污泥干化与垃圾焚烧耦合发电系统研究

2021-09-06王泽鹏刘志岩

吉林电力 2021年3期

王泽鹏,刘志岩

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021)

随着我国城市化进程的加速，城市垃圾及污水处理量逐年提高。城市垃圾处理初期主要采用填埋等方式，近年来垃圾焚烧技术日益成熟，垃圾焚烧发电厂的建设也如火如荼。“十一五”及“十二五”期间，我国城镇生活垃圾焚烧处理能力由2006年的4×104t/天增长至2016年的27.04×104t/天，年均复合增速达到21.1%。

而与生活垃圾共生的还有生活污水，自2016年起，中国已经成为全球污水处理量最大的国家之一，仅工业污水和生活污水两项的年处理总量就高达971×108t。污泥是城市污水厂在处理污水过程中产生的废弃物，主要是由初沉污泥和二次污泥组成，约占总处理水量的0.3%～0.5%。目前我国污泥处置方式中，土地填埋占63.0%、污泥好氧发酵+农用约占13.5%、污泥自然干化综合利用占5.4%、污泥焚烧占1.8%、污泥露天堆放和外运各占1.8%和14.4%。事实上，土地填埋、露天堆放和外运的污泥绝大部分都属于随意处置，真正安全处置的比例不超过20%。

一方面是垃圾焚烧方案成功并大范围推广投产，另一方面是污泥处于无法处理、无人理会的局面，随着土地资源日益宝贵、环保要求逐年提高，污泥的综合处理也将越来越受到重视。

1 污泥与垃圾特性分析

1.1 污泥特性

城市污水处理厂在净化污水的同时也产生大量污泥，污泥分初沉污泥和活性污泥，初沉污泥的有机质量浓度一般在55%～70%，活性污泥的有机质量浓度一般在70%～85%。

从焚烧角度看，污泥由可燃、不可燃的矿物杂质(灰分)和水分组成；从污泥的工业分析角度看，污泥主要由水分、灰分、挥发分和微量的固定碳组成；从污泥的元素分析角度看，碳是污泥中可燃质的主要元素，同时含有少量的氢，氧元素通常与碳氢形成化合物，其他主要还有氮和硫，这两种元素在燃烧中容易形成氮氧化物NOx和酸性气体SO2。

污泥中的挥发分是影响热值的主要因素，固定碳含量很低，对污泥燃烧影响几乎可以忽略不计。经污水处理厂初步浓缩后的污泥含水率为80%，热值一般为3 550 kJ/kg。

1.2 垃圾特性

城市生活垃圾热值与当地居民生活水平有关，同时受季节、气候因素影响，垃圾热值会存在一定的波动范围。从地域角度看，东南沿海城市生活垃圾热值高于西部及北方城市生活垃圾热值；从经济水平角度看，一、二线城市垃圾热值远高于三、四线城市及县城的垃圾热值。以某中部地区的垃圾电站为例，燃料的设计热值为7 000 kJ/kg(低位热值4 182 kJ/kg、高位热值8 365 kJ/kg)。

目前我国的垃圾焚烧普遍采用机械炉排炉，此类焚烧炉允许燃料的热值波动区间较大，热值在4 500～10 000 kJ/kg的燃料均可燃烧，适应国内垃圾水分高、热值低的特点。4 500 kJ/kg通常认定为是不助燃的垃圾下限低位热值，低于此热值的燃料在不投入其他辅助高热值燃料情况下无法维持炉膛内稳定燃烧。

由以上污泥及垃圾特性分析可知，要想达到污泥与垃圾掺混后能够适应现有的垃圾焚烧炉，必须对污泥进行干化脱水处理，提高污泥热值。

2 污泥干化与垃圾焚烧耦合发电系统

2.1 污泥干化含水率及热值的确定

目前普遍研究认为，污泥含水率为80%左右时，污泥焚烧产生的热量基本等于自身所含水分气化所损耗的能量，也就是说污泥中的热量无法得到利用。通常污泥含水率应该降至50%～60%才可以降低水分汽化潜热损失，使能量得到更好地利用。干物质热值为21 MJ/kg,污泥温度为10 ℃，污泥含水率与热值关系见图1。

