熔炼炉烧嘴(超详细7种污泥焚烧设备的选择与比较)

Posted 2023-06-02

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熔炼炉烧嘴(超详细7种污泥焚烧设备的选择与比较)

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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。

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。

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。

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。

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。

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。

3 回转窑式焚烧炉

回转窑式焚烧炉是采用回转窑作为燃烧室的回转运行的焚烧炉，用于处理固态、液态和气态可燃性废物，对组分复杂的废物，如沥青渣、有机蒸馏釜残渣、焦油渣、废溶剂、废橡胶、卤代芳烃、高聚物，特别是含PCB（印刷电路板）的废物等都很适用。美国大多数危险废物处置厂采用这种炉型。该炉型的优点是可处理废物的范围广，可以同时处理固体、液体和气体废物，操作稳定、焚烧安全，但管理复杂，维修费用高，一般耐火衬里每两年更换1次。回转窑采用卧式圆筒状，外壳一般用钢板卷制而成；内衬耐火材料（可以为砖结构，也可为高温耐火混凝土预制），窑体内壁是光滑的，也有布置内部构件结构的。窑体的一端以螺旋加料器或其他方式进行加料，另一端将燃尽的灰烬排出炉外。污泥在回转窑内可逆向与高温气流接触，也可与气流一个方向流动。逆向流动时高温气流可以预热进入的污泥，热量利用充分，传热效率高。排气中常携带污泥中挥发出来的有毒有害气体，因此必须进行二次焚烧处理。顺向流动的回转窑，一般在窑的后部设置燃烧器，进行二次焚烧。如果采用旋流式回转窑，那么顺向流动的回转窑不一定必须带二次燃烧室。

污泥回转窑焚烧炉见图7。炉衬为混凝土结构和砖，混凝土部分设置内部构件结构，回转窑所配置的燃烧室做成带滚轮的结构，可移动并且方便维修。

回转窑式焚烧炉的温度变化范围较大，为810℃－1650℃，温度控制由窑端头的燃烧器的燃料量加以调节，通常采用液体燃料或气体燃料，也可采用煤粉作为燃料或废油本身兼作燃料。

典型的回转窑焚烧炉炉膛/燃尽室系统如图8所示，污泥和辅助燃料由前段进入，在焚烧过程中，圆筒形炉膛旋转，使污泥和废物不停翻转，充分燃烧。该炉膛外层为金属圆筒，内层一般为耐火材料衬里。回转窑焚烧炉通常稍微倾斜放置，并配以后置燃烧器。一般炉膛的长径比为2－10，转速为1r/min－5r/min，安装倾角为1°－3°，操作温度上限为1650℃。回转窑的转动将废物与燃气混合，经过预燃和挥发将污泥化

为气态和残态，转化后气体通过后置燃烧器的高温（1100℃－1370℃）进行完全燃烧。气体在后置燃烧器中的平均停留时间为1.0s－3.0s，空气过剩系数为1.2－2.0。

回转窑焚烧炉的平均热容量约为63×106kJ/h。炉中焚烧温度（650℃－1260℃）的高低取决于两方面：一方面取决于废液的性质，对于含卤代有机物的废液，焚烧温度应在850℃以上，对于含氰化物的污泥，焚烧温度应高于900℃；另一方面取决于采用哪种除渣方式（湿式还是干式）。

回转窑焚烧炉内的焚烧温度由辅助燃料燃烧器控制。在回转窑炉膛内不能有效地去除焚烧产生的有害气体，如二恶英、呋喃等，为了保证烟气中有害物质的完全燃烧，通常设有燃尽室，当烟气在燃尽室内的停留时间大于2s、温度高于1100℃时，上述物质均能很好地消除。燃尽室出来的烟气到余热锅炉回收热量，用以产生蒸汽或发电。

4 炉排式焚烧炉

污泥送入炉排上进行焚烧的焚烧炉简称为炉排型焚烧炉。炉排焚烧炉因炉排结构不同，可分为阶梯往复式、链条式、栅动式、多段滚动式和扇形炉排。可使用在污泥焚烧中的通常为阶梯往复式炉排焚烧炉。阶梯往复式炉排焚烧炉的结构如图9所示。

