流化床焚燒系統在危廢處置上的設計與應用

寧紹宇 黃春艷

（中藍長化工程科技有限公司 湖南長沙 110000）

引言

危險廢棄物（簡稱“危廢”）一直堅持“減量化、資源化、無害化”的基本原則。其中，減量化是將危險廢棄物進行有效的焚燒處理，焚燒后的殘渣體積可減少90%以上，重量可減少80%以上，再將焚燒后的飛灰和殘渣進行固化、穩定化處理，進而送至填埋場填埋；無害化是指對已產生但無法實現或現階段暫時不具備綜合利用能力的危險廢棄物，經過物理、化學或生物的方法，進行對環境無毒無害的安全處理、處置，達到廢物的消毒、解毒或穩定化，以防止并減少危險廢物的污染危害；資源化處理主要包括對危廢的直接利用、回收再利用和能源化利用3 種模式[1]。因此，在固體廢棄物（含危廢）處理處置領域，減量化是過程、無害化是目標、資源化是手段。

焚燒作為危廢減量化最主要的手段，其使用的焚燒爐類型較多，目前應用較為廣泛的有液體噴射型焚燒爐、流化床焚燒爐和回轉窯焚燒爐3大類，而對固定床焚燒爐和多層床焚燒爐的應用較少。本文從焚燒爐原理、關鍵設計參數、工藝系統配置等多方面，詳細介紹流化床焚燒爐及后續的煙氣凈化系統。

1 流化床焚燒爐

1.1 工作原理與基本結構

危廢流化床焚燒爐是一個垂直的襯耐火材料的鋼制容器，在焚燒爐的下部安裝有氣流板，板上裝有載熱的惰性顆粒。由于焚燒需要空氣，因而需要考慮一定的過量系數，焚燒爐底部的通風裝置需將空氣引入爐內，使爐內的顆粒物被垂直上升的氣流吹動，并使爐內的顆粒物處于流態化狀態，這樣的焚燒爐就稱之為流化床焚燒爐。

流化床焚燒爐內襯耐火磚或防火膠泥，燃燒室分為稀相區（懸浮段）和密相區兩個區域。流化床焚燒爐的工作原理是流化床爐在密相區床層中布置大量的熱載體（煤灰或沙子等），能提供非常大的熱容量，以滿足有機廢液蒸發、熱解、燃燒所需的大熱量要求，并且由底部布風裝置送進的空氣還能使床層處于良好流化狀態，同時熱載體也能存儲大量熱量使床層溫度保持均勻，避免投料時發生爐溫劇烈變化和局部過熱的現象，床層溫度易控制，有利于有機物的分解和燃燼。

1.2 設計的關鍵參數

流化床焚燒爐的關鍵是控制流化速度與廢物粒徑，因此在設計中就對關鍵參數進行設置，對于流化床焚燒爐的穩定高效運行極為重要。

1.2.1 流化速度

流化速度（U）是指顆粒層由固定床轉為流化床時流體的表觀速度，即流化床的介質在流化狀態下克服自身重力向上移動時所對應的風速。當上升的氣流速度大于介質自由沉降速度時，介質將會被帶出，此時的上升流速稱為帶出速度，介質帶出速度是流化床中流化速度的上限。臨界流化速度又稱為最低流化速度，是指流體對顆粒的曳力等于顆粒的重力時所對應的氣流速度，一般將介質體積膨脹率為5%的上升流速設定為臨界流化速度，是流化床設計計算與操作的重要參數之一，此參數一般由實驗確定。流化床焚燒爐的氣流速度介于臨界流化速度和帶出速度之間。流化數U/Umf一般在1.5～10 的范圍內，也有高達幾十甚至幾百的，通常采用的氣速在0.15～0.5m/s[2]。此外，影響臨界流化床速度的因素還有介質的直徑、密度以及廢物黏度等有關的物理特性參數[3]。

