流化床焚烧系统在危废处置上的设计与应用

宁绍宇 黄春艳

（中蓝长化工程科技有限公司 湖南长沙 110000）

引言

危险废弃物（简称“危废”）一直坚持“减量化、资源化、无害化”的基本原则。其中，减量化是将危险废弃物进行有效的焚烧处理，焚烧后的残渣体积可减少90%以上，重量可减少80%以上，再将焚烧后的飞灰和残渣进行固化、稳定化处理，进而送至填埋场填埋；无害化是指对已产生但无法实现或现阶段暂时不具备综合利用能力的危险废弃物，经过物理、化学或生物的方法，进行对环境无毒无害的安全处理、处置，达到废物的消毒、解毒或稳定化，以防止并减少危险废物的污染危害；资源化处理主要包括对危废的直接利用、回收再利用和能源化利用3 种模式[1]。因此，在固体废弃物（含危废）处理处置领域，减量化是过程、无害化是目标、资源化是手段。

焚烧作为危废减量化最主要的手段，其使用的焚烧炉类型较多，目前应用较为广泛的有液体喷射型焚烧炉、流化床焚烧炉和回转窑焚烧炉3大类，而对固定床焚烧炉和多层床焚烧炉的应用较少。本文从焚烧炉原理、关键设计参数、工艺系统配置等多方面，详细介绍流化床焚烧炉及后续的烟气净化系统。

1 流化床焚烧炉

1.1 工作原理与基本结构

危废流化床焚烧炉是一个垂直的衬耐火材料的钢制容器，在焚烧炉的下部安装有气流板，板上装有载热的惰性颗粒。由于焚烧需要空气，因而需要考虑一定的过量系数，焚烧炉底部的通风装置需将空气引入炉内，使炉内的颗粒物被垂直上升的气流吹动，并使炉内的颗粒物处于流态化状态，这样的焚烧炉就称之为流化床焚烧炉。

流化床焚烧炉内衬耐火砖或防火胶泥，燃烧室分为稀相区（悬浮段）和密相区两个区域。流化床焚烧炉的工作原理是流化床炉在密相区床层中布置大量的热载体（煤灰或沙子等），能提供非常大的热容量，以满足有机废液蒸发、热解、燃烧所需的大热量要求，并且由底部布风装置送进的空气还能使床层处于良好流化状态，同时热载体也能存储大量热量使床层温度保持均匀，避免投料时发生炉温剧烈变化和局部过热的现象，床层温度易控制，有利于有机物的分解和燃烬。

1.2 设计的关键参数

流化床焚烧炉的关键是控制流化速度与废物粒径，因此在设计中就对关键参数进行设置，对于流化床焚烧炉的稳定高效运行极为重要。

1.2.1 流化速度

流化速度（U）是指颗粒层由固定床转为流化床时流体的表观速度，即流化床的介质在流化状态下克服自身重力向上移动时所对应的风速。当上升的气流速度大于介质自由沉降速度时，介质将会被带出，此时的上升流速称为带出速度，介质带出速度是流化床中流化速度的上限。临界流化速度又称为最低流化速度，是指流体对颗粒的曳力等于颗粒的重力时所对应的气流速度，一般将介质体积膨胀率为5%的上升流速设定为临界流化速度，是流化床设计计算与操作的重要参数之一，此参数一般由实验确定。流化床焚烧炉的气流速度介于临界流化速度和带出速度之间。流化数U/Umf一般在1.5～10 的范围内，也有高达几十甚至几百的，通常采用的气速在0.15～0.5m/s[2]。此外，影响临界流化床速度的因素还有介质的直径、密度以及废物黏度等有关的物理特性参数[3]。

1.2.2 废物粒径

废物粒径不同其燃烧速度也不同。粒径越小的废物在焚烧炉内停留的时间越短，但如果粒径太小，则会导致没有燃尽就被吹出炉膛，然后因受到分离器的切割粒径限制不能被回收至炉膛重新燃烧，使得飞灰损失加大。而对于粒径较大的粒子，一般燃烧时间较长，粒径2mm 的废物燃烧时间一般需要50s，粒径再大些的废物燃烧时间更长，甚至需要几分钟。

1.3 燃烧控制

在工程应用中，流化床焚烧炉运行主要从废物性质、热介质载体、流化风量、辅助燃料4 个方面进行燃烧控制。

1.3.1 废物性质

所有进入流化床焚烧炉的废物成分都要均匀，热值都较高。如果料坑内焚烧的废物种类多、成分变化大、水分含量高、热值低，则需要将废物进行预处理和配伍等，使入炉的废物含水率合适，让热值得到均匀和提高。

1.3.2 热介质载体

流化床焚烧炉正常运行时，高热容量的热介质载体（煤灰或砂子等）在温度700℃左右时，会在炉内剧烈地翻腾和旋转，使废物不断干燥、升温和燃烧，但热介质载体要定期更换以保证其粒径均匀。

