王澤鵬,劉志巖

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130021)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速，城市垃圾及污水處理量逐年提高。城市垃圾處理初期主要采用填埋等方式，近年來垃圾焚燒技術(shù)日益成熟，垃圾焚燒發(fā)電廠的建設(shè)也如火如荼。“十一五”及“十二五”期間，我國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理能力由2006年的4×104t/天增長(zhǎng)至2016年的27.04×104t/天，年均復(fù)合增速達(dá)到21.1%。

而與生活垃圾共生的還有生活污水，自2016年起，中國(guó)已經(jīng)成為全球污水處理量最大的國(guó)家之一，僅工業(yè)污水和生活污水兩項(xiàng)的年處理總量就高達(dá)971×108t。污泥是城市污水廠在處理污水過程中產(chǎn)生的廢棄物，主要是由初沉污泥和二次污泥組成，約占總處理水量的0.3%～0.5%。目前我國(guó)污泥處置方式中，土地填埋占63.0%、污泥好氧發(fā)酵+農(nóng)用約占13.5%、污泥自然干化綜合利用占5.4%、污泥焚燒占1.8%、污泥露天堆放和外運(yùn)各占1.8%和14.4%。事實(shí)上，土地填埋、露天堆放和外運(yùn)的污泥絕大部分都屬于隨意處置，真正安全處置的比例不超過20%。

一方面是垃圾焚燒方案成功并大范圍推廣投產(chǎn)，另一方面是污泥處于無(wú)法處理、無(wú)人理會(huì)的局面，隨著土地資源日益寶貴、環(huán)保要求逐年提高，污泥的綜合處理也將越來越受到重視。

1 污泥與垃圾特性分析

1.1 污泥特性

城市污水處理廠在凈化污水的同時(shí)也產(chǎn)生大量污泥，污泥分初沉污泥和活性污泥，初沉污泥的有機(jī)質(zhì)量濃度一般在55%～70%，活性污泥的有機(jī)質(zhì)量濃度一般在70%～85%。

從焚燒角度看，污泥由可燃、不可燃的礦物雜質(zhì)(灰分)和水分組成；從污泥的工業(yè)分析角度看，污泥主要由水分、灰分、揮發(fā)分和微量的固定碳組成；從污泥的元素分析角度看，碳是污泥中可燃質(zhì)的主要元素，同時(shí)含有少量的氫，氧元素通常與碳?xì)湫纬苫衔?，其他主要還有氮和硫，這兩種元素在燃燒中容易形成氮氧化物NOx和酸性氣體SO2。

污泥中的揮發(fā)分是影響熱值的主要因素，固定碳含量很低，對(duì)污泥燃燒影響幾乎可以忽略不計(jì)。經(jīng)污水處理廠初步濃縮后的污泥含水率為80%，熱值一般為3 550 kJ/kg。

1.2 垃圾特性

城市生活垃圾熱值與當(dāng)?shù)鼐用裆钏接嘘P(guān)，同時(shí)受季節(jié)、氣候因素影響，垃圾熱值會(huì)存在一定的波動(dòng)范圍。從地域角度看，東南沿海城市生活垃圾熱值高于西部及北方城市生活垃圾熱值；從經(jīng)濟(jì)水平角度看，一、二線城市垃圾熱值遠(yuǎn)高于三、四線城市及縣城的垃圾熱值。以某中部地區(qū)的垃圾電站為例，燃料的設(shè)計(jì)熱值為7 000 kJ/kg(低位熱值4 182 kJ/kg、高位熱值8 365 kJ/kg)。

目前我國(guó)的垃圾焚燒普遍采用機(jī)械爐排爐，此類焚燒爐允許燃料的熱值波動(dòng)區(qū)間較大，熱值在4 500～10 000 kJ/kg的燃料均可燃燒，適應(yīng)國(guó)內(nèi)垃圾水分高、熱值低的特點(diǎn)。4 500 kJ/kg通常認(rèn)定為是不助燃的垃圾下限低位熱值，低于此熱值的燃料在不投入其他輔助高熱值燃料情況下無(wú)法維持爐膛內(nèi)穩(wěn)定燃燒。

由以上污泥及垃圾特性分析可知，要想達(dá)到污泥與垃圾摻混后能夠適應(yīng)現(xiàn)有的垃圾焚燒爐，必須對(duì)污泥進(jìn)行干化脫水處理，提高污泥熱值。

2 污泥干化與垃圾焚燒耦合發(fā)電系統(tǒng)

2.1 污泥干化含水率及熱值的確定

目前普遍研究認(rèn)為，污泥含水率為80%左右時(shí)，污泥焚燒產(chǎn)生的熱量基本等于自身所含水分氣化所損耗的能量，也就是說污泥中的熱量無(wú)法得到利用。通常污泥含水率應(yīng)該降至50%～60%才可以降低水分汽化潛熱損失，使能量得到更好地利用。干物質(zhì)熱值為21 MJ/kg,污泥溫度為10 ℃，污泥含水率與熱值關(guān)系見圖1。

圖1 污泥含水率與熱值關(guān)系

污泥中可燃燒成分為70%、污泥含水率降至60%時(shí)，熱值剛好為4 500 kJ/kg。根據(jù)前文論述的污泥中有機(jī)物含量比例，城市污水處理廠產(chǎn)生的污泥中可燃燒成分可以認(rèn)定為70%。為提高本文提出的耦合發(fā)電系統(tǒng)可行性，同時(shí)最大限度地減小摻燒污泥對(duì)垃圾焚燒爐造成的不利影響，暫定污泥干化后含水率降為45%，此時(shí)污泥熱值與垃圾熱值相同，為7 000 kJ/kg。

