污泥干燥及其与燃煤电站耦合的热力特性分析

陈志董，林育超，刘铭宇，刘佳玲，张国强，张 锴，杨立军

（华北电力大学热电生产过程污染物监测与控制北京市重点实验室，北京 102206）

近年来随着我国城市化的不断发展以及环保要求的不断提高，城市的污水处理量不断增长。而污泥作为污水处理的最终产物，其产量也不断地增长。据估算，2019 年全国每天产生的污泥量达到了1 232 万t[1]；预计到2023 年我国的污泥产量将超过9 772 万t[2]。污泥中含有大量的病菌、重金属和有机污染物，如果不对其进行进一步的无害化处理，将会带来严重的二次污染[3]。2020 年国家发展改革委与住房城乡建设部联合印发的《城镇生活污水处理设施补短板强弱项实施方案》，提出要推进污泥无害化和资源化处理处置[2,4]。因此，如何对污泥进行无害化和资源化处理处置是亟待解决的问题。

污泥的处理技术主要包括污泥干燥、浓缩脱水、厌氧消化及好氧发酵等，对污泥进行处置的方式主要包括填埋、土地利用、建材利用和焚烧。目前，我国的污泥大部分通过土地利用和填埋的方式进行处置。污泥本身重金属含量超标，且含有大量的有机污染物，土地利用和填埋势必会对土壤和地下水造成严重的污染，并且还会危害到人民的生命健康。其中，污泥焚烧的优势在于：焚烧可以大大减少污泥的体积，杀死其中的病原体，实现对污泥的无害化和稳定化处理[2,4-5]。污泥本身的热值较低，但是经干燥后热值可以得到极大的提升，进行焚烧发电可以实现污泥的资源化利用[6-8]。

我国已有较多污泥单独干燥焚烧的工程应用，但大部分存在建设和运行费用高、锅炉参数低及系统效率低的问题。我国燃煤火电机组的运行水平已经处于世界前列，借助现存火电机组耦合污泥干燥掺烧发电不仅可以实现对污泥的高效处理，解决污泥带来的环境问题，还可以提升燃煤机组的燃料灵活性，降低化石燃料的比重，减少温室气体的排放[9-10]。燃煤机组掺烧污泥可以增加可再生能源的比重，进一步优化能源结构。此外，火电机组耦合污泥干燥掺烧发电还可以降低电厂的燃料成本，获得市政补贴收入具有较好的经济效益。

目前，很多学者已经对燃煤电站掺烧污泥进行了大量的研究。张全斌等[11]对某300 MW 等级燃煤机组掺烧20%、30%和40%含水率污泥时的情况进行了分析计算，分析锅炉着火性能、锅炉燃烧稳定性、锅炉燃烧效率、锅炉受热面磨损、制粉系统、锅炉烟气污染物排放指标以及粉煤灰品质的变化，认为燃煤耦合污泥燃烧在技术上是可行的，且在工程上具有重要的推广价值。王一坤等[2,12]研究了某300 MW 等级燃煤机组从锅炉不同位置抽取烟气及汽轮机不同位置抽取蒸汽，对污泥进行干燥后掺烧，锅炉热效率、燃煤量、烟气温度和减温水量等参数的变化特性。周凌宇等[13]研究了某330 MW 等级燃煤机组在不同电负荷下掺烧不同含水率的污泥时，锅炉热效率、燃煤量、排烟温度及减温水量等参数的变化特性。张宗振等[14]研究了某1 000 MW等级燃煤机组掺烧不同比例含水率为60%的污泥的试验，分析了不同掺烧比例对锅炉燃烧特性、SO2排放、飞灰、炉渣、脱硫废水中重金属和烟囱的二噁英排放情况的影响。Peng Tan 等[5]对某100 MW等级燃煤电站锅炉掺烧污泥进行了试验研究，分析了污泥的掺混比例和含水率对炉内温度分布和NOx质量浓度的影响，并且计算了掺烧污泥所能带来的经济收益。Sang-Woo Park 等[15]对污泥在不同温度下进行碳化后的特性进行了分析，结果显示污泥碳化后燃料比例升高，可磨性和可燃性得到改善，适合作为燃料与煤进行掺烧。

