污泥立式烘干焚燒爐系統(tǒng)的熱平衡分析

蔡樹元，陳景華，張長森

(鹽城工學院 材料科學與工程學院，江蘇 鹽城 224051)

隨著我國經濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化、工業(yè)化水平的提高，民用和工業(yè)用水產生的污水量越來越大，經污水處理廠處理產生的污泥量也不斷增加。污泥主要由有機物、無機物和膠體等組成，具有有機物含量高、顆粒細(0.02～0.2 mm)、密度小(1 002～1 006 kg/m3)、呈膠體結構、脫水性能差等特性。同時，污泥中含有寄生蟲、病原菌和重金屬成分，如果不妥善處理與處置，將對環(huán)境造成嚴重破壞，進而直接危害到人類自身。因此，如何對污泥進行減量化、無害化、穩(wěn)定化與資源化處理，是擺在人們面前急需解決的難題[1]。

焚燒處理不僅可以最大限度地實現(xiàn)污泥的減量化和無害化[2]，而且焚燒灰渣還可以制成附屬產品用作建材原料[3]，是一種有效的污泥處置方式，具有處理速度快，處理量大，占地面積小，不需要長期儲存，可就地焚燒，不需要長距離運輸，可以回收能量用于供熱或發(fā)電等優(yōu)點，被認為是污泥處置技術中最具發(fā)展前景的方法之一[2]。

污泥焚燒是指污泥中的有機質在一定的溫度和氣相充分有氧的條件下發(fā)生燃燒反應，轉化成CO2和H2O等氣態(tài)物質，是一個包括蒸發(fā)、揮發(fā)、分解、燒結、熔融、氧化還原反應，以及相應傳質、傳熱的綜合的物理、化學反應過程。目前，污泥焚燒技術大致可分為兩類，即直接焚燒技術和混合焚燒技術[2]。

污泥焚燒往往希望實現(xiàn)自持燃燒，因為這樣可利用污泥自身的有機物進行燃燒而不需要外加燃料。王瑩等[4]利用燃燒方程、能量平衡、物料平衡等分析得到，冬季污泥發(fā)熱量較高，含水率72%就可以達到自持燃燒，同時系統(tǒng)可對外提供34 t/h蒸汽；夏季污泥發(fā)熱量較低，含水率44%才可達到自持燃燒，且市政管網需向污泥干化焚燒系統(tǒng)提供10 t/h蒸汽。祝初梅等[5]以某項目200 t/d污泥干化焚燒系統(tǒng)為例進行熱平衡計算得到，含水率為80%、低位發(fā)熱量為2 429 kJ/kg的濕污泥干化至含水率為65%后進行焚燒時，不能實現(xiàn)系統(tǒng)的熱平衡，需要另外提供1 766.83 kg/h飽和蒸汽(壓力1.0 MPa，溫度180 ℃)。陳少卿等[6]通過建立模型對污泥干燥焚燒系統(tǒng)進行物料平衡與熱量平衡分析。分析認為，該系統(tǒng)污泥最佳入爐含水率為65%，此時系統(tǒng)所需總能耗最低，產生總煙氣量最少，且污泥能實現(xiàn)自持燃燒。王楠等[7]通過對含水率80%和60%的脫水污泥焚燒的物料平衡與熱量平衡計算得出，含水率為80%的污泥需要更多熱量用于水分蒸發(fā)，但產生的有機碳發(fā)熱量高于含水率為60%的污泥，兩種污泥處理在絕干情況下需要另加的外部能源相差不大。

