CN100336751C - 城市污泥流化床焚烧装置及方法 - Google Patents
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Abstract
城市污泥流化床焚烧装置及方法是一种城市污泥的减量化、无害化、资源化处置领域，涉及城市污泥的焚烧处置和余热回收方法。该焚烧装置由焚烧炉本体(2)、布风板(8)、风室(10)和尾部烟道(15)组成，焚烧炉本体(2)与尾部烟道(15)二者的顶部相连通；焚烧炉本体(2)的底部设有布风板(8)，布风板(8)的下部为风室(10)，在焚烧炉本体(2)的下部为密相焚烧区，上部为稀相焚烧区；经干燥后的干污泥由螺旋给料机加入焚烧炉，采用分级送风技术；布风板的冷却介质采用有机热载体。烟气由稀相区进入尾部烟道后依次流经尾部对流受热面和空气预热器，降温至200℃以下后引入尾气处理系统进行除尘、洗涤，最后经引风机和烟囱排入大气。
Description
技术领域
本发明涉及城市污泥的焚烧处置和余热回收方法，尤其是一种以有机热载体作为余热回收介质的城市污泥流化床焚烧装置及方法。属于城市污泥的减量化、无害化、资源化处置领域。
背景技术
城市污泥是指城市生活污水和工业污水在水处理过程中产生的固态、半固态废弃物，它主要由固体残渣和水构成。城市污泥一般含有大量的有机物、丰富的氮磷等营养物、重金属以及致病菌和病原菌等，且常常伴有恶臭气体，若不加处置而任意排放，会对环境造成严重的二次污染。随着全球经济的快速发展、人口的日益增加和城镇化程度的不断提高，城市污水的产生量不断增加。以中国为例，2004年我国工业污水和城市生活污水的排放量分别为221.1亿吨和261.3亿吨《国家环境保护总局编.2004年中国环境状况公报—淡水环境[OL].2005-06-02，http://www.zhb.gov.cn/eic/649368307484327936/20050602/8204_1.shtml.》。在污水净化处理过程中，将产生约占污水总处理量0.3％～0.5％(含水率以97％计)的污泥《蒋成爱，黄国锋，吴启堂.城市污水污泥处理利用研究进展[J].农业环境与发展，1999，16(1)：13-17.》，如何有效、合理地处置总量如此巨大的城市污泥已成为一个重要且迫切需要解决的环保问题。
污泥的处置方法目前主要有排海、填埋、农用、焚烧等。与前3种处置方法相比，焚烧处置具有减量化、无害化和资源化的显著优点。污泥焚烧后剩余灰的体积只有机械脱水污泥体积的10％；焚烧过程中所有的病菌、病原体均被彻底杀灭，有毒有害的有机物被彻底氧化分解，重金属的稳定性大大提高；干污泥的热值与贫煤相当，通过焚烧可有效回收其热量；污泥灰经适当的物理和化学方法处理后可作为建筑原材料、土地改良剂甚至吸附剂使用。目前，在发达国家，污泥的焚烧处置已得到了相当广泛的应用。丹麦24％，法国20％，比利时15％，德国14％，美国25％，日本55％的污泥都采用焚烧处置。由于污泥排海即将被禁止，而污泥填埋或农用也将受到更多的限制，在未来，污泥焚烧处置的比例将不断提高。
20世纪60年代前所建的污泥焚烧炉主要是多膛式焚烧炉，由于其环保性能不佳，多膛炉逐渐失去竞争力。立式多层炉、喷射式炉和回转式焚烧炉在焚烧污泥方面也有一定的应用。流化床焚烧炉于20世纪60年代开始出现于欧洲，由于其显著的优越性而获得了迅速的发展。与多膛式焚烧炉和回转式焚烧炉相比，流化床焚烧炉具有以下显著优点：①炉内气固混合强烈，温度场分布均匀，燃烧稳定，因此污泥焚烧彻底、二恶英排放量极低；②采用低温、分级燃烧技术，氮氧化物及重金属排放量低；③可实现低成本炉内脱硫；④能燃用各种劣质辅助燃料，燃烧效率高；⑤燃烧强度高，单位截面的污泥处理量大，结构紧凑，占地面积小；⑥炉内无机械传动装置，运行可靠。
