掺烧污泥循环流化床锅炉污泥给料及配风系统设计与应用

潘春鹏

（浙江建设职业技术学院，浙江 杭州 311231）

如何合理处置城市污水处理系统产生的污泥是近年来环保领域的一大热点问题。目前污泥主要处理方式有浓缩（调理）、脱水、厌氧消化、好氧发酵、石灰稳定、干化和焚烧等，其中污泥焚烧处置技术因在污泥稳定化、减量化、无害化、资源化利用中存在巨大优势而被广泛使用［1］。循环流化床（CFB）锅炉对燃料具有很强的适应性，适合用于焚烧污泥。王彬全等［2］的研究表明，在CFB锅炉中，含水率45%的污泥可实现不投煤稳燃；含水率在59%时耗煤量最少［2］。污泥含水率高低对CFB锅炉焚烧有较大影响。李博等［3］的研究表明，污泥不投辅助燃料焚烧时，当入炉污泥含水率高于61%，床温将低于850 ℃；当入炉污泥含水率控制在60%，床温处于 850～950 ℃ 的合理区间［3］。江子箫等［4］对深度脱水-热干化-焚烧系统的经济性进行了分析。结果表明，该系统（深度脱水污泥含水率55%～65%，热干化后污泥含水率10%～30%）效益为负值。在实际CFB污泥焚烧锅炉工程应用中，为了减少对锅炉燃烧的影响，并考虑到经济性，入炉污泥含水率一般控制在50%～60%。如浙江绍兴某污泥焚烧发电一期工程，日处理市政污水污泥2 500 t（含水率 80%），污泥干化系统采用圆盘式蒸汽干化机，干化后污泥含水率在60%左右，污泥的工业元素分析如表1所示。二期工程日处理污泥 1 500 t（含水率 65%），污泥干化工艺采用机械压滤式，干化后污泥含水率在50%左右。

污泥在含水率为50%～60%时，呈泥块状，具有黏性大、流动性差的特点。如何将污泥顺利送入炉膛焚烧是循环流化床锅炉掺烧污泥工程设计中的重点和难点。污泥给料系统的设计要点是防止污泥在输送、存储过程中堵塞从而导致系统停运。目前利用燃煤循环流化床锅炉处置污泥的工程投运较少，相关的给料和配风系统的工程设计应用成果未见报道。本文结合已成功投运的浙江杭州某热电厂CFB锅炉污泥焚烧系统改造项目（简称本项目），对污泥炉前给料系统及配风系统设计做详细介绍。

表1 干化后污泥的工业元素分析Tab. 1 Proximate and ultimate analyses of dried sludge

1 设置单独的污泥输送系统

本项目在未进行污泥焚烧系统改造前，污泥借助于输煤系统进行上料，即将污泥破碎后与煤混合，通过输煤皮带将污泥和煤送入炉前煤仓，然后通过皮带式给煤机将污泥和煤送入炉膛焚烧。该方案的优点是减少了物料输送皮带数量，降低了投资成本。但采用该上料方案后，运行过程中煤仓经常发生堵塞。

经分析，由于污泥含水率（50%左右）高，具有较强黏结性，在栈桥输送以及在炉前煤仓存储过程中，容易将煤黏结在一起。同时，炉前煤仓储煤量需约为10 h的锅炉最大连续蒸发量（BMCR）工况下耗煤量。污泥在煤仓中存储时间长，在下行过程中，重力的挤压作用越来越大，污泥和煤不断被压实、结块，导致煤仓堵塞概率增加。煤仓堵塞后很难清理，通过捅煤孔很难将污泥和煤的黏结硬块取出。

本项目在方案论证时确定了设置单独的污泥输送栈桥，将污泥和原煤分开输送的原则。该方案虽然投资成本高，改造工作量大，但避免了污泥因在炉前煤仓存储时间过长、挤压力过大造成的堵塞问题，有利于系统长期稳定、连续运行。污泥输送系统的平面布置如图1所示。

