城市污泥流化床焚燒試驗(yàn)研究
1引言
城市污泥是城市生活污水和工業(yè)污水處理過程中產(chǎn)生的固體廢棄物。處理城市污泥的方法很多，但焚燒法已被越來越多發(fā)達(dá)國家所重視、使用，其優(yōu)點(diǎn)在于：城市污泥經(jīng)焚燒后減量化十分明顯，減容量大于90%，可節(jié)約大量的填埋用地；污泥燒余中有害成分的含量極低，灰渣可綜合利用，若對(duì)燒余進(jìn)行填埋處理也不影響填埋場(chǎng)周圍的環(huán)境；可以回收污泥焚燒產(chǎn)生的熱量，使資源得到充分利用。因此，研究城市污泥焚燒諸影響因素就顯得非常重要，本文研究了城市污泥在不同二次風(fēng)率、不同水分、不同流化速度及空氣系數(shù)時(shí)的燃燒。
2試驗(yàn)裝置、測(cè)量系統(tǒng)和試驗(yàn)方法
2.1試驗(yàn)裝置
污泥焚燒爐是城市污泥焚燒處理系統(tǒng)的核心設(shè)備，按結(jié)構(gòu)特性可分為立式多層爐、回轉(zhuǎn)窯爐、多膛爐、流化床爐和噴射式爐。流化床焚燒爐內(nèi)沒有運(yùn)動(dòng)部件，它具有強(qiáng)烈的湍流，均勻的溫度分布，能在相對(duì)較低的溫度和較少的過剩空氣下高效率燃燒，獲得較高的有害物質(zhì)去除率。
整個(gè)試驗(yàn)裝置由燃燒本體部分、啟動(dòng)燃燒室、風(fēng)機(jī)部分、加料系統(tǒng)、旋風(fēng)分離器等部分組成。
燃燒本體分風(fēng)室、沸騰段、過渡段和懸浮段4部分，總高度5.03m；沸騰段高1.16m，內(nèi)截面積230mm×230mm；過渡段高0.20m；懸浮段分為2級(jí)，總高度為3m，內(nèi)截面積460mm×395mm。風(fēng)機(jī)部分由引風(fēng)機(jī)和空氣壓縮機(jī)組成，由壓縮機(jī)送過來的一次風(fēng)經(jīng)預(yù)熱后被送往風(fēng)室，二次風(fēng)是由風(fēng)室下部引出，分為2個(gè)支路在懸浮段部分被送入爐膛。為了提高沸騰段的熱負(fù)荷，減少污泥在沸騰段的水分蒸發(fā)量，將加料器安裝在爐體頂部。城市污泥在下落過程中，在懸浮段會(huì)蒸發(fā)掉部分水分，從而減少在沸騰段蒸發(fā)的水分，以提高床層的溫度。城市污泥屬于纖維狀含有高水分的物料，容易受壓，由于試驗(yàn)臺(tái)上常用的螺旋加料器螺距和孔徑較小，且輸送部分較長，污泥極易受到擠壓而使加料器堵塞。為此，對(duì)加料器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了專門的研究改進(jìn)，從加料器加料口到污泥進(jìn)爐膛之間這一部分距離很短，空間較大，且加料器轉(zhuǎn)軸上只安裝4片葉片，并保證2葉片與加料器外殼之間組成的空間能大一點(diǎn)，以徹底解決污泥受到擠壓和堵塞。
流化床的啟動(dòng)是用啟動(dòng)燃燒室來完成的。用輕柴油點(diǎn)燃啟動(dòng)燃燒室產(chǎn)生高溫燃?xì)鈦砑訜岽擦鲜⑸埃笤儆命c(diǎn)火煤預(yù)熱流化床到一定溫度后，即可投入城市污泥進(jìn)行燃燒。
2.2測(cè)量系統(tǒng)
試驗(yàn)的測(cè)量參數(shù)主要包括溫度、壓力、風(fēng)量、煙氣成分和飛灰含碳量，溫度的測(cè)量主要是利用分布在試驗(yàn)臺(tái)上原有8個(gè)測(cè)點(diǎn)，它們主要在沸騰段、懸浮段上；風(fēng)量的測(cè)量除了用原來的玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量總風(fēng)量之外，還用微壓計(jì)和U型管等來測(cè)量二次風(fēng)量。
