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摘 要：汙泥是汙水處理的副產物，含有大量的有害物質。汙泥焚燒是將汙泥中的有機物在高溫條件下氧化分解為二氧化碳和水，同時回收熱能，能實現汙泥的無害化治理與資源化利用，是當前最主要的汙泥熱處理利用方法。

關鍵詞：汙泥 焚燒設備 結構 運行方式 優缺點

引言

城市汙泥中含有大量的有機物和一定量的纖維素、木質素，具有一定的熱值。焚燒法處理是在高溫條件下，使汙泥中的可燃組分與空氣中的氧進行劇烈的化學反應，將其中的有機物轉化為水、二氧化碳等無害物質，同時釋放能量，產生固體殘渣。如將熱量加以回收利用，可達到廢物綜合利用的目的。同時焚燒處理還具有有機物去除率高（99%以上）、適應性廣等特點，所以在發達國家已得到廣泛應用。

在汙泥焚燒設備中，流化床（FBC）和多膛焚燒爐（MIF）是應用最廣泛的主要爐型

1 多膛式焚燒爐

多膛式焚燒爐又稱為立式多段焚燒爐，是一個垂直的圓柱形耐火襯裡鋼製設備，內部有許多水平的由耐火材料構成的爐膛，自上而上佈置有一系列水平的絕熱爐膛，一層一層疊加。一段多膛焚燒爐可含有4—14個爐膛，從爐子底部到頂部有一個可旋轉的中心軸，如圖1所示。

多膛式焚燒爐的橫截面如圖2所示，各層爐膛都有同軸的旋轉齒耙，一般上層和下層的爐膛設有四個齒耙，中間層爐膛設有兩個齒耙。經過脫水的泥餅從頂部爐膛的外側進入爐內，依靠齒耙翻動向中心運動並通過中心的孔進入下層，而進入下層的汙泥向外側運動並通過該層外側的孔進入再下面的一層，如此反覆，從而使得汙泥呈螺旋形路線自上而下運動。鑄鐵軸內設套管，空氣由軸心下端鼓入外套管，一方面使軸冷卻，另一方面空氣被預熱，經過預熱的部分或全部空氣從上部迴流至內套管進入到最底層爐膛，再作為燃燒空氣向上與汙泥逆向運動焚燒汙泥。

從汙泥的整體焚燒過程來看，多膛爐可分為三個部分。頂部幾層為乾燥區，起汙泥乾燥作用，溫度約為425℃—760℃，可使汙泥含水率降至40%以下。中部幾層為汙泥焚燒區，溫度為760℃—925℃。其中上部為揮發分氣體及部分固態物燃燒區，下部為固定碳燃燒區。多膛爐最底部幾層為緩慢冷卻區，主要起冷卻並預熱空氣的作用，溫度為260℃—350℃。

該類設備以逆流方式運行，分為三個工作區，熱效率很高。氣體出口溫度約為400℃，而上層的溼汙泥僅為70℃或稍高。脫水汙泥在上部可乾燥至含水50%左右，然後在旋轉中心軸帶動的刮泥器的推動下落入到燃燒床上。燃燒床上的溫度為760℃—870℃，汙泥可完全著火燃燒。燃燒過程在最下層完成，並與冷空氣接觸降溫，再排入沖水的熄滅水箱。燃燒氣含塵量很低，可用單一的溼式洗滌器把尾氣含塵量降到200mg/m³以下。進空氣量不必太高，一般為理論量的150%－200%。

多膛爐的廢氣可通過文丘裡洗滌器、吸收塔、溼式或乾式旋風噴射洗滌器進行淨化處理。當對排放廢氣中顆粒物和重金屬的濃度限制嚴格時，可使用溼式靜電除塵器對廢氣進行處理。

多膛焚燒爐具有以下特點：加熱表面和換熱表面大，爐身直徑可達到7m，層數可從4層到14層；在連續運行中，燃料消耗少，而在啟動的頭1—2天內消耗燃料較多；在有色金屬冶金工業中使用較多，歷史也長，並積累了豐富的使用經驗。多膛焚燒爐存在的問題主要是機械設備較多，需要較多的維修與保養；耗能相對較多，熱效率較低，為減少燃燒排放的煙氣汙染，需要增設二次燃燒設備。

以前，汙水汙泥焚燒爐多使用立式多段爐，但由於汙泥自身熱值的提高使爐溫上升併產生攪拌臂消耗，以及焚燒能力等原因，同時由於輔助燃料成本上升和更加嚴格的氣體排放標準，多膛爐越來越失去競爭力，促使流化床焚燒爐成為較受歡迎的汙泥焚燒裝置。

