污泥焚燒項(xiàng)目余熱利用系統(tǒng)熱力分析

劉宇佳，孫靜，趙旭東，郭俊偉，季輝

（1.同方環(huán)境股份有限公司，北京 100083；2.中國城市建設(shè)研究院，北京 100120）

引言

脫水污泥的處置一直是耗資大且社會(huì)敏感度高的問題。近年來，市政及工業(yè)污泥逐漸增多，其處置已是各地政府的一項(xiàng)負(fù)擔(dān)[1～3]。隨著污泥處置技術(shù)的發(fā)展，集中化的處理模式逐漸成為污泥治理的主要手段。很多文章就污泥集中處置技術(shù)有分析研究，在這些集中處置方式中，干化焚燒是一種最為環(huán)保和有效的污泥處置方式，不僅能使污泥中含有的水分進(jìn)一步降低，同時(shí)干化后的污泥還可進(jìn)行焚燒處理，以實(shí)現(xiàn)廢棄物的能源化利用，并最大限度地實(shí)現(xiàn)減量化、無害化的處理要求[4～10]。但在污泥干化、焚燒處理的研究和實(shí)踐中，還有許多問題亟待解決。

干化焚燒技術(shù)目前已在一些典型污泥處置工程中應(yīng)用，成都污泥干化焚燒項(xiàng)目作為國內(nèi)最早一批的焚燒廠已運(yùn)行七年。本文對(duì)成都污泥干化焚燒項(xiàng)目做了較為詳細(xì)的工藝描述，并對(duì)該項(xiàng)目余熱回收系統(tǒng)建立了熱力模型并進(jìn)行了深入分析。

1 成都污泥干化焚燒項(xiàng)目

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

成都市第一城市污泥干化焚燒處置項(xiàng)目，設(shè)計(jì)接收污泥的含水率為80%，系統(tǒng)總處理能力400t/d，系統(tǒng)總的進(jìn)泥量變化范圍為250～450t/d，設(shè)計(jì)干基高位熱值13 086kJ/kg，系統(tǒng)的工藝采用薄層干化機(jī)+鼓泡焚燒爐處理技術(shù)，設(shè)置兩條干化焚燒線。

濕污泥通過輸送系統(tǒng)進(jìn)入薄層干化機(jī)的進(jìn)料口，污泥被轉(zhuǎn)子帶向熱壁表面，轉(zhuǎn)子上的漿葉對(duì)熱壁表面的污泥反復(fù)翻混，同時(shí)污泥通過螺旋輸送系統(tǒng)進(jìn)入排料端。在干化機(jī)的蒸氣側(cè)，余熱鍋爐產(chǎn)生的6bar飽和蒸氣通過干化機(jī)夾套對(duì)污泥加熱，受熱后污泥由于水的蒸發(fā)含水率下降。經(jīng)干燥處理，含水80%的濕污泥干化成為含水30%、溫度約為100℃的干污泥，干污泥經(jīng)輸送系統(tǒng)送入焚燒單元。污泥在干化機(jī)內(nèi)部的停留時(shí)間極短，依靠干化機(jī)轉(zhuǎn)子慣性，完全可將機(jī)體內(nèi)的污泥排出。干燥過程中產(chǎn)生的載氣與污泥逆向運(yùn)動(dòng)，由污泥進(jìn)料口上方的蒸氣管口排出，之后載氣經(jīng)過冷凝處理，冷凝液進(jìn)入污水處理廠處理，不凝氣體經(jīng)處理后排放。

