烟气废热/太阳能预干化污泥新工艺*

刘汉桥,原宏梅，王兵帅，耿贵强，徐 仙，杨 伟

（1.天津城建大学能源与安全工程学院，天津 300384;2.天津新生态发展有限公司，天津 300467）

传统的降低污泥含水率的工艺是在200～700℃高温下采用干燥设备（如转鼓式、空心桨叶式、盘式干燥器等）对污泥进行热干化处理，需要消耗煤、油、天然气等一次能源，运行成本较高。另外，由于脱水时污泥中加入了絮凝剂通常呈黏稠胶质状，导致污泥在干燥过程中存在一个特殊的胶粘相阶段（含水率为60%左右），在这一过渡段内污泥极易结块，表面坚硬、里面却仍是稀泥，如果湿污泥直接进入传统干燥器，往往导致干燥热效率低、干燥时间长、能耗大。污泥干化的主要成本在于热能，热能的支出占干化运行成本的80%以上，降低成本的关键在于是否能选择和利用恰当的热源。为降低污泥干燥能耗，威立雅和得利满等水处理公司围绕太阳能干燥污泥技术相继开发了自身的专利技术Solia工艺和Helantis工艺［1］，这些太阳能干燥工艺具有干化温度低、运行费用低廉、操作简单、对环境无污染等优点［2-4］，但其运行受限于外界气候及昼夜变化，难以维持运行的稳定性。翁焕新提出了利用电厂烟气直接干燥污泥工艺，该工艺能将烟气废热有效利用［5］，但烟气与污泥直接接触容易使烟气和污泥交叉污染，干化后产生含有大量臭气的烟气需要再治理。笔者将改进后的太阳能温室干燥技术和电厂烟气废热干燥技术相结合，提出烟气废热/太阳能预干化新工艺。该工艺能将污泥含水率从80%降低到60%以下，再送入传统污泥干燥器进行深度干燥，可实现污泥高效低耗减量化，以降低污泥处理成本，在环境保护、二次资源利用和经济效益方面都有一定意义。

1 整体工艺方案

本工艺热源主要来自电厂烟气余热和太阳能，整个预干化系统如图1所示。由图1可见：①电厂烟气余热通过热管换热器传递给导热油之后再经电厂原有的尾气处理装置由烟囱排除，该过程使烟气在一定程度上降温，减少了空气的热污染。同时导热油在输油泵的作用下循环流动，在换热器中吸热升温后流经太阳能温室的地热管道放出热量加热污泥，冷却后又回到换热器中吸收烟气余热。图1中电厂热源为垃圾发电厂烟气余热，现可利用的电厂类型包括火电厂、热电厂及垃圾焚烧发电厂，而垃圾焚烧发电厂大多都采用了先进的技术，配有完善的尾气处理装置，将污泥送入其中进行干化产生的废气相对而言较易处理。②太阳能温室具有较好的吸光能力，在太阳的辐射下室内温度提高较快，加快了污泥表面的干化速度。为了避免温室中空气含湿量达到饱和以及低温干化下污泥散出恶臭气体，本工艺还在温室中加入通风和除湿除臭装置。可见，温室中的污泥传热途径包括太阳的辐射热、地热的导热、空气的自然对流。温室中污泥的进出料系统则采用半自动化控制，通过输泥泵、移动泥斗、滚动转筒等装置的组合使用达到一个便于控制又便于实现进出料的效果。在太阳能温室中将污泥含水率从80%降低到60%以下，干燥后污泥己经成型为块状或颗粒状，然后输送至传统污泥干燥器进行干燥。

图1 电厂烟气废热/太阳能预干化系统

2 单元工艺说明

2.1 太阳能温室

被动式太阳能温室具有以下优点：能耗小，符合低碳社会的要求；操作维护简单、使用寿命长；系统透明度高，环境协调性好，能部分解决污泥存储的需要［1］。根据气象局资料，京津冀地区一般日照时数约为2 500 h，每平方米年接受的太阳辐射总量在5 000 MJ以上。为此，在利用太阳能低耗高效干化污泥的目标下本工艺将太阳能温室做了改进，图2为改进后的太阳能温室结构。由图2可见，温室的东南西3面都为透明玻璃房墙、1个单坡形式倾角为45°～60°的透明玻璃屋顶以及北面的混凝土集热墙，并把东墙前下角和西墙后上角2个位置作为通风进出口。同时考虑到太阳能本身的间歇性和稀薄性，本工艺在太阳能温室地下铺上地热管道，以导热油作为热载体［6］，导热油的热量来源于电厂大量废热烟气。温室北墙建成一定厚度的混凝土目的在于：①北墙作为本温室玻璃房结构中最高墙体，起到主要承重作用；②混凝土的导热系数小于玻璃的导热系数，当温室内温度升到一定程度之后，北墙起到了减少温室气体对外的热散失的作用；③混凝土的蓄热系数也远大于玻璃的需热系数，可以吸收一定的太阳能并积蓄在墙体内，给温室以保温的作用，而且混凝土墙建在北面，不影响其它几面玻璃阳光的透过。

