流化床富氧焚燒含油污泥技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

海云龍，閻維平，張旭輝

（1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.北京國(guó)電富通科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100070）

固廢處理

流化床富氧焚燒含油污泥技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

海云龍1，閻維平1，張旭輝2

（1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.北京國(guó)電富通科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100070）

介紹了流化床富氧焚燒含油污泥技術(shù)的流程和優(yōu)勢(shì)，計(jì)算了富氧焚燒含油污泥系統(tǒng)主要設(shè)備的電耗和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。流化床富氧焚燒含油污泥技術(shù)可實(shí)現(xiàn)煙氣及其他污染物零排放，產(chǎn)生的蒸汽可直接供應(yīng)油田生產(chǎn)和生活使用，產(chǎn)生的液態(tài)CO2可直接用于油井驅(qū)油，煙氣中的SO2和NOx可轉(zhuǎn)化為硫酸和硝酸。采用日處理200 t含油污泥的流化床鍋爐年處理含油污泥量約73 kt，每年減少排污費(fèi)7 300萬(wàn)元；鍋爐年產(chǎn)蒸汽量約177 kt，每年節(jié)約蒸汽費(fèi)用1 380.6萬(wàn)元，合計(jì)每年節(jié)約成本8 680.6萬(wàn)元。回收得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的稀硫酸5.56 t/d，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%的硝酸0.708 t/d，年回收CO2約99 kt。

含油污泥；富氧焚燒；流化床；鍋爐

含油污泥是在油田開(kāi)發(fā)、儲(chǔ)運(yùn)及煉制過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物。含油污泥含水率為40%～90%，含油率為10%～50%，其中含有大量的致癌物質(zhì)如苯系物、酚類、芘、蒽等以及重金屬如砷、汞、鉻等［1］，若不加以處理，不僅浪費(fèi)資源，而且污染環(huán)境。目前我國(guó)含油污泥處理方法主要有填埋法、熱烘干法、生物法、物理化學(xué)法、焚燒法等［2］。焚燒法具有減重減容率高、處理量大、處理速度快、

無(wú)害化較徹底、余熱可用于發(fā)電或供熱等優(yōu)點(diǎn)。污泥干化焚燒工藝是目前國(guó)內(nèi)外最常用的污泥焚燒處理方式，而整個(gè)工藝的核心部分是污泥干化技術(shù)，它對(duì)整個(gè)污泥干化焚燒系統(tǒng)能否連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行以及處理成本起到?jīng)Q定性的作用［3］。污泥焚燒會(huì)帶來(lái)二次污染，污染物包括粉塵、SO2、NOx、重金屬和劇毒物質(zhì)二噁英等。流化床燃燒技術(shù)具有燃燒效率高、燃料適應(yīng)性廣、污染物排放量低的特點(diǎn)［4］，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。富氧焚燒含油污泥技術(shù)借鑒了燃煤火電廠富氧燃燒捕集與封存CO2技術(shù)［5-6］，已有學(xué)者將富氧焚燒與煙氣壓縮液化處理技術(shù)應(yīng)用于垃圾焚燒鍋爐［7-10］。

本工作將富氧焚燒技術(shù)應(yīng)用于流化床鍋爐，詳細(xì)介紹了流化床富氧焚燒含油污泥技術(shù)的流程和優(yōu)勢(shì)，計(jì)算了富氧焚燒含油污泥系統(tǒng)主要設(shè)備的電耗與主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并結(jié)合富氧焚燒CO2煙氣壓縮工藝及脫硫脫硝技術(shù)計(jì)算了富氧焚燒含油污泥煙氣中SO2、NOx轉(zhuǎn)化為硫酸、硝酸的量及回收CO2的量。

1 流化床富氧焚燒含油污泥技術(shù)流程

流化床富氧焚燒含油污泥流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 流化床富氧焚燒含油污泥流程圖

該流程為：用泵將含油污泥送入流化床鍋爐內(nèi)，由制氧裝置制得的高濃度氧氣經(jīng)氣-氣換熱器預(yù)熱后通過(guò)布風(fēng)擋板送入流化床鍋爐內(nèi)。送入爐膛內(nèi)的含油污泥靠自身重力下落，與氧氣逆向混合，經(jīng)干燥、熱解、氣化、燃燒。

