污泥加熱處置的熱經(jīng)濟性分析

魯維加，郭宏偉

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096）

污水處理將產(chǎn)生大量污泥，處理過程中產(chǎn)生的污泥含有大量有機物、豐富的氮、磷以及重金屬物質(zhì)，任意堆放或拋棄污泥將對環(huán)境造成嚴(yán)重二次污染，污染水源、土壤和農(nóng)作物。隨著人們生活水平的提高和生產(chǎn)規(guī)模的擴大，以及污水處理率及處理程度的提高，污泥產(chǎn)量愈來愈大，污泥的處置的壓力日益嚴(yán)重。對污水處理廠產(chǎn)生的大量污泥進行減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化處置，是循環(huán)經(jīng)濟模式的體現(xiàn)。干燥和焚燒等加熱處置是目前最常用的污泥處置技術(shù)，本文將對各種污泥加熱處置技術(shù)的熱經(jīng)濟性進行分析和比較，探索污泥加熱處置最佳的技術(shù)方案。

1 加熱處置污泥的熱經(jīng)濟性比較

通過加熱的方式處置污泥，主要包括干燥、干燥—焚燒、直接焚燒等技術(shù)。采用干燥法處理污泥，干燥后的污泥可以作為建材原料、肥料，還可以作為燃料。由于干污泥作為燃料使用，相當(dāng)于采用干燥—焚燒方式進行處置，因此干燥或干燥—焚燒兩種方式可歸于一類進行分析。直接焚燒處置過程比較簡單，但是熱損耗較大、熱效率較差，并且直接焚燒的設(shè)備投資并不總是最低的。為了方便分析，假設(shè)污泥的初水分的質(zhì)量含量為80%，絕干污泥的熱值為9.37MJ／kg，即每1t濕污泥所含熱量為1 674MJ。假設(shè)處置后污泥中水分蒸發(fā)的尾氣溫度為100℃，即水分蒸發(fā)帶走的熱量約為2.671MJ／kg。

1.1 直接焚燒

濕污泥直接焚燒，通常是將污泥直接送入流化床鍋爐爐膛與燃煤摻燒，所耗熱量主要用于污泥干燥、爐膛升溫和保持溫度三部分。污泥的初水分為80%，1t濕污泥中含800kg的水分，由于1kg水分蒸發(fā)帶走的熱量約為2.671MJ，那么1t濕污泥蒸發(fā)直接帶走的熱量為2 137MJ，這也是干燥過程（絕干）熱耗。

采用直接焚燒，進入爐膛的污泥必須先加熱到運行溫度，流化床爐膛的運行溫度較低，平均約為850℃，每1t濕污泥達(dá)到正常焚燒溫度所需熱量為3 344MJ。另外，為了保證爐膛燃燒溫度為850℃，還將多消耗熱量以維持基本的換熱平衡。各種鍋爐中，小型快裝爐、鏈條爐和煤粉爐的爐膛部分換熱份額約為40%，沸騰爐（即流化床爐）的爐膛部分換熱份額約為50%。如果爐膛部分換熱份額取為30%，每1t濕污泥所需要的總熱量為4 347MJ。1t濕污泥所含熱量為1 672MJ，其差值2 675MJ，尚不能平衡，即濕污泥直接摻燒，還需要額外增加熱耗，折合為標(biāo)煤91.4kg，日處置100t的濕污泥需額外增加消耗標(biāo)煤9.14t。如果以平均值或極限值進行計算，上述消耗能量還將增加10%～20%。由于直接摻燒增加了煤耗，由此將相應(yīng)增加磨煤機電耗，增加風(fēng)量、煙量及風(fēng)機電耗。此外，直接摻燒還可能使鍋爐各受熱面腐蝕、磨損、粘結(jié)、堵塞等加劇，可能影響換熱面的傳熱、進一步降低熱效率，并增加鍋爐的維護工作量。直接焚燒1t濕污泥需要熱量4 347MJ，比干燥1t濕污泥的2 137MJ多消耗2 210MJ，當(dāng)然這部分多消耗的熱量沒有被污泥吸收，是可以利用的，但是為了有效利用這部分熱量，鍋爐的受熱面必須進行改造，改造費用加上污泥摻燒系統(tǒng)及設(shè)備的費用，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于污泥干燥系統(tǒng)及設(shè)備的費用。

1.2 干燥或干燥—焚燒

如果采用鍋爐尾部的煙氣對濕污泥進行干燥，以鍋爐排煙余熱作為干燥熱源，干燥過程將為零耗熱；再將干燥后的污泥作為燃料加入煤中進行摻燒，還可以節(jié)約燃煤。1t濕污泥含熱量1 674MJ日處置100t濕污泥可節(jié)能5.714t標(biāo)煤。

2 濕污泥直接摻燒效果分析

某熱電廠采用濕污泥直接摻燒的數(shù)據(jù)如表1至表3。其中，設(shè)計煤種的低位發(fā)熱值20.31MJ／kg；污泥的含水量質(zhì)量比為83%。最后得到的污泥直接焚燒的成本為130元／t。

表1 設(shè)計煤種的組分質(zhì)量比%

表2 YG－130／9.8－M鍋爐的設(shè)計參數(shù)和摻燒污泥60t／d的運行參數(shù)