2 流化床焚燒爐

流化床焚燒爐內襯耐火材料，下面由布風板構成燃燒室。燃燒室分為兩個區域，即上部的稀相區（懸浮段）和下部的密相區。

按照流化風速及物料在爐膛內的運動狀態，流化床焚燒爐可分為沸騰式流化床和循環流化環兩大類，如圖3所示。

流化床焚燒爐的橫斷面如圖4所示。高壓空氣（20kPa—30kPa）從爐底部耐火柵格中的鼓風口噴射而上，使耐火柵格上約0.75m厚的硅砂層與加入的汙泥呈懸浮狀態。乾燥破碎的汙泥從爐下端加入爐中，與灼熱硅砂劇烈混合而焚燒，流化床的溫度控制在725℃—950℃。

汙泥在循環流化床和沸騰流化床焚燒爐中的停留時間分別為數秒和數十秒。焚燒灰與氣體一起從爐頂部排出，經旋風分離器進行氣固分離後，熱氣體用於預熱空氣，熱焚燒灰用於預熱乾燥汙泥，以便回收熱量。流化床中的硅砂也會隨著氣體流失一部分，每運行300h，應補充流化床中硅砂量的5%，以保證流化床中的硅砂有足夠的量。汙泥在流化床焚燒爐中的焚燒在兩個區完成。第一個區為硅砂流化區，汙泥中水分的蒸發和汙泥中有機物的分解幾乎同時發生在這一區中；第二區為硅砂層上部的自由空曠區，這一區相當於一個後燃室，汙泥中的碳和可燃氣體繼續燃燒。

流化床焚燒爐排放廢氣的淨化處理可以採用文丘裡洗滌器和/或吸收塔。

汙泥流化床焚燒爐的焚燒溫度一般為660℃—830℃（輔助燃料採用煤時，該溫度區域可擴大為850℃），在該區域可有效消除汙泥臭味。焚燒溫度在730℃以上時，臭味的排放接近於零。此溫度可由設在爐床處的輔助燒嘴及熱風予以調節控制。

與多膛式焚燒爐相比，流化床焚燒爐具有以下優點：

2.1 焚燒效率高。流化床焚燒爐由於燃燒穩定，爐內溫度場均勻，加之採用二次風增加爐內的擾動，爐內的氣體與固體混合強烈，汙泥的蒸發和燃燒在瞬間就可以完成。未完全燃燒的可燃成分在懸浮段內繼續燃燒，使得燃燒非常充分。熱容量大，停止運行後，每小時降溫不到5℃，因此在2天內重新運行，可不必預熱載體，可連續或間歇運行；操作可用自動儀表控制並實現自動化。

2.2 對各類汙泥的適應性強。由於流化床層中有大量的高溫惰性床料，床層的熱容量大，能提供低熱量、高水分汙泥蒸發、熱解和燃燒所需的大量熱量，所以流化床焚燒爐適合焚燒各種汙泥。

2.3 環保性能好。流化床焚燒爐將乾燥與焚燒集成在一起，可除臭；採用低溫燃燒和分級燃燒，所以焚燒過程中NOx的生成量很小，同時在床料中加入合適的添加劑可以消除和降低有害焚燒產物的排放，如在床料中加入石灰石可中和焚燒過程中產生的SOx、HCl，使之達到環保要求。

2.4 重金屬排放量低。重金屬屬於有毒物質，升高焚燒溫度將導致煙氣中粉塵的重金屬含量大大增加，這是因為重金屬揮發後轉移到粒徑小於10μm的顆粒上，某些焚燒實例表明：鉛、鎘在粉塵中的含量隨焚燒溫度呈指數增加。由於流化床焚燒爐焚燒溫度低於多膛式焚燒爐，因此重金屬的排放量較少。

2.5 結構緊湊，佔地面積小。由於流化床燃燒強度高，單位面積的廢棄物處理能力大，爐內傳熱強烈，還可實現餘熱回收裝置與焚燒爐一體化，所以整個系統結構緊湊，佔地面積小。

2.6 事故率低，維修工作量小。由於流化床焚燒爐沒有易損的活動零件，所以可減少事故率和維修工作量，進而提高焚燒裝置運行的可靠性。流化床焚燒技術的優勢還在於有非常大的燃燒接觸面積、強烈的湍流強度和較長的停留時間。如對於平均粒徑為0.13mm的床料，流化床全接觸面積可達到1420㎡。

