煤化工行業(yè)氣化廢渣焚燒系統(tǒng)中的產(chǎn)能分析

阮林葉,王積建

(浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 人文學(xué)院,浙江 溫州 325003)

煤氣化技術(shù)是新型煤化工的基礎(chǔ),也是整個(gè)煤化工產(chǎn)業(yè)鏈的龍頭,煤氣化過程會(huì)產(chǎn)生大量的廢渣,主要是粗渣(氣化爐渣)、細(xì)渣(黑水濾餅)和飛灰等[1-2]。隨著我國環(huán)境保護(hù)的緊迫性日益增強(qiáng),環(huán)保問題已經(jīng)成為約束煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。煤化工項(xiàng)目能否可持續(xù)發(fā)展,重點(diǎn)在于能否有效處理煤化工過程產(chǎn)生的廢物,因此研究煤化工廢物處理對(duì)煤化工企業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

目前煤化工廢物處理主要分為常規(guī)利用和資源化利用兩種形式,常規(guī)利用有預(yù)處理(破碎、壓碎與分選)和化學(xué)處理(電解、中和、氧化、焚燒);資源化利用有剩余污泥處理、爐渣粉煤灰和蒸發(fā)結(jié)晶鹽。煤化工廢物處理的未來發(fā)展趨勢(shì)是以實(shí)現(xiàn)資源化、減量化和無害化為目標(biāo),有雜鹽提純技術(shù)、粉煤灰利用和生化污泥處理[3]。低溫真空脫水干化一體化技術(shù)采用進(jìn)料、壓濾、真空脫水和干化過程的一體化設(shè)計(jì),可將煤化工帶液廢固由含水率 70%～99%降低至 20%～30%,最大限度地回收水資源,實(shí)現(xiàn)減量化和無害化的目標(biāo),滿足企業(yè)需求及環(huán)保要求[4]。目前國家及地方政府對(duì)固體廢物資源化利用越來越重視,要求一般工業(yè)固體廢物必須最大限度綜合利用,并出臺(tái)了相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)政策。主流技術(shù)方向有直接摻燒技術(shù)和解析碳化技術(shù),直接摻燒就是把脫水干化的濾餅輸送至循環(huán)流化床鍋爐摻燒,達(dá)到減量化、無害化和資源化利用的目的;解析碳化技術(shù)就是缺氧干化和熱解技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)在于解析干化后的灰渣可作為制作活性炭的原料,兩種技術(shù)目前都不是很成熟,各有優(yōu)缺點(diǎn)[5]。循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)已經(jīng)有五十多年的發(fā)展歷史,其技術(shù)已經(jīng)趨于成熟,并促使我國的工業(yè)生產(chǎn)迅猛發(fā)展,同時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的危害也大幅度下降[6]。

在使用直接摻燒技術(shù)時(shí)需要評(píng)估焚燒固廢所產(chǎn)生的能量和灰分。李博等[7]建立了污泥干化焚燒聯(lián)用系統(tǒng)能量和物料平衡模型,分析了運(yùn)行負(fù)荷、污泥熱值、污泥含水率發(fā)生波動(dòng)時(shí)對(duì)污泥干化單元和污泥焚燒單元產(chǎn)生的影響。陳少卿等[8]建立了污泥干燥焚燒系統(tǒng)質(zhì)能平衡模型,對(duì)污泥干燥焚燒工程進(jìn)行了質(zhì)能平衡分析,獲得了污泥最佳入爐含水率,并對(duì)污泥干基低位熱值和初始含水率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響進(jìn)行了研究。程曉波等[9]根據(jù)上海市竹園污泥處理工程設(shè)計(jì)方案,建立了污泥干化焚燒系統(tǒng)的能量平衡模型,得出了焚燒系統(tǒng)的產(chǎn)能和干化系統(tǒng)的耗能,得出結(jié)論:焚燒系統(tǒng)的產(chǎn)能不足以提供干化系統(tǒng)的耗能。盧駿營等[10]以上海某污水處理廠為例通過理論計(jì)算和工程設(shè)計(jì)分析,得出結(jié)論:工程設(shè)計(jì)中不應(yīng)照搬國內(nèi)外類似工程,而應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)匚勰嗄噘|(zhì)特性、熱值等實(shí)際情況合理選擇入爐污泥含水率。李博等[11]以紹興污水處理廠脫水污泥為研究對(duì)象分析了污泥干化焚燒處理的可行性,得出結(jié)論:污泥干化至含水率 30% 時(shí)可在不加輔助燃料的情況下實(shí)現(xiàn)流化床焚燒處理。朱小玲[12]以上海竹園污泥干化焚燒工程為研究對(duì)象,建立了整個(gè)干化焚燒系統(tǒng)的能量和物料平衡模型,為該工程高效使用能源提供了定量分析與優(yōu)化的手段。