1.3.3 流化风量

鼓风机产生的流化风进入流化床焚烧炉燃烧室下部的布风板，进入流动的热载体中，可形成稳定的流动层。因此，为了保证流动层的稳定就需要保证风压的稳定，且各空气分配管的挡板开度也应随季节而进行调整，同时定期对喷嘴和风帽进行检查和维护。

1.3.4 辅助燃料

如果废物含水率和低位发热值变化很大，应考虑在流化床焚烧炉内安装辅助燃料系统，使其在废物热值过低时，可自动控制添加辅助燃料，并控制料层的温度。

1.4 具有较多优点

与常规焚烧炉相比，流化床焚烧炉具有焚烧效率高、环保性能好、对各类废液适应性强、占地面积小、重金属排放量低、事故率低、结构紧凑、维修工作量小等优点。

2 配伍系统

2.1 系统概述

危废在入炉焚烧前需要根据其成分、热值等参数进行搭配，以保障整个焚烧系统（焚烧炉、余热锅炉及烟气净化系统等）的安全稳定运行。如果焚烧系统对来料不加管控，对物料随意焚烧，易导致设备运行工况不稳定。一方面，焚烧所产生的烟气量和烟气成份（酸性气体含量、烟气pH、含尘量等）波动大，易造成设备腐蚀严重，使得后续处理烟气时需投加大量药剂，造成药剂浪费，且烟气达标排放也较难控制。另一方面，入炉废物热值不稳定，当热值高时，焚烧量减少，达不到设计的能力，造成单位处理费用提高，炉膛温度极易高于耐火砖的设计使用温度，加剧耐火砖使用寿命的缩短；当热值低时，则增加油耗，又使得运行费用增大。

针对上述问题，需对进炉焚烧物料进行配伍，然后通过计算机对数据进行处理，自动形成配料清单，使搭配的废物各项参数接近设计指标。一方面，可最大程度地确保入炉废料热值平稳，让以焚烧炉为主体的整套系统工况相对稳定，提高焚烧效果，大大减少辅助燃料的消耗；另一方面，合理科学地配料使焚烧烟气的酸碱性等参数保持相对稳定状态，不仅能合理减少后续烟气处理药剂的投加量，并且波动较小，还能相对较易地控制烟气达标排放。而计算机配伍系统在全面考虑处置中心要接收的各种废物热值、含水率、成份、酸度、元素组成、产生量等基础上，还可通过软件对废物各参数数据及影响因素经过综合统筹运算后，得出关于入炉废物的种类搭配、数量配比、进料速度、进料周期、进料方式等各个方面明确的菜单命令，从理论上为操作管理人员提供了可靠的参照，同时保证入炉废物一段时间内的均衡性，加强了焚烧炉的稳定、安全、高效运行，也利于废物充分燃烧，降低残渣的热灼减率。

2.2 配伍原则

危废配伍的合理性是能否在低运行成本下实现高效率稳定运行，满足焚烧残渣低热灼减率和各分系统稳定运行的先决条件。废物配伍应遵循7 项原则，即①严禁疏忽造成的禁入废物混入配料，进炉焚烧造成不良后果；②对那些污染物含量高、数量大的危险废物应尽量多次、少量配入每次菜单中焚烧；③应考虑废物相互之间的相容性搭配，严禁对不相容的危险废物进行混合，避免产生不良后果；④重点考虑卤素、盐分、重金属等配伍；⑤高热值废物与低热值废物搭配；⑥废液与固体和半固体废物混合搭配；⑦高低含水率废物的相互搭配。

3 余热利用系统

流化床焚烧炉二燃室出口处烟气温度约为1100℃，温度较高，可满足除尘、脱硫、脱硝、脱除二噁英等烟气净化过程对温度的要求，且余热锅炉能充分利用焚烧产生的热能，并产生二次能源。但考虑到危废中含有钾盐和钠盐等低熔点物质，在1100℃的高温条件下这些低熔点盐都会升华，且在烟气降温后都会结晶，造成尾部烟道、受热面和其它设备的结焦和腐蚀，减少余热锅炉的通流面积，造成烟气流速的增加和流动方向的改变，甚至造成余热锅炉的局部磨损爆管，影响焚烧炉运行周期和使用寿命，严重时还会缩短余热锅炉的使用时限，因此为了解决这一问题，将余热锅炉设置成双锅筒对流管束的结构形式，可使烟气速度合理，并最大限度地把粉尘颗粒沉降下来，有效地延长焚烧炉运行周期。

余热锅炉采用自然循环，以防止管内汽水分层，使管子得到良好冷却，防止受热管局部超温。部分沉降在余热锅炉内的烟尘颗粒，通过刮板输送机出灰。饱和蒸汽通过主蒸汽管路进入分汽缸，再通过分汽缸上的蒸汽出口分别送往蒸汽管网和其它用汽管路。但为了保证安全，需在分汽缸上设置安全阀、疏水阀、压力表、温度计，同时配置蒸汽消音器防止噪声污染，并在分汽缸上预留2 个蒸汽接口，以备以后使用。另外，余热锅炉出口处还应设置氧含量检测装置，设置锅炉水质人工取样点及液位显示、报警系统、液位自动控制系统等。

