锅炉废气流化床污泥干化塔的热力计算与分析.pdf

锅炉废气流化床污泥干化塔的热力计算与分析 * 钱炜楼波 华南理工大学电力学院 广东省绿色能源技术重点实验室， 广州 510640 摘要 利用锅炉尾部废烟气 120 ～190℃ 干化市政污泥， 降低污泥含水率可达到后继合理利用。从三方面对污泥干 化进行了分析 1 干燥后污泥含水率与污泥处理量关系; 2 入口烟温、 流量与污泥处理量关系; 3 干燥后烟气相对湿 度影响因素分析。结果表明 提高入口烟温、 流量， 污泥出口含水率都可以提高污泥处理量， 高入口烟温、 流量下， 污泥 处理量受含水率的影响更大; 污泥出口含水率高时， 入口烟温提高使污泥处理量提高增大显著; 入口烟气流量愈高， 入 口烟温提高对污泥处理量的增加愈大。干燥后烟气相对湿度与入口烟温有关， 干燥之后的烟气的相对湿度离饱和状 态较远， 此温度范围内的出口烟气湿度还有较大的余量。 关键词 市政污泥; 锅炉烟气; 流化床干化塔; 热力计算 DOI 10. 7617/j. issn. 1000 －8942. 2013. 04. 020 THE THERMODYNAMIC CALCULATION AND ANALYSIS OF CIRCULATING FLUIDIZED SLUDGE DRYING TOWER USING WASTE GAS FROM BOILERS Qian WeiLou Bo Guangdong Key Laboratory of Clean Energy Technology，School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou 510640， China AbstractTo dry sewage sludge by using the exhaust fume of the boiler 120 ～ 190 ℃can reduce moisture content of sludge for achieving subsequently reasonable use． The drying of sludge can be analyzed in three aspects 1To study relationships between the dried sludge and quantity of sludge treatment． 2To study relationships between inlet gas temperature or inlet gas flow rate and quantity of sludge treatment． 3 To study influenced factor of relative humidity of outlet gas． The results show that quantity of sludge treatment can be improved if increasing the inlet gas temperature or gas flow rate or outlet water content of sludge． The moisture content has a higher influence on quantity of sludge treatment under conditions of higher inlet gas temperature or gas flow rate． When the outlet moisture content of sludge is higher，improving outlet gas temperature can improve quantity of sludge treatment obviously． When inlet gas flow rate is higher，the quantity of sludge treatment can be increased obviously if improving the inlet gas temperature． The relative humidity of outlet gas is related to inlet gas temperature． The relative humidity of the dried gas is far from saturated state． The relative humidity of outlet gas has more space to increase within this temperature range． Keywordssewage sludge;boiler flue gas;circulating fluidized drying tower;heat calculation * 广州市应用基础研究专项基金资助项目 12C72081667 。 