市政污泥干化焚燒能量平衡分析及工程設(shè)計(jì)應(yīng)用

許 鵬

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

0 引言

近年來，市政污泥無害化、資源化處置逐漸成為關(guān)注熱點(diǎn)。作為一種污泥終端處置工藝，污泥干化焚燒工藝具有減量化程度高、無害化徹底、工藝穩(wěn)定以及有機(jī)物充分利用等優(yōu)點(diǎn)，在我國主要大中城市得到了較為廣泛的應(yīng)用，同時(shí)結(jié)合工程項(xiàng)目取得了大量研究成果［1-2］。

能量平衡計(jì)算與分析是干化焚燒項(xiàng)目設(shè)計(jì)及運(yùn)行的基礎(chǔ)，我國已針對污泥干化焚燒能量平衡展開了一系列研究并形成部分結(jié)論［3-6］，但主要針對全過程能量研究缺口較大，對與實(shí)際工程設(shè)計(jì)過程相銜接、對子系統(tǒng)各邊界參數(shù)選取的研究較少。本研究以實(shí)際工程設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，搭建市政污泥干化焚燒全系統(tǒng)及各子系統(tǒng)能量平衡模型，通過對全流程、各子系統(tǒng)能量平衡的分析，研究各系統(tǒng)主要邊界調(diào)節(jié)參數(shù)選取，以期為市政污泥干化焚燒項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)選取、運(yùn)行調(diào)節(jié)提供指導(dǎo)。

1 污泥干化焚燒能量平衡模型的建立

計(jì)算模型以目前典型的污泥干化焚燒工藝流程（圖1）為例，本次能量平衡模型主要針對干化系統(tǒng)、焚燒系統(tǒng)、空氣預(yù)熱系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)展開，煙氣處理系統(tǒng)對整體熱平衡影響較小，暫以余熱鍋爐排煙綜合考慮。

圖1 污泥干化焚燒典型工藝流程Figure 1 Typical process flow of sludge drying and incineration

脫水污泥經(jīng)干化機(jī)干化后進(jìn)入焚燒爐焚燒，干化機(jī)熱源采用余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽及外部補(bǔ)充蒸汽，焚燒爐采用鼓泡流化床焚燒爐，焚燒產(chǎn)生高溫?zé)煔膺M(jìn)入空預(yù)器，空預(yù)器中高溫?zé)煔馀c空氣換熱，產(chǎn)生高溫空氣作為焚燒爐高溫流化風(fēng)，高溫?zé)煔饨?jīng)空預(yù)器換熱后進(jìn)入余熱鍋爐，產(chǎn)生蒸汽為干化系統(tǒng)提供熱源，余熱鍋爐出口煙氣溫度暫定220 ℃進(jìn)入煙氣處理系統(tǒng)。

本模型計(jì)算規(guī)模及污泥參數(shù)基于某地區(qū)污泥干化焚燒項(xiàng)目實(shí)際設(shè)計(jì)規(guī)模及項(xiàng)目污泥檢測數(shù)據(jù)確定，主要參數(shù)中污泥處理規(guī)模為200 t/d（80%含水率），干基為40 t/d；脫水污泥含水率為80%；污泥有機(jī)物元素組成見表1。

表1 污泥有機(jī)物元素組成Table 1 The organic element composition of sludge

1.1 污泥干化系統(tǒng)能量平衡模型

基于污泥干化機(jī)作為研究對象搭建污泥干化系統(tǒng)能量平衡模型如圖2 所示，系統(tǒng)輸入項(xiàng)包括脫水污泥、干化機(jī)干載氣、蒸汽；系統(tǒng)輸出項(xiàng)包括干化后污泥、干化機(jī)濕載氣、蒸汽冷凝水及系統(tǒng)熱損失。由于污泥干化過程不涉及污泥中有機(jī)物潛熱變化，因此為簡化模型，干化平衡計(jì)算中污泥熱量僅計(jì)算污泥顯熱。

圖2 污泥干化系統(tǒng)能量平衡示意Figure 2 Energy balance schematic of sludge drying system

針對污泥干化機(jī)，能量平衡計(jì)算式如下所示。

式中：QA1、QA2分別為干化機(jī)循環(huán)空氣帶入、帶出熱量，kJ/h；QS1、QS2分別為干化機(jī)進(jìn)口、出口污泥顯熱，kJ/h；QST1為干化機(jī)進(jìn)口蒸汽熱量，kJ/h；QST2為干化機(jī)出口蒸汽冷凝水熱量，kJ/h；QW1為干化機(jī)散熱損失，kJ/h。

