【泥客庄主】污泥高速碳化工艺的热能能耗浅析

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1、污泥高速碳化工艺的热能能耗浅析首次听说“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

2、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

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

4、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

5、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1654.9kg/h，出口是2828.0kg/h，相差40%。另如第10和第11项的干烟气量，一为3362.6kg/h，一为4012.6kg/h，相差650kg/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

6、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

7、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99.8kg/h的额外水分输入。与此相应的干空气量是1173.1kg/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：回流气体排放气体湿泥备用炉冷凝器助燃空气再燃炉空预器干燥器碳化炉吹扫空

8、气预热器预热炉脱臭炉轻油新鲜水碳化产品冷却螺旋冷却水从图中可以看出，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