0引言 随着大城市污水处理率的逐年提高， 污泥量日 益增大， 加上污泥体积庞大， 不易处理， 妥善处置已 成为当务之急［1］。而污泥处置方式改变体现在 污 泥焚烧处置比例有较大提高; 污泥干化处理后可作 为燃料燃烧或作为肥料、 土壤改良剂等后继利用。 目前国内外在污泥太阳能干化［2］、 脉冲干化［3］、 微 波干化［4］等方面进行了大量研究， 尚难以普及应 用。但李爱民等［5］采用可视化研究方法， 为污泥干 化打下理论基础。较为可行的有几种污泥干化技 术 直接和间接加热转鼓干化技术、 离心干化技术 和流化床干化技术。热干化技术虽已被工程实践 证明技术上是可行的， 但由于投资大， 操作管理复 杂， 热效率低， 能耗和运行费均很高， 限制了其应用 范围。 67 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 人口密度集中、 经济发达的珠三角地区， 市政 污泥干化处理的方式和比例逐渐增加。对广州市 政污泥采用流化床干化方法， 利用工业锅炉除尘后 的尾部烟气干化市政污泥， 可实现市政污泥的稳定 化、 无害化、 减量化和资源化目的。这种污泥干化 所需的热量属非独立热源， 不需单独建设锅炉， 处 理成本低， 运行稳定， 达到节能环保的要求。更为 重要的是， 开辟了以废治废和废弃物循环利用的一 条途径。 1市政污泥与锅炉烟气成分 本文以广州市某污水厂的脱水市政污泥为对象， 其含水率大致为 75， 干燥基低位发热量分别为 11 578. 6 kJ/kg， 在水分含量降低到 40 左右后， 污 泥低位发热量为 4 000 kJ/kg 左右， 达到了劣质煤的 要求。以某哈锅130 t/h 循环流化床锅炉产生的尾部 烟气作为干化介质， 排烟温度在 120 ～190 ℃; 该锅炉 燃料为无烟煤， 其低位发热量为22 162. 48 kJ/kg， 其 主要成分见表 1。 表 1无烟煤及烟气成分 Table 1Ingredient of anthracite blind coal and flue gas ω Car ω Har ω Oar ω Nar ω Sar ω Aar ω Mar ω CO2 ω H2O ω N2 ω O2 ω SO2 59. 1620. 80. 80. 526. 310. 4618. 143. 1571. 047. 050. 084 注 S 代表灰分; A 代表水分。 额定工况下锅炉的计算燃料消耗量为 7. 87 kg/s 时， 产 生 烟 气 量 为 8. 985 m3/kg， 烟 气 的 密 度 为 1. 419 kg/m3， 质量流量为 360 t/h。 2烟气余热干化市政污泥方案 利用锅炉尾气余热设计干化设备， 对市政污泥进 行直接干化处理， 可获得低水分含量的干化污泥， 干 化流程见图 1。脱水市政污泥经污泥仓后用压力式 喷嘴喷入干化塔， 从电袋除尘器引出来的尾部烟气经 送风机高速吹至带气头的气流分布板， 将污泥流态 化， 高温高速的烟气与污泥实现充分的对流换热， 干 化后占总干污泥 95 的粗污泥颗粒经溢流堰流出， 后经冷却器冷却以 40℃左右温度被回收。干燥过的 带有水蒸汽和 5 细污泥颗粒的烟气经干化塔顶部 抽出后经过旋风分离器， 灰尘及细污泥被分离出至输 送机; 剩下的烟气经脱硫塔处理后排至大气。 图 1市政污泥干化流程 Fig．1Flow chart of sewage water sludge’ drying 3流化床干化塔的计算与分析 3. 1干化塔热平衡分析 考虑到污泥挥发分热解， 减少干化过程析出污染 物， 干燥塔出口烟气温度设计为 105 ℃。假设干燥塔 内为平衡通风， 溢流堰流出污泥温度设计为 80 ℃。 进入干化塔的物料和烟气选取参数见表 2。 