迄今为止，国内外所开发的城市污泥专用焚烧炉一般均直接焚烧机械脱水污泥。机械脱水污泥的含水率较高(一般在80％左右)，因而其热值很低，无法单独稳定燃烧。因此，在工业应用装置中，通常采用污泥与煤或其它辅助燃料混烧的方式进行污泥的焚烧处置。焚烧1kg机械脱水污泥，通常需要约0.35kg的烟煤或其它等热量的辅助燃料，因此，在进行工业规模的城市污泥焚烧时需要消耗大量的煤或其它辅助燃料。污泥和煤等辅助燃料燃烧过程中产生的热量可以通过余热回收的方法进行利用，但当焚烧厂周围没有足够的热用户时，这种焚烧方式的可行性就存在很大的问题。
为克服直接焚烧机械脱水污泥焚烧炉的局限性，本发明提供了一种干污泥流化床焚烧装置及方法。机械脱水污泥干燥用热量主要由干污泥焚烧提供，不足部分通过煤或其它辅助燃料在流化床焚烧炉内的燃烧提供，此方法可减少约90％的辅助燃料用量。
污泥干燥技术在国内外均已实现商业化应用。干燥污泥的介质包括热烟气、高温水蒸汽和有机热载体(包括导热油和联苯混合物，下同)等。相比之下，有机热载体具有热容量大、体积流量小、运行压力低等显著优点。目前，国内外开发的有机热载体炉均为燃油炉或燃煤层燃炉。本发明提供了一种用流化床焚烧炉加热有机热载体的方法，以实现有机热载体污泥干燥技术。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种直接焚烧干化城市污泥并可同时燃用煤等辅助燃料，以有机热载体作为余热回收介质的城市污泥流化床焚烧装置及方法。
技术方案：本发明的城市污泥流化床焚烧装置由焚烧炉本体、布风板、风室和尾部烟道组成，焚烧炉本体与尾部烟道二者的顶部相连通；焚烧炉本体的底部设有布风板，布风板的下部为风室，在焚烧炉本体的下部为密相焚烧区，上部为稀相焚烧区；防爆门设在稀相焚烧区上部，二次风管设在稀相焚烧区下部，炉膛辐射受热面和石英砂添加装置设在稀相焚烧区中部；多组冷却水/湿污泥喷枪布置在密相焚烧区上部，螺旋给料机设在密相焚烧区中部，在风室的侧面设有一次风口；在尾部烟道中的上部为尾部对流受热面，下部为空气预热器，出口烟道与灰斗设在尾部烟道底部；辐射受热面和对流受热面中的吸热工质为有机热载体。
本发明的城市污泥流化床焚烧装置的焚烧方法采用平均粒径0.5mm～0.7mm的石英砂或河砂作惰性床料，干污泥或干污泥与辅助燃料的混合物由螺旋给料机加入焚烧炉本体，一次风经风室和布风板送入炉内，二次风经设在稀相区下部的二次风管切向喷入炉内，干污泥或干污泥与辅助燃料的混合物在焚烧炉本体的密相区和稀相区燃烧，通过冷却水/湿污泥喷枪向密相区内适量喷水或湿污泥，将密相区温度控制在820℃～870℃，燃烧过程中产生的炉渣经排渣机由炉底排出；燃烧产生的烟气流经稀相区时与辐射受热面进行辐射换热，降温至630℃～660℃后进入尾部烟道，依次流经尾部对流受热面和空气预热器并进行对流换热，降温至200℃以下后经出口烟道引入外部的尾气处理系统；未加热的有机热载体经有机热载体入口依次流经布风板、尾部对流受热面和稀相区辐射受热面，吸收污泥或辅助燃料焚烧过程中产生的热量，吸热后的有机热载体经有机热载体出口流出。
焚烧干污泥时，当污泥焚烧产生的热量不足于机械脱水污泥干燥所需时，向炉内加入煤等辅助燃料，补充干燥所需热量。为防止受热面磨损并兼顾焚烧城市污泥和燃煤，采用在密相区喷水或喷湿污泥的方法进行床温控制，多组冷却水/湿污泥喷枪均匀布置在密相区上部的同一水平面上。有机热载体为导热油或联苯混合物。
城市污泥和煤的灰熔点通常在1100℃以上，为防止床层结焦并获得最佳的炉内脱硫效率，流化床焚烧炉密相区的温度控制在850℃左右。通常，可采用在密相区布置受热面的方法实现床温控制。本发明据于以下两个原因，没用采用这种传统的床温控制手段。其一，在密相区，由于床料处于流化状态，床料对受热面的磨损比较严重，而有机热载体是一种高热值易燃液体，如因受热面磨损而发生有机热载体泄漏，将会导致焚烧炉严重烧损甚至引起更严重的后果。其二，城市污泥与煤等辅助燃料的特性相差较大，污泥的干燥无灰基挥发份含量通常在80％以上，而烟煤等一般不超过45％。因此，在焚烧城市污泥和燃煤这两种不同工况下，密相区释热量有很大差异，采用布置受热面的方法控制床温，很难兼顾这两种工况。为此，本发明采用了在密相区喷水或喷湿污泥的方法进行床温控制。多组冷却水/湿污泥喷枪均匀布置在密相区上部，冷却水或湿污泥经雾化后喷入炉内，喷入量可根据燃料种类和床温在较大范围内调节，精确控制床温。
