高效节能型燃煤（燃油）立式旋风炉在工业污泥焚烧新工艺生产线的设计与运用

吕宜德，吕　元

（武汉奥杰科技股份有限公司，湖北武汉430223）

高效节能型燃煤（燃油）立式旋风炉在工业污泥焚烧新工艺生产线的设计与运用

吕宜德，吕元

（武汉奥杰科技股份有限公司，湖北武汉430223）

本工艺生产线中应用了高效改进型燃煤（燃油）的立式旋风炉，液态出渣指标非常理想，真正意义上达到了工业污泥（含危险物品与有毒污泥）减量化与无害化的目的。同时在生产线中，引进了美国的物料沸腾式干燥技术，彻底淘汰了传统的回转式干燥机，减少了投资与占地面积，保证了污泥干燥质量。在余热发电锅炉与环保系统之中，对粉尘、硫化物、氮化物、二噁英和重金属污染物、以及工业污泥液态渣资源化方面也作了设计说明。

高效改进型燃煤旋风炉；工业污泥；沸腾式干燥系统；余热锅炉发电（供热）；环境保护；工业污泥资源化

在我国巨量的工业体系之中，有些工厂自行消化了部分污泥，绝大部分工厂都像处理城市垃圾一样采用填埋方式、堆肥方式、焚烧方式，但有些不道德的中小企业采取偷排至山川、河流、湖泊或海洋之中，也有些企业的污泥倾倒于拦坝式建成的水塘之中，任其发展。这些现象造成我国植被的长期破坏以及土壤的重金属严重污染。不光占据了大面积的土地和良田，且所造成的损失不是三五年就能恢复起来的，已直接影响了人类的身体健康。这种破坏程度远比空气污染更严重。

在国际上先进发达的国家如日本、德国、美国、新加坡，这些国家的工业污泥几乎都是采取了焚烧、液态出渣技术。特别是新加坡，100%都是采用这种焚烧技术，消灭这些污染物［4］。

在建设美丽中国城镇化的进程之中，工业污泥的焚烧技术作为一个新兴产业的兴起，必将为我国的环保事业做出应有的贡献。

1　新工艺流程图

工业污泥余热流化干燥燃煤旋风炉液态出渣处理新工艺流程见图1［1］。

2　工艺流程

本工艺总体设计为本公司的国家发明专利技术。为了造福国家民生与环保事业，本公司愿意抛砖引玉，做一个环保事业的宣传鼓动者，供大家参考。现将工艺流程中的核心技术分述如下。

图1　工业污泥余热流化干燥燃煤旋风炉液态出渣处理工艺生产线流程图

2.1工业污泥配料系统

在日产1 000 t，小时产量42 t的生产线中，经脱水机脱水后，含水50%左右工业污泥湿料中，必须按比例配人干助燃剂（煤粉）与干粉碱剂（如：CaO、MgO），由混料机均混后人库。并由成球机与计量皮带称进人物料热风流化沸腾床，进行干燥处理。

2.2污泥流化沸腾干燥系统

由发电供热锅炉出口的600～700℃的尾烟气流，高速喷人流化沸腾床底部的高压热风均化室。通过布风板与部分压缩蒸气汇人管式高速风帽，形成一种防堵型风帽。在床下形成可操作的热风气流沸腾层，由下料系统，在二次风作用下，均匀分散于整个床面。形成物料不停地上下翻滚的沸腾面。在热风的作用下，与湿污泥不断地进行热交换。在操作过程中形成部分污泥沸腾燃烧。将工业污泥中人床水份由60%下降至20%以下，最好为10%左右。只有这种流化床才能达到物料大面积的热交换。而其它的干燥技术，如回转式滚筒烘干机是根本达不到如此效果。笔者在内蒙某工地干燥精洗煤粉采用本装置对含湿量达40%以上精洗煤粉，干燥到终水份6%以下，并达到300 t/h以上。相比采用回转干燥机，其造价、占地面积、用电等方面投资大大减少。产量与质量由床体下料溢流口处的下料阀门控制。本床上部所产生的水蒸气与废气、粉尘等气流，由高温旋风分离器进行气、粉分离后，烟气出口由引风机带人文氏管脱硫型多级水雾除尘器急冷并进人脱硫脱硝除尘系统。旋风分离器分离出的粉尘与流化床溢流口的干污泥一并进人污泥输运系统，进人燃煤旋风炉，组织焚烧处理。

2.3高效节能型燃煤旋风炉焚烧与液态渣处理系统

自我国20世纪80年代引进苏俄与德国技术以来，燃煤（燃油）旋风炉技术在我国各行业，如电站锅炉行业、化工冶炼行业有很大发展，已建成一定数量的旋风炉并运行良好。有些企业如武昌电厂附烧钙镁磷肥取得了可喜的成绩，得到国家有关部门的充分认可［2］。