本文以鹽城市城東污水處理廠專利產品立式污泥烘干焚燒爐為研究對象，通過熱工計算，分析污泥在爐內實現(xiàn)自持燃燒的可能性。

1 污泥立式烘干焚燒爐工作原理

污泥立式烘干焚燒爐[8]結構如圖1所示。該焚燒爐具有集烘干與焚燒于一體的特點，通過煤、油或天然氣等燃料點火進行污泥燃燒。爐內沿垂直方向自上而下分別為干燥區(qū)、預熱區(qū)、焚燒區(qū)、冷卻區(qū)。濕污泥從立式污泥烘干焚燒爐上方投入爐中，經干燥、預熱、焚燒、冷卻等4個階段后由爐底部排出。助燃空氣由爐底部進入，自下而上流動。助燃空氣首先對焚燒后的高溫污泥進行冷卻，同時高溫物料攜帶的熱量對助燃空氣進行預熱；預熱后的空氣助燃污泥燃燒；產生的廢氣再對上部進入的濕污泥進行干燥和預熱，最后由爐頂部排出；排出的廢氣先后進入水除塵、碳吸附設備進行凈化，然后排入大氣。

圖1 污泥立式烘干焚燒爐Fig.1 Sludge vertical drying incinerator

圖1污泥立式烘干焚燒爐干燥區(qū)溫度約300～550 ℃，用于污泥脫水干燥；預熱區(qū)溫度約550～750 ℃，用于污泥預熱；焚燒區(qū)溫度約800～850 ℃，用于污泥焚燒；焚燒后的污泥渣經空氣冷卻至100 ℃后排出爐外。爐出口氣體溫度<300 ℃。

2 污泥理化特性及計算條件

2.1 污泥理化特性

2.1.1 污泥的含水率、燒失量及灰渣量

城東污水處理廠通過壓濾得到的原狀污泥(raw sludge)含水率約為50%～60%[9]，最高值達62%，熱平衡計算時取62%。原狀污泥經105～110 ℃烘干1 d后，污泥燒失量為46%～60%，物料平衡計算時取較低值48%。焚燒后原狀污泥的灰渣(ash)量一般為19%～30%[1]，可由烘干后干污泥中灰分(A)的質量分數計算得出。

2.1.2 污泥成分分析

污泥成分分析結果如表1所示。表1中，干基含量是指原狀污泥經105～110 ℃烘干1 d后測得的各元素的質量分數；濕基含量是指原狀污泥中各元素的質量分數，除水分(M)外，濕基含量=干基含量×(1-污泥含水率)。

表1 污泥成分分析Table 1 Elemental analysis of sludge composition %

2.1.3 污泥發(fā)熱量

原狀污泥經105～110 ℃烘干1 d后得到干基污泥(dry sludge)，用ZDHW-5000型微機全自動量熱儀測得干基污泥的干基低位發(fā)熱量Qnet,ds為7 099 kJ/kg，則原狀污泥的低位發(fā)熱量Qnet,rs：

Qnet,rs=Qnet,ds(1-Mrs)=

7 099×(1-62.00%)=2 697.62 kJ/kg

式中，Mrs為原狀污泥中水分的質量分數，%。

2.1.4 污泥主要化學成分與礦物成分

通過XRF檢測可得干基污泥主要化學成分，如表2所示。干基污泥經950 ℃灼燒后通過XRD檢測可得其礦物組成，如圖2所示。由圖2可知，干基污泥主要礦物為石英和黏土類礦物。兩個測試結果為焚燒產生的污泥渣可用于建材生產提供了依據。

表2 干基污泥的化學成分Table 2 Chemical composition of dry sludge %

圖2 污泥的XRD圖Fig.2 XRD pattern of sludge

2.2 計算條件

2.2.1 立式污泥烘干焚燒爐處理能力

立式污泥烘干焚燒爐的原狀污泥小時處理能力為1.5 t/h，日處理能力為36 t/d，年處理能力為11 880 t/a(按年工作330 d計)。

2.2.2 污泥水分

入爐初水分取62%，出爐終水分取0。

2.2.3 溫度條件

環(huán)境溫度ta=25 ℃；焚燒爐出口廢氣溫度teg分別取150 ℃、300 ℃；焚燒爐出口灰渣溫度tash分別取120 ℃、150 ℃。

2.2.4 立式污泥烘干焚燒爐尺寸

立式污泥烘干焚燒爐外徑d=2.0 m，高H=8.0 m，外包8 mm厚鋼板，內部耐火磚采用230 mm環(huán)形砌磚，耐火磚與鋼板間為100 mm厚礦渣棉。

