流化床富氧焚燒含油污泥技術經濟性分析

海云龍，閻維平，張旭輝

（1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003；2.北京國電富通科技發展有限責任公司，北京 100070）

固廢處理

流化床富氧焚燒含油污泥技術經濟性分析

海云龍1，閻維平1，張旭輝2

（1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003；2.北京國電富通科技發展有限責任公司，北京 100070）

介紹了流化床富氧焚燒含油污泥技術的流程和優勢，計算了富氧焚燒含油污泥系統主要設備的電耗和技術經濟指標。流化床富氧焚燒含油污泥技術可實現煙氣及其他污染物零排放，產生的蒸汽可直接供應油田生產和生活使用，產生的液態CO2可直接用于油井驅油，煙氣中的SO2和NOx可轉化為硫酸和硝酸。采用日處理200 t含油污泥的流化床鍋爐年處理含油污泥量約73 kt，每年減少排污費7 300萬元；鍋爐年產蒸汽量約177 kt，每年節約蒸汽費用1 380.6萬元，合計每年節約成本8 680.6萬元。回收得到質量分數為40%的稀硫酸5.56 t/d，質量分數為37%的硝酸0.708 t/d，年回收CO2約99 kt。

含油污泥；富氧焚燒；流化床；鍋爐

含油污泥是在油田開發、儲運及煉制過程中產生的廢棄物。含油污泥含水率為40%～90%，含油率為10%～50%，其中含有大量的致癌物質如苯系物、酚類、芘、蒽等以及重金屬如砷、汞、鉻等［1］，若不加以處理，不僅浪費資源，而且污染環境。目前我國含油污泥處理方法主要有填埋法、熱烘干法、生物法、物理化學法、焚燒法等［2］。焚燒法具有減重減容率高、處理量大、處理速度快、

無害化較徹底、余熱可用于發電或供熱等優點。污泥干化焚燒工藝是目前國內外最常用的污泥焚燒處理方式，而整個工藝的核心部分是污泥干化技術，它對整個污泥干化焚燒系統能否連續穩定運行以及處理成本起到決定性的作用［3］。污泥焚燒會帶來二次污染，污染物包括粉塵、SO2、NOx、重金屬和劇毒物質二噁英等。流化床燃燒技術具有燃燒效率高、燃料適應性廣、污染物排放量低的特點［4］，已廣泛應用于工業生產中。富氧焚燒含油污泥技術借鑒了燃煤火電廠富氧燃燒捕集與封存CO2技術［5-6］，已有學者將富氧焚燒與煙氣壓縮液化處理技術應用于垃圾焚燒鍋爐［7-10］。

本工作將富氧焚燒技術應用于流化床鍋爐，詳細介紹了流化床富氧焚燒含油污泥技術的流程和優勢，計算了富氧焚燒含油污泥系統主要設備的電耗與主要技術經濟指標，并結合富氧焚燒CO2煙氣壓縮工藝及脫硫脫硝技術計算了富氧焚燒含油污泥煙氣中SO2、NOx轉化為硫酸、硝酸的量及回收CO2的量。

1 流化床富氧焚燒含油污泥技術流程

流化床富氧焚燒含油污泥流程圖見圖1。

圖1 流化床富氧焚燒含油污泥流程圖

該流程為：用泵將含油污泥送入流化床鍋爐內，由制氧裝置制得的高濃度氧氣經氣-氣換熱器預熱后通過布風擋板送入流化床鍋爐內。送入爐膛內的含油污泥靠自身重力下落，與氧氣逆向混合，經干燥、熱解、氣化、燃燒。

含油污泥與氧氣燃燒產生的煙氣主要成分為CO2和水蒸氣。高溫煙氣經過鍋爐受熱面將熱量傳遞給工質水，產生蒸汽，供應油田生產、生活使用。鍋爐出口的煙氣經除塵器除塵后進入氣-氣換熱器加熱經制氧裝置制取的氧氣，氣-氣換熱器出口的煙氣進入冷凝器冷卻，煙氣冷卻釋放的氣化潛熱和水蒸氣的凝結放熱用于加熱鍋爐給水，排出的煙氣進入直接接觸式冷卻器（DCC）進一步冷卻降溫，煙氣最后進入CO2壓縮凈化系統，經液化、壓縮的液態CO2再經過泵加壓用于油井驅油。在CO2壓縮過程中需要級間冷卻器冷卻，回收的熱量可用于加熱鍋爐給水。從排渣口排出的灰渣和金屬經冷渣器冷卻至150 ℃并回收熱量，回收的熱量可用于預熱氧氣等。采用分選機從冷卻后的灰渣中分選出無機殘渣和金屬，無機殘渣可用作建筑材料，金屬可回收利用。

