城市污泥深度脫水熱干化焚燒系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

江子簫， 陳曉平， 楊敘軍， 宋 聯(lián)， 朱 葛， 葛仕福

(1. 東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096；2. 無錫國聯(lián)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆?江蘇無錫 214000)

環(huán)保技術(shù)

江子簫1， 陳曉平1， 楊敘軍2， 宋 聯(lián)2， 朱 葛2， 葛仕福1

(1. 東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096；2. 無錫國聯(lián)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆?江蘇無錫 214000)

針對污泥處理量為250 t/d的城市污泥深度脫水-熱干化-焚燒系統(tǒng)進行技術(shù)經(jīng)濟性分析，獲得了污泥干基熱值、深度脫水污泥含水率及熱干化污泥含水率等主要參數(shù)對系統(tǒng)投資成本、運行成本及效益的影響規(guī)律，并尋求了最優(yōu)方案。結(jié)果表明：污泥干基熱值對系統(tǒng)投資成本影響最大；焚燒系統(tǒng)產(chǎn)汽量不能滿足污泥熱干化所需時，系統(tǒng)效益迅速降低。

城市污泥； 干化； 焚燒； 經(jīng)濟性

截至2014年底，我國城市污水處理廠日處理污水能力達到1.31億m3，城市污水的處理率達90.2%[1]。以含水率80%計，全國年污泥總產(chǎn)量將突破3000萬t，我國排放的污泥量年增長率大于10%[2]，對污泥如何進行有效的處理已成為迫在眉睫的問題。

污泥處理的基本原則是減量化、穩(wěn)定化和無害化[3]，污泥焚燒的減容效果明顯，焚燒后灰渣體積僅為機械脫水污泥的10%，焚燒過程使污泥中的有機物碳化并分解有毒有害的有機物，提高重金屬的穩(wěn)定性[4-5]。焚燒后的灰渣經(jīng)過處理后可以得到利用，如作為建筑材料等[6]，焚燒處理在被作為污泥處理的主要形式[7-9]。污泥焚燒包含前處理工藝和焚燒工藝[10]，前處理通常有脫水和熱干化等工藝。通過前處理可以提高污泥熱值、減少輔助燃料的消耗量、降低運輸和貯存成本。研究表明：焚燒干化污泥可達到正能量平衡[11]，達到一定熱值的污泥可作為發(fā)電廠燃料。

1 系統(tǒng)概況

我國在干化焚燒技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展方面還比

較落后，現(xiàn)有工藝技術(shù)常將干化和焚燒過程作為基本獨立的系統(tǒng)[12-13]，工藝比較復(fù)雜，設(shè)備初投資高。筆者所提出的系統(tǒng)將深度脫水、熱干化和焚燒相結(jié)合，相比其他工藝具有以下優(yōu)點：(1)利用污泥焚燒的熱量產(chǎn)生過熱蒸汽發(fā)電，實現(xiàn)污泥的資源化利用；(2)將汽輪機中間抽汽引入污泥熱干化系統(tǒng)中，對深度脫水后的污泥進行熱干化，實現(xiàn)能量梯級利用；(3)干化后入爐污泥含水率較低，有效提高焚燒爐效率；(4)采用煙氣再循環(huán)工藝，控制爐溫，提高爐效并減少NOx排放[14-15]。

筆者設(shè)計的250 t/d污泥干化-焚燒系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 250 t/d污泥深度脫水-熱干化-焚燒系統(tǒng)

1.1深度脫水系統(tǒng)

深度脫水工藝包含加藥工藝與壓濾脫水工藝，所添加藥劑為氯化鐵、氧化鈣及絮凝劑。含水率約為80%的原污泥與脫水藥劑攪拌混合后，通過給料泵送入壓濾機中進行深度脫水。深度脫水污泥含水率u1=55%～65%，將此部分污泥送入干化系統(tǒng)進行熱干化。

1.2熱干化系統(tǒng)

u1=55%～65%的污泥被輸送入旋轉(zhuǎn)導(dǎo)熱污泥干化機與汽輪機中間抽汽進行換熱，通過改變汽輪機抽汽量，控制u2=10%～30%，熱干化后的污泥連續(xù)排出并送入焚燒爐焚燒。

1.3焚燒系統(tǒng)