图1 污泥含水率与热值关系

污泥中可燃烧成分为70%、污泥含水率降至60%时，热值刚好为4 500 kJ/kg。根据前文论述的污泥中有机物含量比例，城市污水处理厂产生的污泥中可燃烧成分可以认定为70%。为提高本文提出的耦合发电系统可行性，同时最大限度地减小掺烧污泥对垃圾焚烧炉造成的不利影响，暂定污泥干化后含水率降为45%，此时污泥热值与垃圾热值相同，为7 000 kJ/kg。

2.2 污泥干化介质及换热方式的确定

污泥干化主要是通过热介质与含水率较高的污泥进行换热，蒸发污泥中的水分。常用的载热介质主要有蒸汽、导热油、热风等，加热方式主要是直接干化、间接干化、红外热干化、联合干化，通过热介质与污泥的换热方式不同(包括对流、传导、辐射)实现干化目的。由于上述载热介质均需要其他能量加热才能达到干燥要求，能耗较高，污泥干化的成本也较高，因此本文提出采用垃圾电站的废弃热源(烟气)作为污泥干化的热介质，以降低污泥处理成本，同时不影响垃圾焚烧发电的热效率。

以某工程垃圾处理量为500 t/天等级的焚烧炉为例，额定工况下排烟气量为108 720 m3/h，排烟温度为195 ℃。由于垃圾燃烧后的烟气成分较复杂，为保护尾部烟道，排烟温度无法进一步降低。污泥干化需要大量的热，通过抽取部分锅炉排烟对污泥进行干化，不仅可以利用垃圾焚烧系统的废热，同时烟气含氧量低，可对污泥进行接触式直接热干化，提高蒸发速率及热效率。

污泥干化与垃圾焚烧耦合发电系统见图2。

图2 污泥干化与垃圾焚烧耦合发电系统

图2中，增设冷烟风机将余热锅炉出口温度约195 ℃的烟气抽至干化机内直接加热污泥，干化后的污泥含水率约为45%，经皮带输送至垃圾坑，通过垃圾抓斗对垃圾和污泥均匀掺混后抓送至给料口，入炉燃烧。

2.3 污泥干化相关计算

2.3.1 烟气加热能力计算

以某工程垃圾处理量为500 t/天等级的焚烧炉为例，余热锅炉出口额定工况烟气量为108 720 m3/h，标准密度约为1.29 m3/kg,烟气温度为190 ℃。设定污泥干化设备出口烟气温度θ为120 ℃，烟气在干化污泥过程中的焓降约为119.71 kJ/kg，由总烟气量乘以焓降可以得到余热锅炉排烟的加热能力为2.8 MW。考虑到换热损失及系统漏风，总加热能力为2.52 MW。

2.3.2 污泥干化吸热计算

含水率为80%的污泥经高温烟气加热后脱水干化，含水率达到45%，蒸发的水分随烟气进入烟气净化车间。由于烟气与污泥采用接触式加热，因此烟气出口与污泥可忽略换热端差，即烟气出口温度为120 ℃，含水率45%的污泥及蒸发的水蒸气也能达到120 ℃。

污泥干化包括湿污泥加热、水分蒸发两个过程，加热过程中污泥由常温t1(20 ℃)经高温烟气加热至表面水分临界温度t2(100 ℃)，污泥比热容c约为0.84×103J/(kg·℃)，因此每吨污泥的吸热量Q1=c×(t2-t1)=84 kJ/kg。水蒸发过程中包括升温吸热和汽化潜热吸热，经查水蒸气焓值表，水升温过程的焓升ΔH为2 297.51 kJ/kg。

水分蒸发过程中，污泥含水率由80%降至45%，每千克原污泥需要蒸发水的质量m约为0.64 kg，因此每千克污泥干化吸热量Q为污泥吸热量与水分蒸发吸热量之和，即Q=Q1+m×ΔH=1 554.4 kJ/kg。

2.3.3 污泥干化能力计算

由烟气加热量除以污泥吸热量，可以得到能够干化原含水率80%污泥的质量为5.9 t。

因此，以某工程垃圾处理量为500 t/天等级的焚烧炉为例，理论上每小时可掺烧5.9 t城市污泥，每天可掺烧约142 t城市污泥。