高效節(jié)能型燃煤（燃油）立式旋風爐在工業(yè)污泥焚燒新工藝生產(chǎn)線的設(shè)計與運用

呂宜德，呂　元

（武漢奧杰科技股份有限公司，湖北武漢430223）

高效節(jié)能型燃煤（燃油）立式旋風爐在工業(yè)污泥焚燒新工藝生產(chǎn)線的設(shè)計與運用

呂宜德，呂元

（武漢奧杰科技股份有限公司，湖北武漢430223）

本工藝生產(chǎn)線中應(yīng)用了高效改進型燃煤（燃油）的立式旋風爐，液態(tài)出渣指標非常理想，真正意義上達到了工業(yè)污泥（含危險物品與有毒污泥）減量化與無害化的目的。同時在生產(chǎn)線中，引進了美國的物料沸騰式干燥技術(shù)，徹底淘汰了傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)式干燥機，減少了投資與占地面積，保證了污泥干燥質(zhì)量。在余熱發(fā)電鍋爐與環(huán)保系統(tǒng)之中，對粉塵、硫化物、氮化物、二噁英和重金屬污染物、以及工業(yè)污泥液態(tài)渣資源化方面也作了設(shè)計說明。

高效改進型燃煤旋風爐；工業(yè)污泥；沸騰式干燥系統(tǒng)；余熱鍋爐發(fā)電（供熱）；環(huán)境保護；工業(yè)污泥資源化

在我國巨量的工業(yè)體系之中，有些工廠自行消化了部分污泥，絕大部分工廠都像處理城市垃圾一樣采用填埋方式、堆肥方式、焚燒方式，但有些不道德的中小企業(yè)采取偷排至山川、河流、湖泊或海洋之中，也有些企業(yè)的污泥傾倒于攔壩式建成的水塘之中，任其發(fā)展。這些現(xiàn)象造成我國植被的長期破壞以及土壤的重金屬嚴重污染。不光占據(jù)了大面積的土地和良田，且所造成的損失不是三五年就能恢復(fù)起來的，已直接影響了人類的身體健康。這種破壞程度遠比空氣污染更嚴重。

在國際上先進發(fā)達的國家如日本、德國、美國、新加坡，這些國家的工業(yè)污泥幾乎都是采取了焚燒、液態(tài)出渣技術(shù)。特別是新加坡，100%都是采用這種焚燒技術(shù)，消滅這些污染物［4］。

在建設(shè)美麗中國城鎮(zhèn)化的進程之中，工業(yè)污泥的焚燒技術(shù)作為一個新興產(chǎn)業(yè)的興起，必將為我國的環(huán)保事業(yè)做出應(yīng)有的貢獻。

1　新工藝流程圖

工業(yè)污泥余熱流化干燥燃煤旋風爐液態(tài)出渣處理新工藝流程見圖1［1］。

2　工藝流程

本工藝總體設(shè)計為本公司的國家發(fā)明專利技術(shù)。為了造福國家民生與環(huán)保事業(yè)，本公司愿意拋磚引玉，做一個環(huán)保事業(yè)的宣傳鼓動者，供大家參考?，F(xiàn)將工藝流程中的核心技術(shù)分述如下。

圖1　工業(yè)污泥余熱流化干燥燃煤旋風爐液態(tài)出渣處理工藝生產(chǎn)線流程圖

2.1工業(yè)污泥配料系統(tǒng)

在日產(chǎn)1 000 t，小時產(chǎn)量42 t的生產(chǎn)線中，經(jīng)脫水機脫水后，含水50%左右工業(yè)污泥濕料中，必須按比例配人干助燃劑（煤粉）與干粉堿劑（如：CaO、MgO），由混料機均混后人庫。并由成球機與計量皮帶稱進人物料熱風流化沸騰床，進行干燥處理。

2.2污泥流化沸騰干燥系統(tǒng)

