污泥干燥及其與燃煤電站耦合的熱力特性分析

陳志董，林育超，劉銘宇，劉佳玲，張國(guó)強(qiáng)，張 鍇，楊立軍

（華北電力大學(xué)熱電生產(chǎn)過(guò)程污染物監(jiān)測(cè)與控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

近年來(lái)隨著我國(guó)城市化的不斷發(fā)展以及環(huán)保要求的不斷提高，城市的污水處理量不斷增長(zhǎng)。而污泥作為污水處理的最終產(chǎn)物，其產(chǎn)量也不斷地增長(zhǎng)。據(jù)估算，2019 年全國(guó)每天產(chǎn)生的污泥量達(dá)到了1 232 萬(wàn)t[1]；預(yù)計(jì)到2023 年我國(guó)的污泥產(chǎn)量將超過(guò)9 772 萬(wàn)t[2]。污泥中含有大量的病菌、重金屬和有機(jī)污染物，如果不對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的無(wú)害化處理，將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的二次污染[3]。2020 年國(guó)家發(fā)展改革委與住房城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合印發(fā)的《城鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)施補(bǔ)短板強(qiáng)弱項(xiàng)實(shí)施方案》，提出要推進(jìn)污泥無(wú)害化和資源化處理處置[2,4]。因此，如何對(duì)污泥進(jìn)行無(wú)害化和資源化處理處置是亟待解決的問(wèn)題。

污泥的處理技術(shù)主要包括污泥干燥、濃縮脫水、厭氧消化及好氧發(fā)酵等，對(duì)污泥進(jìn)行處置的方式主要包括填埋、土地利用、建材利用和焚燒。目前，我國(guó)的污泥大部分通過(guò)土地利用和填埋的方式進(jìn)行處置。污泥本身重金屬含量超標(biāo)，且含有大量的有機(jī)污染物，土地利用和填埋勢(shì)必會(huì)對(duì)土壤和地下水造成嚴(yán)重的污染，并且還會(huì)危害到人民的生命健康。其中，污泥焚燒的優(yōu)勢(shì)在于：焚燒可以大大減少污泥的體積，殺死其中的病原體，實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥的無(wú)害化和穩(wěn)定化處理[2,4-5]。污泥本身的熱值較低，但是經(jīng)干燥后熱值可以得到極大的提升，進(jìn)行焚燒發(fā)電可以實(shí)現(xiàn)污泥的資源化利用[6-8]。

我國(guó)已有較多污泥單獨(dú)干燥焚燒的工程應(yīng)用，但大部分存在建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用高、鍋爐參數(shù)低及系統(tǒng)效率低的問(wèn)題。我國(guó)燃煤火電機(jī)組的運(yùn)行水平已經(jīng)處于世界前列，借助現(xiàn)存火電機(jī)組耦合污泥干燥摻燒發(fā)電不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥的高效處理，解決污泥帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，還可以提升燃煤機(jī)組的燃料靈活性，降低化石燃料的比重，減少溫室氣體的排放[9-10]。燃煤機(jī)組摻燒污泥可以增加可再生能源的比重，進(jìn)一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。此外，火電機(jī)組耦合污泥干燥摻燒發(fā)電還可以降低電廠的燃料成本，獲得市政補(bǔ)貼收入具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)燃煤電站摻燒污泥進(jìn)行了大量的研究。張全斌等[11]對(duì)某300 MW 等級(jí)燃煤機(jī)組摻燒20%、30%和40%含水率污泥時(shí)的情況進(jìn)行了分析計(jì)算，分析鍋爐著火性能、鍋爐燃燒穩(wěn)定性、鍋爐燃燒效率、鍋爐受熱面磨損、制粉系統(tǒng)、鍋爐煙氣污染物排放指標(biāo)以及粉煤灰品質(zhì)的變化，認(rèn)為燃煤耦合污泥燃燒在技術(shù)上是可行的，且在工程上具有重要的推廣價(jià)值。王一坤等[2,12]研究了某300 MW 等級(jí)燃煤機(jī)組從鍋爐不同位置抽取煙氣及汽輪機(jī)不同位置抽取蒸汽，對(duì)污泥進(jìn)行干燥后摻燒，鍋爐熱效率、燃煤量、煙氣溫度和減溫水量等參數(shù)的變化特性。周凌宇等[13]研究了某330 MW 等級(jí)燃煤機(jī)組在不同電負(fù)荷下?lián)綗煌实奈勰鄷r(shí)，鍋爐熱效率、燃煤量、排煙溫度及減溫水量等參數(shù)的變化特性。張宗振等[14]研究了某1 000 MW等級(jí)燃煤機(jī)組摻燒不同比例含水率為60%的污泥的試驗(yàn)，分析了不同摻燒比例對(duì)鍋爐燃燒特性、SO2排放、飛灰、爐渣、脫硫廢水中重金屬和煙囪的二噁英排放情況的影響。Peng Tan 等[5]對(duì)某100 MW等級(jí)燃煤電站鍋爐摻燒污泥進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了污泥的摻混比例和含水率對(duì)爐內(nèi)溫度分布和NOx質(zhì)量濃度的影響，并且計(jì)算了摻燒污泥所能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)收益。Sang-Woo Park 等[15]對(duì)污泥在不同溫度下進(jìn)行碳化后的特性進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示污泥碳化后燃料比例升高，可磨性和可燃性得到改善，適合作為燃料與煤進(jìn)行摻燒。