3 立式污泥烘干焚燒爐熱工平衡計算

3.1 立式污泥烘干焚燒爐物料平衡

3.1.1 立式污泥烘干焚燒爐物料平衡范圍及計算基準

(1)物料平衡范圍

焚燒爐物料平衡范圍包括從原狀污泥加入爐體到灰渣(ash)排出爐體，空氣鼓入(air blowing)爐體到廢氣(exhaust gas)排出爐體，即僅包括進出爐體本身的物質。

(2)計算基準

以1 kg原狀污泥進入立式污泥烘干焚燒爐作為質量計算基準。

3.1.2 物料平衡計算

(1)收入物料質量

收入物料的總質量包括污泥入爐量和鼓入空氣質量兩部分(以1 kg原狀污泥計)，即：

min=mrs+mab

式中，min為進入立式污泥烘干焚燒爐的物料總質量，kg；mrs為進入立式污泥烘干焚燒爐原狀污泥質量，kg；mab為鼓入立式干燥焚燒爐的空氣質量，kg。

①污泥入爐量

mrs=1 kg

②鼓入空氣質量

根據表1所列污泥的元素成分分析數據可計算得出污泥燃燒所需空氣的理論體積量：

式中，Va,0為1 kg原狀污泥燃燒所需空氣標準狀況下(0 ℃，101.325 kPa)的理論體積量，m3；Crs、Hrs、Srs、Ors分別為原狀污泥中C、H、S、O元素的質量分數，%。

由于污泥燃燒較為困難，實際燃燒過程不可能達到理想狀態(tài)，因此，燃燒實際所需空氣量要大于理論空氣量，因此，污泥燃燒所需空氣實際體積量為：

Va=KVa,0=1.5×0.65=0.98(m3)

式中，Va為1 kg原狀污泥燃燒所需空氣(標準狀況下)的實際體積量，m3；K為空氣過剩系數，根據資料[10]，取K=1.5。

由污泥燃燒所需空氣實際體積量換算可得鼓入立式干燥焚燒爐的空氣質量為：

式中，ρa,0為標準狀況下的空氣密度，kg/m3。

③收入物料質量

min=mrs+mab=1+1.26=2.26(kg)

(2)支出物料質量

原狀污泥經過燃燒后，其中的水分全部蒸發(fā)為水蒸氣，有機成分完全燃燒的產物成為煙氣中的成分，共同構成原狀污泥燃燒生成的煙氣，作為廢氣排出立式干燥焚燒爐，剩余的即為灰渣。因此，支出物料質量分為灰渣排出量和廢氣排出量兩部分(以1 kg原狀污泥計)，即：

mout=mash+meg

式中，mout為排出立式污泥烘干焚燒爐的物料總質量，kg；mash為排出立式污泥烘干焚燒爐的灰渣質量，kg；meg為排出立式干燥焚燒爐的廢氣質量，kg。

①灰渣排出量

mash=mrsArs=1×19.79%≈0.20(kg)

式中，Ars為原狀污泥中灰分的質量分數，%。

②廢氣排出量

立式干燥焚燒爐排出的廢氣主要包括CO2、H2O、SO2、N2、O2。排出廢氣的總質量為：

meg=mCO2+mH2O+mSO2+mN2+mO2

式中，mCO2為1 kg原狀污泥燃燒產生的CO2質量，kg；mH2O為1 kg原狀污泥燃燒產生的H2O的質量，kg；mSO2為1 kg原狀污泥燃燒產生的SO2質量，kg；mN2為1 kg原狀污泥燃燒產生的N2質量，kg；mO2為1 kg原狀污泥燃燒產生的O2質量，kg。

