污泥干化與垃圾焚燒耦合發電系統研究

王澤鵬,劉志巖

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021)

隨著我國城市化進程的加速，城市垃圾及污水處理量逐年提高。城市垃圾處理初期主要采用填埋等方式，近年來垃圾焚燒技術日益成熟，垃圾焚燒發電廠的建設也如火如荼。“十一五”及“十二五”期間，我國城鎮生活垃圾焚燒處理能力由2006年的4×104t/天增長至2016年的27.04×104t/天，年均復合增速達到21.1%。

而與生活垃圾共生的還有生活污水，自2016年起，中國已經成為全球污水處理量最大的國家之一，僅工業污水和生活污水兩項的年處理總量就高達971×108t。污泥是城市污水廠在處理污水過程中產生的廢棄物，主要是由初沉污泥和二次污泥組成，約占總處理水量的0.3%～0.5%。目前我國污泥處置方式中，土地填埋占63.0%、污泥好氧發酵+農用約占13.5%、污泥自然干化綜合利用占5.4%、污泥焚燒占1.8%、污泥露天堆放和外運各占1.8%和14.4%。事實上，土地填埋、露天堆放和外運的污泥絕大部分都屬于隨意處置，真正安全處置的比例不超過20%。

一方面是垃圾焚燒方案成功并大范圍推廣投產，另一方面是污泥處于無法處理、無人理會的局面，隨著土地資源日益寶貴、環保要求逐年提高，污泥的綜合處理也將越來越受到重視。

1 污泥與垃圾特性分析

1.1 污泥特性

城市污水處理廠在凈化污水的同時也產生大量污泥，污泥分初沉污泥和活性污泥，初沉污泥的有機質量濃度一般在55%～70%，活性污泥的有機質量濃度一般在70%～85%。

從焚燒角度看，污泥由可燃、不可燃的礦物雜質(灰分)和水分組成；從污泥的工業分析角度看，污泥主要由水分、灰分、揮發分和微量的固定碳組成；從污泥的元素分析角度看，碳是污泥中可燃質的主要元素，同時含有少量的氫，氧元素通常與碳氫形成化合物，其他主要還有氮和硫，這兩種元素在燃燒中容易形成氮氧化物NOx和酸性氣體SO2。

污泥中的揮發分是影響熱值的主要因素，固定碳含量很低，對污泥燃燒影響幾乎可以忽略不計。經污水處理廠初步濃縮后的污泥含水率為80%，熱值一般為3 550 kJ/kg。

1.2 垃圾特性

城市生活垃圾熱值與當地居民生活水平有關，同時受季節、氣候因素影響，垃圾熱值會存在一定的波動范圍。從地域角度看，東南沿海城市生活垃圾熱值高于西部及北方城市生活垃圾熱值；從經濟水平角度看，一、二線城市垃圾熱值遠高于三、四線城市及縣城的垃圾熱值。以某中部地區的垃圾電站為例，燃料的設計熱值為7 000 kJ/kg(低位熱值4 182 kJ/kg、高位熱值8 365 kJ/kg)。

目前我國的垃圾焚燒普遍采用機械爐排爐，此類焚燒爐允許燃料的熱值波動區間較大，熱值在4 500～10 000 kJ/kg的燃料均可燃燒，適應國內垃圾水分高、熱值低的特點。4 500 kJ/kg通常認定為是不助燃的垃圾下限低位熱值，低于此熱值的燃料在不投入其他輔助高熱值燃料情況下無法維持爐膛內穩定燃燒。

由以上污泥及垃圾特性分析可知，要想達到污泥與垃圾摻混后能夠適應現有的垃圾焚燒爐，必須對污泥進行干化脫水處理，提高污泥熱值。

2 污泥干化與垃圾焚燒耦合發電系統

2.1 污泥干化含水率及熱值的確定

目前普遍研究認為，污泥含水率為80%左右時，污泥焚燒產生的熱量基本等于自身所含水分氣化所損耗的能量，也就是說污泥中的熱量無法得到利用。通常污泥含水率應該降至50%～60%才可以降低水分汽化潛熱損失，使能量得到更好地利用。干物質熱值為21 MJ/kg,污泥溫度為10 ℃，污泥含水率與熱值關系見圖1。

圖1 污泥含水率與熱值關系

污泥中可燃燒成分為70%、污泥含水率降至60%時，熱值剛好為4 500 kJ/kg。根據前文論述的污泥中有機物含量比例，城市污水處理廠產生的污泥中可燃燒成分可以認定為70%。為提高本文提出的耦合發電系統可行性，同時最大限度地減小摻燒污泥對垃圾焚燒爐造成的不利影響，暫定污泥干化后含水率降為45%，此時污泥熱值與垃圾熱值相同，為7 000 kJ/kg。