由發(fā)電供熱鍋爐出口的600～700℃的尾煙氣流，高速噴人流化沸騰床底部的高壓熱風均化室。通過布風板與部分壓縮蒸氣匯人管式高速風帽，形成一種防堵型風帽。在床下形成可操作的熱風氣流沸騰層，由下料系統(tǒng)，在二次風作用下，均勻分散于整個床面。形成物料不停地上下翻滾的沸騰面。在熱風的作用下，與濕污泥不斷地進行熱交換。在操作過程中形成部分污泥沸騰燃燒。將工業(yè)污泥中人床水份由60%下降至20%以下，最好為10%左右。只有這種流化床才能達到物料大面積的熱交換。而其它的干燥技術(shù)，如回轉(zhuǎn)式滾筒烘干機是根本達不到如此效果。筆者在內(nèi)蒙某工地干燥精洗煤粉采用本裝置對含濕量達40%以上精洗煤粉，干燥到終水份6%以下，并達到300 t/h以上。相比采用回轉(zhuǎn)干燥機，其造價、占地面積、用電等方面投資大大減少。產(chǎn)量與質(zhì)量由床體下料溢流口處的下料閥門控制。本床上部所產(chǎn)生的水蒸氣與廢氣、粉塵等氣流，由高溫旋風分離器進行氣、粉分離后，煙氣出口由引風機帶人文氏管脫硫型多級水霧除塵器急冷并進人脫硫脫硝除塵系統(tǒng)。旋風分離器分離出的粉塵與流化床溢流口的干污泥一并進人污泥輸運系統(tǒng)，進人燃煤旋風爐，組織焚燒處理。

2.3高效節(jié)能型燃煤旋風爐焚燒與液態(tài)渣處理系統(tǒng)

自我國20世紀80年代引進蘇俄與德國技術(shù)以來，燃煤（燃油）旋風爐技術(shù)在我國各行業(yè)，如電站鍋爐行業(yè)、化工冶煉行業(yè)有很大發(fā)展，已建成一定數(shù)量的旋風爐并運行良好。有些企業(yè)如武昌電廠附燒鈣鎂磷肥取得了可喜的成績，得到國家有關(guān)部門的充分認可［2］。

立式（臥式）燃煤（燃油）旋風爐在世界各發(fā)達國家特別是日本、新加坡等國家對處理工業(yè)污泥應(yīng)用極為廣泛，幾乎是處理工業(yè)污泥唯一選擇的爐型。傳統(tǒng)的立式燃煤（燃油）旋風爐與混合燃燒室配套組成為一體并充分利用爐內(nèi)旋風燃燒的工作原理，在連續(xù)生產(chǎn)中的助燃固體或液體燃料在爐內(nèi)停留時間比任何爐型都長，爐內(nèi)溫度高達1 800～2 000℃。由于空氣系數(shù)控制在0.95～1.05，在爐內(nèi)形成還原的燃燒正壓氣氛。一切有害、有毒物包括各種金屬氧化物、氯化物、二惡英類（PCDDS和PCDFS）以及有機大分子化合物、重金屬（Pb、Hg、Gd、Cr等）都將在此高溫環(huán)境之中得到徹底分解為單質(zhì)物質(zhì)。特別是將大部分重金屬以合金形態(tài)固化在液態(tài)渣中，經(jīng)水淬后變?yōu)橛杏玫臒o毒無害的建材原料，真正做到工業(yè)污泥的減量化、無害化與資源化。同時，與一般同規(guī)格的液態(tài)出渣的煤粉爐比較、占地面積小、爐型緊湊，其投資要小很多。爐型大小，現(xiàn)已形成不同系列的爐型，均能滿足各地工業(yè)污泥焚燒處理的要求。但為什么這樣的爐型沒有普遍推廣？筆者認為有如下幾個原因：①該技術(shù)難度很高；②NOx排放濃度比其它爐型高，環(huán)保不能過關(guān)；③當時的自動化操作水平低等。

科技不斷進步的今天，這些問題都已得到了很好解決。與傳統(tǒng)的旋風爐相關(guān)結(jié)構(gòu)相比也進行了不少創(chuàng)新與完善。

高效節(jié)能型新式燃煤（燃油）旋風爐改進后特點：

（1）特點一：新式旋風爐出口端設(shè)置余熱發(fā)電供熱鍋爐

混合燃燒室現(xiàn)改為余熱發(fā)電供熱鍋爐。由于旋風爐爐內(nèi)是還原正壓燃燒氣氛，其出口有大量的化學不完全燃燒的可燃氣體（CO、CH4、H2）。這些可燃氣體進人發(fā)電鍋爐內(nèi)與鍋爐尾部的空預(yù)器換熱鼓人的新鮮空氣混合，產(chǎn)生放熱反應(yīng)并進行劇烈的燃燒。燃燒氣氛由旋風爐的還原氣氛轉(zhuǎn)為氧化燃燒氣氛。為了控制NOx還將引風機出口的部分廢氣引人鍋爐內(nèi)組織燃燒，按比例噴人氨水組成第二級SNCR低NOx循環(huán)煙氣燃燒系統(tǒng)，來達到第二級脫除NOx目的。余熱鍋爐尾部可按常規(guī)發(fā)電鍋爐配置，由過熱器、省煤器與空氣預(yù)熱器組成?？諝忸A(yù)熱器出口煙氣溫度還有近700℃的高溫，進人工業(yè)污泥的流化沸騰干燥爐底的熱風均化室。

