市政污泥干化焚烧能量平衡分析及工程设计应用

时间：2024-05-22

许鹏

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

0 引言

近年来，市政污泥无害化、资源化处置逐渐成为关注热点。作为一种污泥终端处置工艺，污泥干化焚烧工艺具有减量化程度高、无害化彻底、工艺稳定以及有机物充分利用等优点，在我国主要大中城市得到了较为广泛的应用，同时结合工程项目取得了大量研究成果［1-2］。

能量平衡计算与分析是干化焚烧项目设计及运行的基础，我国已针对污泥干化焚烧能量平衡展开了一系列研究并形成部分结论［3-6］，但主要针对全过程能量研究缺口较大，对与实际工程设计过程相衔接、对子系统各边界参数选取的研究较少。本研究以实际工程设计为基础，搭建市政污泥干化焚烧全系统及各子系统能量平衡模型，通过对全流程、各子系统能量平衡的分析，研究各系统主要边界调节参数选取，以期为市政污泥干化焚烧项目设计参数选取、运行调节提供指导。

1 污泥干化焚烧能量平衡模型的建立

计算模型以目前典型的污泥干化焚烧工艺流程（图1）为例，本次能量平衡模型主要针对干化系统、焚烧系统、空气预热系统、余热锅炉系统展开，烟气处理系统对整体热平衡影响较小，暂以余热锅炉排烟综合考虑。

图1 污泥干化焚烧典型工艺流程Figure 1 Typical process flow of sludge drying and incineration

脱水污泥经干化机干化后进入焚烧炉焚烧，干化机热源采用余热锅炉产生蒸汽及外部补充蒸汽，焚烧炉采用鼓泡流化床焚烧炉，焚烧产生高温烟气进入空预器，空预器中高温烟气与空气换热，产生高温空气作为焚烧炉高温流化风，高温烟气经空预器换热后进入余热锅炉，产生蒸汽为干化系统提供热源，余热锅炉出口烟气温度暂定220 ℃进入烟气处理系统。

本模型计算规模及污泥参数基于某地区污泥干化焚烧项目实际设计规模及项目污泥检测数据确定，主要参数中污泥处理规模为200 t/d（80%含水率），干基为40 t/d；脱水污泥含水率为80%；污泥有机物元素组成见表1。

表1 污泥有机物元素组成Table 1 The organic element composition of sludge

1.1 污泥干化系统能量平衡模型

基于污泥干化机作为研究对象搭建污泥干化系统能量平衡模型如图2 所示，系统输入项包括脱水污泥、干化机干载气、蒸汽；系统输出项包括干化后污泥、干化机湿载气、蒸汽冷凝水及系统热损失。由于污泥干化过程不涉及污泥中有机物潜热变化，因此为简化模型，干化平衡计算中污泥热量仅计算污泥显热。

图2 污泥干化系统能量平衡示意Figure 2 Energy balance schematic of sludge drying system

针对污泥干化机，能量平衡计算式如下所示。

式中：QA1、QA2分别为干化机循环空气带入、带出热量，kJ/h；QS1、QS2分别为干化机进口、出口污泥显热，kJ/h；QST1为干化机进口蒸汽热量，kJ/h；QST2为干化机出口蒸汽冷凝水热量，kJ/h；QW1为干化机散热损失，kJ/h。

式中：TA1、TA2分别为干化机进、出口载气温度，℃；WA1为循环干空气质量，kg/h，与污泥水分蒸发量相关，依据工程经验单位污泥水分蒸发量对应循环干空气质量取值为2.5 kg/kg。cA1为干空气比热，kJ/（kg·℃）；cST1为水蒸气比热，kJ/（kg·℃）；dA1、dA2分别为干化机进、出口载气含湿量，kg/kg；γW为水汽化潜热，取2 500 kJ/kg［7］。

式中：cS1、cS2分别为干化机进、出口污泥比热，根据含水率计算［8］，kJ/（kg·℃）；mS1、mS2为干化系统进、出口污泥质量流量，kg/h；tS1、tS2为干化系统进、出口污泥温度，℃。