為了避免污泥在給料裝置中黏滯，在焚燒爐之前設(shè)置混合料斗，干化后含水30%的污泥與含水80%的濕污泥混合，混合后污泥的含水率約為66%?；旌虾蟮奈勰嘤芍o料螺旋分兩路打入焚燒爐爐膛，助燃的高溫流化空氣由布風(fēng)裝置送進(jìn)焚燒爐爐膛，輔助燃燒的天然氣由輔助燃燒器從爐膛濃相區(qū)噴入焚燒爐，污泥在爐內(nèi)燃燒和燃盡；高溫?zé)煔庠诓坏陀?50℃的爐膛內(nèi)停留2s以上。由于污泥的含灰特性，焚燒后灰分大部分成為飛灰隨煙氣進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)。焚燒爐出口的高溫?zé)煔馐紫冗M(jìn)入高溫空氣預(yù)熱器，將流化空氣加熱到400℃，以減少焚燒爐內(nèi)天然氣的耗量?？疹A(yù)器為立管式換熱器，煙氣走管程?？疹A(yù)器內(nèi)換熱完成后的熱煙氣（約680℃）進(jìn)入水管式余熱鍋爐，產(chǎn)生飽和蒸氣，蒸氣參數(shù)為：0.9MPa，180℃。煙氣二次換熱后排出余熱鍋爐，排煙溫度約250℃，進(jìn)入后續(xù)的煙氣凈化系統(tǒng)。該項(xiàng)目的煙氣凈化系統(tǒng)采用兩級(jí)除塵+活性炭+脫硫的工藝路線。

1.2 余熱回收系統(tǒng)

圖1為該項(xiàng)目的污泥焚燒和余熱利用系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。在余熱回收系統(tǒng)中，含水66%的干污泥經(jīng)螺旋輸送系統(tǒng)進(jìn)入污泥焚燒爐中，污泥在高溫流化空氣與爐內(nèi)的高溫石英砂的混合作用下被加熱并燃燒，污泥經(jīng)過焚燒后完全轉(zhuǎn)化為煙氣和灰分。燃燒后的煙氣溫度可達(dá)850℃，之后高溫?zé)煔庖肟諝忸A(yù)熱器中加熱流化空氣，冷空氣經(jīng)空氣預(yù)熱器加熱后成為400℃的高溫高壓空氣，送入焚燒爐中用作流化空氣使用。煙氣從空氣預(yù)熱器出來后進(jìn)入余熱鍋爐，將熱量傳遞給余熱鍋爐給水。給水經(jīng)加熱后形成飽和蒸氣，該飽和蒸氣作為熱源供干化機(jī)使用，經(jīng)干化機(jī)之后蒸氣冷凝為高溫?zé)崴?。煙氣從余熱鍋爐出來后進(jìn)入煙氣凈化系統(tǒng)，經(jīng)除塵、脫硫后排放。

圖1 污泥焚燒和余熱利用系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 熱力模型及分析方法

基于實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)建立了余熱利用系統(tǒng)中的熱力模型和計(jì)算模型，該熱力模型基于質(zhì)量和能量守恒定律建立。在建模過程中假設(shè)各部分換熱器和管線的熱量損失為零，同時(shí)管線中的壓力降也忽略不計(jì)。在焚燒爐部分污泥熱值計(jì)算模型基于Dulong公式建立，通過各個(gè)可燃組分比例以及化學(xué)反應(yīng)求得煙氣中的組分。

式中：

Q——為干污泥熱值，MJ/kg；

V——干污泥中揮發(fā)分的含量，g；

A——干污泥中灰分含量，g；

a，b——回歸系數(shù)。

對(duì)余熱回收系統(tǒng)中的空氣預(yù)熱器和余熱鍋爐的熱力模型通過Aspen Plus熱力計(jì)算軟件來模擬。模擬過程中在控制空預(yù)器出口溫度以及蒸氣出口溫度滿足系統(tǒng)需要的前提下，建立煙氣-空氣、煙氣-水/蒸氣的換熱模型。

污泥的成分均取自于成都現(xiàn)場(chǎng)，建模所需的初始條件為該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工況條件。通過熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的原理，提出了該熱力學(xué)模型。系統(tǒng)模擬計(jì)算的初始條件見表1。

表1 系統(tǒng)模擬主要計(jì)算參數(shù)

