污泥熱干化工藝系統熱平衡分析*

楊新海，劉澤慶，濮文良，薛永明，王　星

（1.上海環境衛生工程設計院有限公司，上海　200232；2.蘇州江遠熱電有限責任公司，江蘇蘇州　215128）

污泥熱干化工藝系統熱平衡分析*

楊新海1，劉澤慶1，濮文良2，薛永明2，王星1

（1.上海環境衛生工程設計院有限公司，上海200232；2.蘇州江遠熱電有限責任公司，江蘇蘇州215128）

以某熱電廠污泥熱干化系統為研究對象，對該系統中核心設備“圓盤干化機”運行過程的熱量平衡進行了研究分析。研究發現當干化機運行工況為進料量3.71 t/h、蒸汽消耗量3.15 t/h時，蒸汽凝結時釋放的熱量（輸入的熱量）為1 855.9 kW。干化機輸出總熱量為1 855.7 kW，熱平衡計算誤差0.1%。其中干化機散熱占輸入熱量的1.29%、載氣帶走熱量占輸入熱量的3.27%、污泥干化溫升吸熱占比1.75%，污泥中水分蒸發吸熱量占比93.68%。

污泥；熱干化；圓盤干化機；熱平衡

污泥熱干化工藝是利用電廠蒸汽加熱污泥蒸發脫水的一種處理工藝，經處理后污泥含水率達到40%以下，使低熱值的污泥轉變成較高熱值的可用燃料，然后實施清潔高效燃燒。焚燒可以使剩余污泥的體積減少到最小，能量可用于污泥自身的干化或發電供熱；高溫能夠殺死病原體。焚燒后的產物經浸出毒性試驗，如果不屬于危險廢物的焚燒灰可以被綜合利用，制成有用的建材產品［1］。筆者以蘇州江遠熱電有限責任公司的污泥熱干化系統為例，對該公司的污泥熱干化系統進行了能效分析，為今后開展污泥干化工程提供一定的技術參考。

1　項目背景

本研究的污泥熱干化系統由江蘇某燃煤電廠結合自有的燃煤鍋爐、蒸汽系統等條件建設而成。熱干化生產線規模為3×100 t/d，通過蒸汽間接放熱將含水率80%～82%的污泥烘干至含水率40%左右。污泥干化車間布置在電廠廠區內，廠房采用負壓設計，廢氣由引風機抽入電廠鍋爐，作為一次風、二次風使用。

污泥熱干化系統占地面積1 000 m2左右。廠區周邊的企業產生的濕污泥通過汽車運送到廠內污泥儲倉，通過柱塞泵送入圓盤干化機內進行熱干化，干化后的污泥由皮帶輸送機送至原煤儲棚，與原煤一起入爐焚燒，焚燒產生的蒸汽，供周邊企業使用。

2　工藝簡介

污泥熱干化系統由如下子系統構成：濕污泥存儲及進料系統、蒸汽系統、干化機、冷凝水回用系統、尾氣處理系統、電氣自控系統等。工藝運行流程（見圖1）如下：含水率80%～82%的濕污泥通過專用密閉汽車運送到干化車間污泥倉，單個污泥倉容量為120 m3。濕污泥接收倉底部配有移動滑架和出料機，污泥通過液壓柱塞泵將污泥輸送到圓盤干化機中進行干化處理。濕污泥接收倉置于半封閉的建筑物內，建筑物設有風機將污泥存放時產生的有害氣體引入到電廠鍋爐內高溫焚燒處理。

