污泥高干脱水和热解炭化组合工艺的应用

程 俊 何光亚 张 娜

安徽省通源环境节能股份有限公司，安徽合肥 230031

污泥的产生在人类活动中是不可避免的，大量污泥通常被任意堆放和投弃，对环境造成了新的污染，如何将这些污泥妥善处理已成为全球共同关注的课题。近年来，国家对污泥处理处置相关政策的出台和人们不断对污泥处理处置的重视，不断涌现出各类污泥处理处置技术，主要包括：石灰稳定化、高干脱水、厌氧消化、好氧堆肥、污泥焚烧、电渗透、真空热干化、污泥热干化和污泥热解炭化等技术[1-3]。

1 高干脱水技术

污泥高干脱水设备市场上常用的有两种，分别为高压钢制板框压滤机和膈膜压滤机。高干脱水技术比较成熟，在此不再赘述。

2 污泥热解炭化技术

污泥炭化是利用污泥中有机物的热不稳定性，在缺氧条件下对其加热，使有机物产生热裂解，形成利用价值较高的气相和固相，这些产品具有易储存、易运输及使用方便等特点，为实现污泥“四化”提供了有效途径。

污泥热解炭化主要由两种工艺组合，一种为含水率80%直接热处理进行炭化，另外一种为机械脱水后污泥含水率50%进行热处理炭化，下面从能量衡算和直接处理成本上对两种工艺组合进行比较。

3 污泥高干脱水和热解炭化组合工艺

此工艺最大特点为通过机械脱水，最大限度降低污泥含水率，从而实现污泥的减量化，而且在减量过程中，将污泥中的有机质保持下来，降低后续污泥炭化的生产负荷，提供高热值物料。通过计算获得，越低含水率的污泥，在后端的热解炭化过程中，需要消耗的能源越低，从而尽可能地降低后端运行成本。

3.1 工艺成本初步计算

3.1.1 含水率80%的污泥直接烘干热解炭化成本计算

1t含水率80%的污泥直接通过烘干降低含水率至20%的成本计算。理论需求热量计算公式：

式中：C—水的比热，4.2kJ/（kg·℃）；（t-t1）—蒸发水量；q—水的蒸发潜热，2260.00kJ/kg；

Q=4.2×（1000×80%-250×20%）×80+2260×（1000×80%-250×20%）=1947000kJ

（1）烘干需求生物质成本：烘干设备热效率按70%计算[3]，生物质按照4000kcal/kg，单价按照0.80元/kg计算：

[（Q/4.18）/70%/4000]×0.80=133.08元。

（2）炭化需求生物质成本：处理量（X）：250kg原料含水率（S1）：20%；产物含水率（S2）：1%；热源：生物质颗粒燃烧。

加热方式：间接，炉内温度：400℃；炉内滞留时间：20min；原料温度（ta）：50℃。

①炭化热量计算：

水分蒸发量：Wa=X×（S1-S2）/（1-S2）=250×0.19/0.99=47.98kg；

绝干泥量 ：（Y）=X-Wa=202.02kg。

②炭化需要热量计算：

a.原料中水分加热到100℃（tb）所需热量qa：

b.水分蒸发热量qb：100℃的蒸发潜热Qdj=539kcal/kg，

Qb=Qdj×Wa=539×47.98=25861.22kcal；

c.水蒸气温度上升热量qc：

水蒸气比热Cj=0.48kcal/（kg·℃ ），出口温度td=400℃，

Qc=Wa×Cj×（td-100）=47.98×0.48×300=6909.12kcal；

d.绝干泥上升热量qd：

绝干泥比热：Ck=0.4kcal/（kg·℃），产品温度tc=300℃；

但之后何冰的表情忽然细微地变化了一下。她坐在正对窗口的位置，对面就是一家酒店，从包厢里能很清楚地看见出入酒店的人。

Qd=Y×Ck×（tc-ta）=202.02×0.4×（300-50）=20202kcal；

e.放热量：

放热率800kcal/m2；放热面积=24m2；qe=800×24=19200kcal；

f.合计热量（qt）：

Qt=qa+qb+qc+qd+qe=74684.34kcal；

g.实际需求热量：

炭化机设备热效率按照35%考虑，得到：

Qs=Qt/35%=213383.71kcal；

h.生物质成本 ：Qs/4000×0.8=42.67元。

（3）电耗成本：125×4×0.85=425元。

（4）总成本：133.08+42.67+425=600.75元。

3.1.2 含水率50%通过高干脱水后烘干热解成本计算

通过高压脱水后，将含水率从80%降至50%后进行烘干至含水率20%所需要成本计算。

（1）高干脱水成本：根据实际生产经验估算，通过高压板框压滤机进行深度脱水污泥含水率从80%降低至50%所需要的药剂及电耗成本在70元/t。

（2）烘干需求生物质成本：含水率50%高干污泥烘干至含水率20%所需要成本计算：

Q=C×M×（t-t1）+q×（t-t1）=389400kJ ；

生物质成本[（Q/4.18）/70%/4000]×0.80=26.6元。

（3）炭化需求生物质成本：炭化需要生物质成本为42.67元。

（4）电耗成本：125×0.8×0.85=85元。

（5）需要总成本：70+26.6+42.67+85=224.27元。

3.1.3 两个工艺成本比较

以上数据计算过程中，仅考虑药剂、燃料和电耗成本，未考虑人工、设备折旧费用等。在热处理过程中，未考虑烟气热量回用和烟气中可燃气体的燃烧供热部分。

含水率80%的污泥直接通过烘干后进行热解炭化相对于含水率80%的污泥通过高干脱水后进行烘干热解炭化成本明显较高。这主要是因为机械脱水效率远高于热处理效率，但机械脱水将污泥含水率降低至50%为其极限值，需要借助热处理方式，进一步进行脱水实现污泥的“四化”。

4 结语

国外学者Vesilind 和Marte 提出污泥中所含的水分主要有四种，即自由水、间隙水、表面水和结合水[4]。自由水是指没有与污泥颗粒结合的水分，可以通过重力浓缩去掉。间隙水是指胶羽和有机物之间的裂缝、间隙中的水分，可以通过机械脱水脱除。表面水是指由于水分子的分子结构，被固定在污泥颗粒表面的水分，机械脱水无法去除。结合水是指经过水合作用，通过化学方式与颗粒结合的水分，可以加热破坏颗粒而释放。

由于不同水分与污泥颗粒的结合方式和能力各不相同，去除不同水分所需要的能耗也不同[5]。自由水或调质释放出来的吸附水可通过重力浓缩去除，所需要的能耗约为10-3kWh/m3；结合水通过机械脱水去除，所需要能耗约为1kWh/m3；细胞水通过热处理去除，所需要能耗约为103kWh/m3。由此可见，浓缩工艺的能耗大大低于机械脱水工艺的能耗，机械脱水工艺的能耗又大大低于热处理工艺的能耗，因此可以得出这样的污泥处理原则：尽量采用浓缩法和机械脱水法去除更多的水分，来减少后续热处理的污泥量和蒸发量，可以大大节省总能耗。污泥高干脱水和热解炭化组合工艺充分利用了该原则，实现降低污泥含水率之后的资源化利用，可以减少能耗、运行经济、安全可靠、操作方便，具有很好应用前景。