煙氣和飛灰采樣測(cè)量系統(tǒng)共有2個(gè)煙氣和飛灰取樣點(diǎn)，它們與布風(fēng)板的距離為1.56m和2.66m。此外，還有1個(gè)固體取樣點(diǎn)，在旋風(fēng)分離器后。試驗(yàn)時(shí)，使用德國羅斯蒙德公司BINOS100煙氣分析儀分析煙氣成分，它能在線分析CO、CO2、O2、NO、N2O、SO26種氣體的成份。在試驗(yàn)中，還使用奧氏分析儀來分析測(cè)量CO、CO2、O2成分，以進(jìn)行比較。
2.3試驗(yàn)方法
試驗(yàn)過程可以總結(jié)為3個(gè)步驟，即啟動(dòng)、預(yù)熱、燃燒3個(gè)階段。啟動(dòng)階段就是用輕柴油點(diǎn)燃啟動(dòng)燃燒室產(chǎn)生高溫燃?xì)猓么巳細(xì)忸A(yù)熱床層中的石英砂，以提高床溫。當(dāng)床溫達(dá)到450℃時(shí)，即可向床層中加入點(diǎn)火燃料，在床溫升到950℃左右，在此溫度燃燒I～個(gè)爐體得到充分的預(yù)熱。然后停止加煤，開始向爐內(nèi)加入城市污泥進(jìn)行燃燒試驗(yàn)。燃燒工況穩(wěn)定一段時(shí)間才能進(jìn)行測(cè)試，以避免受前一個(gè)工況的影響。
本文的試驗(yàn)工況主要有下列幾種：
（1）不同二次風(fēng)率下城市污泥的燃燒；
（2）不同水分下城市污泥的燃燒；
（3）不同流化速度下城市污泥的燃燒；
（4）不同過剩空氣系數(shù)下城市污泥的燃燒。
試驗(yàn)中所用的床料是20-40目和40-70目的石英砂混合物，總質(zhì)量約35kg，其中20-40目的石英砂占2/3。試驗(yàn)中所用的城市污泥含水率為40%，污泥焚燒特性如下：
低位發(fā)熱量：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爐內(nèi)的溫度分布及其影響因素
城市污泥的燃燒好壞可以直接從床內(nèi)溫度和懸浮空間溫度分布情況看出，假定這些空間的溫度分布具有良好的穩(wěn)定性，則可以肯定城市污泥焚燒穩(wěn)定。實(shí)際上在這種工況下，污泥在各段的燃燒份額大致保持在一個(gè)固定的數(shù)值，城市污泥在爐內(nèi)各部分的吸熱及放熱均維持在動(dòng)平衡之中，從而保持爐內(nèi)各段溫度的穩(wěn)定性。
3.1一、二次風(fēng)量的影響
試驗(yàn)中污泥的給料量不變，同時(shí)確保燃燒的總風(fēng)量不變。調(diào)整二次風(fēng)閥門的開啟度，改變二次風(fēng)率，由于總風(fēng)量恒定，二次風(fēng)率改變的同時(shí)，一次風(fēng)率隨之改變。由于二次風(fēng)量的漸漸增加，加強(qiáng)了懸浮空間的擾動(dòng)，使燃燒更強(qiáng)烈，提高了城市污泥的燃燼率。
二次風(fēng)對(duì)城市污泥的燃燒有較大的影響。這主要是由于污泥的揮發(fā)份較多，幾乎達(dá)到50%，除一部分在沸騰段燃燒外，還有相當(dāng)部分（近50%）在懸浮空間燃燒，而二次風(fēng)又是在懸浮段被送進(jìn)爐膛，與爐內(nèi)未燃燼的煙氣混合，發(fā)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，從而使得燃燒較為充分和完整，提高了懸浮空間的溫度。在不同二次風(fēng)率的工況下，沸騰段溫度變化不大，特別是下部床溫變化更小。按道理，二次風(fēng)量加大，一次風(fēng)量變小，流化速度降低，城市污泥在床內(nèi)停留時(shí)間延長，床內(nèi)污泥燃燒份額增加，床溫應(yīng)明顯上升。另一方面，流化速度降低，床內(nèi)擾動(dòng)程度降低，同時(shí)因一次風(fēng)量的減少，使得床內(nèi)的氧濃度也隨之下降，這些因素均不利于污泥的充分燃燒，兩者綜合發(fā)揮作用，相互抵消，導(dǎo)致了床層溫度變化不大這一結(jié)果。
3.2流化速度的影響
保持城市污泥給料量一定，一、二次風(fēng)量配比一定，調(diào)節(jié)總風(fēng)量，以得到不同流化速度。