1.2.2 廢物粒徑

廢物粒徑不同其燃燒速度也不同。粒徑越小的廢物在焚燒爐內停留的時間越短，但如果粒徑太小，則會導致沒有燃盡就被吹出爐膛，然后因受到分離器的切割粒徑限制不能被回收至爐膛重新燃燒，使得飛灰損失加大。而對于粒徑較大的粒子，一般燃燒時間較長，粒徑2mm 的廢物燃燒時間一般需要50s，粒徑再大些的廢物燃燒時間更長，甚至需要幾分鐘。

1.3 燃燒控制

在工程應用中，流化床焚燒爐運行主要從廢物性質、熱介質載體、流化風量、輔助燃料4 個方面進行燃燒控制。

1.3.1 廢物性質

所有進入流化床焚燒爐的廢物成分都要均勻，熱值都較高。如果料坑內焚燒的廢物種類多、成分變化大、水分含量高、熱值低，則需要將廢物進行預處理和配伍等，使入爐的廢物含水率合適，讓熱值得到均勻和提高。

1.3.2 熱介質載體

流化床焚燒爐正常運行時，高熱容量的熱介質載體（煤灰或砂子等）在溫度700℃左右時，會在爐內劇烈地翻騰和旋轉，使廢物不斷干燥、升溫和燃燒，但熱介質載體要定期更換以保證其粒徑均勻。

1.3.3 流化風量

鼓風機產生的流化風進入流化床焚燒爐燃燒室下部的布風板，進入流動的熱載體中，可形成穩定的流動層。因此，為了保證流動層的穩定就需要保證風壓的穩定，且各空氣分配管的擋板開度也應隨季節而進行調整，同時定期對噴嘴和風帽進行檢查和維護。

1.3.4 輔助燃料

如果廢物含水率和低位發熱值變化很大，應考慮在流化床焚燒爐內安裝輔助燃料系統，使其在廢物熱值過低時，可自動控制添加輔助燃料，并控制料層的溫度。

1.4 具有較多優點

與常規焚燒爐相比，流化床焚燒爐具有焚燒效率高、環保性能好、對各類廢液適應性強、占地面積小、重金屬排放量低、事故率低、結構緊湊、維修工作量小等優點。

2 配伍系統

2.1 系統概述

危廢在入爐焚燒前需要根據其成分、熱值等參數進行搭配，以保障整個焚燒系統（焚燒爐、余熱鍋爐及煙氣凈化系統等）的安全穩定運行。如果焚燒系統對來料不加管控，對物料隨意焚燒，易導致設備運行工況不穩定。一方面，焚燒所產生的煙氣量和煙氣成份（酸性氣體含量、煙氣pH、含塵量等）波動大，易造成設備腐蝕嚴重，使得后續處理煙氣時需投加大量藥劑，造成藥劑浪費，且煙氣達標排放也較難控制。另一方面，入爐廢物熱值不穩定，當熱值高時，焚燒量減少，達不到設計的能力，造成單位處理費用提高，爐膛溫度極易高于耐火磚的設計使用溫度，加劇耐火磚使用壽命的縮短；當熱值低時，則增加油耗，又使得運行費用增大。

針對上述問題，需對進爐焚燒物料進行配伍，然后通過計算機對數據進行處理，自動形成配料清單，使搭配的廢物各項參數接近設計指標。一方面，可最大程度地確保入爐廢料熱值平穩，讓以焚燒爐為主體的整套系統工況相對穩定，提高焚燒效果，大大減少輔助燃料的消耗；另一方面，合理科學地配料使焚燒煙氣的酸堿性等參數保持相對穩定狀態，不僅能合理減少后續煙氣處理藥劑的投加量，并且波動較小，還能相對較易地控制煙氣達標排放。而計算機配伍系統在全面考慮處置中心要接收的各種廢物熱值、含水率、成份、酸度、元素組成、產生量等基礎上，還可通過軟件對廢物各參數數據及影響因素經過綜合統籌運算后，得出關于入爐廢物的種類搭配、數量配比、進料速度、進料周期、進料方式等各個方面明確的菜單命令，從理論上為操作管理人員提供了可靠的參照，同時保證入爐廢物一段時間內的均衡性，加強了焚燒爐的穩定、安全、高效運行，也利于廢物充分燃燒，降低殘渣的熱灼減率。

