上海純水設(shè)備詳解：污泥熱解系統(tǒng)核心問(wèn)題—能量平衡研究
因此，研究針對(duì)市政污泥干化熱解試生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了物理模型簡(jiǎn)化，并基于能量守恒定律以及熱解的過(guò)程參數(shù)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型定量分析了該系統(tǒng)污泥干化、熱解、熱解氣燃燒過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換、傳送和耗散關(guān)系，并對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)污泥初始含水率變化、污泥處置量等不同情景進(jìn)行了模擬分析；并在此基礎(chǔ)上確定了節(jié)能的方向和環(huán)節(jié)、為污泥熱解技術(shù)的集成化和工業(yè)化應(yīng)用提供了可靠的運(yùn)行參數(shù)支撐。
01熱解系統(tǒng)工藝流程
圖1為污泥干化熱解集成系統(tǒng)。市政污水廠污泥(含水率80%經(jīng)污泥泵送至烘干機(jī)，被烘干至特定含水率后，再由螺旋輸送機(jī)輸送至造粒機(jī)，通過(guò)造粒機(jī)擠壓成具有一定硬度的顆粒物。污泥顆粒物通過(guò)螺旋輸送機(jī)輸送至外加熱式回轉(zhuǎn)窯熱解系統(tǒng)進(jìn)行升溫?zé)峤�，熱解產(chǎn)物經(jīng)冷卻后排出系統(tǒng)。污泥熱解過(guò)程中產(chǎn)生的熱解氣含水粉塵、水汽以及焦油，采用“旋風(fēng)除塵+二級(jí)洗滌”方式進(jìn)行凈化處置，然后熱解氣進(jìn)入去水分離器，進(jìn)一步去除隨熱解氣排出的水滴和油滴，最后熱解氣進(jìn)入燃燒室，與輔助燃料(液化石油氣、天然氣、沼氣等)混合燃燒。燃燒發(fā)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)換熱器為烘干機(jī)的冷導(dǎo)熱油管加熱，為烘干機(jī)提供熱源，然后高溫?zé)煔膺M(jìn)入回轉(zhuǎn)窯外部夾套，通過(guò)加熱回轉(zhuǎn)窯外壁為回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的污泥熱解提供熱量。
02模型構(gòu)建
2.1模型條件設(shè)定
通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建包括污泥干燥、熱解、熱解氣燃燒等工藝在內(nèi)的整個(gè)熱解系統(tǒng)的熱量平衡方程，對(duì)污泥熱解系統(tǒng)中各工藝流程的熱耗和整個(gè)系統(tǒng)的能量平衡進(jìn)行評(píng)估分析， 上海純水設(shè)備進(jìn)而為工程應(yīng)用提供支撐。以下幾點(diǎn)假設(shè)為系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)：
1污泥、水、熱解產(chǎn)物等物性參數(shù)不隨溫度改變而改變，并取相應(yīng)工作參數(shù)下的平均數(shù)值；
2污泥熱解過(guò)程中熱解產(chǎn)物穩(wěn)定，其單位質(zhì)量污泥熱解過(guò)程的吸熱量為定值，并可通過(guò)差示掃描量熱法測(cè)定；
3不計(jì)造粒、除塵和洗滌等非主要耗熱工藝過(guò)程的熱量損失。
基于以上基本假設(shè)，將熱解系統(tǒng)工藝流程分為以下4個(gè)步驟。
1濕污泥含水率80%經(jīng)烘干機(jī)烘干并經(jīng)過(guò)造粒機(jī)后，污泥造粒的含水率降至30%其工藝流程如下：
1被蒸干部分的水分溫度由25℃升至75℃，并在此過(guò)程蒸發(fā)成水汽，同時(shí)干污泥的溫度也由25℃升至75℃；
2導(dǎo)熱油與烘干機(jī)換熱效率為90%95%
2造粒后顆粒狀污泥進(jìn)入熱解回轉(zhuǎn)窯，吸收從煙氣側(cè)傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的熱量，溫度升高，揮發(fā)分析出。其工藝流程為：
1污泥的造粒進(jìn)一步在75℃下蒸干；