目前，針對(duì)燃煤電站摻燒污泥的研究多集中于污泥摻燒對(duì)鍋爐的影響，而較少對(duì)污泥干燥過(guò)程的熱力特性進(jìn)行分析。本文首先基于傳熱傳質(zhì)原理對(duì)污泥干燥的熱力過(guò)程進(jìn)行建模，分析干燥過(guò)程的熱力特性，探尋存在的節(jié)能空間；然后將污泥干燥過(guò)程與燃煤電站進(jìn)行耦合，使用不同熱源對(duì)污泥進(jìn)行干燥，并且提出污泥干燥過(guò)程的綜合能耗指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)從熱力學(xué)第二定律的角度對(duì)污泥干燥過(guò)程的能耗進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；最后對(duì)耦合系統(tǒng)中污泥干燥過(guò)程的能耗與系統(tǒng)性能的變化進(jìn)行研究，并且進(jìn)行敏感性分析。

1 污泥干燥過(guò)程熱力特性分析

1.1 基本參數(shù)與假設(shè)

圖1 為有內(nèi)熱源的污泥干燥過(guò)程示意。干燥機(jī)中共有熱源、污泥和空氣3 種流股。干燥機(jī)為間接式逆流換熱器，熱源在換熱過(guò)程中放出熱量，污泥和空氣吸熱之后溫度升高，濕污泥從熱源獲取的能量用來(lái)提供水分蒸發(fā)和污泥升溫所需能量。

圖1 有內(nèi)熱源的污泥干燥過(guò)程示意Fig.1 Schematic diagram of sewage sludge drying process with internal heat source

干燥機(jī)進(jìn)口空氣中的水蒸氣分壓力較低，相對(duì)濕度也較低，濕污泥中的水分吸熱蒸發(fā)之后通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入空氣中，空氣吸收水蒸氣之后相對(duì)濕度逐漸升高直至達(dá)到90%飽和（由于空氣達(dá)到100%飽和較為困難，因此本文在計(jì)算中將濕空氣的飽和度的上限取為90%）。濕污泥中的水分逐漸蒸發(fā)后，濕污泥的含水率降低，成為干污泥并排出。在干燥的過(guò)程中，空氣主要起到將蒸發(fā)出的水分帶走的作用。

此外，本文還對(duì)無(wú)內(nèi)熱源的污泥干燥過(guò)程（即純空氣干燥過(guò)程）進(jìn)行了分析，將圖1 中內(nèi)熱源去掉即為無(wú)內(nèi)熱源的干燥過(guò)程。

表1 為污泥干燥過(guò)程各流股的熱力學(xué)參數(shù)。污泥干燥使用飽和蒸汽（壓力為0.39 MPa）作為干燥熱源，假定飽和蒸汽在干燥過(guò)程中釋放潛熱（即在干燥過(guò)程中飽和蒸汽的溫度始終為飽和溫度）。

表1 污泥干燥過(guò)程熱力學(xué)參數(shù)Tab.1 Thermodynamic parameters of sewage sludge drying process

