污泥獨立干化焚燒系統關鍵參數節能優化

文_劉澤慶 上海環境衛生工程設計院有限公司

污泥干化焚燒是一種常見的污泥最終處理處置方法，污泥中的有機物在高溫條件下與充足的氧氣發生燃燒反應后徹底轉化為 CO2和 H2O 等產物，從而實現污泥減容、減量和無害化的技術。本文以某污泥獨立干化焚燒項目為研究對象，對該系統中不同污泥外熱（干化機）及內熱（焚燒爐內干化）的比例進行熱平衡計算，并結合安全、物料輸送等方面進行綜合分析，為今后開展污泥干化焚燒工程提供一定的技術參考。

1 計算模型及基本工藝流程

根據某污泥獨立干化焚燒工藝流程，通過計算軟件，建立計算模型，如圖1所示。干化污泥進入焚燒爐，焚燒產生高溫煙氣，首先與空氣換熱，將空氣預熱到一定溫度，以保障焚燒爐出口煙氣溫度（＞850℃，停留2s）。經過空氣預熱器后，煙氣通過余熱鍋爐，生產蒸汽（4Mp，400℃）。污泥干化采用余熱鍋爐蒸汽熱干化，不足的由外部蒸汽供給。

圖1 污泥獨立焚燒工藝及計算流程模型

污泥熱干化機出口污泥含水率升高時，污泥干化所需蒸汽量降低，同時入爐污泥含水率升高導致余熱鍋爐蒸汽產量降低。本文對比分析不同工況下余熱鍋爐供汽及污泥熱干化機蒸汽需求，以降低系統外部蒸汽消耗。

2 計算工況及結果

本次優化以改變入爐污泥含水率作為優化變量，進而通過調整一次風溫度，以保障余熱鍋爐出口在同一溫度（≥880℃），同時控制余熱鍋爐出口溫度200℃。通過比較干化機所需蒸汽量與余熱鍋爐出口蒸汽量，來分析污泥干燥外熱（干燥機）與內熱（焚燒爐內加熱）的平衡優化問題。

2.1 計算工況

絕干污泥（干燥基）焚燒量：2917kg/h，在以下優化分析中，保持該量不變。

絕干污泥熱值：3000kcal/kgDS。

污泥含水率：干化機入口含水率為80%，干化機出口含水率（即焚燒爐入口污泥含水率）分別設置為25%，30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%。

焚燒爐一次風量：15569Nm3/h，溫度隨著污泥濕度增加而提高，以保障焚燒爐出口溫度870℃。工藝中一次風換熱器采用高強度耐熱鋼，最高可將一次風加熱至600℃。

余熱鍋爐蒸汽參數：4Mp，400℃，后減溫減壓至飽和蒸汽加熱濕污泥，蒸汽量隨著工況變化，余熱鍋爐出口為200℃。

2.2 計算結果及分析

由表1工況9可見，含水量65%時，一次風需要加熱至751℃，以保證爐膛出口溫度滿足要求（≥850℃，停留2s），一次風加熱溫度超過材料耐熱上限（一般需控制在600℃以下），且換熱溫差減小，實際實現難度大。由工況1可知，污泥含水率25%，爐膛出口溫度1013℃，超過一般鼓泡床運行溫度，對結焦、NOx控制及爐內脫硫不利，如要控制在880℃，再循環煙氣量過大，能耗過高。而火電廠協同焚燒一般希望25%～30%含水率，主要是想提高熱值，和磨煤機的問題。因此從熱力可行性方面，鼓泡床入爐污泥含水率需控制在25%～60%。

通過工況2～8分析，隨著污泥干化程度加大，污泥干化消耗蒸汽量增多，同時焚燒爐入口污泥干度大，余熱鍋爐產生蒸汽量增多，干化所需蒸汽量與余熱鍋爐的差值即為系統外部所需蒸汽量（本優化中余熱鍋爐蒸汽全部用于干燥，未考慮工藝用蒸汽）。由表1可見，干化機污泥出口含水率取30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%時，外部所需蒸汽量分別為5302、5345、5297、5216、5215、5164、5154kg/h, 外部所需蒸汽量隨著干化機污泥出口含水率升高而降低。主要是由于：污泥水分在干化焚燒中要通過吸熱變為蒸汽排出，一部分在干化機內完成（外熱），一部分在鍋爐內完成（內熱）。通過干化機干燥時，機體散熱較多，包括物料加熱、載氣攜帶熱量，物料升溫，熱源蒸汽冷凝水帶走熱量；而采用內熱時，僅僅為污泥水分變為蒸汽的熱量。因此提高入爐含水率，更有利于節省能量。但是污泥入爐含水率提高，需要增加一次風溫度，以保證爐膛出口溫度滿足要求（≥850℃，停留2s），而一次風溫度限于換熱器材料耐溫性能，目前最高溫度為600℃。

表1 污泥獨立焚燒不同干燥程度的熱平衡計算結果

同時干化機污泥出口含水率還需要綜合考慮干化污泥的輸送粘滯，污泥粉塵防爆等問題。一般來說污泥含水率在45%～55%之間處于粘滯區，不易輸送。因此應盡量避免輸送這個含水率下的污泥。污泥干化在5%～20%含水率為全干化，此時污泥易燃，干化和儲存的粉塵防爆安全問題突出，需要氮氣保護措施。

綜上分析，選擇55%～60%含水率，既節能又避免了輸送困難，也能克服高溫一次風換熱器材料問題。當然也可以選擇30%～40%，能量消耗稍高，但無需高溫一次風，也易輸送。

3 結語

本文以熱干化機出口污泥含水率為優化變量，對該系統中不同污泥外熱（干化機）及內熱（焚燒爐內干化）的比例進行熱平衡計算，并結合安全、物料輸送等方面進行綜合分析。

污泥干化機出口含水率65%時，一次風需要加熱至751℃，以保證爐膛出口溫度滿足要求（≥850℃，停留2s），一次風加熱溫度超過材料耐熱上限（一般需控制在600℃以下），且換熱溫差減小，實際實現難度大。

污泥干化機出口污泥含水率25%時，焚燒爐爐膛出口溫度1013℃，超過一般鼓泡床運行溫度，對控制結焦及爐內脫硫不利，如要控制在880℃，再循環煙氣量過大，能耗過高。

干化機污泥出口含水率取30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%時，系統外部所需蒸汽量分別為5302、5345、5297、5216、5215、5164、5154kg/h，系統外部所需蒸汽量隨熱干化機污泥出口含水率升高而降低。

同時考慮污泥輸送含水率粘滯區間及粉塵防爆等問題，選擇55%～60%含水率，既節能又避免了輸送困難，也能克服高溫一次風換熱器材料問題。也可以選擇30%～40%，能量消耗稍高，但無需高溫一次風，也易輸送。

本文中計算分析基于污泥干基高位熱值3000kcal/kg，如果污泥熱值提高,推薦入爐含水率可以進一步提高。當熱值達到一定水平、且含水率合適時，甚至可以取消干化環節，僅通過焚燒爐和空氣預熱系統實現無輔助熱源的自持燃燒。