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污泥高速碳化工艺的热能能耗

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学社编辑 发表于 2019-9-3 09:19 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
首次听说“污泥碳化”、“污泥熔融”已经是好几年前的事情了,技术来源都是日本。那时从直觉上判断,这类高温处理技术无论如何先要跨越干化的门槛,其处理能耗一定会很高,因此也就未加深究。最近一年来,随着越来越多的国内外厂家逐鹿中原,污泥碳化这个词也开始热起来,并已有了应用实例。现在是时候对它做一番了解和研究了。- ?4 R( d" j$ g7 ^4 x2tech.cn
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一、原理
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; e- g( D3 f4 Z7 h3 O' z2tech.cn
其实,这是对有机废弃物进行热分解处理的一类工艺。根据制程过程以及产品特征,这类工艺可能有不同的名称,如碳化、炭化、热解、裂解、干馏、焦化、气化、热裂、热裂解、高温裂解等。不管这些名称是多么不一样,其基本原理都是在可控条件下使有机质受热分解,工艺所具有的共同特征可以总结为三句话:. G# A# Q. v; y1 J2tech.cn

) ?8 q: K, A& K( [( }1、  高温:在高温作用下,部分有机质发生解聚,形成可燃气体;7 f0 ^: K1 i- y, c( \+ r2tech.cn

; \# Y; ~" c8 i0 V5 U# e& _2、  低氧:在高温处理过程中,通过限制供氧量,实现有限燃烧;
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3、  低水分:废弃物(如污泥)应首先降低水分(前置干燥),才能进行热解处理;/ q. M: E6 B  r& Q7 z: @- m2tech.cn
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这种有机质的热分解过程在原理上与工业炼焦有极端相似之处。炼焦反应分为以下几个阶段:2 r& P# G  D+ {) K' C  u( s2tech.cn

1 M) ^# _) v/ @" K5 j(1)     干燥和预热(20-200度):析出水分;- _: _7 L/ S/ U& ~3 D1 P( h1 q2tech.cn
; c2 l* ^$ `4 d7 s2tech.cn
(2)     开始热分解(200-350度):产生化合水、二氧化碳、一氧化碳、甲烷等气体和少量焦油蒸气和液体;
2 @5 b5 u+ C0 S) _( S0 h+ {$ z' n2tech.cn
(3)     胶质体产生和固化(350-500度):产生焦油和沥青等液体,呈胶质状态;伴随聚缩和合成反应,析出挥发物,形成固体物质和半焦;
# H& C8 c0 ~* _+ y; s: h! x; M/ y! e9 e; i4 z% Z- O2tech.cn
(4)     半焦收缩和焦炭形成(500-950度):产生大量挥发物,主要是氢气和甲烷,继续析出氢气焦质逐渐变硬;- ^9 p! N/ d- H2tech.cn
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炼焦以获得焦炭(固体部分)和煤化工产品(来自气体的进一步提纯处理)为目标,这一点与废弃物的处理是有很大不同的。污泥热解也产生固体和气体两部分,当强调固体是具有热值的产品时,可能会以“碳化”、“炭化”称之。当强调污泥热解的气体作为产品时(用于燃气轮机),可能会以“气化”称之。作为一种废弃物处理工艺,热解所产生的气体均是被燃烧掉的,作为整个热解系统能量来源的一部分,以降低对外来补充能源的需求。% \$ G" l9 b) V0 H9 U1 \: Y2tech.cn

/ }  D7 R; H, H! z7 m本文以日本巴工业污泥高速碳化技术为对象,对这类高温热解工艺的技术和热能能耗特征进行一个简单分析。武汉汤逊湖污水处理厂利用该技术已建成了一套10吨/日的示范装置。本文分析的依据主要是其公开样本《连续高速污泥碳化系统技术说明》(以下简称“技术说明”)中所列举的日本千叶项目的物质平衡表(可下载)。
7 j$ `4 a+ N, e% r6 R* R: E
) m" h. C$ k1 W/ @( N, z本文是笔者对这种新工艺进行学习和思考的成果。它事实上是基于一系列假设,不一定能正确反映原工艺的真实条件和设计理念,因此结论也不一定正确,仅供好事者参考。
3 y; b) T8 m7 R% S( E/ o7 z( @7 H/ S) ]4 q+ N% |1 \2tech.cn