從濕污泥中蒸發(fā)水量所需的空氣量由下式計(jì)算[16-17]：

式中：ma為干燥所需空氣量，kg/s；Δmw為蒸發(fā)出的水量，kg/s；d和d0分別為空氣在干燥機(jī)出口處和進(jìn)口處的含濕量，kg/kg；p和ps分別為大氣壓和空氣在干燥機(jī)出口處的溫度所對(duì)應(yīng)的水蒸氣飽和壓力（水蒸氣的最大分壓力），Pa。

對(duì)有內(nèi)熱源的污泥干燥過(guò)程作以下假設(shè)：

1）熱源（蒸汽）的進(jìn)出口溫度和壓力不變，其流量可以隨干燥過(guò)程所需換熱量的變化而變化。進(jìn)口濕污泥的質(zhì)量不變，出口干污泥與蒸發(fā)出水的質(zhì)量不變，干燥機(jī)內(nèi)處于穩(wěn)態(tài)。

2）空氣進(jìn)入干燥機(jī)后，會(huì)逐漸吸收蒸發(fā)出的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，然后吸收熱量溫度升高，此時(shí)單位質(zhì)量空氣所能吸收的水蒸氣量上升，空氣變得不飽和，繼續(xù)吸收水蒸氣，達(dá)到飽和后繼續(xù)升溫。重復(fù)這個(gè)過(guò)程，最后在出口時(shí)處于90%飽和狀態(tài)。

3）在干燥過(guò)程中，濕污泥的溫度也逐漸升高，并且濕污泥與接觸到的空氣溫度始終一致（空氣與接觸到的污泥處于熱平衡）。

4）蒸發(fā)出水量Δmw由表1 中進(jìn)口污泥的質(zhì)量和含水率以及出口污泥的含水率求得，為10.42 kg/s?？諝膺M(jìn)口溫度為25 ℃，空氣質(zhì)量流量（風(fēng)量）從0逐漸增大。

5）熱源放熱量等于空氣升溫吸收的熱量、濕污泥升溫吸收的熱量及水蒸發(fā)吸收的熱量之和。

對(duì)于無(wú)內(nèi)熱源的污泥干燥過(guò)程作以下假設(shè)：

1）空氣進(jìn)入干燥機(jī)后，水分從濕污泥和空氣中吸收熱量作為水分蒸發(fā)所需能量（能量主要由空氣提供）。

2）空氣和濕污泥的溫度降低過(guò)程可以近似看成水和空氣的等焓加濕過(guò)程。最后空氣溫度降低為空氣相對(duì)濕度90%時(shí)的濕球溫度。

1.2 干燥過(guò)程熱力特性

由于干燥過(guò)程中污泥的質(zhì)量流量保持不變，而風(fēng)量是逐漸增大的，因此為了對(duì)不同風(fēng)量的情況進(jìn)行區(qū)分，將風(fēng)（空氣）和濕污泥的質(zhì)量流量之比定義為風(fēng)泥比，即風(fēng)量越大時(shí)風(fēng)泥比的值越大。經(jīng)過(guò)計(jì)算，污泥干燥過(guò)程中不同風(fēng)泥比時(shí)的熱力特性如圖2 所示。圖2 中頂部的紅色線為蒸汽（干燥熱源）的溫度，下方各不同顏色的曲線則為不同風(fēng)泥比時(shí)污泥和空氣的溫度變化曲線。

圖2 污泥干燥過(guò)程溫度分布曲線Fig.2 Temperature distribution curves of sewage sludge drying process

圖2 可得下列結(jié)論：

1）當(dāng)風(fēng)量為0（風(fēng)泥比為0）時(shí)，污泥先升溫到100 ℃，然后水分蒸發(fā)，與純水的蒸發(fā)過(guò)程類似。當(dāng)風(fēng)量較低且不為0 時(shí)，出口空氣溫度接近卻未達(dá)到100 ℃。隨著風(fēng)量升高，出口污泥的溫度逐漸降低。

