污泥高干脫水和熱解炭化組合工藝的應(yīng)用

程 俊 何光亞 張 娜

安徽省通源環(huán)境節(jié)能股份有限公司，安徽合肥 230031

污泥的產(chǎn)生在人類活動中是不可避免的，大量污泥通常被任意堆放和投棄，對環(huán)境造成了新的污染，如何將這些污泥妥善處理已成為全球共同關(guān)注的課題。近年來，國家對污泥處理處置相關(guān)政策的出臺和人們不斷對污泥處理處置的重視，不斷涌現(xiàn)出各類污泥處理處置技術(shù)，主要包括：石灰穩(wěn)定化、高干脫水、厭氧消化、好氧堆肥、污泥焚燒、電滲透、真空熱干化、污泥熱干化和污泥熱解炭化等技術(shù)[1-3]。

1 高干脫水技術(shù)

污泥高干脫水設(shè)備市場上常用的有兩種，分別為高壓鋼制板框壓濾機(jī)和膈膜壓濾機(jī)。高干脫水技術(shù)比較成熟，在此不再贅述。

2 污泥熱解炭化技術(shù)

污泥炭化是利用污泥中有機(jī)物的熱不穩(wěn)定性，在缺氧條件下對其加熱，使有機(jī)物產(chǎn)生熱裂解，形成利用價值較高的氣相和固相，這些產(chǎn)品具有易儲存、易運輸及使用方便等特點，為實現(xiàn)污泥“四化”提供了有效途徑。

污泥熱解炭化主要由兩種工藝組合，一種為含水率80%直接熱處理進(jìn)行炭化，另外一種為機(jī)械脫水后污泥含水率50%進(jìn)行熱處理炭化，下面從能量衡算和直接處理成本上對兩種工藝組合進(jìn)行比較。

3 污泥高干脫水和熱解炭化組合工藝

此工藝最大特點為通過機(jī)械脫水，最大限度降低污泥含水率，從而實現(xiàn)污泥的減量化，而且在減量過程中，將污泥中的有機(jī)質(zhì)保持下來，降低后續(xù)污泥炭化的生產(chǎn)負(fù)荷，提供高熱值物料。通過計算獲得，越低含水率的污泥，在后端的熱解炭化過程中，需要消耗的能源越低，從而盡可能地降低后端運行成本。