含油污泥與氧氣燃燒產(chǎn)生的煙氣主要成分為CO2和水蒸氣。高溫?zé)煔饨?jīng)過(guò)鍋爐受熱面將熱量傳遞給工質(zhì)水，產(chǎn)生蒸汽，供應(yīng)油田生產(chǎn)、生活使用。鍋爐出口的煙氣經(jīng)除塵器除塵后進(jìn)入氣-氣換熱器加熱經(jīng)制氧裝置制取的氧氣，氣-氣換熱器出口的煙氣進(jìn)入冷凝器冷卻，煙氣冷卻釋放的氣化潛熱和水蒸氣的凝結(jié)放熱用于加熱鍋爐給水，排出的煙氣進(jìn)入直接接觸式冷卻器（DCC）進(jìn)一步冷卻降溫，煙氣最后進(jìn)入CO2壓縮凈化系統(tǒng)，經(jīng)液化、壓縮的液態(tài)CO2再經(jīng)過(guò)泵加壓用于油井驅(qū)油。在CO2壓縮過(guò)程中需要級(jí)間冷卻器冷卻，回收的熱量可用于加熱鍋爐給水。從排渣口排出的灰渣和金屬經(jīng)冷渣器冷卻至150 ℃并回收熱量，回收的熱量可用于預(yù)熱氧氣等。采用分選機(jī)從冷卻后的灰渣中分選出無(wú)機(jī)殘?jiān)徒饘伲瑹o(wú)機(jī)殘?jiān)捎米鹘ㄖ牧?，金屬可回收利用?/p>

2 富氧焚燒含油污泥技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1）由于含油污泥中水分含量較高，空氣焚燒工況下焚燒溫度很低，通常需要輔助燃料。目前常用的污泥焚燒方式是先干化后焚燒，污泥干化設(shè)備價(jià)格昂貴，采用富氧焚燒技術(shù)可以降低設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用，節(jié)約成本。

2）常規(guī)的污泥焚燒鍋爐存在引風(fēng)機(jī)的嚴(yán)重腐蝕問(wèn)題，富氧焚燒污泥技術(shù)無(wú)需送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)。采用變壓吸附制氧技術(shù)氧氣出口壓力可達(dá)0.3 MPa，利用氧氣的壓力即可維持流化床鍋爐微正壓運(yùn)行且克服煙氣側(cè)沿程阻力。

3）由于鼓泡流化床需要的流化風(fēng)速較低，且富氧燃燒的流化床鍋爐的爐膛截面積大幅度降低，經(jīng)計(jì)算，僅在氧氣含量為95%（φ）條件下可以滿足流化風(fēng)速的要求，不需要煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)取消了高溫?zé)煔庠傺h(huán)風(fēng)機(jī)和管道設(shè)備。

4）采用富氧焚燒污泥技術(shù)，煙氣排放量大幅減少，鍋爐排煙損失降低，其他各項(xiàng)損失相比傳統(tǒng)的污泥焚燒技術(shù)也有所降低，鍋爐燃燒效率有所提高。

5）捕集全部燃燒產(chǎn)物是富氧焚燒含油污泥技術(shù)最突出的特點(diǎn)，含油污泥焚燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)除塵器除塵后繼續(xù)冷卻降溫脫水，由于常溫常壓下二噁英為無(wú)色無(wú)味的固態(tài)顆粒，隨著煙氣溫度的降低，二噁英會(huì)從煙氣中凝結(jié)析出，從而達(dá)到去除二噁英的目的。在CO2壓縮液化過(guò)程中，高壓低溫條件可顯著提高NO的氧化速率，煙氣中脫硫脫硝的反應(yīng)速率加快，無(wú)需任何催化劑，可在富氧焚燒煙氣壓縮過(guò)程中聯(lián)合脫除NOx和SO2等酸性氣體［12-13］，與常規(guī)空氣焚燒含油污泥相比省去了復(fù)雜昂貴的煙氣凈化裝置，還能得到酸溶液，可作為化工產(chǎn)品出售獲得額外的收益，從而抵消部分制氧成本。

6）因?yàn)樵摷夹g(shù)基本實(shí)現(xiàn)焚燒污染物的零排放，含油污泥處理廠可建在油田附近，減少了含油污泥的運(yùn)輸費(fèi)用，焚燒含油污泥余熱利用產(chǎn)生的蒸汽可直接供應(yīng)油田生產(chǎn)、生活使用；經(jīng)煙氣處理單元產(chǎn)生的高壓高純度液態(tài)CO2也可直接用于油井驅(qū)油，減少了CO2作為化學(xué)產(chǎn)品出售帶來(lái)的運(yùn)輸成本，減少了碳排放。

