來源 ：凈水技術(shù)
市政污泥干化熱解工藝分析與熱平衡模型的構(gòu)建
目前，國內(nèi)外有關(guān)污泥熱解技術(shù)的研究大多集中在固定床和流化床等特定處理單元內(nèi)的熱解動力學(xué)、熱解特性以及產(chǎn)物特征等方面，且實驗室規(guī)模的熱解研究往往只聚焦在熱解單元，對于污泥熱解系統(tǒng)的運行過程、尤其是熱解系統(tǒng)的核心問題——能量平衡研究較少，難以為設(shè)備系統(tǒng)化、工程化應(yīng)用提供參考。
因此，研究針對市政污泥干化熱解試生產(chǎn)系統(tǒng)進行了物理模型簡化，并基于能量守恒定律以及熱解的過程參數(shù)，通過數(shù)學(xué)模型定量分析了該系統(tǒng)污泥干化、熱解、熱解氣燃燒過程的能量轉(zhuǎn)換、傳遞和耗散關(guān)系，并對生產(chǎn)運行時污泥初始含水率變化、污泥處理量等不同情景進行了模擬分析；并在此基礎(chǔ)上確定了節(jié)能的方向和環(huán)節(jié)、為污泥熱解技術(shù)的集成化和工業(yè)化應(yīng)用提供了可靠的運行參數(shù)支撐。
01
熱解系統(tǒng)工藝流程
圖1 污泥熱解工藝流程圖
圖1為污泥干化熱解集成系統(tǒng)。市政污水廠污泥(含水率80%)經(jīng)污泥泵送至烘干機，被烘干至特定含水率后，再由螺旋輸送機輸送至造粒機，通過造粒機擠壓成具有一定硬度的顆粒物。污泥顆粒物通過螺旋輸送機輸送至外加熱式回轉(zhuǎn)窯熱解系統(tǒng)進行升溫?zé)峤�，熱解產(chǎn)物經(jīng)冷卻后排出系統(tǒng)。污泥熱解過程中產(chǎn)生的熱解氣含水粉塵、水汽以及焦油，采用“旋風(fēng)除塵+二級洗滌”的方式進行凈化處理，然后熱解氣進入去水分離器，進一步去除隨熱解氣排出的水滴和油滴，最后熱解氣進入燃燒室，與輔助燃料(液化石油氣、天然氣、沼氣等)混合燃燒。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^換熱器為烘干機的冷導(dǎo)熱油管加熱，為烘干機提供熱源，然后高溫?zé)煔膺M入回轉(zhuǎn)窯外部夾套，通過加熱回轉(zhuǎn)窯外壁為回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的污泥熱解提供熱量。
02
模型構(gòu)建
2.1 模型條件設(shè)定
通過建立數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建包括污泥干燥、熱解、熱解氣燃燒等工藝在內(nèi)的整個熱解系統(tǒng)的熱量平衡方程，對污泥熱解系統(tǒng)中各工藝流程的熱耗和整個系統(tǒng)的能量平衡進行評估分析，進而為工程應(yīng)用提供支撐。以下幾點假設(shè)為系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)：
(1)污泥、水、熱解產(chǎn)物等物性參數(shù)不隨溫度改變而改變，并取相應(yīng)工作參數(shù)下的平均數(shù)值；
(2)污泥熱解過程中熱解產(chǎn)物穩(wěn)定，其單位質(zhì)量污泥熱解過程的吸熱量為定值，并可通過差示掃描量熱法測定；
(3)不計造粒、除塵和洗滌等非主要耗熱工藝過程的熱量損失。
基于以上基本假設(shè)，將熱解系統(tǒng)工藝流程分為以下4個步驟。
1)濕污泥含水率80%，經(jīng)烘干機烘干并經(jīng)過造粒機后，污泥造粒的含水率降至30%，其工藝流程如下：
(1)被蒸干部分的水分溫度由25 ℃升至75 ℃，并在此過程蒸發(fā)成水汽，同時干污泥的溫度也由25 ℃升至75 ℃；
(2)導(dǎo)熱油與烘干機換熱效率為90%～95%。
2)造粒后顆粒狀污泥進入熱解回轉(zhuǎn)窯，吸收從煙氣側(cè)傳導(dǎo)過來的熱量，溫度升高，揮發(fā)分析出。其工藝流程為：
(1)污泥的造粒進一步在75 ℃下蒸干；
(2)然后干污泥從75 ℃升至500 ℃進行熱解，升溫速率為10～30 K/min；
(3)熱解回轉(zhuǎn)窯的煙氣與污泥造粒的換熱效率假設(shè)為95%。
