污泥立式烘干焚烧炉系统的热平衡分析

蔡树元，陈景华，张长森

(盐城工学院 材料科学与工程学院，江苏 盐城 224051)

随着我国经济发展和城镇化、工业化水平的提高，民用和工业用水产生的污水量越来越大，经污水处理厂处理产生的污泥量也不断增加。污泥主要由有机物、无机物和胶体等组成，具有有机物含量高、颗粒细(0.02～0.2 mm)、密度小(1 002～1 006 kg/m3)、呈胶体结构、脱水性能差等特性。同时，污泥中含有寄生虫、病原菌和重金属成分，如果不妥善处理与处置，将对环境造成严重破坏，进而直接危害到人类自身。因此，如何对污泥进行减量化、无害化、稳定化与资源化处理，是摆在人们面前急需解决的难题[1]。

焚烧处理不仅可以最大限度地实现污泥的减量化和无害化[2]，而且焚烧灰渣还可以制成附属产品用作建材原料[3]，是一种有效的污泥处置方式，具有处理速度快，处理量大，占地面积小，不需要长期储存，可就地焚烧，不需要长距离运输，可以回收能量用于供热或发电等优点，被认为是污泥处置技术中最具发展前景的方法之一[2]。

污泥焚烧是指污泥中的有机质在一定的温度和气相充分有氧的条件下发生燃烧反应，转化成CO2和H2O等气态物质，是一个包括蒸发、挥发、分解、烧结、熔融、氧化还原反应，以及相应传质、传热的综合的物理、化学反应过程。目前，污泥焚烧技术大致可分为两类，即直接焚烧技术和混合焚烧技术[2]。

污泥焚烧往往希望实现自持燃烧，因为这样可利用污泥自身的有机物进行燃烧而不需要外加燃料。王莹等[4]利用燃烧方程、能量平衡、物料平衡等分析得到，冬季污泥发热量较高，含水率72%就可以达到自持燃烧，同时系统可对外提供34 t/h蒸汽；夏季污泥发热量较低，含水率44%才可达到自持燃烧，且市政管网需向污泥干化焚烧系统提供10 t/h蒸汽。祝初梅等[5]以某项目200 t/d污泥干化焚烧系统为例进行热平衡计算得到，含水率为80%、低位发热量为2 429 kJ/kg的湿污泥干化至含水率为65%后进行焚烧时，不能实现系统的热平衡，需要另外提供1 766.83 kg/h饱和蒸汽(压力1.0 MPa，温度180 ℃)。陈少卿等[6]通过建立模型对污泥干燥焚烧系统进行物料平衡与热量平衡分析。分析认为，该系统污泥最佳入炉含水率为65%，此时系统所需总能耗最低，产生总烟气量最少，且污泥能实现自持燃烧。王楠等[7]通过对含水率80%和60%的脱水污泥焚烧的物料平衡与热量平衡计算得出，含水率为80%的污泥需要更多热量用于水分蒸发，但产生的有机碳发热量高于含水率为60%的污泥，两种污泥处理在绝干情况下需要另加的外部能源相差不大。

本文以盐城市城东污水处理厂专利产品立式污泥烘干焚烧炉为研究对象，通过热工计算，分析污泥在炉内实现自持燃烧的可能性。

1 污泥立式烘干焚烧炉工作原理

污泥立式烘干焚烧炉[8]结构如图1所示。该焚烧炉具有集烘干与焚烧于一体的特点，通过煤、油或天然气等燃料点火进行污泥燃烧。炉内沿垂直方向自上而下分别为干燥区、预热区、焚烧区、冷却区。湿污泥从立式污泥烘干焚烧炉上方投入炉中，经干燥、预热、焚烧、冷却等4个阶段后由炉底部排出。助燃空气由炉底部进入，自下而上流动。助燃空气首先对焚烧后的高温污泥进行冷却，同时高温物料携带的热量对助燃空气进行预热；预热后的空气助燃污泥燃烧；产生的废气再对上部进入的湿污泥进行干燥和预热，最后由炉顶部排出；排出的废气先后进入水除尘、碳吸附设备进行净化，然后排入大气。

