污泥高速碳化工艺的热能能耗浅析

污泥高速碳化工艺的热能能耗浅析(2011-10-26 14:40:15)转载标签：污泥热解污泥碳化污泥炭化污泥裂解污泥干馏杂谈首次听说“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。一、原理其实，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：1、高温：在高温作用下，部分有机质发生解聚，形成可燃气体；2、低氧：在高温处理过程中，通过限制供氧量，实现有限燃烧；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；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：(1)干燥和预热（20-200度）：析出水分；(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；(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；(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；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。本文以武汉博实城乡环境能源工程有限公司引进的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）。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。二、主要工艺流程及其分析有“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。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。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：1）一部分经过脱臭处理的废气回流到干燥器中；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）；3）脱臭后排放的气体是先要经过冷凝的。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。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。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。还原的工艺流程图如下：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。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。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。与此相关的气体含水量、烟气含水量均为未知。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。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。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：灰分A0.0019.00碳C86.3055.50氢H13.055.07氧O0.009.80氮N0.009.81硫S0.650.82过剩空气系数1.351.1干基低位热值Kcal/kg108065566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：1）备用炉出口气体温度按照“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。2）干燥器出口气体温度按照“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。3）脱臭炉喷燃燃料量按照“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。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。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。三、计算结果与讨论1、单位热耗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）。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。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。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。2、碳化产品价值在本例中，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。3、干化安全性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。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。4、除臭方式在千叶项目中，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%）。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。四、结语如前所述，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。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