桃浦污水處理廠污泥焚燒裝置的研究與改造

摘 要:本文主要介紹我們針對(duì)我國全套引進(jìn)歐州城市污水污泥焚燒裝置進(jìn)行充分的研究和改造。本項(xiàng)目的改造包括增加余熱鍋爐和污泥干化裝置、更換了焚燒爐耐火材料和布風(fēng)裝置、改變了焚燒爐的流化方式和改變了污泥輸送為密閉及自動(dòng)化的進(jìn)料方式等內(nèi)容。項(xiàng)目改造后解決了之前焚燒爐運(yùn)行不穩(wěn)定、污泥處理成本過高等若干問題。尤其是改造后近一年的成功運(yùn)行表明:本次改造全面的達(dá)到了工藝要求，非常適合我國污泥焚燒處理處置要求，不僅大大地降低了運(yùn)行成本，而且真正地做到了節(jié)能減排，可成為國內(nèi)污泥焚燒處理的典范，應(yīng)該得到大力推廣和發(fā)展。

關(guān)鍵詞:污泥 焚燒 流化 進(jìn)料

中圖分類號(hào):X7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)04(c)-0134-02

1 改造情況概述

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

為從根本上解決焚燒處理系統(tǒng)在運(yùn)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(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改造，并于2009年竣工進(jìn)入試運(yùn)行期。從運(yùn)行的數(shù)據(jù)和操作工況分析，對(duì)焚燒爐改造部分包括爐膛的改造、布風(fēng)板的更換及污泥進(jìn)料方式調(diào)整，系統(tǒng)不僅基本上達(dá)到了改造的預(yù)期目標(biāo)，有些指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)外業(yè)內(nèi)一流水平，尤其是系統(tǒng)調(diào)控手段更多，更容易快速調(diào)整工況，系統(tǒng)變得更加安全。

2 焚燒爐改造內(nèi)容

該鼓泡流化床由于是歐洲七八十年代的產(chǎn)品，流化床焚燒污泥的技術(shù)還在初期原始階段，如今隨著流化床技術(shù)發(fā)展，它越加顯得落伍和技術(shù)欠缺。通過我們重點(diǎn)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(nèi)外同類型鼓泡流化床技術(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)的不同之處，首先對(duì)布風(fēng)板進(jìn)行針對(duì)性的計(jì)算與設(shè)計(jì)，選用膜式壁結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了布風(fēng)板的抗壓強(qiáng)度，管內(nèi)通導(dǎo)熱油可以冷卻布風(fēng)板和風(fēng)帽;風(fēng)帽選用耐熱合金鑄鋼，設(shè)計(jì)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(chǎn)生二惡英;同時(shí)為了確保焚燒爐內(nèi)燃燒更加合理，故對(duì)耐火材料重新設(shè)計(jì)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(shí)，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(jī)從焚燒爐頂部進(jìn)入爐中。焚燒爐溫度基本無調(diào)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(jìn)料，未干化部分濕污泥仍從爐頂進(jìn)爐，可通過從干污泥、輔助燃煤和脫水污泥進(jìn)爐量來調(diào)節(jié)焚燒爐的各個(gè)工況，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)靈活，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

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

3 污泥進(jìn)焚燒爐含水率的確定

進(jìn)入焚燒爐焚燒的污泥一般來說可分為三種情況:(1)脫水污泥(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(dāng)焚燒爐直接焚燒脫水污泥時(shí)，由于脫水污泥中含水率較高，需大量的輔助燃料燃燒將脫水污泥中的水份蒸發(fā)，運(yùn)行成本過高，且焚燒后煙氣中含水過高，對(duì)煙氣處理相關(guān)設(shè)備的壽命有一定影響。

焚燒干化或半干化污泥相對(duì)節(jié)省燃料，因?yàn)榇祟愇勰酂o論是熱值還是物料特性均與煤有很多的相似，而且國內(nèi)對(duì)焚燒干化或半干化污泥的焚燒爐有非常成熟的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)。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。

