污泥替代水泥窑燃料过程的碳减排及质能平衡计算

污泥替代水泥窑燃料过程的碳减排及质能平衡计算张悠然;王雷;龚琳;王建;袁韦韦;于欢【摘要】文章针对污泥作为水泥窑替代燃料过程中存在的污染物排放风险进行模拟计算,研究在水泥窑环境下污泥与煤混烧的污染物排放情况,以计算的方式求得混烧过程中污染物排放量,并将实际排放与排放限值做对比,从而求得污泥与煤混烧的最适比例,并利用最适比例计算污泥替代煤的碳减排效应.期刊名称】《可再生能源》年(卷),期】2015(033)006【总页数】6页(P952-957)【关键词】污泥;水泥窑;焚烧;燃料替代【作者】张悠然;王雷;龚琳;王建;袁韦韦;于欢【作者单位】沈阳航空航天大学能源与环境学院,辽宁沈阳110136;沈阳航空航天大学能源与环境学院,辽宁沈阳110136;沈阳航空航天大学能源与环境学院,辽宁沈阳110136;沈阳航空航天大学能源与环境学院,辽宁沈阳110136;沈阳航空航天大学能源与环境学院,辽宁沈阳110136;沈阳航空航天大学能源与环境学院,辽宁沈阳110136【正文语种】中文【中图分类】X511污泥作为污水处理的副产物，其无害化、资源化处理一直是人们研究的热点。随着我国社会经济、城镇化和工业化的快速发展，城市污水产量逐年增加，作为污水处理的副产物污泥，产量也在不断增加，对污泥进行无害化处理已迫在眉睫。近年来，各种现代技术被引入到污泥处理处置过程中，例如热解、湿式氧化、汽化和燃烧等，这些技术目前还处在研究阶段，不可避免地存在问题。污泥在某些燃烧特性方面优于煤粉，因此，从燃烧特性方面来讲，污泥可以部分替代煤粉用作水泥工业燃料。污泥灰和煤灰的化学成分相似，从理化性能方面来讲，污泥可用作水泥工业替代燃料［1］。但由于污泥中N,S和某些痕量元素含量超标，导致污泥替代水泥窑燃料存在一定风险。窑型选用04.0x60mRSP型分解窑，污泥取自沈阳市北部污水处理厂［2］，煤选用一般无烟煤。文中污泥和煤的理化性质参数见表1和表2中数据。分别选取含水率为45%~75%的污泥进行污泥的质能平衡计算，验证污泥在燃烧前后是否质能守恒，为最适值计算和碳减排计算奠定基础。污泥的质量平衡计算部分分为收入项目的质量计算和支出项目的质量计算。收入项目包括污泥总量、生料消耗量、入窑空气量；支出项目包括熟料量、出预热器废气量、出预热器飞灰量。当收入项目质量等于支出项目质量即质量守恒。污泥的能量平衡计算部分分为收入项目的能量计算和支出项目的能量计算。收入项目包括绝干污泥燃烧生成热、燃料带入显热、生料带入显热、入窑回灰带入热量、空气带入热量；支出项目包括熟料形成热、生料中水分耗热、废气带走热、出窑熟料带走热、出窑预热器飞灰带走热、污泥水分带走热、系统表面散热。当收入项目能量等于支出项目能量即能量守恒。由污泥各项参数计算结果绘制图1和图2。图1表明不同含水率污泥进窑时质量收支是平衡的，图2表明不同含水率污泥进窑时能量收支是平衡的。将污泥作为替代燃料，存在的风险是不容忽视的，从污泥和煤的理化性质对比中可以看出，污泥中的重金属含量、氮含量、硫含量偏高，由此推测，等量的污泥和煤相比，污泥在燃烧过程中排放的重金属、NOx和S02更多。本文选取污泥在燃烧过程中可能大量排放的4类污染物Hg，Tl+Cd+Pb+As，NOx，SO2作为污泥替代量的限制因素，分别计算污泥替代煤的最适值。Hg，Tl+Cd+Pb+As，NOx和SO24类物质的排放标准见表3。污水污泥垃圾中含量最多的金属元素是Zn，其次是Pb，Cu，Cr，Mn，Ni，As等，甚至也包含少量的Hg。德国水泥研究所［3］，［4］研究了带悬浮预热器和炉篦式加热机的回转窑系统的微量重金属元素的挥发性，把微量元素按其挥发性分为不挥发、难挥发、易挥发、高挥发4个等级。其中，属不挥发类的重金属元素有Zn，Ni，Cr和Cu等；难挥发类的有Cd，Pb；易挥发类的有Tl；高挥发类的有Hg。污泥、煤中重金属含量见表4和表5。污泥与煤烟气量计算燃料的理论空气量为式中：C，H，O和S分别为为燃料中C，H，O和S元素的百分含量，％。