市政污泥干化热解工艺分析与热平衡模型的构建
刘文彬1，文岳雄2，王越兴1，蔡兴飞2，黄河洵1，张金松1
【摘 要】摘 要 建立了一种工艺流程高度集成的污泥干化热解处理系统，并在污泥成分分析、污泥热解过程参数测定的基础上，基于能量守恒定律，分析了该系统的干化、污泥热解、热解气燃烧过程全系统的能量转换、传递和耗散过程，最终构建了数学模型；利用该模型求得了燃料消耗量与污泥初始含水率和污泥处理量间的线性回归方程，分别为：y=-12.17+0.278 9x(x为含水率)和y=0.010 2x(x为污泥处理量)。试验表明线性回归方程的误差较小，可为污泥热解技术的工业化和集成化提供了可靠的运行参数。 【期刊名称】《净水技术》 【年(卷),期】2019(038)009 【总页数】6
【关键词】关键词 污泥 热解工艺 模型 含水率 能量平衡
刘文彬, 文岳雄, 王越兴, 等. 市政污泥干化热解工艺分析与热平衡模型的构建[J]. 净水技术, 2019, 38(9): 113-117，130.
LIU W, WEN Y, WANG Y, et al. Analysis of integrated sludge drying and pyrolysis processes and building of energy balance model[J]. Water Purification Technology, 2019, 38(9): 113-117，130.
[基金项目] 深圳市科技创新委员会项目“市政污泥热解处理关键技术研发”(JSGG20160229173603657)；深圳市发展与改革委员会深圳城市污水处理与再生利用工程实验室
市政污泥中含有大量有机物，干化处理后的污泥具有较高的热值，并且可以通
过热化学转化技术进行资源回收[1-2]。当前，备受关注的污泥焚烧技术一定程度上利用了污泥的资源化特性，也解决了污泥巨量难以处理的问题。但是，根据污泥焚烧处理的历史经验和现状，采用焚烧方法处理污泥会引起飞灰、重金属排放超标等环境污染，导致邻避效应加剧[3-5]。与焚烧技术相比，热解技术是利用固体中有机物的热不稳定性，在无氧或缺氧条件下对其进行加热蒸馏，使有机物产生裂解，经冷凝后形成各种新的气体、液体和固体[6-7]。热解产生的热解气是一种可燃气体，从热解设备(热解炉)中生成的热解气含有一定的有害物质，可以进行燃烧处理，这样可以利用能量，获得一定的经济效益，同时将有害物质转化为完全氧化的烟气。
目前，国内外有关污泥热解技术的研究大多集中在固定床和流化床等特定处理单元内的热解动力学、热解特性以及产物特征等方面[3-8]，且实验室规模的热解研究往往只聚焦在热解单元，对于污泥热解系统的运行过程、尤其是热解系统的核心问题——能量平衡研究较少，难以为设备系统化、工程化应用提供参考。
因此，研究针对市政污泥干化热解试生产系统进行了物理模型简化，并基于能量守恒定律以及热解的过程参数，通过数学模型定量分析了该系统污泥干化、热解、热解气燃烧过程的能量转换、传递和耗散关系，并对生产运行时污泥初始含水率变化、污泥处理量等不同情景进行了模拟分析；并在此基础上确定了节能的方向和环节、为污泥热解技术的集成化和工业化应用提供了可靠的运行参数支撑。
1 热解系统工艺流程
图1为污泥干化热解集成系统。市政污水厂污泥(含水率80%)经污泥泵送至烘
干机，被烘干至特定含水率后，再由螺旋输送机输送至造粒机，通过造粒机挤压成具有一定硬度的颗粒物。污泥颗粒物通过螺旋输送机输送至外加热式回转窑热解系统进行升温热解，热解产物经冷却后排出系统。污泥热解过程中产生的热解气含水粉尘、水汽以及焦油，采用“旋风除尘+二级洗涤”的方式进行净化处理，然后热解气进入去水分离器，进一步去除随热解气排出的水滴和油滴，最后热解气进入燃烧室，与辅助燃料(液化石油气、天然气、沼气等)混合燃烧。燃烧产生的高温烟气通过换热器为烘干机的冷导热油管加热，为烘干机提供热源，然后高温烟气进入回转窑外部夹套，通过加热回转窑外壁为回转窑内的污泥热解提供热量。
2 试验方法及模型构建
2.1 试验方法
物料：研究所用污泥来源于我国南方某市政污水处理厂。
仪器：热重分析仪(TGA/DSC1，METTLER TOLEDO)；干燥箱(DHG-9 140 A，上海齐欣科学仪器有限公司)；元素分析仪(Vario EL cube，德国Elementar)。 测试方法如下。
(1)工业、元素分析：污泥和热解炭渣研磨至过80目筛，在干燥箱内105 ℃烘干24 h，去除污泥和炭渣全部水分。根据GB/T 28731—2012和ASTMD5373标准对制备的样品进行工业分析和元素分析并测定两种物料的热值。
(2)污泥的热失重特性分析：在METTLER TOLEDO TGA/DSC1热重分析仪上进行污泥的热解试验，研究污泥不同升温速率下的失重特性和动力学特性。 (3)辅助燃料用量和污泥重量分析：采用称重测量辅助燃料用量和污泥重量。
市政污泥干化热解工艺分析与热平衡模型的构建
