煙氣廢熱/太陽能預(yù)干化污泥新工藝*

劉漢橋,原宏梅，王兵帥，耿貴強，徐 仙，楊 偉

（1.天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，天津 300384;2.天津新生態(tài)發(fā)展有限公司，天津 300467）

傳統(tǒng)的降低污泥含水率的工藝是在200～700℃高溫下采用干燥設(shè)備（如轉(zhuǎn)鼓式、空心槳葉式、盤式干燥器等）對污泥進行熱干化處理，需要消耗煤、油、天然氣等一次能源，運行成本較高。另外，由于脫水時污泥中加入了絮凝劑通常呈黏稠膠質(zhì)狀，導(dǎo)致污泥在干燥過程中存在一個特殊的膠粘相階段（含水率為60%左右），在這一過渡段內(nèi)污泥極易結(jié)塊，表面堅硬、里面卻仍是稀泥，如果濕污泥直接進入傳統(tǒng)干燥器，往往導(dǎo)致干燥熱效率低、干燥時間長、能耗大。污泥干化的主要成本在于熱能，熱能的支出占干化運行成本的80%以上，降低成本的關(guān)鍵在于是否能選擇和利用恰當(dāng)?shù)臒嵩?。為降低污泥干燥能耗，威立雅和得利滿等水處理公司圍繞太陽能干燥污泥技術(shù)相繼開發(fā)了自身的專利技術(shù)Solia工藝和Helantis工藝［1］，這些太陽能干燥工藝具有干化溫度低、運行費用低廉、操作簡單、對環(huán)境無污染等優(yōu)點［2-4］，但其運行受限于外界氣候及晝夜變化，難以維持運行的穩(wěn)定性。翁煥新提出了利用電廠煙氣直接干燥污泥工藝，該工藝能將煙氣廢熱有效利用［5］，但煙氣與污泥直接接觸容易使煙氣和污泥交叉污染，干化后產(chǎn)生含有大量臭氣的煙氣需要再治理。筆者將改進后的太陽能溫室干燥技術(shù)和電廠煙氣廢熱干燥技術(shù)相結(jié)合，提出煙氣廢熱/太陽能預(yù)干化新工藝。該工藝能將污泥含水率從80%降低到60%以下，再送入傳統(tǒng)污泥干燥器進行深度干燥，可實現(xiàn)污泥高效低耗減量化，以降低污泥處理成本，在環(huán)境保護、二次資源利用和經(jīng)濟效益方面都有一定意義。

1 整體工藝方案

本工藝熱源主要來自電廠煙氣余熱和太陽能，整個預(yù)干化系統(tǒng)如圖1所示。由圖1可見：①電廠煙氣余熱通過熱管換熱器傳遞給導(dǎo)熱油之后再經(jīng)電廠原有的尾氣處理裝置由煙囪排除，該過程使煙氣在一定程度上降溫，減少了空氣的熱污染。同時導(dǎo)熱油在輸油泵的作用下循環(huán)流動，在換熱器中吸熱升溫后流經(jīng)太陽能溫室的地?zé)峁艿婪懦鰺崃考訜嵛勰?，冷卻后又回到換熱器中吸收煙氣余熱。圖1中電廠熱源為垃圾發(fā)電廠煙氣余熱，現(xiàn)可利用的電廠類型包括火電廠、熱電廠及垃圾焚燒發(fā)電廠，而垃圾焚燒發(fā)電廠大多都采用了先進的技術(shù)，配有完善的尾氣處理裝置，將污泥送入其中進行干化產(chǎn)生的廢氣相對而言較易處理。②太陽能溫室具有較好的吸光能力，在太陽的輻射下室內(nèi)溫度提高較快，加快了污泥表面的干化速度。為了避免溫室中空氣含濕量達到飽和以及低溫干化下污泥散出惡臭氣體，本工藝還在溫室中加入通風(fēng)和除濕除臭裝置?？梢?，溫室中的污泥傳熱途徑包括太陽的輻射熱、地?zé)岬膶?dǎo)熱、空氣的自然對流。溫室中污泥的進出料系統(tǒng)則采用半自動化控制，通過輸泥泵、移動泥斗、滾動轉(zhuǎn)筒等裝置的組合使用達到一個便于控制又便于實現(xiàn)進出料的效果。在太陽能溫室中將污泥含水率從80%降低到60%以下，干燥后污泥己經(jīng)成型為塊狀或顆粒狀，然后輸送至傳統(tǒng)污泥干燥器進行干燥。

