北極星水處理網訊:目前，國內外有關汙泥熱解技術的研究大多集中在固定床和流化床等特定處理單元內的熱解動力學、熱解特性以及產物特徵等方面，且實驗室規模的熱解研究往往只聚焦在熱解單元，對於汙泥熱解系統的運行過程、尤其是熱解系統的核心問題——能量平衡研究較少，難以為設備系統化、工程化應用提供參考。
因此，研究針對市政汙泥幹化熱解試生產系統進行了物理模型簡化，並基於能量守恆定律以及熱解的過程參數，通過數學模型定量分析了該系統汙泥幹化、熱解、熱解氣燃燒過程的能量轉換、傳遞和耗散關係，並對生產運行時汙泥初始含水率變化、汙泥處理量等不同情景進行了模擬分析；並在此基礎上確定了節能的方向和環節、為汙泥熱解技術的集成化和工業化應用提供了可靠的運行參數支撐。
01 熱解系統工藝流程
圖1為汙泥幹化熱解集成系統。市政汙水廠汙泥(含水率80%)經汙泥泵送至烘乾機，被烘乾至特定含水率後，再由螺旋輸送機輸送至造粒機，通過造粒機擠壓成具有一定硬度的顆粒物。汙泥顆粒物通過螺旋輸送機輸送至外加熱式迴轉窯熱解系統進行升溫熱解，熱解產物經冷卻後排出系統。汙泥熱解過程中產生的熱解氣含水粉塵、水汽以及焦油，採用「旋風除塵+二級洗滌」的方式進行淨化處理，然後熱解氣進入去水分離器，進一步去除隨熱解氣排出的水滴和油滴，最後熱解氣進入燃燒室，與輔助燃料(液化石油氣、天然氣、沼氣等)混合燃燒。燃燒產生的高溫煙氣通過換熱器為烘乾機的冷導熱油管加熱，為烘乾機提供熱源，然後高溫煙氣進入迴轉窯外部夾套，通過加熱迴轉窯外壁為迴轉窯內的汙泥熱解提供熱量。
02 模型構建
2.1 模型條件設定
通過建立數學模型，構建包括汙泥乾燥、熱解、熱解氣燃燒等工藝在內的整個熱解系統的熱量平衡方程，對汙泥熱解系統中各工藝流程的熱耗和整個系統的能量平衡進行評估分析，進而為工程應用提供支撐。以下幾點假設為系統建模的基礎：
(1)汙泥、水、熱解產物等物性參數不隨溫度改變而改變，並取相應工作參數下的平均數值；
(2)汙泥熱解過程中熱解產物穩定，其單位質量汙泥熱解過程的吸熱量為定值，並可通過差示掃描量熱法測定；
(3)不計造粒、除塵和洗滌等非主要耗熱工藝過程的熱量損失。
基於以上基本假設，將熱解系統工藝流程分為以下4個步驟。
1)溼汙泥含水率80%，經烘乾機烘乾並經過造粒機後，汙泥造粒的含水率降至30%，其工藝流程如下：
(1)被蒸乾部分的水分溫度由25 ℃升至75 ℃，並在此過程蒸發成水汽，同時幹汙泥的溫度也由25 ℃升至75 ℃；
(2)導熱油與烘乾機換熱效率為90%～95%。
2)造粒後顆粒狀汙泥進入熱解迴轉窯，吸收從煙氣側傳導過來的熱量，溫度升高，揮發分析出。其工藝流程為：
(1)汙泥的造粒進一步在75 ℃下蒸乾；
(2)然後幹汙泥從75 ℃升至500 ℃進行熱解，升溫速率為10～30 K/min；
(3)熱解迴轉窯的煙氣與汙泥造粒的換熱效率假設為95%。
3)汙泥在迴轉窯中熱解產生的熱解氣含有揮發分、水汽，同時攜帶有少量汙泥顆粒、焦油等，經除塵、二級洗滌和去水分離後只剩下可燃氣體，假設在這個過程中炭粉、水汽、焦油和可燃氣體均無質量損失。
4)輔助燃料和可燃熱解氣體在燃燒室混合燃燒，並經換熱器將高溫煙氣的熱量傳遞給導熱油，假設燃燒室的燃燒效率為98%，換熱器在高溫煙氣端的效率為95%。
2.2 數學模型構建
針對上述的4個工藝流程，首先藉助儀器設備測量計算汙泥、炭渣熱值和熱解吸熱量等關鍵參數，然後基於能量守恆定律建立了各流程熱量平衡的數學模型。
(1)烘乾機與導熱油的換熱能量平衡如式(1)。
(2)汙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 結果與討論
3.1 汙泥的特性分析
3.1.1 汙泥的成分分析
汙泥和炭渣試驗結果如表1所示。其中原汙泥的碳含量為16.58%，氧含量為10.64%，熱值為7 514 kJ/kg；熱解後的碳渣碳含量為8.16%，氧含量為1.53%，熱值為2 973 kJ/kg。
3.1.2 汙泥熱解的過程參數
在熱重分析儀上進行汙泥的熱解試驗，研究汙泥熱解的過程參數。試驗中，在氮氣氣氛中，設置升溫速率分別為15、20、30 K/min，氮氣流量為100 mL/min，在達到終溫500 ℃後，維持溫度為500 ℃，使總熱解時間為45 min，觀察在該試驗條件下汙泥熱解的程度。由圖2可知,汙泥熱解過程吸熱量隨時間的變化規律。負值表示吸熱，正值表示放熱。對差示掃描熱量曲線(DSC) 積分即可得到汙泥熱解過程的吸熱量。計算得到15、20、30 K/min升溫速率下汙泥熱解吸熱量分別為203.2、556.2、602.8 kW/kg，平均值為454.1 kW/kg。
3.2 工藝熱平衡分析
