熱水解生產(chǎn)線高溫工藝氣冷卻介質(zhì)的余熱利用

張 杰

（北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100044）

0 引言

熱水解工藝氣溫度在100 ℃以上，冷卻水來自于熱交換間的一次稀釋水，夏季溫度在25 ℃，冬季溫度在15 ℃，換熱后的冷卻水溫度在50 ℃左右，其利用方式除了純粹的液體輸送外，還需要與生產(chǎn)流程中的工藝過程要求相配合，發(fā)揮其最大作用提高生產(chǎn)效率。在污泥處理工藝中，預(yù)脫水的藥劑制備需要使用到再生水，在冬季環(huán)境溫度較低時，直接使用再生水制備藥劑的效果并不理想。因此，在預(yù)脫水藥劑制備中利用該部分余熱，解決冬季制備效果不理想的問題。

1 現(xiàn)狀

熱水解厭氧消化技術(shù)是當(dāng)今國際市政污泥處理的主流技術(shù)，作為國內(nèi)首個采用康碧熱水解+厭氧消化工藝的大型污泥升級改造項(xiàng)目，北京排水集團(tuán)小紅門再生水廠的該套系統(tǒng)已連續(xù)高效穩(wěn)定運(yùn)行3 年多。在正常運(yùn)行的同時也發(fā)現(xiàn)一些問題，生產(chǎn)線運(yùn)行中產(chǎn)生的工藝氣每天約2000 m3，依托工藝氣管線輸送至消化池，作用是對工藝氣進(jìn)行集中處理，避免臭氣溢出影響生態(tài)環(huán)境。工藝氣大部分產(chǎn)生于反應(yīng)罐，匯集到漿化罐后排出，因此氣體溫度會與反應(yīng)罐內(nèi)部溫度較為接近，保持在100 ℃左右。如直接排入消化池會使消化池溫度升高、甲烷菌活性降低、分解率降低，進(jìn)而影響池內(nèi)中溫消化反應(yīng)條件，造成沼氣產(chǎn)氣率的降低，壓力高時甚至影響運(yùn)行安全。所以，在熱水解系統(tǒng)中需要將工藝氣溫度降至一定程度，加上輸氣過程管路中的部分熱量流失，確保進(jìn)入消化池前的溫度在50 ℃左右，每日維持消化池溫度波動在（41±0.5）℃。

目前系統(tǒng)中采用24 h 不間斷再生水的冷卻水套包裹工藝氣管線，通過管壁換熱，用流動的再生水進(jìn)行降溫。換熱再生水供應(yīng)熱水解的3 條生產(chǎn)線，分別對3 條線的3 根工藝氣支管進(jìn)行換熱，最后由工藝氣匯總管接出，排入雨水井。經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)熱水解生產(chǎn)線批次在140～150（正常批次）時，每天約消耗再生水300 m3左右，如果因?yàn)槟嗔看蟮绕渌蛏a(chǎn)批次較高時，所消耗的再生水量更大。這些再生水直接排入雨水井，一方面是利用率低造成水資源的浪費(fèi)，同時排出的再生水溫度在50 ℃左右，也造成了這部分熱能的流失。

2 目標(biāo)

要將這部分排放的再生水余熱加以回收利用，用于預(yù)脫水絮凝劑制備過程中，使其優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率，將水資源和熱能的利用達(dá)到最大化。

3 分析與實(shí)驗(yàn)

分析現(xiàn)場的工藝流程，在冬季運(yùn)行中，離心脫水機(jī)運(yùn)行工況一定的情況下，出泥的含水率往往不樂觀，濾液的效果不理想，需要頻繁調(diào)整藥劑的投配比和制備濃度。一旦出現(xiàn)跑稀泥的情況，會影響后續(xù)工藝流程，同時需要組織人員進(jìn)行沖洗，耗費(fèi)大量人力。