实际空气量为式中：a为空气系数，取1.10o理论烟气量V0计算公式为式中：M，N分别为燃料中水分和N元素的百分含量，％。实际烟气量V计算公式［7］为求得污泥与煤混烧的VaO，Va，VO和V如表6所示。2.2.2污泥与煤混烧比例计算选取大小为5000t/d的水泥窑燃烧器进行计算，即煤的投放量为14t/h；1kg煤作为燃料时，净提供能量23614kJ，14t煤燃烧时，净提供能量3.306x108kJ;1kg含水率为70%的污泥给水泥窑提供净能量为2570.6kJ，由此算得每t含水率为70%的污泥可替代煤0.109t。若无特殊说明，本文所说的污泥质量均指含水率为70%的污泥质量。2.2.3重金属排放计算重金属实际排放量T（mg/h）计算式为式中：M1为污泥质量，kg;M2为煤质量，kg;C1为污泥中重金属含量，mg/kg；C2为煤中重金属含量，mg/kg；b为重金属烟气分配率，取值见表7。重金属排放限值S（mg/h）计算式为式中：V1,V2分别为污泥和煤的实际烟气量，m3/kg，V1和V2取每小时排放量；c为最高允许排放限值，mg/m3。据计算结果绘制图3和图4。由图3和图4中数据可知，当燃烧过程中所用绝干污泥质量为1.16t时，Hg排放量达到标准限值，此时对应的污泥质量为3.857t，煤的燃烧量为13.85t，煤质量与污泥质量的比为3.52；当燃烧过程中所用绝干污泥质量为17.748t时，Cd+Pb+As+TI排放量达到标准限值，此时对应的污泥质量为59.16t，煤的燃烧量为7.56t，煤质量与污泥质量的比为0.127；2.2.4NOx和SO2排放计算NOx（氮氧化物）包括NO,NO2和N2O等［8］，是水泥窑尾气中主要的污染物，其危害性主要表现在环境酸化、人体健康损害和光化学烟雾及温室效应方面。在氧化气氛煅烧工况下，由原燃料带入水泥窑中的硫化合物，其中88%-100%以不同形式的硫酸盐结合到熟料和窑灰中，以SO2形式排放的不多，最高为12%,相当于排放的尾气中含量不大于600mg/m3（标况，干基）［9］。有害气体实际排放量P（mg/h）计算式为式中：C1为污泥中氮（硫）含量，mg/kg；C2为煤中氮（硫）含量，mg/kg；d为氮（硫）挥发率％；SO2转化率取12%,NOx转化率取16%［9］。有害气体排放限值L（mg/h）计算式为式中：e为NOx（SO2）最高允许排放限值，mg/m3。根据计算结果绘制图5和图6。由图5中数据可知，当燃烧过程中所用绝干污泥质量为5.787t时，NOx排放量达到标准限值值，此时对应的污泥质量为19.29t，煤的燃烧量为11.9t，煤质量与污泥质量的比为0.62。由图6可以看出，当燃烧过程中所用绝干污泥质量为8.874t时，SO2排放量达到标准限值，此时对应的污泥质量为29.58t，煤的燃烧量为10.78t，煤质量与污泥质量的比为0.36。污泥替代的碳减排计算本文在研究水泥窑环境下污泥替代煤燃烧过程中的碳排放情况时发现，由于污泥中的固定碳含量远小于煤中的固定碳含量，由此推测，污泥替代煤燃烧的过程中能够产生碳减排效应。首先考虑煤燃烧的CO2排放情况，其CO2排放计算公式为式中：E为煤做燃料时CO2的排放量，t；W为燃料的消耗量，取1000kg;Q为燃料的发热量，23.614MJ/kg;k为燃料的碳排放系数，25.80x10-6kg/kJ;a为燃料的碳氧化率，取值为98%[10]。经过计算可知，1t煤作为水泥窑燃料时，CO2的排放量为2.191t。以污泥作为水泥窑燃料时，其CO2排放计算公式[11]为经计算可知，1t含水率为70%的污泥作为水泥窑燃料时，CO2的排放量为0.023t。式中：ES为污泥作为燃料时CO2的排放量；W表示污泥的用量，取1000kg含水率为70%的污泥；HV为绝干污泥低位发热量，13.842MJ/kg;EF为绝干污泥燃烧的CO2排放因子，0.11kg/MJ[12];a为污泥碳含量，取5%。