目前，针对燃煤电站掺烧污泥的研究多集中于污泥掺烧对锅炉的影响，而较少对污泥干燥过程的热力特性进行分析。本文首先基于传热传质原理对污泥干燥的热力过程进行建模，分析干燥过程的热力特性，探寻存在的节能空间；然后将污泥干燥过程与燃煤电站进行耦合，使用不同热源对污泥进行干燥，并且提出污泥干燥过程的综合能耗指标，实现从热力学第二定律的角度对污泥干燥过程的能耗进行综合评价；最后对耦合系统中污泥干燥过程的能耗与系统性能的变化进行研究，并且进行敏感性分析。

1 污泥干燥过程热力特性分析

1.1 基本参数与假设

图1 为有内热源的污泥干燥过程示意。干燥机中共有热源、污泥和空气3 种流股。干燥机为间接式逆流换热器，热源在换热过程中放出热量，污泥和空气吸热之后温度升高，湿污泥从热源获取的能量用来提供水分蒸发和污泥升温所需能量。

图1 有内热源的污泥干燥过程示意Fig.1 Schematic diagram of sewage sludge drying process with internal heat source

干燥机进口空气中的水蒸气分压力较低，相对湿度也较低，湿污泥中的水分吸热蒸发之后通过扩散作用进入空气中，空气吸收水蒸气之后相对湿度逐渐升高直至达到90%饱和（由于空气达到100%饱和较为困难，因此本文在计算中将湿空气的饱和度的上限取为90%）。湿污泥中的水分逐渐蒸发后，湿污泥的含水率降低，成为干污泥并排出。在干燥的过程中，空气主要起到将蒸发出的水分带走的作用。

此外，本文还对无内热源的污泥干燥过程（即纯空气干燥过程）进行了分析，将图1 中内热源去掉即为无内热源的干燥过程。

表1 为污泥干燥过程各流股的热力学参数。污泥干燥使用饱和蒸汽（压力为0.39 MPa）作为干燥热源，假定饱和蒸汽在干燥过程中释放潜热（即在干燥过程中饱和蒸汽的温度始终为饱和温度）。

表1 污泥干燥过程热力学参数Tab.1 Thermodynamic parameters of sewage sludge drying process

从湿污泥中蒸发水量所需的空气量由下式计算[16-17]：

式中：ma为干燥所需空气量，kg/s；Δmw为蒸发出的水量，kg/s；d和d0分别为空气在干燥机出口处和进口处的含湿量，kg/kg；p和ps分别为大气压和空气在干燥机出口处的温度所对应的水蒸气饱和压力（水蒸气的最大分压力），Pa。

对有内热源的污泥干燥过程作以下假设：

1）热源（蒸汽）的进出口温度和压力不变，其流量可以随干燥过程所需换热量的变化而变化。进口湿污泥的质量不变，出口干污泥与蒸发出水的质量不变，干燥机内处于稳态。

2）空气进入干燥机后，会逐渐吸收蒸发出的水蒸气达到饱和状态，然后吸收热量温度升高，此时单位质量空气所能吸收的水蒸气量上升，空气变得不饱和，继续吸收水蒸气，达到饱和后继续升温。重复这个过程，最后在出口时处于90%饱和状态。

3）在干燥过程中，湿污泥的温度也逐渐升高，并且湿污泥与接触到的空气温度始终一致（空气与接触到的污泥处于热平衡）。

4）蒸发出水量Δmw由表1 中进口污泥的质量和含水率以及出口污泥的含水率求得，为10.42 kg/s。空气进口温度为25 ℃，空气质量流量（风量）从0逐渐增大。

5）热源放热量等于空气升温吸收的热量、湿污泥升温吸收的热量及水蒸发吸收的热量之和。

对于无内热源的污泥干燥过程作以下假设：

1）空气进入干燥机后，水分从湿污泥和空气中吸收热量作为水分蒸发所需能量（能量主要由空气提供）。

2）空气和湿污泥的温度降低过程可以近似看成水和空气的等焓加湿过程。最后空气温度降低为空气相对湿度90%时的湿球温度。

1.2 干燥过程热力特性

由于干燥过程中污泥的质量流量保持不变，而风量是逐渐增大的，因此为了对不同风量的情况进行区分，将风（空气）和湿污泥的质量流量之比定义为风泥比，即风量越大时风泥比的值越大。经过计算，污泥干燥过程中不同风泥比时的热力特性如图2 所示。图2 中顶部的红色线为蒸汽（干燥热源）的温度，下方各不同颜色的曲线则为不同风泥比时污泥和空气的温度变化曲线。