為更好地解決冬季運(yùn)行存在的上述問題，分析現(xiàn)場工況，選擇單一變量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首先找出影響離心脫水機(jī)冬季穩(wěn)定運(yùn)行工況的因素：①經(jīng)檢測來泥的泥質(zhì)及含水率，相較沒有太大變化，大致維持在97%±0.3%，排除了泥質(zhì)本身產(chǎn)生的影響因素；②由于廠內(nèi)使用的PAM（聚丙烯酰胺）藥劑是由干粉進(jìn)行現(xiàn)場制備成溶液后使用的，其中可能存在溶解效果影響制備，進(jìn)而影響出泥的情況。在冬季運(yùn)行中，當(dāng)絮凝劑制備系統(tǒng)完成整罐藥劑的制備后，通過泄空口取一定量熟化完成的藥劑，觀察發(fā)現(xiàn)溶藥的效果較差，大量干粉并沒有完全溶解。由此初步判斷出泥的效果不好可能與溶藥效果較差有較關(guān)，投配比和藥劑濃度的提高并沒有使藥劑的作用發(fā)揮到最大。

分析原因：冬季制備溶藥效果不理想的原因應(yīng)該為溶液再生水的溫度較低，同樣的制備流程下，夏季運(yùn)行沒有出現(xiàn)類似問題。

為驗(yàn)證該判斷的準(zhǔn)確性，首先進(jìn)行溶藥效果燒杯實(shí)驗(yàn)，使用現(xiàn)場常用藥劑愛森FLOPAM FO 4650 SSH BDG，驗(yàn)證同樣的干粉藥劑在不同溫度下的再生水溶液中溶解的效果。現(xiàn)場制備機(jī)正常工作時，罐體可容納的溶液體積為3 m3，取2 個容積為2 L 的燒杯，為符合生產(chǎn)實(shí)際模擬現(xiàn)場工況選取1 L 的溶劑，實(shí)驗(yàn)與實(shí)際中溶液的比例同為1∶3000，根據(jù)現(xiàn)場制備機(jī)實(shí)際運(yùn)行時的干粉藥劑投配比3‰，密度1.4 g/cm3，計(jì)算出實(shí)驗(yàn)中干粉藥劑的使用量42 g。根據(jù)上述計(jì)算用量，用天平稱取PAM 干粉藥劑放入燒杯，由于現(xiàn)場工藝氣冷卻水的實(shí)際使用溫度可以保證在30～35 ℃，取相同體積的現(xiàn)有制備的再生水溶液(溫度≤15 ℃)與工藝氣冷卻水（溫度20～35 ℃），以5 ℃為間隔逐一加入燒杯內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中制備機(jī)攪拌器的運(yùn)行時間400 s，手動均勻攪拌相同的時間。最后模擬制備機(jī)熟化時間靜止30 min，觀察干粉的溶解效果。

通過觀察3 個溫度區(qū)間的冷卻水制備的清澈度、黏稠度情況，發(fā)現(xiàn)20～25 ℃溶解后的溶液中仍然存在少量成團(tuán)的細(xì)微絮狀物；25～30 ℃溶液中已無絮狀物存在，但仍有細(xì)小未完全溶解顆粒，且溶液拉絲較長；30～35 ℃溶液肉眼觀察清澈度良好，溶液無成團(tuán)現(xiàn)象拉絲情況正常，得出在30～35 ℃時的溶藥效果最佳。由圖1 所示，35 ℃冷卻水的溶藥效果要明顯優(yōu)于現(xiàn)有制備的再生水溶液，該情況在冬季運(yùn)行時會影響現(xiàn)場離心脫水機(jī)的重要控制指標(biāo)——出泥含水率。不僅造成了藥劑使用的浪費(fèi)、生產(chǎn)成本的提高，同時也對生產(chǎn)的工藝調(diào)控造成困難。

