王 波，王 卓，俞志鵬，姬 鵬，聞 哲，孫成喜

(1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海船用柴油機(jī)研究所，上海 200090；3.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

0 引言

污泥是污水處理過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物，含有大量的有毒有害物質(zhì)。隨著污水處理量和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，污泥產(chǎn)量逐年增加。污泥的減量化、無(wú)害化和資源化處置，是當(dāng)前面臨重要的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題之一。

污泥處置技術(shù)主要有填埋、土地利用和焚燒等。其中，焚燒技術(shù)的處理量大，處理速度快，無(wú)害化相對(duì)徹底，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注，并產(chǎn)生了流化床獨(dú)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(tǒng)[1-7]。常規(guī)機(jī)械脫水后的污泥含水率仍高達(dá)約80%，熱值極低，難以穩(wěn)定燃燒。因此，采用高溫蒸汽、煙氣或其它熱源，對(duì)污泥進(jìn)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(wěn)定性，開發(fā)高效、節(jié)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(duì)太陽(yáng)能-熱泵干燥污泥裝置進(jìn)行了物料和熱量的平衡計(jì)算；王一坤等人[9]研究了蒸汽抽取位置對(duì)抽蒸汽干化污泥耦合發(fā)電機(jī)組影響；劉啟軍等人[11]針對(duì)采用燃煤機(jī)組空氣預(yù)熱器出口煙氣余熱干化污泥并進(jìn)行耦合摻燒的系統(tǒng)，進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。

與目前廣泛采用的蒸汽間接干化技術(shù)和低溫?zé)煔飧苫夹g(shù)相比，抽取高溫?zé)煔鈱?duì)污泥進(jìn)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(duì)從循環(huán)流化鍋爐旋風(fēng)分離器出口煙道抽取高溫?zé)煔庾鳛楦苫橘|(zhì)的污泥干化摻燒系統(tǒng)，通過(guò)爐煙干化系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算，分析污泥煙氣干化對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)的影響規(guī)律。

1 城鎮(zhèn)污泥煙氣干化系統(tǒng)簡(jiǎn)介

基于循環(huán)流化床鍋爐的城鎮(zhèn)污泥煙氣干化焚燒系統(tǒng)如圖1所示。在循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器出口抽取部分煙氣，對(duì)濕污泥進(jìn)行直接接觸干燥，經(jīng)氣固分離后，干化污泥以一定的摻燒比例和煙煤在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)進(jìn)行混燒。分離出來(lái)的干化乏氣，可經(jīng)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(zhèn)污泥煙氣干化系統(tǒng)流程圖

2 干化系統(tǒng)熱平衡計(jì)算

2.1 鍋爐熱效率計(jì)算方法

干化污泥的摻燒比例β

(1)

式中mds——進(jìn)行摻燒干化污泥的質(zhì)量/kg；

mc——進(jìn)行摻燒煙煤的質(zhì)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?zé)煔獗壤?%。

抽取高溫?zé)煔飧苫勰嗪?，鍋爐熱效率η為

(3)

q3——可燃?xì)怏w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(tǒng)熱平衡計(jì)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(tǒng)熱平衡示意圖

以干化1 kg濕污泥為例，質(zhì)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(zhì)量。

能量平衡方程式為

qry+qsw=qc+qw+qf+q5

(5)

式中qry——高溫?zé)煔馕锢頍?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(fā)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(shè)備散熱損失/kJ·kg-1。

其中

qry=CryT1g1

(6)

式中T1——從旋風(fēng)分離器抽取高溫?zé)煔獾臏囟?℃；

Cry——在T1溫度下高溫?zé)煔饧訖?quán)平均質(zhì)量比熱容/kJ·(kg·℃)-1；

g1——干化1 kg濕污泥進(jìn)入干化機(jī)的高溫?zé)煔饬?kg。

qsw=CswT2

(7)

式中T2——濕污泥進(jìn)入干化機(jī)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?zé)煔怆x開干化機(jī)的溫度/℃。

qw=ΔM(2 500+CH2O×T3-4.187T2)

(9)

式中 ΔM——干化1 kg濕污泥蒸發(fā)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(jì)算工況

本文以相同旋風(fēng)分離器進(jìn)口煙氣溫度、排煙溫度的純?nèi)济汗r為比較基準(zhǔn)，分析摻燒比例、干化污泥含水率對(duì)鍋爐運(yùn)行參數(shù)的影響。

煤和濕污泥的元素分析、工業(yè)分析結(jié)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(yè)分析

表2 含水率80%濕污泥的元素分析和工業(yè)分析

污泥干化焚燒系統(tǒng)主要參數(shù)如表3所示。

表3 污泥干化焚燒系統(tǒng)參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 污泥摻燒對(duì)煙氣量的影響