然而,現(xiàn)有研究成果雖然建立了污泥焚燒系統(tǒng)質(zhì)能平衡模型,但存在模型過于簡(jiǎn)化、參數(shù)來源不明、量綱交代不清等問題,甚至只有計(jì)算結(jié)果而沒有計(jì)算依據(jù)的現(xiàn)象,導(dǎo)致模型欠缺推廣性。事實(shí)上,無論是污泥干化過程還是焚燒過程都是復(fù)雜的化學(xué)過程,只有從工程熱力學(xué)角度出發(fā)經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的數(shù)學(xué)建模才能得出科學(xué)詳實(shí)的結(jié)果,從而指導(dǎo)工程實(shí)踐。鑒于此,本文從熱力工程學(xué)角度建立煤化工固廢焚燒技術(shù)的產(chǎn)能模型,為實(shí)施這一技術(shù)的企業(yè)在做可行性分析時(shí)提供參考。

1 工程實(shí)際概況

我國某煤化工集團(tuán)氣化分廠產(chǎn)生的廢渣有粗渣和料漿(細(xì)渣)兩種。粗渣(濕基)每天產(chǎn)生480噸,含水率30%,干基粗渣含殘?zhí)?0%。粗渣先堆放在暫存庫,然后作為建材而出售。如果出現(xiàn)滯銷就會(huì)引起滿倉,還要把多余部分填埋處理,這樣就增大了污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。料漿(細(xì)渣)每天產(chǎn)生400噸,含水率60%,干基細(xì)渣含殘?zhí)?0%。目前細(xì)渣處理方式與粗渣相同,因此存在處理量大、運(yùn)輸成本高、污染環(huán)境、浪費(fèi)水資源等問題。

為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、提質(zhì)增效、保護(hù)環(huán)境的目的,氣化分廠決定對(duì)細(xì)渣處理工藝進(jìn)行改造,即啟動(dòng)深度脫水干化及資源化利用項(xiàng)目,所提取的水分被循環(huán)利用,所產(chǎn)生的濾餅與粗渣一起經(jīng)過焚燒爐燃燒生產(chǎn)出蒸汽而被再利用,煙氣經(jīng)凈化達(dá)標(biāo)后排放到空氣中,灰分先堆放在暫存庫,然后作為建材而出售。廢渣脫水干化及資源化利用項(xiàng)目的工藝流程如圖1所示。

圖1 廢渣處理工藝流程

在實(shí)施本項(xiàng)目之前,需要分析料漿脫水干化過程所消耗的能量,以及濾餅與粗渣一起焚燒的過程所釋放的能量,通過比較二者的能量大小來確定本項(xiàng)目的可行性。鑒于篇幅限制,本文僅針對(duì)焚燒過程所產(chǎn)生的能量進(jìn)行分析研究。

2 廢渣焚燒產(chǎn)能模型

廢渣焚燒及余熱利用系統(tǒng)中涉及的主要物料情況,如表1所示。

表1 廢渣焚燒及余熱利用系統(tǒng)中的物料情況

廢渣焚燒及余熱利用系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系如圖2所示。

圖2 廢渣焚燒及余熱利用系統(tǒng)的能量平衡圖

2.1 廢渣焚燒及余熱利用系統(tǒng)的能量平衡方程

廢渣焚燒及余熱利用系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系為

式中Qs——入爐物料的干基低位發(fā)熱量,kJ;

Qa——一次風(fēng)和二次風(fēng)的顯熱,kJ;

Qhw——料漿干化蒸汽冷凝水進(jìn)入焚燒及余熱利用系統(tǒng)部分所帶的顯熱,kJ;

Q0il——輔助燃料的發(fā)熱量,kJ;

Qst——鍋爐產(chǎn)蒸汽所帶能量,kJ;