2.2 配伍原則

危廢配伍的合理性是能否在低運行成本下實現高效率穩定運行，滿足焚燒殘渣低熱灼減率和各分系統穩定運行的先決條件。廢物配伍應遵循7 項原則，即①嚴禁疏忽造成的禁入廢物混入配料，進爐焚燒造成不良后果；②對那些污染物含量高、數量大的危險廢物應盡量多次、少量配入每次菜單中焚燒；③應考慮廢物相互之間的相容性搭配，嚴禁對不相容的危險廢物進行混合，避免產生不良后果；④重點考慮鹵素、鹽分、重金屬等配伍；⑤高熱值廢物與低熱值廢物搭配；⑥廢液與固體和半固體廢物混合搭配；⑦高低含水率廢物的相互搭配。

3 余熱利用系統

流化床焚燒爐二燃室出口處煙氣溫度約為1100℃，溫度較高，可滿足除塵、脫硫、脫硝、脫除二噁英等煙氣凈化過程對溫度的要求，且余熱鍋爐能充分利用焚燒產生的熱能，并產生二次能源。但考慮到危廢中含有鉀鹽和鈉鹽等低熔點物質，在1100℃的高溫條件下這些低熔點鹽都會升華，且在煙氣降溫后都會結晶，造成尾部煙道、受熱面和其它設備的結焦和腐蝕，減少余熱鍋爐的通流面積，造成煙氣流速的增加和流動方向的改變，甚至造成余熱鍋爐的局部磨損爆管，影響焚燒爐運行周期和使用壽命，嚴重時還會縮短余熱鍋爐的使用時限，因此為了解決這一問題，將余熱鍋爐設置成雙鍋筒對流管束的結構形式，可使煙氣速度合理，并最大限度地把粉塵顆粒沉降下來，有效地延長焚燒爐運行周期。

余熱鍋爐采用自然循環，以防止管內汽水分層，使管子得到良好冷卻，防止受熱管局部超溫。部分沉降在余熱鍋爐內的煙塵顆粒，通過刮板輸送機出灰。飽和蒸汽通過主蒸汽管路進入分汽缸，再通過分汽缸上的蒸汽出口分別送往蒸汽管網和其它用汽管路。但為了保證安全，需在分汽缸上設置安全閥、疏水閥、壓力表、溫度計，同時配置蒸汽消音器防止噪聲污染，并在分汽缸上預留2 個蒸汽接口，以備以后使用。另外，余熱鍋爐出口處還應設置氧含量檢測裝置，設置鍋爐水質人工取樣點及液位顯示、報警系統、液位自動控制系統等。

4 煙氣處理系統

煙氣處理系統包括SNCR 脫硝系統、煙氣冷卻系統、干法脫酸塔、布袋除塵器、濕式脫酸塔系統等。

4.1 SNCR 脫硝系統

SNCR 脫硝系統主要包括還原劑儲存和溶液配置系統、在線稀釋系統和噴射系統4 個部分。其中，出于對安全性的考慮，還原劑較多使用尿素溶液，并配制出質量濃度為40%～50%的尿素溶液，然后由稀釋水模塊根據鍋爐運行情況和NOx排放情況在線稀釋成所需的濃度，一般為5%～10%，再通過計量分配模塊送入噴射系統。SNCR 噴槍采用壓縮空氣霧化形式，根據溫度和CFD 模擬流場情況，設置在合適的位置，滿足鍋爐不同負荷和NOx不同濃度下，還原劑可調節方便、靈活可靠。

4.2 煙氣冷卻系統

依照《危險廢物集中焚燒處置工程建設技術規范》 ( HJ/T 176-2005）的相關要求，為有效避免二噁英的再次合成，需要煙氣在1s 內從500℃降至200℃以下，這就要求系統必須設置急冷降溫設備。