廢氣中CO2的質量 。原狀污泥中的碳元素燃燒后均變?yōu)镃O2，1 kg原狀污泥燃燒產生的CO2在標準狀況下的體積為：

式中，VCO2為1 kg原狀污泥燃燒產生的CO2在標準狀況下的體積，m3。

則1 kg原狀污泥燃燒產生的CO2質量為：

式中，ρCO2,0為標準狀況下CO2的密度，kg/m3。

廢氣中H2O的質量 。廢氣中H2O來源于兩個方面：一是污泥中的氫元素燃燒生成的氣態(tài)水，二是污泥中自由水蒸發(fā)產生的氣態(tài)水，因此有：

式中，VCO2為1 kg原狀污泥燃燒產生的氣態(tài)水在標準狀況下的體積，m3；ρH2，0為標準狀況下氣態(tài)水的密度，kg/m3。

廢氣中SO2的質量。原狀污泥中的硫元素燃燒后轉化為SO2，1 kg原狀污泥燃燒產生的SO2在標準狀況下的體積如下：

式中，VSO2為1 kg原狀污泥燃燒產生的SO2在標準狀況下的體積，m3。

則1 kg原狀污泥燃燒產生的SO2質量：

式中，ρSO2,0為標準狀況下SO2的密度，kg/m3。

廢氣中N2的質量。廢氣中N2來源為燃料中N元素與鼓入空氣中的N2，1 kg原狀污泥燃燒產生的N2標準狀況下的體積如下：

式中，VN2為1 kg原狀污泥燃燒產生的N2在標準狀況下的體積，m3；

則1 kg原狀污泥燃燒產生的N2質量：

式中，ρN2,0為標準狀況下N2的密度，kg/m3。

廢氣中O2的質量。廢氣中的O2來自過剩空氣，1 kg原狀污泥燃燒產生的O2在標準狀況下的體積如下：

VO2=(K-1)Va,021%=

(1.5-1)×0.65×21%=0.068(m3)

式中，VO2為1 kg原狀污泥燃燒產生的O2在標準狀況下的體積，m3；

則1 kg原狀污泥燃燒產生的O2質量：

式中，ρO2,0為標準狀況下O2的密度，kg/m3。

因此，總的廢氣排出量為：

meg=mCO2+mH2O+mSO2+mN2+mO2=

0.26+0.72+0.006+0.98+0.097=2.06(kg)

③支出物料質量

mout=mash+meg=0.20+2.06=2.26(kg)

(3)物料平衡表

計算所得污泥烘干焚燒爐物料平衡數據如表3所示。

表3 污泥的元素成分分析Table 3 Material balance sheet

3.2 立式污泥烘干焚燒爐熱量平衡

3.2.1 立式污泥烘干焚燒爐熱量平衡范圍及計算基準

(1)立式污泥烘干焚燒爐熱量平衡范圍

熱量平衡范圍包括原狀污泥加入爐體到灰渣排出爐體，空氣鼓入爐體到廢氣排出爐體，以及爐體本身對四周的散熱。

(2)計算基準

以1 kg原狀污泥進入立式污泥烘干焚燒爐作為質量計算基準，以0 ℃作為溫度計算基準。

3.2.2 廢氣出口按150 ℃計算熱量平衡

(1)收入熱量

收入熱量包括污泥帶入燃燒熱、污泥入爐帶入物理熱、鼓入空氣帶入物理熱3部分(以1 kg原狀污泥計)，則有：

Qin=Qc,rs+Qrs+Qab

式中，Qin為焚燒爐總的收入熱量，kJ；Qc,rs為污泥帶入燃燒熱，kJ；Qrs為污泥入爐帶入物理熱，kJ；Qab為鼓入空氣帶入物理熱，kJ。

①污泥帶入燃燒熱

Qc,rs=Qnet,rs·mrs=2 697.62×1≈2 698(kJ)

