桃浦污水處理廠污泥焚燒裝置的研究與改造

摘 要:介紹了針對引進歐洲城市污水污泥焚燒裝置進行的研究和改造，包括增加余熱鍋爐和污泥干化裝置、更換焚燒爐耐火材料和布風裝置、改變焚燒爐的流化方式和污泥輸送為密閉及自動化的進料方式等內容。項目改造后解決了之前焚燒爐運行不穩(wěn)定、污泥處理成本過高等問題。尤其是改造后近一年的成功運行表明:本次改造全面的達到了工藝要求，適合我國污泥焚燒處理處置要求，降低了運行成本，節(jié)能減排。

關鍵詞:污泥 焚燒 流化 進料

中圖分類號:X1 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2011)03(c)-0136-02

1 改造情況概述

1999年上海桃浦污水處理廠引進芬蘭Tampella Power公司污泥焚燒爐及煙氣處理技術和全套設備，于2001年底建設完工。該系統(tǒng)中焚燒設計處理能力為焚燒含水率約80%濕污泥45噸/天，燃料采用重油或柴油，試運行期間發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不僅實際處理能力小與設計能力不相符，而且運行過程中頻繁出現(xiàn)故障，不能連續(xù)和正常運行，運行成本高的驚人。

為從根本上解決焚燒處理系統(tǒng)在運行上存在的問題，上海桃浦污水處理廠和上海金州環(huán)境工程有限公司合作，于2008年對該系統(tǒng)進行改造，并于2009年竣工進入試運行期。從運行的數(shù)據(jù)和操作工況分析，對焚燒爐改造部分包括爐膛的改造、布風板的更換及污泥進料方式調整，系統(tǒng)不僅基本上達到了改造的預期目標，有些指標達到國內外業(yè)內一流水平，尤其是系統(tǒng)調控手段更多，更容易快速調整工況，系統(tǒng)變得更加安全。

2 焚燒爐改造內容

該鼓泡流化床由于是歐洲七八十年代的產品，流化床焚燒污泥的技術還在初期原始階段，如今隨著流化床技術發(fā)展，它越加顯得落伍和技術欠缺。通過我們重點分析得出了該老式的鼓泡流化床存在著先天性不足并了解到國內外同類型鼓泡流化床技術和設計參數(shù)的不同之處，首先對布風板進行針對性的計算與設計，選用膜式壁結構，加強了布風板的抗壓強度，管內通導熱油可以冷卻布風板和風帽；風帽選用耐熱合金鑄鋼，設計小孔出口速度大，適宜濕污泥的焚燒，保證了流化均勻穩(wěn)定可靠。

為了防止燃燒不完全和產生二惡英；同時為了確保焚燒爐內燃燒更加合理，故對耐火材料重新設計和施工，增加了耐火材料厚度，使鼓泡流化床焚燒爐有良好的絕熱性能，確保爐體外壁溫度小于等于50℃的要求。

同時，原系統(tǒng)中煤與脫水污泥采用原始的方式由人工攪拌后通過皮帶輸送機從焚燒爐頂部進入爐中。焚燒爐溫度基本無調節(jié)手段，另外脫水污泥與煤的混合效果差，焚燒爐焚燒不夠穩(wěn)定，不同程度地干擾正常燃燒和煙氣凈化。改造后將部分脫水污泥干化后與輔助燃煤分別由密相區(qū)進料，未干化部分濕污泥仍從爐頂進爐，可通過從干污泥、輔助燃煤和脫水污泥進爐量來調節(jié)焚燒爐的各個工況，實現(xiàn)調節(jié)靈活，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

為降低運行成本和利用余熱，在系統(tǒng)中增設尾部高溫導熱油余熱鍋爐及將污泥焚燒產生的能量回收再用于污泥干化，改變并實現(xiàn)入爐污泥的含水率。僅這一措施的落實可將初期噸污泥處理消耗成本大大下降，改造后達到噸污泥處理成本是改造前的一半。