發(fā)電鍋爐產(chǎn)生蒸汽進人汽輪機發(fā)電系統(tǒng)，并人當?shù)仉娋W(wǎng)，或產(chǎn)生熱水并人當?shù)氐墓嵯到y(tǒng)。

（2）特點二：將切向進風改為割向進風

在我國所用的燃煤旋風爐，絕大部分只采用一層切向進風。生產(chǎn)實踐得知，由于三次風旋轉(zhuǎn)力度根本不夠，頭兩圈以后的旋轉(zhuǎn)風損減程度很大，達不到實際要求。其最明顯的是耐火材料表面渣膜不易形成，對耐火材料抗磨性、抗溫性影響很大。由于經(jīng)常維修，增加了運行成本。其二，由于三次風采用雙向進風，即便是熱風，但對于旋風爐都仍然是冷風，在三次風的前端爐壁上，極易結(jié)焦，需要經(jīng)常性人工或機械清焦，且由于爐內(nèi)正壓又會造成不安全因素。改為割向進風且將割向部分改為直線后，其結(jié)焦現(xiàn)象很少發(fā)生（見圖2、圖3）。爐內(nèi)壁渣膜很快形成，保護了爐內(nèi)的耐火材料，減少了因人工或機械清焦的運行成本［9］。

改為二層割向同向進風、進料孔后，一則增加了煤、風、料在爐內(nèi)停留時間，提高可燃物的燃盡率。由于爐內(nèi)正壓還原燃燒氣氛、極大地減少了NOx的產(chǎn)生。形成第一級脫硝工藝，克服了因環(huán)保不過關(guān)的難題。也滿足了工業(yè)爐燃燒的黃金三原則，即時間（time）、燃燒溫度（temperature）、擾動（turbulence）三“T”原則［4］。

（3）特點三：旋風爐出渣系統(tǒng)

旋風爐液態(tài)出渣溶池內(nèi)含有大量的重金屬。根據(jù)液態(tài)渣不同的比重，在溶池內(nèi)部的不同結(jié)構(gòu)，將重金屬進行直接分離［5］，分別流人水淬池內(nèi)，再進行磁選，分別回收。從而解決了傳統(tǒng)旋風爐因析“鐵”現(xiàn)象，造成爐底耐火材料破壞，增加維修成本的問題。

因此，對影響工業(yè)污泥的順利液態(tài)出渣系統(tǒng)的設(shè)計，同時還需考慮如下兩大因素：

一則，穩(wěn)定渣池的溫度，在溶池內(nèi)要通人適當富氧空氣，加速旋轉(zhuǎn)擾動與控制好還原或半還原燃燒氣氛。從而加快出渣速度，以利于提高旋風爐的產(chǎn)量。

實際的旋風爐運行中，一般旋風爐溶池內(nèi)控制溫度均在（1 550±50）℃范圍內(nèi)。不管是低溶點的可溶渣，還是高溶點的可溶渣，在本系統(tǒng)內(nèi)部都能非常順利地出渣。

二則，液態(tài)渣流出爐外后，即進人水淬系統(tǒng)即重金屬物水淬與非金屬物水淬。分別由撈渣機撈出后，水與液態(tài)渣回收，再循環(huán)利用。

旋風爐出口噴出大量高溫達到1 300℃的火焰流，其中含有大量的因化學不完全燃燒產(chǎn)生的可燃氣體（CO、CH4、H2）。經(jīng)旋風爐出口捕渣管系統(tǒng)，其捕渣率可達到70%～85%左右，是所有工業(yè)爐中捕渣效率最高的一種爐型。上述兩點設(shè)計也是不可忽視的。

圖2　立式旋風爐縱向剖面示意圖

圖3　立式旋風爐A-A剖面示意圖

3　高效節(jié)能型旋風爐焚燒處理工業(yè)污泥的環(huán)保性

3.1硫化物（SOx）的處理

在工業(yè)污泥處理中，因大部分工業(yè)污泥處于酸性。工業(yè)污泥進廠后，在初步由脫水機脫水后，需對其堿性化處理。即按比例加人堿性劑，如石灰石粉或白云石粉與助溶劑。在進行流化沸騰干燥處理后，進人高溫旋風爐，在爐內(nèi)進行脫硫。在還原燃燒氣氛下產(chǎn)生弱堿性渣。在干燥加熱過程之中，必定有部分逃逸掉的有害氣體或二次生成的硫化物。其中的SOx隨煙氣進人脫硫型文氏管多級氨水或尿素水溶液噴霧除塵器進行二次二級脫硫與除塵，脫硫效率可達到98%以上。再進人NID半干法脫硫型抗結(jié)露脈沖布袋除塵器進行第三次脫硫脫硝處理［6］。在引風機后的噴霧脫硫脫硝塔進行第四次脫硫脫硝處理，其脫硫效率幾乎達到99%以上，對外排放的SOx＜50 mg/m3。