流化速度增加，增大了床層內(nèi)細(xì)顆粒的夾帶量，降低了污泥在床層內(nèi)的停留時(shí)間，減少了床層內(nèi)城市污泥的燃燒份額，同時(shí)大量的一次風(fēng)進(jìn)入床層內(nèi)又吸收了較多的熱量，這就導(dǎo)致了床層內(nèi)的溫度下降。雖然流化速度增大有利于提高床層內(nèi)燃料與氧氣的混合和擾動(dòng)程度，有利于床溫的提高，但在流化速度增大到一定值后，升溫的影響已小于降溫的影響。因而，床層溫度總體呈下降趨勢(shì)。在流化速度增大時(shí)，從床層夾帶至旋風(fēng)空間的細(xì)小污泥顆粒增多，污泥熱解出的大量揮發(fā)份被氣流攜帶至懸浮空間燃燒，增加了懸浮空間的燃燒份額，提高了該段的熱容量，因而該段的溫度呈上升趨勢(shì)。
3.3污泥水分對(duì)爐內(nèi)溫度分布的影響
城市污泥水分不同，當(dāng)水分增加時(shí)，懸浮空間溫度不降反升，與床溫的變化相反。當(dāng)污泥投入爐膛后，大量的污泥水分在床層內(nèi)吸熱蒸發(fā)，導(dǎo)致床層溫度下降，但由于床層蓄熱量較大，溫度下降較慢。在懸浮空間，由于污泥揮發(fā)分較大，可燃基揮發(fā)分達(dá)80%，導(dǎo)致相當(dāng)部分揮發(fā)分在懸浮空間燃燒，使懸浮空間溫度上升，且揮發(fā)分燃燒速度較快，懸浮空間溫度因而能夠很快達(dá)到穩(wěn)定。
4城市污泥在流化床中的燃燒效率與燃燒份額
燃燒效率與燃燒份額是判定燃料燃燒狀況的綜合參數(shù)，特別是燃燒效率是判定燃料燃燒是否充分、完全的重要參數(shù)。城市污泥是一種工業(yè)廢料，利用焚燒處理是一種行之有效的方法，因此可用燃燒效率這個(gè)參數(shù)來判定處理城市污泥的效果如何。影響城市污泥燃燒效率的因素很多，下面著重從二次風(fēng)、過剩空氣系數(shù)、流化速度3個(gè)方面研究城市污泥的燃燒效率。
4.1二次風(fēng)率對(duì)燃燒效率的影響
試驗(yàn)時(shí)保持污泥給料量一定，總風(fēng)量一定，調(diào)節(jié)二次風(fēng)率，測(cè)試在二次風(fēng)率為0%、33%、49%情況下污泥的燃燒效率。
當(dāng)二次風(fēng)率增加，污泥的燃燒效率也相應(yīng)提高，從二次風(fēng)率R為0時(shí)的81.8%提高到R為49%時(shí)的94.8%。在二次風(fēng)率較低時(shí)，一次風(fēng)量大，流化速度高，床中的污泥顆粒揚(yáng)析現(xiàn)象較為嚴(yán)重，在床內(nèi)燃燒的停留時(shí)間短，大部分揮發(fā)分跑到懸浮空間燃燒，由于二次風(fēng)量減少，在懸浮空間的擾動(dòng)狀況較弱，不利于燃燼，燃燒效率較低。增大二次風(fēng)率后，流化速度降低，床層顆粒的停留時(shí)間長，同時(shí)床層內(nèi)氧氣濃度降低，更有利于污泥釋放出更多的揮發(fā)分；這些揮發(fā)分進(jìn)入懸浮空間后，由于受到二次風(fēng)強(qiáng)烈擾動(dòng)，因而能夠有效、充分、完全地燃燒，降低了不完全燃燒損失，效率得以提高。
4.2過剩空氣系數(shù)對(duì)燃燒效率的影響
試驗(yàn)時(shí)，保持污泥給料速度不變，一、二次風(fēng)量配比不變，調(diào)節(jié)總風(fēng)量，改變空氣過剩系數(shù)，測(cè)試城市污泥的燃燒效率。
隨著空氣過剩系數(shù)的增加，城市污泥流化狀態(tài)較好，爐內(nèi)氧氣濃度較高，傳熱和傳質(zhì)得到加強(qiáng)，在懸浮空間，由于二次風(fēng)的強(qiáng)烈擾動(dòng)，使懸浮空間的燃燒狀況進(jìn)一步得以改善，因而隨著空氣過剩系數(shù)的增加，城市污泥的燃燒效率也隨之提高。在過剩系數(shù)已經(jīng)很大的情況下，再進(jìn)一步增加空氣過剩系數(shù)，城市污泥的燃燒效率已無明顯提高。如空氣過剩系數(shù)太大，過量的空氣將吸收大量的熱量，降低爐膛的燃燒溫度，將對(duì)城市污泥的燃燒效率起負(fù)面影響，同時(shí)，過量空氣也將增加排煙熱損失，降低城市污泥的熱回收率。