圖1 電廠煙氣廢熱/太陽能預(yù)干化系統(tǒng)

2 單元工藝說明

2.1 太陽能溫室

被動式太陽能溫室具有以下優(yōu)點：能耗小，符合低碳社會的要求；操作維護簡單、使用壽命長；系統(tǒng)透明度高，環(huán)境協(xié)調(diào)性好，能部分解決污泥存儲的需要［1］。根據(jù)氣象局資料，京津冀地區(qū)一般日照時數(shù)約為2 500 h，每平方米年接受的太陽輻射總量在5 000 MJ以上。為此，在利用太陽能低耗高效干化污泥的目標(biāo)下本工藝將太陽能溫室做了改進，圖2為改進后的太陽能溫室結(jié)構(gòu)。由圖2可見，溫室的東南西3面都為透明玻璃房墻、1個單坡形式傾角為45°～60°的透明玻璃屋頂以及北面的混凝土集熱墻，并把東墻前下角和西墻后上角2個位置作為通風(fēng)進出口。同時考慮到太陽能本身的間歇性和稀薄性，本工藝在太陽能溫室地下鋪上地?zé)峁艿溃詫?dǎo)熱油作為熱載體［6］，導(dǎo)熱油的熱量來源于電廠大量廢熱煙氣。溫室北墻建成一定厚度的混凝土目的在于：①北墻作為本溫室玻璃房結(jié)構(gòu)中最高墻體，起到主要承重作用；②混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)小于玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)溫室內(nèi)溫度升到一定程度之后，北墻起到了減少溫室氣體對外的熱散失的作用；③混凝土的蓄熱系數(shù)也遠大于玻璃的需熱系數(shù)，可以吸收一定的太陽能并積蓄在墻體內(nèi)，給溫室以保溫的作用，而且混凝土墻建在北面，不影響其它幾面玻璃陽光的透過。

圖2 改進后的太陽能溫室結(jié)構(gòu)

2.2 進出泥設(shè)備

圖3 為本工藝溫室自動進出料系統(tǒng)剖面。由圖3可見，本工藝通過輸泥泵進泥到移動泥斗，移動泥斗鋪泥完畢之后轉(zhuǎn)動滾筒定期進行翻泥，最后泥經(jīng)出泥口送出。整套進出料系統(tǒng)屬于半自動化控制，人員在室外操作，人體不會受到室內(nèi)有害氣體的污染，操作簡單，投入的人力資源少，而且整個進出泥設(shè)備具有較大的處理量。

圖3 溫室自動進出料系統(tǒng)剖面

利用翻泥系統(tǒng)對污泥進行通風(fēng)，使其在好氧條件下實現(xiàn)穩(wěn)定化處理，避免厭氧條件下不良氣味的產(chǎn)生，同時保證加熱面上的物料更新。半自動化甚至全自動化的翻泥系統(tǒng)，使污泥得到經(jīng)常性的翻動并混合均一，從而不斷翻新蒸發(fā)面積，同時也起到供氧作用，避免污泥堆內(nèi)部出現(xiàn)局部厭氧而釋放惡臭氣體。翻泥機還可采用如下4種方式［1］：①廊道式翻泥機，自動化程度較高，無需現(xiàn)場操作人員；②機器人裝置，可實現(xiàn)全自動化操作控制，典型的有Thermosystems工藝中的Electric Mole和Solia工藝中Solimax裝置，集污泥運輸和翻動功能為一體；③跨越式翻泥機是自動化程度較高的移動設(shè)備，適用于大面積操作；④由農(nóng)用拖拉機和翻泥機組成，需現(xiàn)場操作人員，適用大面積操作。