3)污泥在回轉(zhuǎn)窯中熱解產(chǎn)生的熱解氣含有揮發(fā)分、水汽，同時攜帶有少量污泥顆粒、焦油等，經(jīng)除塵、二級洗滌和去水分離后只剩下可燃氣體，假設(shè)在這個過程中炭粉、水汽、焦油和可燃氣體均無質(zhì)量損失。
4)輔助燃料和可燃熱解氣體在燃燒室混合燃燒，并經(jīng)換熱器將高溫?zé)煔獾臒崃總鬟f給導(dǎo)熱油，假設(shè)燃燒室的燃燒效率為98%，換熱器在高溫?zé)煔舛说男蕿?5%。
2.2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建
針對上述的4個工藝流程，首先借助儀器設(shè)備測量計算污泥、炭渣熱值和熱解吸熱量等關(guān)鍵參數(shù)，然后基于能量守恒定律建立了各流程熱量平衡的數(shù)學(xué)模型。
(1)烘干機與導(dǎo)熱油的換熱能量平衡如式(1)。
(2)污泥熱解能量平衡如式(2)～式(3)。
(3)燃燒室的能量平衡如式(4)～式(5)。
03
結(jié)果與討論
3.1 污泥的特性分析
3.1.1 污泥的成分分析
污泥和炭渣試驗結(jié)果如表1所示。其中原污泥的碳含量為16.58%，氧含量為10.64%，熱值為7 514 kJ/kg；熱解后的碳渣碳含量為8.16%，氧含量為1.53%，熱值為2 973 kJ/kg。
表1 污泥和碳渣元素分析及工業(yè)分析結(jié)果(干燥基)
3.1.2 污泥熱解的過程參數(shù)
在熱重分析儀上進行污泥的熱解試驗，研究污泥熱解的過程參數(shù)。試驗中，在氮氣氣氛中，設(shè)置升溫速率分別為15、20、30 K/min，氮氣流量為100 mL/min，在達到終溫500 ℃后，維持溫度為500 ℃，使總熱解時間為45 min，觀察在該試驗條件下污泥熱解的程度。由圖2可知,污泥熱解過程吸熱量隨時間的變化規(guī)律。負值表示吸熱，正值表示放熱。對差示掃描熱量曲線(DSC) 積分即可得到污泥熱解過程的吸熱量。計算得到15、20、30 K/min升溫速率下污泥熱解吸熱量分別為203.2、556.2、602.8 kW/kg，平均值為454.1 kW/kg。
圖2 污泥熱解的DSC曲線
3.2 工藝熱平衡分析
根據(jù)以上建立的數(shù)學(xué)模型及設(shè)定取值，可算出各工藝流程的耗熱量以及輔助燃料的投入量。當(dāng)烘干機入口污泥濕度為80%，烘干機出口污泥濕度為30%，回轉(zhuǎn)窯填充率為15%，回轉(zhuǎn)窯進口溫度為650 ℃，出口溫度為300 ℃時，各工藝流程耗熱量計算結(jié)果如圖3所示。此時，回轉(zhuǎn)窯填充率為15%時，回轉(zhuǎn)窯污泥處理量為280 kg/h，整個系統(tǒng)污泥處理量為980 kg/h，以液化石油氣為輔助燃料時，燃料消耗量為10.87 Nm3/h。工藝系統(tǒng)的耗熱量，如圖3所示。
圖3 工藝系統(tǒng)耗熱量
3.3 輔助燃料量隨污泥處理量及含水率變化的預(yù)測
污泥初始含水率和污泥處理量常在一定范圍內(nèi)變動，當(dāng)初始含水率和處理量不同時，輔助燃料燃燒量也應(yīng)有所不同。利用2.2節(jié)建立的數(shù)學(xué)模型，可以研究污泥初始含水率和污泥處理量與輔助燃料消耗量的關(guān)系。輔助燃料采用液化石油氣，其氣相燃燒較為完全，取燃燒效率為98%。假設(shè)回轉(zhuǎn)窯出口煙溫為130 ℃，煙氣各物性參數(shù)按照標準煙氣取值。
3.3.1 污泥含水率變化
污泥初始含水率的變動對烘干機、造粒機、回轉(zhuǎn)窯等設(shè)備的工作參數(shù)均有不同程度的影響，初始含水率從多個途徑影響輔助燃料的消耗量，初始含水率與輔助燃料消耗量關(guān)系較為復(fù)雜。因此，采用對不同工況點進行曲線擬合得到初始含水率與輔助燃料消耗量關(guān)系式。當(dāng)污泥初始含水率變化時，可以由熱平衡得到相應(yīng)的輔助燃料量的消耗量。計算多個污泥初始含水率下輔助燃料的消耗量，得到不同的運行工況點，通過對工況點的擬合可以得到污泥初始含水率與輔助燃料消耗量的關(guān)系式。