②污泥入爐帶入物理熱

入爐原狀污泥可以認為有兩種組成：不含水的干污泥和其中所含的水。

1 kg原狀污泥中所含干污泥質量mds為：

mds=mrs×(1-Mrs)=

1×(1-62.00%)=0.38(kg)

1 kg原狀污泥中所含水質量msw為：

msw=mrs×Mrs=1×62.00%=0.62(kg)

根據環(huán)境溫度ta=25 ℃，取入爐污泥溫度trs=25 ℃，絕干污泥的比熱容cds=1.05 kJ/(kg·

℃)，水的比熱容cw=4.19 kJ/(kg·℃)[10-12]。

Qrs=(mdscds+mswcw)trs=

(0.38×1.05+0.62×4.19)×25=75(kJ)

③鼓入空氣帶入物理熱

根據環(huán)境溫度ta=25 ℃，查文獻[13]，取25 ℃空氣的比熱容ca=1.005 kJ/(kg·℃)，則：

Qab=mabcata=1.26×1.005×25=32(kJ)

④總收入熱量

Qin=Qc,rs+Qrs+Qab=

2 698+75+32=2 805(kJ)

(2)支出熱量

燃燒過程支出熱量包括水分蒸發(fā)耗熱、廢氣排出帶走物理熱、灰渣排出帶走物理熱、焚燒爐壁散熱損失等4部分(以1kg原狀污泥計)，則有：

Qout=Qev+Qeg+Qash+Qhl

式中，Qout為焚燒爐總的支出熱量，kJ；Qev為水分蒸發(fā)耗熱，kJ；Qeg為廢氣排出帶走物理熱，kJ；Qash為灰渣排出帶走物理熱，kJ；Qhl為焚燒爐壁散熱損失，kJ。

①水分蒸發(fā)耗熱

水分蒸發(fā)耗熱主要分為3個部分：一是水從25 ℃升溫到100 ℃所需的顯熱，二是100 ℃時水蒸發(fā)為水蒸氣所需的汽化潛熱，三是由飽和水蒸氣溫度ts=100 ℃加熱至廢氣出口溫度所需吸收的熱量。

1×62.00%[4.19×(100-25)+2 257.2+

(2 776.4-2 676.5)]=1 656(kJ)

②廢氣排出帶走物理熱

設廢氣排出溫度teg=150 ℃，由文獻[15]可查得氣體在150 ℃的比熱容c，廢氣中各種氣體的體積和比熱容數據如表4所示。

則廢氣排出帶走物理熱為：

Qeg=(VCO2cCO2+VH2OcH2O+VSO2cSO2+

VN2cN2+VO2cO2)teg=

(0.13×1.769+0.90×1.506+0.002×

1.857+0.78×1.303+0.068×1.324)×

150=404(kJ)

表4 150 ℃廢氣中各種氣體的體積與比熱容Table 4 Volume and specific heat capacities of various gases in exhaust gas at 150 ℃

③灰渣排出帶走物理熱

現(xiàn)有資料查不到灰渣的比熱容，按脫水高嶺土的比熱容進行計算。設灰渣排出溫度tash=120 ℃，根據文獻[15]，取120 ℃灰渣的平均比熱容cash=0.853 kJ/(kg·℃)，則灰渣排出帶走物理熱為：

Qash=mashcashtash=

0.2×0.853×120=20(kJ)

④通過立式污泥烘干焚燒爐壁散熱損失

設立式污泥烘干焚燒爐壁圓柱體周邊與周圍環(huán)境進行湍流對流傳熱，根據文獻[16]可得，立式污泥烘干焚燒爐壁與周圍環(huán)境的對流傳熱系數α為：

α=1.31(Δt)1/3=1.31×(100-25)1/3=

5.524(W·m-2·℃-1)