選用鼓泡流化床作為污泥焚燒爐[16-17]，從干化機中排出的污泥通過螺旋給料器送入焚燒爐焚燒，焚燒爐尾部煙道中設(shè)置過熱器、對流管束、省煤器和空氣預(yù)熱器，利用焚燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔猱a(chǎn)生過熱蒸汽。換熱后的低溫?zé)煔饨?jīng)過除塵后，部分通過循環(huán)風(fēng)機以一次再循環(huán)煙氣和二次再循環(huán)煙氣的形式進入爐膛，剩余煙氣經(jīng)過脫硫脫硝處理后通過煙囪排放。

1.4汽輪機機組

系統(tǒng)選用抽凝式汽輪機，主蒸汽壓力4 MPa，主蒸汽溫度400 ℃，中間抽汽壓力0.7 MPa，中間抽汽溫度258.1 ℃。過熱蒸汽進入汽輪機機組做功，汽輪機中間抽汽進入干燥機中干化深度脫水后的污泥并冷凝；汽輪機排汽通過凝汽器后的冷凝水與干燥機中換熱后的冷凝水混合后作為鍋爐給水進入省煤器。

2 焚燒系統(tǒng)

實際工程中，原污泥的熱值經(jīng)常發(fā)生變化，而干化處理工藝運行的不穩(wěn)定也會加劇污泥熱值波動，導(dǎo)致流化床焚燒爐在運行過程中床溫波動劇烈，影響爐內(nèi)脫硫效率，超溫嚴(yán)重時發(fā)生床料高溫結(jié)焦，而熱量不足又無法為爐膛受熱面提供足夠熱量。所設(shè)計的焚燒系統(tǒng)采用鼓泡流化床作為污泥焚燒爐，并利用煙氣再循環(huán)技術(shù)控制爐溫；采用煙氣再循環(huán)工藝，降低爐膛內(nèi)溫度水平，降低了受熱面輻射吸熱量，提高了煙速并使煙氣側(cè)放熱系數(shù)提高，對流傳熱量增加[18]。針對其對熱力計算的影響[19-21]，設(shè)計出區(qū)別于傳統(tǒng)焚燒爐的煙氣再循環(huán)流化床污泥焚燒爐。

典型工況計算數(shù)據(jù)見表1，表中焚燒爐效率、蒸汽產(chǎn)量和廠用電等數(shù)據(jù)為結(jié)合污泥特性和工程實際中的運行經(jīng)驗，由所編制的熱力計算程序計算得到。投資成本和運行成本為根據(jù)實際工程經(jīng)驗并進行市場調(diào)研后進行計算得到。

表1 焚燒系統(tǒng)典型方案成本與收益

表1中各方案的污泥日處理量、給水溫度、蒸汽參數(shù)、排煙溫度、過熱空氣系數(shù)、機械脫水工藝加藥率等相同。對結(jié)果分析如下：

(2) 焚燒系統(tǒng)各部分投資成本隨污泥干基熱值從6 279 kJ/kg提高到14 651 kJ/kg，提高了約20%，隨入爐污泥含水率從25%降低至10%，提高了約0.5%。污泥干基熱值提高，相應(yīng)方案焚燒爐蒸發(fā)量提高，帶來投資成本提高；而焚燒系統(tǒng)投資成本受入爐污泥含水率的影響并不大。

(3) 焚燒系統(tǒng)運行成本受污泥干基熱值影響較大。廠用電在焚燒爐蒸發(fā)量受干基熱值影響提高的情況下有比較大的提高，使成本提高；但同時，焚燒爐飛灰量減少，飛灰固化運行成本迅速減少。綜合作用下，干基熱值從6 279 kJ/kg提高到14 651 kJ/kg，焚燒爐運行成本約降低了6%。

(4) 入爐污泥含水率對運行成本影響不大。含水率從10%變化到25%，運行成本的變化主要體現(xiàn)在廠用電的變化上，對整體運行成本帶來的變化較小。

3 深度脫水與熱干化系統(tǒng)

研究表明：污泥干化可以有效減小污泥體積，實現(xiàn)初步的減量化[22]；同時，干化工藝提高了入爐污泥的熱值[23]，使焚燒處理費用降低，并達到更優(yōu)的焚燒效果。分別對深度脫水工藝與熱干化工藝進行工業(yè)實驗研究并將實驗結(jié)果與理論計算結(jié)合，從而得到干化系統(tǒng)在不同u1、u2方案下成本的變化情況。干化系統(tǒng)投資成本包括深度脫水投資成本、熱干化投資成本，運行成本包括深度脫水加藥成本、深度脫水工藝電耗、熱干化工藝電耗。