图2 污泥干燥过程温度分布曲线Fig.2 Temperature distribution curves of sewage sludge drying process

图2 可得下列结论：

1）当风量为0（风泥比为0）时，污泥先升温到100 ℃，然后水分蒸发，与纯水的蒸发过程类似。当风量较低且不为0 时，出口空气温度接近却未达到100 ℃。随着风量升高，出口污泥的温度逐渐降低。

2）当风量较小（风泥比较低）时，污泥先是较快地升温，然后升温速度变慢。这是因为风量低时，在换热过程的初始阶段，空气吸收少量水蒸气后就达到了饱和，然后吸收热量，温度继续升高。温度越高时，空气温度每升高1 ℃，饱和湿空气的含湿量提升越大（此时更多的水蒸气蒸发出来扩散进入空气中），即更多的热量被用来提供水的蒸发。这在图2 中表现为，在风泥比越低时，污泥温度的快速上升阶段和缓慢上升阶段之间的分界点越靠左。快速上升阶段是从热源吸收的大部分能量用来提升污泥自身的显热（温度），而少部分能量用来提供水分的蒸发；缓慢上升阶段是从热源吸收的大部分能量用来提供水分的蒸发，而少部分能量用来提升污泥自身的显热（温度）。随着风量（风泥比）逐渐增大，污泥温度的缓慢上升阶段变得越来越长，即污泥温度快速上升阶段和缓慢上升阶段之间的分界点越来越靠右。这是因为相比风量较小时的情况，风量大时空气可以吸收较多的水蒸气才达到饱和（更多的能量用来提供水分的蒸发），然后继续通过吸热使温度升高，进而使得单位质量干空气的含湿量增大。

3）风量（风泥比）较低时，污泥的出口温度较高，随着风量（风泥比）增大，污泥的出口温度逐渐降低。根据公式(1)可知，当需要蒸发出相同质量的水蒸气Δmw时，如果空气的质量流量ma较低，则需要提高空气中水蒸气的饱和压力ps，而ps越大对应的空气饱和温度就越高，这也就意味着需要提高空气的温度来提升其吸收水蒸气的能力（空气的含湿量d）。由于污泥与空气在干燥机出口处达到了热平衡（空气与污泥的温度相同），因此风量较低时，干燥机出口处污泥和空气的温度较高；而在风量（空气的质量流量ma）较大时，干燥过程所需空气的饱和温度较低（对应的水蒸气的饱和压力ps也较低），因此风量较大时干燥机出口处污泥和空气的温度较低。

4）图2 中黄色线为纯空气干燥过程的温度变化曲线，与有内热源的干燥过程不同：由于空气是通过降低自身的显热来提供水分蒸发所需的能量，因此纯空气干燥过程中污泥的温度逐渐降低，干燥机出口的污泥温度为空气90%饱和时的湿球温度（17.18 ℃）。

5）图2 中深蓝色线为不同风泥比时污泥干燥过程所需能量的包络线。随着风泥比的增加，干燥过程所需能量逐渐增加，当风泥比为6.65 时达到最大，风泥比为13.29 时干燥过程所需能量比风泥比为6.65 时的要低；并且纯空气干燥过程所需能量比有内热源的干燥过程低。

综上，当风量较大时，蒸发相同质量的水所需空气的饱和温度（饱和压力ps）较低，此时使用低温热源即可满足干燥过程所需换热温差；当风量较低时，由于干燥所需的空气的饱和温度较高，需要使用高温热源才能满足干燥过程所需换热温差；相比于使用高温热源，使用低温热源更节能，可有效降低干燥过程的能耗。