污泥摻燒比例和單位燃料燃燒產(chǎn)生煙氣量的關(guān)系如圖3所示。與純?nèi)济汗r相比，摻燒一定比例的干化污泥會(huì)減少燃燒產(chǎn)生的煙氣量。摻燒比例和單位燃料產(chǎn)生的煙氣量呈線性關(guān)系，在摻燒比為5%～50%范圍內(nèi)，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(shí)，煙氣量從最初的8.472 Nm3/kg下降到最少的5.724 Nm3/kg。對(duì)含水率20%～35%的干化污泥，當(dāng)摻燒比例一定時(shí)，產(chǎn)生的煙氣量會(huì)隨著含水率的增加而減少。這是因?yàn)楦苫勰嗟幕曳趾退指?，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(nèi)總煙氣量仍然是增大的。

圖3 摻燒比例和煙氣量的關(guān)系

3.2 污泥摻燒對(duì)受熱面吸熱量分配比例的影響

鍋爐爐內(nèi)受熱面吸熱量和爐后受熱面吸熱量的分配比例對(duì)鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要影響。污泥摻燒比例和受熱面吸熱量分配比例的關(guān)系如圖4所示。純?nèi)济汗r下，受熱面吸熱量的分配比例為1.40。與純?nèi)济汗r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(dāng)摻燒比例一定時(shí)，鍋爐受熱面吸熱量的分配比例會(huì)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?yàn)槲勰喔苫枰槿「邷責(zé)煔?，?dǎo)致相同鍋爐負(fù)荷下，爐內(nèi)煙氣量會(huì)高于純?nèi)济汗r，爐內(nèi)煙氣從理論燃燒溫度下降到旋風(fēng)分離器入口溫度時(shí)放出的熱量也會(huì)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(shí)，吸熱量分配比例高達(dá)3.60，使得爐膛內(nèi)受熱面的吸熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于尾部煙道內(nèi)受熱面的吸熱量，這會(huì)導(dǎo)致鍋爐爐膛和尾部煙道的結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)，給設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。

圖4 摻燒比例和受熱面吸熱量分配比例的關(guān)系

3.3 污泥摻燒對(duì)理論燃燒溫度的影響

理論燃燒溫度會(huì)影響爐膛的吸熱量。摻燒比例與理論燃燒溫度的關(guān)系如圖5所示。與純?nèi)济旱墓r相比，摻燒干化污泥會(huì)降低爐內(nèi)的理論燃燒溫度。當(dāng)干化污泥含水率為35%，摻燒比例從0增加到50%時(shí)，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(shí)，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(guān)系

3.4 污泥摻燒對(duì)抽取熱煙比例的影響

摻燒比例與抽取熱煙比例的關(guān)系如圖6所示。干化污泥含水率一定時(shí)，摻燒比例越大，系統(tǒng)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(shí)，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(shí)，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(shí)，抽取熱煙比例高達(dá)61.68%，在鍋爐設(shè)計(jì)中難以實(shí)現(xiàn)。

圖6 摻燒比例和抽熱煙比例的關(guān)系

3.5 污泥摻燒對(duì)燃煤量的影響

污泥干化和摻燒對(duì)燃煤量的影響如圖7所示。與純?nèi)济汗r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(jié)煤率。從污泥特性分析數(shù)據(jù)可以看出，80%含水率污泥的收到基低位發(fā)熱量0.496 MJ/kg，可以與濕污泥燃燒產(chǎn)生的煙氣在185 ℃下的排煙熱損失平衡。由于計(jì)算條件中設(shè)定的鍋爐排煙溫度136 ℃，干化機(jī)的乏氣溫度150 ℃，因此污泥不干化直接入爐摻燒，或者先經(jīng)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(jié)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(jié)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(tǒng)的節(jié)煤率也僅為0.66%?？梢姡淖兾勰喔苫潭群蛽綗壤?，對(duì)系統(tǒng)熱平衡和燃煤量的影響很小，污泥干化并不能達(dá)到顯著的節(jié)能效果。

圖7 摻燒比例和節(jié)煤率的關(guān)系

4 結(jié)論

本文對(duì)污泥煙氣干化循環(huán)流化床鍋爐摻燒系統(tǒng)進(jìn)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(duì)煙氣量、受熱面吸熱量分配比例、燃燒溫度、抽取熱煙比例、節(jié)煤率等參數(shù)的影響，得出以下結(jié)論：

(1)入爐干化污泥含水率在20%-35%時(shí)，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?cè)剂狭吭黾?，爐內(nèi)總煙氣量仍會(huì)增加。

(2)和純?nèi)济旱腻仩t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(huì)增大。如果確定的污泥摻燒比例過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致爐膛尺寸顯著大于尾部煙道，給鍋爐設(shè)計(jì)帶來(lái)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(duì)節(jié)煤量的影響很小，污泥干化不能直接產(chǎn)生顯著的節(jié)能效果。對(duì)污泥進(jìn)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(nèi)煙氣量和溫度水平，優(yōu)化焚燒爐和干化設(shè)備的配置，降低總投資成本。