立式（卧式）燃煤（燃油）旋风炉在世界各发达国家特别是日本、新加坡等国家对处理工业污泥应用极为广泛，几乎是处理工业污泥唯一选择的炉型。传统的立式燃煤（燃油）旋风炉与混合燃烧室配套组成为一体并充分利用炉内旋风燃烧的工作原理，在连续生产中的助燃固体或液体燃料在炉内停留时间比任何炉型都长，炉内温度高达1 800～2 000℃。由于空气系数控制在0.95～1.05，在炉内形成还原的燃烧正压气氛。一切有害、有毒物包括各种金属氧化物、氯化物、二恶英类（PCDDS和PCDFS）以及有机大分子化合物、重金属（Pb、Hg、Gd、Cr等）都将在此高温环境之中得到彻底分解为单质物质。特别是将大部分重金属以合金形态固化在液态渣中，经水淬后变为有用的无毒无害的建材原料，真正做到工业污泥的减量化、无害化与资源化。同时，与一般同规格的液态出渣的煤粉炉比较、占地面积小、炉型紧凑，其投资要小很多。炉型大小，现已形成不同系列的炉型，均能满足各地工业污泥焚烧处理的要求。但为什么这样的炉型没有普遍推广？笔者认为有如下几个原因：①该技术难度很高；②NOx排放浓度比其它炉型高，环保不能过关；③当时的自动化操作水平低等。

科技不断进步的今天，这些问题都已得到了很好解决。与传统的旋风炉相关结构相比也进行了不少创新与完善。

高效节能型新式燃煤（燃油）旋风炉改进后特点：

（1）特点一：新式旋风炉出口端设置余热发电供热锅炉

混合燃烧室现改为余热发电供热锅炉。由于旋风炉炉内是还原正压燃烧气氛，其出口有大量的化学不完全燃烧的可燃气体（CO、CH4、H2）。这些可燃气体进人发电锅炉内与锅炉尾部的空预器换热鼓人的新鲜空气混合，产生放热反应并进行剧烈的燃烧。燃烧气氛由旋风炉的还原气氛转为氧化燃烧气氛。为了控制NOx还将引风机出口的部分废气引人锅炉内组织燃烧，按比例喷人氨水组成第二级SNCR低NOx循环烟气燃烧系统，来达到第二级脱除NOx目的。余热锅炉尾部可按常规发电锅炉配置，由过热器、省煤器与空气预热器组成。空气预热器出口烟气温度还有近700℃的高温，进人工业污泥的流化沸腾干燥炉底的热风均化室。

发电锅炉产生蒸汽进人汽轮机发电系统，并人当地电网，或产生热水并人当地的供热系统。

（2）特点二：将切向进风改为割向进风

在我国所用的燃煤旋风炉，绝大部分只采用一层切向进风。生产实践得知，由于三次风旋转力度根本不够，头两圈以后的旋转风损减程度很大，达不到实际要求。其最明显的是耐火材料表面渣膜不易形成，对耐火材料抗磨性、抗温性影响很大。由于经常维修，增加了运行成本。其二，由于三次风采用双向进风，即便是热风，但对于旋风炉都仍然是冷风，在三次风的前端炉壁上，极易结焦，需要经常性人工或机械清焦，且由于炉内正压又会造成不安全因素。改为割向进风且将割向部分改为直线后，其结焦现象很少发生（见图2、图3）。炉内壁渣膜很快形成，保护了炉内的耐火材料，减少了因人工或机械清焦的运行成本［9］。

改为二层割向同向进风、进料孔后，一则增加了煤、风、料在炉内停留时间，提高可燃物的燃尽率。由于炉内正压还原燃烧气氛、极大地减少了NOx的产生。形成第一级脱硝工艺，克服了因环保不过关的难题。也满足了工业炉燃烧的黄金三原则，即时间（time）、燃烧温度（temperature）、扰动（turbulence）三“T”原则［4］。

（3）特点三：旋风炉出渣系统

旋风炉液态出渣溶池内含有大量的重金属。根据液态渣不同的比重，在溶池内部的不同结构，将重金属进行直接分离［5］，分别流人水淬池内，再进行磁选，分别回收。从而解决了传统旋风炉因析“铁”现象，造成炉底耐火材料破坏，增加维修成本的问题。