( a% I0 C$ |3 a4 T5 H) i
二、主要工艺流程及其分析

( r0 B0 c0 l+ B  w
6 A0 j: D0 I: ?. \* P: y6 F有“技术说明”中提供的工艺流程图和物质平衡表,应该可以对该工艺有比较完整、直接的量化认识了。但简单核算后就会发现,该表实际上是不平衡的。如第6项和第7项干燥器入出口干空气量,入口是1654.9 kg/h,出口是2828.0 kg/h,相差40%。另如第10和第11项的干烟气量,一为3362.6 kg/h,一为4012.6 kg/h,相差650 kg/h。这意味着,物质平衡表是经过一定程度“加工”的,已非原貌。加上没有热平衡表可供参考,解读起来自然是困难重重了。
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物质平衡表上的数据是否可信?数据被有意“变更”,还是仅仅个别缺项?如果是前者,数据不可信,也就没有分析的必要了;如果是后者,那么通过深入分析和研究,应该还是可以建立这些数据的内在联系的。笔者认为情况应该属于后者。
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0 T5 \  }) Q) ?; O3 z2 V2 L, b: ~工艺流程图的确有意做了大量简化,主要是省略了3个关键物流:, ]" P$ e9 ~" h* [, r! n4 t7 Q( ~$ N( z2tech.cn

4 U9 G& _$ O, |1)一部分经过脱臭处理的废气回流到干燥器中;
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2)一部分环境空气进入了空预器热流体一侧(可能是吹扫气体);
5 M7 k+ Q- }  |: i/ O( w8 b9 Y/ B, e$ z0 }, C2 D6 C7 \3 h- B2tech.cn
3)脱臭后排放的气体是先要经过冷凝的。
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$ J* a% W0 t& _- U) f其它主要数据,包括重油消耗值,除个别可能有误外,基本上应该是真实、可参考、可用的,这一点可以从各点的烟气温度上加以印证。
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) E; e: A) G" {7 }+ }( ]判断回流气体的存在是解题非常关键的一步。根据干燥器入出口水分差,考虑了干燥器蒸发量,干化气体入干燥器时存在大约99.8 kg/h的额外水分输入。与此相应的干空气量是1173.1 kg/h,此含湿量恰好是温度为50度时的饱和含湿量。据此判断该气体应该是经过冷凝的气体。- t' M+ Z5 n4 {1 T1 u2 L. w2tech.cn

# V' D! Y2 g4 ]' }# ~/ z还有一部分环境空气进入了空预器热流体一侧,可以从第10和11两点状态的标注读出。根据所增加气体量的含湿量,也不难判断此空气应该就是环境空气。6 F3 u+ ]* a  f; y0 {2tech.cn

! M% b, z6 k4 h# ~还原的工艺流程图如下:
* H7 T" n3 s8 {, [) | 环境学社1.jpg ) Z8 @, ^# u4 {2tech.cn
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从图中可以看出,此系统相当复杂,有4个采用液体燃料的热工装置(预热炉、再燃炉、备用炉、脱臭炉),一个以污泥为燃料的热工装置(碳化炉),一个干化装置(干燥器),2个间接气-气换热器(空预器和臭气预热器),1个冷凝器。
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6 Q5 D& d1 R+ b3 t要了解整个系统的能量流,需要对上述9个热工装置分别做热平衡和物料平衡。
. O" v* n" Z# o5 _& ^
4 n; R9 }, T2 ~, L# ?物质平衡表给出了大部分节点的物质量,但几个关键的点,包括回流到干燥器气体量、冷凝器前吹扫空气量、4个燃烧器的烟气量、1个碳化炉污泥有机质燃烧烟气量等均阙如。与此2 l& N8 `  i8 @$ H2tech.cn
相关的气体含水量、烟气含水量均为未知。
6 U$ V7 z# s. d6 b2 d. o( G/ S# N* T- O, ?* V4 }2 h- n2tech.cn
解题的关键在于燃烧所产生的烟气量及其含湿量。烟气量和烟气含水量与燃料和过剩空气系数的取值相关。重油和污泥有机质的构成可以进行假设,过剩空气系数也可假设为不同的值。但所有这些假设最终计算得到的干烟气量与水分值,应与干燥器入出口的烟气量和水分相关。即,由于预热炉、碳化炉、再燃炉和备用炉产生的烟气均进入干燥器,干燥器入出口的高温气体(干烟气量1654.9 kg/h,水分254 kg/h)应该与由4个热工装置产生的干烟气及其水分的产生量相等。  T0 `+ F5 d7 _- ^' |) U& R: O2tech.cn
2 a& L% q3 E' D$ }) ^2 O- y2tech.cn
根据“技术说明”,千叶项目的污泥含固率15.7%,有机质含量81%,干基低位热值22950 kJ/kg。根据物质平衡表第1、2、3项的标注,可知有机质量及其在碳化炉中的气化量。只需找到合适的污泥元素构成,即可得到进入烟气的污泥能量。" R$ [3 @: J, Q& C* O+ N2tech.cn
2 ?1 R8 K, t( a0 t2tech.cn
围绕干燥器入出口烟气量分别建立物质和热平衡,最终可以得到燃料元素构成及其过剩空气系数。结果如下:8 k( E* c9 l. c2tech.cn
4 X0 y, B: j$ G- T9 |% L& E2tech.cn
灰分
A
0.00
19.00
C
86.30
55.50
H
13.05
5.07
O
0.00
9.80
N
0.00
9.81
S
0.65
0.82
过剩空气系数

