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污泥干燥與焚燒過程分析

文檔作者：邱松華，郭宏偉，張黎明，宋金鳳文檔來源：東南大學		點擊數：	更新時間： 2024年07月25日
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污泥干燥與焚燒過程分析
邱松華，郭宏偉，張黎明，宋金鳳
（東南大學，南京210096）
摘要：污泥干燥能使污泥顯著減容，干燥處理后的產品穩定、無臭且無病原生物，可以用作肥料、土壤改良劑、替
代能源等。隨著污泥干燥技術的推廣與成熟，其優點正逐步顯現出來。污泥焚燒因其具有速度快、占地面積小、不需要
長期儲存等顯著優點，已成為污泥處理的主要發展方向。文中通過計算對比濕污泥直接焚燒和干燥焚燒技術的能源消
耗，為選擇污泥處理技術提供參考。
關鍵詞：污泥；干燥；焚燒
中圖分類號：TK09 文獻標志碼：A
文章編號：1001-5523（2012）05-0037-03
填埋、堆肥、干燥熱處理和焚燒是處理污泥的主要方法。
污泥干燥能使污泥顯著減容，體積可以減少4~5 倍，產品穩
定、無臭且無病原生物，干燥處理后的污泥產品，可以用作肥
料、土壤改良劑、替代能源等[1]。與其他污泥處理技術相比，焚
燒具有很多優點。①焚燒可以大大減少污泥的體積，相對于
機械脫水的污泥來說，最終的焚燒產物體積只相當于最初產
物的10%。②焚燒可以殺死一切病原體，通過高溫處理，燃燒
殘渣內幾乎沒有病原體存在，同時還可以解決污泥的惡臭問
題。③污泥焚燒處理速度快，不需要長期儲存，而且污泥可就
地焚燒，不需要長距離運輸。④經過脫水的污泥的熱值相當
于褐煤的水平，可以回收能量用于發電和供熱，在一定程度
上減輕污泥焚燒的費用。同時，由于焚燒設備不斷完善和有
關焚燒技術的突破，原來存在的煙氣二次污染問題也得到了
妥善的解決，污泥焚燒已成污泥處理的主要發展方向，愈來
愈受到世界各國的青睞[2]。
我國在污泥處理方面，目前大部分的研究局限于污泥的
堆肥農用，對污泥的能量化利用很少，這造成很大的能源浪
費。尤其是對污泥的焚燒處理，由于耗資大、設備復雜、對操
作人員的素質和技術水平要求高，這方面開展的工作就更少
了。大規模市政污泥焚燒技術的應用始于2004 年建成運行
的上海石洞口污水處理廠污泥焚燒系統[3]，但對運營多年、處
理效果良好的其他工程實例，國內鮮有報道。
本文擬處理1 t/h 的濕污泥，污泥含水率為80%。分別采
用污泥干燥焚燒和直接焚燒工藝進行焚燒處理，計算相應的
能源消耗，為選擇污泥干燥與焚燒技術提供一定理論依據。
1 污泥干燥
1.1污泥干燥機理
污泥干燥的過程其實就是水分蒸發的過程。干燥是為了
去除水分，水分的去除經歷兩個主要過程：
(1)蒸發過程：物料表面的水分汽化，由于物料表面的水
蒸氣壓低于介質(氣體)中的水蒸氣分壓，水分從物料表面移
入介質。
(2)擴散過程：這是與汽化密切相關的傳質過程。當物料
表面水分被蒸發掉， 物料表面的濕度低于物料內部濕度，此
時，需要熱量的推動力將水分從內部轉移到表面。
上述兩個過程的持續、交替進行，基本上反映了干燥的
機理[4]。
1.2污泥熱干燥技術
熱干燥技術通常按照要干燥的濕固體的傳熱方式進行
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37 能源研究與利用
ENERGY RESEARCH &amp;amp; UTILIZATION
·2012年第5期
分類。這些技術包括對流（直接干燥）、傳導（間接干燥）和輻