2.3 除濕除臭裝置

經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，污泥在干化過程中產(chǎn)生大量的水蒸氣，如果不采取主動通風(fēng)裝置，溫室中空氣的含濕量將很快達到飽和，嚴重阻礙了濕污泥中水分的蒸發(fā)，從而影響干化速度和程度。為此，保持溫室內(nèi)一定的通風(fēng)量是必須的，本工藝中被排風(fēng)機排出的濕空氣通過除濕除臭裝置后又經(jīng)排風(fēng)機通入溫室內(nèi)，形成一個封閉的空氣循環(huán)，而且利用了循環(huán)溫室中熱空氣的熱量，使溫室有較好的保溫效果。溫室的除臭裝置采用離子凈化系統(tǒng)來處理干化過程中產(chǎn)生的尾氣，高能離子凈化技術(shù)能有效地清除空氣中的細菌、可吸入顆粒物、硫化物等有害物質(zhì)。圖4為離子凈化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意［6］。

圖4 離子凈化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3 干化試驗結(jié)果及能量衡算

3.1 污泥干化試驗研究

建立了1座2t/d的煙氣余熱/太陽能干化試驗裝置，圖5中試試驗裝置的主要技術(shù)參數(shù)及試驗結(jié)果如下：①污泥處理量2 t/d；②太陽能房面積30 m2；③翻泥頻率30 min/次；④換氣風(fēng)量4 m/s；⑤污泥初始含水率79.5%；⑥干化后污泥含水率46.7%。

圖5 中試試驗裝置

3.2 能量衡算

以處理含水率80%污泥100 t/d的規(guī)模，按此規(guī)模進行放大，以每天工作12 h計，則處理量為8.33 t/h，若假設(shè)污泥的密度為1.0×103kg/m3，太陽能房內(nèi)泥層厚度為2～2.5 cm，則需建1座約420 m2（6m×70m）的太陽能房。整套裝置運轉(zhuǎn)操作時所消耗的能源主要是驅(qū)動電機和油泵的電耗，約為30 kWh/t。與普通熱干化工藝相比，能耗極低。這是因為所需全部熱能來自太陽能和煙氣廢熱。運轉(zhuǎn)過程中只需少量電耗，因此是操作費用最低的污泥干化處理工藝。

3.2.1 系統(tǒng)的物量平衡

設(shè)定每天處理含水率為80%的污泥100 t，進入太陽能房的污泥經(jīng)過干燥后含水率降至50%，太陽能房出口的污泥的質(zhì)量是W1，則：

按每天工作12 h計算，每小時處理污泥量為3.33 t，干燥過程中蒸發(fā)水分的量為Wa，Wa=100×80%-40×50%=60（）t。

單位時間內(nèi)蒸發(fā)水分Wa1=60/12=5（t/h）。

3.2.2 熱量平衡計算

污泥中水分在常壓下蒸發(fā)的平均吸熱量h為2 675.9 kJ/kg，則每小時耗能的熱量QA=2 675.9×3.33×1 000=8 910.75（MJ）。

導(dǎo)熱油在干化污泥裝置中的傳熱能耗Q，主要有以下幾個方面組成：①加熱和蒸發(fā)污泥中的水分消耗能量QA占Q的80%左右。②加熱污泥和剩余水分消耗的能量QB占Q的2%左右。③設(shè)備散熱的能耗QC占Q的15%左右。④污泥中有機物分解和打開分子水結(jié)合鍵的能耗QD占Q的3%左右。

則污泥干燥需要的能量為每小時Q總=11138.44（MJ）。

一般在夏季陽光比較好的時候，地面上接受太陽輻照度僅為500～1 000 W/m2，若按600 W/m2計算，則太陽能房頂面積約630 m2，太陽能輻射可提供的熱量：

則需要導(dǎo)熱油提供的熱量為：

煙氣的密度為0.796 3 kg/m3，煙氣從150℃降低到130℃左右時平均比熱Cp=1.043 6 kJ/(kg·K)，以400 t/h的垃圾焚燒爐150℃煙氣的排放量540 000 m3/h計算，則：