图2 改进后的太阳能温室结构

2.2 进出泥设备

图3 为本工艺温室自动进出料系统剖面。由图3可见，本工艺通过输泥泵进泥到移动泥斗，移动泥斗铺泥完毕之后转动滚筒定期进行翻泥，最后泥经出泥口送出。整套进出料系统属于半自动化控制，人员在室外操作，人体不会受到室内有害气体的污染，操作简单，投入的人力资源少，而且整个进出泥设备具有较大的处理量。

图3 温室自动进出料系统剖面

利用翻泥系统对污泥进行通风，使其在好氧条件下实现稳定化处理，避免厌氧条件下不良气味的产生，同时保证加热面上的物料更新。半自动化甚至全自动化的翻泥系统，使污泥得到经常性的翻动并混合均一，从而不断翻新蒸发面积，同时也起到供氧作用，避免污泥堆内部出现局部厌氧而释放恶臭气体。翻泥机还可采用如下4种方式［1］：①廊道式翻泥机，自动化程度较高，无需现场操作人员；②机器人装置，可实现全自动化操作控制，典型的有Thermosystems工艺中的Electric Mole和Solia工艺中Solimax装置，集污泥运输和翻动功能为一体；③跨越式翻泥机是自动化程度较高的移动设备，适用于大面积操作；④由农用拖拉机和翻泥机组成，需现场操作人员，适用大面积操作。

2.3 除湿除臭装置

经试验发现，污泥在干化过程中产生大量的水蒸气，如果不采取主动通风装置，温室中空气的含湿量将很快达到饱和，严重阻碍了湿污泥中水分的蒸发，从而影响干化速度和程度。为此，保持温室内一定的通风量是必须的，本工艺中被排风机排出的湿空气通过除湿除臭装置后又经排风机通入温室内，形成一个封闭的空气循环，而且利用了循环温室中热空气的热量，使温室有较好的保温效果。温室的除臭装置采用离子净化系统来处理干化过程中产生的尾气，高能离子净化技术能有效地清除空气中的细菌、可吸入颗粒物、硫化物等有害物质。图4为离子净化系统结构示意［6］。

图4 离子净化系统结构示意

3 干化试验结果及能量衡算

3.1 污泥干化试验研究

建立了1座2t/d的烟气余热/太阳能干化试验装置，图5中试试验装置的主要技术参数及试验结果如下：①污泥处理量2 t/d；②太阳能房面积30 m2；③翻泥频率30 min/次；④换气风量4 m/s；⑤污泥初始含水率79.5%；⑥干化后污泥含水率46.7%。

图5 中试试验装置

3.2 能量衡算

以处理含水率80%污泥100 t/d的规模，按此规模进行放大，以每天工作12 h计，则处理量为8.33 t/h，若假设污泥的密度为1.0×103kg/m3，太阳能房内泥层厚度为2～2.5 cm，则需建1座约420 m2（6m×70m）的太阳能房。整套装置运转操作时所消耗的能源主要是驱动电机和油泵的电耗，约为30 kWh/t。与普通热干化工艺相比，能耗极低。这是因为所需全部热能来自太阳能和烟气废热。运转过程中只需少量电耗，因此是操作费用最低的污泥干化处理工艺。

3.2.1 系统的物量平衡

设定每天处理含水率为80%的污泥100 t，进入太阳能房的污泥经过干燥后含水率降至50%，太阳能房出口的污泥的质量是W1，则：

按每天工作12 h计算，每小时处理污泥量为3.33 t，干燥过程中蒸发水分的量为Wa，Wa=100×80%-40×50%=60（）t。

单位时间内蒸发水分Wa1=60/12=5（t/h）。

3.2.2 热量平衡计算

污泥中水分在常压下蒸发的平均吸热量h为2 675.9 kJ/kg，则每小时耗能的热量QA=2 675.9×3.33×1 000=8 910.75（MJ）。

导热油在干化污泥装置中的传热能耗Q，主要有以下几个方面组成：①加热和蒸发污泥中的水分消耗能量QA占Q的80%左右。②加热污泥和剩余水分消耗的能量QB占Q的2%左右。③设备散热的能耗QC占Q的15%左右。④污泥中有机物分解和打开分子水结合键的能耗QD占Q的3%左右。