2）當(dāng)風(fēng)量較?。L(fēng)泥比較低）時(shí)，污泥先是較快地升溫，然后升溫速度變慢。這是因?yàn)轱L(fēng)量低時(shí)，在換熱過(guò)程的初始階段，空氣吸收少量水蒸氣后就達(dá)到了飽和，然后吸收熱量，溫度繼續(xù)升高。溫度越高時(shí)，空氣溫度每升高1 ℃，飽和濕空氣的含濕量提升越大（此時(shí)更多的水蒸氣蒸發(fā)出來(lái)擴(kuò)散進(jìn)入空氣中），即更多的熱量被用來(lái)提供水的蒸發(fā)。這在圖2 中表現(xiàn)為，在風(fēng)泥比越低時(shí)，污泥溫度的快速上升階段和緩慢上升階段之間的分界點(diǎn)越靠左?？焖偕仙A段是從熱源吸收的大部分能量用來(lái)提升污泥自身的顯熱（溫度），而少部分能量用來(lái)提供水分的蒸發(fā)；緩慢上升階段是從熱源吸收的大部分能量用來(lái)提供水分的蒸發(fā)，而少部分能量用來(lái)提升污泥自身的顯熱（溫度）。隨著風(fēng)量（風(fēng)泥比）逐漸增大，污泥溫度的緩慢上升階段變得越來(lái)越長(zhǎng)，即污泥溫度快速上升階段和緩慢上升階段之間的分界點(diǎn)越來(lái)越靠右。這是因?yàn)橄啾蕊L(fēng)量較小時(shí)的情況，風(fēng)量大時(shí)空氣可以吸收較多的水蒸氣才達(dá)到飽和（更多的能量用來(lái)提供水分的蒸發(fā)），然后繼續(xù)通過(guò)吸熱使溫度升高，進(jìn)而使得單位質(zhì)量干空氣的含濕量增大。

3）風(fēng)量（風(fēng)泥比）較低時(shí)，污泥的出口溫度較高，隨著風(fēng)量（風(fēng)泥比）增大，污泥的出口溫度逐漸降低。根據(jù)公式(1)可知，當(dāng)需要蒸發(fā)出相同質(zhì)量的水蒸氣Δmw時(shí)，如果空氣的質(zhì)量流量ma較低，則需要提高空氣中水蒸氣的飽和壓力ps，而ps越大對(duì)應(yīng)的空氣飽和溫度就越高，這也就意味著需要提高空氣的溫度來(lái)提升其吸收水蒸氣的能力（空氣的含濕量d）。由于污泥與空氣在干燥機(jī)出口處達(dá)到了熱平衡（空氣與污泥的溫度相同），因此風(fēng)量較低時(shí)，干燥機(jī)出口處污泥和空氣的溫度較高；而在風(fēng)量（空氣的質(zhì)量流量ma）較大時(shí)，干燥過(guò)程所需空氣的飽和溫度較低（對(duì)應(yīng)的水蒸氣的飽和壓力ps也較低），因此風(fēng)量較大時(shí)干燥機(jī)出口處污泥和空氣的溫度較低。

4）圖2 中黃色線為純空氣干燥過(guò)程的溫度變化曲線，與有內(nèi)熱源的干燥過(guò)程不同：由于空氣是通過(guò)降低自身的顯熱來(lái)提供水分蒸發(fā)所需的能量，因此純空氣干燥過(guò)程中污泥的溫度逐漸降低，干燥機(jī)出口的污泥溫度為空氣90%飽和時(shí)的濕球溫度（17.18 ℃）。

5）圖2 中深藍(lán)色線為不同風(fēng)泥比時(shí)污泥干燥過(guò)程所需能量的包絡(luò)線。隨著風(fēng)泥比的增加，干燥過(guò)程所需能量逐漸增加，當(dāng)風(fēng)泥比為6.65 時(shí)達(dá)到最大，風(fēng)泥比為13.29 時(shí)干燥過(guò)程所需能量比風(fēng)泥比為6.65 時(shí)的要低；并且純空氣干燥過(guò)程所需能量比有內(nèi)熱源的干燥過(guò)程低。

綜上，當(dāng)風(fēng)量較大時(shí)，蒸發(fā)相同質(zhì)量的水所需空氣的飽和溫度（飽和壓力ps）較低，此時(shí)使用低溫?zé)嵩醇纯蓾M足干燥過(guò)程所需換熱溫差；當(dāng)風(fēng)量較低時(shí)，由于干燥所需的空氣的飽和溫度較高，需要使用高溫?zé)嵩床拍軡M足干燥過(guò)程所需換熱溫差；相比于使用高溫?zé)嵩?，使用低溫?zé)嵩锤?jié)能，可有效降低干燥過(guò)程的能耗。