为了便于对不同污泥处理过程的碳排放进行比较，低碳化评估方法和基准在核算碳排放的基础上，参考资源化处理率等指标，定义处理过程的低碳化程度DLC（%）为式中：Emax为最大碳排放，取全部由煤作燃料时的碳排放值作为比较基准，t;E为处理过程的总碳排放［13］，等于E1+E2-ER，E1为污泥燃烧的碳排放，E2为煤燃烧的碳排放，ER为处理过程中的碳减排，即被替代的煤燃烧产生的碳排放，t。由计算得到针对Hg，Tl+Cd+Pb+As，NOx，SO24类污染物的污泥最大添加量分别为3.857，59.16，19.29，29.58t，分别计算在4个最大添加量情况下的低碳化程度，结果见表8。不同污泥处理技术低碳化程度比较（1）污泥卫生填埋式中：ECH4分别为甲烷排放量和二氧化碳排放量；DOC为可降解有机碳，取0.13；DOCf为实际分解的可降解有机碳比例，IPCC推荐取值50%；MCF为甲烷修正因子，取100%；F为填埋气体中的CH4体积比例，取50%；16/12为CH4/C分子量比率；K=44/12，为CO2/C分子量比率。1tCH4的全球变暖趋势（GWP）按21tCO2计［13］。（2） 污泥好氧堆肥式中：DOCf为好氧堆肥条件下分解的可降解有机碳比例，取0.65［14］，［15］。为附加碳排放；参照《城市生活垃圾堆肥处理工程项目建设标准》，电耗取10kWh/t；电力碳排放参考主要火电企业发电部门CO2排放量，取0.8kg/kWh。（3） 污泥产沼发电对于污泥厌氧消化产沼发电过程中污泥厌氧发酵所产生的CH4和CO2利用公式（12），（13）计算（DOC=0.1，DOCf=0.5），分别为ECH4=0.043W，ECO2=0.119W处理过程耗电按40kWh/t计，附加碳排放利用公式（15）计算，E82=0.032W甲烷燃烧后形成的总碳排放为沼气发电效率一般在25%~30%，大约燃烧0.2kg甲烷可回收1kWh电能［13］。因此减排量为（4）污泥干化后焚烧污泥焚烧的碳排放为式中：CF为污泥碳含量，取湿污泥（含水率70%）的10%；OF为氧化因子，取85%。污泥焚烧前需要干化处理，利用低压蒸汽作为热源，通过换热装置间接加热，则污泥干化的电耗为35kWh/t，附加碳排放为干化污泥可替代部分燃煤，每t湿污泥干化后可节约标煤0.176t，碳排放因子取0.09x10-3kg/kJ；节约煤耗对应的碳排放为（5）替代水泥窑燃料以NOx排放达到限值时的污泥和煤用量为例，此时污泥用量为19.291t由公式10求得：ECO2=19.291x0.023=0.444t污泥干化后混烧处理过程的附加碳排放为E'C02=19.291x0.035x0.8=0.54t19.291t湿污泥可节约标煤2.1t，节约煤耗对应的碳排放为ER=2.1x2.191=4.601t最大碳排放可换算为Emax=1.022x19.291=23.535t污泥替代的低碳化程度为低碳化程度计算结果见表9。通过污泥的质能平衡计算验证了污泥的焚烧过程质能守恒。通过对Hg，Tl+Cd+Pb+As，NOx，SO24类污染物排放量和排放限值的计算，求得了4组混烧最适比例，建立了混烧最适比例的求解模型，并为碳减排的计算奠定基础。对5种污泥处理技术分别进行了低碳化程度的计算，5处理方法中低碳化程度较大的是污泥干化后焚烧和替代水泥窑燃料。二者对污泥的处理方法均是干化后焚烧，但当污泥作为水泥窑的替代燃料进行焚烧时，低碳化程度更为显著。可见污泥替代水泥窑燃料这一技术可以从一定程度上缓解能源短缺问题，并且对碳减排做出贡献，有一定的应用价值。【相关文献】漆宏•利用污泥生产生态水泥的可行性初探[几安徽农业科学，2008,36(17):7380-7381.QiHong.Feasibilitystudyonproducingecologicalcementthroughtheuseofsludge[J].AnhuiAgriculturalSciences，2008，36(17):7380-7381.魏砾宏，王雪花，李润东•脱水污泥等温干燥特性实验研究及回归分析[J].