Qash——灰渣所帶的顯熱,kJ;

Qf——余熱鍋爐排煙氣所帶能量,kJ;

Qg——焚燒及余熱利用系統(tǒng)的損失熱量,kJ。

(1)計(jì)算Qs

入爐濾餅(干化細(xì)渣)的產(chǎn)量為

(2)

式中Ws2——入爐濾餅(干化細(xì)渣)的流量,t;

Ws1——進(jìn)入干化系統(tǒng)的料漿(濕基細(xì)渣)質(zhì)量,t;

Ms0、Ms1——分別為料漿干燥前后的含水率。

根據(jù)料漿干化焚燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,廢渣分3路進(jìn)入焚燒爐,于是入爐干基廢渣流量為

Ws=Ws0(1-Ms0)+Ws2(1-Ms1)+G(1-MG)

(3)

式中Ws——入爐干基廢渣的流量,t;

Ws0——入爐料漿(濕基細(xì)渣)的流量,t;

G——入爐粗渣的流量,t;

MG——粗渣的含水率。

入爐干基廢渣所含熱量(kJ)為

Qs=1000WsEs

(4)

式中Es——廢渣的干基低位熱值,kJ/kg。

不同含水率廢渣的比熱容由絕干廢渣的比熱容與水分比熱容加權(quán)平均,即

cs=cdr(1-Ms1)+cwMs1

(5)

式中cs——含水廢渣的比熱容,kJ/(kg·℃);

cdr——絕干廢渣的比熱容,kJ/(kg·℃);

cw——水的比熱容,取kJ/(kg·℃)。

濾餅進(jìn)入焚燒爐時(shí)的顯熱為

(6)

式中Ts1——入爐干化細(xì)渣的溫度,℃;

T——環(huán)境溫度,℃。

(3)計(jì)算Qa

廢渣焚燒需要的理論空氣量為

(7)

ρa(bǔ)——空氣的密度,取ρa(bǔ)=1.205kg/m3。

廢渣焚燒實(shí)際所需要的空氣量(t)為

(8)

式中Wa0——廢渣焚燒實(shí)際所需要的空氣量,t;

φ——廢渣焚燒爐的空氣過剩系數(shù)。

進(jìn)入爐膛的預(yù)熱空氣所帶熱量為

Qa=1000Wa0(Ta-T)ca

(9)

式中Ta——入爐預(yù)熱空氣溫度,℃;

ca——預(yù)熱空氣的比熱,kJ/(kg·℃)。

(4)計(jì)算Qhw

來自于料漿干化機(jī)的熱水經(jīng)過一次風(fēng)的一級(jí)空預(yù)熱器降溫至100℃進(jìn)入余熱鍋爐作為軟化水,其所帶能量幾乎全部輸入廢渣焚燒及余熱利用系統(tǒng),該部分能量為

Qhw=1000WhwHhw

(10)

式中Whw——出口冷水流量,t;

Hhw——出口冷水焓,kJ/kg。

(5)計(jì)算Q0il

輔助燃料的能量為

Q0il=1000W0ilH0il

(11 )

式中W0il——輔助燃料的流量,t;

H0il——輔助燃料的焓值,kJ/kg。

(6)計(jì)算Qash

廢渣焚燒產(chǎn)生灰分的流量為

Wash=Ws(A+u)

(12)

式中Wash——廢渣焚燒產(chǎn)生灰分的流量,t;

A——廢渣的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù);

u——廢渣中可燃物的燃燼率。

廢渣焚燒灰分排放造成的能量損失為

Qash=1000Wash(Tash-T)cash

(13)

式中cash——灰分的比熱,kJ/(kg·℃);

Tash——廢渣焚燒排渣溫度,℃。

(7)計(jì)算Qf

每千克絕干廢渣焚燒需要的理論空氣量體積,要根據(jù)廢渣的元素分析結(jié)果計(jì)算,即

Va=0.0889(Car+0.375Sar)+0.265Har-0.0333Oar

(14)

式中Va——廢渣焚燒需要的理論空氣量,Nm3/kg(N指在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和0℃時(shí)),%;

Car,Sar,Har,Oar——廢渣中碳元素、硫元素、氫元素、氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。

廢渣焚燒需要的實(shí)際空氣量為

Wa0=φWsVaρa(bǔ)