2.2 污泥干化介質及換熱方式的確定

污泥干化主要是通過熱介質與含水率較高的污泥進行換熱，蒸發污泥中的水分。常用的載熱介質主要有蒸汽、導熱油、熱風等，加熱方式主要是直接干化、間接干化、紅外熱干化、聯合干化，通過熱介質與污泥的換熱方式不同(包括對流、傳導、輻射)實現干化目的。由于上述載熱介質均需要其他能量加熱才能達到干燥要求，能耗較高，污泥干化的成本也較高，因此本文提出采用垃圾電站的廢棄熱源(煙氣)作為污泥干化的熱介質，以降低污泥處理成本，同時不影響垃圾焚燒發電的熱效率。

以某工程垃圾處理量為500 t/天等級的焚燒爐為例，額定工況下排煙氣量為108 720 m3/h，排煙溫度為195 ℃。由于垃圾燃燒后的煙氣成分較復雜，為保護尾部煙道，排煙溫度無法進一步降低。污泥干化需要大量的熱，通過抽取部分鍋爐排煙對污泥進行干化，不僅可以利用垃圾焚燒系統的廢熱，同時煙氣含氧量低，可對污泥進行接觸式直接熱干化，提高蒸發速率及熱效率。

污泥干化與垃圾焚燒耦合發電系統見圖2。

圖2 污泥干化與垃圾焚燒耦合發電系統

圖2中，增設冷煙風機將余熱鍋爐出口溫度約195 ℃的煙氣抽至干化機內直接加熱污泥，干化后的污泥含水率約為45%，經皮帶輸送至垃圾坑，通過垃圾抓斗對垃圾和污泥均勻摻混后抓送至給料口，入爐燃燒。

2.3 污泥干化相關計算

2.3.1 煙氣加熱能力計算

以某工程垃圾處理量為500 t/天等級的焚燒爐為例，余熱鍋爐出口額定工況煙氣量為108 720 m3/h，標準密度約為1.29 m3/kg,煙氣溫度為190 ℃。設定污泥干化設備出口煙氣溫度θ為120 ℃，煙氣在干化污泥過程中的焓降約為119.71 kJ/kg，由總煙氣量乘以焓降可以得到余熱鍋爐排煙的加熱能力為2.8 MW。考慮到換熱損失及系統漏風，總加熱能力為2.52 MW。

2.3.2 污泥干化吸熱計算

含水率為80%的污泥經高溫煙氣加熱后脫水干化，含水率達到45%，蒸發的水分隨煙氣進入煙氣凈化車間。由于煙氣與污泥采用接觸式加熱，因此煙氣出口與污泥可忽略換熱端差，即煙氣出口溫度為120 ℃，含水率45%的污泥及蒸發的水蒸氣也能達到120 ℃。

污泥干化包括濕污泥加熱、水分蒸發兩個過程，加熱過程中污泥由常溫t1(20 ℃)經高溫煙氣加熱至表面水分臨界溫度t2(100 ℃)，污泥比熱容c約為0.84×103J/(kg·℃)，因此每噸污泥的吸熱量Q1=c×(t2-t1)=84 kJ/kg。水蒸發過程中包括升溫吸熱和汽化潛熱吸熱，經查水蒸氣焓值表，水升溫過程的焓升ΔH為2 297.51 kJ/kg。

水分蒸發過程中，污泥含水率由80%降至45%，每千克原污泥需要蒸發水的質量m約為0.64 kg，因此每千克污泥干化吸熱量Q為污泥吸熱量與水分蒸發吸熱量之和，即Q=Q1+m×ΔH=1 554.4 kJ/kg。

2.3.3 污泥干化能力計算

由煙氣加熱量除以污泥吸熱量，可以得到能夠干化原含水率80%污泥的質量為5.9 t。

因此，以某工程垃圾處理量為500 t/天等級的焚燒爐為例，理論上每小時可摻燒5.9 t城市污泥，每天可摻燒約142 t城市污泥。

3 結論

城市居民在生活活動中不僅產生垃圾廢棄物，同時產生大量的城市污水，城市污水處理廠脫水處理得到的污泥經適當干化后，與城市垃圾一起焚燒處理，二者可謂是殊途同歸。既可以大幅降低污泥處理成本，減少對環境造成的污染，又可以充分利用污泥中的熱量發電，利用不斷優化的工藝系統實現現代城市的“近零排放”。