3.1深度脫水成本評估

深度脫水加藥成本、運行耗電量共同構(gòu)成深度脫水工藝運行成本，其與投資成本在不同方案下的變化情況見表2。

表2 單位80%含水率污泥機械脫水加藥成本、耗電量及投資成本

深度脫水工藝中采用板框式壓濾機，根據(jù)市場調(diào)研，其成本與壓濾機面積相關(guān)，在實際工程中根據(jù)污泥處理量選定壓濾機面積。在工業(yè)實驗中，u1通過藥劑配比及其添加量調(diào)節(jié)，而與壓濾機面積無關(guān)。從表2可以看出：隨著u1設(shè)計值提高，脫水藥劑添加量降低、脫水量降低，脫水藥劑成本、耗電量、加藥后絕干污泥量均有不同程度的下降；而系統(tǒng)投資成本只與污泥處理量有關(guān)，不受u1影響。

此外，加藥后絕干污泥量增加，但脫水藥劑在焚燒爐中無法燃燒，將其視作灰分的增加，并對焚燒系統(tǒng)污泥熱值產(chǎn)生影響，各方案下加藥脫水對污泥干基熱值的影響見表3。

表3 機械脫水不同方案下的污泥干基熱值的變化

表3中數(shù)據(jù)顯示：隨著u1設(shè)計值提高，脫水藥劑添加量降低，處理后污泥干基熱值下降量減小，污泥干基熱值較高。

綜合表2、表3中的數(shù)據(jù)，可以看出：隨著u1設(shè)計值提高，機械脫水的運行成本降低且入爐污泥干基熱值較高；然而選用u1較高的方案，將給熱干化部分帶來較大負荷，提高這一部分的成本及蒸汽消耗量。

3.2熱干化工藝成本評估

熱干化部分的成本主要受到u1、u2影響，污泥干化過程為：汽輪機中間抽汽進入干燥機中換熱，使得污泥中的未蒸發(fā)水及絕干物料從常溫(tm1)被加熱至出料溫度(tm2)，污泥中的蒸發(fā)水從tm1加熱到濕球溫度(td), 蒸發(fā)水在td下汽化為水蒸氣,蒸汽從td升溫到排氣溫度(t3)。為簡化計算，假設(shè)污泥干化過程為：濕污泥中水及絕干物料從tm1加熱到tm2，蒸發(fā)水從tm2汽化為水蒸氣，水蒸氣再加熱到t3并排放。工藝實施過程中包含散熱損失、不凝性氣體吸熱等熱損，熱干化工藝整體熱效率為87.6%。

在不同u1、u2方案下污泥干燥的蒸汽消耗量、運行成本、投資成本計算結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 入爐污泥含水率對熱干化耗汽量的影響

圖3 入爐污泥含水率對熱干化電耗的影響

圖4 入爐污泥含水率對熱干化投資成本的影響

圖2～圖4中的數(shù)據(jù)顯示：隨著u1提高，干燥機的耗電量、蒸汽消耗量及投資成本都有所增加；隨著u2提高，蒸汽消耗量、干燥機耗電量及投資成本都有不同程度的降低；熱干化工藝運行成本、投資成本與熱干化系統(tǒng)中污泥干化率(u1-u2)呈正相關(guān)。

需要注意的是，當(dāng)蒸汽消耗量超過焚燒系統(tǒng)產(chǎn)汽量時，將不得不借助外部熱源，同時帶來較高的運行成本和額外的投資成本，因此筆者所設(shè)計的250 t/d污泥深度脫水-熱干化-焚燒系統(tǒng)中優(yōu)先選取系統(tǒng)產(chǎn)汽量充足的方案。

4 系統(tǒng)整體經(jīng)濟性分析

針對此深度脫水-熱干化-焚燒系統(tǒng)，通過對技術(shù)工藝的經(jīng)濟性分析來判斷系統(tǒng)或方案的優(yōu)劣。污泥深度脫水-熱干化-焚燒系統(tǒng)經(jīng)濟性分析包括單位污泥處理量投資成本、系統(tǒng)運行成本和系統(tǒng)收益[24]，并將投資成本折舊、運行成本與收益結(jié)合分析其系統(tǒng)效益。

4.1系統(tǒng)投資成本

系統(tǒng)投資成本由焚燒系統(tǒng)、干化系統(tǒng)和汽輪機機組投資成本構(gòu)成，將投資成本折算至單位污泥處理量系統(tǒng)投資成本(比投資)的結(jié)果見表4。

表4 不同方案下的系統(tǒng)比投資 萬元/t

表4(續(xù))