因此，对影响工业污泥的顺利液态出渣系统的设计，同时还需考虑如下两大因素：

一则，稳定渣池的温度，在溶池内要通人适当富氧空气，加速旋转扰动与控制好还原或半还原燃烧气氛。从而加快出渣速度，以利于提高旋风炉的产量。

实际的旋风炉运行中，一般旋风炉溶池内控制温度均在（1 550±50）℃范围内。不管是低溶点的可溶渣，还是高溶点的可溶渣，在本系统内部都能非常顺利地出渣。

二则，液态渣流出炉外后，即进人水淬系统即重金属物水淬与非金属物水淬。分别由捞渣机捞出后，水与液态渣回收，再循环利用。

旋风炉出口喷出大量高温达到1 300℃的火焰流，其中含有大量的因化学不完全燃烧产生的可燃气体（CO、CH4、H2）。经旋风炉出口捕渣管系统，其捕渣率可达到70%～85%左右，是所有工业炉中捕渣效率最高的一种炉型。上述两点设计也是不可忽视的。

图2　立式旋风炉纵向剖面示意图

图3　立式旋风炉A-A剖面示意图

3　高效节能型旋风炉焚烧处理工业污泥的环保性

3.1硫化物（SOx）的处理

在工业污泥处理中，因大部分工业污泥处于酸性。工业污泥进厂后，在初步由脱水机脱水后，需对其碱性化处理。即按比例加人碱性剂，如石灰石粉或白云石粉与助溶剂。在进行流化沸腾干燥处理后，进人高温旋风炉，在炉内进行脱硫。在还原燃烧气氛下产生弱碱性渣。在干燥加热过程之中，必定有部分逃逸掉的有害气体或二次生成的硫化物。其中的SOx随烟气进人脱硫型文氏管多级氨水或尿素水溶液喷雾除尘器进行二次二级脱硫与除尘，脱硫效率可达到98%以上。再进人NID半干法脱硫型抗结露脉冲布袋除尘器进行第三次脱硫脱硝处理［6］。在引风机后的喷雾脱硫脱硝塔进行第四次脱硫脱硝处理，其脱硫效率几乎达到99%以上，对外排放的SOx＜50 mg/m3。

3.2氮氧化物（NOx）的处理

严格控制过剩系数在0.95～1.1之间，也需同时采用低NOx煤粉燃烧器或低NOx重油燃烧器或低NOx低热值的煤气燃烧器并组织好三次风。割向喷料三次风系统必须采用低氧的循环烟气加上富氧压缩空气在炉内形成还原燃烧气氛，并形成多级配风技术，在炉内形成一定的正压。由高温旋风炉出口高温高速的还原火焰气流，进人发电、供热锅炉。由循环烟气与锅炉尾部空气预热器过来适量新鲜空气进人该系统，组织第二次即SNCR低NOx燃烧锅炉系统。在该系统中，过剩系数可控制在1.2～1.25，形成氧化微负压燃烧体系。在工业污泥流化沸腾干燥炉的出口，烟气温度还有近500℃左右，再进人第二级脱硝系统，即SCR脱硝系统。在此脱硝过程中关于催化剂与还原剂氨水或尿素选用与维护保养问题，在此不再详述。

在引风机尾部的洗涤SOx、NOx少水型喷雾塔，进一步对被逃逸的有害气体与粉尘进行最后净化，使脱硝率达到99%以上。其对外排放的烟气粉尘可达到10 mg/m3以下，NOx可达到100 mg/m3以下，实验室生产得知，［1］物料流化沸腾床烟气出口质量浓度（ρ/mg·m-3）：CO＜2.5、NOx＜61.8、SO2＜5.7、HCl＜2，满足国家最新环保要求。

3.3二恶英、吠喃类处理

工业污泥或者城市垃圾燃烧过程中会产生大量的二恶英类有害物质。不论是传统的炉排炉城市垃圾焚烧还是回转窑工业污泥焚烧都不能彻底解决好这一问题。该有毒物质只有在1 300℃以上才能彻底分解为无毒的单质气体分子。但是分解后的无毒物质，在烟气流动的冷却过程中，由于烟气中产生氯化铜、氯化铁等催化剂的作用下，C6H5Cl类和C6H4ClOH类前体物又重新组合生成二恶英类。因此，解决二恶英有毒物质，必须考虑在什么温度环境下发生分解反应，在什么温度发生合成反应。

因此，在本工艺中，工业污泥焚烧干燥流化烟气出口，设置脱硫型文氏管多级氨水或尿素溶液喷雾除尘器。采用这种由500℃的烟气迅速下降至200℃以下的急冷措施，可有效防止二恶英类物质的重新合成。实验室生产得知，烟道出口尾气中二恶英/ ng-TEQ.m-3＜0.025，已超过最新国家环保指标。

