污泥焚燒用外循環流化爐和內循環流化爐的比較

張　磊，高　波（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津　300074）

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污泥焚燒用外循環流化爐和內循環流化爐的比較

張磊，高波
（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津300074）

【摘要】介紹了國內外污泥焚燒流化爐爐型和應用情況，對污泥焚燒的內循環流化爐和外循環流化爐的結構、技術參數進行了對比，同時在污泥的焚燒特性、投資成本、運行費用和操作穩定性方面對內循環流化爐和外循環流化爐焚燒污泥進行了綜合對比，得出污泥的焚燒爐型采用內循環流化爐比較合適。

【關鍵詞】污泥；流化爐；焚燒；外循環；內循環

1　污泥焚燒流化爐爐型和應用情況

當前，污泥焚燒的爐型主要是流化爐，利用流化爐焚燒污泥的原因是污泥的粒度較小，較易在懸浮態下焚燒，這種燃燒方式與回轉窯相比，其焚燒效率更高。

污泥焚燒流化爐的爐型和流派較多，從污泥的焚燒循環狀態主要分為內循環流化爐（BFB）和外循環流化爐（CFB）。

國內對流化爐技術進行多年的自主研發，并得到大量的應用，開發的單位有浙江大學、中科院物理研究所、東南大學、上海交通大學等，但隨著焚燒煤粉的外循環流化爐的迅猛發展，BFB逐漸消失了。

然而，BFB正成為國外焚燒生物質及其他廢物的首選。

國外BFB主要爐型有：荏原重工的回旋式流化爐（圖1），美國hankin公司的FBI焚燒流化爐（圖2），法國得利滿的污泥焚燒流化爐和日本TSK的回旋流化爐（圖3），國內深圳上陽和上海竹園均采用國外的BFB。近些年污泥焚燒的項目越來越多，而國內依然大多采用煤粉焚燒的CFB對污泥進行焚燒。

圖1　回旋式流化爐焚燒爐

圖2　美國Hankin環境公司焚燒污泥流化爐

圖3　TSK污泥流化爐焚燒爐

2　從流化爐結構和技術參數進行比較

2.1結構區別

BFB爐本體外未設置旋風分離器，因此燃料的停留時間較短，就少了分離器設備和返料風裝置，由于沒有循環物料，BFB設置了添加床料系統，維持BFB充足的床料，同時保證了流化爐對燃料較強的適應性。

圖4是典型的CFB，流化爐體外連接有旋風分離器，燃料從爐本體出口進入旋風分離器，然后經過旋風分離器收塵，收塵后的物料經過返料風重新進入流化爐本體進行焚燒，外循環系統維持了燃燒室內穩定的流化燃燒，同時保證了燃料較長的燃燒的停留時間，因此CFB結構上標志性的部件就是旋風分離器。

圖4　外循環流化爐

2.2技術參數

從表1的參數來看，最主要的區別是：①粒度。CFB為使得大量的燃料進行外循環，因此顆粒的粒徑控制得比BFB小，這使得CFB在適應物料的粒度方面較BFB要差一些，而一般污泥有結團效應，因此在剛入爐時，烘干后的污泥的粒徑分布較寬，但是經過高溫之后，污泥變成細顆粒。②流化風速。BFB的風速較CFB的風速低，這說明，BFB更能適應污泥這種焚燒后的小粒徑的物料。③熱負荷強度。CFB的斷面熱熔強度沿煙氣流向風向分布較均勻，但是BFB的熱容強度在主燃區非常大，在主燃區之外，熱容強度急劇下降，污泥較煤粉相比，水分含量較高，BFB的高熱容強度的主燃區就像一個大的蓄熱池能夠保證主燃區的溫度，適應污泥的焚燒。

表1　內循環流化爐和外循環流化爐技術參數對比

3　從污泥的焚燒特性來進行比較

CFB焚燒的對象主要是煤粉，因此可以將污泥和煤粉的焚燒特性進行對比，從焚燒的對象上來比較CFB和BFB的適應性的優劣。

3.1煤粉燃燒機理

煤粉的燃燒過程分為水分析出、揮發分燃燒、固定碳燃燒。其中水分析出會導致燃燒溫度降低；煤粉中揮發分主要是一些有機烴類、甲烷、乙烯、一氧化碳等，其燃燒較為迅速；最后是固定碳的燃燒，煤粉燃盡時間大部分取決于固定碳的燃盡時間。

3.2污泥與煤粉燃燒的區別

污泥與煤的區別：①水分含量高，②揮發分含量高，③固定碳含量低，④污泥易結團。

污泥的水分含量高，有可能導致爐溫下降，而流化爐的床料在主燃區形成一個大的蓄熱池，使得主燃區的溫度能夠穩定，但是污泥的水分也不能太大，否則很可能導致主燃區溫度急劇下降。