3.2氮氧化物（NOx）的處理

嚴格控制過剩系數(shù)在0.95～1.1之間，也需同時采用低NOx煤粉燃燒器或低NOx重油燃燒器或低NOx低熱值的煤氣燃燒器并組織好三次風。割向噴料三次風系統(tǒng)必須采用低氧的循環(huán)煙氣加上富氧壓縮空氣在爐內(nèi)形成還原燃燒氣氛，并形成多級配風技術(shù)，在爐內(nèi)形成一定的正壓。由高溫旋風爐出口高溫高速的還原火焰氣流，進人發(fā)電、供熱鍋爐。由循環(huán)煙氣與鍋爐尾部空氣預(yù)熱器過來適量新鮮空氣進人該系統(tǒng)，組織第二次即SNCR低NOx燃燒鍋爐系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，過剩系數(shù)可控制在1.2～1.25，形成氧化微負壓燃燒體系。在工業(yè)污泥流化沸騰干燥爐的出口，煙氣溫度還有近500℃左右，再進人第二級脫硝系統(tǒng)，即SCR脫硝系統(tǒng)。在此脫硝過程中關(guān)于催化劑與還原劑氨水或尿素選用與維護保養(yǎng)問題，在此不再詳述。

在引風機尾部的洗滌SOx、NOx少水型噴霧塔，進一步對被逃逸的有害氣體與粉塵進行最后凈化，使脫硝率達到99%以上。其對外排放的煙氣粉塵可達到10 mg/m3以下，NOx可達到100 mg/m3以下，實驗室生產(chǎn)得知，［1］物料流化沸騰床煙氣出口質(zhì)量濃度（ρ/mg·m-3）：CO＜2.5、NOx＜61.8、SO2＜5.7、HCl＜2，滿足國家最新環(huán)保要求。

3.3二惡英、吠喃類處理

工業(yè)污泥或者城市垃圾燃燒過程中會產(chǎn)生大量的二惡英類有害物質(zhì)。不論是傳統(tǒng)的爐排爐城市垃圾焚燒還是回轉(zhuǎn)窯工業(yè)污泥焚燒都不能徹底解決好這一問題。該有毒物質(zhì)只有在1 300℃以上才能徹底分解為無毒的單質(zhì)氣體分子。但是分解后的無毒物質(zhì)，在煙氣流動的冷卻過程中，由于煙氣中產(chǎn)生氯化銅、氯化鐵等催化劑的作用下，C6H5Cl類和C6H4ClOH類前體物又重新組合生成二惡英類。因此，解決二惡英有毒物質(zhì)，必須考慮在什么溫度環(huán)境下發(fā)生分解反應(yīng)，在什么溫度發(fā)生合成反應(yīng)。

因此，在本工藝中，工業(yè)污泥焚燒干燥流化煙氣出口，設(shè)置脫硫型文氏管多級氨水或尿素溶液噴霧除塵器。采用這種由500℃的煙氣迅速下降至200℃以下的急冷措施，可有效防止二惡英類物質(zhì)的重新合成。實驗室生產(chǎn)得知，煙道出口尾氣中二惡英/ ng-TEQ.m-3＜0.025，已超過最新國家環(huán)保指標。

3.4重金屬的處理

在旋風爐爐底溶池內(nèi)，形成強烈的旋轉(zhuǎn)渣流擾動，以利弱堿性渣順利出爐。所有的重金屬及金屬氧化物以及氯化物、有機大分子、二惡英、呋喃類等，在1 800℃的高溫環(huán)境下，全部分解，燃燒完全。但在旋風爐出口煙氣中，也會有相當部分重金屬蒸汽逃逸出來，進人后續(xù)系統(tǒng)中。除了文氏管多級濕法洗滌煙氣外，還在NID布袋除塵器的人口處，按煙氣中重金屬比例噴射活性碳粉進人NID抗結(jié)露型布袋除塵器內(nèi)，以加大重金屬吸附作用，徹底防止逃逸后的重金屬物質(zhì)排人大氣中。實驗得知，Pb、Hg、Cr等均已達到最新國家環(huán)保指標。