2然后干污泥從75℃升至500℃進(jìn)行熱解，升溫速率為1030K/min
3熱解回轉(zhuǎn)窯的煙氣與污泥造粒的換熱效率假設(shè)為95%
3污泥在回轉(zhuǎn)窯中熱解產(chǎn)生的熱解氣含有揮發(fā)分、水汽，同時(shí)攜帶有少量污泥顆粒、焦油等，經(jīng)除塵、二級(jí)洗滌和去水分離后只剩下可燃?xì)怏w，假設(shè)在這個(gè)過(guò)程中炭粉、水汽、焦油和可燃?xì)怏w均無(wú)質(zhì)量損失。
4輔助燃料和可燃熱解氣體在燃燒室混合燃燒，并經(jīng)換熱器將高溫?zé)煔獾臒崃總魉徒o導(dǎo)熱油，假設(shè)燃燒室的燃燒效率為98%換熱器在高溫?zé)煔舛说男蕿?span>95%
2.2數(shù)學(xué)模型構(gòu)建
針對(duì)上述的4個(gè)工藝流程， 上海純水設(shè)備首先借助儀器設(shè)備丈量計(jì)算污泥、炭渣熱值和熱解吸熱量等關(guān)鍵參數(shù)，然后基于能量守恒定律建立了各流程熱量平衡的數(shù)學(xué)模型。
1烘干機(jī)與導(dǎo)熱油的換熱能量平衡如式(1
2污泥熱解能量平衡如式(2式(3
3燃燒室的能量平衡如式(4式(5
03結(jié)果與討論
3.1污泥的特性分析
3.1.1污泥的成分分析
污泥和炭渣試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。其中原污泥的碳含量為16.58%氧含量為10.64%熱值為7514kJ/kg熱解后的碳渣碳含量為8.16%氧含量為1.53%熱值為2973kJ/kg
3.1.2污泥熱解的過(guò)程參數(shù)
熱重分析儀上進(jìn)行污泥的熱解試驗(yàn)，研究污泥熱解的過(guò)程參數(shù)。試驗(yàn)中，氮?dú)鈿夥罩�，設(shè)置升溫速率分別為152030K/min氮?dú)饬髁繛?span>100mL/min達(dá)到終溫500℃后，維持溫度為500℃，使總熱解時(shí)間為45min觀察在該試驗(yàn)條件下污泥熱解的水平。由圖2可知,污泥熱解過(guò)程吸熱量隨時(shí)間的變化規(guī)律。負(fù)值表示吸熱，正值表示放熱。對(duì)差示掃描熱量曲線(DSC積分即可得到污泥熱解過(guò)程的吸熱量。計(jì)算得到152030K/min升溫速率下污泥熱解吸熱量分別為203.2556.2602.8kW/kg平均值為454.1kW/kg
3.2工藝熱平衡分析
根據(jù)以上建立的數(shù)學(xué)模型及設(shè)定取值， 上海純水設(shè)備可算出各工藝流程的耗熱量以及輔助燃料的投入量。當(dāng)烘干機(jī)入口污泥濕度為80%烘干機(jī)入口污泥濕度為30%回轉(zhuǎn)窯填充率為15%回轉(zhuǎn)窯進(jìn)口溫度為650℃，入口溫度為300℃時(shí)，各工藝流程耗熱量計(jì)算結(jié)果如圖3所示。此時(shí)，回轉(zhuǎn)窯填充率為15%時(shí)，回轉(zhuǎn)窯污泥處置量為280kg/h整個(gè)系統(tǒng)污泥處置量為980kg/h以液化石油氣為輔助燃料時(shí)，燃料消耗量為10.87Nm3/h工藝系統(tǒng)的耗熱量，如圖3所示。
3.3輔助燃料量隨污泥處置量及含水率變化的預(yù)測(cè)
污泥初始含水率和污泥處置量常在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，當(dāng)初始含水率和處置量不同時(shí)，輔助燃料燃燒量也應(yīng)有所不同。利用2.2節(jié)建立的數(shù)學(xué)模型，可以研究污泥初始含水率和污泥處置量與輔助燃料消耗量的關(guān)系。輔助燃料采用液化石油氣，其氣相燃燒較為完全，取燃燒效率為98%假設(shè)回轉(zhuǎn)窯入口煙溫為130℃，煙氣各物性參數(shù)依照規(guī)范煙氣取值。
3.3.1污泥含水率變化
污泥初始含水率的變化對(duì)烘干機(jī)、造粒機(jī)、回轉(zhuǎn)窯等設(shè)備的工作參數(shù)均有不同程度的影響，初始含水率從多個(gè)途徑影響輔助燃料的消耗量，初始含水率與輔助燃料消耗量關(guān)系較為復(fù)雜。因此，采用對(duì)不同工況點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合得到初始含水率與輔助燃料消耗量關(guān)系式。當(dāng)污泥初始含水率變化時(shí)，可以由熱平衡得到相應(yīng)的輔助燃料量的消耗量。 上海純水設(shè)備計(jì)算多個(gè)污泥初始含水率下輔助燃料的消耗量，得到不同的運(yùn)行工況點(diǎn)，通過(guò)對(duì)工況點(diǎn)的擬合可以得到污泥初始含水率與輔助燃料消耗量的關(guān)系式。