一般该焚烧炉炉排由9—13块组成，固定和活动炉排交替放置。前几块为干燥预热炉排，后为燃烧炉排，最下部为出渣炉排。活动炉排的往复运动由液压缸或由机械方式推动。往复的频率根据生产能力可在较大范围内进行调节，操作控制相当方便。

用炉排炉焚烧污水污泥，固定段和可动段交互配置，油压装置使可动段前后往返运动，一边搅拌污泥层，一边运送污泥层。污泥燃烧的干燥带较长，燃烧带较短。含水率在50%以下的污泥可以高温自燃。上部设置余热锅炉，回收蒸汽可以用于污泥干燥等。脱水污泥饼（含水率为75%－80%）经过干燥成干燥污泥饼（含水率为40%－50%）进入焚烧炉排炉，最终形成焚烧灰。

5 电加热红外焚烧炉

电加热红外焚烧炉如图10所示，其本体为水平绝热炉膛，污泥输送带沿着炉膛长度方向布置，红外电加热元件布置在焚烧炉输送带的顶部，由焚烧炉尾端烟气预热的空气从焚烧炉排渣端送入，供燃烧用。电加热红外焚烧炉一般由一系列预制件组合而成，可以满足不同焚烧长度的要求。脱水污泥通过输送带一端送入焚烧炉内，入口端布置有滚动机构，使污泥以近12.5mm的厚度布满输送带。

在焚烧炉中，污泥先被干化，然后在红外加热段焚烧。焚烧灰排入到设在另一端的灰斗中，空气从灰斗上方经过焚烧灰层的预热后从后端进入焚烧炉，与污泥逆向而行。废气从污泥的进料端排出。电加热红外焚烧炉的空气过剩系数为20%－70%。

电加热红外焚烧炉的特点是投资小，适合于小型的污泥焚烧系统。缺点是运行耗电量大，能耗高，而且金属输送带的寿命短，每隔3—5年就要更换一次。

电加热红外焚烧炉排放废气的净化处理可采用文丘里洗涤器和/或吸收塔等湿式净化器进行。

6 熔融焚烧炉

很多炉型的运行温度低于污泥中灰分的熔点，灰渣中含有大量高浓度的污染环境的重金属，要处理处置这种污染物，费用很高，并且需要特殊的填埋地点。

污泥熔融处理的目的主要是控制污水污泥中含有的有害重金属排放。预先干燥的污泥在超过灰的熔点温度下进行焚烧（一般在1300℃－1500℃），形成比其他焚烧方式密度大2－3倍的融化灰，将污泥灰转化成玻璃体或水晶体物质，重金属以稳定的状态存在于SiO2等玻璃体或水晶体中，不会溶出（被过滤）而损害环境，炉渣可用作建筑材料。向污泥中加入石灰和硅石可降低熔融温度，使运行容易、炉膛损耗减少。

6.1 一般来说，污水污泥的熔融设备系统由以下四个过程组成：

6.1.1 干燥过程：将含有70%—80%水分的脱水污泥饼降至含水10%—20%的干燥污泥饼。

6.1.2 调整过程：根据各熔炉的适用方式，进行造粒、粉碎、热分解、炭化等。

6.1.3 燃烧、熔融过程：有机分燃烧，无机分首先变成灰，然后再熔融成为炉渣。

6.1.4 冷却、炉渣粒化过程：使用水冷得到粒状炉渣，空冷得到慢慢冷却的炉渣，然后将结晶炉渣渣粒化后实现资源化利用。

6.2 用于污泥处理的熔融炉有许多种，如表面熔融炉（膜熔融炉）、焦炭床式熔融炉、电弧式电熔融炉、旋流式熔融炉。

6.2.1 表面熔融炉（膜熔融炉）

表面熔融炉的构造有方形固定式和圆形回转式两种。熔融污泥时，有机成分首先热分解燃烧，焚烧灰在炉表面以膜状熔流滴下，形成粒状炉渣。如果污泥的发热量在14654kJ/kg（3500kcal/kg）以上，能够自然熔融。由于主燃烧室温度为1300℃—1500℃，炉膛出口的烟气温度为1100℃—1200℃，可以进行热量回收，用来加热燃烧用空气和在余热锅炉中产生用于干燥污泥的蒸汽。