2 富氧焚燒含油污泥技術的優勢

1）由于含油污泥中水分含量較高，空氣焚燒工況下焚燒溫度很低，通常需要輔助燃料。目前常用的污泥焚燒方式是先干化后焚燒，污泥干化設備價格昂貴，采用富氧焚燒技術可以降低設備投資和運行費用，節約成本。

2）常規的污泥焚燒鍋爐存在引風機的嚴重腐蝕問題，富氧焚燒污泥技術無需送風機和引風機。采用變壓吸附制氧技術氧氣出口壓力可達0.3 MPa，利用氧氣的壓力即可維持流化床鍋爐微正壓運行且克服煙氣側沿程阻力。

3）由于鼓泡流化床需要的流化風速較低，且富氧燃燒的流化床鍋爐的爐膛截面積大幅度降低，經計算，僅在氧氣含量為95%（φ）條件下可以滿足流化風速的要求，不需要煙氣再循環系統，同時取消了高溫煙氣再循環風機和管道設備。

4）采用富氧焚燒污泥技術，煙氣排放量大幅減少，鍋爐排煙損失降低，其他各項損失相比傳統的污泥焚燒技術也有所降低，鍋爐燃燒效率有所提高。

5）捕集全部燃燒產物是富氧焚燒含油污泥技術最突出的特點，含油污泥焚燒產生的煙氣經除塵器除塵后繼續冷卻降溫脫水，由于常溫常壓下二噁英為無色無味的固態顆粒，隨著煙氣溫度的降低，二噁英會從煙氣中凝結析出，從而達到去除二噁英的目的。在CO2壓縮液化過程中，高壓低溫條件可顯著提高NO的氧化速率，煙氣中脫硫脫硝的反應速率加快，無需任何催化劑，可在富氧焚燒煙氣壓縮過程中聯合脫除NOx和SO2等酸性氣體［12-13］，與常規空氣焚燒含油污泥相比省去了復雜昂貴的煙氣凈化裝置，還能得到酸溶液，可作為化工產品出售獲得額外的收益，從而抵消部分制氧成本。

6）因為該技術基本實現焚燒污染物的零排放，含油污泥處理廠可建在油田附近，減少了含油污泥的運輸費用，焚燒含油污泥余熱利用產生的蒸汽可直接供應油田生產、生活使用；經煙氣處理單元產生的高壓高純度液態CO2也可直接用于油井驅油，減少了CO2作為化學產品出售帶來的運輸成本，減少了碳排放。

3 富氧焚燒含油污泥的經濟性

采用氧氣含量為95%（φ）、過量空氣系數為1.1進行計算，含油污泥的元素組成及發熱量見表1，流化床鍋爐主要額定參數見表2。

表1 含油污泥的元素組成及發熱量

表2 流化床鍋爐主要額定參數

3.1 流化床鍋爐的熱效率

采用遼河油田含油污泥，不摻燒任何輔助燃料，計算得到的煙氣組分見表3。富氧焚燒含油污泥系統的主要熱力參數見表4。富氧焚燒含油污泥的鍋爐熱效率見表5。

表3 富氧焚燒含油污泥的煙氣組分

表5 富氧焚燒含油污泥流化床鍋爐熱效率

由表3可見，煙氣中水分含量較高，使煙氣中水分凝結溫度達到86 ℃，可利用潛熱吸熱式排煙冷凝器回收這部分熱量。鍋爐排出的煙氣經過潛熱吸熱式排煙冷凝器后溫度由150 ℃降至60 ℃，回收的水蒸氣凝結放熱和煙氣的顯熱可用于加熱鍋爐給水，使給水溫度從20 ℃加熱到40 ℃。

3.2 變壓吸附制氧和CO2壓縮液化的電耗

變壓吸附技術制氧的功耗為0.28～0.38（kW·h）/m3，且變壓吸附技術具有流程簡單、設備易于制造、啟動迅速、可隨時停機、產品純度可任意調節等優點［14-15］。

在常壓富氧焚燒后的CO2煙氣壓縮過程中，需要將CO2壓縮到10 MPa以備輸送或埋存，常壓富氧焚燒CO2煙氣壓縮電耗（W，kW）的計算公式見式（1）～（3）［16］。

式中：W1為CO2液化前煙氣在壓縮機中的壓縮電耗，kW；W2為液態CO2在高壓泵中的電耗，kW。

式中：R為氣體常數，kJ/（kg·K）；T為壓縮機入口溫度，K；ρ為氣體密度，kg/m3；v為標況下氣體體積流量，m3/s；ηT和ηM分別為壓縮機的等溫效率和機械效率，%；P1和P2分別為壓縮機入口和出口壓力，MPa。

式中：D為液態CO2質量流量，kg/s；h1為液態CO2壓縮前焓值，kJ/kg；h2為液態CO2壓縮后焓值，kJ/kg；hs2-hs1為液態CO2等熵壓縮前后狀態焓值差，kJ/kg；η為升壓泵效率，%。

