污泥加热处置的热经济性分析

2012-10-15鲁维加郭宏伟

电力与能源 2012年1期

鲁维加，郭宏伟

（东南大学能源与环境学院，南京 210096）

污水处理将产生大量污泥，处理过程中产生的污泥含有大量有机物、丰富的氮、磷以及重金属物质，任意堆放或抛弃污泥将对环境造成严重二次污染，污染水源、土壤和农作物。随着人们生活水平的提高和生产规模的扩大，以及污水处理率及处理程度的提高，污泥产量愈来愈大，污泥的处置的压力日益严重。对污水处理厂产生的大量污泥进行减量化、稳定化、无害化、资源化处置，是循环经济模式的体现。干燥和焚烧等加热处置是目前最常用的污泥处置技术，本文将对各种污泥加热处置技术的热经济性进行分析和比较，探索污泥加热处置最佳的技术方案。

1 加热处置污泥的热经济性比较

通过加热的方式处置污泥，主要包括干燥、干燥—焚烧、直接焚烧等技术。采用干燥法处理污泥，干燥后的污泥可以作为建材原料、肥料，还可以作为燃料。由于干污泥作为燃料使用，相当于采用干燥—焚烧方式进行处置，因此干燥或干燥—焚烧两种方式可归于一类进行分析。直接焚烧处置过程比较简单，但是热损耗较大、热效率较差，并且直接焚烧的设备投资并不总是最低的。为了方便分析，假设污泥的初水分的质量含量为80%，绝干污泥的热值为9.37MJ／kg，即每1t湿污泥所含热量为1 674MJ。假设处置后污泥中水分蒸发的尾气温度为100℃，即水分蒸发带走的热量约为2.671MJ／kg。

1.1 直接焚烧

湿污泥直接焚烧，通常是将污泥直接送入流化床锅炉炉膛与燃煤掺烧，所耗热量主要用于污泥干燥、炉膛升温和保持温度三部分。污泥的初水分为80%，1t湿污泥中含800kg的水分，由于1kg水分蒸发带走的热量约为2.671MJ，那么1t湿污泥蒸发直接带走的热量为2 137MJ，这也是干燥过程（绝干）热耗。

采用直接焚烧，进入炉膛的污泥必须先加热到运行温度，流化床炉膛的运行温度较低，平均约为850℃，每1t湿污泥达到正常焚烧温度所需热量为3 344MJ。另外，为了保证炉膛燃烧温度为850℃，还将多消耗热量以维持基本的换热平衡。各种锅炉中，小型快装炉、链条炉和煤粉炉的炉膛部分换热份额约为40%，沸腾炉（即流化床炉）的炉膛部分换热份额约为50%。如果炉膛部分换热份额取为30%，每1t湿污泥所需要的总热量为4 347MJ。1t湿污泥所含热量为1 672MJ，其差值2 675MJ，尚不能平衡，即湿污泥直接掺烧，还需要额外增加热耗，折合为标煤91.4kg，日处置100t的湿污泥需额外增加消耗标煤9.14t。如果以平均值或极限值进行计算，上述消耗能量还将增加10%～20%。由于直接掺烧增加了煤耗，由此将相应增加磨煤机电耗，增加风量、烟量及风机电耗。此外，直接掺烧还可能使锅炉各受热面腐蚀、磨损、粘结、堵塞等加剧，可能影响换热面的传热、进一步降低热效率，并增加锅炉的维护工作量。直接焚烧1t湿污泥需要热量4 347MJ，比干燥1t湿污泥的2 137MJ多消耗2 210MJ，当然这部分多消耗的热量没有被污泥吸收，是可以利用的，但是为了有效利用这部分热量，锅炉的受热面必须进行改造，改造费用加上污泥掺烧系统及设备的费用，将远远高于污泥干燥系统及设备的费用。

1.2 干燥或干燥—焚烧

如果采用锅炉尾部的烟气对湿污泥进行干燥，以锅炉排烟余热作为干燥热源，干燥过程将为零耗热；再将干燥后的污泥作为燃料加入煤中进行掺烧，还可以节约燃煤。1t湿污泥含热量1 674MJ日处置100t湿污泥可节能5.714t标煤。

2 湿污泥直接掺烧效果分析

某热电厂采用湿污泥直接掺烧的数据如表1至表3。其中，设计煤种的低位发热值20.31MJ／kg；污泥的含水量质量比为83%。最后得到的污泥直接焚烧的成本为130元／t。

表1 设计煤种的组分质量比%

表2 YG－130／9.8－M锅炉的设计参数和掺烧污泥60t／d的运行参数

表3 每年焚烧污泥36 500t的成本万元

从以上数据可以看出，采用湿污泥直接掺烧后，锅炉的热效率显著下降，耗煤量显著增加，即湿污泥直接掺烧的热经济性比较低。

从环境排放来看，设标煤的含碳量为85%，含硫量为1.0%，采用直接掺烧方法日处置100t湿污泥，消耗标煤9.14t，将增加CO2排放量28 490 kg，增加SO2排放量91.4kg。相同的条件下，采用干燥或干燥—焚烧处置100t湿污泥，每天可节约燃煤量折合标煤5.714t，不增加碳排放和硫排放，减轻了对环境的污染。

3 各种污泥干燥技术的热经济性比较

采用锅炉排烟干燥湿污泥，需要有专门的干燥设备，这些设备可以是立式的旋流喷动干燥机、卧式的螺旋推进气流式干燥机，还可以是各种间接加热式干燥机，不同方式的干燥技术热经济性也有所不同。

3.1 立式旋流喷动干燥机

早期的污泥干燥设备大多为立式旋流喷动干燥机，可以灵活采用各种热介质、干燥强度高、干燥机占用空间小。以某热电厂采用旋流喷动干燥机对湿污泥干燥为例，干燥的热源为锅炉排烟，锅炉的排烟温度为130℃，湿污泥原料的含水率质量比为80%，干燥后的干污泥终含水率质量比为30%。由于锅炉排烟温度较低，污泥干燥所需烟气量较大，因此用于抽取烟气的风机运行的电耗较高，以湿污泥处理量2t／h计，干燥机排烟温度为90℃，旋流喷动干燥机入口烟气温度与干燥系统风机装机容量的关系如表4。

表4 立式干燥机入口烟温与风机配置功率间的关系

从表4中数据可以看出，干燥机入口烟气温度越高，所需要的烟气量就越小，风机装机容量也会相应减小，风机电耗也因而相应减少。因此，提高热源温度是降低旋流喷动干燥机运行成本的一个关键因素。但是，既有锅炉的排烟温度是一个确定的参数，难以轻易改变，而且提高锅炉排烟温度会影响锅炉的热效率。由于干燥介质即锅炉排烟本身是废弃的，即干燥介质为零成本，因此这种干燥系统运行的综合经济性还是比较好的。

3.2 卧式螺旋推进气流式干燥机

采用立式旋流喷动干燥机干燥污泥，当热源锅炉烟气的温度较低时，干燥系统风机的电耗较高。近来开发出了螺旋推进气流式（第二代卧式）干燥机。与立式干燥机相比，卧式螺旋推进气流式干燥机同样具有可以灵活采用各种热介质，干燥强度也很高，干燥机占用空间也很小，但是系统的风机电耗显著降低，热经济性显著提高。如果以污泥处理量100t／d，湿污泥初含水率为80%，干污泥终含水率为30%，进口烟气温度135℃，出口烟气温度110℃计，采用卧式螺旋推进气流式干燥机，入口烟气温度与干燥系统风机装机容量的关系如表5。