一种典型污泥焚烧炉的能量平衡分析_许鹏.pdf

2023NO3.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK收稿日期：2022-11-21作者简介：许鹏（1990），男，硕士，工程师，注册公用设备工程师（动力），研究方向为污泥处理等。一种典型污泥焚烧炉的能量平衡分析许鹏（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司上海200092）摘要作为1种高效的污泥终端处理工艺，污泥焚烧近年来在国内大中城市中应用日益广泛，其中焚烧炉主要采用鼓泡流化床焚烧炉。该文针对1种典型鼓泡流化床焚烧炉搭建了能量平衡计算模型，并针对污泥含水率、污泥热值、绝热燃烧温度、预热空气温度、辅助燃料补充量、过量空气系数等影响燃烧的因素进行了分析。结果表明，焚烧炉污泥入炉含水率宜控制在45%以上；辅助燃料投加量、过量空气系数可作为污泥热值波动的调节手段；最后基于分析结果对工程设计中焚烧炉设计参数选型进行举例分析。关键词污泥焚烧鼓泡流化床能量平衡工程设计中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1672-9064(2023)0309704近年来，随着我国城市化水平及人们生活水平的提高，城市污水量逐年增长，污水处理设施及配套污泥处理处置设施规模日益扩大。作为1种污泥处理处置的高效手段，污泥焚烧具有减量化程度高、无害化彻底、工艺稳定以及有机物充分利用等优点，已经在上海、成都、南京等国内大中城市形成了一定的设施规模。鼓泡流化床焚烧炉是1种适用于污泥独立焚烧的主要焚烧炉形式，其主体结构由焚烧炉炉膛、布风装置、燃烧器等构成。它具备流化床焚烧炉“燃料适应性广、燃烧效率高、负荷调节范围大”等优点1，不同于传统流化床焚烧炉在燃煤等领域应用中通过炉膛水冷壁等受热面进行热量交换，典型的鼓泡流化床污泥焚烧炉无膜式水冷壁结构，炉体为耐火材料包围，是1种绝热燃烧炉，污泥在焚烧炉中燃烧产生的能量除部分损失外全部以高温烟气的形式进入下一环节进行能量利用，对污泥等低热值燃料针对性强适用性高，且结构形式简单。能量平衡分析是污泥焚烧项目工艺设计的基础，近年来国内针对污泥焚烧的能量平衡分析已展开一系列研究2-4。但当前研究大多针对“干化+焚烧”以及“焚烧+热量回收”等系统进行整体平衡分析，着重对系统的能量平衡进行分析计算以确定系统的能量边界条件及辅助燃料补充，针对独立焚烧炉设备的能量平衡分析研究较少。本文以某地区典型污泥成分为例，针对鼓泡流化床焚烧炉本体进行能量平衡分析，搭建焚烧炉能量平衡模型；同时针对该平衡模型进行分析计算，研究各边界条件变化对平衡模型的影响，从而为鼓泡流化床污泥焚烧炉的设计参数选取、运行调节提供指导及建议。1鼓泡流化床污泥焚烧炉能量平衡计算参考某污水厂污泥中典型有机物成分构成，本模型计算中采用的污泥有机物元素分析数据为碳（C）57%、氢（H）8%、氧（O）22%、氮（N）12%、硫（S）1%。以污泥焚烧炉作为独立的研究对象，焚烧炉能量平衡计算模型如图1所示。（1）系统输入能量分析如下。污泥带入热量。污泥带入热量包括污泥显热及污泥潜热。污泥显热主要与污泥比热及污泥温度有关，如式（1）。Qx=cwnmwntwn（1）式中：Qx为污泥显热；cwn为污泥比热；mwn为污泥质量；twn为污泥温度。污泥潜热取决于污泥的收到基低位发热量，收到基低位发热量与污泥干基低位发热量、进炉污泥含水率有关，干基低位发热量根据元素分析数据利用门捷列夫法估算。详见式（2）（4）。Qr=mwnqar，net（2）qar，net=qd，net（1-）-2500（3）qd，net=339Cd+1030Hd-109（Od-Sd）（4）式中：Qr为污泥潜热；qar，net为收到基低位发热量；qd，net为干基低位发热量；为污泥含水率。