其中，Δt=tw-ta。tw為爐外壁溫度，取100 ℃。

以立式污泥烘干焚燒爐壁圓柱體周邊散熱損失進行計算，考慮上下散熱再乘上系數1.2。由牛頓冷卻定律可得立式污泥烘干焚燒爐壁與周圍環(huán)境的對流傳熱量：

60(kJ)

⑤總支出熱量

Qout=Qev+Qeg+Qash+Qhl=

1 656+404+20+60=2 140(kJ)

(3)熱量平衡表

廢氣出口溫度取150 ℃計算所得污泥烘干焚燒爐熱量平衡數據如表5所示。

3.2.3 廢氣出口溫度按300 ℃計算的熱量平衡

廢氣出口溫度按300 ℃進行熱量平衡計算時，除部分參數取值不同外，所用公式與過程均與3.2.2節(jié)相同。

表5 廢氣溫度取150 ℃時計算的熱量平衡表Table 5 The heat balance table calculated when the exhaust gas temperature is 150 ℃

(1)收入熱量

計算過程同3.2.2節(jié)，Qin=Qc,rs+Qrs+Qab=2 698+75+32=2 805(kJ)。

(2)支出熱量

①水分蒸發(fā)耗熱

1×62.00%[4.19(100-25)+2 257.2+

(3 074.1-2 676.5)]=1 841(kJ)

②廢氣排出帶走物理熱

設廢氣排出溫度teg=300 ℃，由文獻[15]可查得氣體在300 ℃的比熱容c，廢氣中各種氣體的體積和比熱容數據如表6所示。

表6 300 ℃廢氣中各種氣體的體積與比熱容Table 6 Volume and specific heat capacities of various gases in exhaust gas at 300 ℃

則廢氣排出帶走物理熱為：

Qeg=(VCO2cCO2+VH2OcH2O+VSO2cSO2+VN2cN2+

VO2cO2)teg=(0.13×1.878+0.90×1.535+

0.002×1.961+0.78×

1.313+0.068×1.355)×300=824(kJ)

③灰渣排出帶走物理熱

同前，灰渣的比熱容按脫水高嶺土的比熱容進行計算。設灰渣排出溫度tash=150 ℃，根據文獻[15]，150 ℃灰渣的平均比熱容cash=0.870 kJ/(kg·℃)，則灰渣排出帶走物理熱為：

Qash=mashcashtash=

0.2×0.870×150=26(kJ)

④通過立式污泥烘干焚燒爐壁散熱損失

計算過程同3.2.2節(jié)，Qhl為60 kJ。

⑤總支出熱量

Qout=Qev+Qeg+Qash+Qhl=

1 841+824+26+60=2 751(kJ)

(3)熱量平衡表

廢氣出口溫度取300 ℃計算所得污泥烘干焚燒爐熱量平衡數據如表7所示。

4 結論

以1 kg原狀污泥進入立式污泥烘干焚燒爐作為質量計算基準，廢氣出口溫度分別取150 ℃與300 ℃計算可知：若廢氣出口溫度為150 ℃，收

表7 按廢氣溫度為300 ℃計算的熱量平衡表Table 7 Heat balance calculated at exhaust gas temperature of 300 ℃

入熱量2 805 kJ，支出熱量2 140 kJ，收入熱量高出支出熱量665 kJ，高出約31.07%；若廢氣出口溫度為300 ℃，收入熱量2 805 kJ，支出熱量2 751 kJ，收入熱量高出支出熱量54 kJ，高出約1.96%。從兩種設定條件計算結果可知，城東污水處理廠污泥理論上可實現(xiàn)自持平衡焚燒，從而實現(xiàn)污泥的減量化、無害化、穩(wěn)定化處理；后期若再考慮焚燒灰渣在建材方面的應用，還可實現(xiàn)焚燒灰渣的資源化利用。