图1 污泥输送系统的平面布置Fig. 1 Plane layout of sludge conveying system

以杭州地区为例，1 t干污泥的处置费用为150～300元，4台锅炉每小时焚烧污泥共16 t，按热电厂年运行6 000 h计算，一年获得的污泥处置补贴为1 440～2 880万元。而改造项目设备、土建、施工等费用共花费1 670万元。项目建成投运后，仅需约7～14个月即可将投资成本回收。

2 设置小容积圆柱形污泥炉前仓

污泥黏性大，流动性远差于煤，圆柱形污泥仓能避免矩形仓边角处污泥搭桥。另外，采用小容积的炉前污泥仓时，一旦发生堵塞或紧急停炉时容易清理，便于再次投运。污泥储量小意味着料位高度较低，污泥受挤压板结的可能性也随之降低。

本项目每台CFB锅炉污泥掺烧量为4 t·h-1，炉前设置了入口直径为2.2 m、出口直径为1.55 m、总高度为3.52 m的圆柱形污泥炉前仓，几何容积约10.7 m3，按充满系数0.8估算，可存储约2 h掺烧量的污泥。污泥仓内壁衬厚度为3 mm的304不锈钢薄板，以减小污泥与仓壁的摩擦系数。

3 设置主动式污泥清堵装置

由于给料机入口尺寸（一般约φ500 mm口径）远小于污泥仓出口尺寸（φ1 550 mm），在通流面积不断缩小的过程中，污泥容易产生搭桥而堵塞。仅靠污泥自身重力以及增强污泥仓内壁光滑度，很难保证污泥在给料系统中顺畅运行。为此本项目在污泥仓出口设置了旋转刮刀式污泥清堵机。刮刀贴清堵机内壁旋转，使污泥和内壁分离，解决了污泥搭桥的问题。同时，污泥在自身重力及旋转刮刀作用下斜向下运动，能产生向下的挤压力，有助于污泥下行。

4 采用无轴螺旋式污泥给料机

螺旋式给料机相对于皮带给料机，对物料的推力更大，适合输送阻力大、黏性强的物料。有轴螺旋输送机适用于无黏性的干粉物料和小颗粒物料，如水泥、粉煤灰、石灰、粮等。而无轴螺旋输送机适合输送如污泥、生物质、垃圾等有黏性和易缠绕的物料。因此本项目选用无轴螺旋式给料机作为最后一个污泥给料设备。

5 采用一次热风送料

常规燃煤CFB锅炉的送煤风接自一次冷风，播煤风接自一次热风。高温的送污泥风（约200 ℃）能蒸发污泥中部分水分，增加污泥的流动性，有助于污泥顺利进入落料管。炉前污泥给料系统布置如图2所示，设备参数如表2所示。

图2 炉前污泥给料系统立面布置图Fig. 2 Elevation arrangement of sludge feeding system in front of the boiler

CFB锅炉掺烧污泥炉前给料配风系统的设计原则是针对污泥流动性差、易黏结的特性，在栈桥输送、炉前仓存储、下料等各个环节采取措施防止污泥堵塞。笔者提出了设置单独的污泥输送栈桥以避免污泥和煤共用栈桥，采用小容积（不超过2 h污泥焚烧量）圆柱形炉前污泥仓以避免边角搭桥，减小下部污泥挤压力并降低停炉或污泥仓堵塞时的清理难度，同时，配置主动式清堵装置提高污泥下料顺畅性，并选用适合输送污泥的螺旋式给料机。最后，考虑到寒冷天气运行工况，送料风采用一次热风，以提高污泥在落料管中的流动性。该系统在杭州某热电厂掺烧污泥系统改造中应用，自2017年1月建成投运以来，运行良好。

表2 污泥输送系统设备Tab. 2 Equipment in the sludge conveying system