3.1 干化后污泥適合輸送

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)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(jī)械輸送，污泥易粘結(jié)在輸送設(shè)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。

3.2 干化后污泥含水率低熱值高

目前污泥焚燒處理工藝技術(shù)，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(huì)產(chǎn)生燃燒空氣配比過高，會(huì)造成焚燒爐爐膛截面過大，設(shè)備投資增加。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)焚燒爐過量空氣系統(tǒng)為1.3。

3.3 盡可能的多回收污泥焚燒后產(chǎn)生的熱量

污泥焚燒工藝研究的重點(diǎn)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(yùn)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(diǎn):(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(yàn)特性。根據(jù)四點(diǎn)要求經(jīng)計(jì)算確定進(jìn)焚燒爐污泥含水率約為63%。在系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)爐焚燒，保證入爐兩部分污泥折合含水率為63%時(shí)進(jìn)爐，可避開污泥粘滯區(qū)，實(shí)現(xiàn)污泥輸送的連續(xù)性，保證系統(tǒng)運(yùn)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?nèi)霠t焚燒污泥的含水率為根本，通過對(duì)焚燒爐布風(fēng)板和爐膛的改造、增加余熱鍋爐和污泥干化裝置達(dá)到了焚燒處理污泥的目的。

4 布風(fēng)板改造

改造前的爐內(nèi)布風(fēng)板結(jié)構(gòu)為磚制，因長(zhǎng)期磨損和腐蝕已經(jīng)嚴(yán)重變形，特別是由耐火材料組合的布風(fēng)板與風(fēng)帽的結(jié)合處損壞更為嚴(yán)重，風(fēng)帽松動(dòng)，高低不平，嚴(yán)重影響布風(fēng)的均勻性;該布風(fēng)裝置抵抗不了流化風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)的壓力而經(jīng)常會(huì)造成耐火材料失穩(wěn)塌落現(xiàn)象，嚴(yán)重影響爐內(nèi)流化和焚燒，不能滿足流化焚燒工藝的要求。

改造后布風(fēng)板結(jié)構(gòu)，采用膜式鋼制油冷布風(fēng)板。水平膜式鋼制布風(fēng)板代替現(xiàn)有磚制布風(fēng)板;耐熱、耐磨合金鋼風(fēng)帽相同高度均勻布置在水平膜式鋼制布風(fēng)板上，在水平膜式鋼制布風(fēng)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(fēng)板中布置冷卻管道，采用通入導(dǎo)熱油進(jìn)行冷卻。風(fēng)帽高度相同均勻布置在布風(fēng)板上，確保布風(fēng)均勻，床料流化穩(wěn)定，爐膛與爐床溫度穩(wěn)定。

在試運(yùn)行期間對(duì)流化床作流化試驗(yàn)。

由圖1和圖2可以看出布風(fēng)板阻力曲線和布風(fēng)板料層阻力特性曲線是吻合。流化臨界風(fēng)量在1.15～1.25m3/s之間，即圖2中陰影部分。根據(jù)流化試驗(yàn)數(shù)據(jù)及流化試驗(yàn)中實(shí)際流化態(tài)的觀察，分析得出該焚燒爐流化床冷態(tài)時(shí)床料厚度應(yīng)在350～450mm之間。實(shí)際運(yùn)行時(shí)風(fēng)量應(yīng)保持在臨界風(fēng)量以上，才能保證流化床床料正常的流化態(tài)。通過對(duì)布風(fēng)板的改造，布風(fēng)均勻，流化態(tài)穩(wěn)定，與未改造前流化狀況有明顯改善，達(dá)到了系統(tǒng)穩(wěn)定焚燒的要求。

5 爐膛改造

原爐內(nèi)耐火磚磨損和變形嚴(yán)重，需拆除耐火材料全部更換。更換后要求煙氣在焚燒爐內(nèi)停留時(shí)間大于2s，爐子外壁溫度在空氣溫度為25℃時(shí)應(yīng)不高于60℃等條件。