當(dāng)回轉(zhuǎn)窯按設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)，回轉(zhuǎn)窯填充率為15%回轉(zhuǎn)窯污泥入窯含水率為30%污泥初始含水率為80%時(shí)，計(jì)算得到整套設(shè)備的處置量為980kg/h當(dāng)控制污泥處置量為980kg/h時(shí)，污泥初始含水率的變化將影響到輔助燃料的消耗量。污泥初始含水率為55%60%65%70%75%80%85%和90%時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算相應(yīng)的輔助燃料消耗量，做出散點(diǎn)圖并擬合得到圖4擬合得到輔助燃料消耗量與初始含水率關(guān)系如式(6
y=-12.17+0.2789x6
其中：y輔助燃料消耗量，Nm3/h
x污泥含水率，相關(guān)系數(shù)為0.998
3.3.2污泥處置量變化
當(dāng)污泥初始含水率為80%時(shí)，根據(jù)熱平衡計(jì)算得到污泥處置量為680780880980kg/h和1080kg/h時(shí)的輔助燃料消耗量并對(duì)其進(jìn)行擬合，可得到污泥處置量與輔助燃料消耗量的關(guān)系式，如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)污泥初始含水率不變時(shí)，對(duì)污泥處置量作為輸入量，輔助燃料消耗量作為輸出量的系統(tǒng)而言，整套設(shè)備為線性系統(tǒng)，污泥處置量與輔助燃料消耗量存在線性關(guān)系，服從疊加原理。污泥含水率為80%時(shí)，污泥處置量與輔助燃料消耗量的關(guān)系如式(7
y=0.0102x7
其中：y輔助燃料消耗量，Nm3/h
x污泥處置量，kg/h
表3給出了不同初始含水率下，輔助燃料消耗量與污泥處置量的相應(yīng)的關(guān)系式。
3.4輔助燃料量隨污泥處置量及含水率變化的預(yù)測(cè)與試驗(yàn)對(duì)比
污泥處置量為1000kg/h含水率為80%由表3可知，ω=0.0102x計(jì)算得輔助燃料到預(yù)測(cè)值為10.2kg/h與試驗(yàn)丈量值9.87kg/h偏差3.17%誤差較小。
04結(jié)論
本文提出了一套可行的污泥集成化熱解系統(tǒng)。
研究了污泥熱解特性和過(guò)程參數(shù)的基礎(chǔ)上， 上海純水設(shè)備利用能量守恒定律，對(duì)污泥干化熱解集成工藝中的干化、炭化、熱解氣燃燒等過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換、傳送和耗散進(jìn)行了研究，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，此基礎(chǔ)上，對(duì)不同情景進(jìn)行了分析，結(jié)果為污泥熱解技術(shù)的工業(yè)化和集成化提供了可靠的運(yùn)行參數(shù)。
1原污泥的碳含量為16.58%氧含量10.64%熱值7514kJ/kg熱解后的碳渣碳含量為8.16%氧含量1.53%熱值2973kJ/kg
2通過(guò)熱重分析儀，對(duì)污泥的污泥熱解吸熱量進(jìn)行了測(cè)定，得到152030K/min升溫速率下污泥熱解吸熱量分別為203.2556.2602.8kW/kg平均值為454.1kW/kg
3當(dāng)污泥干化熱解系統(tǒng)污泥處置量為980kg/h時(shí)，以液化石油氣為輔助燃料時(shí)，燃料消耗量為10.87Nm3/h
4利用該模型求得了燃料消耗量與污泥初始含水率和污泥處置量間的線性回歸方程，分別為：y=-12.17+0.2789xx為含水率)和y=0.0102xx為污泥處置量)試驗(yàn)標(biāo)明，線性回歸方程的誤差較小，可為污泥熱解技術(shù)的工業(yè)化和集成化提供了可靠的運(yùn)行參數(shù)。
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