QST1、QST2根据蒸汽/冷凝水参数及质量进行计算，QW1按照总热量5%计取。

1.2 污泥焚烧炉能量平衡模型

目前污泥焚烧炉以鼓泡流化床焚烧炉为主，本研究以典型鼓泡流化床焚烧炉炉型对焚烧炉能量平衡进行分析，能量平衡模型如图3 所示。

图3 污泥焚烧系统能量平衡示意Figure 3 Energy balance schematic of sludge incineration system

针对污泥焚烧炉，能量平衡公式如下所示。

污泥在焚烧炉中燃烧释放潜热，因此干化污泥带入热量同时考虑QS2和污泥潜热QS3，QS3取决于污泥的收到基低位发热量，收到基低位发热量与污泥干基低位发热量、进炉污泥含水率有关，干基低位发热量根据元素分析数据利用门捷列夫法估算，如公式（7）～公式（9）所示。

式中：QS3为污泥潜热，kJ/h；qar，net为收到基低位发热量，kJ/kg；qd，net为干基低位发热量，kJ/kg；η为污泥含水率，%。

辅助燃料热量Qg1按照辅助燃料类型计算，通常我国项目采用天然气作为辅助燃料，则Qg1取值为天然气热值与天然气耗量乘积，单位为kJ/h。

助燃空气热量QA3取决于助燃空气量与对应温度下的空气焓。污泥焚烧助燃空气量基于污泥元素分析数据按照公式（10）计算，辅助燃料燃烧助燃空气量（以天然气为例）按照公式（11）计算，实际燃烧空气量按照公式（12）计算。

式中：Car、Har、Oar、Sar分别为污泥收到基C、H、O、S 元素分析数据；VA3为实际燃烧空气量，m3/h；VS1为污泥燃烧理论空气量，m3/h；VS2为辅助燃料燃烧理论空气量，m3/h；Vg1为辅助燃料消耗量，m3/h；qNG为辅助燃料（天然气）收到基低位发热量，kJ/m3；α为过量空气系数。

烟气热量QF1取决于烟气各组分含量及对应烟气温度下各组分焓，其中污泥燃烧各组分含量计算如公式（13）～公式（16）所示。

式中：VRO2、VN2、VH2O、VAIR分别为烟气中RO2、N2、H2O、空气组分量，m3/h，Mar为污泥收到基水分的质量分数，%。

焚烧系统热损失QW2含不完全燃烧热损失、散热损失以及排渣热损失，单位为kJ/h。

1.3 空气预热器、余热锅炉能量平衡模型

空气预热器、余热锅炉能量平衡模型如图4～图5 所示。

图4 空气预热系统能量平衡示意Figure 4 Energy balance schematic of air preheating system

图5 锅炉系统能量平衡示意Figure 5 Energy balance schematic of boiler system

暂不考虑漏风对于系统平衡的影响，则两个平衡中烟气成分与焚烧炉出口烟气成分相同，温度不同。空气预热器中烟气热量用于给焚烧系统空气加热，余热锅炉中烟气热量用于加热锅炉给水产生蒸汽。

针对空气预热器，能量平衡计算式如下所示。

式中：QA4取20 ℃下助燃空气热量，kJ/h；烟气热量QF2根据其他变量求解，kJ/h。

针对余热锅炉，能量平衡计算式如下所示。

式中：QF3取220 ℃下烟气热量，kJ/h，根据烟气热量差值及蒸汽参数计算锅炉蒸发量。

2 污泥干化焚烧能量平衡模型分析及应用

基于搭建的污泥干化焚烧系统的能量平衡模型，针对多种工况进行平衡计算，对污泥干化焚烧系统主要边界条件（表2）进行分析。

表2 污泥能量平衡模型边界参数Table 2 Boundary parameters of sludge energy balance model

2.1 污泥干化焚烧系统自持平衡工况点分析

污泥干化焚烧系统进泥一般以脱水污泥为主，脱水污泥含水率暂按80% 取值。通过干化焚烧系统能量平衡计算，可核算不同热值污泥进入系统后能否维持系统能量平衡，即仅依靠污泥自身能量维持系统能量平衡，无需额外补充辅助能源。

首先基于图2 模型及各参数计算公式，代入表2 边界参数，针对干化系统进行能量平衡计算，干化后污泥含水率按照70%、60%、50%、40%、30% 取值分别代入计算，得到不同干化后含水率条件对应干化系统蒸汽耗量；之后对污泥“焚烧+热量回收”系统进行整体能量平衡计算，图3～图5 各单元模型组合后系统模型如图6 所示。

图6 污泥焚烧及热量回收系统能量平衡示意Figure 6 Energy balance schematic of sludge incineration and heat recycle system