4 烟气处理系统

烟气处理系统包括SNCR 脱硝系统、烟气冷却系统、干法脱酸塔、布袋除尘器、湿式脱酸塔系统等。

4.1 SNCR 脱硝系统

SNCR 脱硝系统主要包括还原剂储存和溶液配置系统、在线稀释系统和喷射系统4 个部分。其中，出于对安全性的考虑，还原剂较多使用尿素溶液，并配制出质量浓度为40%～50%的尿素溶液，然后由稀释水模块根据锅炉运行情况和NOx排放情况在线稀释成所需的浓度，一般为5%～10%，再通过计量分配模块送入喷射系统。SNCR 喷枪采用压缩空气雾化形式，根据温度和CFD 模拟流场情况，设置在合适的位置，满足锅炉不同负荷和NOx不同浓度下，还原剂可调节方便、灵活可靠。

4.2 烟气冷却系统

依照《危险废物集中焚烧处置工程建设技术规范》 ( HJ/T 176-2005）的相关要求，为有效避免二噁英的再次合成，需要烟气在1s 内从500℃降至200℃以下，这就要求系统必须设置急冷降温设备。

4.3 干法脱酸塔

在烟气冷却系统后烟道前投加碳酸氢钠。然后将脱酸药剂仓内的脱酸药剂经过失重秤、文丘里风送至烟道内，并通过失重秤PID 调节进入反应塔的脱酸药剂量。需要注意的是，脱酸药剂输送管工艺布置时应尽可能行程短且减少弯头。

4.4 活性炭吸附

为去除二噁英及重金属污染物质，一般要求在布袋除尘器前烟道上设置活性炭喷射装置。在烟道中，活性炭与烟气强烈混合，利用活性炭具有极大比表面积和极强吸附能力的特点，对二噁英和重金属进行净化处理，不增加烟气水份，避免袋式除尘器出现“糊袋”。另外，运行中部分活性炭粉吸附在布袋表面，可以防止布袋结灰板结。

4.5 布袋除尘系统

带着较细粒径粉尘的烟气进入袋式除尘器，烟气由外经过滤袋时，烟气中的粉尘被截留在滤袋外表面，从而得到净化，再经除尘器内文氏管进入上箱体，从出口排出。除尘器由结构框架及箱体、滤袋、骨架和花板、进气系统、排气系统、清灰系统、卸灰系统、平台扶梯等组成。因此，清灰可采用压缩空气，PLC 控制吹灰，且工作温度大于160℃，能有效地防止结露现象产生，同时能延长滤布的使用寿命。

4.6 湿法脱酸塔

湿法脱酸塔为圆筒状结构、立式布置，内设喷淋层，出口处设除雾器，可在较大范围内调节气液接触时间、液气比，并且结构简单、压力较小。烟气从布袋除尘器进入湿式洗涤塔湿法脱酸塔可自下而上地向上流动，烟气在上升过程中与喷淋装置喷出的碱液混合接触，且可洗涤吸收穿过此区域的烟气中的酸性物质。由于该区域提供了良好的气液接触条件，同时碱性液体对气体中的HCl、SO2、HF 具有较好的吸收效果，可高效去除烟气中的酸性气体。另外，湿法脱酸塔上部还设有除雾器，并配置冲洗喷头，可将烟气中携带的水滴去除，并能定期清洗沉淀的盐类物质。而湿法脱酸塔设置在引风机之后，塔体选用具有较好耐酸耐碱腐蚀性能和一定耐温性能的材质，结合在排气筒上设置的烟气在线监测系统（CEMS），可监测O2、CO2、CO、NOx、SO2、HCl、HF、H2O、烟尘、温度等多项参数，并统计相关排放情况。

5 设计工程实例

某危险废弃物处置中心设置焚烧单元，采用流化床焚烧系统，处理能力60t/d，沸腾段面积1.2m×1.4m。沸腾段直段高度约1.6m，沸腾段操作温度850～950℃，流化床过渡段及悬浮段高度约10.8m,悬浮段面积2.4m×2.81m。操作温度1100～1150℃，烟气出口操作压力-100～-300pa，烟气停留时间≥2s，排烟量24304Nm3/h。烟气净化系统采用“急冷+余热回收利用+SNCR 脱硝+湿法脱酸+活性炭吸附+布袋除尘”，整套系统设备布置如图1 所示。工程已建设完成，运行效果良好，各项指标达标排放。

结论

流化床焚烧炉应用于气态、液态或半固态等可呈现流化态的危废焚烧具有的优势较多，通过前端科学合理的热值配伍，可减少使用辅助燃料节省能源，且经过流化床焚烧炉和后续一系列烟气净化后，烟气中NOX、SO2、CO、粉尘等污染物都能达标排放，不产生二次污染。同时，在实际工程设计工作中，可根据每个工程的不同工况，不断优化工艺流程和设计参数，能在保证处理效果的基础上不断减少工程一次性投资和降低运行费用。

图1 流化床焚烧线设备布置图