由于污泥的揮發分含量高，其燃燒溫度較煤粉低，著火溫度也低，因此床溫可以控制得比煤粉流化爐較低些。污泥的固定碳含量低，由于燃料的燃盡時間與固定碳的燃燒完全時間是有很大的關系，所以固定碳含量低，燃盡時間會大大降低，因此無需采用循環流化爐。

污泥和煤粉的燃燒特性見圖5～6。從燃盡溫度來看，污泥的燃盡溫度比煤粉低100℃。從放熱比較，該污泥的放熱主要是2階段的揮發分在放熱，而固定碳的燃燒貢獻很小。從熱分析曲線來看，污泥的放熱分為很明顯的2個階段，第1個是揮發分的燃燒，第2個是固定碳的燃燒，固定碳的燃燒放熱比揮發分的燃燒小。而煤粉這2個放熱階段是重疊連續的。

圖5　煤粉的熱重曲線

圖6　污泥的熱重曲線

綜上所述，污泥的燃燒放熱更為集中，煅燒更為迅速，而且起燃溫度更低，與煤粉相比，其900℃之后放熱量基本為零。可以說明污泥比煤粉燃燒所需的時間短，易著火，放熱量小而集中。因此從污泥的焚燒特性來看BFB更適應污泥的焚燒，這是因為BFB燃燒室熱容大，能將污泥進行快速焚燒，而且污泥的焚燒所需停留時間短，無需大量的外循環物料維持燃燒，另外污泥的放熱量小，BFB內的較大的蓄熱能力保證了床溫，因此對于污泥的焚燒來說，選擇BFB較為合適。

4　從設備的投資和運行成本進行比較

一般CFB的風速在6 m/s以上，為保證物料的停留時間，CFB燃燒爐本體的高度均在20 m以上。而BFB的流化風速為1～2 m/s，其燃燒爐高度約為8 m，同時BFB沒有旋風分離器和返料風裝置，因此其設備投資和土建鋼結構的費用比CFB低。

由于增加旋風分離器和返料風裝置，導致系統壓力偏大，風機電耗增加，使得外循環爐的運行成本較高。

因此，從設備投資和運行成本來看，焚燒污泥采用BFB更具有優勢。

5　從系統的穩定性進行比較

由于BFB沒有外循環物料，因此需要特別添加床料，通常為石英砂或者河砂，床料料層較厚，容易保持和穩定床溫，而CFB的床料很少，且大量的返料會導致床溫不穩定，增加操作上的難度。這也說明了BFB適應物料波動的優勢。

由于污泥一般含水率較高，而且污泥的含水率也會有一定波動，水分的含量對污泥的熱值影響很大，因此污泥較煤粉對焚燒爐爐床溫度的波動的影響更大，因此需要保證焚燒爐有較大的抗波動的能力，對比BFB也有很大的優勢。

6　綜合比較

綜合比較結果見表2。

表2　內循環流化爐和外循環流化爐技術綜合比較

7　結論

內循環流化爐更能適應污泥這種發熱量小，水分含量高，熱值波動大，起燃溫度低，燃燒所需停留時間少的物料，同時內循環流化爐更易于操作，便于穩定床溫，對污泥水分含量的變化適應能力強。另外內循環流化爐設備結構簡單，無需旋風分離器和返料風裝置，并且投資少，運行費用低，因此內循環流化爐用于污泥焚燒會成為主流趨勢。

參考文獻：

［1］ 王濤.污泥焚燒技術現狀、存在問題與發展趨勢［J］.西南給排水，2007，29（1）：7-9.

［2］ 池涌，李曉東.洗煤泥與污泥處置焚燒技術及工程實例［M］.北京：化學工業出版社，2006.

［3］ 孫昕.污泥.廢渣在循環流化床中摻煤焚燒研究［D］.南京：東南大學，2004.

［4］ 姬鵬.市政污泥流化床焚燒試驗研究［D］.上海：上海交通大學，2009.

［5］ 蔣旭光.污水污泥流化床焚燒研究及65 t/d焚燒爐設計［J］.熱力發電，2000（9）：21-22.

中圖分類號：X705；X703

文獻標識碼：B

文章編號：1005-8206（2016）02-0055-04

作者簡介：張磊（1984—），工程師，從事固體廢物處理處置工藝設計。E-mail:zhanglei14@cemi.com.cn。

收稿日期：2015-11-04

Comparison of Sludge Incineration with External Circulating Fluidized Furnace and Inner Circulating Fluidized Furnace

Zhang Lei，Gao Bo
（North China Municipal Engineering Design Research Institute Co.Ltd.，Tianjin300074）

【Abstract】The types of sludge incineration fluidized furnace and the applications in China and abroad were introduced. The structure and technical parametersof inner circulating fluidized furnace and external circulating fluidized furnace were compared.At the same time，the sludge incineration characteristics，investment costs，operating costs and operating stability of the inner circulating fluidized furnace and the external circulating fluidized furnace were compared.The resultsshowed that the inner circulating fluidized furnace wasmore appropriate to use for sludge incineration.

【Key words】sludge；fluidized furnace；incineration；external circulation；internal circulation