2.2 污泥干化介質(zhì)及換熱方式的確定

污泥干化主要是通過熱介質(zhì)與含水率較高的污泥進(jìn)行換熱，蒸發(fā)污泥中的水分。常用的載熱介質(zhì)主要有蒸汽、導(dǎo)熱油、熱風(fēng)等，加熱方式主要是直接干化、間接干化、紅外熱干化、聯(lián)合干化，通過熱介質(zhì)與污泥的換熱方式不同(包括對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射)實(shí)現(xiàn)干化目的。由于上述載熱介質(zhì)均需要其他能量加熱才能達(dá)到干燥要求，能耗較高，污泥干化的成本也較高，因此本文提出采用垃圾電站的廢棄熱源(煙氣)作為污泥干化的熱介質(zhì)，以降低污泥處理成本，同時(shí)不影響垃圾焚燒發(fā)電的熱效率。

以某工程垃圾處理量為500 t/天等級(jí)的焚燒爐為例，額定工況下排煙氣量為108 720 m3/h，排煙溫度為195 ℃。由于垃圾燃燒后的煙氣成分較復(fù)雜，為保護(hù)尾部煙道，排煙溫度無(wú)法進(jìn)一步降低。污泥干化需要大量的熱，通過抽取部分鍋爐排煙對(duì)污泥進(jìn)行干化，不僅可以利用垃圾焚燒系統(tǒng)的廢熱，同時(shí)煙氣含氧量低，可對(duì)污泥進(jìn)行接觸式直接熱干化，提高蒸發(fā)速率及熱效率。

污泥干化與垃圾焚燒耦合發(fā)電系統(tǒng)見圖2。

圖2 污泥干化與垃圾焚燒耦合發(fā)電系統(tǒng)

圖2中，增設(shè)冷煙風(fēng)機(jī)將余熱鍋爐出口溫度約195 ℃的煙氣抽至干化機(jī)內(nèi)直接加熱污泥，干化后的污泥含水率約為45%，經(jīng)皮帶輸送至垃圾坑，通過垃圾抓斗對(duì)垃圾和污泥均勻摻混后抓送至給料口，入爐燃燒。

2.3 污泥干化相關(guān)計(jì)算

2.3.1 煙氣加熱能力計(jì)算

以某工程垃圾處理量為500 t/天等級(jí)的焚燒爐為例，余熱鍋爐出口額定工況煙氣量為108 720 m3/h，標(biāo)準(zhǔn)密度約為1.29 m3/kg,煙氣溫度為190 ℃。設(shè)定污泥干化設(shè)備出口煙氣溫度θ為120 ℃，煙氣在干化污泥過程中的焓降約為119.71 kJ/kg，由總煙氣量乘以焓降可以得到余熱鍋爐排煙的加熱能力為2.8 MW。考慮到換熱損失及系統(tǒng)漏風(fēng)，總加熱能力為2.52 MW。

2.3.2 污泥干化吸熱計(jì)算

含水率為80%的污泥經(jīng)高溫?zé)煔饧訜岷竺撍苫蔬_(dá)到45%，蒸發(fā)的水分隨煙氣進(jìn)入煙氣凈化車間。由于煙氣與污泥采用接觸式加熱，因此煙氣出口與污泥可忽略換熱端差，即煙氣出口溫度為120 ℃，含水率45%的污泥及蒸發(fā)的水蒸氣也能達(dá)到120 ℃。

污泥干化包括濕污泥加熱、水分蒸發(fā)兩個(gè)過程，加熱過程中污泥由常溫t1(20 ℃)經(jīng)高溫?zé)煔饧訜嶂帘砻嫠峙R界溫度t2(100 ℃)，污泥比熱容c約為0.84×103J/(kg·℃)，因此每噸污泥的吸熱量Q1=c×(t2-t1)=84 kJ/kg。水蒸發(fā)過程中包括升溫吸熱和汽化潛熱吸熱，經(jīng)查水蒸氣焓值表，水升溫過程的焓升ΔH為2 297.51 kJ/kg。

水分蒸發(fā)過程中，污泥含水率由80%降至45%，每千克原污泥需要蒸發(fā)水的質(zhì)量m約為0.64 kg，因此每千克污泥干化吸熱量Q為污泥吸熱量與水分蒸發(fā)吸熱量之和，即Q=Q1+m×ΔH=1 554.4 kJ/kg。

2.3.3 污泥干化能力計(jì)算

由煙氣加熱量除以污泥吸熱量，可以得到能夠干化原含水率80%污泥的質(zhì)量為5.9 t。

因此，以某工程垃圾處理量為500 t/天等級(jí)的焚燒爐為例，理論上每小時(shí)可摻燒5.9 t城市污泥，每天可摻燒約142 t城市污泥。

3 結(jié)論

城市居民在生活活動(dòng)中不僅產(chǎn)生垃圾廢棄物，同時(shí)產(chǎn)生大量的城市污水，城市污水處理廠脫水處理得到的污泥經(jīng)適當(dāng)干化后，與城市垃圾一起焚燒處理，二者可謂是殊途同歸。既可以大幅降低污泥處理成本，減少對(duì)環(huán)境造成的污染，又可以充分利用污泥中的熱量發(fā)電，利用不斷優(yōu)化的工藝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代城市的“近零排放”。