本发明的焚烧方法采用分级送风技术：一次风通过密相区底部的布风板送入床内，在保证床料良好流化的同时为污泥或辅助燃料的燃烧提供足够的空气。为防止在焚烧炉点火和正常运行过程中烧坏布风板，本发明以有机热载体作为布风板的冷却介质。二次风布置在稀相区下部，切向喷入炉内，在稀相区形成旋涡气流，加强了稀相区的大尺度扰动，使得气体与气体及气体与固体间的混合十分充分，保证了挥发份和飞离密相区的残碳颗粒的充分燃烧，分级燃烧还可有效抑制NOx的生成和排放。同时，切向二次风形成的旋涡气流对稀相区的细颗粒有一定的分离作用，可在一定程度上减少烟气含尘量。稀相区的出口烟温控制在约650℃。焚烧产生的高温烟气从稀相区上部的出口经水平烟道进入尾部烟道，依次流经尾部对流受热面和空气预热器，降温至200℃以下后由出口烟道引入尾气处理系统进行除尘、洗涤，最后经引风机和烟囱排入大气。
流化床焚烧炉的有机热载体(导热油或联苯混合物)加热系统由布置在尾部烟道的对流受热面14和布置在稀相区上部的辐射受热面3组成。有机热载体经过滤器过滤后通过循环泵送至焚烧炉前，流经布风板后进入焚烧炉的尾部对流受热面14，升至一定温度后再进入稀相区上部的辐射受热面3，加热至额定温度后送回污泥干燥器干燥湿污泥，冷却后的有机热载体再送至焚烧炉循环使用。为保证有机热载体加热系统的安全运行，对辐射受热面3和尾部对流受热面14均采取了有效的防磨措施。
有益效果：本发明提供的城市污泥流化床焚烧装置及方法，可确保城市污泥的彻底焚烧，防止二次污染，实现废物的无害化和资源化，充分发挥流化床焚烧工艺的优越性；有效解决直接焚烧机械脱水污泥焚烧炉存在的辅助燃料消耗量大的缺陷，为城市污泥的焚烧处置提供了一种新的选择；提供了一种用流化床焚烧炉加热有机热载体(导热油或联苯混合物)的有效方法。本发明具有良好的社会效益、环境效益和经济效益，并具有很好的推广和应用前景。
附图说明
图1为城市污泥流化床焚烧炉示意图。
图中有：防爆门1、焚烧炉本体2、炉膛辐射受热面3、石英砂添加装置4、二次风管5、冷却水/湿污泥喷枪6、螺旋给料系统7、布风板8、一次风口9、风室10、灰斗11、空气预热器12、出口烟道13、尾部对流受热面14、尾部烟道15，有机热载体出口A、石英砂B、干污泥C、煤D、石灰石E、有机热载体入口F、一次风G、炉渣H、冷却水/湿污泥I、二次风J、灰K。
具体实施方式
城市污泥流化床焚烧装置由焚烧炉本体2、布风板8、风室10和尾部烟道15组成，焚烧炉本体2与尾部烟道15二者的顶部相连通；焚烧炉本体2的底部设有布风板8，布风板8的下部为风室10，在焚烧炉本体2的下部为密相焚烧区，上部为稀相焚烧区；防爆门1设在稀相焚烧区上部，二次风管5设在稀相焚烧区下部，炉膛辐射受热面3和石英砂添加装置4设在稀相焚烧区中部；多组冷却水/湿污泥喷枪6布置在密相焚烧区上部，螺旋给料机7设在密相焚烧区中部，在风室10的侧面设有一次风口9；在尾部烟道15中的上部为尾部对流受热面14，下部为空气预热器12，出口烟道13与灰斗11设在尾部烟道15底部；辐射受热面3和对流受热面14中设有作为吸热工质的有机热载体。
某种城市污水污泥，经机械脱水和干燥系统(采用导热油作为污泥干燥介质)干燥后的含水率为10％，粒度为0～3mm。将其与石灰石均匀混合后(钙硫摩尔比为2)由螺旋给料系统7加入城市污泥流化床焚烧炉的密相区。因机械脱水污泥的含水率较高，干污泥焚烧产生的热量不足于机械脱水污泥干燥所需，选用热值约为20MJ/kg的烟煤作为辅助燃料，并将其破碎为粒度0～6mm的细煤粒，与石灰石均匀混合后(钙硫摩尔比为2)由螺旋给料系统7加入炉内进行燃烧，补充污泥干燥所缺的热量，燃烧过程中产生的炉渣经排渣机由炉底排出。采用平均粒径0.6mm左右的石英砂作惰性床料，当床料不足时，可通过石英砂添加装置4向床内添加石英砂。流化床焚烧炉密相区和稀相区下部的运行温度控制在850℃左右。