然而，在採用流化床焚燒爐處理含鹽汙泥時也存在一定的問題。當焚燒含有鹼金屬鹽或鹼土金屬鹽的汙泥時，在床層內容易形成低熔點的共晶體（熔點在635℃—815℃之間），如果熔化鹽在床內積累，則會導致結焦、結渣，甚至流化失敗。如果這些熔融鹽被煙氣帶出，就會黏附在爐壁上固化成細顆粒，不容易用洗滌器去除。解決這個問題的辦法是：向床內添加合適的添加劑，它們能夠將鹼金屬鹽類包裹起來，形成像耐火材料一樣的熔點在1065℃—1290℃之間的高熔點物質，從而解決了低熔點鹽類的結構問題。添加劑不僅能控制鹼金屬鹽類的結焦問題，而且還能有效控制廢液或汙泥中含磷物質的灰溶點。但對於具體情況，需進行深入研究

流化床焚燒爐運行的最高溫度通常決定於：

（1）汙泥組分的熔點；（2）共晶體的熔化溫度；（3）加添加劑後的灰熔點。流化床汙泥焚燒爐的運行溫度通常為760℃—900℃

流化床焚燒爐可以兩種方式操作，即鼓泡床和循環床，這取決於空氣在床內空截面的速度。隨著空氣速度的提高，床層開始流化，並具有流體特性。進一步提高空氣速度，床層膨脹，過剩的空氣以氣泡的形式通過床層，這種氣泡將床料徹底混合，迅速建立煙氣和顆粒的熱平衡。以這種方式運行的焚燒爐稱為鼓泡流化床焚燒爐，如圖5所示。鼓泡流化床內空床截面煙氣速度一般為1.0 m/s—3.0m/s。

當空氣速度更高時，顆粒被煙氣帶走，在旋風筒內分離後，回送至爐內進一步燃燒，實現物料的循環。以這種方式運行的稱為循環流化床焚燒爐，如圖6所示。其空床截面煙氣速度一般為5.0 m/s—6.0m/s。

循環流化床焚燒爐排放煙氣中NOx的含量較低，其體積分數通常小於100×10-6。這是由於循環流化床焚燒爐可實現低溫、分級燃燒，從而降低了NOx的排放

流化床焚燒爐的缺點是運行效果不及其他焚燒爐穩定；動力消耗較大；飛灰量很大，煙氣處理要求高，採用溼式收塵的水要專門的沉澱池來處理。

3 迴轉窯式焚燒爐

迴轉窯式焚燒爐是採用迴轉窯作為燃燒室的迴轉運行的焚燒爐，用於處理固態、液態和氣態可燃性廢物，對組分複雜的廢物，如瀝青渣、有機蒸餾釜殘渣、焦油渣、廢溶劑、廢橡膠、滷代芳烴、高聚物，特別是含PCB（印刷電路板）的廢物等都很適用。美國大多數危險廢物處置廠採用這種爐型。該爐型的優點是可處理廢物的範圍廣，可以同時處理固體、液體和氣體廢物，操作穩定、焚燒安全，但管理複雜，維修費用高，一般耐火襯裡每兩年更換1次。迴轉窯採用臥式圓筒狀，外殼一般用鋼板卷制而成；內襯耐火材料（可以為磚結構，也可為高溫耐火混凝土預製），窯體內壁是光滑的，也有佈置內部構件結構的。

汙泥迴轉窯焚燒爐見圖7。爐襯為混凝土結構和磚，混凝土部分設置內部構件結構，迴轉窯所配置的燃燒室做成帶滾輪的結構，可移動並且方便維修。

迴轉窯式焚燒爐的溫度變化範圍較大，為810℃－1650℃，溫度控制由窯端頭的燃燒器的燃料量加以調節，通常採用液體燃料或氣體燃料，也可採用煤粉作為燃料或廢油本身兼作燃料。

典型的迴轉窯焚燒爐爐膛/燃盡室系統如圖8所示，汙泥和輔助燃料由前段進入，在焚燒過程中，圓筒形爐膛旋轉，使汙泥和廢物不停翻轉，充分燃燒。該爐膛外層為金屬圓筒，內層一般為耐火材料襯裡。迴轉窯焚燒爐通常稍微傾斜放置，並配以後置燃燒器。一般爐膛的長徑比為2－10，轉速為1r/min－5r/min，安裝傾角為1°－3°，操作溫度上限為1650℃。迴轉窯的轉動將廢物與燃氣混合，經過預燃和揮發將汙泥化

為氣態和殘態，轉化後氣體通過後置燃燒器的高溫（1100℃－1370℃）進行完全燃燒。氣體在後置燃燒器中的平均停留時間為1.0s－3.0s，空氣過剩係數為1.2－2.0。