3 污泥進焚燒爐含水率的確定

進入焚燒爐焚燒的污泥一般來說可分為三種情況:(1)一般污泥(含水率約為80%)；(2)半干化污泥(含水率40%～55%)；(3)干化污泥(含水率為10％～30%)。

當焚燒爐直接焚燒脫水污泥時，由于一般污泥中含水率較高，需大量的輔助燃料燃燒將一般污泥中的水分蒸發(fā)，運行成本過高，且焚燒后煙氣中含水過高，對煙氣處理相關設備的壽命有一定影響。

焚燒干化或半干化污泥相對節(jié)省燃料，因為此類污泥無論是熱值還是物料特性均與煤有很多的相似，而且國內對焚燒干化或半干化污泥的焚燒爐有非常成熟的設計制造經(jīng)驗。所以用干化或本干化污泥選擇流化床焚燒爐是非常合適的。

系統(tǒng)焚燒污泥的含水率根據(jù)以下因素確定:

1)干化后污泥適合輸送

根據(jù)經(jīng)驗污泥在含水率40%～55%為粘滯區(qū)，在該含水率區(qū)間的污泥輸送困難，不能采用管道輸送，輸送阻力大，若要強制輸送，需在輸送污泥管道中注入藥劑，減小輸送阻力；若采用機械輸送，污泥易粘結在輸送設備上，出現(xiàn)堵料現(xiàn)象。所以污泥干化必須避開粘滯區(qū)，才能保證干化后污泥輸送的連續(xù)性。

2)干化后污泥含水率低熱值高

目前污泥焚燒處理工藝技術，國家規(guī)范要求焚燒爐出口煙氣溫度高于850℃。若干化后污泥含水率太低及熱值過高，就會產生燃燒空氣配比過高，會造成焚燒爐爐膛截面過大，設備投資增加。根據(jù)經(jīng)驗焚燒爐過量空氣系統(tǒng)為1.3。

3)盡可能的多回收污泥焚燒后產生的熱量

污泥焚燒工藝研究的重點是如何回收利用熱量，將污泥焚燒后煙氣熱量充分用于污泥干化，減少輔助燃料的添加量，降低運行成本。

根據(jù)以上情況，焚燒爐焚燒污泥含水率的確定因素歸納為四點:(1)焚燒爐出口煙氣溫度大于850℃；(2)焚燒爐過量空氣系數(shù)為1.3；(3)充分利用污泥焚燒熱量；(4)上海桃浦污水廠污泥檢驗特性。根據(jù)四點要求經(jīng)計算確定進焚燒爐污泥含水率約為63%。在系統(tǒng)運行中，我們將部分脫水污泥干化至30%，另一部分脫水污泥直接進爐焚燒，保證入爐兩部分污泥折合含水率為63%時進爐，可避開污泥粘滯區(qū)，實現(xiàn)污泥輸送的連續(xù)性，保證系統(tǒng)運行的連續(xù)有效，添加的輔助燃料最少。

本次改造就是以改變入爐焚燒污泥的含水率為根本，通過對焚燒爐布風板和爐膛的改造、增加余熱鍋爐和污泥干化裝置達到了焚燒處理污泥的目的。

4 布風板改造

圖1為改造前布風板結構，原爐內布風板為磚制，因長期磨損和腐蝕已經(jīng)嚴重變形，特別是由耐火材料組合的布風板與風帽的結合處損壞更為嚴重，風帽松動，高低不平，嚴重影響布風的均勻性；該布風裝置抵抗不了流化風機和增壓風機的壓力而經(jīng)常會造成耐火材料失穩(wěn)塌落現(xiàn)象，嚴重影響爐內流化和焚燒，不能滿足流化焚燒工藝的要求。

圖2為改造后布風板結構，采用膜式鋼制油冷布風板。水平膜式鋼制布風板代替現(xiàn)有磚制布風板；耐熱、耐磨合金鋼風帽相同高度均勻布置在水平膜式鋼制布風板上，在水平膜式鋼制布風板的上面和下面都澆注耐高溫和耐磨澆注料；在膜式鋼制布風板中布置冷卻管道，采用通入導熱油進行冷卻。風帽高度相同均勻布置在布風板上，確保布風均勻，床料流化穩(wěn)定，爐膛與爐床溫度穩(wěn)定。