3 富氧焚燒含油污泥的經(jīng)濟(jì)性

采用氧氣含量為95%（φ）、過(guò)量空氣系數(shù)為1.1進(jìn)行計(jì)算，含油污泥的元素組成及發(fā)熱量見(jiàn)表1，流化床鍋爐主要額定參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 含油污泥的元素組成及發(fā)熱量

表2 流化床鍋爐主要額定參數(shù)

3.1 流化床鍋爐的熱效率

采用遼河油田含油污泥，不摻燒任何輔助燃料，計(jì)算得到的煙氣組分見(jiàn)表3。富氧焚燒含油污泥系統(tǒng)的主要熱力參數(shù)見(jiàn)表4。富氧焚燒含油污泥的鍋爐熱效率見(jiàn)表5。

表3 富氧焚燒含油污泥的煙氣組分

表5 富氧焚燒含油污泥流化床鍋爐熱效率

由表3可見(jiàn)，煙氣中水分含量較高，使煙氣中水分凝結(jié)溫度達(dá)到86 ℃，可利用潛熱吸熱式排煙冷凝器回收這部分熱量。鍋爐排出的煙氣經(jīng)過(guò)潛熱吸熱式排煙冷凝器后溫度由150 ℃降至60 ℃，回收的水蒸氣凝結(jié)放熱和煙氣的顯熱可用于加熱鍋爐給水，使給水溫度從20 ℃加熱到40 ℃。

3.2 變壓吸附制氧和CO2壓縮液化的電耗

變壓吸附技術(shù)制氧的功耗為0.28～0.38（kW·h）/m3，且變壓吸附技術(shù)具有流程簡(jiǎn)單、設(shè)備易于制造、啟動(dòng)迅速、可隨時(shí)停機(jī)、產(chǎn)品純度可任意調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)［14-15］。

在常壓富氧焚燒后的CO2煙氣壓縮過(guò)程中，需要將CO2壓縮到10 MPa以備輸送或埋存，常壓富氧焚燒CO2煙氣壓縮電耗（W，kW）的計(jì)算公式見(jiàn)式（1）～（3）［16］。

式中：W1為CO2液化前煙氣在壓縮機(jī)中的壓縮電耗，kW；W2為液態(tài)CO2在高壓泵中的電耗，kW。

式中：R為氣體常數(shù)，kJ/（kg·K）；T為壓縮機(jī)入口溫度，K；ρ為氣體密度，kg/m3；v為標(biāo)況下氣體體積流量，m3/s；ηT和ηM分別為壓縮機(jī)的等溫效率和機(jī)械效率，%；P1和P2分別為壓縮機(jī)入口和出口壓力，MPa。

式中：D為液態(tài)CO2質(zhì)量流量，kg/s；h1為液態(tài)CO2壓縮前焓值，kJ/kg；h2為液態(tài)CO2壓縮后焓值，kJ/kg；hs2-hs1為液態(tài)CO2等熵壓縮前后狀態(tài)焓值差，kJ/kg；η為升壓泵效率，%。

經(jīng)計(jì)算，變壓吸附制氧電耗為3.324 6 MW，CO2壓縮液化電耗為1.474 5 MW。

3.3 富氧焚燒含油污泥系統(tǒng)主要設(shè)備的電耗

富氧焚燒含油污泥系統(tǒng)主要設(shè)備的電耗如下：給水泵0.018 3 MW，含油污泥輸送泵0.000 5 MW，制氧設(shè)備3.324 6 MW，CO2壓縮機(jī)1.289 2 MW，總電耗4.632 6 MW。以工業(yè)用電價(jià)格0.83元/（kW·h）計(jì)算，用電總費(fèi)用為9.228萬(wàn)元/天。

3.4 富氧焚燒含油污泥產(chǎn)生的蒸汽量

根據(jù)鍋爐的額定參數(shù)及鍋爐效率，日處理200 t含油污泥的流化床鍋爐每小時(shí)可產(chǎn)生蒸汽20.17 t，年產(chǎn)蒸汽量約177 kt。按每噸蒸汽費(fèi)用78元計(jì)算，每年可節(jié)約蒸汽費(fèi)用1 380.6萬(wàn)元。年處理含油污泥量約73 kt，每處理1 t含油污泥可節(jié)約排污費(fèi)1 000元，每年減少排污費(fèi)7 300萬(wàn)元，合計(jì)每年節(jié)約成本8 680.6萬(wàn)元。