则污泥干燥需要的能量为每小时Q总=11138.44（MJ）。

一般在夏季阳光比较好的时候，地面上接受太阳辐照度仅为500～1 000 W/m2，若按600 W/m2计算，则太阳能房顶面积约630 m2，太阳能辐射可提供的热量：

则需要导热油提供的热量为：

烟气的密度为0.796 3 kg/m3，烟气从150℃降低到130℃左右时平均比热Cp=1.043 6 kJ/(kg·K)，以400 t/h的垃圾焚烧炉150℃烟气的排放量540 000 m3/h计算，则：

即150℃烟气经热管换热器放出热量后，以140.6℃的温度排出，对后续烟气的净化及烟囱腐蚀不会产生影响。能量衡算见图6。

图6 能量衡算

4 工艺特点及应用

4.1 投资和运行成本低

本工艺只是在现有电厂废烟气的排放流程中增加污泥干化过程，不需对原有工艺的设备进行改造，添加的设备造价相较于传统的干化设备要低很多。运行时利用废烟气和太阳能作为干化热源热能成本为零，不需再多消耗化石能源等一些日益稀缺的能源，整个运行过程中只需承担一些自动化设备的运行耗电和耗材。

4.2 环保性能好

废烟气热量的利用形式包括直接利用和间接利用，直接加热形式中热源烟气直接成为介质，其热效率接近燃烧效率本身，但会产生同等流量的、与物料有过直接接触的废气，必须经特殊处理后排放；间接利用是将高温烟道气的热量通过热交换器，传给某种介质（可能是导热油、蒸汽或者空气），热量被部分利用后的烟道气则正常排放。本工艺中烟气余热的利用形式为间接利用，烟气与污泥不直接接触，避免了烟气和污泥交叉污染。这种以废治废、变废为宝的工艺方式，环保效益好。

本工艺温室中污泥的干化方式也属于间接干化。其中地热干化污泥，直接通过管道与污泥的导热干化污泥，热载体导热油与污泥分隔开，导热油不受污染，可以循环使用，降低了热载体的消耗。同时间接干化只有少量的废气排出，对废气的控制、净化及臭味的处理，不仅简单而且费用低。间接式干化优异的环保性能、节能特性适应了当代社会对环境和能源的要求。本温室属于密闭操作系统，对外界环境无污染，操作的自动化程度较高，人员室外工作，对人体无污染。

4.3 干燥效率高

污泥在温室中表面干化通过污泥的翻动来不停更新污泥的表面，使污泥表层水分蒸发，同时利用通风系统将含湿气体排出。本工艺中半自动化甚至全自动化的翻泥系统，使污泥得到经常性的翻动并混合均匀，从而不断翻新蒸发面积。这些设备的组合使用在相同的热流量下能大大提高污泥的干燥效率。

间接加热干化的热效率主要体现在尾气上，与直接加热干化相比，它减少了热气体带走的热损失，其能量利用率高，而且本工艺温室气体是个循环体系，将空气带走的热损失降到最低，使温室温度维持在一个较高的水平，进一步提高污泥的干化效率。

温室结构中加入一堵混凝土北墙，既不影响太阳能的吸收而且起到了良好的保温和蓄热的作用，通风系统的加入使温室中的对流换热持续快速进行，提高了污泥表面的干化效率。

5 结束语

随着社会能源消耗低碳化主题的提出和发展，太阳能清洁能源的收集和利用将备受关注，同时废热回收、废物处理也将逐渐成为社会可持续发展的共识。本污泥干化新工艺联合利用太阳能和电厂烟气废热，经预干化后，污泥的含水率己经降60%以下，体积显著减小，此时如在低温干燥或用自然风干燥，可以节省热量，从而大大降低污泥干燥成本。并且合理设计各个系统使其能够实现低耗高效干化污泥，节能减排的同时将污泥资源化利用。该种以废治废，化腐朽为神奇的工艺具有一定的可行性，将得到应用。

［1］顾忠民，杨殿海.太阳能污泥干化在欧洲的应用［J］.四川环境，2008，27（6）:93-96.

［2］宋国华，张振涛，杨鲁伟，等.温室太阳能污泥干化系统的设计及试验研究［J］.中国农业大学学报，2013，18（5）:141-145.

［3］高颖，黄志强.德国太阳能污泥干化处理系统［J］.太阳能，2012（7）:21-26.

［4］陈曦，马文杰.太阳能污泥干化技术应用及其进展［J］.科技信息，2012（27）:435-436.

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［6］张红，杨峻，庄骏，等.热管节能技术［M］.北京:化学工业出版社，2009:80-100.