式中：TA1、TA2分別為干化機(jī)進(jìn)、出口載氣溫度，℃；WA1為循環(huán)干空氣質(zhì)量，kg/h，與污泥水分蒸發(fā)量相關(guān)，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)單位污泥水分蒸發(fā)量對應(yīng)循環(huán)干空氣質(zhì)量取值為2.5 kg/kg。cA1為干空氣比熱，kJ/（kg·℃）；cST1為水蒸氣比熱，kJ/（kg·℃）；dA1、dA2分別為干化機(jī)進(jìn)、出口載氣含濕量，kg/kg；γW為水汽化潛熱，取2 500 kJ/kg［7］。

式中：cS1、cS2分別為干化機(jī)進(jìn)、出口污泥比熱，根據(jù)含水率計(jì)算［8］，kJ/（kg·℃）；mS1、mS2為干化系統(tǒng)進(jìn)、出口污泥質(zhì)量流量，kg/h；tS1、tS2為干化系統(tǒng)進(jìn)、出口污泥溫度，℃。

QST1、QST2根據(jù)蒸汽/冷凝水參數(shù)及質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，QW1按照總熱量5%計(jì)取。

1.2 污泥焚燒爐能量平衡模型

目前污泥焚燒爐以鼓泡流化床焚燒爐為主，本研究以典型鼓泡流化床焚燒爐爐型對焚燒爐能量平衡進(jìn)行分析，能量平衡模型如圖3 所示。

圖3 污泥焚燒系統(tǒng)能量平衡示意Figure 3 Energy balance schematic of sludge incineration system

針對污泥焚燒爐，能量平衡公式如下所示。

污泥在焚燒爐中燃燒釋放潛熱，因此干化污泥帶入熱量同時(shí)考慮QS2和污泥潛熱QS3，QS3取決于污泥的收到基低位發(fā)熱量，收到基低位發(fā)熱量與污泥干基低位發(fā)熱量、進(jìn)爐污泥含水率有關(guān)，干基低位發(fā)熱量根據(jù)元素分析數(shù)據(jù)利用門捷列夫法估算，如公式（7）～公式（9）所示。

式中：QS3為污泥潛熱，kJ/h；qar，net為收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg；qd，net為干基低位發(fā)熱量，kJ/kg；η為污泥含水率，%。

輔助燃料熱量Qg1按照輔助燃料類型計(jì)算，通常我國項(xiàng)目采用天然氣作為輔助燃料，則Qg1取值為天然氣熱值與天然氣耗量乘積，單位為kJ/h。

助燃空氣熱量QA3取決于助燃空氣量與對應(yīng)溫度下的空氣焓。污泥焚燒助燃空氣量基于污泥元素分析數(shù)據(jù)按照公式（10）計(jì)算，輔助燃料燃燒助燃空氣量（以天然氣為例）按照公式（11）計(jì)算，實(shí)際燃燒空氣量按照公式（12）計(jì)算。

式中：Car、Har、Oar、Sar分別為污泥收到基C、H、O、S 元素分析數(shù)據(jù)；VA3為實(shí)際燃燒空氣量，m3/h；VS1為污泥燃燒理論空氣量，m3/h；VS2為輔助燃料燃燒理論空氣量，m3/h；Vg1為輔助燃料消耗量，m3/h；qNG為輔助燃料（天然氣）收到基低位發(fā)熱量，kJ/m3；α為過量空氣系數(shù)。

煙氣熱量QF1取決于煙氣各組分含量及對應(yīng)煙氣溫度下各組分焓，其中污泥燃燒各組分含量計(jì)算如公式（13）～公式（16）所示。

式中：VRO2、VN2、VH2O、VAIR分別為煙氣中RO2、N2、H2O、空氣組分量，m3/h，Mar為污泥收到基水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

焚燒系統(tǒng)熱損失QW2含不完全燃燒熱損失、散熱損失以及排渣熱損失，單位為kJ/h。

1.3 空氣預(yù)熱器、余熱鍋爐能量平衡模型

空氣預(yù)熱器、余熱鍋爐能量平衡模型如圖4～圖5 所示。

圖4 空氣預(yù)熱系統(tǒng)能量平衡示意Figure 4 Energy balance schematic of air preheating system

圖5 鍋爐系統(tǒng)能量平衡示意Figure 5 Energy balance schematic of boiler system

暫不考慮漏風(fēng)對于系統(tǒng)平衡的影響，則兩個(gè)平衡中煙氣成分與焚燒爐出口煙氣成分相同，溫度不同。空氣預(yù)熱器中煙氣熱量用于給焚燒系統(tǒng)空氣加熱，余熱鍋爐中煙氣熱量用于加熱鍋爐給水產(chǎn)生蒸汽。