辅助燃料投加量参数取值为0，基于图6 模型及各参数计算公式，带入表2 边界条件及干化系统蒸汽耗量参数，计算不同条件下实现系统平衡对应的干化污泥能量，然后计算得到不同条件下污泥干基低位发热量。通过上述理论计算，不同干化含水率条件下系统平衡对应污泥干基低位发热量如表3 所示。

表3 不同干化含水率下系统自平衡污泥热值Table 3 Self-balancing heat value of sludge under different water content after drying

根据计算结果，污泥干基低位发热量范围为14 200～15 500 kJ/kg 才能满足干化焚烧系统自持平衡。同时根据平衡计算结果，系统自持平衡点与干化后污泥含水率有关，干化出泥含水率越低，系统自持平衡需要的污泥热值越高。

对干化系统、焚烧及热量回收系统与干化后污泥含水率相关的能量损失项进行统计分析，其中干化系统与含水率相关（即水分蒸发量）的能量损失项有：①污泥中水分蒸发为蒸汽进入后续系统能量损失；②干化机循环空气（循环空气量与水分蒸发量成正比）冷凝降温损失；③热源蒸汽放热后冷凝水至锅炉给水温降热损失。

焚烧及热量回收系统与含水率相关的能量损失项主要是焚烧及热量回收系统损失，含排烟损失、散热损失等，其中污泥水分含量主要影响系统排烟损失。各项损失占比如图7 所示。

图7 含水率相关各系统能量损失对照Figure 7 Comparison of energy loss between systems related to water content

干化系统能量损失相比焚烧及热量回收系统略高，因此造成表3 结果中不同干化含水率下的平衡差异。

2.2 系统辅助能源投加分析

由于我国市政污泥干基低位发热量普遍无法达到14 200～15 500 kJ/kg，因此需添加辅助能源才能维持系统平衡。干化焚烧系统辅助能源投加主要有3 种方式。

方式一：辅助燃料（天然气、柴油等）直接注入焚烧炉；

方式二：辅助燃料（天然气、柴油等）通过辅助锅炉燃烧产生蒸汽补充进入干化系统；

方式三：外部补充蒸汽进入干化系统。

选取典型工况污泥干基低位发热量为11 500 kJ/kg、干化后污泥含水率60%，对污泥“焚烧+热量回收”系统进行整体能量平衡计算，得出3 种方式下辅助能源耗量，结果表4 所示。

表4 系统辅助能源成本对比Table 4 Comparison of system auxiliary energy costs

3 种辅助能源方式对应运行成本，直接投加蒸汽成本最低，适合厂址周边有电厂、垃圾焚烧厂等外供蒸汽单位可以进行能源协同的状况。通过辅助锅炉燃烧天然气产生蒸汽补充热量相比直接将天然气注入焚烧炉节省天然气耗量，但需配套独立锅炉房配置辅助锅炉设备，而天然气直接注入焚烧炉则对余热锅炉蒸发能力、烟气系统处理能力等要求更高。实际项目中，建议根据项目实际情况综合考虑分析。

近年来，污泥干化焚烧项目的选址规划也开始结合城市环保静脉产业园规划实施，各类环境项目利用静脉产业园实现协同对于降低项目运行成本具有正向意义。

2.3 焚烧炉入炉含水率分析

按照污泥焚烧炉预热空气温度20 ℃（不预热）、200 ℃（低温预热）以及500 ℃（高温预热）3 种工况计算不同污泥热值下对应设计燃烧温度下的污泥含水率，结果如图8 所示。

图8 不同输入条件下850 ℃炉温对应污泥含水率Figure 8 Sludge moisture content corresponding to 850 ℃furnace temperature under different input conditions

根据分析结果，针对我国多数污泥热值工况（9 000～13 000 kJ/kg），不考虑焚烧炉辅助燃料投加，在空气不预热的设计条件下，污泥含水率范围需控制为45%～60%；在污泥低温预热的条件下，污泥含水率需控制为50%～65%；在污泥高温预热的条件下，污泥含水率需控制为55%～70%。根据前文分析结论，提高焚烧炉入炉污泥含水率有利于降低系统能量损失，同时考虑污泥输送特性等因素，实际工程中，污泥入炉含水率一般控制为60%～70%，同时考虑焚烧炉端投加部分辅助燃料进行燃烧调节。