3.4重金属的处理

在旋风炉炉底溶池内，形成强烈的旋转渣流扰动，以利弱碱性渣顺利出炉。所有的重金属及金属氧化物以及氯化物、有机大分子、二恶英、呋喃类等，在1 800℃的高温环境下，全部分解，燃烧完全。但在旋风炉出口烟气中，也会有相当部分重金属蒸汽逃逸出来，进人后续系统中。除了文氏管多级湿法洗涤烟气外，还在NID布袋除尘器的人口处，按烟气中重金属比例喷射活性碳粉进人NID抗结露型布袋除尘器内，以加大重金属吸附作用，彻底防止逃逸后的重金属物质排人大气中。实验得知，Pb、Hg、Cr等均已达到最新国家环保指标。

4　各类工业污泥焚烧液态渣的综合利用

高温旋风炉问世以来，特别是燃煤旋风炉广泛应用后，人们发现燃煤旋风炉不光可以使用一般的烟煤，低溶点的褐煤，还可使用大量多灰份劣质煤、杂煤，其煤粉细度还可进一步放宽，降低制粉系统的电耗。因此，工业污泥的液态渣中，也有相当部分的燃煤灰渣。从旋风炉出口的液态渣，通过金属与非金属渣水淬分离，形成异常坚硬的玻璃体。这种非金属的物质，可做成形状各异的渣砖，或代替粗骨料（碎石）加发泡剂做成各类混凝土彩色滤水道路砖，或用于公路的垫层，或用于砖厂、水泥厂的水泥填充物均可。

如在我国城镇的区域内或工业园区内，建立工业污泥或城市垃圾焚烧中心站供热或供电系统。为解决燃煤散烧，防止空气污染，也为绿色发展的城镇建设之路给于非常有力的补充，真正意义上实现了有害物质的资源化利用。

5　结语

（1）焚烧处理新工艺中提出新型燃煤（燃油）旋风炉相比传统旋风炉切向三次风进口，改为割向双层三次风系统，基本上克服风口结焦现象。由于双层同向进风进料，加强炉内旋转强度，增加了燃料、物料在炉内的停留时间，保护了炉内耐材，提高了耐材使用寿命。

（2）炉体底部出渣系统，采用了金属与非金属分离出渣整体耐材浇注系统，克服了炉底“析铁”现象产生，也保护了炉底耐材，提高了使用寿命。加之采用富氧燃烧技术，加大溶渣流出强度，确保溶池内的温度为提高溶渣产量，降低溶渣茹度，加快溶渣流出速度提供了有力的保证。

（3）严格控制过剩系数，使旋风炉内始终处于一种高温还原或高温半还原正压燃烧气氛，使一切有毒物质，有机大分子，氯化物或其前体物都将在此环境中得分解燃烬。其中重金属分解还原为金属以其合金体固化在溶渣中。同时更为重要的是采用了循环烟气燃烧技术，实现了低NOx燃烧技术，进一步降低NOx产生，为后续SCR脱硝处理NOx打下了良好的基础，为旋风炉这一新型的燃烧炉型，进一步扩大了使用面。

（4）在此新工艺中，又一亮点是采用先进热风流化物料沸腾干燥系统，替代了传统回转窑的干燥焚烧或回转式干燥机干燥技术。本装置具有占地面积小，投资省、干燥效果好，产量高等特点。

［1］王茂刚.旋风炉设计与运行［M］.北京：机械工业出版社，1980.

［2］王华，胡建抗，王海瑞，等.城市生活垃圾直接气化熔融焚烧技术［M］.北京：冶金工业出版社，2004.

［3］王华，马媛媛.城市固体废弃物焚烧处理项目的技术经济评价［M］.北京：冶金工业出版社，2005.

［4］吕宜德.一种城市垃圾或工业污泥热解化机械化生产煤气高炉：201510587949.0［P］.2015-09-17.

［5］潘云从，蒋继穆，施维一，等.有色金属冶炼设计手册-铜冶炼篇［M］.北京：冶金工业出版社，2007.

［6］梅炽.有色冶金炉［M］.北京：冶金工业出版社，2006.

［7］韩昭沧.燃料及燃烧［M］.2版.北京：冶金工业出版社，2007.

［8］蒋文举.烟气脱硫脱硝技术手册［M］.北京：冶金工业出版社，2007.

［9］刘麟瑞.林彬荫.工业窑炉用耐火材料手册［M］.北京：冶金工业出版社，2001.

［10］龚宇梦，张玲玲，苍大强，等.几何和操作参数对旋流炉内气流场的影响研究［J］.工业炉，2015（6）：1-5.

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

中国科技部创新基金资助项目（12C26214204507），国科发计［2012］778号

吕宜德（1947—），男，高级工程师，长期从事工业炉窑以及热工机械及各类高性能的低NOx煤粉燃烧器、低热值煤气燃烧器以及“三废”处理、循环经济的研发与设计工作.