針對空氣預(yù)熱器，能量平衡計(jì)算式如下所示。

式中：QA4取20 ℃下助燃空氣熱量，kJ/h；煙氣熱量QF2根據(jù)其他變量求解，kJ/h。

針對余熱鍋爐，能量平衡計(jì)算式如下所示。

式中：QF3取220 ℃下煙氣熱量，kJ/h，根據(jù)煙氣熱量差值及蒸汽參數(shù)計(jì)算鍋爐蒸發(fā)量。

2 污泥干化焚燒能量平衡模型分析及應(yīng)用

基于搭建的污泥干化焚燒系統(tǒng)的能量平衡模型，針對多種工況進(jìn)行平衡計(jì)算，對污泥干化焚燒系統(tǒng)主要邊界條件（表2）進(jìn)行分析。

表2 污泥能量平衡模型邊界參數(shù)Table 2 Boundary parameters of sludge energy balance model

2.1 污泥干化焚燒系統(tǒng)自持平衡工況點(diǎn)分析

污泥干化焚燒系統(tǒng)進(jìn)泥一般以脫水污泥為主，脫水污泥含水率暫按80% 取值。通過干化焚燒系統(tǒng)能量平衡計(jì)算，可核算不同熱值污泥進(jìn)入系統(tǒng)后能否維持系統(tǒng)能量平衡，即僅依靠污泥自身能量維持系統(tǒng)能量平衡，無需額外補(bǔ)充輔助能源。

首先基于圖2 模型及各參數(shù)計(jì)算公式，代入表2 邊界參數(shù)，針對干化系統(tǒng)進(jìn)行能量平衡計(jì)算，干化后污泥含水率按照70%、60%、50%、40%、30% 取值分別代入計(jì)算，得到不同干化后含水率條件對應(yīng)干化系統(tǒng)蒸汽耗量；之后對污泥“焚燒+熱量回收”系統(tǒng)進(jìn)行整體能量平衡計(jì)算，圖3～圖5 各單元模型組合后系統(tǒng)模型如圖6 所示。

圖6 污泥焚燒及熱量回收系統(tǒng)能量平衡示意Figure 6 Energy balance schematic of sludge incineration and heat recycle system

輔助燃料投加量參數(shù)取值為0，基于圖6 模型及各參數(shù)計(jì)算公式，帶入表2 邊界條件及干化系統(tǒng)蒸汽耗量參數(shù)，計(jì)算不同條件下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平衡對應(yīng)的干化污泥能量，然后計(jì)算得到不同條件下污泥干基低位發(fā)熱量。通過上述理論計(jì)算，不同干化含水率條件下系統(tǒng)平衡對應(yīng)污泥干基低位發(fā)熱量如表3 所示。

表3 不同干化含水率下系統(tǒng)自平衡污泥熱值Table 3 Self-balancing heat value of sludge under different water content after drying

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，污泥干基低位發(fā)熱量范圍為14 200～15 500 kJ/kg 才能滿足干化焚燒系統(tǒng)自持平衡。同時(shí)根據(jù)平衡計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)自持平衡點(diǎn)與干化后污泥含水率有關(guān)，干化出泥含水率越低，系統(tǒng)自持平衡需要的污泥熱值越高。

對干化系統(tǒng)、焚燒及熱量回收系統(tǒng)與干化后污泥含水率相關(guān)的能量損失項(xiàng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中干化系統(tǒng)與含水率相關(guān)（即水分蒸發(fā)量）的能量損失項(xiàng)有：①污泥中水分蒸發(fā)為蒸汽進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)能量損失；②干化機(jī)循環(huán)空氣（循環(huán)空氣量與水分蒸發(fā)量成正比）冷凝降溫?fù)p失；③熱源蒸汽放熱后冷凝水至鍋爐給水溫降熱損失。

焚燒及熱量回收系統(tǒng)與含水率相關(guān)的能量損失項(xiàng)主要是焚燒及熱量回收系統(tǒng)損失，含排煙損失、散熱損失等，其中污泥水分含量主要影響系統(tǒng)排煙損失。各項(xiàng)損失占比如圖7 所示。

圖7 含水率相關(guān)各系統(tǒng)能量損失對照Figure 7 Comparison of energy loss between systems related to water content

干化系統(tǒng)能量損失相比焚燒及熱量回收系統(tǒng)略高，因此造成表3 結(jié)果中不同干化含水率下的平衡差異。

2.2 系統(tǒng)輔助能源投加分析

由于我國市政污泥干基低位發(fā)熱量普遍無法達(dá)到14 200～15 500 kJ/kg，因此需添加輔助能源才能維持系統(tǒng)平衡。干化焚燒系統(tǒng)輔助能源投加主要有3 種方式。

