鼓泡流化床焚燒爐污泥干化焚燒處理特性及能耗研究-

1、文章編號(hào):1004-8774(201102-13-04 第一作者:彭小軍(1976-,2000年畢業(yè)于西安交通大學(xué)熱能工程專業(yè),工程師,從事鍋爐設(shè)計(jì)與固廢焚燒處理研究工作。鼓泡流化床焚燒爐污泥干化焚燒處理特性及能耗研究收稿日期:2010-11-04彭小軍,孫向軍,傅傳運(yùn)(上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院,上海200232摘 要:介紹了鼓泡流化床焚燒爐的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn),并通過對(duì)某污泥焚燒廠中污泥干化和鍋爐余熱利用的熱平衡計(jì)算,全面分析和研究進(jìn)爐污泥含水率等影響污泥干化焚燒系統(tǒng)能耗的重要參數(shù)。關(guān)鍵詞:鼓泡流化床焚燒爐;低位熱值;含水率;熱平衡計(jì)算中圖分類號(hào):TK229 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ASt udy on Ch

2、aracteristics of Sl udge Dry&Inci nerati ng andEnergy Cons u mption i n Bubbli ng FB I nci neratorPENG X iao -jun ,S UN X iang -jun ,FU Chuan -yun(Shanghai Env ironm ental San itati o n Eng i n eer i n g Design I nstitute ,Shangha i 200232,ChinaA bstrac t:Described the structure and techn i ca l

3、 charac teristi cs o f bubb li ng FB i nc i nera t o rs .T hrough the heat ba l ance ca lcu l a ti on for one sl udge i nc i nera tion plant ,ana l yzed and st udied the i m portant para m ete rs wh ich influence t he energy con -sumpti on i n t he sl udge dry &i nc i ne ra tion syste m.K ey wor

4、d s :bubb li ng FB incinera tor ;l ower cal or ific value ;water conten t ;heat balance calcu lation0 前言隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和城市人口日益增多,市政污水處理廠的建設(shè)規(guī)模也不斷擴(kuò)大,導(dǎo)致污水處理后剩余污泥的產(chǎn)量與日俱增。目前污泥處置技術(shù)可分為焚燒、填埋、土地利用等1。污泥焚燒因具有減量化程度高、就地焚燒、無需長距離運(yùn)輸、飛灰可資源化利用等優(yōu)點(diǎn),被公認(rèn)為是最實(shí)用的處理技術(shù)之一。1 污泥焚燒工藝污泥焚燒工藝根據(jù)焚燒方式分為直接焚燒和干燥焚燒兩種。1.1 直接焚燒污泥的直接焚燒是將機(jī)械脫水后的污泥直

5、接送入焚燒爐內(nèi)焚燒。由于目前國內(nèi)機(jī)械脫水污泥含水率很高(含水率一般為80%左右、熱值低,只有在加入輔助燃料(煤、重油、柴油等的情況下,污泥才能燃燒,耗費(fèi)大量能源。另外由于污泥含水量大,焚燒后的尾部煙氣量也比較大,而且煙氣中含有更多的水分也更容易形成酸性氣體的低溫腐蝕。所以焚燒后尾部煙氣的換熱和凈化設(shè)備更大,設(shè)備的材質(zhì)抗腐蝕能力要求更高。這些都會(huì)大大增加工程的投資和系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。很顯然,如果直接采用現(xiàn)有的焚燒爐來焚燒市政污泥,補(bǔ)充輔助燃料是不可避免的,只是補(bǔ)充輔助燃料的多少不同而已。在目前控制資源和能源消耗的條件下,無論從運(yùn)行成本和設(shè)備投資等方面,污泥的直接焚燒正逐漸被干化后焚燒所代替。1.2

6、干化焚燒污泥干化的目的是降低污泥的含水量,滿足在焚燒時(shí)無需添加常規(guī)燃料而自持焚燒的工藝條件。根據(jù)國內(nèi)外污泥焚燒的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),自持焚燒所需的最低污泥熱值為33504000kJ/kg 。污泥干化通常分為全干化(進(jìn)爐污泥含固率>90%和半干化(進(jìn)爐污泥含固率<90%2。污泥全干化后熱值較高且容易產(chǎn)生粉塵,存在自燃自爆的危險(xiǎn)。另外由于蒸發(fā)的水分過多,需要從外部消耗大量的熱能,不是很經(jīng)濟(jì),目前這一工藝也不太適合我國的國情,而半干法只需要降低污泥含水率,滿足焚燒時(shí)無需添加輔助燃料。重慶市曾對(duì)主城區(qū)城市污水處理廠污泥熱值做過研究,由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出,該地區(qū)污水廠污泥具有自持燃燒特性時(shí)的最高含水率為68