采用在密相区喷水的方法进行床温控制。4组冷却水/湿污泥喷枪6均匀布置在密相区上部，冷却水经雾化后喷入炉内，喷入量根据床温进行调节，确保床温维持在850℃左右。
一次风经空气预热器12加热至150℃后，经一次风口9、风室10和布风板8由密相区底部送入床内，流化风速控制在3m/s左右。二次风经布置在稀相区下部的4个二次风口切向喷入炉内。稀相区的出口温度控制在650℃，炉顶保持不低于20Pa的负压。焚烧产生的高温烟气从稀相区上部的出口经水平烟道进入尾部烟道，依次流经尾部对流受热面14和空气预热器12，降温至200℃以下后由出口烟道引入尾气处理系统进行除尘、洗涤，最后经引风机和烟囱排入大气。
200℃的导热油经过滤器过滤后通过循环泵送至焚烧炉前，经过以导热油作为冷却介质的布风板8后进入焚烧炉的尾部对流受热面14，升至215℃后再进入稀相区上部的辐射受热面3，加热至235℃后送回污泥干燥器干燥湿污泥，冷却至200℃后的导热油再送至污泥焚烧装置循环使用。
Claims (5)
1、一种城市污泥流化床焚烧装置，其特征在于该焚烧装置由焚烧炉本体(2)、布风板(8)、风室(10)和尾部烟道(15)组成，焚烧炉本体(2)与尾部烟道(15)二者的顶部相连通；焚烧炉本体(2)的底部设有布风板(8)，布风板(8)的下部为风室(10)，在焚烧炉本体(2)的下部为密相焚烧区，上部为稀相焚烧区；防爆门(1)设在稀相焚烧区上部，二次风管(5)设在稀相焚烧区下部，炉膛辐射受热面(3)和石英砂添加装置(4)设在稀相焚烧区中部；多组冷却水/湿污泥喷枪(6)布置在密相焚烧区上部，螺旋给料机(7)设在密相焚烧区中部，在风室(10)的侧面设有一次风口(9)；在尾部烟道(15)中的上部为尾部对流受热面(14)，下部为空气预热器(12)，出口烟道(13)与灰斗(11)设在尾部烟道(15)底部；辐射受热面(3)和对流受热面(14)中的吸热工质为有机热载体。
2、一种如权利要求1所述的城市污泥流化床焚烧装置的焚烧方法，其特征在于该焚烧炉采用平均粒径0.5mm～0.7mm的石英砂或河砂作惰性床料，干污泥或干污泥与辅助燃料的混合物由螺旋给料机(7)加入焚烧炉本体(2)，一次风(G)经风室(10)和布风板(8)送入炉内，二次风(J)经设在稀相区下部的二次风管(5)切向喷入炉内，干污泥或干污泥与辅助燃料的混合物在焚烧炉本体(2)的密相区和稀相区燃烧，通过冷却水/湿污泥喷枪(6)向密相区内适量喷水或湿污泥，将密相区温度控制在820℃～870℃，燃烧过程中产生的炉渣经排渣机由炉底排出；燃烧产生的烟气流经稀相区时与辐射受热面(3)进行辐射换热，降温至630℃～660℃后进入尾部烟道，依次流经尾部对流受热面(14)和空气预热器(12)并进行对流换热，降温至200℃以下后经出口烟道(13)引入外部的尾气处理系统；未加热的有机热载体经有机热载体入口(F)依次流经布风板(8)、尾部对流受热面(14)和稀相区辐射受热面(3)，吸收污泥或辅助燃料焚烧过程中产生的热量，吸热后的有机热载体经有机热载体出口(A)流出。
3、根据权利要求2所述的城市污泥流化床焚烧装置的焚烧方法，其特征在于焚烧干污泥时，向炉内加入煤等辅助燃料，补充干燥所需热量。
4、根据权利要求2所述的城市污泥流化床焚烧装置的焚烧方法，其特征在于采用在密相区喷水或喷湿污泥的方法进行床温控制，多组冷却水/湿污泥喷枪(6)均匀布置在密相区上部的同一水平面上。
5、根据权利要求2所述的城市污泥流化床焚烧装置的焚烧方法，其特征在于有机热载体为导热油或联苯混合物。
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