圖1 再生水與冷卻水制備對比

4 改造實(shí)施

現(xiàn)場離心脫水機(jī)絮凝劑的制備同樣是采用再生水，與熱水解生產(chǎn)線批次相對應(yīng)，當(dāng)熱水解批次在140 時，離心機(jī)的開啟臺數(shù)在4 臺左右，供應(yīng)4 臺離心機(jī)的制備藥劑再生水量在300 m3左右，這與每天熱水解工藝氣的冷卻水量相差無幾。因此準(zhǔn)備將工藝氣冷卻水進(jìn)行回收，在離心機(jī)制備系統(tǒng)內(nèi)作為溶藥使用。

選取施工較為容易的熱水解生產(chǎn)線東側(cè)綠化帶位置處，制作1 個容積約6 m3的池子，尺寸為2.7 m×2.2 m×1.2 m，并且對池底地面進(jìn)行預(yù)制，池壁四周砌磚加固并做保溫，減少熱量散失。定做容積為5 m3壁厚為的樹脂罐（以下簡稱“5 m3罐”）用于儲存各生產(chǎn)線支管匯總后排出的工藝氣冷卻水，該罐制作尺寸為2.5 m×2.0 m×1.0 m。罐內(nèi)放置2 臺功率1.5 kW、揚(yáng)程15 m的耐高溫潛水泵，一用一備。泵的出口接DN65 的管線，該管線的走向在綠化帶處采用地埋方式鋪設(shè)約10 m，然后沿現(xiàn)有消化池進(jìn)泥管線走高架一直到離心機(jī)制備間，在不影響正常人員通行的情況下也節(jié)省了工程量。最后連接現(xiàn)有容積為10 m3的制備儲水罐（以下簡稱“10 m3罐”），實(shí)際管線鋪設(shè)距離約100 m，為減少輸送過程中的熱量散失，所有管線加做保溫。在10 m3罐最高、最低液位處加裝浮球液位開關(guān)，根據(jù)液位控制泵的啟停，避免出現(xiàn)溢流情況；5 m3罐內(nèi)加裝低液位保護(hù)，確保在生產(chǎn)線停運(yùn)冷卻水停止的情況下及時停泵，避免泵體出現(xiàn)干運(yùn)行情況。同時在5 m3罐距罐頂部50 mm 處開管徑為DN100 的溢流口，保證在停泵或泵體檢修等特殊情況時，不間斷的工藝氣冷卻水能夠順利排出。5 m3罐罐體與池體的間隔處裝有潛水泵，當(dāng)出現(xiàn)溢流情況時及時排出池體內(nèi)的積水，保證池壁的建筑強(qiáng)度。現(xiàn)場具體施工情況如圖2 所示，改造方案如圖3 所示。

圖2 現(xiàn)場施工情況

圖3 現(xiàn)場改造方案

5 使用效果

本系統(tǒng)投入正常使用后，工藝氣冷卻水量可以滿足干粉藥劑的制備水量需求，冷卻水進(jìn)入10 m3罐體前的溫度能夠保持在35 ℃左右。將離心脫水機(jī)使用冷卻水制備藥劑的運(yùn)行數(shù)據(jù)與正常冬季運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，見表1。在同樣的PAM 溶藥濃度為3‰的情況下，進(jìn)泥濃度維持在96%左右，使用冷卻水制備藥劑的12 月17 日數(shù)據(jù)中，進(jìn)泥流量52 m3/h、加藥流量2.8～2.9 m3/h；反觀12 月19 日的正常運(yùn)行數(shù)據(jù)中，進(jìn)泥流量37 m3/h、加藥流量3.6～4.2 m3/h。對比兩天的運(yùn)行數(shù)據(jù)，在保證出泥含水率恒定的情況下，正常制備中可處理的泥量相較冷卻水制備的低將近30%，但所需要的藥劑投加量卻高30%～45%。同時使用冷卻水制備中藥劑投加量波動范圍很小，既減小了運(yùn)行調(diào)控的難度也大大增強(qiáng)了生產(chǎn)運(yùn)行的穩(wěn)定。

表1 性能測試數(shù)據(jù)表