迴轉窯焚燒爐的平均熱容量約為63×106kJ/h。爐中焚燒溫度（650℃－1260℃）的高低取決於兩方面：一方面取決於廢液的性質，對於含滷代有機物的廢液，焚燒溫度應在850℃以上，對於含氰化物的汙泥，焚燒溫度應高於900℃；另一方面取決於採用哪種除渣方式（溼式還是乾式）。

迴轉窯焚燒爐內的焚燒溫度由輔助燃料燃燒器控制。在迴轉窯爐膛內不能有效地去除焚燒產生的有害氣體，如二噁英、呋喃等，為了保證煙氣中有害物質的完全燃燒，通常設有燃盡室，當煙氣在燃盡室內的停留時間大於2s、溫度高於1100℃時，上述物質均能很好地消除。燃盡室出來的煙氣到餘熱鍋爐回收熱量，用以產生蒸汽或發電。

4 爐排式焚燒爐

汙泥送入爐排上進行焚燒的焚燒爐簡稱為爐排型焚燒爐。

一般該焚燒爐爐排由9—13塊組成，固定和活動爐排交替放置。

用爐排爐焚燒汙水汙泥，固定段和可動段交互配置，油壓裝置使可動段前後往返運動，一邊攪拌汙泥層，一邊運送汙泥層。汙泥燃燒的乾燥帶較長，燃燒帶較短。含水率在50%以下的汙泥可以高溫自燃。上部設置餘熱鍋爐，回收蒸汽可以用於汙泥乾燥等。脫水汙泥餅（含水率為75%－80%）經過乾燥成乾燥汙泥餅（含水率為40%－50%）進入焚燒爐排爐，最終形成焚燒灰。

5 電加熱紅外焚燒爐

電加熱紅外焚燒爐如圖10所示，其本體為水平絕熱爐膛，汙泥輸送帶沿著爐膛長度方向佈置，紅外電加熱元件佈置在焚燒爐輸送帶的頂部，由焚燒爐尾端煙氣預熱的空氣從焚燒爐排渣端送入，供燃燒用。電加熱紅外焚燒爐一般由一系列預製件組合而成，可以滿足不同焚燒長度的要求。

在焚燒爐中，汙泥先被幹化，然後在紅外加熱段焚燒。焚燒灰排入到設在另一端的灰鬥中，空氣從灰鬥上方經過焚燒灰層的預熱後從後端進入焚燒爐，與汙泥逆向而行。廢氣從汙泥的進料端排出。電加熱紅外焚燒爐的空氣過剩係數為20%－70%。

電加熱紅外焚燒爐的特點是投資小，適合於小型的汙泥焚燒系統。缺點是運行耗電量大，能耗高，而且金屬輸送帶的壽命短，每隔3—5年就要更換一次。

電加熱紅外焚燒爐排放廢氣的淨化處理可採用文丘裡洗滌器和/或吸收塔等溼式淨化器進行。

6 熔融焚燒爐

很多爐型的運行溫度低於汙泥中灰分的熔點，灰渣中含有大量高濃度的汙染環境的重金屬，要處理處置這種汙染物，費用很高，並且需要特殊的填埋地點。

汙泥熔融處理的目的主要是控制汙水汙泥中含有的有害重金屬排放。預先乾燥的汙泥在超過灰的熔點溫度下進行焚燒（一般在1300℃－1500℃），形成比其他焚燒方式密度大2－3倍的融化灰，將汙泥灰轉化成玻璃體或水晶體物質，重金屬以穩定的狀態存在於SiO2等玻璃體或水晶體中，不會溶出（被過濾）而損害環境，爐渣可用作建築材料。向汙泥中加入石灰和硅石可降低熔融溫度，使運行容易、爐膛損耗減少。

