污泥焚燒項目余熱利用系統熱力分析

劉宇佳，孫靜，趙旭東，郭俊偉，季輝

（1.同方環境股份有限公司，北京 100083；2.中國城市建設研究院，北京 100120）

引言

脫水污泥的處置一直是耗資大且社會敏感度高的問題。近年來，市政及工業污泥逐漸增多，其處置已是各地政府的一項負擔[1～3]。隨著污泥處置技術的發展，集中化的處理模式逐漸成為污泥治理的主要手段。很多文章就污泥集中處置技術有分析研究，在這些集中處置方式中，干化焚燒是一種最為環保和有效的污泥處置方式，不僅能使污泥中含有的水分進一步降低，同時干化后的污泥還可進行焚燒處理，以實現廢棄物的能源化利用，并最大限度地實現減量化、無害化的處理要求[4～10]。但在污泥干化、焚燒處理的研究和實踐中，還有許多問題亟待解決。

干化焚燒技術目前已在一些典型污泥處置工程中應用，成都污泥干化焚燒項目作為國內最早一批的焚燒廠已運行七年。本文對成都污泥干化焚燒項目做了較為詳細的工藝描述，并對該項目余熱回收系統建立了熱力模型并進行了深入分析。

1 成都污泥干化焚燒項目

1.1 項目簡介

成都市第一城市污泥干化焚燒處置項目，設計接收污泥的含水率為80%，系統總處理能力400t/d，系統總的進泥量變化范圍為250～450t/d，設計干基高位熱值13 086kJ/kg，系統的工藝采用薄層干化機+鼓泡焚燒爐處理技術，設置兩條干化焚燒線。

濕污泥通過輸送系統進入薄層干化機的進料口，污泥被轉子帶向熱壁表面，轉子上的漿葉對熱壁表面的污泥反復翻混，同時污泥通過螺旋輸送系統進入排料端。在干化機的蒸氣側，余熱鍋爐產生的6bar飽和蒸氣通過干化機夾套對污泥加熱，受熱后污泥由于水的蒸發含水率下降。經干燥處理，含水80%的濕污泥干化成為含水30%、溫度約為100℃的干污泥，干污泥經輸送系統送入焚燒單元。污泥在干化機內部的停留時間極短，依靠干化機轉子慣性，完全可將機體內的污泥排出。干燥過程中產生的載氣與污泥逆向運動，由污泥進料口上方的蒸氣管口排出，之后載氣經過冷凝處理，冷凝液進入污水處理廠處理，不凝氣體經處理后排放。

為了避免污泥在給料裝置中黏滯，在焚燒爐之前設置混合料斗，干化后含水30%的污泥與含水80%的濕污泥混合，混合后污泥的含水率約為66%。混合后的污泥由柱給料螺旋分兩路打入焚燒爐爐膛，助燃的高溫流化空氣由布風裝置送進焚燒爐爐膛，輔助燃燒的天然氣由輔助燃燒器從爐膛濃相區噴入焚燒爐，污泥在爐內燃燒和燃盡；高溫煙氣在不低于850℃的爐膛內停留2s以上。由于污泥的含灰特性，焚燒后灰分大部分成為飛灰隨煙氣進入后續系統。焚燒爐出口的高溫煙氣首先進入高溫空氣預熱器，將流化空氣加熱到400℃，以減少焚燒爐內天然氣的耗量。空預器為立管式換熱器，煙氣走管程。空預器內換熱完成后的熱煙氣（約680℃）進入水管式余熱鍋爐，產生飽和蒸氣，蒸氣參數為：0.9MPa，180℃。煙氣二次換熱后排出余熱鍋爐，排煙溫度約250℃，進入后續的煙氣凈化系統。該項目的煙氣凈化系統采用兩級除塵+活性炭+脫硫的工藝路線。

1.2 余熱回收系統

圖1為該項目的污泥焚燒和余熱利用系統簡圖。在余熱回收系統中，含水66%的干污泥經螺旋輸送系統進入污泥焚燒爐中，污泥在高溫流化空氣與爐內的高溫石英砂的混合作用下被加熱并燃燒，污泥經過焚燒后完全轉化為煙氣和灰分。燃燒后的煙氣溫度可達850℃，之后高溫煙氣引入空氣預熱器中加熱流化空氣，冷空氣經空氣預熱器加熱后成為400℃的高溫高壓空氣，送入焚燒爐中用作流化空氣使用。煙氣從空氣預熱器出來后進入余熱鍋爐，將熱量傳遞給余熱鍋爐給水。給水經加熱后形成飽和蒸氣，該飽和蒸氣作為熱源供干化機使用，經干化機之后蒸氣冷凝為高溫熱水。煙氣從余熱鍋爐出來后進入煙氣凈化系統，經除塵、脫硫后排放。

