城市污水污泥干化-焚燒系統(tǒng)熱力分析

錢柯貞，陳德珍，段妮娜，戴曉虎，楊子旭

（1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804；2.上海多源固廢協(xié)同處理和能源化工程技術(shù)研究中心，上海 201804；3.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；4.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092；5.華東理工大學(xué)化工學(xué)院，上海 200237）

污泥是污水處理過程中的副產(chǎn)物。在我國，隨著工業(yè)化和城市化的發(fā)展，污水處理率也越來越高，因此，伴隨有大量污泥產(chǎn)生。據(jù)統(tǒng)計，我國每年污水處理廠產(chǎn)生的污泥已超過1 300 萬t（干基）[1]。一直以來，全國的污水處理廠均普遍存在嚴(yán)重的“重水輕泥”現(xiàn)象，污泥未得到合理安全處理處置。

目前，污泥處理的主流技術(shù)主要包括厭氧消化[2]、好氧堆肥[3]和焚燒[4]。相較于厭氧消化和好氧堆肥等生物處置方法，焚燒通過高溫氧化可有效分解污泥中的有機(jī)組分并消滅病菌，迅速有效地實現(xiàn)污泥的無害化和減量化，降低后續(xù)處置要求[5]。國外經(jīng)驗已經(jīng)證明焚燒是污泥處理行之有效的方法之一。干化后焚燒不僅可以回收污泥中的有機(jī)能量，而且焚燒灰可以用來回收重要的礦物元素——磷。德國污泥焚燒已經(jīng)開展了近30 年，65%以上的污泥 采用焚燒方式處理，其中85%以上采用流化床焚 燒[6-7]。日本早在20 世紀(jì)90 年代已經(jīng)利用焚燒方法處理了75%的城市污泥[8-9]。

近年來，我國多地也開始采用焚燒方法處理污泥。污泥焚燒可分為獨立焚燒和與生活垃圾或者煤等協(xié)同焚燒[10-11]。例如四川成都萬興環(huán)保發(fā)電廠采用生活垃圾協(xié)同污泥焚燒處置[12]。協(xié)同焚燒處置方法往往處理量較小，可能難以滿足大中型城市的污泥處置需求；此外，協(xié)同焚燒后的污泥灰渣被稀釋，灰渣中磷含量大大降低，難以實現(xiàn)磷的回收。目前，國內(nèi)上海、溫州、深圳等地建設(shè)運行了多個污泥獨立焚燒工程[13-15]。

綜合國外污泥處理技術(shù)的發(fā)展和我國國情，污泥獨立焚燒在我國具有良好的發(fā)展前景，尤其是經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好、土地資源緊張的城市。但是，與傳統(tǒng)燃料相比，污泥是一種高水分、高灰分、低熱值的劣質(zhì)燃料，難以直接焚燒，往往需要先干化才可能實現(xiàn)穩(wěn)定獨立焚燒。干化-焚燒的工藝參數(shù)對熱力系統(tǒng)的能耗和能量經(jīng)濟(jì)性有較大影響。例如，入爐污泥含水率較高時，需要投入輔助燃料才可實現(xiàn)穩(wěn)定焚燒，而入爐污泥含水率較低時，則無需在焚燒爐內(nèi)投入輔助燃料即可達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求的850 ℃焚燒溫度。而低含水率污泥意味著需要在干化階段蒸發(fā)大量水分，干化能耗較大，因此需要研究入爐含水率等參數(shù)對干化-焚燒熱力系統(tǒng)的影響。

本文選取我國典型生活污泥物性參數(shù)，綜合國內(nèi)外多個污泥焚燒廠的工藝路線，借助Aspen Plus軟件建立了典型污泥干化-焚燒處理系統(tǒng)模型，考察了入爐含水率、污泥熱值和一次風(fēng)預(yù)熱溫度等參數(shù)對污泥燃燒溫度的影響，對比了只考慮污泥焚燒系統(tǒng)和同時考慮干化及焚燒系統(tǒng)的輔助燃料需要量，為污泥獨立干化-焚燒系統(tǒng)設(shè)計運行提供依據(jù)。