焚燒爐的爐墻采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(qiáng)度輕質(zhì)保溫磚，內(nèi)層為高性能耐磨耐火澆注料，可適應(yīng)本焚燒爐的熱膨脹要求和焚燒爐內(nèi)的燃燒要求。

焚燒爐爐膛改造可利用公式進(jìn)行檢驗(yàn)焚燒煙氣在焚燒爐內(nèi)停留時(shí)間是否大于2s，煙氣停留時(shí)間計(jì)算公式如下:

其中:v為焚燒爐內(nèi)煙氣流速，m/s;

t為焚燒爐內(nèi)煙氣停留時(shí)間，s;

D為改造后焚燒爐內(nèi)煙氣流通直徑，取值為2.3m;

Vy為污泥焚燒后煙氣量，取值為5995.39Nm3;（標(biāo)準(zhǔn)條件下煙氣量）

θ為煙氣出口溫度，取值為875℃;

H為密相區(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(jì)算，煙氣停留時(shí)間為2.86s，滿足國家規(guī)范煙氣停留時(shí)間大于2s的要求。

6 焚燒物料入爐改造

改造前將脫水污泥和輔助燃煤人工混合后，由焚燒爐爐頂進(jìn)料。脫水污泥和煤混合不能保證均勻，混合熱值波動(dòng)較大，造成焚燒爐運(yùn)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(nèi)下落過程中未到達(dá)爐底便燃燼，所產(chǎn)生的熱量不能高效地達(dá)到維持爐內(nèi)較高的溫度，不具有良好的熱慣性，影響了整個(gè)系統(tǒng)的燃燒效率。

改造后將干化污泥和輔助燃煤由焚燒爐密相區(qū)進(jìn)入焚燒爐，該位置進(jìn)料在砂沸騰的作用下有助于干化污泥和煤與床料的混合，燃燒更充分，焚燒后密相區(qū)反應(yīng)物濃度和溫度分布均勻。

多點(diǎn)多方式投料對(duì)與焚燒爐工況控制有很大幫助，在焚燒爐爐膛溫度較低時(shí)，可調(diào)節(jié)干化污泥或煤的入爐量，來提高焚燒爐溫度，調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間快，效果明顯;當(dāng)焚燒爐爐膛溫度過高時(shí)，即可增加爐頂脫水污泥的入爐量，也可降低爐膛給煤量，來降低焚燒爐溫度。通常污泥焚燒處理系統(tǒng)均需在爐頂設(shè)置降溫噴水，本次改造保留爐頂進(jìn)料的功能，用脫水污泥代替降溫噴水，可達(dá)到調(diào)節(jié)爐溫的作用，對(duì)焚燒爐調(diào)節(jié)手段多樣化，調(diào)節(jié)更靈活。

7 改造結(jié)果

改造后焚燒系統(tǒng)的性能有了明顯提高，運(yùn)行情況良好，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shí)際處理濕污泥最多可達(dá)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(yùn)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(chǎn)泥45t，年運(yùn)行300天計(jì)，每年僅煤可節(jié)省2416.5t，燃煤?jiǎn)蝺r(jià)按600元/噸計(jì)，相當(dāng)于節(jié)約144.99萬元的運(yùn)行費(fèi)用。

8 結(jié)語

該焚燒爐改造是在國外技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造的，是一次國外技術(shù)與我國技術(shù)的融合，是引進(jìn)技術(shù)與我國實(shí)際情況相結(jié)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(yùn)行的問題，同時(shí)也證明將半干污泥焚燒處理是經(jīng)濟(jì)的、合理的，流化床焚燒爐適合半干污泥的焚燒，多點(diǎn)投料的方式對(duì)焚燒爐工況調(diào)節(jié)是有利的。因此：上海桃浦污水廠的污泥干化焚燒工程是經(jīng)濟(jì)合理的，能夠在我國大力推廣和運(yùn)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(jì)總體規(guī)劃要求。

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