图1 污泥立式烘干焚烧炉Fig.1 Sludge vertical drying incinerator

图1污泥立式烘干焚烧炉干燥区温度约300～550 ℃，用于污泥脱水干燥；预热区温度约550～750 ℃，用于污泥预热；焚烧区温度约800～850 ℃，用于污泥焚烧；焚烧后的污泥渣经空气冷却至100 ℃后排出炉外。炉出口气体温度<300 ℃。

2 污泥理化特性及计算条件

2.1 污泥理化特性

2.1.1 污泥的含水率、烧失量及灰渣量

城东污水处理厂通过压滤得到的原状污泥(raw sludge)含水率约为50%～60%[9]，最高值达62%，热平衡计算时取62%。原状污泥经105～110 ℃烘干1 d后，污泥烧失量为46%～60%，物料平衡计算时取较低值48%。焚烧后原状污泥的灰渣(ash)量一般为19%～30%[1]，可由烘干后干污泥中灰分(A)的质量分数计算得出。

2.1.2 污泥成分分析

污泥成分分析结果如表1所示。表1中，干基含量是指原状污泥经105～110 ℃烘干1 d后测得的各元素的质量分数；湿基含量是指原状污泥中各元素的质量分数，除水分(M)外，湿基含量=干基含量×(1-污泥含水率)。

表1 污泥成分分析Table 1 Elemental analysis of sludge composition %

2.1.3 污泥发热量

原状污泥经105～110 ℃烘干1 d后得到干基污泥(dry sludge)，用ZDHW-5000型微机全自动量热仪测得干基污泥的干基低位发热量Qnet,ds为7 099 kJ/kg，则原状污泥的低位发热量Qnet,rs：

Qnet,rs=Qnet,ds(1-Mrs)=

7 099×(1-62.00%)=2 697.62 kJ/kg

式中，Mrs为原状污泥中水分的质量分数，%。

2.1.4 污泥主要化学成分与矿物成分

通过XRF检测可得干基污泥主要化学成分，如表2所示。干基污泥经950 ℃灼烧后通过XRD检测可得其矿物组成，如图2所示。由图2可知，干基污泥主要矿物为石英和黏土类矿物。两个测试结果为焚烧产生的污泥渣可用于建材生产提供了依据。

表2 干基污泥的化学成分Table 2 Chemical composition of dry sludge %

图2 污泥的XRD图Fig.2 XRD pattern of sludge

2.2 计算条件

2.2.1 立式污泥烘干焚烧炉处理能力

立式污泥烘干焚烧炉的原状污泥小时处理能力为1.5 t/h，日处理能力为36 t/d，年处理能力为11 880 t/a(按年工作330 d计)。

2.2.2 污泥水分

入炉初水分取62%，出炉终水分取0。

2.2.3 温度条件

环境温度ta=25 ℃；焚烧炉出口废气温度teg分别取150 ℃、300 ℃；焚烧炉出口灰渣温度tash分别取120 ℃、150 ℃。

2.2.4 立式污泥烘干焚烧炉尺寸

立式污泥烘干焚烧炉外径d=2.0 m，高H=8.0 m，外包8 mm厚钢板，内部耐火砖采用230 mm环形砌砖，耐火砖与钢板间为100 mm厚矿渣棉。

3 立式污泥烘干焚烧炉热工平衡计算

3.1 立式污泥烘干焚烧炉物料平衡

3.1.1 立式污泥烘干焚烧炉物料平衡范围及计算基准

(1)物料平衡范围

焚烧炉物料平衡范围包括从原状污泥加入炉体到灰渣(ash)排出炉体，空气鼓入(air blowing)炉体到废气(exhaust gas)排出炉体，即仅包括进出炉体本身的物质。

(2)计算基准

以1 kg原状污泥进入立式污泥烘干焚烧炉作为质量计算基准。

3.1.2 物料平衡计算

(1)收入物料质量

收入物料的总质量包括污泥入炉量和鼓入空气质量两部分(以1 kg原状污泥计)，即：

min=mrs+mab

式中，min为进入立式污泥烘干焚烧炉的物料总质量，kg；mrs为进入立式污泥烘干焚烧炉原状污泥质量，kg；mab为鼓入立式干燥焚烧炉的空气质量，kg。

①污泥入炉量

mrs=1 kg

②鼓入空气质量

根据表1所列污泥的元素成分分析数据可计算得出污泥燃烧所需空气的理论体积量：

式中，Va,0为1 kg原状污泥燃烧所需空气标准状况下(0 ℃，101.325 kPa)的理论体积量，m3；Crs、Hrs、Srs、Ors分别为原状污泥中C、H、S、O元素的质量分数，%。