1 污泥獨立干化-焚燒工藝

1.1 工藝路線選取

污泥獨立干化-焚燒的典型工藝包括機(jī)械脫水、熱干化、獨立焚燒、余熱利用和煙氣凈化等單元[14]。國外有的項目由于污泥熱值較高，污泥焚燒廠還帶有發(fā)電模塊，但考慮到我國污泥熱值低于國外，因此本模擬只研究干化及焚燒。濃縮污泥采用機(jī)械脫水方式將含水率降至80%，但是還難以滿足穩(wěn)定焚燒的要求，需要采用熱干化設(shè)備將其進(jìn)一步干化至70%以下（具體含水率取決于污泥中的有機(jī)質(zhì)含量）。

熱干化根據(jù)干化程度可分為全干化和半干化。全干化將污泥水分降至15%以下，半干化通常將污泥含水率降至30%～60%。全干化能耗較高，干化設(shè)備投資大，一般不采用，因此本文采取半干化工藝。由于污泥干化過程中會產(chǎn)生揮發(fā)分和粉塵，為保證運行安全，一般干化工藝采用間接加熱方式。間接干化設(shè)備主要包括槳葉式、圓盤、薄層干化等。

蒸汽的帶出一般用負(fù)壓抽氣或者通載氣（空氣）攜帶，本文選用帶載氣的槳葉式干化機(jī)。為提高焚燒穩(wěn)定，往往需要提高入爐風(fēng)溫，本文利用干化機(jī)冷凝水和焚燒爐高溫?zé)煔鈱崿F(xiàn)對一次風(fēng)的多級預(yù)熱。為實現(xiàn)穩(wěn)定焚燒，在污泥不能自持燃燒的情況下需要投輔助燃料，本文采用柴油作為輔助燃料。污泥獨立干化-焚燒總體工藝路線如圖1 所示。

圖1 干化-焚燒工藝路線Fig.1 Flowsheet of drying-incineration process

1.2 Aspen Plus 建模

污泥在焚燒裝置中的熱解、氣化、燃燒過程屬于多組分、多相體系的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)過程。為了簡化焚燒模型，本文假設(shè)污泥焚燒反應(yīng)為一定溫度、壓力和條件下的理想體系，并在此基礎(chǔ)上計算整個焚燒體系達(dá)到熱力學(xué)平衡態(tài)時各反應(yīng)元素的組成、濃度和化學(xué)焓。污泥的焓和密度計算設(shè)定為軟件自帶的HCOALGEN 和DCOALIGT，物理屬性方法采用帶有Boston-Mathias 修正函數(shù)的Peng Robinson立方狀態(tài)方程PR-BM。

模型將污泥干化-焚燒系統(tǒng)分成四大模塊（圖2），分別為干化模塊、空氣預(yù)熱模塊、焚燒模塊和余熱鍋爐模塊。DECOMP 和BURN 模塊組合模擬污泥焚燒的熱解燃燒過程。Dryer、HTX、HTX1、HTX2、AIRCOOL 和MOISTCOL 模塊組合模擬污泥的干化過程。PHX1 和PHX2 分別模擬一次風(fēng)的一級和二級預(yù)熱器。BOIL 和DEOXY 分別代表余熱鍋爐和水除氧器。整個模擬系統(tǒng)設(shè)有6 個物流入口，分別是載氣（CRAIR1）、濕污泥（WETM）、一次風(fēng)(AIR1)、二次風(fēng)（AIR2）、燃油(GAS1)和鍋爐進(jìn)水（WTIN）。焚燒爐出口物流有灰（ASH）和煙氣（FLU1）。余熱鍋爐出口物流為蒸汽（STEAM1）。目前，國內(nèi)污水處理廠污泥的總體熱值低于發(fā)達(dá)國家，本文選用我國典型干基低位熱值范圍10～14 MJ/kg 的污泥，其成分和物性參數(shù)數(shù)據(jù)見表1。干化-焚燒系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)設(shè)定見表2。

表1 污泥成份分析Tab.1 Property analysis of sewage sludge

表2 干化-焚燒系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定Tab.2 Parameter setting of drying-incineration system

圖2 四大模塊流程Fig.2 Flowsheet of process simulation

1.3 參數(shù)計算

1.3.1 干化所需載氣量計算

槳葉式污泥干化過程載氣的用量與排氣溫度和排氣濕度有關(guān)。排氣中要控制濕度以保證空氣中的水蒸氣不會在管道中凝結(jié)，一般要求排出的載氣濕度不大于70%。干化所需載氣的量為：