2 耦合污泥干燥系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)流程

目前，我國(guó)已經(jīng)有不少耦合污泥干燥的實(shí)際工程。如浙江嘉興新嘉愛(ài)斯熱電協(xié)同污泥處置項(xiàng)目[18]、蘇州工業(yè)園區(qū)污泥處置及資源化利用項(xiàng)目[19]和華能重慶珞璜污泥處置中心項(xiàng)目[20]，都是將污泥干燥過(guò)程與熱電廠進(jìn)行耦合，通過(guò)抽取電廠的蒸汽對(duì)污泥進(jìn)行干燥并將污泥與煤進(jìn)行摻燒發(fā)電。但這些污泥干燥項(xiàng)目大多采用蒸汽對(duì)污泥進(jìn)行干燥，而從汽輪機(jī)中抽取蒸汽是以降低機(jī)組出功為代價(jià)的，因此使用蒸汽作為干燥熱源節(jié)能性欠佳。

根據(jù)1.2 節(jié)的結(jié)果：在干燥過(guò)程中，風(fēng)量大時(shí)，干燥所需的空氣的飽和溫度較低，這意味著在風(fēng)量大的情況下使用低溫?zé)嵩醇纯蓾M足干燥過(guò)程所需換熱溫差；而在風(fēng)量低時(shí)需要使用高溫?zé)嵩床趴蓾M足所需換熱溫差，相比而言使用低溫?zé)嵩锤庸?jié)能。本文將污泥干燥過(guò)程與燃煤電站進(jìn)行耦合，得到耦合系統(tǒng)；并在滿足干燥過(guò)程所需換熱溫差的前提下（保證干燥過(guò)程中熱源與污泥之間的最小溫差不小于(40±5) ℃），對(duì)使用不同參數(shù)熱源進(jìn)行干燥時(shí)的能耗進(jìn)行研究，分析耦合系統(tǒng)的熱力學(xué)性能（供電量和供電效率）。

本文選擇某660 MW 等級(jí)的超臨界、一次再熱燃煤機(jī)組作為研究案例。機(jī)組主要由超臨界燃煤鍋爐、凝汽式汽輪機(jī)（高壓缸、中壓缸和低壓缸）、凝汽器、發(fā)電機(jī)和回?zé)嵯到y(tǒng)組成?；?zé)嵯到y(tǒng)包含3 臺(tái)高壓加熱器、4 臺(tái)低壓加熱器和1 臺(tái)除氧器，回?zé)嵯到y(tǒng)對(duì)應(yīng)8 級(jí)抽汽。主要運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 為污泥干燥系統(tǒng)與燃煤電站的耦合系統(tǒng)。分別采用5 號(hào)抽汽、1 號(hào)低壓加熱器（RH5）出口給水、2 號(hào)低壓加熱器（RH6）出口給水和3 號(hào)低壓加熱器（RH7）出口給水作為熱源干燥污泥（與1.1 節(jié)保持一致，污泥干燥后的含水率從80%降至35%，污泥的處理量為15.05 kg/s），再將干燥后的污泥與煤進(jìn)行摻混后輸送到鍋爐中進(jìn)行焚燒發(fā)電。5 號(hào)抽汽、RH5 出口給水、RH6 出口給水和RH7 出口給水的參數(shù)分別為253.11 ℃/0.39 MPa、140.04 ℃/1.01 MPa、103.72 ℃/1.02 MPa 和83.89 ℃/ 1.03 MPa。濕污泥的質(zhì)量為15.05 kg/s，含水率為80.0%，低位發(fā)熱量為1.28 MJ/kg。

圖3 污泥干燥過(guò)程與燃煤電站的耦合系統(tǒng)Fig.3 Schematic diagram of coal-fired power plant integrated with sewage sludge drying process

2.2 系統(tǒng)模擬與假設(shè)

本文使用專業(yè)的一體化電廠模擬軟件EBSILON Professional 14.0[21]對(duì)燃煤電站的熱力系統(tǒng)進(jìn)行模擬。在使用EBSILON 軟件對(duì)耦合系統(tǒng)進(jìn)行建模的過(guò)程中，軟件中各主要組件設(shè)置如下：1）將鍋爐視為黑箱，通過(guò)控制器組件對(duì)鍋爐吸熱量進(jìn)行設(shè)置；2）回?zé)岢槠墓艿缐簱p為3.0%～5.0%，各回?zé)峒訜崞鞯亩瞬畋３植蛔?，無(wú)熱損失；3）凝汽器上端溫差為5.0 ℃，入口循環(huán)冷卻水溫度和壓力分別為20.0 ℃和0.1 MPa；4）汽輪機(jī)各級(jí)的機(jī)械效率為99.80%，發(fā)電機(jī)效率為98.80%；5）泵的等熵效率為80.00%，機(jī)械效率為99.80%；6）換熱器的冷流體溫度給定，同時(shí)給定一個(gè)熱流體的溫度，無(wú)熱損失。