本文通过固定污泥中有机物的元素组成比例，调整有机物的含量来实现污泥不同干基低位发热量的对比。辅助燃料带入热量。目前国内污泥项目辅助燃料以天然气为主，本模型暂按照天然气计算辅助燃料热量，如式（5）。QNG=VNGqNG（5）式中：QNG为天然气热量；qNG为天然气热值，取35 160 kJ/m3；图1污泥焚烧炉能量平衡模型环 境 大 视 野972023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TKVNG为天然气补充量；助燃空气带入热量。助燃空气热量由式（6）（8）计算。Qa=（Va+Vb）ha（6）Va=0.0889Car+0.265Har-0.0333（Oar-Sar）mwn（7）Vb=2.6810-4qNGVNG（8）式中：Qa为燃烧空气热量；ha为空气焓；Va为污泥燃烧空气量；Vb为天然气燃烧空气量；为过量空气系数。空气焓（ha）取决于助燃空气的温度，目前国内外污泥焚烧项目由于污泥热值偏低，通常采用空气预热器加热一次空气来提高焚烧炉入炉热量。空气预热器形式，部分采用蒸汽加热的空气预热器提高空气温度至200 左右，部分在焚烧炉出口设置高温空气预热器布置将空气温度提升到500600。鼓泡流化床焚烧炉助燃空气中一次空气占比重最大，一次空气在炉膛底部通过布风装置注入焚烧炉，风量根据焚烧炉尺寸及流化风速确定；二次空气多从炉膛中部注入，一般不进行预热。助燃空气温度可根据一、二次风风量及温度综合计取平均值。（2）输出能量具体分析如下。焚烧出口烟气热量。这部分热量由烟气组分以及烟气焓决定，如式（9）。Qy=VRO2hRO2+VN2hN2+VH2OhH2O+VAIRhAIR（9）烟气组分主要为N2，RO2（CO2、SO2），H2O以及过量空气。烟气各组分含量与污泥成分密切相关，如式（10）（13）。VRO2=（0.01867Car+0.007Sar）mwn（10）VN2=（0.008Nar+0.79V0）mwn（11）VH2O=（0.111Har+0.0124Mar+0.0161V0）mwn（12）Vair=（-1）V0mwn（13）式中：Qy为烟气热量；hRO2，hN2，hH2O，hAIR分别为RO2（CO2、SO2），N2，H2O，空气的焓值，根据烟气温度查取；VRO2，VN2，VH2O，VAIR分别为烟气中RO2、N2、H2O、空气组分量。烟气中不完全燃烧热损失（Q1）。主要包括燃料未燃烧完全随炉渣、飞灰等排出焚烧系统的部分以及气体中部分CO等未燃烧完全气体构成的损失，本次计算中暂按照系统输入热量的2%计取。炉渣热损失（Q2）。主要为焚烧炉中灰渣排放带走的显热损失，如式（14）。Q2=mhzhhz（14）式中：mhz为灰渣质量，根据污泥中无机物含量计算；hhz为灰渣焓，根据排渣温度查取。焚烧炉系统散热损失（Q3）。根据外壁面温度、焚烧炉外表面面积、焚烧炉炉墙的传热系数计算。最终，将污泥焚烧炉作为研究对象，其能量平衡关系为式（15）。Qx+Qr+QNG+Qa=Qy+Q1+Q2+Q3（15）2焚烧炉能量平衡模型在设计计算中的应用2.1污泥焚烧炉污泥入炉边界条件的选取污泥焚烧炉污泥入炉边界参数主要为污泥设计入炉含水率、预热空气温度，基于焚烧炉系统的能量平衡，根据污泥的热值参数、焚烧炉炉温等参数综合计算选取。污泥焚烧炉炉温设计中取值一般控制在850900 之间，其中下限850 炉温参照生活垃圾焚烧污染控制标准（GB 184852001）中要求，而上限900 炉温考虑氮氧化物的控制及灰熔点等属性。