經計算，變壓吸附制氧電耗為3.324 6 MW，CO2壓縮液化電耗為1.474 5 MW。

3.3 富氧焚燒含油污泥系統主要設備的電耗

富氧焚燒含油污泥系統主要設備的電耗如下：給水泵0.018 3 MW，含油污泥輸送泵0.000 5 MW，制氧設備3.324 6 MW，CO2壓縮機1.289 2 MW，總電耗4.632 6 MW。以工業用電價格0.83元/（kW·h）計算，用電總費用為9.228萬元/天。

3.4 富氧焚燒含油污泥產生的蒸汽量

根據鍋爐的額定參數及鍋爐效率，日處理200 t含油污泥的流化床鍋爐每小時可產生蒸汽20.17 t，年產蒸汽量約177 kt。按每噸蒸汽費用78元計算，每年可節約蒸汽費用1 380.6萬元。年處理含油污泥量約73 kt，每處理1 t含油污泥可節約排污費1 000元，每年減少排污費7 300萬元，合計每年節約成本8 680.6萬元。

3.5 回收的酸液及CO2的量

經過除塵器除塵后的煙氣中含有SO2、NOx等有害氣體，可將煙氣中的SO2、NOx轉化為硫酸、硝酸，實現SO2、NOx的回收利用。

以日處理200 t含油污泥的富氧焚燒含油污泥系統產生的煙氣組分為計算數據，結合富氧焚燒CO2壓縮工藝及脫硫脫硝技術，進入煙氣處理單元的煙氣流量及成分見表6。按文獻［9，16］計算，回收得到質量分數為40%的稀硫酸5.56 t/d，質量分數為37%的硝酸0.708 t/d，回收CO2269.89 t/d，年回收CO2約99 kt。

由表6可知，進入煙氣處理單元的煙氣中水分含量大大降低，這是由于排出鍋爐的煙氣經過冷凝器和DCC進一步冷卻降溫，使煙氣中絕大部分水分得到凝結而析出，回收的熱量用于加熱鍋爐給水。

表6 煙氣處理單元的煙氣流量及成分

4 結論

a）采用富氧焚燒技術處理含油污泥，無需任何輔助燃料，含油污泥無需干化，無需送風機、引風機，可以實現煙氣及其他污染物零排放。焚燒含油污泥產生的蒸汽可直接供應油田生產和生活使用；產生的高壓高純度液態CO2可直接用于油井驅油；煙氣中的SO2和NOx可轉化為硫酸和硝酸。

b）采用日處理200 t含油污泥的流化床鍋爐年處理含油污泥量約73 kt，每年減少排污費7 300萬元；鍋爐年產蒸汽量約177 kt，每年節約蒸汽費用1 380.6萬元，合計每年節約成本8 680.6萬元。回收得到質量分數為40%的稀硫酸5.56 t/d，質量分數為37%的硝酸0.708 t/d，回收CO2269.89 t/d，年回收CO2約99 kt。

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（編輯 祖國紅）

Technical and economic analysis of oxygen-enriched incineration of oily sludge in fluidized bed

Hai Yunlong1，Yan Weiping1，Zhang Xuhui2
（1.School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding Hebei 071003，China；2.Beijing Guodian Futong Science and Technology Development Co.Ltd.，Beijing 100070，China）

The technical process and advantages of oxygen-enriched incineration of oily sludge in fluidized bed are introduced.The power consumption of main equipment and the technical and economic indexes of the oily sludge oxygen-enriched incineration system are calculated.By the technology of oxygen-enriched incineration oily sludge in fl uidized bed，zero emission of fl ue gas and other pollutant can be achieved，the steam produced can be directly used for production and livelihood of oil fi eld，the liquid CO2produced can be directly used for oil displacement，and SO2and NOxin fl ue gas can be converted into sulfuric acid and nitric acid.Using a fl uidized bed boiler with 200 t/d of daily disposal ability，73 kt of oily sludge is treated per year，so 73 million yuan of sewage charge can be saved per year；The steam output of the boiler is about 177 kt per year，so 13.806 million yuan of steam cost can be saved per year；Totally，86.806 million yuan of cost is saved per year.In addition，5.56 t sulfuric acid with 40% of mass fraction and 0.708 t nitric acid with 37% of mass fraction can be recovered per day，and 99 kt CO2can be recovered per year.

oily sludge；oxygen-enriched incineration；fl uidized bed；boiler

TK6

A

1006-1878（2016）02-0211-05

10.3969/j.issn.1006-1878.2016.02.017

2015-11-07；

2015-12-15。

海云龍（1992—），男，河南省周口市人，碩士生，電話 15933921318，電郵 hdhaiyunlong@126.com。