在試運行期間對流化床作流化試驗。

由圖3和圖4可以看出布風板阻力曲線和布風板料層阻力特性曲線是吻合。流化臨界風量在1.15～1.25m3/s之間，即圖4中陰影部分。根據(jù)流化試驗數(shù)據(jù)及流化試驗中實際流化態(tài)的觀察，分析得出該焚燒爐流化床冷態(tài)時床料厚度應在350～450mm之間。實際運行時風量應保持在臨界風量以上，才能保證流化床床料正常的流化態(tài)。通過對布風板的改造，布風均勻，流化態(tài)穩(wěn)定，與未改造前流化狀況有明顯改善，達到了系統(tǒng)穩(wěn)定焚燒的要求。

5 爐膛改造

原爐內耐火磚磨損和變形嚴重，需拆除耐火材料全部更換。更換后要求煙氣在焚燒爐內停留時間大于2秒，爐子外壁溫度在空氣溫度為25℃時小于等于60℃等條件。

焚燒爐的爐墻采用三層結構設計，外層為硅酸鋁板，緊貼焚燒爐的金屬壁覆蓋，中間層為耐火高強度輕質保溫磚，內層為高性能耐磨耐火澆注料，可適應本焚燒爐的熱膨脹要求和焚燒爐內的燃燒要求。

焚燒爐爐膛改造可利用公式進行檢驗焚燒煙氣在焚燒爐內停留時間是否大于2秒，煙氣停留時間計算公式如下:

其中:v:焚燒爐內煙氣流速，m/s；

t:焚燒爐內煙氣停留時間，s；

D:改造后焚燒爐內煙氣流通直徑，取值為2.3m；

Vy:污泥焚燒后煙氣量，取值為5995.39Nm3；

θ:煙氣出口溫度，取值為875℃；

H:密相區(qū)至煙氣出口有效高度，取值為4.5m。

將上述參數(shù)代入公式得:

經(jīng)計算，煙氣停留時間為2.86s，滿足國家規(guī)范煙氣停留時間大于2秒的要求。

6 焚燒物料入爐改造

改造前將一般污泥和輔助燃煤人工混合后，由焚燒爐爐頂進料。一般污泥和煤混合不能保證均勻，混合熱值波動較大，造成焚燒爐運行工況不穩(wěn)定，且在燃燒過程中，其中大部分小顆粒的煤在爐內下落過程中未到達爐底便燃燼，所產生的熱量不能高效地達到維持爐內較高的溫度，不具有良好的熱慣性，影響了整個系統(tǒng)的燃燒效率。

7 改造結果

改造后焚燒系統(tǒng)的性能有了明顯提高，運行情況良好，各監(jiān)測點數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，焚燒爐處理污泥能力也得到大幅提升，每天實際處理濕污泥最多可達到50t。由于系統(tǒng)性能的提高以及焚燒余熱的利用，使污泥焚燒的運行成本大幅度降低，由原來處理每噸濕污泥需消耗煤333kg，降至154kg左右。按每天上海桃浦污水廠每天產泥45t，年運行300天計，每年僅煤可節(jié)省2416.5t，燃煤單價按600元/噸計，相當于節(jié)約144.99萬元的運行費用。

8 結語

該焚燒爐改造是在國外技術基礎上進行改造的，是一次國外技術與我國技術的融合，是引進技術與我國實際情況相結合的成功范例。此次改造成功解決了流化床焚燒爐不能持續(xù)穩(wěn)定運行的問題，同時也證明將半干污泥焚燒處理是經(jīng)濟的、合理的，流化床焚燒爐適合半干污泥的焚燒，多點投料的方式對焚燒爐工況調節(jié)是有利的。上海桃浦污水廠的污泥干化焚燒工程是經(jīng)濟合理的，能夠在我國大力推廣和運用，能夠成為我國污泥焚燒處理的典范，符合國家節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟總體規(guī)劃要求。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文