對表4中數(shù)據(jù)分析如下：

(3) 對比u1不同的設(shè)計方案，隨著u1提高，焚燒系統(tǒng)投資降低而干化系統(tǒng)投資提高，在u1=60%時比投資為最高值。

4.2深度脫水-熱干化-焚燒系統(tǒng)效益

將系統(tǒng)設(shè)備折舊按照10 a計算，從而將投資成本、運行成本和系統(tǒng)收益統(tǒng)一為深度脫水-熱干化-焚燒系統(tǒng)效益，系統(tǒng)運行成本由污泥焚燒系統(tǒng)運行成本和污泥干化系統(tǒng)運行成本構(gòu)成，系統(tǒng)收益是指汽輪機組發(fā)電帶來的收益。

對于系統(tǒng)收益計算，遵循以下幾點原則：(1)焚燒爐蒸汽產(chǎn)量不及熱干化所需時，通過購買蒸汽進行彌補，按蒸汽價格計入運行成本；(2)為避免迭代計算同時減小誤差，若方案給水溫度超過設(shè)計給水溫度104 ℃，將多出的熱量折算為發(fā)電量，若方案給水溫度低于104 ℃，通過回汽系統(tǒng)彌補欠焓；(3)購買蒸汽價格選取183元/t，發(fā)電上網(wǎng)價格按0.66元/(kW·h)計。

深度脫水-熱干化-焚燒系統(tǒng)運行效益計算結(jié)果見圖5～圖7。

圖5 u1=55%時u2對系統(tǒng)效益的影響

圖6 u1=60%時u2對系統(tǒng)效益的影響

圖7 u1=65%時u2對系統(tǒng)效益的影響

對圖5～圖7中數(shù)據(jù)進行分析可得：

(1) 在各方案下，深度脫水-熱干化-焚燒系統(tǒng)的系統(tǒng)效益均為負值。焚燒系統(tǒng)蒸汽產(chǎn)量不足以提供熱干化所需時，系統(tǒng)效益大大降低。另外，外部蒸汽的輸運管道也會帶來額外投資成本。因此，應(yīng)該盡量避免在這種情況下進行生產(chǎn)。

(2) 在不同u2方案下，燃燒不同干基熱值的污泥時，u2對系統(tǒng)運行效益有不同程度影響，三者之間存在交互作用：當(dāng)焚燒系統(tǒng)產(chǎn)汽量足以提供熱干化所需時，u2越小，被用來干化污泥的蒸汽所占蒸汽總量的比率越高，能量利用率越高，系統(tǒng)效益越佳；當(dāng)系統(tǒng)需要購買蒸汽維持運行時，u2降低，能量利用率提高，但是蒸汽購買量升高而大大提高運行成本導(dǎo)致系統(tǒng)效益幾乎不隨u2變化。

5 結(jié)語

(1) 在相同的u1下，系統(tǒng)比投資隨著污泥干基熱值的提高而提高，隨入爐污泥含水率的提高而降低；比較所計算不同u1下的方案，在u1=60%時系統(tǒng)比投資最大；污泥干基熱值對系統(tǒng)比投資的影響最大。

(2) 焚燒系統(tǒng)產(chǎn)汽量足以提供熱干化所需蒸汽時，u2越小，系統(tǒng)運行效益越佳；產(chǎn)汽量不足時，系統(tǒng)效益迅速降低，同時u2對系統(tǒng)運行效益影響很小。隨著污泥干基熱值升高，系統(tǒng)效益呈明顯上升趨勢。

(3) 不同污泥干基熱值下最佳運行方案不同，應(yīng)結(jié)合實際工況與文中所述規(guī)律，對運行方案進行優(yōu)化。

[1] 中華人民共和國環(huán)境保護部. 2015年中國環(huán)境狀況公報[EB/OL]. (2015-06-05) http://www.zhb.gov.cn/hjzl/zghjzkgb/lssj/zxhjzkgb/201605/t20160525_345822.shtml.

[2] 侯海盟. 城市下水污泥循環(huán)流化床焚燒及排放特性試驗研究[D]. 北京: 中國科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所), 2013.

[3] WERLE S, WILK R K. A review of methods for the thermal utilization of sewage sludge: the Polish perspective[J]. Renewable Energy, 2010, 35(9): 1914-1919.

[4] VESILIND A P, RAMSEY T B. Effect of drying temperature on the fuel value of wastewater sludge[J]. Waste Management & Research, 1996, 14(2): 189-196.