7、%。由于污泥半干法沒有爆炸的危險(xiǎn),而且能耗低,所以是目前比較經(jīng)濟(jì)的干化處理方式。2 污泥焚燒核心設(shè)備介紹2.1 鼓泡流化床焚燒爐整個(gè)污泥干化焚燒系統(tǒng)的核心在于焚燒爐。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),過去20多年污泥焚燒處理中約有65%以上的污泥是通過鼓泡流化床焚燒爐實(shí)施焚燒處理的3。鼓泡流化床焚燒爐的結(jié)構(gòu)主要包括爐本體、爐體框架、耐火材料、布風(fēng)裝置幾部分。主體設(shè)備是一個(gè)圓柱形反應(yīng)器,反應(yīng)室內(nèi)無運(yùn)動(dòng)部件。反應(yīng)器的下部設(shè)計(jì)成圓錐形,設(shè)有氣體分配板,圓錐內(nèi)充滿可被空氣流化的砂。流化床焚燒爐配有常規(guī)的燃料燃燒器,一般在設(shè)備啟動(dòng)時(shí),或者污泥熱值不足的情況下,通過添加輔助燃料完成燃燒。典型的鼓泡式流化床焚燒爐見圖1。 圖1

8、 典型的鼓泡式流化床焚燒爐結(jié)構(gòu)圖焚燒爐運(yùn)行時(shí)空氣自下而上通過分配板,穿過污泥固體顆粒隨意填充狀態(tài)的料層。當(dāng)鼓泡焚燒爐內(nèi)空氣流速達(dá)到一定值時(shí),靜止的料層開始松動(dòng),當(dāng)氣流速度超過臨界流化速度時(shí),污泥顆粒在空氣中的浮力之和大于或等于其重力時(shí),料層中顆粒便呈上下翻騰的沸騰狀態(tài)。污泥自爐側(cè)或爐頂添加,并在流化床層內(nèi)進(jìn)行干燥、粉碎、氣化等過程,迅速形成燃燒。2.2 鼓泡流化床焚燒爐的技術(shù)特點(diǎn)與其它焚燒設(shè)備比較,鼓泡流化床焚燒爐具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)。(1燃料適應(yīng)性廣。流化床焚燒爐爐內(nèi)流化層完全混合,燃燒十分劇烈,這為新投入燃料的預(yù)熱、著火提供便利,同時(shí)增加了燃料在爐內(nèi)反應(yīng)停留時(shí)間,多次參與床層劇烈的熱量和質(zhì)量交

9、換,有利于其燃盡。流化床焚燒爐不僅適合于煙煤、褐煤等易燃煤種,還可以高效燃燒低熱值、高水分的固體垃圾和污泥等。(2截面熱強(qiáng)度高。據(jù)資料顯示,流化床的爐膛截面熱強(qiáng)度可達(dá)0151.5MW /m 2,爐膛容積熱負(fù)荷達(dá)到1.72.1MW /m 3。(3負(fù)荷變化范圍大,調(diào)節(jié)特性好。由于燃料著火和燃燒條件很好,無需考慮低負(fù)荷時(shí)因?yàn)闋t膛溫度降低而滅火,所以負(fù)荷調(diào)節(jié)性能很好。鼓泡流化床焚燒爐可在25%110%的負(fù)荷范圍內(nèi)正常運(yùn)行4。(4污染物排放少。流化床的焚燒溫度過高將會(huì)導(dǎo)致燃料結(jié)渣。為防止結(jié)渣,通常流化床的平均溫度控制在850950e 。這一溫度區(qū)間正是脫硫反應(yīng)效率最佳溫度區(qū)間,可獲得80%90%的脫硫率