根據以上建立的數學模型及設定取值，可算出各工藝流程的耗熱量以及輔助燃料的投入量。當烘乾機入口汙泥溼度為80%，烘乾機出口汙泥溼度為30%，迴轉窯填充率為15%，迴轉窯進口溫度為650 ℃，出口溫度為300 ℃時，各工藝流程耗熱量計算結果如圖3所示。此時，迴轉窯填充率為15%時，迴轉窯汙泥處理量為280 kg/h，整個系統汙泥處理量為980 kg/h，以液化石油氣為輔助燃料時，燃料消耗量為10.87 Nm3/h。工藝系統的耗熱量，如圖3所示。
3.3 輔助燃料量隨汙泥處理量及含水率變化的預測
汙泥初始含水率和汙泥處理量常在一定範圍內變動，當初始含水率和處理量不同時，輔助燃料燃燒量也應有所不同。利用2.2節建立的數學模型，可以研究汙泥初始含水率和汙泥處理量與輔助燃料消耗量的關係。輔助燃料採用液化石油氣，其氣相燃燒較為完全，取燃燒效率為98%。假設迴轉窯出口煙溫為130 ℃，煙氣各物性參數按照標準煙氣取值。
3.3.1 汙泥含水率變化
汙泥初始含水率的變動對烘乾機、造粒機、迴轉窯等設備的工作參數均有不同程度的影響，初始含水率從多個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係較為複雜。因此，採用對不同工況點進行曲線擬合得到初始含水率與輔助燃料消耗量關係式。當汙泥初始含水率變化時，可以由熱平衡得到相應的輔助燃料量的消耗量。計算多個汙泥初始含水率下輔助燃料的消耗量，得到不同的運行工況點，通過對工況點的擬合可以得到汙泥初始含水率與輔助燃料消耗量的關係式。
當迴轉窯按設計工況運行時，迴轉窯填充率為15%，迴轉窯汙泥入窯含水率為30%，汙泥初始含水率為80%時，計算得到整套設備的處理量為980 kg/h。當控制汙泥處理量為980 kg/h時，汙泥初始含水率的變化將影響到輔助燃料的消耗量。汙泥初始含水率為55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%和90%時，根據系統的熱平衡計算相應的輔助燃料消耗量，做出散點圖並擬合得到圖4。擬合得到的輔助燃料消耗量與初始含水率關係如式(6)。
y=-12.17+0.278 9x (6)
其中：y—輔助燃料消耗量，Nm3/h；
x—汙泥含水率，相關係數為0.998。
3.3.2 汙泥處理量變化
當汙泥初始含水率為80%時，根據熱平衡計算得到汙泥處理量為680、780、880、980 kg/h和1 080 kg/h時的輔助燃料消耗量並對其進行擬合，可得到汙泥處理量與輔助燃料消耗量的關係式，如圖5所示。由圖5可知，當汙泥初始含水率不變時，對汙泥處理量作為輸入量，輔助燃料消耗量作為輸出量的系統而言，整套設備為線性系統，汙泥處理量與輔助燃料消耗量存在線性關係，服從疊加原理。汙泥含水率為80%時，汙泥處理量與輔助燃料消耗量的關係如式(7)。
y=0.010 2x (7)
其中：y—輔助燃料消耗量，Nm3/h；
x—汙泥處理量，kg/h。
表3給出了不同初始含水率下，輔助燃料消耗量與汙泥處理量的相應的關係式。
3.4 輔助燃料量隨汙泥處理量及含水率變化的預測與試驗對比
汙泥處理量為1 000 kg/h，含水率為80%，由表3可知，ω=0.010 2x計算得輔助燃料到預測值為10.2 kg/h，與試驗測量值9.87 kg/h的偏差3.17%，誤差較小。
04 結論
本文提出了一套可行的汙泥集成化熱解系統。
在研究了汙泥熱解特性和過程參數的基礎上，利用能量守恆定律，對汙泥幹化熱解集成工藝中的幹化、炭化、熱解氣燃燒等過程中的能量轉換、傳遞和耗散進行了研究，並建立了相應的數學模型，在此基礎上，對不同情景進行了分析，結果為汙泥熱解技術的工業化和集成化提供了可靠的運行參數。
(1)原汙泥的碳含量為16.58%，氧含量10.64%，熱值7 514 kJ/kg；熱解後的碳渣碳含量為8.16%，氧含量1.53%，熱值2 973 kJ/kg。
(2)通過熱重分析儀，對汙泥的汙泥熱解吸熱量進行了測定，得到15、20、30 K/min升溫速率下汙泥熱解吸熱量分別為203.2、556.2、602.8 kW/kg，平均值為454.1 kW/kg。
(3)當汙泥幹化熱解系統汙泥處理量為980 kg/h時，以液化石油氣為輔助燃料時，燃料消耗量為10.87 Nm3/h。
(4)利用該模型求得了燃料消耗量與汙泥初始含水率和汙泥處理量間的線性回歸方程，分別為：y=-12.17+0.278 9x(x為含水率)和y=0.010 2x(x為汙泥處理量)。試驗表明，線性回歸方程的誤差較小，可為汙泥熱解技術的工業化和集成化提供了可靠的運行參數。
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