圖1　污泥熱干化系統流程

超圓盤干化機的運行原理是：飽和蒸汽被輸送到中空圓盤內膽作為熱源間接加熱污泥。帶有盤片的旋轉軸推動進入干化機的污泥從干化機進口至出口方向運動并把塊狀的污泥破碎。污泥中的水分通過蒸汽的加熱蒸發，蒸發掉的水蒸氣由引風機抽出，經過旋風分離器、冷凝器冷卻后，送入電廠鍋爐爐膛內。經過干化后的污泥在干化機末端出料口排出，由地下式全封閉皮帶輸送機輸送至電廠煤棚。由于有引風機的吸引，干化機的出料口也是處于負壓狀態。干化后的污泥在落入皮帶輸送機的時候，空氣通過出料口進入圓盤干化機內部，隨蒸發的水蒸氣一同進入旋風分離機。這種負壓狀態的設計可以保證系統臭氣不外溢，減少二次污染。

釋放潛熱后的飽和蒸汽轉變為冷凝水，進入冷凝水回用系統。經疏水冷卻器冷卻后，進入蒸汽凝結水箱，隨后由水泵輸送至電廠鍋爐除氧器。

污泥干化后產生的尾氣主要由水蒸氣和不可凝氣體（粉塵、負壓狀態吸入的空氣、CH4、NH3等異味氣體）組成，尾氣進入旋風分離器脫除粉塵、水冷冷凝器進行冷凝，冷凝后的不可凝氣體由引風機送入電廠燃煤鍋爐焚燒，冷凝水經收集后送入污水處理系統。

3　熱干化系統的熱平衡測試

污泥熱干化系統的熱平衡分析是基于圖1所示的流程開展的，測試對象為1臺100 t/d的圓盤干化機。依據該流程，對圓盤干化機的輸入熱值、輸出熱值、干化機散熱和輔機功耗進行現場測試。

熱源蒸汽壓力、流量、溫度由中控檢測數據直接讀取；進出污泥參數由紅外水分儀測試；主蒸汽出口的疏水設有溫度測點，通過壓力進行相變溫度的折算；干化機外表面的散熱面積及溫度由紅外熱像儀測試；載氣流量由風速儀測試。

通過DCS系統讀取的數據為：熱源蒸汽壓力、熱源蒸汽流量、熱源蒸汽溫度、進料污泥流量、乏汽（水）溫度、乏汽（水）壓力、出料污泥流量、廢氣溫度、輔機功耗。

現場測試的數據為：進料污泥溫度、進料污泥含水率、載氣流量、載氣溫度、干化機表面溫度、干化機表面散熱面積、出料污泥溫度、出料污泥含水率。

干化系統進行3次測試并取平均值，結果見表1。

4　污泥熱干化系統的質能平衡分析

根據測試數據，對干化系統進行了熱量平衡計算。主蒸汽入口及出口焓值差即為主蒸汽的放熱量。濕污泥在干化過程中分2部分計算，一部分是污泥中水分由液態向氣體轉變的吸熱；另一部分是物料出口干污泥的溫升吸熱（由入口的11.5℃到出口的50℃，污泥比熱容取值1.005 kJ/（kg·K））。載氣從11.5℃上升到110℃，比熱容取值1.005 kJ/（kg·K），結果見圖2。

圖2　干化機熱平衡分析結果

根據測試結果，干化機運行工況為進料量3.71 t/h、蒸汽消耗量3.15 t/h時，蒸汽凝結時釋放的熱量（輸入的熱量）為1 855.9 kW。干化機輸出總熱量為1 855.7 kW，包括干化機散熱、載氣吸收熱量、干污泥吸收熱量、污泥中水蒸氣吸收熱量。其中干化機散熱占輸入熱量的1.29%、載氣帶走熱量占輸入熱量的3.27%、污泥干化溫升吸熱占比1.75%，污泥中水分蒸發吸熱量占比93.68%。通過上述分析可知，在圓盤干化機運行過程中，污泥高效地吸收了飽和蒸汽釋放的潛熱。

在上述工況時，干化機的輸入熱量和輸出熱量差值為0.2 kW，相對誤差0.1%，說明測試及計算較為準確。散熱量占總的熱量供給1.29%，說明干化機保溫工藝效果較好。但是現場發現干化機底部和上部的支撐肋板、干化機觀察孔下部并未做保溫，散熱較大（見圖3），因此在控制散熱量方面仍有進一步提高的空間。