方式一：輔助燃料（天然氣、柴油等）直接注入焚燒爐；

方式二：輔助燃料（天然氣、柴油等）通過輔助鍋爐燃燒產(chǎn)生蒸汽補(bǔ)充進(jìn)入干化系統(tǒng)；

方式三：外部補(bǔ)充蒸汽進(jìn)入干化系統(tǒng)。

選取典型工況污泥干基低位發(fā)熱量為11 500 kJ/kg、干化后污泥含水率60%，對污泥“焚燒+熱量回收”系統(tǒng)進(jìn)行整體能量平衡計(jì)算，得出3 種方式下輔助能源耗量，結(jié)果表4 所示。

表4 系統(tǒng)輔助能源成本對比Table 4 Comparison of system auxiliary energy costs

3 種輔助能源方式對應(yīng)運(yùn)行成本，直接投加蒸汽成本最低，適合廠址周邊有電廠、垃圾焚燒廠等外供蒸汽單位可以進(jìn)行能源協(xié)同的狀況。通過輔助鍋爐燃燒天然氣產(chǎn)生蒸汽補(bǔ)充熱量相比直接將天然氣注入焚燒爐節(jié)省天然氣耗量，但需配套獨(dú)立鍋爐房配置輔助鍋爐設(shè)備，而天然氣直接注入焚燒爐則對余熱鍋爐蒸發(fā)能力、煙氣系統(tǒng)處理能力等要求更高。實(shí)際項(xiàng)目中，建議根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況綜合考慮分析。

近年來，污泥干化焚燒項(xiàng)目的選址規(guī)劃也開始結(jié)合城市環(huán)保靜脈產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃實(shí)施，各類環(huán)境項(xiàng)目利用靜脈產(chǎn)業(yè)園實(shí)現(xiàn)協(xié)同對于降低項(xiàng)目運(yùn)行成本具有正向意義。

2.3 焚燒爐入爐含水率分析

按照污泥焚燒爐預(yù)熱空氣溫度20 ℃（不預(yù)熱）、200 ℃（低溫預(yù)熱）以及500 ℃（高溫預(yù)熱）3 種工況計(jì)算不同污泥熱值下對應(yīng)設(shè)計(jì)燃燒溫度下的污泥含水率，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同輸入條件下850 ℃爐溫對應(yīng)污泥含水率Figure 8 Sludge moisture content corresponding to 850 ℃furnace temperature under different input conditions

根據(jù)分析結(jié)果，針對我國多數(shù)污泥熱值工況（9 000～13 000 kJ/kg），不考慮焚燒爐輔助燃料投加，在空氣不預(yù)熱的設(shè)計(jì)條件下，污泥含水率范圍需控制為45%～60%；在污泥低溫預(yù)熱的條件下，污泥含水率需控制為50%～65%；在污泥高溫預(yù)熱的條件下，污泥含水率需控制為55%～70%。根據(jù)前文分析結(jié)論，提高焚燒爐入爐污泥含水率有利于降低系統(tǒng)能量損失，同時(shí)考慮污泥輸送特性等因素，實(shí)際工程中，污泥入爐含水率一般控制為60%～70%，同時(shí)考慮焚燒爐端投加部分輔助燃料進(jìn)行燃燒調(diào)節(jié)。

2.4 典型工況污泥干化焚燒能量平衡模型

以某典型污泥成分為例，進(jìn)行污泥干化焚燒能量平衡分析，搭建模型，確定設(shè)計(jì)參數(shù)。污泥參數(shù)如表5 所示。

表5 污泥參數(shù)Table 5 Sludge parameters

污泥干化焚燒能量平衡計(jì)算流程如圖9 所示。

圖9 能量平衡計(jì)算流程Figure 9 Flow of energy balance calculation

污泥干化系統(tǒng)、污泥焚燒系統(tǒng)能量平衡如圖10、圖11 所示，根據(jù)能量平衡計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)蒸汽缺口約2.65 t/h。

圖10 典型工況下污泥干化系統(tǒng)能量平衡示意Figure 10 Energy balance schematic of sludge drying system under typical operating conditions

圖11 典型工況下污泥焚燒系統(tǒng)能量平衡示意Figure 11 Energy balance schematic of sludge incineration system under typical operating conditions

3 結(jié)論

1）根據(jù)能量平衡計(jì)算結(jié)果，污泥干基低位發(fā)熱量需為14 200～15 500 kJ/kg 才能滿足干化焚燒系統(tǒng)自持平衡。

2）輔助能源選擇中，蒸汽具有較好的經(jīng)濟(jì)性，可以成為污泥干化焚燒項(xiàng)目選址中衡量因素。

3）綜合考慮工藝合理性及經(jīng)濟(jì)性，污泥焚燒爐入爐污泥含水率建議控制為60%～70%。