式中：Wair為所需載氣量，kg；Wst為污泥水分蒸發(fā)量，kg；dair和dair0分別表示干化機(jī)進(jìn)出口載氣含濕量，kg/kg（以每kg 干空氣計，下同）；出口載氣dair1取0.7 kg/kg。

40 ℃載氣dair0計算式為：

式中：e為對應(yīng)溫度下水的蒸汽壓，Pa；p為大氣壓，Pa。進(jìn)入污泥干化機(jī)的載氣溫度為40 ℃時，通過查表得到e=7 375 Pa，算得dair0=0.049 kg/kg。

1.3.2 干化能耗比

式中：σ為干化能耗比；Qdry代表污泥干化能耗，MJ/h；Qin為輸入系統(tǒng)熱量，Qin=MS×(Qr+Qs+Qair+Qfuel）；MS為污泥質(zhì)量流量,kg/h；Qr為入爐污泥的低位熱值，MJ/kg；Qs為污泥物理顯熱，MJ/kg；Qair為冷空氣焓，MJ/kg；Qfuel為輔助燃料熱值，MJ/kg。

2 結(jié)果分析及討論

2.1 入爐含水率對污泥燃燒溫度影響

污泥燃燒溫度計算過程中，假設(shè)化學(xué)和機(jī)械燃燒損失分別為1%和4%，焚燒爐散熱損失為3%。圖3 為入爐一、二次風(fēng)溫度均為25 ℃（無預(yù)熱）情況下入爐含水率（30%～ 60%）對不同熱值（10～14 MJ/kg）污泥的燃燒溫度的影響。

圖3 含水率對不同熱值污泥燃燒溫度的影響Fig.3 The impact of moisture content on combustion temperature of the sewage sludge with different heating values

由圖3 可見，一次風(fēng)無預(yù)熱情況下隨著入爐含水率從60%降到30%，污泥燃燒溫度迅速上升，熱值10、12、14 MJ/kg 污泥的燃燒溫度分別從617、718、750 ℃升高到1 004、1 082、1 065 ℃。熱值14 MJ/kg的污泥在含水率高于50%時的燃燒溫度高于熱值12 MJ/kg 的污泥，而當(dāng)入爐含水率低于50%時，其燃燒溫度與熱值12 MJ/kg 污泥燃燒溫度相當(dāng)。這是由于相比熱值12 MJ/kg 的污泥，熱值14 MJ/kg 污泥的入爐空氣量增幅高于熱值的增幅，在一次風(fēng)無預(yù)熱的情況下，14 MJ/kg 污泥燃燒熱用于加熱入爐空氣的比例上升，從而降低了燃燒溫度。在一次風(fēng)無預(yù)熱的情況下，熱值10、12、14 MJ/kg 的污泥可自持燃燒的最高含水率（臨界含水率）約為45%、51%和54%。

2.2 一次風(fēng)溫度對污泥燃燒溫度影響

圖4 顯示了在不添加輔助燃料情況下，一次風(fēng)溫度（100～600 ℃）及含水率30%～60%對不同熱值（10～14 MJ/kg）污泥燃燒溫度影響。

圖4 一次風(fēng)溫度及含水率對不同熱值污泥燃燒溫度影響Fig.4 The impact of primary air temperature and moisture content on combustion temperature of the sewage sludge with different heating values

由圖4 可見，通過提高一次風(fēng)溫度，可以大幅度提高燃燒污泥燃燒溫度。對于熱值為10 MJ/kg 的污泥，當(dāng)其含水率為50%，如果將一次風(fēng)溫度提高到175 ℃，其燃燒溫度可達(dá)到850 ℃；當(dāng)其含水率為60%時，如果將一次風(fēng)溫度提高到500 ℃，燃燒溫度可達(dá)到850 ℃。對于熱值為12 MJ/kg 和14 MJ/kg 的污泥，當(dāng)含水率為60%時，將一次風(fēng)溫度分別提高到250 ℃和200 ℃，燃燒溫度可達(dá)到850 ℃。由于污泥灰分較高，灰熔點較低，一般不希望污泥焚燒爐溫度過高，運行溫度一般在850～950 ℃[14]。對于含水率為50%、熱值10 MJ/kg污泥，在一次風(fēng)溫度超過400 ℃情況下，燃燒溫度超過950 ℃；對于熱值為12～14 MJ/kg 污泥，在一次風(fēng)溫度超過 200 ℃情況下，燃燒溫度超過950 ℃；當(dāng)含水率為60%，只有熱值12～14 MJ/kg，且一次風(fēng)溫度超過500 ℃情況下，燃燒溫度才會超過950 ℃。而對于含水率小于40%的污泥，大部分工況的燃燒溫度超過950 ℃，在此情況下如果不在爐內(nèi)布置受熱面，運行中則需要采取增大入爐空氣量或者是噴水等降溫措施，這會帶來較大的熱損失。因此如果污泥入爐含水率低于40%，為降低爐膛熱負(fù)荷，可能需在爐內(nèi)布置受熱面。