圖3　圓盤干化機運行時紅外熱成像

污泥干化過程產生的廢蒸汽混入了引風機吸入的空氣（焓值642.9 kJ/kg，），使得廢蒸汽中不凝性氣體（O2、N2）體積增加，經計算廢蒸汽中氧氣體積含量為10.12%、氮氣體積含量為38.08%。由于存在大量的不凝性氣體，因此廢蒸汽的余熱利用難度較高。如果采用機械增壓的方式利用該余熱，必須先去除以氧氣、氮氣為主的不凝性氣體，才能提高余熱利用效率。

此外，由于廢蒸汽中氧氣體積含量為10.12%?？紤]到廢蒸汽中含有一定量的粉塵，因此為了盡可能地降低粉塵爆炸的幾率，引風量可以適當降低，以保證廢蒸汽中氧氣體積含量不超過5%。

5　結論

1）當干化機運行工況為進料量3.71 t/h、蒸汽消耗量3.15 t/h時（0.5 MPa飽和蒸汽），蒸汽凝結時釋放的熱量（輸入的熱量）為1 855.9 kW。干化機輸出總熱量為1 855.7 kW，包括干化機散熱、載氣吸收熱量、干污泥吸收熱量、污泥中水蒸氣吸收熱量。其中干化機散熱占輸入熱量的1.29%、載氣帶走熱量占輸入熱量的3.27%、污泥干化溫升吸熱占比1.75%，污泥中水分蒸發吸熱量占比93.68%。

2）干化機的輸入熱量和輸出熱量差值為0.2kW，相對誤差0.1%，說明測試及計算較為準確。散熱量占總的熱量供給1.29%，表明干化機保溫工藝效果良好。

3）由于負壓工藝的運用，使得廢蒸汽中存在大量的不凝性氣體，導致廢蒸汽的余熱利用難度較高。

4）廢蒸汽中氧氣體積含量為10.12%。考慮到廢蒸汽中含有一定量的粉塵，因此為了盡可能地降低粉塵爆炸的幾率，引風量可以適當降低，以保證廢蒸汽中氧氣體積含量不超過5%。

［1］ 戎淑群，洪禹.污泥干化協同焚燒技術在燃煤電廠應用的探討［J］.能源與環境，2014（5）：75-77.

Heat Balance of Sludge Thermal Drying System

Yang Xinhai1，Liu Zeqing1，Pu Wenliang2，Xue Yongming2，Wang Xing1
（1.Shanghai Environmental Sanitary Engineering Design Institute Co.Ltd.，Shanghai200232；2.Suzhou Jiangyuan Thermal Power Plant Co.Ltd.，SuzhouJiangsu215128）

Taking sludge thermal drying system of a power plant asthe objective，the heat balance in the running process of rotary disc drying machine was studied.The results showed that the vapor condensing heat，namely heat input，was 1 855.9 kW when the feed rate was 3.71 t/h and the steam consumption was 3.15 t/h.The total heat output was 1 855.7 kW，so the heat balance error was about 0.1%.In terms of the heat input，the heat dissipation of drying machine accounted for 1.29%，the heat taken away by the carried gasaccounted for 3.27%，the heat absorption of temperature-rise during sludge drying accounted for 1.75%，and the heat absorption ofwater evaporation accounted for 93.68%.

sludge；thermal drying system；rotary disc drying machine；heat balance

X705

A

1005-8206（2016）04-0038-03

上海市科委項目（13231201901）；上海市國資委項目（2013019）；上海市科委項目（14DZ1208400）

2016-04-14

楊新海（1971—），上海環境衛生工程設計院有限公司總工程師，從事城市生活垃圾處理領域的科學研究、項目咨詢、專業規劃、工程設計、技術管理等工作。