3 結(jié)果及分析

基于以上的假設(shè)、設(shè)計(jì)參數(shù)以及熱力分析模型，計(jì)算出該焚燒及余熱回收系統(tǒng)的熱力性能和參數(shù)。該系統(tǒng)中各個(gè)工質(zhì)流的熱力計(jì)算結(jié)果見表2。

通過表2可得出，在設(shè)計(jì)工況下：1）焚燒爐中排出的煙氣攜帶有大量的高品質(zhì)熱量，但經(jīng)過余熱利用系統(tǒng)后煙氣的溫度仍然很高，除了余熱利用系統(tǒng)利用的部分熱能，給水溫度過高也是排煙溫度過高的原因。2）出于經(jīng)濟(jì)性和工程設(shè)計(jì)考慮，污泥焚燒項(xiàng)目中的空氣預(yù)熱器通常置于焚燒爐之后、余熱鍋爐之前，通過參數(shù)可以看出，高品質(zhì)的煙氣用于加熱低溫?zé)煔?，空氣預(yù)熱器部分的煙氣熱量未被完全利用。3）余熱鍋爐產(chǎn)出的蒸氣是用于干化機(jī)的，蒸氣參數(shù)要求不高，但這部分蒸氣可以提高品質(zhì)做更多熱的利用。

表2 各工質(zhì)流的熱力參數(shù)

基于現(xiàn)有的設(shè)計(jì)條件和以上分析，對(duì)空預(yù)器和余熱鍋爐做進(jìn)一步的熱力分析，通過模擬這兩部分的換熱過程來分析煙氣熱量的利用情況。圖2和圖3是空預(yù)器和余熱鍋爐的溫度-換熱量模擬圖。

圖2 空氣預(yù)熱器T-Q圖

圖3 余熱鍋爐T-Q圖

從圖2和圖3可以得出，空氣預(yù)熱器和余熱鍋爐中存在很大的換熱溫差，冷空氣以常溫進(jìn)入空預(yù)器中利用焚燒爐出口的高溫?zé)煔饧訜幔瑩Q熱器兩端的溫差高達(dá)400℃以上。余熱鍋爐中的熱水經(jīng)加熱后溫度只停留在蒸發(fā)段，蒸氣出口端的換熱溫差高達(dá)500℃以上。

基于以上的參數(shù)，對(duì)該余熱回收系統(tǒng)建立熱力學(xué)第二定律模型來分析系統(tǒng)熱性能。系統(tǒng)中煙氣、空氣、水/蒸氣的值計(jì)算，通過流公示求得，散熱損失忽略。

式中：

Ex——工質(zhì)的輸入/出；

h——工質(zhì)焓值；

t——環(huán)境溫度；

S——工質(zhì)的熵值。

系統(tǒng)中煙氣進(jìn)入空氣預(yù)熱器和余熱鍋爐的熱為3919.4kW，空氣預(yù)熱中產(chǎn)出的熱為237.5kW，余熱鍋爐中產(chǎn)出的熱為797.1kW，余熱回收系統(tǒng)的效率為26.4%。較大的換熱溫差給系統(tǒng)帶來了非常大的損失。

4 結(jié)論

基于成都污泥干化焚燒項(xiàng)目建立了余熱利用系統(tǒng)的熱力模型，該熱力模型可反映典型污泥干化焚燒項(xiàng)目的余熱利用情況。通過對(duì)該項(xiàng)目的分析可得出，空氣預(yù)熱器和余熱鍋爐中存在較大的換熱溫差，高品質(zhì)煙氣的熱量被低效利用。另由于余熱鍋爐的給水來自干化機(jī)中蒸氣凝結(jié)后的高溫?zé)崴?，系統(tǒng)的排煙溫度過高。通過熱力學(xué)第二定律的分析，該項(xiàng)目的余熱回收系統(tǒng)的效率為26.4%，效率較低。在污泥干化焚燒項(xiàng)目中，余熱回收利用系統(tǒng)仍有較大的改進(jìn)空間。