4.3流化速度對(duì)城市污泥燃燒效率的影響
對(duì)流化床鍋爐而言，流化速度是一個(gè)非常重要的參數(shù)，其值取得是否合適，直接影響流化床鍋爐的運(yùn)行工況。若流化速度取得過小，則床料流化狀況惡化，燃燒工況也就不好；流化速度若取得過高，則會(huì)減少燃料在爐內(nèi)的停留時(shí)間，揚(yáng)析現(xiàn)象大大加劇，這些均不利于燃料的充分燃燒。
為了測(cè)試流化速度對(duì)城市污泥的燃燒效率的影響，在試驗(yàn)時(shí)，保持城市污泥的給料速度不變，適當(dāng)調(diào)節(jié)總風(fēng)量和一、二次風(fēng)量的配比，以改變流化速度。
當(dāng)流化速度較小時(shí)，隨著流化速度的增加，城市污泥的燃燒效率隨之提高；當(dāng)流化速度超過一定值后，再進(jìn)一步提高流化速度，城市污泥的燃燒效率不升反降。這現(xiàn)象與前面所述的道理是相符的，在低流化速度下，適當(dāng)提高流化速度，城市污泥的流化狀況得以改善，雖然同時(shí)城市污泥顆粒在床料內(nèi)停留時(shí)間減少，但總的效果是前者的影響大于后者的影響，因而城市污泥的燃燒效率得以提高。而在流化速度較大的情況下，若再進(jìn)一步提高流化速度，污泥的流化狀況并無多大改善，甚至大部分顆粒被吹走，其在流化床內(nèi)停留時(shí)間大為縮短，在這種狀況下城市污泥的燃燒效率必然下降。
4.4城市污泥在床層內(nèi)的燃燒份額
城市污泥不同于燃料煤，其可燃成分的絕大部分是揮發(fā)分，固定碳成分很少，揮發(fā)分約占可燃基的80%～90%，固定碳一般在20%以下，因而其在流化床內(nèi)不同區(qū)段的燃燒份額明顯不同于煤。
隨著流化速度的增加，污泥在床內(nèi)的燃燒份額漸漸減少。當(dāng)流化速度為1.27m/s時(shí)，污泥在床內(nèi)的燃燒份額是64.2%；當(dāng)流化速度增大到1.89m/s時(shí)，床內(nèi)污泥燃燒份額減少到47.8%。
隨著二次風(fēng)率增加或流化速度降低，污泥顆粒在床內(nèi)的停留時(shí)間延長，床內(nèi)夾帶出的污泥細(xì)小顆粒減少，床內(nèi)顆粒析出的揮發(fā)分在床內(nèi)的停留時(shí)間也延長，從而使城市污泥在床內(nèi)的燃燒份額增加。反之，二次風(fēng)率減少或流化速度變大，城市污泥在床內(nèi)的燃燒份額則會(huì)降低，這將造成床溫的下降，不利于污泥在床內(nèi)的燃燒。
5結(jié)論
城市污泥試驗(yàn)研究表明，在污泥水分小于50%時(shí)，污泥能夠穩(wěn)定地燃燒，床溫能穩(wěn)定保持在785℃以上；污泥水分大于50%時(shí)，因其含水量較大，有效熱值低，污泥無法維持穩(wěn)定燃燒。污泥燃燒時(shí)，二次風(fēng)率對(duì)爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定分布影響較大，合適的二次風(fēng)率（約40%），有助于提高懸浮段內(nèi)溫度，強(qiáng)化污泥在懸浮段內(nèi)的燃燒。流化速度也是影響污泥燃燒的一個(gè)重要參數(shù)，速度過高，會(huì)減少床內(nèi)污泥燃燒份額，降低床溫，不利于污泥的燃燒；速度過小，則會(huì)影響床內(nèi)污泥流化狀況，惡化床內(nèi)污泥燃燒。
試驗(yàn)研究表明，適當(dāng)增大空氣過剩系數(shù)，能夠使污泥燃燒更充分，有利于提高燃燒效率。另外，影響污泥燃燒的因素還有污泥粒度、加料方式等等，它們對(duì)污泥燃燒的影響并不是孤立的，而是綜合發(fā)揮作用。所以，要全面考慮這些參數(shù)的影響，使城市污泥流化床焚燒技術(shù)更有效。
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