由于污泥燃烧较为困难，实际燃烧过程不可能达到理想状态，因此，燃烧实际所需空气量要大于理论空气量，因此，污泥燃烧所需空气实际体积量为：

Va=KVa,0=1.5×0.65=0.98(m3)

式中，Va为1 kg原状污泥燃烧所需空气(标准状况下)的实际体积量，m3；K为空气过剩系数，根据资料[10]，取K=1.5。

由污泥燃烧所需空气实际体积量换算可得鼓入立式干燥焚烧炉的空气质量为：

式中，ρa,0为标准状况下的空气密度，kg/m3。

③收入物料质量

min=mrs+mab=1+1.26=2.26(kg)

(2)支出物料质量

原状污泥经过燃烧后，其中的水分全部蒸发为水蒸气，有机成分完全燃烧的产物成为烟气中的成分，共同构成原状污泥燃烧生成的烟气，作为废气排出立式干燥焚烧炉，剩余的即为灰渣。因此，支出物料质量分为灰渣排出量和废气排出量两部分(以1 kg原状污泥计)，即：

mout=mash+meg

式中，mout为排出立式污泥烘干焚烧炉的物料总质量，kg；mash为排出立式污泥烘干焚烧炉的灰渣质量，kg；meg为排出立式干燥焚烧炉的废气质量，kg。

①灰渣排出量

mash=mrsArs=1×19.79%≈0.20(kg)

式中，Ars为原状污泥中灰分的质量分数，%。

②废气排出量

立式干燥焚烧炉排出的废气主要包括CO2、H2O、SO2、N2、O2。排出废气的总质量为：

meg=mCO2+mH2O+mSO2+mN2+mO2

式中，mCO2为1 kg原状污泥燃烧产生的CO2质量，kg；mH2O为1 kg原状污泥燃烧产生的H2O的质量，kg；mSO2为1 kg原状污泥燃烧产生的SO2质量，kg；mN2为1 kg原状污泥燃烧产生的N2质量，kg；mO2为1 kg原状污泥燃烧产生的O2质量，kg。

废气中CO2的质量 。原状污泥中的碳元素燃烧后均变为CO2，1 kg原状污泥燃烧产生的CO2在标准状况下的体积为：

式中，VCO2为1 kg原状污泥燃烧产生的CO2在标准状况下的体积，m3。

则1 kg原状污泥燃烧产生的CO2质量为：

式中，ρCO2,0为标准状况下CO2的密度，kg/m3。

废气中H2O的质量 。废气中H2O来源于两个方面：一是污泥中的氢元素燃烧生成的气态水，二是污泥中自由水蒸发产生的气态水，因此有：

式中，VCO2为1 kg原状污泥燃烧产生的气态水在标准状况下的体积，m3；ρH2，0为标准状况下气态水的密度，kg/m3。

废气中SO2的质量。原状污泥中的硫元素燃烧后转化为SO2，1 kg原状污泥燃烧产生的SO2在标准状况下的体积如下：

式中，VSO2为1 kg原状污泥燃烧产生的SO2在标准状况下的体积，m3。

则1 kg原状污泥燃烧产生的SO2质量：

式中，ρSO2,0为标准状况下SO2的密度，kg/m3。

废气中N2的质量。废气中N2来源为燃料中N元素与鼓入空气中的N2，1 kg原状污泥燃烧产生的N2标准状况下的体积如下：

式中，VN2为1 kg原状污泥燃烧产生的N2在标准状况下的体积，m3；

则1 kg原状污泥燃烧产生的N2质量：

式中，ρN2,0为标准状况下N2的密度，kg/m3。

废气中O2的质量。废气中的O2来自过剩空气，1 kg原状污泥燃烧产生的O2在标准状况下的体积如下：

VO2=(K-1)Va,021%=

(1.5-1)×0.65×21%=0.068(m3)