即150℃煙氣經(jīng)熱管換熱器放出熱量后，以140.6℃的溫度排出，對后續(xù)煙氣的凈化及煙囪腐蝕不會產(chǎn)生影響。能量衡算見圖6。

圖6 能量衡算

4 工藝特點及應(yīng)用

4.1 投資和運行成本低

本工藝只是在現(xiàn)有電廠廢煙氣的排放流程中增加污泥干化過程，不需對原有工藝的設(shè)備進行改造，添加的設(shè)備造價相較于傳統(tǒng)的干化設(shè)備要低很多。運行時利用廢煙氣和太陽能作為干化熱源熱能成本為零，不需再多消耗化石能源等一些日益稀缺的能源，整個運行過程中只需承擔(dān)一些自動化設(shè)備的運行耗電和耗材。

4.2 環(huán)保性能好

廢煙氣熱量的利用形式包括直接利用和間接利用，直接加熱形式中熱源煙氣直接成為介質(zhì)，其熱效率接近燃燒效率本身，但會產(chǎn)生同等流量的、與物料有過直接接觸的廢氣，必須經(jīng)特殊處理后排放；間接利用是將高溫?zé)煹罋獾臒崃客ㄟ^熱交換器，傳給某種介質(zhì)（可能是導(dǎo)熱油、蒸汽或者空氣），熱量被部分利用后的煙道氣則正常排放。本工藝中煙氣余熱的利用形式為間接利用，煙氣與污泥不直接接觸，避免了煙氣和污泥交叉污染。這種以廢治廢、變廢為寶的工藝方式，環(huán)保效益好。

本工藝溫室中污泥的干化方式也屬于間接干化。其中地?zé)岣苫勰?，直接通過管道與污泥的導(dǎo)熱干化污泥，熱載體導(dǎo)熱油與污泥分隔開，導(dǎo)熱油不受污染，可以循環(huán)使用，降低了熱載體的消耗。同時間接干化只有少量的廢氣排出，對廢氣的控制、凈化及臭味的處理，不僅簡單而且費用低。間接式干化優(yōu)異的環(huán)保性能、節(jié)能特性適應(yīng)了當(dāng)代社會對環(huán)境和能源的要求。本溫室屬于密閉操作系統(tǒng)，對外界環(huán)境無污染，操作的自動化程度較高，人員室外工作，對人體無污染。

4.3 干燥效率高

污泥在溫室中表面干化通過污泥的翻動來不停更新污泥的表面，使污泥表層水分蒸發(fā)，同時利用通風(fēng)系統(tǒng)將含濕氣體排出。本工藝中半自動化甚至全自動化的翻泥系統(tǒng)，使污泥得到經(jīng)常性的翻動并混合均勻，從而不斷翻新蒸發(fā)面積。這些設(shè)備的組合使用在相同的熱流量下能大大提高污泥的干燥效率。

間接加熱干化的熱效率主要體現(xiàn)在尾氣上，與直接加熱干化相比，它減少了熱氣體帶走的熱損失，其能量利用率高，而且本工藝溫室氣體是個循環(huán)體系，將空氣帶走的熱損失降到最低，使溫室溫度維持在一個較高的水平，進一步提高污泥的干化效率。

溫室結(jié)構(gòu)中加入一堵混凝土北墻，既不影響太陽能的吸收而且起到了良好的保溫和蓄熱的作用，通風(fēng)系統(tǒng)的加入使溫室中的對流換熱持續(xù)快速進行，提高了污泥表面的干化效率。

5 結(jié)束語

隨著社會能源消耗低碳化主題的提出和發(fā)展，太陽能清潔能源的收集和利用將備受關(guān)注，同時廢熱回收、廢物處理也將逐漸成為社會可持續(xù)發(fā)展的共識。本污泥干化新工藝聯(lián)合利用太陽能和電廠煙氣廢熱，經(jīng)預(yù)干化后，污泥的含水率己經(jīng)降60%以下，體積顯著減小，此時如在低溫干燥或用自然風(fēng)干燥，可以節(jié)省熱量，從而大大降低污泥干燥成本。并且合理設(shè)計各個系統(tǒng)使其能夠?qū)崿F(xiàn)低耗高效干化污泥，節(jié)能減排的同時將污泥資源化利用。該種以廢治廢，化腐朽為神奇的工藝具有一定的可行性，將得到應(yīng)用。

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