4片叶片，并保证2叶片与加料器外壳之间组成的空间能大一点，以彻底解决污泥受到挤压和堵塞。
流化床的启动是用启动燃烧室来完成的。用轻柴油点燃启动燃烧室产生高温燃气来加热床料石英砂，之后再用点火煤预热流化床到一定温度后，即可投入城市污泥进行燃烧。
2.2测量系统
试验的测量参数主要包括温度、压力、风量、烟气成分和飞灰含碳量，温度的测量主要是利用分布在试验台上原有8个测点，它们主要在沸腾段、悬浮段上；风量的测量除了用原来的玻璃转子流量计测量总风量之外，还用微压计和U型管等来测量二次风量。
烟气和飞灰采样测量系统共有2个烟气和飞灰取样点，它们与布风板的距离为1.56m和2.66m。此外，还有1个固体取样点，在旋风分离器后。试验时，使用德国罗斯蒙德公司BINOS100烟气分析仪分析烟气成分，它能在线分析CO、CO2、O2、NO、N2O、SO26种气体的成份。在试验中，还使用奥氏分析仪来分析测量CO、CO2、O2成分，以进行比较。
2.3试验方法
试验过程可以总结为3个步骤，即启动、预热、燃烧3个阶段。启动阶段就是用轻柴油点燃启动燃烧室产生高温燃气，用此燃气预热床层中的石英砂，以提高床温。当床温达到450℃时，即可向床层中加入点火燃料，在床温升到950℃左右，在此温度燃烧I～个炉体得到充分的预热。然后停止加煤，开始向炉内加入城市污泥进行燃烧试验。燃烧工况稳定一段时间才能进行测试，以避免受前一个工况的影响。
本文的试验工况主要有下列几种：
（1）不同二次风率下城市污泥的燃烧；
（2）不同水分下城市污泥的燃烧；
（3）不同流化速度下城市污泥的燃烧；
（4）不同过剩空气系数下城市污泥的燃烧。
试验中所用的床料是20-40目和40-70目的石英砂混合物，总质量约35kg，其中20-40目的石英砂占2/3。试验中所用的城市污泥含水率为40%，污泥焚烧特性如下：
低位发热量：14880kJ/kg（干基）；
干基灰分：34.37%；
干基可燃分：65.63%；
可燃基分析：C53.3%；
H6.8%；
O30.3%；
N6.0%；
S1.5%。
3炉内的温度分布及其影响因素
城市污泥的燃烧好坏可以直接从床内温度和悬浮空间温度分布情况看出，假定这些空间的温度分布具有良好的稳定性，则可以肯定城市污泥焚烧稳定。实际上在这种工况下，污泥在各段的燃烧份额大致保持在一个固定的数值，城市污泥在炉内各部分的吸热及放热均维持在动平衡之中，从而保持炉内各段温度的稳定性。
3.1一、二次风量的影响
试验中污泥的给料量不变，同时确保燃烧的总风量不变。调整二次风阀门的开启度，改变二次风率，由于总风量恒定，二次风率改变的同时，一次风率随之改变。由于二次风量的渐渐增加，加强了悬浮空间的扰动，使燃烧更强烈，提高了城市污泥的燃烬率。
二次风对城市污泥的燃烧有较大的影响。这主要是由于污泥的挥发份较多，几乎达到50%，除一部分在沸腾段燃烧外，还有相当部分（近50%）在悬浮空间燃烧，而二次风又是在悬浮段被送进炉膛，与炉内未燃烬的烟气混合，发生强烈扰动，从而使得燃烧较为充分和完整，提高了悬浮空间的温度。在不同二次风率的工况下，沸腾段温度变化不大，特别是下部床温变化更小。按道理，二次风量加大，一次风量变小，流化速度降低，城市污泥在床内停留时间延长，床内污泥燃烧份额增加，床温应明显上升。另一方面，流化速度降低，床内扰动程度降低，同时因一次风量的减少，使得床内的氧浓度也随之下降，这些因素均不利于污泥的充分燃烧，两者综合发挥作用，相互抵消，导致了床层温度变化不大这一结果。
3.2流化速度的影响
保持城市污泥给料量一定，一、二次风量配比一定，调节总风量，以得到不同流化速度。
流化速度增加，增大了床层内细颗粒的夹带量，降低了污泥在床层内的停留时间，减少了床层内城市污泥的燃烧份额，同时大量的一次风进入床层内又吸收了较多的热量，这就导致了床层内的温度下降。虽然流化速度增大有利于提高床层内燃料与氧气的混合和扰动程度，有利于床温的提高，但在流化速度增大到一定值后，升温的影响已小于降温的影响。因而，床层温度总体呈下降趋势。在流化速度增大时，从床层夹带至旋风空间的细小污泥颗粒增多，污泥热解出的大量挥发份被气流携带至悬浮空间燃烧，增加了悬浮空间的燃烧份额，提高了该段的热容量，因而该段的温度呈上升趋势。
3.3污泥水分对炉内温度分布的影响
城市污泥水分不同，当水分增加时，悬浮空间温度不降反升，与床温的变化相反。当污泥投入炉膛后，大量的污泥水分在床层内吸热蒸发，导致床层温度下降，但由于床层蓄热量较大，温度下降较慢。在悬浮空间，由于污泥挥发分较大，可燃基挥发分达80%，导致相当部分挥发分在悬浮空间燃烧，使悬浮空间温度上升，且挥发分燃烧速度较快，悬浮空间温度因而能够很快达到稳定。
4城市污泥在流化床中的燃烧效率与燃烧份额
