1引言
城市污泥是城市生活污水和工業(yè)污水處理過程中產生的固體廢棄物。處理城市污泥的方法很多，但焚燒法已被越來越多發(fā)達國家所重視、使用，其優(yōu)點在于：城市污泥經焚燒后減量化十分明顯，減容量大于90%，可節(jié)約大量的填埋用地；污泥燒余中有害成分的含量極低，灰渣可綜合利用，若對燒余進行填埋處理也不影響填埋場周圍的環(huán)境；可以回收污泥焚燒產生的熱量，使資源得到充分利用。因此，研究城市污泥焚燒諸影響因素就顯得非常重要，本文研究了城市污泥在不同二次風率、不同水分、不同流化速度及空氣系數(shù)時的燃燒。
2試驗裝置、測量系統(tǒng)和試驗方法
2.1試驗裝置
污泥焚燒爐是城市污泥焚燒處理系統(tǒng)的核心設備，按結構特性可分為立式多層爐、回轉窯爐、多膛爐、流化床爐和噴射式爐。流化床焚燒爐內沒有運動部件，它具有強烈的湍流，均勻的溫度分布，能在相對較低的溫度和較少的過�？諝庀赂咝嗜紵@得較高的有害物質去除率。
整個試驗裝置由燃燒本體部分、啟動燃燒室、風機部分、加料系統(tǒng)、旋風分離器等部分組成。
燃燒本體分風室、沸騰段、過渡段和懸浮段4部分，總高度5.03m；沸騰段高1.16m，內截面積230mm×230mm；過渡段高0.20m；懸浮段分為2級，總高度為3m，內截面積460mm×395mm。風機部分由引風機和空氣壓縮機組成，由壓縮機送過來的一次風經預熱后被送往風室，二次風是由風室下部引出，分為2個支路在懸浮段部分被送入爐膛。為了提高沸騰段的熱負荷，減少污泥在沸騰段的水分蒸發(fā)量，將加料器安裝在爐體頂部。城市污泥在下落過程中，在懸浮段會蒸發(fā)掉部分水分，從而減少在沸騰段蒸發(fā)的水分，以提高床層的溫度。城市污泥屬于纖維狀含有高水分的物料，容易受壓，由于試驗臺上常用的螺旋加料器螺距和孔徑較小，且輸送部分較長，污泥極易受到擠壓而使加料器堵塞。為此，對加料器結構進行了專門的研究改進，從加料器加料口到污泥進爐膛之間這一部分距離很短，空間較大，且加料器轉軸上只安裝4片葉片，并保證2葉片與加料器外殼之間組成的空間能大一點，以徹底解決污泥受到擠壓和堵塞。
流化床的啟動是用啟動燃燒室來完成的。用輕柴油點燃啟動燃燒室產生高溫燃氣來加熱床料石英砂，之后再用點火煤預熱流化床到一定溫度后，即可投入城市污泥進行燃燒。
2.2測量系統(tǒng)
試驗的測量參數(shù)主要包括溫度、壓力、風量、煙氣成分和飛灰含碳量，溫度的測量主要是利用分布在試驗臺上原有8個測點，它們主要在沸騰段、懸浮段上；風量的測量除了用原來的玻璃轉子流量計測量總風量之外，還用微壓計和U型管等來測量二次風量。
煙氣和飛灰采樣測量系統(tǒng)共有2個煙氣和飛灰取樣點，它們與布風板的距離為1.56m和2.66m。此外，還有1個固體取樣點，在旋風分離器后。試驗時，使用德國羅斯蒙德公司BINOS100煙氣分析儀分析煙氣成分，它能在線分析CO、CO2、O2、NO、N2O、SO26種氣體的成份。在試驗中，還使用奧氏分析儀來分析測量CO、CO2、O2成分，以進行比較。
2.3試驗方法
試驗過程可以總結為3個步驟，即啟動、預熱、燃燒3個階段。啟動階段就是用輕柴油點燃啟動燃燒室產生高溫燃氣，用此燃氣預熱床層中的石英砂，以提高床溫。當床溫達到450℃時，即可向床層中加入點火燃料，在床溫升到950℃左右，在此溫度燃燒I～個爐體得到充分的預熱。然后停止加煤，開始向爐內加入城市污泥進行燃燒試驗。燃燒工況穩(wěn)定一段時間才能進行測試，以避免受前一個工況的影響。
本文的試驗工況主要有下列幾種：
（1）不同二次風率下城市污泥的燃燒；
（2）不同水分下城市污泥的燃燒；
（3）不同流化速度下城市污泥的燃燒；
（4）不同過剩空氣系數(shù)下城市污泥的燃燒。
試驗中所用的床料是20-40目和40-70目的石英砂混合物，總質量約35kg，其中20-40目的石英砂占2/3。試驗中所用的城市污泥含水率為40%，污泥焚燒特性如下：
低位發(fā)熱量：14880kJ/kg（干基）；