2 耦合污泥干燥系统

2.1 系统流程

目前，我国已经有不少耦合污泥干燥的实际工程。如浙江嘉兴新嘉爱斯热电协同污泥处置项目[18]、苏州工业园区污泥处置及资源化利用项目[19]和华能重庆珞璜污泥处置中心项目[20]，都是将污泥干燥过程与热电厂进行耦合，通过抽取电厂的蒸汽对污泥进行干燥并将污泥与煤进行掺烧发电。但这些污泥干燥项目大多采用蒸汽对污泥进行干燥，而从汽轮机中抽取蒸汽是以降低机组出功为代价的，因此使用蒸汽作为干燥热源节能性欠佳。

根据1.2 节的结果：在干燥过程中，风量大时，干燥所需的空气的饱和温度较低，这意味着在风量大的情况下使用低温热源即可满足干燥过程所需换热温差；而在风量低时需要使用高温热源才可满足所需换热温差，相比而言使用低温热源更加节能。本文将污泥干燥过程与燃煤电站进行耦合，得到耦合系统；并在满足干燥过程所需换热温差的前提下（保证干燥过程中热源与污泥之间的最小温差不小于(40±5) ℃），对使用不同参数热源进行干燥时的能耗进行研究，分析耦合系统的热力学性能（供电量和供电效率）。

本文选择某660 MW 等级的超临界、一次再热燃煤机组作为研究案例。机组主要由超临界燃煤锅炉、凝汽式汽轮机（高压缸、中压缸和低压缸）、凝汽器、发电机和回热系统组成。回热系统包含3 台高压加热器、4 台低压加热器和1 台除氧器，回热系统对应8 级抽汽。主要运行参数见表2。

图3 为污泥干燥系统与燃煤电站的耦合系统。分别采用5 号抽汽、1 号低压加热器（RH5）出口给水、2 号低压加热器（RH6）出口给水和3 号低压加热器（RH7）出口给水作为热源干燥污泥（与1.1 节保持一致，污泥干燥后的含水率从80%降至35%，污泥的处理量为15.05 kg/s），再将干燥后的污泥与煤进行掺混后输送到锅炉中进行焚烧发电。5 号抽汽、RH5 出口给水、RH6 出口给水和RH7 出口给水的参数分别为253.11 ℃/0.39 MPa、140.04 ℃/1.01 MPa、103.72 ℃/1.02 MPa 和83.89 ℃/ 1.03 MPa。湿污泥的质量为15.05 kg/s，含水率为80.0%，低位发热量为1.28 MJ/kg。

图3 污泥干燥过程与燃煤电站的耦合系统Fig.3 Schematic diagram of coal-fired power plant integrated with sewage sludge drying process

2.2 系统模拟与假设

本文使用专业的一体化电厂模拟软件EBSILON Professional 14.0[21]对燃煤电站的热力系统进行模拟。在使用EBSILON 软件对耦合系统进行建模的过程中，软件中各主要组件设置如下：1）将锅炉视为黑箱，通过控制器组件对锅炉吸热量进行设置；2）回热抽汽的管道压损为3.0%～5.0%，各回热加热器的端差保持不变，无热损失；3）凝汽器上端温差为5.0 ℃，入口循环冷却水温度和压力分别为20.0 ℃和0.1 MPa；4）汽轮机各级的机械效率为99.80%，发电机效率为98.80%；5）泵的等熵效率为80.00%，机械效率为99.80%；6）换热器的冷流体温度给定，同时给定一个热流体的温度，无热损失。

为计算耦合系统的热力学性能，比较其与案例机组的收益，给出下列假设：1）案例机组与耦合系统中的燃煤消耗量保持不变；2）耦合系统各方案厂用电量相同，且都为风泥比为0 情形下发电量的6%；3）汽轮机进口的主/再热蒸汽参数保持不变；4）锅炉排烟温度和锅炉效率保持不变；5）环境温度和压力为25 ℃、101.325 kPa，且不考虑环境的影响。