首先，选取污泥焚烧炉绝热燃烧温度850，污泥焚烧过量空气系数暂按照1.5取值，按照污泥焚烧炉预热空气温度20（不预热）、200（低温预热）以及500（高温预热）3种工况计算不同污泥热值下对应设计绝热燃烧温度（850）下的污泥含水率，得到结果如图2所示。目前国内大中城市污泥干基低位热值普遍分布在9 00013 000 kJ/kg之间，根据图2结果，空气不预热的设计条件，污泥含水率需控制在45%60%之间；在污泥低温预热的条件下，污泥含水率需控制在50%65%之间；在污泥高温预热的条件下，污泥含水率需控制在55%70%之间。因此考虑国内污泥热值常规工况（干基低位热值9000kJ/kg），针对鼓泡流化床绝热炉，入炉污泥含水率不建议在45%及以下。以45%含水率计算，即使不考虑空气预热及辅助燃料投加等因素，不同污泥热值下焚烧炉的绝热燃烧温度如图3。根据图3结果，在含水率45%的条件下，污泥干基低位热图2不同空气温度对应污泥含水率示意图图345%含水率下不同热值污泥对应燃烧温度示意图环 境 大 视 野982023NO3.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK值9 000 kJ/kg，焚烧炉绝热燃烧温度会850，污泥干基低位热值11 500 kJ/kg，焚烧炉绝热燃烧温度1 000，较大幅度超过焚烧炉适用温度区间。同时，设计中通常考虑尽量避开污泥在含水率40%60%之间的粘滞属性，提高污泥输送稳定性，选取60%和65%是2个典型焚烧炉入炉含水率工况。炉温控制在850900 之间，在不考虑辅助燃料投加的前提下，该2种典型设计含水率工况下对应污泥焚烧区间如图4和图5。图4和图5中，850 与900 绝热燃烧温度线之间区域内污泥在焚烧炉内可自持燃烧，而左下侧区域热量不足，需考虑辅助燃料的投加，右上区域可能会造成焚烧烟气温度过高，也需采取相应的降温措施，如紧急喷水、设置冷却盘管等。2.2辅助燃料投加量计算根据相关研究及项目数据5，目前国内主要城市污泥热值区间5 84419 303 kJ/kg，均值约11 850 kJ/kg，脱水污泥经干化后进入干化焚烧系统。参照本文9 00013 000 kJ/kg热值，基于整套污泥“干化+焚烧”系统进行平衡计算，污泥热量基本无法维持干化焚烧系统自持平衡，需要辅助燃料的投加。同时基于焚烧炉平衡分析，在部分设计条件下，焚烧炉也需要辅助燃料投加以满足焚烧炉本体平衡。目前国内工程中应用的辅助燃料类型主要有蒸汽、天然气、柴油等。蒸汽主要作用于干化单元，通过补充系统外部蒸汽与焚烧余热利用系统蒸汽共同为污泥干化系统提供热源。天然气、柴油可直接注入焚烧炉补燃进入系统，也可通过独立的辅助锅炉系统燃烧产生蒸汽进入系统。本文主要研究焚烧炉本体的能量平衡，因此仅考虑辅助燃料直接注入焚烧炉补燃对于系统平衡的影响（计算以天然气为例）。基于平衡模型针对特定工况计算天然气投加量：干污泥量40 t/d，污泥干基低位发热量10 465 kJ/kg，过量空气系数1.5，污泥入炉含水率65%，燃烧温度850。如图6。干污泥量40 t/d，预热空气温度200，过量空气系数1.5，污泥入炉含水率65%，燃烧温度850。如图7。根据计算结果，在维持炉温不变的情况下，辅助燃料投加量与污泥干基低位热值、焚烧炉预热空气温度等因素大致呈线性关系。在焚烧炉日常运行中，辅助燃料投加量调节可以作为1种应对污泥热值波动的有效调节手段。2.3过量空气系数影响污泥焚烧炉在设计及后期运行中，除通过调整预热空气温度、污泥入炉含水率、辅助燃料投加量等因素调整燃烧外，图460%含水率污泥燃烧区间统计图图565%含水率污泥燃烧区间统计图图6不同预热空气温度天然气补充量统计图图7不同污泥热值天然气补充量统计图环 境 大 视 野992023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK还可通过燃烧过量空气系数的调节对燃烧过程进行控制。