污泥高干脫水和熱解炭化組合工藝的應用

程 俊 何光亞 張 娜

安徽省通源環境節能股份有限公司，安徽合肥 230031

污泥的產生在人類活動中是不可避免的，大量污泥通常被任意堆放和投棄，對環境造成了新的污染，如何將這些污泥妥善處理已成為全球共同關注的課題。近年來，國家對污泥處理處置相關政策的出臺和人們不斷對污泥處理處置的重視，不斷涌現出各類污泥處理處置技術，主要包括：石灰穩定化、高干脫水、厭氧消化、好氧堆肥、污泥焚燒、電滲透、真空熱干化、污泥熱干化和污泥熱解炭化等技術[1-3]。

1 高干脫水技術

污泥高干脫水設備市場上常用的有兩種，分別為高壓鋼制板框壓濾機和膈膜壓濾機。高干脫水技術比較成熟，在此不再贅述。

2 污泥熱解炭化技術

污泥炭化是利用污泥中有機物的熱不穩定性，在缺氧條件下對其加熱，使有機物產生熱裂解，形成利用價值較高的氣相和固相，這些產品具有易儲存、易運輸及使用方便等特點，為實現污泥“四化”提供了有效途徑。

污泥熱解炭化主要由兩種工藝組合，一種為含水率80%直接熱處理進行炭化，另外一種為機械脫水后污泥含水率50%進行熱處理炭化，下面從能量衡算和直接處理成本上對兩種工藝組合進行比較。

3 污泥高干脫水和熱解炭化組合工藝

此工藝最大特點為通過機械脫水，最大限度降低污泥含水率，從而實現污泥的減量化，而且在減量過程中，將污泥中的有機質保持下來，降低后續污泥炭化的生產負荷，提供高熱值物料。通過計算獲得，越低含水率的污泥，在后端的熱解炭化過程中，需要消耗的能源越低，從而盡可能地降低后端運行成本。

3.1 工藝成本初步計算

3.1.1 含水率80%的污泥直接烘干熱解炭化成本計算

1t含水率80%的污泥直接通過烘干降低含水率至20%的成本計算。理論需求熱量計算公式：

式中：C—水的比熱，4.2kJ/（kg·℃）；（t-t1）—蒸發水量；q—水的蒸發潛熱，2260.00kJ/kg；

Q=4.2×（1000×80%-250×20%）×80+2260×（1000×80%-250×20%）=1947000kJ

（1）烘干需求生物質成本：烘干設備熱效率按70%計算[3]，生物質按照4000kcal/kg，單價按照0.80元/kg計算：

[（Q/4.18）/70%/4000]×0.80=133.08元。

（2）炭化需求生物質成本：處理量（X）：250kg原料含水率（S1）：20%；產物含水率（S2）：1%；熱源：生物質顆粒燃燒。

加熱方式：間接，爐內溫度：400℃；爐內滯留時間：20min；原料溫度（ta）：50℃。

①炭化熱量計算：

水分蒸發量：Wa=X×（S1-S2）/（1-S2）=250×0.19/0.99=47.98kg；

絕干泥量 ：（Y）=X-Wa=202.02kg。

②炭化需要熱量計算：

a.原料中水分加熱到100℃（tb）所需熱量qa：

b.水分蒸發熱量qb：100℃的蒸發潛熱Qdj=539kcal/kg，

Qb=Qdj×Wa=539×47.98=25861.22kcal；

c.水蒸氣溫度上升熱量qc：

水蒸氣比熱Cj=0.48kcal/（kg·℃ ），出口溫度td=400℃，

Qc=Wa×Cj×（td-100）=47.98×0.48×300=6909.12kcal；

d.絕干泥上升熱量qd：

絕干泥比熱：Ck=0.4kcal/（kg·℃），產品溫度tc=300℃；

但之后何冰的表情忽然細微地變化了一下。她坐在正對窗口的位置，對面就是一家酒店，從包廂里能很清楚地看見出入酒店的人。

Qd=Y×Ck×（tc-ta）=202.02×0.4×（300-50）=20202kcal；

e.放熱量：

放熱率800kcal/m2；放熱面積=24m2；qe=800×24=19200kcal；

f.合計熱量（qt）：

Qt=qa+qb+qc+qd+qe=74684.34kcal；

g.實際需求熱量：

炭化機設備熱效率按照35%考慮，得到：

Qs=Qt/35%=213383.71kcal；

h.生物質成本 ：Qs/4000×0.8=42.67元。

（3）電耗成本：125×4×0.85=425元。

（4）總成本：133.08+42.67+425=600.75元。

3.1.2 含水率50%通過高干脫水后烘干熱解成本計算

通過高壓脫水后，將含水率從80%降至50%后進行烘干至含水率20%所需要成本計算。

（1）高干脫水成本：根據實際生產經驗估算，通過高壓板框壓濾機進行深度脫水污泥含水率從80%降低至50%所需要的藥劑及電耗成本在70元/t。

（2）烘干需求生物質成本：含水率50%高干污泥烘干至含水率20%所需要成本計算：

Q=C×M×（t-t1）+q×（t-t1）=389400kJ ；

生物質成本[（Q/4.18）/70%/4000]×0.80=26.6元。

（3）炭化需求生物質成本：炭化需要生物質成本為42.67元。

（4）電耗成本：125×0.8×0.85=85元。

（5）需要總成本：70+26.6+42.67+85=224.27元。

3.1.3 兩個工藝成本比較

以上數據計算過程中，僅考慮藥劑、燃料和電耗成本，未考慮人工、設備折舊費用等。在熱處理過程中，未考慮煙氣熱量回用和煙氣中可燃氣體的燃燒供熱部分。

含水率80%的污泥直接通過烘干后進行熱解炭化相對于含水率80%的污泥通過高干脫水后進行烘干熱解炭化成本明顯較高。這主要是因為機械脫水效率遠高于熱處理效率，但機械脫水將污泥含水率降低至50%為其極限值，需要借助熱處理方式，進一步進行脫水實現污泥的“四化”。

4 結語

國外學者Vesilind 和Marte 提出污泥中所含的水分主要有四種，即自由水、間隙水、表面水和結合水[4]。自由水是指沒有與污泥顆粒結合的水分，可以通過重力濃縮去掉。間隙水是指膠羽和有機物之間的裂縫、間隙中的水分，可以通過機械脫水脫除。表面水是指由于水分子的分子結構，被固定在污泥顆粒表面的水分，機械脫水無法去除。結合水是指經過水合作用，通過化學方式與顆粒結合的水分，可以加熱破壞顆粒而釋放。

由于不同水分與污泥顆粒的結合方式和能力各不相同，去除不同水分所需要的能耗也不同[5]。自由水或調質釋放出來的吸附水可通過重力濃縮去除，所需要的能耗約為10-3kWh/m3；結合水通過機械脫水去除，所需要能耗約為1kWh/m3；細胞水通過熱處理去除，所需要能耗約為103kWh/m3。由此可見，濃縮工藝的能耗大大低于機械脫水工藝的能耗，機械脫水工藝的能耗又大大低于熱處理工藝的能耗，因此可以得出這樣的污泥處理原則：盡量采用濃縮法和機械脫水法去除更多的水分，來減少后續熱處理的污泥量和蒸發量，可以大大節省總能耗。污泥高干脫水和熱解炭化組合工藝充分利用了該原則，實現降低污泥含水率之后的資源化利用，可以減少能耗、運行經濟、安全可靠、操作方便，具有很好應用前景。