射（紅外干燥），或者是這些技術的整合。
在對流干燥（直接干燥）中，熱傳遞通過濕污泥與熱氣體
的直接接觸完成。進氣的熱量提供了污泥中液體蒸發需要的
潛熱，蒸發的氣體被熱氣體所攜帶。在一定流速的干燥平衡
條件下，物質傳遞與以下因素有關：①暴露的濕固體表面積；
②干空氣的水分含量和污泥空氣接觸溫度下飽和濕度的差
值；③其他因素，諸如速度和干空氣的湍流度。直接干燥是污
泥熱干燥最常用的類型，閃蒸式干燥器、直接轉筒式干燥器、
流化床干燥器使用的都是這種方法。
在傳導干燥（間接干燥）中，熱傳遞由濕污泥與熱表面的
接觸來完成。金屬壁將污泥和加熱媒介（通常是蒸汽或者油）
隔開，蒸發的液體從加熱媒介中被去除。城市污泥干燥的間
接干燥技術包括水平槳板式，中空螺旋式或者圓盤式和垂直
間接熱干燥技術。
在輻射干燥（紅外或輻射的熱干燥）中，熱傳遞由電阻元
件，如燃氣的耐火白熾燈或者紅外燈，提供輻射能來完成紅外熱
干燥。
在污泥干燥前，通常使用機械方法脫水。機械脫水是一
個重要的預處理過程，能減少干燥過程中必須要去除的水的
含量。脫水污泥中的水在干燥器中蒸發，但是污泥中的有機
物不能被破壞，干燥過程中固體溫度需保持在60~93 ℃。一
部分干污泥和未處理的脫水污泥混合在一起進入干燥器，能
減少結塊，增大污泥與干燥介質的接觸面積，使得干燥操作
效率更高。
2污泥焚燒
2.1污泥焚燒原理
污泥焚燒是在一定溫度、氣相充分有氧的條件下，使污
泥中的有機質發生燃燒反應，并轉化為CO2、H2O、N2等相應
的氣相物質，它包括蒸發、揮發、分解、燒結、熔解和氧化還原反
應，以及相應的傳質和傳熱的綜合物理變化和化學反應過程[5]。
根據質量守恒定律，輸入的物料質量應等于輸出的物料
質量，即：
Ma+Mf-Mg-Mr=0
其中，Ma為進入焚燒系統助燃空氣的質量；Mf為進入焚燒系
統污泥的質量；Mg為排出焚燒系統煙氣的質量；Mr為排出焚
燒系統飛灰的質量。
從能量轉換的觀點來看， 焚燒系統是一個能量轉換設
備，它將污泥燃料的化學能，通過燃燒過程，轉化成煙氣的熱
能，煙氣在通過輻射、對流、導熱等基本傳熱方式，將熱能分
配交換給工質或排放到大氣中。在穩定工況條件下，焚燒系
統輸入輸出的熱量是平衡的[6]，即：
Qf+Mah a-Mgh g-Mrh r=0
其中，Qf為污泥燃燒放出的熱量；h a為廢氣冷卻質量流率；h g
為煙氣的質量流率；h r為飛灰的質量流率。
2.2污泥焚燒的影響因素
影響污泥焚燒過程的因素很多， 主要因素有污泥的性
質、停留時間、燃燒溫度、焚燒傳遞條件、空氣過量系數等[7]。
2.2.1 污泥的性質
污泥的性質主要包括污泥的含水率和污泥中揮發分的
含量。污泥的含水率直接影響污泥焚燒設備的運行和處理費
用，因此應降低污泥的水分。通常情況下，污泥含水率與揮發
分含量之比小于3.5，則污泥能夠維持自燃，節約燃料，如果
揮發分提供的熱量不足以維持燃燒，則需補充熱能。
2.2.2 焚燒溫度
污泥的焚燒溫度越高，燃燒速度越快，污泥焚燒的就越
完全，焚燒效果也越好。
一般來說， 提高焚燒溫度不僅有利于污泥的燃燒和干
燥，還有利于分解和破壞污泥中的有機物。但過高的焚燒溫
度不僅增加了燃料消耗量，而且會增加污泥中金屬的揮發量
及煙氣中氮氧化物的數量，引起二次污染。因此，不宜隨意確
定較高的焚燒溫度。
2.2.3 污泥焚燒的停留時間
污泥在焚燒爐內停留時間的長短直接影響焚燒的完善
程度，停留時間也是決定爐體容積尺寸的重要依據。為了使
污泥在爐內完全燃燒，污泥需要在爐內停留足夠的時間。停
留時間意味著燃燒煙氣在爐內所停留的時間，燃燒煙氣在爐
內停留時間的長短決定氣態可燃物的完全燃燒程度。