燃烧效率与燃烧份额是判定燃料燃烧状况的综合参数，特别是燃烧效率是判定燃料燃烧是否充分、完全的重要参数。城市污泥是一种工业废料，利用焚烧处理是一种行之有效的方法，因此可用燃烧效率这个参数来判定处理城市污泥的效果如何。影响城市污泥燃烧效率的因素很多，下面着重从二次风、过剩空气系数、流化速度3个方面研究城市污泥的燃烧效率。
4.1二次风率对燃烧效率的影响
试验时保持污泥给料量一定，总风量一定，调节二次风率，测试在二次风率为0%、33%、49%情况下污泥的燃烧效率。
当二次风率增加，污泥的燃烧效率也相应提高，从二次风率R为0时的81.8%提高到R为49%时的94.8%。在二次风率较低时，一次风量大，流化速度高，床中的污泥颗粒扬析现象较为严重，在床内燃烧的停留时间短，大部分挥发分跑到悬浮空间燃烧，由于二次风量减少，在悬浮空间的扰动状况较弱，不利于燃烬，燃烧效率较低。增大二次风率后，流化速度降低，床层颗粒的停留时间长，同时床层内氧气浓度降低，更有利于污泥释放出更多的挥发分；这些挥发分进入悬浮空间后，由于受到二次风强烈扰动，因而能够有效、充分、完全地燃烧，降低了不完全燃烧损失，效率得以提高。
4.2过剩空气系数对燃烧效率的影响
试验时，保持污泥给料速度不变，一、二次风量配比不变，调节总风量，改变空气过剩系数，测试城市污泥的燃烧效率。
随着空气过剩系数的增加，城市污泥流化状态较好，炉内氧气浓度较高，传热和传质得到加强，在悬浮空间，由于二次风的强烈扰动，使悬浮空间的燃烧状况进一步得以改善，因而随着空气过剩系数的增加，城市污泥的燃烧效率也随之提高。在过剩系数已经很大的情况下，再进一步增加空气过剩系数，城市污泥的燃烧效率已无明显提高。如空气过剩系数太大，过量的空气将吸收大量的热量，降低炉膛的燃烧温度，将对城市污泥的燃烧效率起负面影响，同时，过量空气也将增加排烟热损失，降低城市污泥的热回收率。
4.3流化速度对城市污泥燃烧效率的影响
对流化床锅炉而言，流化速度是一个非常重要的参数，其值取得是否合适，直接影响流化床锅炉的运行工况。若流化速度取得过小，则床料流化状况恶化，燃烧工况也就不好；流化速度若取得过高，则会减少燃料在炉内的停留时间，扬析现象大大加剧，这些均不利于燃料的充分燃烧。
为了测试流化速度对城市污泥的燃烧效率的影响，在试验时，保持城市污泥的给料速度不变，适当调节总风量和一、二次风量的配比，以改变流化速度。
当流化速度较小时，随着流化速度的增加，城市污泥的燃烧效率随之提高；当流化速度超过一定值后，再进一步提高流化速度，城市污泥的燃烧效率不升反降。这现象与前面所述的道理是相符的，在低流化速度下，适当提高流化速度，城市污泥的流化状况得以改善，虽然同时城市污泥颗粒在床料内停留时间减少，但总的效果是前者的影响大于后者的影响，因而城市污泥的燃烧效率得以提高。而在流化速度较大的情况下，若再进一步提高流化速度，污泥的流化状况并无多大改善，甚至大部分颗粒被吹走，其在流化床内停留时间大为缩短，在这种状况下城市污泥的燃烧效率必然下降。
4.4城市污泥在床层内的燃烧份额
城市污泥不同于燃料煤，其可燃成分的绝大部分是挥发分，固定碳成分很少，挥发分约占可燃基的80%～90%，固定碳一般在20%以下，因而其在流化床内不同区段的燃烧份额明显不同于煤。
随着流化速度的增加，污泥在床内的燃烧份额渐渐减少。当流化速度为1.27m/s时，污泥在床内的燃烧份额是64.2%；当流化速度增大到1.89m/s时，床内污泥燃烧份额减少到47.8%。
随着二次风率增加或流化速度降低，污泥颗粒在床内的停留时间延长，床内夹带出的污泥细小颗粒减少，床内颗粒析出的挥发分在床内的停留时间也延长，从而使城市污泥在床内的燃烧份额增加。反之，二次风率减少或流化速度变大，城市污泥在床内的燃烧份额则会降低，这将造成床温的下降，不利于污泥在床内的燃烧。
5结论
城市污泥试验研究表明，在污泥水分小于50%时，污泥能够稳定地燃烧，床温能稳定保持在785℃以上；污泥水分大于50%时，因其含水量较大，有效热值低，污泥无法维持稳定燃烧。污泥燃烧时，二次风率对炉内温度的稳定分布影响较大，合适的二次风率（约40%），有助于提高悬浮段内温度，强化污泥在悬浮段内的燃烧。流化速度也是影响污泥燃烧的一个重要参数，速度过高，会减少床内污泥燃烧份额，降低床温，不利于污泥的燃烧；速度过小，则会影响床内污泥流化状况，恶化床内污泥燃烧。
试验研究表明，适当增大空气过剩系数，能够使污泥燃烧更充分，有利于提高燃烧效率。另外，影响污泥燃烧的因素还有污泥粒度、加料方式等等，它们对污泥燃烧的影响并不是孤立的，而是综合发挥作用。所以，要全面考虑这些参数的影响，使城市污泥流化床焚烧技术更有效。
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