3.5 回收的酸液及CO2的量

經(jīng)過(guò)除塵器除塵后的煙氣中含有SO2、NOx等有害氣體，可將煙氣中的SO2、NOx轉(zhuǎn)化為硫酸、硝酸，實(shí)現(xiàn)SO2、NOx的回收利用。

以日處理200 t含油污泥的富氧焚燒含油污泥系統(tǒng)產(chǎn)生的煙氣組分為計(jì)算數(shù)據(jù)，結(jié)合富氧焚燒CO2壓縮工藝及脫硫脫硝技術(shù)，進(jìn)入煙氣處理單元的煙氣流量及成分見(jiàn)表6。按文獻(xiàn)［9，16］計(jì)算，回收得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的稀硫酸5.56 t/d，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%的硝酸0.708 t/d，回收CO2269.89 t/d，年回收CO2約99 kt。

由表6可知，進(jìn)入煙氣處理單元的煙氣中水分含量大大降低，這是由于排出鍋爐的煙氣經(jīng)過(guò)冷凝器和DCC進(jìn)一步冷卻降溫，使煙氣中絕大部分水分得到凝結(jié)而析出，回收的熱量用于加熱鍋爐給水。

表6 煙氣處理單元的煙氣流量及成分

4 結(jié)論

a）采用富氧焚燒技術(shù)處理含油污泥，無(wú)需任何輔助燃料，含油污泥無(wú)需干化，無(wú)需送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)煙氣及其他污染物零排放。焚燒含油污泥產(chǎn)生的蒸汽可直接供應(yīng)油田生產(chǎn)和生活使用；產(chǎn)生的高壓高純度液態(tài)CO2可直接用于油井驅(qū)油；煙氣中的SO2和NOx可轉(zhuǎn)化為硫酸和硝酸。

b）采用日處理200 t含油污泥的流化床鍋爐年處理含油污泥量約73 kt，每年減少排污費(fèi)7 300萬(wàn)元；鍋爐年產(chǎn)蒸汽量約177 kt，每年節(jié)約蒸汽費(fèi)用1 380.6萬(wàn)元，合計(jì)每年節(jié)約成本8 680.6萬(wàn)元?；厥盏玫劫|(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的稀硫酸5.56 t/d，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%的硝酸0.708 t/d，回收CO2269.89 t/d，年回收CO2約99 kt。

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（編輯 祖國(guó)紅）

Technical and economic analysis of oxygen-enriched incineration of oily sludge in fluidized bed

Hai Yunlong1，Yan Weiping1，Zhang Xuhui2
（1.School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding Hebei 071003，China；2.Beijing Guodian Futong Science and Technology Development Co.Ltd.，Beijing 100070，China）

The technical process and advantages of oxygen-enriched incineration of oily sludge in fluidized bed are introduced.The power consumption of main equipment and the technical and economic indexes of the oily sludge oxygen-enriched incineration system are calculated.By the technology of oxygen-enriched incineration oily sludge in fl uidized bed，zero emission of fl ue gas and other pollutant can be achieved，the steam produced can be directly used for production and livelihood of oil fi eld，the liquid CO2produced can be directly used for oil displacement，and SO2and NOxin fl ue gas can be converted into sulfuric acid and nitric acid.Using a fl uidized bed boiler with 200 t/d of daily disposal ability，73 kt of oily sludge is treated per year，so 73 million yuan of sewage charge can be saved per year；The steam output of the boiler is about 177 kt per year，so 13.806 million yuan of steam cost can be saved per year；Totally，86.806 million yuan of cost is saved per year.In addition，5.56 t sulfuric acid with 40% of mass fraction and 0.708 t nitric acid with 37% of mass fraction can be recovered per day，and 99 kt CO2can be recovered per year.

oily sludge；oxygen-enriched incineration；fl uidized bed；boiler

TK6

A

1006-1878（2016）02-0211-05

10.3969/j.issn.1006-1878.2016.02.017

2015-11-07；

2015-12-15。

海云龍（1992—），男，河南省周口市人，碩士生，電話 15933921318，電郵 hdhaiyunlong@126.com。