10、。同樣,由于較低的燃燒溫度,可以減少NO x 的生成,對(duì)減輕煙氣中NO x 對(duì)環(huán)境的污染有利。鼓泡流化床焚燒爐也存在壓力損失(或電耗大、受熱面磨損嚴(yán)重、熱效率較低等不足。隨著國內(nèi)外對(duì)流化床焚燒爐深入研究和不斷實(shí)踐,上述問題應(yīng)該能夠制定出合理有效、切實(shí)可行的方法,逐步完善其在污泥等焚燒處理工藝中的運(yùn)用。3 污泥干化焚燒熱平衡計(jì)算及能耗分析污泥焚燒系統(tǒng)的熱能平衡對(duì)整個(gè)系統(tǒng)都是至關(guān)重要的,通過熱能平衡計(jì)算可以找到整個(gè)系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)參數(shù),從而最大限度地利用污泥的熱量而減少能耗。通常污泥的高位熱值Q gw (即干基熱值和污泥的元素成分都可以通過取樣檢測得出匯總數(shù)據(jù)。由于燃料中的水分焚燒后都是以蒸汽的形式

11、被排放,這部分水蒸氣的潛熱都未被利用,因此焚燒爐的熱力計(jì)算都采用燃料的低位熱值Q d w ,而進(jìn)爐焚燒污泥的低位熱值Q d w 與污泥含水率和高位熱值的關(guān)系如式(1。Q dw =Q gw (1-W -25.1(W +9H (1式中 Q d w 低位發(fā)熱值,kJ/kg Q gw 高位發(fā)熱值,kJ /kgW 進(jìn)爐污泥水的質(zhì)量百分?jǐn)?shù),%H 進(jìn)爐污泥氫元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù),%我們以某污泥焚燒廠為例,通過對(duì)該工程中污泥干化和焚燒的熱平衡計(jì)算,對(duì)污泥焚燒工藝中的重要參數(shù)(如進(jìn)爐污泥含水率和污泥低位熱值等及整個(gè)系統(tǒng)能耗進(jìn)行比較研究。3.1 工程簡介該污泥焚燒廠采用干化焚燒技術(shù),處理干污泥規(guī)模為240t/d 。機(jī)械

12、脫水后污泥含水率為78%,干污泥高位熱值為11500kJ/kg 。機(jī)械脫水后的污泥先進(jìn)入干化機(jī),將污泥的含水率由78%降至30%55%,然后送入鼓泡流化床焚燒爐進(jìn)行焚燒,利用焚燒爐煙氣余熱產(chǎn)生的蒸汽來干化脫水污泥。由于污泥焚燒后產(chǎn)生蒸汽的熱能不能完全干化全部的濕污泥,還需要從外部供熱管網(wǎng)引入蒸汽作為補(bǔ)充。污泥干化焚燒流程見圖2 。圖2 污泥焚燒主工藝流程圖3.2 工程的熱能平衡計(jì)算根據(jù)工程的設(shè)計(jì)參數(shù)可以對(duì)本項(xiàng)目的干化和焚燒系統(tǒng)進(jìn)行熱能平衡計(jì)算。我們對(duì)進(jìn)爐污泥含水率為30%、40%、50%、55%的4種工況下的污泥干化焚燒系統(tǒng)能耗進(jìn)行了計(jì)算,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較研究。熱能平衡計(jì)算中主要考慮干化機(jī)

13、和余熱鍋爐兩個(gè)部分。干化機(jī)總體的輸入熱量考慮干污泥和水的熱量及外部蒸汽輸入熱量,總體輸出熱量則包括干化機(jī)熱損失、蒸發(fā)的水蒸氣熱量、冷凝水及加熱后的進(jìn)爐污泥的顯熱。余熱爐總體的輸入熱量考慮污泥的物理顯熱和污泥輸入熱量,通過鍋爐的熱效率(設(shè)定為67%計(jì)算出進(jìn)爐污泥燃燒后可產(chǎn)生的蒸汽量。計(jì)算數(shù)據(jù)見表1。表1 污泥干化焚燒物料和熱平衡計(jì)算表計(jì)算項(xiàng)目進(jìn)爐污泥含水率30%40%50%55%干污泥量/(t #h -16.256.256.256.25干化機(jī)需蒸發(fā)的水量D 0/(t #h -119.4817.9915.9114.52干化后的污泥量/(t #h -18.9310.4212.5013.89干化機(jī)的換