% j/ l+ G6 _, V
1.35
1.1
干基低位热值
Kcal/kg
10806
5566
6 g( k% y3 K( L- M  S1 M. }& B2tech.cn
在全面建立各系统物质平衡、热平衡后,会发现“技术说明”中给定的个别数据值得讨论:
2 q$ X& ^( J$ a- E- l" p& ?; V2 V' c0 i5 z7 W4 z) J' s' ?9 l2tech.cn
1)  备用炉出口气体温度8 E4 C/ S# T' m& Y" }# C) _2tech.cn
1 P1 K& E6 Z- y8 U" t2tech.cn
按照“技术说明”,干燥器入口气体温度是962度。考虑回流气体为冷凝后气体,量应为出口气体量2828 kg/h与入口气体量1654.9 kg/h的差值,温度大约在50度,饱和状态;此气体混合来自备用炉出口的高温烟气后,形成干化用气体。要使此气体完成蒸发量664.3 kg/h,且达到187度的出口温度,从热平衡和湿平衡角度,会发现962度温度既不会是备用炉出口温度,也不会是干燥器入口温度。
9 M( M3 j( C, H1 I4 _( {0 |2 Q2 S1 Z. `/ V/ x2tech.cn
2)  干燥器出口气体温度- |. H* ^0 f1 C# z0 L2tech.cn

+ {. H0 V- Y2 d0 d; ^) i5 f按照“技术说明”,此值应为187度。在物质平衡的前提下,此值实际上是干燥器入口气体焓的函数,由于备用炉出口气体温度远高于962度,则干燥器出口温度187度也显得偏低。
: b- H, S/ ~% E
9 u; Z& e- m! q9 s/ N" `3)  脱臭炉喷燃燃料量
! c: K( K2 q! I3 E! ?' D
) i  L5 b% D' ^0 ?+ ]按照“技术说明”,此项目在脱臭炉应燃烧燃料77.9 L/h,以确保脱臭气体离开脱臭炉的温度为801度。但实际上,根据干燥器出口气体温度,加上预热器预热,在脱臭炉中燃烧的燃料量只需24.4 L/h,即可实现脱臭炉的入出口热平衡。当然,由于燃料量减少,该点干烟气量和水分值也将与给出的物质平衡表不同。
+ ^4 g- a* g- S: c4 o/ ?; B8 E8 m% w2 F! n% j  J+ o2tech.cn
将上述三个参数设为变量进行求解,最终可得到完全做平的热平衡和物料平衡。
, ^; |& H1 V  ~  E2 N) _" w* I5 F( r* V  C5 T  ?2tech.cn
计算中采用了“技术说明”中的全部给定值,不能采信的已作说明。其它参数取值还有:设备辐射热损失率2%;环境温度20度,相对湿度80%等。0 w: N6 z+ b( }2tech.cn