2.3 评价指标

在污泥干燥过程中，不仅需要消耗热能，同时由于需要通入一定量的空气，还会带来风机耗功，并且干燥前后污泥的含水率都会对干燥过程的能耗产生影响。因此，为了对污泥干燥过程的能耗进行全面评估，提出了污泥干燥综合能耗指标其物理意义为将含单位质量干污泥的湿污泥从含水率为X1干燥到X2所需折合当量功（机组因抽取热源导致的出功变化量），可以从热力学第二定律的角度对干燥过程所耗热量和功量进行综合评价[22-24]。的计算公式为：

ΣP由下式计算：

式中：P′为耦合系统只掺烧污泥而不从回热系统中抽取热源进行干燥情况下的发电量，MW；Ppro为耦合系统的发电量，MW。

干燥过程蒸发出的水量meva与mdry之间关系为：

式中：meva为蒸发出的水量，kg/s；m1、m2和X1、X2分别为干燥前后污泥的质量和含水率，单位分别为kg/s、%。

风机耗功Wfan为[25]：

式中：Vair为空气的体积流量，m3/s；mair为空气质量流量，kg/s；ρair为空气密度，1.293 kg/m3；Δp为风机压损，取大气压的5%，即为5.05 kPa；ηf为风机效率，选为0.85。

因此，可得：

此外，使用发电效率ηgross和供电效率ηnet对案例机组和耦合系统的热力学性能进行评估：

式中：Pref为案例机组发电量，MW；Pa为案例机组厂用电量，MW；Pref,net为案例机组的供电量，MW；Qnet,coal为煤的低位发热量，MJ/kg；mcoal为煤的质量流量，kg/s。

耦合系统的发电效率ηgross,pro和供电效率ηnet,pro可表示为：

式中：Pa′为耦合系统的厂用电量，MW；Ppro,net为耦合系统的供电量，MW；Qnet,sludge为湿污泥的低位发热量，MJ/kg；msludge为湿污泥的质量流量，kg/s。

3 结果与分析

3.1 干燥过程能耗特性

经过模拟和计算，得到不同风泥比（采用不同热源进行干燥）时的干燥过程能耗特性，结果如图4 所示。

由图4 可得下列结论：

1）随风泥比的增大，干燥过程耗热的当量功逐渐降低，但由于风泥比为6.65 时干燥所需能量略高于风泥比为3.32 时的干燥所需能量，因此风泥比为6.65 时的干燥过程耗热当量功略高于风泥比为3.32时的当量功。

2）随风泥比的增大（风量逐渐增加），风机耗功逐渐增加。风泥比为13.29 时干燥过程耗热的当量功最低，但由于风机耗功增大，风泥比为13.29 时的干燥综合能耗高于风泥比为3.32 时的干燥综合能耗。风泥比为3.32 时干燥综合能耗最低，为1 618.17 kJ/kg。

3）虽然风机耗功在总能耗中的占比较小，但当风机耗功增大到一定值时，会对干燥综合能耗的变化趋势带来影响。这体现在虽然风泥比为3.32 时的耗热当量功不是最低的，但由于此时的风机耗功较小，使得其干燥综合能耗最低。

纯空气干燥过程所需空气量为3 338.67 kg/s，风机耗功为 19 899.49 kW，干燥综合能耗为6 612.75 kJ/kg，远大于有内热源的污泥干燥过程的能耗（如图4 中的数据）。可见，纯空气干燥虽然不像有内热源的干燥过程那样需要耗费其他的热能，但其风机耗功巨大，相比之下有内热源的污泥干燥过程更节能。

图4 使用不同热源进行干燥时的干燥综合能耗Fig.4 Comprehensive energy consumption of drying process when using different heat sources for drying

3.2 耦合系统热力学性能

表3 给出了干燥前后湿污泥与干污泥的热力参数对比。由表3 可得，干燥后污泥的含水率降低，质量降低，低位发热量和总低位发热量都得到了提升。低位发热量从1.28 MJ/kg 提升到了9.78 MJ/kg，总低位发热量从19.24 MW 提升到了45.27 MW。这里的总低位发热量是污泥的总低位热值，而低位发热量是指单位质量污泥的发热量，由总低位发热量除以污泥的质量得到。

表3 湿污泥与干污泥热力参数对比Tab.3 Comparison of thermodynamic parameters between wet sludge and dried sludge