式中，VO2为1 kg原状污泥燃烧产生的O2在标准状况下的体积，m3；

则1 kg原状污泥燃烧产生的O2质量：

式中，ρO2,0为标准状况下O2的密度，kg/m3。

因此，总的废气排出量为：

meg=mCO2+mH2O+mSO2+mN2+mO2=

0.26+0.72+0.006+0.98+0.097=2.06(kg)

③支出物料质量

mout=mash+meg=0.20+2.06=2.26(kg)

(3)物料平衡表

计算所得污泥烘干焚烧炉物料平衡数据如表3所示。

表3 污泥的元素成分分析Table 3 Material balance sheet

3.2 立式污泥烘干焚烧炉热量平衡

3.2.1 立式污泥烘干焚烧炉热量平衡范围及计算基准

(1)立式污泥烘干焚烧炉热量平衡范围

热量平衡范围包括原状污泥加入炉体到灰渣排出炉体，空气鼓入炉体到废气排出炉体，以及炉体本身对四周的散热。

(2)计算基准

以1 kg原状污泥进入立式污泥烘干焚烧炉作为质量计算基准，以0 ℃作为温度计算基准。

3.2.2 废气出口按150 ℃计算热量平衡

(1)收入热量

收入热量包括污泥带入燃烧热、污泥入炉带入物理热、鼓入空气带入物理热3部分(以1 kg原状污泥计)，则有：

Qin=Qc,rs+Qrs+Qab

式中，Qin为焚烧炉总的收入热量，kJ；Qc,rs为污泥带入燃烧热，kJ；Qrs为污泥入炉带入物理热，kJ；Qab为鼓入空气带入物理热，kJ。

①污泥带入燃烧热

Qc,rs=Qnet,rs·mrs=2 697.62×1≈2 698(kJ)

②污泥入炉带入物理热

入炉原状污泥可以认为有两种组成：不含水的干污泥和其中所含的水。

1 kg原状污泥中所含干污泥质量mds为：

mds=mrs×(1-Mrs)=

1×(1-62.00%)=0.38(kg)

1 kg原状污泥中所含水质量msw为：

msw=mrs×Mrs=1×62.00%=0.62(kg)

根据环境温度ta=25 ℃，取入炉污泥温度trs=25 ℃，绝干污泥的比热容cds=1.05 kJ/(kg·

℃)，水的比热容cw=4.19 kJ/(kg·℃)[10-12]。

Qrs=(mdscds+mswcw)trs=

(0.38×1.05+0.62×4.19)×25=75(kJ)

③鼓入空气带入物理热

根据环境温度ta=25 ℃，查文献[13]，取25 ℃空气的比热容ca=1.005 kJ/(kg·℃)，则：

Qab=mabcata=1.26×1.005×25=32(kJ)

④总收入热量

Qin=Qc,rs+Qrs+Qab=

2 698+75+32=2 805(kJ)

(2)支出热量

燃烧过程支出热量包括水分蒸发耗热、废气排出带走物理热、灰渣排出带走物理热、焚烧炉壁散热损失等4部分(以1kg原状污泥计)，则有：

Qout=Qev+Qeg+Qash+Qhl

式中，Qout为焚烧炉总的支出热量，kJ；Qev为水分蒸发耗热，kJ；Qeg为废气排出带走物理热，kJ；Qash为灰渣排出带走物理热，kJ；Qhl为焚烧炉壁散热损失，kJ。

①水分蒸发耗热

水分蒸发耗热主要分为3个部分：一是水从25 ℃升温到100 ℃所需的显热，二是100 ℃时水蒸发为水蒸气所需的汽化潜热，三是由饱和水蒸气温度ts=100 ℃加热至废气出口温度所需吸收的热量。

1×62.00%[4.19×(100-25)+2 257.2+

(2 776.4-2 676.5)]=1 656(kJ)

②废气排出带走物理热

设废气排出温度teg=150 ℃，由文献[15]可查得气体在150 ℃的比热容c，废气中各种气体的体积和比热容数据如表4所示。

则废气排出带走物理热为：

Qeg=(VCO2cCO2+VH2OcH2O+VSO2cSO2+

VN2cN2+VO2cO2)teg=

(0.13×1.769+0.90×1.506+0.002×

1.857+0.78×1.303+0.068×1.324)×

150=404(kJ)

表4 150 ℃废气中各种气体的体积与比热容Table 4 Volume and specific heat capacities of various gases in exhaust gas at 150 ℃