6.2.2 旋流式熔融炉

将细粉化的干燥污泥旋转吹入圆筒形熔融炉内，污泥中的有机成分瞬时热分解、燃烧，这时形成1400℃左右的高温，污泥中的灰分开始熔融，在炉内壁上一边形成薄层一边流下，从炉渣口排出。

旋流式熔融炉有纵型（如图11所示）、倾斜型和水平型三种炉型，原理都相同，具有旋风炉的特性，但污泥送入熔融炉的前处理过程可能不同，有蒸汽干燥、流动干燥、流动热分解等。

6.2.3 焦炭床式熔融炉

如图12所示，填充焦炭为固定层，由风口吹入一次空气，床内形成1600℃左右的灼热层。这里，含水率为35%－40%的干燥粒状污泥和焦炭、石灰或碎石交互被投入。灰分和碱度调整剂一起在焦炭床内边熔融边移动，生成的炉渣在焦炭粒子间流下。炉膛出口烟气温度为900℃左右，在500℃左右加热空气，然后进一步进行热回收产生锅炉蒸汽，蒸汽被送入桨式污泥干燥机。焦炭的消耗量受投入污泥的含水率、发热量及投入量影响较大，填充的焦炭必须保证一定的量。炉内容易保持较高的温度，同样适用于发热量较低的污泥或熔点较高的污泥。对于发热量较高的污泥，不会节省焦炭，因此必须进行积极的热回收。

6.2.4 电弧式电熔融炉

这种方式需先将污泥干燥到含水率为20%左右。电炉的电弧热使干燥污泥饼中的有机物分解，变成可燃气体，无机物作为熔融炉渣被排出。用高压水喷射流下来的炉渣，使其粉碎后形成人工砂状物。粒状炉渣经沉降分离后由泵送到料斗中贮存。熔融炉中产生的热分解气体在脱臭炉中直接燃烧，干燥机排气在750℃左右脱臭，然后经过除尘装置以及排气洗涤塔处理后排放到大气中。这种方式由于使用电能，成本较高，使用剩余能量不如城市垃圾焚烧炉那样优点突出。

7 旋风焚烧炉

旋风焚烧炉是单个炉膛，炉膛可动，齿耙固定（如图13所示）。

空气被带进燃烧器的切线部位。焚烧炉是由耐火材料线性排列的圆顶圆柱形结构，以即时燃料补充的方式加热空气，形成了一个提供污泥和空气混合良好的强漩涡形式。空气和烟气在螺旋气流中顺着圆顶中心位置排出的烟气回旋垂直上升。污泥由螺旋给料机供给，在回转炉膛的外围沉积，并被耙向炉膛中心排出，正如飞灰一样。螺杆抽油泵用来供给污泥。焚烧炉内的温度为815℃—870℃。这些焚烧炉相对较小，在操作温度下，可在1h内启动。

旋风焚烧炉的一个改型如图14所示，这是一种卧式焚烧炉。飞灰通过烟气排出。污泥从炉壁沿切线方向由泵打进焚烧炉，空气被带进燃烧器的切线部位形成旋风效果。这种焚烧炉没有炉膛，只有炉壳和耐火材料。在这种炉中污泥的停留时间不超过10s。燃烧产物在815℃下从涡流中排出，确保完全燃烧。

旋风焚烧炉适用于污水日处理量小于9000t/d的污水处理厂的污泥的焚烧。这种处理方式相对便宜，机组结构简单。卧式焚烧炉可以作为一个完全独立的设备以单独安装，适用于现场焚烧污泥，运行时仅需配备进料系统和烟囱。