污泥焚烧工艺系统包括预处理、燃烧和烟气处理排放与余热利用三个子系统。预处理子系统包括污泥预热污泥脱水污泥一粉碎
焚烧炉灰渣外排处置的前置处理和预干燥。污泥焚烧系统的原料一般以燃料燃烧脱水污泥饼为主，前置处理过程包括浓缩、调理、
消化和机械脱水等。考虑到焚烧对污泥热直的要求，一般拟焚烧的污泥应不再进行消化处理。在选用污泥脱水的调理剂时，既要考虑其对污泥热的影响，也要考虑其对燃烧设备安全性和燃烧传递条件的影响，因此，腐蚀性强的氯化铁类调理剂应慎用，石灰有改善污泥焚烧传递性的作用，适量（量过大会使可燃分太低）使用是有利的。
污泥焚烧主要分为两类：一类是将脱水污泥直接送焚烧炉焚烧；另一类是将脱水污泥干化后再焚烧。预干燥对污泥焚烧自持燃烧条件的达到有很大的帮助，大型污泥焚烧设施都应对于污泥燃烧子系统，主要是考虑污泥焚烧炉型的选择，焚烧炉型的不同直接影响污泥焚烧的热化学平衡和传递条件。
污泥焚烧设备主要有回转式焚烧炉（回转窑）、立式多段焚烧炉、流化床焚烧炉等。从污泥性状来看，污泥焚烧会阻塞炉排的透气性，影响燃烧效果，因此炉排炉不适于焚烧污泥。
在污泥焚烧工业化的初期，多采用多膛炉，但多膛炉燃烧的固相传递条件较差，污泥燃尽率通常低于95%，同时，辅助燃料成本的上升和气体排放标准的更加严格，使得多膛炉逐渐失去了竞争力。
目前应用较多的污泥焚烧炉形式主要是流化床和卧式回转窑两类。流化床焚烧炉于20世纪60年代开始出现于欧洲，70年代出现于美国和日本。流化床焚烧炉包括沸腾流化床和循环流化床两种，其共同特点是气、固相的传递条件良好，气相湍流充分，固相颗粒小，受热均匀，所以流化床焚烧炉已成为城市污水处理厂污泥焚烧的主流炉型。流化床炉的缺点是炉内的气流速度较高，为维持床内颗粒物的粒度均匀性，不宜将焚烧温度提升过高（一般为900℃左右）。
污泥卧式回转窑焚烧炉在结构上与水平水泥窑十分相似，污泥在窑内因窑体转动和窑壁抄板的作用下翻动、抛落，动态地完成干燥、点燃、燃尽的焚烧过程。回转窑焚烧的污泥固相留时间较长（一般大于1h），且很少会出现“短流现象”；
气相停留时间易于控制，设各在高温下操作的稳定性较好（一般水泥窑烧制最高温度大于（300℃），特别适合含特定的耐热性有机物的工业污水处理厂污泥（或工业与城市污水混合处理厂污泥）。其缺点是逆流操作的卧式回转窑，尾气中含臭味物质较多，另有部分挥发性的有毒有害物质，需配置消耗辅助燃料的二次燃烧室（除臭炉）进行处理；顺流操作回转窑则很难利用窑内烟气热量实现污泥的干燥与点燃，需配备炉头燃烧器（耗用辅助燃料）使燃烧空气迅速升温，达到污泥于燥与点燃的目的。因此，水平回转窑焚烧的成本一般较高。
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