[5] WERTHER J, OGADA T. Sewage sludge combustion[J]. Progress in energy and combustion science, 1999, 25(1): 55-116.

[6] SLIM J A, WAKEFIELD R W. The utilisation of sewage sludge in the manufacture of clay bricks[J]. Water SA, 1991, 17(3): 197-201.

[7] FYTILI D, ZABANIOTOU A. Utilization of sewage sludge in EU application of old and new methods-a review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2008, 12(1): 116-140.

[9] MURAKAMI T, SUZUKI Y, NAGASAWA H, et al. Combustion characteristics of sewage sludge in an incineration plant for energy recovery[J]. Fuel Processing Technology, 2009, 90(6): 778-783.

[10] 環(huán)境保護部. 城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置污染防治最佳可行技術(shù)指南(試行): HJ-BAT-002—2010[S]. 北京：環(huán)境保護部，2010.

[12] 李云玉, 呂清剛, 朱建國, 等. 循環(huán)流化床一體化污泥干化焚燒工藝的冷態(tài)實驗研究[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2010, 30(35): 1-6.

[13] 徐強, 張春敏, 趙麗君. 污泥處理處置技術(shù)及裝置[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003: 8.

[14] 賈力, 殷龍. 煙氣再循環(huán)實現(xiàn)低NOx排放的實驗研究[J]. 工業(yè)加熱, 2008, 37(6): 15-18.

[15] 胡滿銀, 喬歡, 杜欣, 等. 煙氣再循環(huán)對爐內(nèi)氮氧化物生成影響的數(shù)值模擬[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報, 2007, 34(6): 77-82.

[16] 李軍, 王忠民, 張寧, 等. 污泥焚燒工藝技術(shù)研究[J]. 環(huán)境工程, 2005, 23(6): 48-52.

[17] KHIARI B, MARIAS F, ZAGROUBA F, et al. Transient mathematical modelling of a fluidized bed incinerator for sewage sludge[J]. Journal of Cleaner Production, 2008, 16(2): 178-191.

[18] 佚名. 鍋爐機組熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法[M].北京鍋爐廠設(shè)計科，譯.原蘇聯(lián)1973年版.北京: 機械工業(yè)出版社, 1976.

[19] 樊泉桂, 丁巖峰. 循環(huán)流化床鍋爐稀相區(qū)輻射傳熱份額的計算方法[J]. 動力工程, 2005, 25(5): 614-617.

[20] 謝正武, 梁海杰, 車得福. 煙氣再循環(huán)的作用及其對鍋爐熱力計算的影響[J]. 能源研究與信息, 1999, 15(3): 42-48.

[21] 《工業(yè)鍋爐設(shè)計計算 標(biāo)準(zhǔn)方法》編委會. 工業(yè)鍋爐設(shè)計計算 標(biāo)準(zhǔn)方法[M]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2003.

[22] 呂清剛, 朱建國, 李詩媛, 等. 循環(huán)流化床一體化污泥焚燒工程的調(diào)試及分析[J]. 中國給水排水, 2012, 28(3): 1-4, 9.

[23] STASTA P, BORAN J, BEBAR L, et al. Thermal processing of sewage sludge[J]. Applied Thermal Engineering, 2006, 26(13): 1420-1426.

[24] 李云玉. 循環(huán)流化床一體化污泥焚燒工藝實驗研究[D]. 北京: 中國科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所), 2012.

EconomicAnalysisofaDewatering,ThermalDryingandIncinerationSystemforMunicipalSludge

Jiang Zixiao1, Chen Xiaoping1, Yang Xujun2, Song Lian2, Zhu Ge2, Ge Shifu1

(1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. Wuxi Guolian Environmental Science & Technology Co., Ltd., Wuxi 214000, Jiangsu Province, China)

Based on economic analysis of a dewatering, thermal drying and incineration system with a dealing capacity of 250 t/d for municipal sludge, the effects of following factors on the investment cost, operation cost and the system efficiency were studied, such as the dry basis calorific value of original sludge, the moisture content of deeply or thermally dried sludge, and so on, after which, an optimal scheme was obtained. Results show that the dry basis calorific value of sludge has the greatest influence on the investment cost of the system; the system efficiency decreases rapidly when the amount of steam produced by the incineration system cannot meet the requirement of sludge thermal drying.

municipal sludge; drying; incineration; economic analysis

2017-02-17；

2017-04-03

江子簫(1993—)，男，在讀碩士研究生，研究方向為固廢處理。E-mail: 958714495@qq.com

X703

A

1671-086X(2017)06-0426-07