污泥高溫煙氣干化及摻燒系統的熱平衡分析

王 波，王 卓，俞志鵬，姬 鵬，聞 哲，孫成喜

(1.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093；2.上海船用柴油機研究所，上海 200090；3.上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240)

0 引言

污泥是污水處理過程中產生的廢棄物，含有大量的有毒有害物質。隨著污水處理量和水質標準的提高，污泥產量逐年增加。污泥的減量化、無害化和資源化處置，是當前面臨重要的環境保護問題之一。

污泥處置技術主要有填埋、土地利用和焚燒等。其中，焚燒技術的處理量大，處理速度快，無害化相對徹底，近年來受到廣泛關注，并產生了流化床獨立焚燒、電站鍋爐摻燒和垃圾焚燒爐摻燒等不同的焚燒系統[1-7]。常規機械脫水后的污泥含水率仍高達約80%，熱值極低，難以穩定燃燒。因此，采用高溫蒸汽、煙氣或其它熱源，對污泥進行干化，降低含水率，有利于提高干化后污泥的熱值和燃燒穩定性，開發高效、節能、緊湊的干化新工藝具有重要意義。Guo Jiali等[8]研究了污泥微波干化特性和能耗；王可等人[9]針對太陽能-熱泵干燥污泥裝置進行了物料和熱量的平衡計算；王一坤等人[9]研究了蒸汽抽取位置對抽蒸汽干化污泥耦合發電機組影響；劉啟軍等人[11]針對采用燃煤機組空氣預熱器出口煙氣余熱干化污泥并進行耦合摻燒的系統，進行了技術經濟性分析。

與目前廣泛采用的蒸汽間接干化技術和低溫煙氣干化技術相比，抽取高溫煙氣對污泥進行干化，其可用能損失較大，但可以顯著提高污泥干燥的速率和處理量。本文針對從循環流化鍋爐旋風分離器出口煙道抽取高溫煙氣作為干化介質的污泥干化摻燒系統，通過爐煙干化系統的熱平衡計算，分析污泥煙氣干化對鍋爐運行參數的影響規律。

1 城鎮污泥煙氣干化系統簡介

基于循環流化床鍋爐的城鎮污泥煙氣干化焚燒系統如圖1所示。在循環流化床鍋爐旋風分離器出口抽取部分煙氣，對濕污泥進行直接接觸干燥，經氣固分離后，干化污泥以一定的摻燒比例和煙煤在循環流化床鍋爐內進行混燒。分離出來的干化乏氣，可經冷凝處理后送回爐膛燃燒。本文研究暫不考慮乏氣的熱量回收和凈化處理。

圖1 城鎮污泥煙氣干化系統流程圖

2 干化系統熱平衡計算

2.1 鍋爐熱效率計算方法

干化污泥的摻燒比例β

(1)

式中mds——進行摻燒干化污泥的質量/kg；

mc——進行摻燒煙煤的質量/kg。

鍋爐受熱面吸熱量的分配比例α，是指爐膛受熱面與尾部煙道受熱面的吸熱量之比

(2)

Iry——爐膛出口煙氣焓/kJ·kg-1；

IaF——分離器煙氣焓/kJ·kg-1；

Ipy——排煙焓/kJ·kg-1；

γ——抽取高溫煙氣比例/%。

抽取高溫煙氣干化污泥后，鍋爐熱效率η為

(3)

q3——可燃氣體未完全燃燒熱損失/%；

q4——固體未完全燃燒熱損失/%；

q5——散熱損失/%；

q6——灰渣物理熱損失/%；

2.2 污泥干化系統熱平衡計算方法

煙氣干化濕污泥的熱平衡如圖2所示。

圖2 干化系統熱平衡示意圖

以干化1 kg濕污泥為例，質量平衡方程式為

(4)

式中m——1 kg濕污泥干化能得到的干化污泥的質量。

能量平衡方程式為

qry+qsw=qc+qw+qf+q5

(5)

式中qry——高溫煙氣物理熱/kJ·kg-1；

qsw——濕污泥物理熱/kJ·kg-1；

qc——干化污泥消耗的熱量/kJ·kg-1；

qw——蒸發濕污泥水分消耗的熱量/kJ·kg-1；

qf——乏氣帶出的熱量/kJ·kg-1；

q5——設備散熱損失/kJ·kg-1。

其中

qry=CryT1g1

(6)