2.3 污泥干化-焚燒系統(tǒng)能耗分析

污泥干化-焚燒系統(tǒng)的能耗/熱損失以污泥干化系統(tǒng)能耗和余熱鍋爐的排煙熱損失為最。圖5 為入爐含水率及熱值對污泥干化能耗比的影響。

圖5 含水率及熱值對干化能耗比影響Fig.5 The impact of moisture content and heating value on drying energy consumption ratio

由圖5 可見，隨著入爐含水率的減少，干化能耗比從40%上升到55%。污泥熱值對于干化能耗比的影響較小，總體呈現(xiàn)隨熱值增加干化能耗比下降的趨勢。

不同干化設(shè)備需要的載氣量區(qū)別較大。比如圓盤干化機(jī)一般采用負(fù)壓的方式排出蒸汽，其載氣量較少。而非真空槳葉式干化機(jī)采用通入載氣的方式排出蒸汽，需要較大的載氣量。圖6 為非真空槳葉式干化機(jī)干化后含水率不同污泥所需載氣量及載氣干化能耗比。由圖6 可見，對于入爐含水率30%～60%的污泥，非真空槳葉式干化機(jī)的載氣量為4 000～54 000 kg/t（以每t 干污泥計，下同），加熱載氣能耗占干化過程總能耗的2%～6%。而從干化機(jī)出來的載氣由于含有大量的水蒸氣、粉塵和揮發(fā)性有機(jī)物，需采取噴淋凈化等措施，能量一般難以回收。故選用較小載氣量的干化形式有利于降低干化能耗。

圖6 干化后含水率不同所需載氣量及載氣干化能耗比Fig.6 The carrier air consumption and energy consumption of carrier air of the dried sludge with different moisture contents

圖7 為排煙溫度為230 ℃時污泥熱值和入爐含水率對排煙熱損失的影響。由圖7 可見，余熱鍋爐的排煙熱損失隨含水率的升高，從22%升高到40%。

圖7 不同熱值和含水率污泥焚燒余熱鍋爐排煙熱損失Fig.7 The impact of heating value and moisture content on exhaust gas heat loss of heat recovery boiler firing sludge

表3 顯示了模擬計算的煙氣成分。由表3 可以看到，焚燒煙氣主要成分為H2O、CO2、CO、SO3、SO2、NO 等。隨污泥入爐含水率增高，污泥焚燒煙氣中的H2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10.5%增加到20.7%，增大了排煙熱損失。

表3 熱值12 MJ/kg 的污泥焚燒煙氣模擬計算成分 單位：kg/tTab.3 The simulated flue gas compositions of sewage sludge with LHV of 12 MJ/kg