3.1 工藝成本初步計算

3.1.1 含水率80%的污泥直接烘干熱解炭化成本計算

1t含水率80%的污泥直接通過烘干降低含水率至20%的成本計算。理論需求熱量計算公式：

式中：C—水的比熱，4.2kJ/（kg·℃）；（t-t1）—蒸發(fā)水量；q—水的蒸發(fā)潛熱，2260.00kJ/kg；

Q=4.2×（1000×80%-250×20%）×80+2260×（1000×80%-250×20%）=1947000kJ

（1）烘干需求生物質(zhì)成本：烘干設(shè)備熱效率按70%計算[3]，生物質(zhì)按照4000kcal/kg，單價按照0.80元/kg計算：

[（Q/4.18）/70%/4000]×0.80=133.08元。

（2）炭化需求生物質(zhì)成本：處理量（X）：250kg原料含水率（S1）：20%；產(chǎn)物含水率（S2）：1%；熱源：生物質(zhì)顆粒燃燒。

加熱方式：間接，爐內(nèi)溫度：400℃；爐內(nèi)滯留時間：20min；原料溫度（ta）：50℃。

①炭化熱量計算：

水分蒸發(fā)量：Wa=X×（S1-S2）/（1-S2）=250×0.19/0.99=47.98kg；

絕干泥量 ：（Y）=X-Wa=202.02kg。

②炭化需要熱量計算：

a.原料中水分加熱到100℃（tb）所需熱量qa：

b.水分蒸發(fā)熱量qb：100℃的蒸發(fā)潛熱Qdj=539kcal/kg，

Qb=Qdj×Wa=539×47.98=25861.22kcal；

c.水蒸氣溫度上升熱量qc：

水蒸氣比熱Cj=0.48kcal/（kg·℃ ），出口溫度td=400℃，

Qc=Wa×Cj×（td-100）=47.98×0.48×300=6909.12kcal；

d.絕干泥上升熱量qd：

絕干泥比熱：Ck=0.4kcal/（kg·℃），產(chǎn)品溫度tc=300℃；

但之后何冰的表情忽然細(xì)微地變化了一下。她坐在正對窗口的位置，對面就是一家酒店，從包廂里能很清楚地看見出入酒店的人。

Qd=Y×Ck×（tc-ta）=202.02×0.4×（300-50）=20202kcal；

e.放熱量：

放熱率800kcal/m2；放熱面積=24m2；qe=800×24=19200kcal；

f.合計熱量（qt）：

Qt=qa+qb+qc+qd+qe=74684.34kcal；

g.實際需求熱量：

炭化機(jī)設(shè)備熱效率按照35%考慮，得到：

Qs=Qt/35%=213383.71kcal；

h.生物質(zhì)成本 ：Qs/4000×0.8=42.67元。

（3）電耗成本：125×4×0.85=425元。

（4）總成本：133.08+42.67+425=600.75元。

3.1.2 含水率50%通過高干脫水后烘干熱解成本計算

通過高壓脫水后，將含水率從80%降至50%后進(jìn)行烘干至含水率20%所需要成本計算。

（1）高干脫水成本：根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗估算，通過高壓板框壓濾機(jī)進(jìn)行深度脫水污泥含水率從80%降低至50%所需要的藥劑及電耗成本在70元/t。

（2）烘干需求生物質(zhì)成本：含水率50%高干污泥烘干至含水率20%所需要成本計算：

Q=C×M×（t-t1）+q×（t-t1）=389400kJ ；

生物質(zhì)成本[（Q/4.18）/70%/4000]×0.80=26.6元。

（3）炭化需求生物質(zhì)成本：炭化需要生物質(zhì)成本為42.67元。

（4）電耗成本：125×0.8×0.85=85元。

（5）需要總成本：70+26.6+42.67+85=224.27元。

3.1.3 兩個工藝成本比較

以上數(shù)據(jù)計算過程中，僅考慮藥劑、燃料和電耗成本，未考慮人工、設(shè)備折舊費用等。在熱處理過程中，未考慮煙氣熱量回用和煙氣中可燃?xì)怏w的燃燒供熱部分。

含水率80%的污泥直接通過烘干后進(jìn)行熱解炭化相對于含水率80%的污泥通過高干脫水后進(jìn)行烘干熱解炭化成本明顯較高。這主要是因為機(jī)械脫水效率遠(yuǎn)高于熱處理效率，但機(jī)械脫水將污泥含水率降低至50%為其極限值，需要借助熱處理方式，進(jìn)一步進(jìn)行脫水實現(xiàn)污泥的“四化”。

4 結(jié)語

國外學(xué)者Vesilind 和Marte 提出污泥中所含的水分主要有四種，即自由水、間隙水、表面水和結(jié)合水[4]。自由水是指沒有與污泥顆粒結(jié)合的水分，可以通過重力濃縮去掉。間隙水是指膠羽和有機(jī)物之間的裂縫、間隙中的水分，可以通過機(jī)械脫水脫除。表面水是指由于水分子的分子結(jié)構(gòu)，被固定在污泥顆粒表面的水分，機(jī)械脫水無法去除。結(jié)合水是指經(jīng)過水合作用，通過化學(xué)方式與顆粒結(jié)合的水分，可以加熱破壞顆粒而釋放。

由于不同水分與污泥顆粒的結(jié)合方式和能力各不相同，去除不同水分所需要的能耗也不同[5]。自由水或調(diào)質(zhì)釋放出來的吸附水可通過重力濃縮去除，所需要的能耗約為10-3kWh/m3；結(jié)合水通過機(jī)械脫水去除，所需要能耗約為1kWh/m3；細(xì)胞水通過熱處理去除，所需要能耗約為103kWh/m3。由此可見，濃縮工藝的能耗大大低于機(jī)械脫水工藝的能耗，機(jī)械脫水工藝的能耗又大大低于熱處理工藝的能耗，因此可以得出這樣的污泥處理原則：盡量采用濃縮法和機(jī)械脫水法去除更多的水分，來減少后續(xù)熱處理的污泥量和蒸發(fā)量，可以大大節(jié)省總能耗。污泥高干脫水和熱解炭化組合工藝充分利用了該原則，實現(xiàn)降低污泥含水率之后的資源化利用，可以減少能耗、運行經(jīng)濟(jì)、安全可靠、操作方便，具有很好應(yīng)用前景。