表 2物料和烟气选取参数 Table 2Parameter of material and flue gas 名 称参数 污泥进口含水率 a/75 污泥出口含水率 b/0 ～70 污泥进口温度 T1/℃ 25 污泥出口温度 T2/℃ 80 烟气进口温度 T3/℃ 120 ～190 烟气出口温度 T4/℃ 105 由能量守恒定律可得 Q1 Q2 1 Q1 M1 h2－ h1 M2Cp1 T4－ T1 M3Cp1 T2－ T1 M4Cp2 T2－ T1 2 Q2 k M5 Cp3T3－ Cp4T4 3 式中 Q1为污泥、 水分吸收热量， kJ; Q2为烟气除散热 损失后放出的热量， kJ; M1为污泥蒸发水分质量流量， kg/s; M2为干细污泥质量流量， kg/s; M3为干粗污泥质 量流量， kg/s; M4为粗污泥出口所含水分， kg/s; M5为 入口烟气质量流量， kg/s; h1和 h2分别为污泥蒸发水 分在常温下焓值和在烟气出口温度下焓值， kJ/kg; k 为锅炉的保温系数， 取 0. 95;干污泥的比热容Cp1 0. 84 kJ/ kg ℃ ; 常压下水的比热容 Cp2 4. 1868 kJ/ kg ℃ ; Cp3和 Cp4为入口烟气和出口烟气对应温 度下的比热容， kJ/ kg ℃ ; G1为入口污泥质量流量 即为污泥处理量; G2为出口污泥质量流量; G3 为干细 污泥质量流量 M2， 此部分占干污泥总量 5。 3. 2干燥后污泥含水率与污泥处理量关系 在入口烟气流量为 360 t/h 时， 不同的入口烟温 77 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 T3下， 将污泥干化至不同含水率 b 与所能处理污泥量 的变化规律满足关系式 4 G1342 1. 0854T3－107. 4 100 － b / 194766 － 2559. 7b 4 图 2 为不同入口烟温下污泥出口含水率与污泥 处理量关系的曲线。从图 2 可知 干化后污泥的含水 率 0 ～70变化过程中污泥处理量单调增加且曲 线斜率加快， 其中在 0 ～ 40 过程中增加较平稳， 而 40以后污泥处理量增加明显。这是由于干化过 程中， 一方面烟气的温度下降、 相对湿度上升， 一方面 污泥的温度上升， 综合起来使得烟气干化过程中传热 与传质的能力越来越弱， 达到出口含水率越低时水分 干化速率越慢 ［6 ］。实际中， 主要是将污泥干化至含 水率 30 ～40， 在烟温为 160 ℃时， 此范围内出口 污泥含水率平均每提升 1， 每小时平均多处理的污 泥量为 0. 127 t。从图 2 还可以看出 高入口烟温下 的污泥处理量高于低温度下处理量， 但高入口烟温的 污泥处理量受含水率的影响更大。 图 2污泥出口含水率与污泥处理量关系曲线 Fig．2Relation curve of moisture content of outlet sludge and quantity of sludge treatment 3. 3入口烟温与污泥处理量关系 入口烟气流量为 360 t/h 时， 在不同的出口污泥 含水率 b 下， 不同入口烟温与所能处理污泥量的变化 规律见图 3。所得关系式同式 4 。 从图3 可知 污泥处理量与入口烟温成线性关系， 随烟温的增大处理量线性增大。污泥干燥到出口含水 率0时， 烟温每升高 1 ℃， 干化塔每小时多处理的污 泥量为0. 1906 t， 干燥到出口含水 70时， 升高 1 ℃多 处理污泥量为0. 575 t。可见污泥高出口含水率时， 入 口烟温对污泥处理量的影响大于低含水率的影响。 图 3入口烟温与污泥处理量关系曲线 Fig． 3Relation curve of inlet flue gas’temperature and quantity of sludge treatment 3. 4入口烟气流量与污泥处理量关系 污泥出口含水率为 40 时， 在不同的入口烟温 下， 不同入口烟气流量与所能处理污泥量的变化规律 满足式 5 G10. 000603M5 1. 085 T3－107. 386 5 不同入口烟温下入口烟气流量与污泥处理量关 系曲线见图 4。从图 4 可知 烟温增加， 污泥处理量 增加。120 ℃入口烟温下， 烟流每提升 1 t， 污泥处理 量增大 0. 01378 t; 190 ℃ 入口烟温下， 烟流每提升 1 t， 污泥处理量增大 0. 0596 t。由此可知， 高入口烟 温下入口烟气流量对污泥处理量影响大于低入口烟 温下的影响， 趋势均匀增加。 图 4入口烟气流量与污泥处理量关系曲线 Fig．