(15)

式中Wa0——廢渣焚燒需要的實(shí)際空氣量,t;

ρa(bǔ)——空氣密度,kg/m3。

實(shí)際煙氣排放量是理論干煙氣量、過量空氣和實(shí)際煙氣中水蒸氣流量的總和,其中理論干煙氣量為

(16)

式中Wfd——廢渣焚燒產(chǎn)生的理論干煙氣量,t;

ρf——煙氣密度,kg/m3。

過量空氣為

Wg=Ws(φ-1)Vaρf

(17)

式中Wg——過量空氣量,t。

廢渣焚燒煙氣中水蒸氣主要來自于廢渣中的水分和廢渣中氧元素與氫元素燃燒后生成的水分,即

(18)

式中Wh——廢渣焚燒煙氣中的水蒸氣,t;

ρw——水蒸氣的密度,kg/m3。

焚燒爐排煙能量損失為

Qf=1000[(Wfd+Wg)cf+Whcw](Tf0-T)

(19)

式中Tf0——排煙溫度,℃;

cf——煙氣的比熱,kJ/(kg·℃)。

(8)計(jì)算Qst

廢渣在鍋爐內(nèi)焚燒產(chǎn)能為

(20)

式中β——焚燒及余熱利用系統(tǒng)的能量損失率。

(9)焚燒產(chǎn)能換算為蒸汽量Ust

余熱鍋爐生產(chǎn)的蒸汽量為

(21)

式中Ust——余熱鍋爐生產(chǎn)的蒸汽量,t;

Hst——蒸汽的焓,kJ/kg。

2.2 廢渣焚燒產(chǎn)能的計(jì)算

已知煤化工集團(tuán)氣化分廠每天產(chǎn)生400t含水率96.5%的料漿(細(xì)渣)和480t含水率30%的粗渣。

在對(duì)廢渣脫水干化和資源化利用過程中,工藝流程是先把75%的料漿脫水干化至含水率30%的濾餅后,再與其余的料漿和粗渣混合后進(jìn)入循環(huán)流化床進(jìn)行焚燒處理。計(jì)算中涉及的變量取值如表2所示,計(jì)算過程中的參數(shù)如表3所示,廢渣的工業(yè)分析、元素分析和熱值分析如表4所示。

表2 模型中的變量及取值

表3 模型中的參數(shù)及取值

表4 廢渣的工業(yè)分析、元素分析和熱值分析

通過計(jì)算得,在不加入輔助燃料的情況下,廢渣在鍋爐內(nèi)焚燒產(chǎn)能為2.1949×109kJ,相應(yīng)的蒸汽量為790.23t,煙氣所帶能量占7.18% 。

已知干化系統(tǒng)所需要的能量為8.5048×108kJ[12],換算成蒸汽量為306.2043t,相比之下,焚燒系統(tǒng)的產(chǎn)能不但可以供應(yīng)干化系統(tǒng),而且還有剩余,實(shí)現(xiàn)了變廢為寶、節(jié)能降耗的目的。

3 穩(wěn)健性分析

根據(jù)以上建立的廢渣焚燒產(chǎn)能模型,以上海竹園污泥干化焚燒處理工程項(xiàng)目[13]為例計(jì)算得,在不加入輔助燃料的情況下,焚燒及余熱利用系統(tǒng)的產(chǎn)能為606969×107kJ,而原文中的產(chǎn)能為6.4154×107kJ,二者相對(duì)誤差約為4.38%,誤差來源主要是原文中的某些參數(shù)沒有交代清楚,本文只能使用估計(jì)值來計(jì)算所致。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)廢渣焚燒及余熱利用過程中的產(chǎn)能問題進(jìn)行了分析,以廢渣焚燒及余熱利用系統(tǒng)中的能量平衡為依據(jù),建立了廢渣焚燒產(chǎn)能評(píng)估模型,把該模型應(yīng)用于上海竹園污泥干化焚燒處理工程進(jìn)行了穩(wěn)健性分析,結(jié)果表明誤差非常小。使用該模型對(duì)我國某一煤化工集團(tuán)的廢渣焚燒工程進(jìn)行了評(píng)估,得到了廢渣焚燒后的產(chǎn)能數(shù)據(jù),為該項(xiàng)目的可行性分析提供了參考依據(jù)。