环境科学学报，2011，31(1):1-6.[2]WeiLihong，WangXuehua，LiRundong.Experimentalresearchandregressionanalysisforisothermaldryingcharacteristicsofdewateredsewagesludge[J].JournalofEnvironmentalSciences，2011，31(1):1-6.乔龄山•水泥厂利用废弃物的有关问题(一)-国夕卜有关法规及研究成果[J].水泥，2002(10)：1-5.QiaoLingshan.Severalproblemsaboututilizingwasteincementplant(1)-foreignrelatedregulationsandresearchresults[J].Cement，2002(10)：1-5.MairK.GrundsotzefurdiedieVerwertungvonAbfalleninZementwerken[J].Zement-Kalk-Gips，2001(1)：14-27.马学文，翁焕新，章金俊•中国城市污泥重金属和养分的区域特性及变化[J].中国环境科学，2011，31(8)：1306-1313.MaXuewen，WengHuanxin，ZhangJinjun.TheregionalcharacteristicsandchangesofChinesecitysludgeheavymetalsandnutrients[J].ChinaEnvironmentalScience，2011，31(8)：1306-1313.⑹赵继尧，唐修义，黄文辉•中国煤中微量元素的丰度[J].中国煤田地质，2002,14:5-13.ZhaoJiyao，TangXiuyi，HuangWenhui.AbundanceoftraceelementsininChinacoal[J].CoalGeologyofChina，2002，14：5-13.张威•污泥用作水泥工业替代燃料的工艺性能研究[D]•武汉：武汉理工大学，2011.ZhangWei.Studyonprocessandpropertiesofcementindustrysludgeusedasalternativefuel[D].Wuhan：WuhanUniversityofTechnology，2011.叶文娟•水泥窑NOx形成和控制的研究[D].北京：北京工业大学，2010.YeWenjuan.StudyandcontrolofcementkilnNOxformation[D].Beijing：BeijingUniversityofTechnology，2010.乔龄山•水泥厂利用废弃物的有关问题(三)-有害气体与放射性污染[几水泥，2003(1)：1-7.QiaoLingshan.Severalproblemsaboututilizingwasteincementplant(3)-Harmfulgasesandradioactivecontamination[J].Cement，2003(1)：1-7.崔素萍，刘伟•水泥生产过程CO2减排潜力分析[J].中国水泥，2008(4):58-59.CuiSuping，Liuwei.TheCO2emissionreductionpotentialanalysisofcementproductionprocess[J].ChinaCement，2008(4)：58-59.鲁传一，佟庆•中国水泥生产企业二氧化碳排放核算方法研究J].中国经济导刊，2013(29)：21-22.LuChuanyi，TongQing.StudyonemissionaccountingmethodofChinacementproductionenterprisesofcarbondioxide[J].ChinaEconomicHeraldt，