14、熱量/(M J #h -152781.6049292.1044406.8041149.10干化機(jī)所需加熱蒸汽量D 1/(t #h -125.6723.9721.5920.01進(jìn)爐污泥低位熱值Q dw /(kJ #kg -16634.405328.104021.703368.60余熱鍋爐總輸入熱量/(M J #h -160837.1057663.1053219.6050257.20余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽量D 2/(t #h -118.2517.3015.9715.08需要外部加入蒸汽量D /(t #h -17.426.675.624.93進(jìn)爐污泥焚燒后煙氣量/(Nm 3#h -131510.00333

15、55.0035940.0037660.00煙氣中的水蒸氣量/(Nm 3#h -16640.008480.0011070.0012790.00注:¹表1中污泥焚燒后產(chǎn)生的煙氣量是根據(jù)污泥的元素成分計(jì)算得出大概值,其中焚燒爐的過量空氣系數(shù)取1.4;º計(jì)算過程中污泥干固體比熱設(shè)定為1.05kJ/(kg e 。3.3 計(jì)算數(shù)據(jù)比較分析由表1可以看出,當(dāng)進(jìn)爐污泥含水率在55%時(shí),低位熱值為3368.6kJ/kg(>3350kJ/kg。因此設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)爐污泥含水率必須保證在55%以下才滿足自持燃燒的要求。通過表1還可以看出進(jìn)入焚燒爐的污泥含水率越高,干化機(jī)需要從外部補(bǔ)充的加熱蒸汽越少

16、。在進(jìn)污泥含水率為55%時(shí)需要外加蒸汽為4.93t/h ,小于含水率為30%的7.42t/h。主要原因是流化床焚燒爐效率較低(67%,通過干化蒸發(fā)掉濕污泥中的水分雖然增加了進(jìn)爐污泥的燃燒熱值,但這部分增加的熱值卻在焚燒爐內(nèi)進(jìn)行熱交換時(shí)損失更多。因此,從整個(gè)干化焚燒系統(tǒng)能耗上考慮,在保證進(jìn)爐污泥可以自持燃燒的條件下,污泥含水率越高干化焚燒系統(tǒng)的熱能利用效率最高,系統(tǒng)能耗最低,運(yùn)營成本也最低。另外進(jìn)爐污泥含水率高也意味著干化機(jī)蒸發(fā)水分減少,干化設(shè)備規(guī)模減小也可降低干化系統(tǒng)的投資。由表1還可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)爐污泥含水率越高,污泥焚燒后產(chǎn)生的煙氣量也越多。主要是因?yàn)檫M(jìn)爐污泥干固體量相同,均為6.25t/h,而

17、含水率的不同造成尾部煙氣中水蒸氣含量會(huì)有所不同,即不同含水率污泥焚燒后煙氣的差值即為水蒸氣的含量差值。當(dāng)含水率在55%時(shí)污泥焚燒后尾部煙氣中水蒸氣所占的體積百分比高達(dá)34%。因此當(dāng)進(jìn)爐污泥含水率高時(shí),雖然可以使系統(tǒng)能耗降低,但是卻比含水率低時(shí)產(chǎn)生更多的尾部煙氣,這也會(huì)增加尾部煙氣處理設(shè)備的投資。此外,煙氣中水蒸氣含量越高,在燃料中硫分相同的條件下煙氣中硫酸蒸汽濃度也越高,這也會(huì)使鍋爐尾部受熱面(如省煤器和空預(yù)器的低溫腐蝕加劇而增加檢修費(fèi)用。盡管進(jìn)爐污泥含水率高會(huì)降低干化系統(tǒng)的投資,但由于焚燒后的尾部煙氣成分復(fù)雜,處理難度更大,所以從總體上考慮,污泥含水率越高在前期設(shè)備上投入也越多。4結(jié)論隨著我國城市人口的增加及土地資源的稀缺,市政污水處理后的污泥處理問題日益嚴(yán)峻。污泥焚燒的處理方式因其減量化、無害化、資源化的優(yōu)勢越來越受到關(guān)注,目前在我國的上海、深圳和成都等大城市都有污泥干化焚燒的項(xiàng)目實(shí)施,而鼓泡流化床焚燒爐由于具有燃燒速度快、燃燒調(diào)節(jié)性好及燃燒后污染物排放少的優(yōu)勢,因此必將在國內(nèi)污泥焚燒領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。熱能平衡對(duì)于整個(gè)污泥焚燒系統(tǒng)至關(guān)重要,進(jìn)爐污泥含水率和焚燒爐熱效率等參數(shù)都是影響污泥干化焚燒系統(tǒng)熱能平衡的重要因素。通過計(jì)