6.1 一般來說，汙水汙泥的熔融設備系統由以下四個過程組成：

6.1.1 乾燥過程：將含有70%—80%水分的脫水汙泥餅降至含水10%—20%的乾燥汙泥餅。

6.1.2 調整過程：根據各熔爐的適用方式，進行造粒、粉碎、熱分解、炭化等。

6.1.3 燃燒、熔融過程：有機分燃燒，無機分首先變成灰，然後再熔融成為爐渣。

6.1.4 冷卻、爐渣粒化過程：使用水冷得到粒狀爐渣，空冷得到慢慢冷卻的爐渣，然後將結晶爐渣渣粒化後實現資源化利用。

6.2 用於汙泥處理的熔融爐有許多種，如表面熔融爐（膜熔融爐）、焦炭床式熔融爐、電弧式電熔融爐、旋流式熔融爐。

6.2.1 表面熔融爐（膜熔融爐）

表面熔融爐的構造有方形固定式和圓形迴轉式兩種。熔融汙泥時，有機成分首先熱分解燃燒，焚燒灰在爐表面以膜狀熔流滴下，形成粒狀爐渣。如果汙泥的發熱量在14654kJ/kg（3500kcal/kg）以上，能夠自然熔融。由於主燃燒室溫度為1300℃—1500℃，爐膛出口的煙氣溫度為1100℃—1200℃，可以進行熱量回收，用來加熱燃燒用空氣和在餘熱鍋爐中產生用於乾燥汙泥的蒸汽。

6.2.2 旋流式熔融爐

將細粉化的乾燥汙泥旋轉吹入圓筒形熔融爐內，汙泥中的有機成分瞬時熱分解、燃燒，這時形成1400℃左右的高溫，汙泥中的灰分開始熔融，在爐內壁上一邊形成薄層一邊流下，從爐渣口排出。

旋流式熔融爐有縱型（如圖11所示）、傾斜型和水平型三種爐型，原理都相同，具有旋風爐的特性，但汙泥送入熔融爐的前處理過程可能不同，有蒸汽乾燥、流動乾燥、流動熱分解等。

6.2.3 焦炭床式熔融爐

如圖12所示，填充焦炭為固定層，由風口吹入一次空氣，床內形成1600℃左右的灼熱層。這裡，含水率為35%－40%的乾燥粒狀汙泥和焦炭、石灰或碎石交互被投入。灰分和鹼度調整劑一起在焦炭床內邊熔融邊移動，生成的爐渣在焦炭粒子間流下。爐膛出口煙氣溫度為900℃左右，在500℃左右加熱空氣，然後進一步進行熱回收產生鍋爐蒸汽，蒸汽被送入槳式汙泥乾燥機。焦炭的消耗量受投入汙泥的含水率、發熱量及投入量影響較大，填充的焦炭必須保證一定的量。爐內容易保持較高的溫度，同樣適用於發熱量較低的汙泥或熔點較高的汙泥。對於發熱量較高的汙泥，不會節省焦炭，因此必須進行積極的熱回收。

6.2.4 電弧式電熔融爐

這種方式需先將汙泥乾燥到含水率為20%左右。電爐的電弧熱使乾燥汙泥餅中的有機物分解，變成可燃氣體，無機物作為熔融爐渣被排出。用高壓水噴射流下來的爐渣，使其粉碎後形成人工砂狀物。粒狀爐渣經沉降分離後由泵送到料斗中貯存。熔融爐中產生的熱分解氣體在脫臭爐中直接燃燒，乾燥機排氣在750℃左右脫臭，然後經過除塵裝置以及排氣洗滌塔處理後排放到大氣中。這種方式由於使用電能，成本較高，使用剩餘能量不如城市垃圾焚燒爐那樣優點突出。

7 旋風焚燒爐

旋風焚燒爐是單個爐膛，爐膛可動，齒耙固定（如圖13所示）。

空氣被帶進燃燒器的切線部位。焚燒爐是由耐火材料線性排列的圓頂圓柱形結構，以即時燃料補充的方式加熱空氣，形成了一個提供汙泥和空氣混合良好的強漩渦形式。空氣和煙氣在螺旋氣流中順著圓頂中心位置排出的煙氣迴旋垂直上升。汙泥由螺旋給料機供給，在迴轉爐膛的外圍沉積，並被耙向爐膛中心排出，正如飛灰一樣。螺桿抽油泵用來供給汙泥。焚燒爐內的溫度為815℃—870℃。這些焚燒爐相對較小，在操作溫度下，可在1h內啟動。

旋風焚燒爐的一個改型如圖14所示，這是一種臥式焚燒爐。飛灰通過煙氣排出。汙泥從爐壁沿切線方向由泵打進焚燒爐，空氣被帶進燃燒器的切線部位形成旋風效果。這種焚燒爐沒有爐膛，只有爐殼和耐火材料。在這種爐中汙泥的停留時間不超過10s。燃燒產物在815℃下從渦流中排出，確保完全燃燒。

旋風焚燒爐適用於汙水日處理量小於9000t/d的汙水處理廠的汙泥的焚燒。這種處理方式相對便宜，機組結構簡單。臥式焚燒爐可以作為一個完全獨立的設備以單獨安裝，適用於現場焚燒汙泥，運行時僅需配備進料系統和煙囪。

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