污泥焚燒的氣相溫度達到800~850 ℃，高溫區的氣相停
留時間達到2 S，可分解污泥中絕大部分的有機物，但污泥中
一些來自工業源的耐熱分解有機物需在溫度為1 100 ℃時，
停留時間為2 S 的條件下才能完全分解。
污泥固相中有機物充分分解的溫度和停留時間則與焚
燒時的傳遞條件有極大的關系。污泥顆粒越小，有機物完全
分解所需的停留時間越短，如當污泥粒徑為毫米級時（如在
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能源研究與利用 38
ENERGY RESEARCH &amp;amp; UTILIZATION
2012年第5期·
流化床中），則其停留時間在0.5~2 min 即可。
2.2.4 污泥焚燒的傳遞條件
污泥焚燒的傳遞條件包括污泥顆粒度和氣相的湍流混
合程度，湍流越充分，傳遞條件越有利。一般采用50%~100%
的過量空氣作為焚燒的動力。
2.2.5 過剩空氣系數
過剩空氣系數（ ，%） 為實際空氣與理論空氣的比值。
即，
式中， 為理論空氣量； 為實際供應空氣量。
過剩空氣系數對污泥的燃燒狀況有很大的影響，供應適
量的過剩空氣是有機可燃物完全燃燒的必要條件。合適的過
剩空氣系數有利于污水污泥與氧氣的接觸混合，強化污泥的
干燥、燃燒。但過剩空氣系數過大又有一定的副作用，既會降
低爐內燃燒溫度，增大燃燒煙氣的排放量。
3 直接焚燒與干燥焚燒
污泥焚燒主要分為兩類：一類是將脫水污泥直接送入焚
燒爐焚燒，即直接焚燒；另一類是先將污泥脫水至較低含水
率水平后，再送焚燒爐焚燒，即干燥焚燒。
本文設計焚燒1 t/h 的污泥，含水率為80%，分別采用直
接焚燒和干燥焚燒兩種方案，對比其能耗情況。表1 為污泥
直接焚燒能量計
算數據， 表2 為
污泥干燥過程能
量計算數據，表3
為直接焚燒與干
燥焚燒能源消耗
產出對比。
由表3 可以
看出， 污泥直接
焚燒所需輔助燃
料量較大， 不建
議過高含水率污
泥直接焚燒。污
泥干燥焚燒雖然
干燥過程能量消
耗較大， 但由于
干燥后污泥的熱
值較高，能量
利用價值較
高，從而在一
定程度上降
低污泥焚燒
費用。
K.Okazawa 和M.Hiraoka 指出， 干燥焚燒和直接焚燒的
處理成本分別為250 美元/t 和300 美元/t 干污泥。雖然由
于國情不同直接引用這些數據并不能說明問題，但從費用結
構分析，干燥焚燒系統雖然增加了一套干燥設備，約占總投
資的15%，但卻因此省去了直接焚燒所耗的約占總投資35%
的輔助燃料費用，故處理成本至少降低20%左右[8]。從以上的
能量產耗情況及處理成本的比較分析看， 采用干燥焚燒技
術，處理成本較脫水泥餅直接焚燒有明顯的下降。
4 結論
(1)污泥焚燒優勢明顯，發展潛力巨大，可以達到污泥減
量化、穩定化、無害化和資源化的要求，有望成為污泥處置的
主流技術；
(2)污泥直接焚燒是可行的，相比污泥干燥焚燒，所需的
輔助燃料量和煙氣排放量要大很多，因此污泥焚燒的濕污泥
含水率不宜過高；
(3)污泥干燥焚燒由于干燥處理后的低含水率污泥熱值
較高，能夠自持燃燒，能源利用價值較高，能耗也較低，是一
種節能型污泥處理方式。
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重慶環境科學， 1999， 21 (1)： 51-53.
收稿日期：2012-08-20
表1 污泥直接焚燒能量計算數據
表2 污泥干燥能量計算數據
表3 污泥焚燒能源消耗產出對比
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