為計(jì)算耦合系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，比較其與案例機(jī)組的收益，給出下列假設(shè)：1）案例機(jī)組與耦合系統(tǒng)中的燃煤消耗量保持不變；2）耦合系統(tǒng)各方案廠用電量相同，且都為風(fēng)泥比為0 情形下發(fā)電量的6%；3）汽輪機(jī)進(jìn)口的主/再熱蒸汽參數(shù)保持不變；4）鍋爐排煙溫度和鍋爐效率保持不變；5）環(huán)境溫度和壓力為25 ℃、101.325 kPa，且不考慮環(huán)境的影響。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

在污泥干燥過(guò)程中，不僅需要消耗熱能，同時(shí)由于需要通入一定量的空氣，還會(huì)帶來(lái)風(fēng)機(jī)耗功，并且干燥前后污泥的含水率都會(huì)對(duì)干燥過(guò)程的能耗產(chǎn)生影響。因此，為了對(duì)污泥干燥過(guò)程的能耗進(jìn)行全面評(píng)估，提出了污泥干燥綜合能耗指標(biāo)其物理意義為將含單位質(zhì)量干污泥的濕污泥從含水率為X1干燥到X2所需折合當(dāng)量功（機(jī)組因抽取熱源導(dǎo)致的出功變化量），可以從熱力學(xué)第二定律的角度對(duì)干燥過(guò)程所耗熱量和功量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[22-24]。的計(jì)算公式為：

ΣP由下式計(jì)算：

式中：P′為耦合系統(tǒng)只摻燒污泥而不從回?zé)嵯到y(tǒng)中抽取熱源進(jìn)行干燥情況下的發(fā)電量，MW；Ppro為耦合系統(tǒng)的發(fā)電量，MW。

干燥過(guò)程蒸發(fā)出的水量meva與mdry之間關(guān)系為：

式中：meva為蒸發(fā)出的水量，kg/s；m1、m2和X1、X2分別為干燥前后污泥的質(zhì)量和含水率，單位分別為kg/s、%。

風(fēng)機(jī)耗功Wfan為[25]：

式中：Vair為空氣的體積流量，m3/s；mair為空氣質(zhì)量流量，kg/s；ρa(bǔ)ir為空氣密度，1.293 kg/m3；Δp為風(fēng)機(jī)壓損，取大氣壓的5%，即為5.05 kPa；ηf為風(fēng)機(jī)效率，選為0.85。

因此，可得：

此外，使用發(fā)電效率ηgross和供電效率ηnet對(duì)案例機(jī)組和耦合系統(tǒng)的熱力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估：

式中：Pref為案例機(jī)組發(fā)電量，MW；Pa為案例機(jī)組廠用電量，MW；Pref,net為案例機(jī)組的供電量，MW；Qnet,coal為煤的低位發(fā)熱量，MJ/kg；mcoal為煤的質(zhì)量流量，kg/s。

耦合系統(tǒng)的發(fā)電效率ηgross,pro和供電效率ηnet,pro可表示為：

式中：Pa′為耦合系統(tǒng)的廠用電量，MW；Ppro,net為耦合系統(tǒng)的供電量，MW；Qnet,sludge為濕污泥的低位發(fā)熱量，MJ/kg；msludge為濕污泥的質(zhì)量流量，kg/s。

3 結(jié)果與分析

3.1 干燥過(guò)程能耗特性

經(jīng)過(guò)模擬和計(jì)算，得到不同風(fēng)泥比（采用不同熱源進(jìn)行干燥）時(shí)的干燥過(guò)程能耗特性，結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可得下列結(jié)論：

1）隨風(fēng)泥比的增大，干燥過(guò)程耗熱的當(dāng)量功逐漸降低，但由于風(fēng)泥比為6.65 時(shí)干燥所需能量略高于風(fēng)泥比為3.32 時(shí)的干燥所需能量，因此風(fēng)泥比為6.65 時(shí)的干燥過(guò)程耗熱當(dāng)量功略高于風(fēng)泥比為3.32時(shí)的當(dāng)量功。