當(dāng)回轉(zhuǎn)窯按設(shè)計工況運行時，回轉(zhuǎn)窯填充率為15%，回轉(zhuǎn)窯污泥入窯含水率為30%，污泥初始含水率為80%時，計算得到整套設(shè)備的處理量為980 kg/h。當(dāng)控制污泥處理量為980 kg/h時，污泥初始含水率的變化將影響到輔助燃料的消耗量。污泥初始含水率為55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%和90%時，根據(jù)系統(tǒng)的熱平衡計算相應(yīng)的輔助燃料消耗量，做出散點圖并擬合得到圖4。擬合得到的輔助燃料消耗量與初始含水率關(guān)系如式(6)。
y=-12.17+0.278 9x (6)
其中：y—輔助燃料消耗量，Nm3/h；
x—污泥含水率，相關(guān)系數(shù)為0.998。
圖4 輔助燃料消耗量與污泥初始含水率關(guān)系
圖5 污泥處理量與輔助燃料消耗量關(guān)系
3.3.2 污泥處理量變化
當(dāng)污泥初始含水率為80%時，根據(jù)熱平衡計算得到污泥處理量為680、780、880、980 kg/h和1 080 kg/h時的輔助燃料消耗量并對其進行擬合，可得到污泥處理量與輔助燃料消耗量的關(guān)系式，如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)污泥初始含水率不變時，對污泥處理量作為輸入量，輔助燃料消耗量作為輸出量的系統(tǒng)而言，整套設(shè)備為線性系統(tǒng)，污泥處理量與輔助燃料消耗量存在線性關(guān)系，服從疊加原理。污泥含水率為80%時，污泥處理量與輔助燃料消耗量的關(guān)系如式(7)。
y=0.010 2x (7)
其中：y—輔助燃料消耗量，Nm3/h；
x—污泥處理量，kg/h。
表3給出了不同初始含水率下，輔助燃料消耗量與污泥處理量的相應(yīng)的關(guān)系式。
表3 不同初始含水率下，輔助燃料消耗量與污泥處理量的關(guān)系式
3.4 輔助燃料量隨污泥處理量及含水率變化的預(yù)測與試驗對比
污泥處理量為1 000 kg/h，含水率為80%，由表3可知，ω=0.010 2x 計算得輔助燃料到預(yù)測值為10.2 kg/h，與試驗測量值9.87 kg/h的偏差3.17%，誤差較小。
04
結(jié)論
本文提出了一套可行的污泥集成化熱解系統(tǒng)。
在研究了污泥熱解特性和過程參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用能量守恒定律，對污泥干化熱解集成工藝中的干化、炭化、熱解氣燃燒等過程中的能量轉(zhuǎn)換、傳遞和耗散進行了研究，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，對不同情景進行了分析，結(jié)果為污泥熱解技術(shù)的工業(yè)化和集成化提供了可靠的運行參數(shù)。
(1)原污泥的碳含量為16.58%，氧含量10.64%，熱值7 514 kJ/kg；熱解后的碳渣碳含量為8.16%，氧含量1.53%，熱值2 973 kJ/kg。
(2)通過熱重分析儀，對污泥的污泥熱解吸熱量進行了測定，得到15、20、30 K/min升溫速率下污泥熱解吸熱量分別為203.2、556.2、602.8 kW/kg，平均值為454.1 kW/kg。
(3)當(dāng)污泥干化熱解系統(tǒng)污泥處理量為980 kg/h時，以液化石油氣為輔助燃料時，燃料消耗量為10.87 Nm3/h。
(4)利用該模型求得了燃料消耗量與污泥初始含水率和污泥處理量間的線性回歸方程，分別為：y=-12.17+0.278 9x(x為含水率)和y=0.010 2x(x為污泥處理量)。試驗表明，線性回歸方程的誤差較小，可為污泥熱解技術(shù)的工業(yè)化和集成化提供了可靠的運行參數(shù)。
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校對：黃如詩
劉文彬1，文岳雄2，王越興1，蔡興飛2，黃河洵1，張金松1
(1.深圳市水務(wù)〈集團〉有限公司, 廣東深圳 518031; 2.廣東天源環(huán)境科技有限公司, 廣東深圳 518031)
注：本文發(fā)表在《凈水技術(shù)》2019年第9期“污廢水處理與回用”專欄，略有刪減