表4 给出了案例机组与耦合系统的性能对比。由表4 可得以下结论：

表4 案例机组与耦合系统的性能对比Tab.4 Comparison of thermal performance between reference case unit and proposed system

1）与案例机组相比，耦合系统的锅炉输入热量增加了45.27 MW；并且耦合系统中使用不同干燥热源情况下的供电量和供电效率都有提升。这是因为：掺烧污泥后锅炉的输入热量增加了，因此主蒸汽、再热蒸汽和给水的流量会相应增加，机组发电量也随之增加，且厂用电量变化不大；并且抽取蒸汽或给水进行干燥，低压缸的抽汽量增加，凝汽器的乏汽流量降低，机组的冷源损失相应地降低。

2）与其他风泥比时的情况相比，风泥比为3.32时耦合系统的供电量和供电效率最高，为573.04 MW和42.86%。

3.3 敏感性分析

由于干燥综合能耗包含干燥过程耗热的当量功和风机耗功，而风机压损会影响风机耗功，因此针对风机压损对干燥综合能耗的影响进行分析。分析不同压损（占大气压的不同比例）对干燥综合能耗的影响，结果如图5 所示。由图5 可得：1）不同风泥比时的干燥综合能耗均随压损比例的增加而增加；2）风泥比越大，干燥综合能耗的增加幅度越大；3）风泥比为2.66 时，当压损比例在6%～10%时，其干燥综合能耗超过了风泥比为1.99 时的干燥综合能耗，风泥比为13.29 时，当压损比例在8%～10%时，其干燥综合能耗超过了风泥比为6.65时的干燥综合能耗。

图5 干燥机压损对干燥综合能耗的影响Fig.5 Effect of dryer pressure drop on comprehensive energy consumption

本文计算过程中假设耦合系统的锅炉效率与案例机组一样（即掺烧污泥后的锅炉效率保持不变），但由于实际运行中湿污泥含水率较高，干燥后其含水率仍然高于煤。因此，与案例机组相比，污泥与煤掺烧后锅炉中燃料（煤和污泥）的含水率上升，这会导致锅炉排烟温度和排烟热损失上升，从而导致耦合系统中锅炉效率有所下降，机组出功和效率也会较3.2 节的计算结果有所降低。为了探究掺烧污泥会对机组造成的影响，本文分析了锅炉效率的变化对耦合系统供电效率的影响，结果如图6 所示。

图6 锅炉效率变化对供电效率的影响Fig.6 Effect of boiler efficiency on net thermal efficiency

由图6 可得：1）不同风泥比时，耦合系统的供电效率都随着锅炉效率的降低均匀下降，随着风泥比由0 升高到13.29，供电效率降幅分别为0.50、0.51、0.48、0.49、0.49、0.49、0.49 和0.49 百分点；2）在不同锅炉效率时，风泥比为3.32 时的供电效率都要高于其他风泥比的供电效率；3）锅炉效率高于93.40%时，耦合系统中不同风泥比情形下的供电效率都高于案例机组，当锅炉效率为93.20%时，耦合系统中风泥比为0、0.66 和1.33 情形下的供电效率低于案例机组，当锅炉效率为93.00%时，耦合系统中只有风泥比为3.32 情形下的供电效率高于案例机组。

4 结论

1）在污泥干燥过程中，风量会对其热力特性造成影响。随着风量增大，干燥所需空气的饱和温度降低；在低风量时，干燥所需空气的饱和温度较高，需要使用高温热源才能满足干燥过程所需换热温差；而在风量较大时，使用低温热源即可满足干燥过程所需换热温差。

2）提出污泥干燥过程的综合评价指标。在满足干燥过程所需换热温差的前提下，风泥比为3.32 时干燥综合能耗最低，为1 618.17 kJ/kg。

3）相比于案例机组，耦合系统中风泥比为3.32 时供电量和供电效率的提升最大，分别提高了14.84 MW 和0.50 百分点。干燥机压损的增加，使得不同风泥比时的干燥综合能耗均有不同程度的上升。当锅炉效率降低时，使用不同热源进行干燥时，耦合系统发电效率均小于不考虑锅炉效率变化的情况。