2）隨風(fēng)泥比的增大（風(fēng)量逐漸增加），風(fēng)機(jī)耗功逐漸增加。風(fēng)泥比為13.29 時(shí)干燥過(guò)程耗熱的當(dāng)量功最低，但由于風(fēng)機(jī)耗功增大，風(fēng)泥比為13.29 時(shí)的干燥綜合能耗高于風(fēng)泥比為3.32 時(shí)的干燥綜合能耗。風(fēng)泥比為3.32 時(shí)干燥綜合能耗最低，為1 618.17 kJ/kg。

3）雖然風(fēng)機(jī)耗功在總能耗中的占比較小，但當(dāng)風(fēng)機(jī)耗功增大到一定值時(shí)，會(huì)對(duì)干燥綜合能耗的變化趨勢(shì)帶來(lái)影響。這體現(xiàn)在雖然風(fēng)泥比為3.32 時(shí)的耗熱當(dāng)量功不是最低的，但由于此時(shí)的風(fēng)機(jī)耗功較小，使得其干燥綜合能耗最低。

純空氣干燥過(guò)程所需空氣量為3 338.67 kg/s，風(fēng)機(jī)耗功為 19 899.49 kW，干燥綜合能耗為6 612.75 kJ/kg，遠(yuǎn)大于有內(nèi)熱源的污泥干燥過(guò)程的能耗（如圖4 中的數(shù)據(jù)）。可見(jiàn)，純空氣干燥雖然不像有內(nèi)熱源的干燥過(guò)程那樣需要耗費(fèi)其他的熱能，但其風(fēng)機(jī)耗功巨大，相比之下有內(nèi)熱源的污泥干燥過(guò)程更節(jié)能。

圖4 使用不同熱源進(jìn)行干燥時(shí)的干燥綜合能耗Fig.4 Comprehensive energy consumption of drying process when using different heat sources for drying

3.2 耦合系統(tǒng)熱力學(xué)性能

表3 給出了干燥前后濕污泥與干污泥的熱力參數(shù)對(duì)比。由表3 可得，干燥后污泥的含水率降低，質(zhì)量降低，低位發(fā)熱量和總低位發(fā)熱量都得到了提升。低位發(fā)熱量從1.28 MJ/kg 提升到了9.78 MJ/kg，總低位發(fā)熱量從19.24 MW 提升到了45.27 MW。這里的總低位發(fā)熱量是污泥的總低位熱值，而低位發(fā)熱量是指單位質(zhì)量污泥的發(fā)熱量，由總低位發(fā)熱量除以污泥的質(zhì)量得到。

表3 濕污泥與干污泥熱力參數(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of thermodynamic parameters between wet sludge and dried sludge

表4 給出了案例機(jī)組與耦合系統(tǒng)的性能對(duì)比。由表4 可得以下結(jié)論：

表4 案例機(jī)組與耦合系統(tǒng)的性能對(duì)比Tab.4 Comparison of thermal performance between reference case unit and proposed system

1）與案例機(jī)組相比，耦合系統(tǒng)的鍋爐輸入熱量增加了45.27 MW；并且耦合系統(tǒng)中使用不同干燥熱源情況下的供電量和供電效率都有提升。這是因?yàn)椋簱綗勰嗪箦仩t的輸入熱量增加了，因此主蒸汽、再熱蒸汽和給水的流量會(huì)相應(yīng)增加，機(jī)組發(fā)電量也隨之增加，且廠用電量變化不大；并且抽取蒸汽或給水進(jìn)行干燥，低壓缸的抽汽量增加，凝汽器的乏汽流量降低，機(jī)組的冷源損失相應(yīng)地降低。

2）與其他風(fēng)泥比時(shí)的情況相比，風(fēng)泥比為3.32時(shí)耦合系統(tǒng)的供電量和供電效率最高，為573.04 MW和42.86%。