③灰渣排出带走物理热

现有资料查不到灰渣的比热容，按脱水高岭土的比热容进行计算。设灰渣排出温度tash=120 ℃，根据文献[15]，取120 ℃灰渣的平均比热容cash=0.853 kJ/(kg·℃)，则灰渣排出带走物理热为：

Qash=mashcashtash=

0.2×0.853×120=20(kJ)

④通过立式污泥烘干焚烧炉壁散热损失

设立式污泥烘干焚烧炉壁圆柱体周边与周围环境进行湍流对流传热，根据文献[16]可得，立式污泥烘干焚烧炉壁与周围环境的对流传热系数α为：

α=1.31(Δt)1/3=1.31×(100-25)1/3=

5.524(W·m-2·℃-1)

其中，Δt=tw-ta。tw为炉外壁温度，取100 ℃。

以立式污泥烘干焚烧炉壁圆柱体周边散热损失进行计算，考虑上下散热再乘上系数1.2。由牛顿冷却定律可得立式污泥烘干焚烧炉壁与周围环境的对流传热量：

60(kJ)

⑤总支出热量

Qout=Qev+Qeg+Qash+Qhl=

1 656+404+20+60=2 140(kJ)

(3)热量平衡表

废气出口温度取150 ℃计算所得污泥烘干焚烧炉热量平衡数据如表5所示。

3.2.3 废气出口温度按300 ℃计算的热量平衡

废气出口温度按300 ℃进行热量平衡计算时，除部分参数取值不同外，所用公式与过程均与3.2.2节相同。

表5 废气温度取150 ℃时计算的热量平衡表Table 5 The heat balance table calculated when the exhaust gas temperature is 150 ℃

(1)收入热量

计算过程同3.2.2节，Qin=Qc,rs+Qrs+Qab=2 698+75+32=2 805(kJ)。

(2)支出热量

①水分蒸发耗热

1×62.00%[4.19(100-25)+2 257.2+

(3 074.1-2 676.5)]=1 841(kJ)

②废气排出带走物理热

设废气排出温度teg=300 ℃，由文献[15]可查得气体在300 ℃的比热容c，废气中各种气体的体积和比热容数据如表6所示。

表6 300 ℃废气中各种气体的体积与比热容Table 6 Volume and specific heat capacities of various gases in exhaust gas at 300 ℃

则废气排出带走物理热为：

Qeg=(VCO2cCO2+VH2OcH2O+VSO2cSO2+VN2cN2+

VO2cO2)teg=(0.13×1.878+0.90×1.535+

0.002×1.961+0.78×

1.313+0.068×1.355)×300=824(kJ)

③灰渣排出带走物理热

同前，灰渣的比热容按脱水高岭土的比热容进行计算。设灰渣排出温度tash=150 ℃，根据文献[15]，150 ℃灰渣的平均比热容cash=0.870 kJ/(kg·℃)，则灰渣排出带走物理热为：

Qash=mashcashtash=

0.2×0.870×150=26(kJ)

④通过立式污泥烘干焚烧炉壁散热损失

计算过程同3.2.2节，Qhl为60 kJ。

⑤总支出热量

Qout=Qev+Qeg+Qash+Qhl=

1 841+824+26+60=2 751(kJ)

(3)热量平衡表

废气出口温度取300 ℃计算所得污泥烘干焚烧炉热量平衡数据如表7所示。

4 结论

以1 kg原状污泥进入立式污泥烘干焚烧炉作为质量计算基准，废气出口温度分别取150 ℃与300 ℃计算可知：若废气出口温度为150 ℃，收

表7 按废气温度为300 ℃计算的热量平衡表Table 7 Heat balance calculated at exhaust gas temperature of 300 ℃

入热量2 805 kJ，支出热量2 140 kJ，收入热量高出支出热量665 kJ，高出约31.07%；若废气出口温度为300 ℃，收入热量2 805 kJ，支出热量2 751 kJ，收入热量高出支出热量54 kJ，高出约1.96%。从两种设定条件计算结果可知，城东污水处理厂污泥理论上可实现自持平衡焚烧，从而实现污泥的减量化、无害化、稳定化处理；后期若再考虑焚烧灰渣在建材方面的应用，还可实现焚烧灰渣的资源化利用。