2.4 輔助燃料需要量分析

在不考慮干化情況下，添加輔助燃料目的為滿足850 ℃的燃燒溫度；在考慮干化系統(tǒng)情況下，添加輔助燃料的目的為滿足850 ℃燃燒溫度，以及彌補(bǔ)干化過程的能量缺口。為了便于比較，干化系統(tǒng)無額外熱源。圖8 為模擬的不考慮干化情況下輔助燃料需要量及考慮干化系統(tǒng)情況下的輔助燃料需要量。干化-焚燒系統(tǒng)輔助燃料需要量模擬計算條件為一次風(fēng)溫度300 ℃，干化系統(tǒng)的散熱損失設(shè)定為3%，余熱鍋爐散熱損失為10%。由圖8 可見：在不考慮干化情況下，熱值10 MJ/kg、含水率60%的污泥，一次風(fēng)溫度高于500 ℃無需輔助燃料，低于500 ℃需要輔助燃料，一次風(fēng)不加熱時所需輔助燃料量最高，為72 g/t，當(dāng)其含水率為50%時，一次風(fēng)低于100 ℃需要投輔助燃料；熱值為12、14 MJ/kg的污泥，僅在含水率為60%及一次風(fēng)溫度分別低于300、200 ℃時需要投輔助燃料，其最高輔助燃料需要量分別為46.4、30.0 kg/t，含水率低于60%時，不需要輔助燃料。根據(jù)德國運行經(jīng)驗，對于污泥這種高含灰、含氮燃料，850 ℃的運行溫度就可能帶來灰熔融和氮氧化物排放增加的問題。因此，在德國針對污泥獨立焚燒項目，如果滿足排放要求，通過審批允許降低溫度標(biāo)準(zhǔn)[5]（如果焚燒溫度允許在850 ℃以下，實際輔助燃料量應(yīng)該小于本文模擬值）。

比較圖8a)和圖8b)，可以發(fā)現(xiàn)干化-焚燒系統(tǒng)的輔助燃料需要量高于僅考慮焚燒系統(tǒng)的燃料需要量，即使是較高熱值的污泥（14 MJ/kg），在僅考慮焚燒時無需輔助燃料，干化-焚燒系統(tǒng)依然需要輔助燃料。這說明熱值為10～14 MJ/kg 污泥自身提供的熱量無法滿足污泥干化-焚燒系統(tǒng)的干化能耗及各過程能量損失。隨著污泥含水率的降低，污泥輔助燃料需要量均呈增加趨勢，當(dāng)入爐含水率從60%降低到30%時，熱值為10、12、14 MJ/kg 污泥的輔助燃料需要量由16、52、96 kg/t 增加到19、60、105 kg/t。干化-焚燒系統(tǒng)的干化能耗隨著入爐含水率的減少而增加，說明采用低入爐含水率的策略從能耗角度看并不經(jīng)濟(jì)；同時，入爐含水率低意味著需要更大的干化換熱面積，而干化系統(tǒng)投資占整個干化-焚燒項目投資比重較高，因此從投資角度采用低入爐含水率的策略也不經(jīng)濟(jì)。圖8b)顯示，添加輔助燃油滿足干化過程能量缺口時，由于焚燒爐的投油量較高，導(dǎo)致所有工況的污泥燃燒溫度均高于950 ℃，需要采取增大過量空氣系數(shù)等降溫措施。因此，從能耗角度出發(fā)，采用焚燒爐添加輔助燃料的方式滿足干化能量缺口的能量經(jīng)濟(jì)性較差，而采用外來低壓蒸汽彌補(bǔ)干化能耗缺口更為合理。

圖8 不同含水率和一次風(fēng)溫度下輔助燃料需要量及燃燒溫度Fig.8 The combustion temperature and required auxiliary fuels when buring sludge with different moisture contents at different primary air temperatures

3 結(jié)論

本文模擬了典型市政污泥干化-焚燒系統(tǒng)，探討了污泥熱值、入爐含水率、一次風(fēng)溫度等對污泥干化-焚燒系統(tǒng)的影響，得到以下主要結(jié)論。

1）隨著污泥低位熱值的升高，污泥自持燃燒對應(yīng)的入爐含水率升高，熱值為10、12、14 MJ/kg 的污泥臨界含水率分別為45%、51%、54%。

2）通過提高一次風(fēng)溫度，可以大幅度提高污泥燃燒溫度，但是對于熱值為12～14 MJ/kg 污泥，在一次風(fēng)溫超過200 ℃情況下，燃燒溫度超過950 ℃，不利于焚燒爐的安全?？梢娙绻勰酂嶂递^高，一次風(fēng)溫度不適合太高。

3）隨著入爐含水率的減少，干化能耗比從40%上升到55%。

4）干化-焚燒系統(tǒng)的輔助燃料需要量高于僅考慮焚燒系統(tǒng)的需要量，干化-焚燒系統(tǒng)輔助燃料需要量隨著入爐含水率的減少而增加。表明污泥自身提供的熱量無法滿足污泥干化-焚燒系統(tǒng)整體能耗，低入爐含水率策略不經(jīng)濟(jì)。