4　各類工業(yè)污泥焚燒液態(tài)渣的綜合利用

高溫旋風爐問世以來，特別是燃煤旋風爐廣泛應(yīng)用后，人們發(fā)現(xiàn)燃煤旋風爐不光可以使用一般的煙煤，低溶點的褐煤，還可使用大量多灰份劣質(zhì)煤、雜煤，其煤粉細度還可進一步放寬，降低制粉系統(tǒng)的電耗。因此，工業(yè)污泥的液態(tài)渣中，也有相當部分的燃煤灰渣。從旋風爐出口的液態(tài)渣，通過金屬與非金屬渣水淬分離，形成異常堅硬的玻璃體。這種非金屬的物質(zhì)，可做成形狀各異的渣磚，或代替粗骨料（碎石）加發(fā)泡劑做成各類混凝土彩色濾水道路磚，或用于公路的墊層，或用于磚廠、水泥廠的水泥填充物均可。

如在我國城鎮(zhèn)的區(qū)域內(nèi)或工業(yè)園區(qū)內(nèi)，建立工業(yè)污泥或城市垃圾焚燒中心站供熱或供電系統(tǒng)。為解決燃煤散燒，防止空氣污染，也為綠色發(fā)展的城鎮(zhèn)建設(shè)之路給于非常有力的補充，真正意義上實現(xiàn)了有害物質(zhì)的資源化利用。

5　結(jié)語

（1）焚燒處理新工藝中提出新型燃煤（燃油）旋風爐相比傳統(tǒng)旋風爐切向三次風進口，改為割向雙層三次風系統(tǒng)，基本上克服風口結(jié)焦現(xiàn)象。由于雙層同向進風進料，加強爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)強度，增加了燃料、物料在爐內(nèi)的停留時間，保護了爐內(nèi)耐材，提高了耐材使用壽命。

（2）爐體底部出渣系統(tǒng)，采用了金屬與非金屬分離出渣整體耐材澆注系統(tǒng)，克服了爐底“析鐵”現(xiàn)象產(chǎn)生，也保護了爐底耐材，提高了使用壽命。加之采用富氧燃燒技術(shù)，加大溶渣流出強度，確保溶池內(nèi)的溫度為提高溶渣產(chǎn)量，降低溶渣茹度，加快溶渣流出速度提供了有力的保證。

（3）嚴格控制過剩系數(shù)，使旋風爐內(nèi)始終處于一種高溫還原或高溫半還原正壓燃燒氣氛，使一切有毒物質(zhì)，有機大分子，氯化物或其前體物都將在此環(huán)境中得分解燃燼。其中重金屬分解還原為金屬以其合金體固化在溶渣中。同時更為重要的是采用了循環(huán)煙氣燃燒技術(shù)，實現(xiàn)了低NOx燃燒技術(shù)，進一步降低NOx產(chǎn)生，為后續(xù)SCR脫硝處理NOx打下了良好的基礎(chǔ)，為旋風爐這一新型的燃燒爐型，進一步擴大了使用面。

（4）在此新工藝中，又一亮點是采用先進熱風流化物料沸騰干燥系統(tǒng)，替代了傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯的干燥焚燒或回轉(zhuǎn)式干燥機干燥技術(shù)。本裝置具有占地面積小，投資省、干燥效果好，產(chǎn)量高等特點。

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Design and Application of High Efficiency and Energy Saving Vertical Cyclone Type Coal Furnace（or Oil Furnace）in Industrial Sludge Incinerator Production Line

LV Yide，LV Yuan
（Wuhan Aojie Technology Corporation，Wuhan 430223，China）

The high efficiency improved cyclone type coal furnace（or oil furnace）is applied in the process production line，and the liquid slag exhaust index is very good，which gets the innocuous and resourceful purpose of the industrial sludge（containing dangerous goods and toxic sludge）in a real sense. Meanwhile，the USA fluidized bed dryer technology is introduced into the production line，which obsoletes the traditional rotary dryer and reduces the investment and project area.The resources of dust，sulfur，nitrogen，dioxin and heavy metal content in the waste heat boiler and environment protection system are also introduced.

high efficiency improved cyclone type coal furnace；industrial sludge；fluidized bed dryer system；waste heat boiler for heating or power；environmental protection；industrial sludge resources

X51

B

1001-6988（2016）03-0049-05

2016-03-17

中國科技部創(chuàng)新基金資助項目（12C26214204507），國科發(fā)計［2012］778號

呂宜德（1947—），男，高級工程師，長期從事工業(yè)爐窯以及熱工機械及各類高性能的低NOx煤粉燃燒器、低熱值煤氣燃燒器以及“三廢”處理、循環(huán)經(jīng)濟的研發(fā)與設(shè)計工作.