表3 每年焚燒污泥36 500t的成本萬元

從以上數(shù)據(jù)可以看出，采用濕污泥直接摻燒后，鍋爐的熱效率顯著下降，耗煤量顯著增加，即濕污泥直接摻燒的熱經(jīng)濟性比較低。

從環(huán)境排放來看，設(shè)標(biāo)煤的含碳量為85%，含硫量為1.0%，采用直接摻燒方法日處置100t濕污泥，消耗標(biāo)煤9.14t，將增加CO2排放量28 490 kg，增加SO2排放量91.4kg。相同的條件下，采用干燥或干燥—焚燒處置100t濕污泥，每天可節(jié)約燃煤量折合標(biāo)煤5.714t，不增加碳排放和硫排放，減輕了對環(huán)境的污染。

3 各種污泥干燥技術(shù)的熱經(jīng)濟性比較

采用鍋爐排煙干燥濕污泥，需要有專門的干燥設(shè)備，這些設(shè)備可以是立式的旋流噴動干燥機、臥式的螺旋推進氣流式干燥機，還可以是各種間接加熱式干燥機，不同方式的干燥技術(shù)熱經(jīng)濟性也有所不同。

3.1 立式旋流噴動干燥機

早期的污泥干燥設(shè)備大多為立式旋流噴動干燥機，可以靈活采用各種熱介質(zhì)、干燥強度高、干燥機占用空間小。以某熱電廠采用旋流噴動干燥機對濕污泥干燥為例，干燥的熱源為鍋爐排煙，鍋爐的排煙溫度為130℃，濕污泥原料的含水率質(zhì)量比為80%，干燥后的干污泥終含水率質(zhì)量比為30%。由于鍋爐排煙溫度較低，污泥干燥所需煙氣量較大，因此用于抽取煙氣的風(fēng)機運行的電耗較高，以濕污泥處理量2t／h計，干燥機排煙溫度為90℃，旋流噴動干燥機入口煙氣溫度與干燥系統(tǒng)風(fēng)機裝機容量的關(guān)系如表4。

表4 立式干燥機入口煙溫與風(fēng)機配置功率間的關(guān)系

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，干燥機入口煙氣溫度越高，所需要的煙氣量就越小，風(fēng)機裝機容量也會相應(yīng)減小，風(fēng)機電耗也因而相應(yīng)減少。因此，提高熱源溫度是降低旋流噴動干燥機運行成本的一個關(guān)鍵因素。但是，既有鍋爐的排煙溫度是一個確定的參數(shù)，難以輕易改變，而且提高鍋爐排煙溫度會影響鍋爐的熱效率。由于干燥介質(zhì)即鍋爐排煙本身是廢棄的，即干燥介質(zhì)為零成本，因此這種干燥系統(tǒng)運行的綜合經(jīng)濟性還是比較好的。

3.2 臥式螺旋推進氣流式干燥機

采用立式旋流噴動干燥機干燥污泥，當(dāng)熱源鍋爐煙氣的溫度較低時，干燥系統(tǒng)風(fēng)機的電耗較高。近來開發(fā)出了螺旋推進氣流式（第二代臥式）干燥機。與立式干燥機相比，臥式螺旋推進氣流式干燥機同樣具有可以靈活采用各種熱介質(zhì)，干燥強度也很高，干燥機占用空間也很小，但是系統(tǒng)的風(fēng)機電耗顯著降低，熱經(jīng)濟性顯著提高。如果以污泥處理量100t／d，濕污泥初含水率為80%，干污泥終含水率為30%，進口煙氣溫度135℃，出口煙氣溫度110℃計，采用臥式螺旋推進氣流式干燥機，入口煙氣溫度與干燥系統(tǒng)風(fēng)機裝機容量的關(guān)系如表5。

表5 臥式干燥機入口煙溫與風(fēng)機配置功率間的關(guān)系

從表5的數(shù)據(jù)來看，臥式干燥機的風(fēng)機裝機容量明顯低于立式干燥機，電耗約為立式干燥機系統(tǒng)的25%～33%。因此，在各種條件相似的情況下推薦采用臥式干燥機。

3.3 間接加熱干燥

間接加熱的干燥系統(tǒng)有多種形式，如轉(zhuǎn)盤式、空心漿葉式等，其主要特點是采用蒸汽作為干燥介質(zhì)。每1t濕污泥的干燥過程（絕干）耗熱（水分直接帶走的熱量）為2 137MJ，加上熱損耗，即相當(dāng)于消耗同等熱量的蒸汽。其熱經(jīng)濟性顯然低于零熱耗或低熱耗的直接干燥系統(tǒng)。

4 結(jié)語

上述理論分析計算和工程應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，在各種污泥的加熱處置技術(shù)中，采用干燥或干燥—焚燒技術(shù)，要比采用直接焚燒技術(shù)具有更好的節(jié)能和環(huán)保效益，因此，推薦采用干燥或干燥—焚燒技術(shù)。近年來，我國許多地區(qū)在實踐中采用干燥或干燥—焚燒技術(shù)對污泥進行徹底處置，已經(jīng)取得了不菲的業(yè)績。