4Relation curve of inlet flue gas’flow rate and quantity of sludge treatment 3. 5干燥后烟气相对湿度影响因素 在本锅炉烟气成分的质量分布条件下， 干烟气的 87 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 摩尔质量为 29. 88 g/mol， 经公式 ［7 ］计算得 d 0. 603pv/p 6 烟气相对湿度 Φ pv/p 7 则由以上数据及公式可推算得 Φ 1/ 1 1/ G1 1. 71 － 40. 67/ 100 － b / M50. 054 8 当入口烟气流量为 360 t/h， 不同出口污泥含水 率下， 探讨不同入口烟温与出口烟气相对湿度的变化 规律。 从图5 可知 入口烟气流量不变、 不同出口污泥 含水率下， 入口烟温与出口烟气相对湿度成线性关 系， 相对湿度随入口烟温的升高而增大， 这是因为 温度高， 干燥能力强， 更多的水分逸出到烟气中， 增 加了烟气的湿度; 而相同入口烟气流量， 将污泥干 燥至不同含水率时能干燥的污泥量也变化， 两者趋 势相反， 所得烟气相对湿度曲线相差不大， 可看出 70 比 50 及 0 的曲线斜率稍大， 污泥干燥后的 含水率对相对湿度影响很小。由图 5 可知 入口烟 温为 120 ℃ 时的相对湿度为 6. 4 ， 190 ℃ 时为 10. 6 左右， 可知干燥之后烟气的相对湿度都不 大， 离饱和状态较远， 此温度范围内的出口烟气湿 度还有较大的余量， 锅炉尾部烟气干燥的湿度影响 可以忽略。 图 5入口烟温与出口烟气相对湿度关系 Fig．5Relation curve of inlet flue gas’temperature and relative humidity of outlet gas 4结论 1从热平衡的角度来看， 利用锅炉烟气余热在 流化床干化塔中干化市政污泥方案合理是可行的， 是 一种以废治废的好途径。 2污泥干化程度越高时， 烟气干化污泥消耗的 热量越大， 但干化能力越弱。 3提高入口烟温、 流量， 污泥出口含水率都可以 提高污泥处理量， 高入口烟温、 烟流下， 污泥处理量受 含水率的影响更大; 入口烟温对污泥处理量的影响较 大， 而且其影响随着污泥出口含水率愈高而显著， 随 入口烟气流量增加而增加。 4入口烟气流量不变情况下， 提高入口烟温可 使出口烟气相对湿度线性增加， 干燥后污泥含水率对 相对湿度影响很小; 污泥干燥至 40 含水率时， 入口 烟温在 120 ～ 190 ℃， 每提升 1℃， 相对湿度提升 0. 058， 离饱和状态较远， 此温度范围内的出口烟气 湿度还有较大的余量。 参考文献 ［1］尹军， 谭学军． 污水污泥处理处置与资源化利用［M］． 北京 化 学工业出版社， 2005 1- 26． ［2］朱南文， 徐华伟． 国外污泥热干燥技术［J］ ， 给水排水， 2002， 28 1 16- 19． ［3］Nezih Kamil Salihoglu，Vedat Pinarli，Guray Salihoglu．Solar drying in sludge management in Turkey［J］ ． Renewable Energy， 2007， 32 10 1661- 1675． ［4］John Beckley，Sujit Banerjee．Operational issues with impulse drying sludge［ J］ ． Water Science and Technology，1999，40 11/ 12 163- 168． ［5］曲艳丽， 李爱民， 李润东， 等． 饼状污泥干燥特性的研究［J］ ． 燃 烧科学与技术， 2005， 11 1 96- 99． ［6］武德智， 楼波， 钟世清． 污水污泥和造纸污泥干化特性的对比研 究［ J］ ． 生态科学， 2010， 29 2 156- 160． ［7］沈维道， 蒋智敏， 童钧耕． 工程热力学［M］． 北京 高等教育出版 社， 2001 343- 344． 作者通信处钱炜510640广州市华南理工大学五山校区北区三 号楼 204 E- mail296031476 qq． com 2012 －11 －02 收稿 97 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期