4.3 干法脫酸塔

在煙氣冷卻系統后煙道前投加碳酸氫鈉。然后將脫酸藥劑倉內的脫酸藥劑經過失重秤、文丘里風送至煙道內，并通過失重秤PID 調節進入反應塔的脫酸藥劑量。需要注意的是，脫酸藥劑輸送管工藝布置時應盡可能行程短且減少彎頭。

4.4 活性炭吸附

為去除二噁英及重金屬污染物質，一般要求在布袋除塵器前煙道上設置活性炭噴射裝置。在煙道中，活性炭與煙氣強烈混合，利用活性炭具有極大比表面積和極強吸附能力的特點，對二噁英和重金屬進行凈化處理，不增加煙氣水份，避免袋式除塵器出現“糊袋”。另外，運行中部分活性炭粉吸附在布袋表面，可以防止布袋結灰板結。

4.5 布袋除塵系統

帶著較細粒徑粉塵的煙氣進入袋式除塵器，煙氣由外經過濾袋時，煙氣中的粉塵被截留在濾袋外表面，從而得到凈化，再經除塵器內文氏管進入上箱體，從出口排出。除塵器由結構框架及箱體、濾袋、骨架和花板、進氣系統、排氣系統、清灰系統、卸灰系統、平臺扶梯等組成。因此，清灰可采用壓縮空氣，PLC 控制吹灰，且工作溫度大于160℃，能有效地防止結露現象產生，同時能延長濾布的使用壽命。

4.6 濕法脫酸塔

濕法脫酸塔為圓筒狀結構、立式布置，內設噴淋層，出口處設除霧器，可在較大范圍內調節氣液接觸時間、液氣比，并且結構簡單、壓力較小。煙氣從布袋除塵器進入濕式洗滌塔濕法脫酸塔可自下而上地向上流動，煙氣在上升過程中與噴淋裝置噴出的堿液混合接觸，且可洗滌吸收穿過此區域的煙氣中的酸性物質。由于該區域提供了良好的氣液接觸條件，同時堿性液體對氣體中的HCl、SO2、HF 具有較好的吸收效果，可高效去除煙氣中的酸性氣體。另外，濕法脫酸塔上部還設有除霧器，并配置沖洗噴頭，可將煙氣中攜帶的水滴去除，并能定期清洗沉淀的鹽類物質。而濕法脫酸塔設置在引風機之后，塔體選用具有較好耐酸耐堿腐蝕性能和一定耐溫性能的材質，結合在排氣筒上設置的煙氣在線監測系統（CEMS），可監測O2、CO2、CO、NOx、SO2、HCl、HF、H2O、煙塵、溫度等多項參數，并統計相關排放情況。

5 設計工程實例

某危險廢棄物處置中心設置焚燒單元，采用流化床焚燒系統，處理能力60t/d，沸騰段面積1.2m×1.4m。沸騰段直段高度約1.6m，沸騰段操作溫度850～950℃，流化床過渡段及懸浮段高度約10.8m,懸浮段面積2.4m×2.81m。操作溫度1100～1150℃，煙氣出口操作壓力-100～-300pa，煙氣停留時間≥2s，排煙量24304Nm3/h。煙氣凈化系統采用“急冷+余熱回收利用+SNCR 脫硝+濕法脫酸+活性炭吸附+布袋除塵”，整套系統設備布置如圖1 所示。工程已建設完成，運行效果良好，各項指標達標排放。

結論

流化床焚燒爐應用于氣態、液態或半固態等可呈現流化態的危廢焚燒具有的優勢較多，通過前端科學合理的熱值配伍，可減少使用輔助燃料節省能源，且經過流化床焚燒爐和后續一系列煙氣凈化后，煙氣中NOX、SO2、CO、粉塵等污染物都能達標排放，不產生二次污染。同時，在實際工程設計工作中，可根據每個工程的不同工況，不斷優化工藝流程和設計參數，能在保證處理效果的基礎上不斷減少工程一次性投資和降低運行費用。

圖1 流化床焚燒線設備布置圖