干基灰分：34.37%；
干基可燃分：65.63%；
可燃基分析：C53.3%；
H6.8%；
O30.3%；
N6.0%；
S1.5%。
3爐內的溫度分布及其影響因素
城市污泥的燃燒好壞可以直接從床內溫度和懸浮空間溫度分布情況看出，假定這些空間的溫度分布具有良好的穩(wěn)定性，則可以肯定城市污泥焚燒穩(wěn)定。實際上在這種工況下，污泥在各段的燃燒份額大致保持在一個固定的數(shù)值，城市污泥在爐內各部分的吸熱及放熱均維持在動平衡之中，從而保持爐內各段溫度的穩(wěn)定性。
3.1一、二次風量的影響
試驗中污泥的給料量不變，同時確保燃燒的總風量不變。調整二次風閥門的開啟度，改變二次風率，由于總風量恒定，二次風率改變的同時，一次風率隨之改變。由于二次風量的漸漸增加，加強了懸浮空間的擾動，使燃燒更強烈，提高了城市污泥的燃燼率。
二次風對城市污泥的燃燒有較大的影響。這主要是由于污泥的揮發(fā)份較多，幾乎達到50%，除一部分在沸騰段燃燒外，還有相當部分（近50%）在懸浮空間燃燒，而二次風又是在懸浮段被送進爐膛，與爐內未燃燼的煙氣混合，發(fā)生強烈擾動，從而使得燃燒較為充分和完整，提高了懸浮空間的溫度。在不同二次風率的工況下，沸騰段溫度變化不大，特別是下部床溫變化更小。按道理，二次風量加大，一次風量變小，流化速度降低，城市污泥在床內停留時間延長，床內污泥燃燒份額增加，床溫應明顯上升。另一方面，流化速度降低，床內擾動程度降低，同時因一次風量的減少，使得床內的氧濃度也隨之下降，這些因素均不利于污泥的充分燃燒，兩者綜合發(fā)揮作用，相互抵消，導致了床層溫度變化不大這一結果。
3.2流化速度的影響
保持城市污泥給料量一定，一、二次風量配比一定，調節(jié)總風量，以得到不同流化速度。
流化速度增加，增大了床層內細顆粒的夾帶量，降低了污泥在床層內的停留時間，減少了床層內城市污泥的燃燒份額，同時大量的一次風進入床層內又吸收了較多的熱量，這就導致了床層內的溫度下降。雖然流化速度增大有利于提高床層內燃料與氧氣的混合和擾動程度，有利于床溫的提高，但在流化速度增大到一定值后，升溫的影響已小于降溫的影響。因而，床層溫度總體呈下降趨勢。在流化速度增大時，從床層夾帶至旋風空間的細小污泥顆粒增多，污泥熱解出的大量揮發(fā)份被氣流攜帶至懸浮空間燃燒，增加了懸浮空間的燃燒份額，提高了該段的熱容量，因而該段的溫度呈上升趨勢。
3.3污泥水分對爐內溫度分布的影響
城市污泥水分不同，當水分增加時，懸浮空間溫度不降反升，與床溫的變化相反。當污泥投入爐膛后，大量的污泥水分在床層內吸熱蒸發(fā)，導致床層溫度下降，但由于床層蓄熱量較大，溫度下降較慢。在懸浮空間，由于污泥揮發(fā)分較大，可燃基揮發(fā)分達80%，導致相當部分揮發(fā)分在懸浮空間燃燒，使懸浮空間溫度上升，且揮發(fā)分燃燒速度較快，懸浮空間溫度因而能夠很快達到穩(wěn)定。
4城市污泥在流化床中的燃燒效率與燃燒份額
燃燒效率與燃燒份額是判定燃料燃燒狀況的綜合參數(shù)，特別是燃燒效率是判定燃料燃燒是否充分、完全的重要參數(shù)。城市污泥是一種工業(yè)廢料，利用焚燒處理是一種行之有效的方法，因此可用燃燒效率這個參數(shù)來判定處理城市污泥的效果如何。影響城市污泥燃燒效率的因素很多，下面著重從二次風、過�？諝庀禂�(shù)、流化速度3個方面研究城市污泥的燃燒效率。
4.1二次風率對燃燒效率的影響
試驗時保持污泥給料量一定，總風量一定，調節(jié)二次風率，測試在二次風率為0%、33%、49%情況下污泥的燃燒效率。
當二次風率增加，污泥的燃燒效率也相應提高，從二次風率R為0時的81.8%提高到R為49%時的94.8%。在二次風率較低時，一次風量大，流化速度高，床中的污泥顆粒揚析現(xiàn)象較為嚴重，在床內燃燒的停留時間短，大部分揮發(fā)分跑到懸浮空間燃燒，由于二次風量減少，在懸浮空間的擾動狀況較弱，不利于燃燼，燃燒效率較低。增大二次風率后，流化速度降低，床層顆粒的停留時間長，同時床層內氧氣濃度降低，更有利于污泥釋放出更多的揮發(fā)分；這些揮發(fā)分進入懸浮空間后，由于受到二次風強烈擾動，因而能夠有效、充分、完全地燃燒，降低了不完全燃燒損失，效率得以提高。