3.3 敏感性分析

由于干燥綜合能耗包含干燥過(guò)程耗熱的當(dāng)量功和風(fēng)機(jī)耗功，而風(fēng)機(jī)壓損會(huì)影響風(fēng)機(jī)耗功，因此針對(duì)風(fēng)機(jī)壓損對(duì)干燥綜合能耗的影響進(jìn)行分析。分析不同壓損（占大氣壓的不同比例）對(duì)干燥綜合能耗的影響，結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可得：1）不同風(fēng)泥比時(shí)的干燥綜合能耗均隨壓損比例的增加而增加；2）風(fēng)泥比越大，干燥綜合能耗的增加幅度越大；3）風(fēng)泥比為2.66 時(shí)，當(dāng)壓損比例在6%～10%時(shí)，其干燥綜合能耗超過(guò)了風(fēng)泥比為1.99 時(shí)的干燥綜合能耗，風(fēng)泥比為13.29 時(shí)，當(dāng)壓損比例在8%～10%時(shí)，其干燥綜合能耗超過(guò)了風(fēng)泥比為6.65時(shí)的干燥綜合能耗。

圖5 干燥機(jī)壓損對(duì)干燥綜合能耗的影響Fig.5 Effect of dryer pressure drop on comprehensive energy consumption

本文計(jì)算過(guò)程中假設(shè)耦合系統(tǒng)的鍋爐效率與案例機(jī)組一樣（即摻燒污泥后的鍋爐效率保持不變），但由于實(shí)際運(yùn)行中濕污泥含水率較高，干燥后其含水率仍然高于煤。因此，與案例機(jī)組相比，污泥與煤摻燒后鍋爐中燃料（煤和污泥）的含水率上升，這會(huì)導(dǎo)致鍋爐排煙溫度和排煙熱損失上升，從而導(dǎo)致耦合系統(tǒng)中鍋爐效率有所下降，機(jī)組出功和效率也會(huì)較3.2 節(jié)的計(jì)算結(jié)果有所降低。為了探究摻燒污泥會(huì)對(duì)機(jī)組造成的影響，本文分析了鍋爐效率的變化對(duì)耦合系統(tǒng)供電效率的影響，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 鍋爐效率變化對(duì)供電效率的影響Fig.6 Effect of boiler efficiency on net thermal efficiency

由圖6 可得：1）不同風(fēng)泥比時(shí)，耦合系統(tǒng)的供電效率都隨著鍋爐效率的降低均勻下降，隨著風(fēng)泥比由0 升高到13.29，供電效率降幅分別為0.50、0.51、0.48、0.49、0.49、0.49、0.49 和0.49 百分點(diǎn)；2）在不同鍋爐效率時(shí)，風(fēng)泥比為3.32 時(shí)的供電效率都要高于其他風(fēng)泥比的供電效率；3）鍋爐效率高于93.40%時(shí)，耦合系統(tǒng)中不同風(fēng)泥比情形下的供電效率都高于案例機(jī)組，當(dāng)鍋爐效率為93.20%時(shí)，耦合系統(tǒng)中風(fēng)泥比為0、0.66 和1.33 情形下的供電效率低于案例機(jī)組，當(dāng)鍋爐效率為93.00%時(shí)，耦合系統(tǒng)中只有風(fēng)泥比為3.32 情形下的供電效率高于案例機(jī)組。

4 結(jié)論

1）在污泥干燥過(guò)程中，風(fēng)量會(huì)對(duì)其熱力特性造成影響。隨著風(fēng)量增大，干燥所需空氣的飽和溫度降低；在低風(fēng)量時(shí)，干燥所需空氣的飽和溫度較高，需要使用高溫?zé)嵩床拍軡M足干燥過(guò)程所需換熱溫差；而在風(fēng)量較大時(shí)，使用低溫?zé)嵩醇纯蓾M足干燥過(guò)程所需換熱溫差。

2）提出污泥干燥過(guò)程的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。在滿足干燥過(guò)程所需換熱溫差的前提下，風(fēng)泥比為3.32 時(shí)干燥綜合能耗最低，為1 618.17 kJ/kg。

3）相比于案例機(jī)組，耦合系統(tǒng)中風(fēng)泥比為3.32 時(shí)供電量和供電效率的提升最大，分別提高了14.84 MW 和0.50 百分點(diǎn)。干燥機(jī)壓損的增加，使得不同風(fēng)泥比時(shí)的干燥綜合能耗均有不同程度的上升。當(dāng)鍋爐效率降低時(shí)，使用不同熱源進(jìn)行干燥時(shí)，耦合系統(tǒng)發(fā)電效率均小于不考慮鍋爐效率變化的情況。