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三、计算结果与讨论
  K2 {2 }& U9 a& V" r. A2tech.cn
  x7 g6 y) ?3 B3 @4 i6 J6 h, O2 g2tech.cn
1、单位热耗
$ M: S3 i0 k2 ~5 ^6 o' P1 \8 X
( ?& H6 n# l5 d1 m$ s对此工艺的热能评价不应离开计算条件。这里,污泥的含固率为15.7%(而非20%),但干基有机质含量高达81%(而非国内典型的60%以下)。
7 e( F; b/ A* q0 d  I+ j* W( E1 Y* T# V: s2tech.cn
碳化热解工艺类似于干化焚烧,一般可采用升水蒸发量的能耗值来大致判断其热耗定位。本例中,实际蒸发量为710 kg/h,耗用燃料热值665 kal/kg.H2O。此外,污泥有机质气化燃烧,提供了相当于725 kcal/kg的热能。这样,升水蒸发量的综合总热耗为1390 kcal/kg。
) ]& Y  e$ A8 p* e" w* f8 d7 j. Q* _9 N8 O* n2tech.cn
相比于纯粹的热干化(720-900 kcal/kg),或一般可做到自持的干化焚烧(干基低位热值在2400 kcal/kg左右,含固率15%的污泥干化焚烧,系统能量输入在770 kcal/kg以上),这一计算如果属实,则确实是非常高的。2 N* _+ _: v' G/ _: I4 }2tech.cn

9 B, G/ E/ o' a8 G此外,由于燃料燃烧位置有4处,主要以喷燃形式进行,因此会对燃料类型有要求(燃煤恐怕不行)。因此,在成本分析方面,恐怕是无法以价格最低的燃煤来进行评估的。' v5 C8 K& B( O. C3 D2 @2tech.cn
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2、碳化产品价值
' z3 X  G; d$ |4 E- L# n: o
* {1 k' W4 l  z在本例中,湿泥干固体量为130.1 kg/h,碳化后产品量37.6 kg/h,其中,有机质量由105.4 kg/h减为12.9 kg/h,有机质气化率高达88%。这意味着产品中的干基有机质量只剩下了34.3%。有机质在碳化过程中大部分被气化并燃尽,从这一点看,“碳化产品”的价值已不高。5 E8 I9 c6 p3 E/ G) Y) p# S* g2tech.cn

' Z$ k7 x1 P6 C* n3、干化安全性
5 X) z8 A" b: ~* P' e
* d3 F( @8 O& ~       干燥器入口气体是有两部分混合而成的:来自碳化系统的高温烟气(约1230度),和来自冷凝器的除臭后气体(50度),混合后温度约770.4度。离开干燥器的温度约212.9度。' M3 a! t$ j! I6 i2 Q2tech.cn

2 H) K: S3 _( h, G& D& u$ T% C       干化用气体混合后的温度非常高,污泥干化的安全性值得关注。( r* U( z5 s7 R2tech.cn
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4、除臭方式
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/ ~0 ~& Y' |4 ~, B, ?4 N# e       在千叶项目中,采用了高温脱臭方式,臭气需被加热到800度以上。这是国外普遍采用的干化臭气除臭方式,它的问题在于能耗较高。本例中,用于臭气脱臭的燃料补充量占到了总补充燃料量的48%(“技术说明”中原本高达74.7%)。' x6 y3 t9 \/ I: m2 }9 K2 I* H2tech.cn

7 k% Q+ ?* p( Y* [; f: g, t       在武汉博实的专利以及武汉汤逊湖项目中,已将除臭改为了生物除臭+活性碳方式。这种形式的烟气处理是废弃物焚烧领域一个颇具争议性的问题。笔者以为,它在实质上应该还是一种倒置的干化焚烧,这种形式的烟气处理在国外不被允许,但在国内却屡被作为“节能新技术”而不断得到发扬。有关此问题笔者拟另文专做讨论,这里从略。% t* h2 S' G' O& D* S2tech.cn
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+ _) [: V( p" O2 k* q) w如前所述,对污泥进行热分解是一类技术,有不同的名称,但总的原理是类似的,都首先要干化,然后是热解,热解的能量被利用。能量不足的部分需要补充。在能量平衡的性质上,它与干化+焚烧其实是类似的。. Z2 d8 x' E- Z2tech.cn
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从有机质利用的角度看,热解后最终气化的气体仍然是被焚烧的,因此存在焚烧烟气的处理问题。当然,这种利用形式与典型的富氧燃烧有所不同,环境排放方面是否更安全,还尚有争议。2 W0 V* i$ H& H2 Y" `2tech.cn

9 t7 R7 Y$ x" I+ I6 R笔者的分析是基于“确认原样本数据基本为真、仅在个别位置设下谜团”这样一个假设。未对脱臭炉之外的燃料输入数据置疑。这样,备用炉出口的烟气温度就显得偏高,从而干化入口烟气也偏高。但从整个系统平衡的角度看,所得到的结论似乎还是合理的,终归干燥器升水蒸发量的干空气用量才4.3 kg/kg.H2O,没有足够高的温度,干化是无法完成的。
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