4.2過�？諝庀禂�(shù)對燃燒效率的影響
試驗時，保持污泥給料速度不變，一、二次風量配比不變，調節(jié)總風量，改變空氣過剩系數(shù)，測試城市污泥的燃燒效率。
隨著空氣過剩系數(shù)的增加，城市污泥流化狀態(tài)較好，爐內氧氣濃度較高，傳熱和傳質得到加強，在懸浮空間，由于二次風的強烈擾動，使懸浮空間的燃燒狀況進一步得以改善，因而隨著空氣過剩系數(shù)的增加，城市污泥的燃燒效率也隨之提高。在過剩系數(shù)已經很大的情況下，再進一步增加空氣過剩系數(shù)，城市污泥的燃燒效率已無明顯提高。如空氣過剩系數(shù)太大，過量的空氣將吸收大量的熱量，降低爐膛的燃燒溫度，將對城市污泥的燃燒效率起負面影響，同時，過量空氣也將增加排煙熱損失，降低城市污泥的熱回收率。
4.3流化速度對城市污泥燃燒效率的影響
對流化床鍋爐而言，流化速度是一個非常重要的參數(shù)，其值取得是否合適，直接影響流化床鍋爐的運行工況。若流化速度取得過小，則床料流化狀況惡化，燃燒工況也就不好；流化速度若取得過高，則會減少燃料在爐內的停留時間，揚析現(xiàn)象大大加劇，這些均不利于燃料的充分燃燒。
為了測試流化速度對城市污泥的燃燒效率的影響，在試驗時，保持城市污泥的給料速度不變，適當調節(jié)總風量和一、二次風量的配比，以改變流化速度。
當流化速度較小時，隨著流化速度的增加，城市污泥的燃燒效率隨之提高；當流化速度超過一定值后，再進一步提高流化速度，城市污泥的燃燒效率不升反降。這現(xiàn)象與前面所述的道理是相符的，在低流化速度下，適當提高流化速度，城市污泥的流化狀況得以改善，雖然同時城市污泥顆粒在床料內停留時間減少，但總的效果是前者的影響大于后者的影響，因而城市污泥的燃燒效率得以提高。而在流化速度較大的情況下，若再進一步提高流化速度，污泥的流化狀況并無多大改善，甚至大部分顆粒被吹走，其在流化床內停留時間大為縮短，在這種狀況下城市污泥的燃燒效率必然下降。
4.4城市污泥在床層內的燃燒份額
城市污泥不同于燃料煤，其可燃成分的絕大部分是揮發(fā)分，固定碳成分很少，揮發(fā)分約占可燃基的80%～90%，固定碳一般在20%以下，因而其在流化床內不同區(qū)段的燃燒份額明顯不同于煤。
隨著流化速度的增加，污泥在床內的燃燒份額漸漸減少。當流化速度為1.27m/s時，污泥在床內的燃燒份額是64.2%；當流化速度增大到1.89m/s時，床內污泥燃燒份額減少到47.8%。
隨著二次風率增加或流化速度降低，污泥顆粒在床內的停留時間延長，床內夾帶出的污泥細小顆粒減少，床內顆粒析出的揮發(fā)分在床內的停留時間也延長，從而使城市污泥在床內的燃燒份額增加。反之，二次風率減少或流化速度變大，城市污泥在床內的燃燒份額則會降低，這將造成床溫的下降，不利于污泥在床內的燃燒。
5結論
城市污泥試驗研究表明，在污泥水分小于50%時，污泥能夠穩(wěn)定地燃燒，床溫能穩(wěn)定保持在785℃以上；污泥水分大于50%時，因其含水量較大，有效熱值低，污泥無法維持穩(wěn)定燃燒。污泥燃燒時，二次風率對爐內溫度的穩(wěn)定分布影響較大，合適的二次風率（約40%），有助于提高懸浮段內溫度，強化污泥在懸浮段內的燃燒。流化速度也是影響污泥燃燒的一個重要參數(shù)，速度過高，會減少床內污泥燃燒份額，降低床溫，不利于污泥的燃燒；速度過小，則會影響床內污泥流化狀況，惡化床內污泥燃燒。
試驗研究表明，適當增大空氣過剩系數(shù)，能夠使污泥燃燒更充分，有利于提高燃燒效率。另外，影響污泥燃燒的因素還有污泥粒度、加料方式等等，它們對污泥燃燒的影響并不是孤立的，而是綜合發(fā)揮作用。所以，要全面考慮這些參數(shù)的影響，使城市污泥流化床焚燒技術更有效。