圖1 污泥焚燒和余熱利用系統簡圖

2 熱力模型及分析方法

基于實際設計參數建立了余熱利用系統中的熱力模型和計算模型，該熱力模型基于質量和能量守恒定律建立。在建模過程中假設各部分換熱器和管線的熱量損失為零，同時管線中的壓力降也忽略不計。在焚燒爐部分污泥熱值計算模型基于Dulong公式建立，通過各個可燃組分比例以及化學反應求得煙氣中的組分。

式中：

Q——為干污泥熱值，MJ/kg；

V——干污泥中揮發分的含量，g；

A——干污泥中灰分含量，g；

a，b——回歸系數。

對余熱回收系統中的空氣預熱器和余熱鍋爐的熱力模型通過Aspen Plus熱力計算軟件來模擬。模擬過程中在控制空預器出口溫度以及蒸氣出口溫度滿足系統需要的前提下，建立煙氣-空氣、煙氣-水/蒸氣的換熱模型。

污泥的成分均取自于成都現場，建模所需的初始條件為該項目的設計工況條件。通過熱力學第一定律和熱力學第二定律的原理，提出了該熱力學模型。系統模擬計算的初始條件見表1。

表1 系統模擬主要計算參數

3 結果及分析

基于以上的假設、設計參數以及熱力分析模型，計算出該焚燒及余熱回收系統的熱力性能和參數。該系統中各個工質流的熱力計算結果見表2。

通過表2可得出，在設計工況下：1）焚燒爐中排出的煙氣攜帶有大量的高品質熱量，但經過余熱利用系統后煙氣的溫度仍然很高，除了余熱利用系統利用的部分熱能，給水溫度過高也是排煙溫度過高的原因。2）出于經濟性和工程設計考慮，污泥焚燒項目中的空氣預熱器通常置于焚燒爐之后、余熱鍋爐之前，通過參數可以看出，高品質的煙氣用于加熱低溫煙氣，空氣預熱器部分的煙氣熱量未被完全利用。3）余熱鍋爐產出的蒸氣是用于干化機的，蒸氣參數要求不高，但這部分蒸氣可以提高品質做更多熱的利用。

表2 各工質流的熱力參數

基于現有的設計條件和以上分析，對空預器和余熱鍋爐做進一步的熱力分析，通過模擬這兩部分的換熱過程來分析煙氣熱量的利用情況。圖2和圖3是空預器和余熱鍋爐的溫度-換熱量模擬圖。

圖2 空氣預熱器T-Q圖

圖3 余熱鍋爐T-Q圖

從圖2和圖3可以得出，空氣預熱器和余熱鍋爐中存在很大的換熱溫差，冷空氣以常溫進入空預器中利用焚燒爐出口的高溫煙氣加熱，換熱器兩端的溫差高達400℃以上。余熱鍋爐中的熱水經加熱后溫度只停留在蒸發段，蒸氣出口端的換熱溫差高達500℃以上。

基于以上的參數，對該余熱回收系統建立熱力學第二定律模型來分析系統熱性能。系統中煙氣、空氣、水/蒸氣的值計算，通過流公示求得，散熱損失忽略。

式中：

Ex——工質的輸入/出；

h——工質焓值；

t——環境溫度；

S——工質的熵值。

系統中煙氣進入空氣預熱器和余熱鍋爐的熱為3919.4kW，空氣預熱中產出的熱為237.5kW，余熱鍋爐中產出的熱為797.1kW，余熱回收系統的效率為26.4%。較大的換熱溫差給系統帶來了非常大的損失。

4 結論

基于成都污泥干化焚燒項目建立了余熱利用系統的熱力模型，該熱力模型可反映典型污泥干化焚燒項目的余熱利用情況。通過對該項目的分析可得出，空氣預熱器和余熱鍋爐中存在較大的換熱溫差，高品質煙氣的熱量被低效利用。另由于余熱鍋爐的給水來自干化機中蒸氣凝結后的高溫熱水，系統的排煙溫度過高。通過熱力學第二定律的分析，該項目的余熱回收系統的效率為26.4%，效率較低。在污泥干化焚燒項目中，余熱回收利用系統仍有較大的改進空間。