分别选取过量空气系数1.31.7基于本模型对特定工况下（60%含水率、预热空气温度200、绝热燃烧温度850）对应污泥热值进行计算分析统计结果如图8所示。根据计算结果，维持焚烧炉炉温恒定，污泥干基低位热值与其适配的过量空气系数大致呈现线性关系。因此在焚烧炉运行调节中，可通过过量空气系数的调节应对污泥热值波动工况。3实际工程设计选型应用实际工程项目中对于污泥焚烧炉边界条件的选取，通常综合考虑设计边界条件以及污泥参数波动对应运行可调节因素。某典型项目根据拟接收污泥泥质检测数据，设计污泥干基低位热值10 465 kJ/kg（2 500 kcal/kg），干污泥处理规模40 t/d，干化系统选型中考虑出泥含水率60%，过量空气系数取值1.5，基于该设计工况及850 炉温，不考虑辅助燃料投加，代入焚烧炉能量平衡计算模型，得到预热空气温度约420。由于污泥热值随季节存在波动性，污泥热值下行波动时可以通过增加辅助燃料投加量以满足焚烧炉能量平衡，但该设计工况在污泥热值上行波动时，辅助燃料投加无法作为燃烧调节因素，因此对设计工况进行修正，满足辅助燃料投加量的可调节性。选取辅助燃料投加对污泥热值调节范围5%，即热值上行调节范围10 46510 988 kJ/kg，基于10 988 kJ/kg热值以及辅助燃料投加量为0进行预热空气温度参数计算。经计算预热空气温度357，设计取值350。设计点工况参数代入能量平衡模型计算为：设计污泥干基低位热值10 465 kJ/kg，焚烧炉入炉污泥含水率60%，过量空气系数1.5，预热空气温度350，天然气补充量37 m3/h。同步考虑辅助燃料投加量、过量空气系数（1.41.6）、焚烧炉炉温波动（850900）作为污泥热值波动的调节因素，主要污泥工况点如表1。通过表1统计结果，针对污泥热值较高工况可通过增加过量空气系数，降低天然气补充量及适当调高炉温调节。按照过量空气系数1.6，不投加天然气，焚烧炉绝热燃烧温度900 进行计算，计算污泥干基低位发热量12 220 kJ/kg，相比设计取值高16.7%，而污泥热值向下波动可采用增加天然气补充量作为调节手段，以上设计工况可较大程度应对不同季节污泥热值波动工况需求。4结论（1）本文针对污泥焚烧中典型的鼓泡流化床绝热炉进行了能量平衡模型的搭建，并分析了污泥含水率、污泥热值、绝热燃烧温度、预热空气温度、辅助燃料补充量、过量空气系数等因素对于污泥焚烧系统的影响。（2）对鼓泡流化床绝热炉污泥入炉边界条件进行分析，在污泥干基低位热值9 000 kJ/kg情况下，污泥入炉含水率须45%。（3）辅助燃料投加量、过量空气系数等参数与污泥干基低位发热量变化大致呈现线性关系，可作为焚烧炉运行调节的主要参数。（4）焚烧炉实际设计选型中建议以焚烧炉能量平衡模型为基础，同步考虑后期运行部分因素可调节性，综合考虑设计参数的选取。参考文献1岑可法，倪明江，骆仲泱，等.循环流化床锅炉M.北京：中国电力出版社，1998.2王丽花，吕国钧，王飞，等.污泥干化焚烧系统的节能降耗研究J.中国给水排水，2021，37（04）：29-36.3祝初梅，田辉，赵娟.污泥干化焚烧热平衡计算J.中国资源综合利用，2013，31（02）：29-31.4程晓波，李博，王飞，等.上海市竹园污泥干化焚烧系统的能量平衡分析J.节能，2011，30（10）：15-18，2.5蔡璐，陈同斌，高定，等.中国大中型城市的城市污泥热值分析J.中国给水排水，2010，26（15）：106-108.图8不同过量空气系数对应污泥热值统计图书书书表 摇不同参数污泥热值设计工况统计表焚烧炉炉温过量空气系数天然气补充量（）污泥干基低位热值（）环 境 大 视 野100