式中T1——從旋風分離器抽取高溫煙氣的溫度/℃；

Cry——在T1溫度下高溫煙氣加權平均質量比熱容/kJ·(kg·℃)-1；

g1——干化1 kg濕污泥進入干化機的高溫煙氣量/kg。

qsw=CswT2

(7)

式中T2——濕污泥進入干化機的溫度/℃，取20 ℃；

Csw——濕污泥比熱容/kJ·(kg·℃)-1。

(8)

式中Mar——濕污泥收到基水分/%；

Cgw——干化污泥比熱容/kJ·(kg·℃)-1；

T3——高溫煙氣離開干化機的溫度/℃。

qw=ΔM(2 500+CH2O×T3-4.187T2)

(9)

式中 ΔM——干化1 kg濕污泥蒸發的水量/kg·kg-1；

CH2O——20 ℃水蒸氣平均比定壓熱容/kJ·(kg·℃)-1。

(10)

q5=0.02qin

(11)

式中qin——干化1 kg濕污泥輸入的總熱量/kJ·kg-1。

干化1 kg濕污泥消耗的熱量qg為

qg=qry+qsw-qgw

(12)

2.3 計算工況

本文以相同旋風分離器進口煙氣溫度、排煙溫度的純燃煤工況為比較基準，分析摻燒比例、干化污泥含水率對鍋爐運行參數的影響。

煤和濕污泥的元素分析、工業分析結果分別如表1、表2所示。在熱平衡分析中，濕污泥的含水率取80%；干化污泥的含水率分別取20%、25%、30%和35%。

表1 煤的元素分析和工業分析

表2 含水率80%濕污泥的元素分析和工業分析

污泥干化焚燒系統主要參數如表3所示。

表3 污泥干化焚燒系統參數

3 結果分析

3.1 污泥摻燒對煙氣量的影響

污泥摻燒比例和單位燃料燃燒產生煙氣量的關系如圖3所示。與純燃煤工況相比，摻燒一定比例的干化污泥會減少燃燒產生的煙氣量。摻燒比例和單位燃料產生的煙氣量呈線性關系，在摻燒比為5%～50%范圍內，煙氣量隨著摻燒比例的增大而減少。干化污泥的摻燒比例從0增加到50%時，煙氣量從最初的8.472 Nm3/kg下降到最少的5.724 Nm3/kg。對含水率20%～35%的干化污泥，當摻燒比例一定時，產生的煙氣量會隨著含水率的增加而減少。這是因為干化污泥的灰分和水分高，可燃物含量比煤中可燃物含量低，理論煙氣量小。但是，由于入爐燃料量增加的幅度大于理論煙氣量下降的幅度，所以摻燒污泥以后，爐內總煙氣量仍然是增大的。

圖3 摻燒比例和煙氣量的關系

3.2 污泥摻燒對受熱面吸熱量分配比例的影響

鍋爐爐內受熱面吸熱量和爐后受熱面吸熱量的分配比例對鍋爐結構設計有重要影響。污泥摻燒比例和受熱面吸熱量分配比例的關系如圖4所示。純燃煤工況下，受熱面吸熱量的分配比例為1.40。與純燃煤工況相比，在一定的干化污泥含水率下，摻燒比例越大，受熱面吸熱量的分配比例也越大。當摻燒比例一定時，鍋爐受熱面吸熱量的分配比例會隨著干化污泥含水率的增大而減小。吸熱量分配比例的升高，是因為污泥干化需要抽取高溫煙氣，導致相同鍋爐負荷下，爐內煙氣量會高于純燃煤工況，爐內煙氣從理論燃燒溫度下降到旋風分離器入口溫度時放出的熱量也會增加。以摻燒20%含水率污泥為例，摻燒比例5%，吸熱量分配比例最低，為1.48；摻燒比例增加到50%時，吸熱量分配比例高達3.60，使得爐膛內受熱面的吸熱量遠遠大于尾部煙道內受熱面的吸熱量，這會導致鍋爐爐膛和尾部煙道的結構不協調，給設計帶來困難。

