流化床焚烧炉飞灰产生量特点及其控制策略研究

引言

流化床焚烧技术因其对燃料适应性强、燃烧效率高、污染物控制效果好等优势，在我国生活垃圾、工业危废和生物质处理领域广泛应用。然而，流化床焚烧炉的飞灰产生量显著高于其他炉型，其飞灰特性复杂，含有高浓度重金属、二噁英及高氯盐等污染物，对后续处理处置提出严峻挑战。本文从飞灰产生量的量化特征、形成机理、影响因素及控制策略四方面展开系统分析，为流化床焚烧技术的优化提供理论支撑。

一、飞灰产生量的量化特征

1. 绝对量与相对量的双重高位

流化床焚烧炉的飞灰产生量呈现“绝对值高、占比大”的特点。以生活垃圾处理为例，机械炉排炉的飞灰产生量约为入炉垃圾量的3%-5%，而流化床焚烧炉的飞灰产生量高达10%-15%，是炉排炉的2-3倍。某典型流化床焚烧厂数据显示，其日处理垃圾800吨时，飞灰日产量达96吨，年产生量超过3.5万吨。在工业危废处理领域，流化床焚烧炉的飞灰占比甚至可达20%以上，显著高于回转窑（5%-8%）和热解炉（3%-5%）。

2. 粒径分布的细颗粒主导性

流化床飞灰粒径普遍小于煤粉炉飞灰，平均粒径在38-53μm之间，其中粒径小于10μm的细颗粒占比超过30%。这种细颗粒特性导致：

• 分离难度大：传统旋风分离器对细颗粒的捕集效率仅60%-70%，需配套布袋除尘器才能达到99%以上的捕集率；
• 二次扬尘风险高：细颗粒在输灰、储存过程中易产生扬尘，造成二次污染；
• 资源化利用受限：细颗粒比表面积大，重金属和氯盐富集度高，直接用于建材生产易导致产品性能劣化。

二、飞灰形成机理的复杂性

1. 燃烧方式的本质差异

流化床焚烧采用“悬浮流化+瞬时燃烧”模式，垃圾在炉内停留时间短（通常1-3秒），导致：

• 有机物裂解不充分：长链有机物（如塑料、橡胶）在高温下快速裂解为短链挥发分，但未完全氧化即被烟气携带出炉；
• 无机物熔融不彻底：灰分中的硅铝酸盐未充分熔融聚合，形成大量玻璃体与未燃炭颗粒的混合物；
• 脱硫反应不完全：流化床内CaO与SO₂的反应时间不足，导致飞灰中残留大量未反应CaO和生成的CaSO₄。

2. 烟气净化系统的二次贡献

流化床焚烧炉通常配套“半干法脱酸+活性炭吸附+布袋除尘”组合工艺，该系统在净化污染物的同时会显著增加飞灰量：

• 脱酸反应产物：Ca(OH)₂与HCl、SO₂反应生成CaCl₂、CaSO₄等盐类，这些固体产物随烟气进入除尘器；
• 活性炭吸附产物：未反应的活性炭颗粒（占飞灰量的5%-10%）及吸附重金属后的复合物；
• 布袋除尘器截留：烟气中携带的未燃尽炭颗粒、脱硫产物和活性炭被布袋拦截，形成最终飞灰。

三、飞灰产生量的关键影响因素

1. 燃料特性

• 氯含量：垃圾中PVC塑料、食盐等含氯物质含量每增加1%，飞灰产生量上升0.8%-1.2%。某流化床焚烧厂实验表明，当垃圾氯含量从0.5%升至2.0%时，飞灰产量从8%增至14%；
• 水分含量：高水分垃圾（>50%）需消耗更多辅助燃料蒸发水分，导致炉温波动，未燃尽物增加。实验数据显示，水分每升高10%，飞灰热灼减率上升3%-5%；
• 灰分含量：灰分占比高的燃料（如生物质、污泥）会直接增加飞灰基数。某污泥流化床焚烧项目显示，污泥灰分含量达40%时，飞灰产生量是生活垃圾的1.8倍。

2. 运行参数

• 流化速度：流化速度从3.5m/s提升至4.5m/s时，飞灰携带量增加25%，但过高的流速（>5m/s）会导致床料流失；
• 过剩空气系数：过剩空气系数从1.2增至1.4时，飞灰中CO含量从0.5%降至0.1%，但NOx排放量上升40%，且飞灰产量因烟气量增加而上升8%；
• 燃烧温度：温度从850℃升至950℃时，飞灰中未燃炭含量从8%降至2%，但高温会加速灰分熔融，导致结焦和飞灰粒径粗化。

3. 烟气净化配置

• 脱酸工艺选择：半干法脱酸产生的飞灰量是干法的1.5-2倍，但脱酸效率更高；
• 布袋除尘器类型：覆膜滤袋比普通滤袋的飞灰捕集效率高5%-8%，但运行阻力增加20%-30%；
• 活性炭喷射量：活性炭喷射量从0.5kg/t垃圾增至1.0kg/t时，二噁英去除率从90%升至98%，但飞灰产量因活性炭残留增加12%。

四、飞灰产生量的控制策略

1. 燃料预处理优化

• 分选破碎：通过磁选、风选去除金属和轻质塑料，减少氯源；破碎至粒径<50mm可提升燃烧效率15%-20%；
• 干燥脱水：采用热风干燥或余热烘干技术，将垃圾水分降至40%以下，可降低飞灰热灼减率5%-8%；
• 配伍掺烧：将高氯垃圾与低氯燃料（如煤、生物质）按1:3比例混合，可使飞灰氯含量从15%降至8%。

2. 燃烧过程调控

• 分级燃烧技术：通过二次风喷射形成缺氧燃烧区，延长挥发分停留时间，使飞灰中未燃炭含量从8%降至3%；
• 流化床改性：添加高岭土、石灰石等床料（占比10%-15%），可吸附重金属并降低灰分熔点，减少结焦和飞灰量；
• 智能控制系统：采用DCS+AI算法实现流化速度、温度、氧量的实时优化，某项目应用后飞灰产量波动范围从±15%降至±5%。

3. 烟气净化升级

• 协同脱除技术：在脱酸塔内喷入磷酸氢二铵，可同步去除90%以上的HCl和80%的SO₃，减少盐类飞灰生成；
• 飞灰回燃技术：将含碳量>10%的飞灰回送至炉膛，可降低辅助燃料消耗15%-20%，但需解决飞灰输送和结焦问题；
• 催化过滤技术：采用负载催化剂的陶瓷滤管，可在250℃下同时脱除NOx、二噁英和颗粒物，飞灰产量因无需活性炭喷射而降低10%。

五、结论与展望

流化床焚烧炉的飞灰产生量受燃料特性、运行参数和净化工艺的多重影响，其控制需从源头减量、过程优化和末端治理三方面协同发力。未来研究应聚焦于：

1. 飞灰形成机理的深度解析：通过量子化学计算揭示重金属-氯盐-碳颗粒的相互作用机制；
2. 智能控制技术的突破：开发基于数字孪生的飞灰产量预测模型，实现动态精准调控；
3. 资源化利用路径创新：探索飞灰制备地聚物、陶瓷材料等高值化利用技术，推动循环经济发展。

通过技术集成与创新，流化床焚烧炉的飞灰产生量有望从当前的10%-15%降至8%以下，为固废处理行业的绿色转型提供关键支撑。