圖4 摻燒比例和受熱面吸熱量分配比例的關系

3.3 污泥摻燒對理論燃燒溫度的影響

理論燃燒溫度會影響爐膛的吸熱量。摻燒比例與理論燃燒溫度的關系如圖5所示。與純燃煤的工況相比，摻燒干化污泥會降低爐內的理論燃燒溫度。當干化污泥含水率為35%，摻燒比例從0增加到50%時，理論燃燒溫度從最初的1 832 ℃降低到1 745 ℃。但是相比于流化床的床層溫度，即使摻燒較大比例的干化污泥，其溫度仍然較高。摻燒比例一定時，理論燃燒溫度隨著含水率的增大而降低。

圖5 摻燒比例和理論燃燒溫度的關系

3.4 污泥摻燒對抽取熱煙比例的影響

摻燒比例與抽取熱煙比例的關系如圖6所示。干化污泥含水率一定時，摻燒比例越大，系統需要干化的濕污泥也越多，抽取熱煙氣的比例也不斷增加。摻燒比例一定時，干化污泥含水率越小，抽取熱煙比例越大。摻燒含水率35%干化污泥，摻燒比例5%時，抽取熱煙比例最少，僅為3.69%；而摻燒含水率20%干化污泥，摻燒比例為50%時，抽取熱煙比例高達61.68%，在鍋爐設計中難以實現。

圖6 摻燒比例和抽熱煙比例的關系

3.5 污泥摻燒對燃煤量的影響

污泥干化和摻燒對燃煤量的影響如圖7所示。與純燃煤工況相比，在相同的干化污泥含水率下提高摻燒比例，或者在相同的摻燒比例下降低干化污泥含水率，都可以提高節煤率。從污泥特性分析數據可以看出，80%含水率污泥的收到基低位發熱量0.496 MJ/kg，可以與濕污泥燃燒產生的煙氣在185 ℃下的排煙熱損失平衡。由于計算條件中設定的鍋爐排煙溫度136 ℃，干化機的乏氣溫度150 ℃，因此污泥不干化直接入爐摻燒，或者先經煙氣干化再入爐摻燒，都可以為鍋爐提供少量可有效利用的熱量，從而節約用煤。在相同的干化污泥含水率下提高摻燒比例，或者在相同的摻燒比例下降低干化污泥含水率，都意味著在相同的燃煤量下處理更多的濕污泥，因而可以提高節煤率。從圖7中還可以看出，由于濕污泥的熱值很低，即便摻燒比例提高到40%，干化污泥含水率降到20%，污泥干化摻燒系統的節煤率也僅為0.66%。可見，改變污泥干化程度和摻燒比例，對系統熱平衡和燃煤量的影響很小，污泥干化并不能達到顯著的節能效果。

圖7 摻燒比例和節煤率的關系

4 結論

本文對污泥煙氣干化循環流化床鍋爐摻燒系統進行了熱平衡分析，討論了污泥摻燒比例和干化污泥含水率對煙氣量、受熱面吸熱量分配比例、燃燒溫度、抽取熱煙比例、節煤率等參數的影響，得出以下結論：

(1)入爐干化污泥含水率在20%-35%時，其理論煙氣量和熱值都顯著低于煤，摻燒比例越大，入爐混合燃料的理論煙氣量和理論燃燒溫度越低，但由于入爐總燃料量增加，爐內總煙氣量仍會增加。

(2)和純燃煤的鍋爐相比，隨著污泥干化程度和摻燒比例的升高，污泥干化所需抽取熱煙氣的比例、爐膛和尾部煙道中煙氣流量的比例及受熱面吸熱量的比例都會增大。如果確定的污泥摻燒比例過大，會導致爐膛尺寸顯著大于尾部煙道，給鍋爐設計帶來困難。

(3)由于濕污泥的低位熱值很小，污泥干化程度和摻燒比例對節煤量的影響很小，污泥干化不能直接產生顯著的節能效果。對污泥進行干化，選用合適的干化污泥含水率和摻燒比，其作用在于控制爐內煙氣量和溫度水平，優化焚燒爐和干化設備的配置，降低總投資成本。