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市政污泥干化热解工艺分析与热平衡模型的构建 作者:刘文彬,文岳雄等 热解系统工艺流程

文章来源:admin 更新时间:2021/03/15

   

市政污泥干化热解工艺剖析与热平衡模型的构建

 来历:清水技能  作者:刘文彬,文岳雄等      要害词:污泥热解技能 污泥干化热解 污泥处理      

 
现在,国内外有关污泥热解技能的研讨大多会集在固定床和流化床等特定处理单元内的热解动力学、热解特性以及产品特征等方面,且实验室规划的热解研讨往往只聚集在热解单元,关于污泥热解体系的运转进程、尤其是热解体系的核心问题——能量平衡研讨较少,难认为设备体系化、工程化使用供给参阅。

因而,研讨针对市政污泥干化热解试出产体系进行了物理模型简化,并依据能量守恒定律以及热解的进程参数,经过数学模型定量剖析了该体系污泥干化、热解、热解气焚烧进程的能量转化、传递和耗散联系,并对出产运转时污泥初始含水率改动、污泥处理量等不同情形进行了模仿剖析;并在此根底上确认了节能的方向和环节、为污泥热解技能的集成化和工业化使用供给了牢靠的运转参数支撑。

01 热解体系工艺流程

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图1为污泥干化热解集成体系。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,经过造粒机揉捏成具有必定硬度的颗粒物。污泥颗粒物经过螺旋输送机输送至外加热式反转窑热解体系进行升温热解,热解产品经冷却后排出体系。污泥热解进程中发生的热解气含水粉尘、水汽以及焦油,选用“旋风除尘+二级洗刷”的方法进行净化处理,然后热解气进入去水别离器,进一步去除随热解气排出的水滴和油滴,最终热解气进入焚烧室,与辅佐燃料(液化石油气、天然气、沼气等)混合焚烧。焚烧发生的高温烟气经过换热器为烘干机的冷导热油管加热,为烘干机供给热源,然后高温烟气进入反转窑外部夹套,经过加热反转窑外壁为反转窑内的污泥热解供给热量。

02 模型构建

2.1 模型条件设定

经过树立数学模型,构建包含污泥枯燥、热解、热解气焚烧等工艺在内的整个热解体系的热量平衡方程,对污泥热解体系中各工艺流程的热耗和整个体系的能量平衡进行评价剖析,进而为工程使用供给支撑。以下几点假定为体系建模的根底:

(1)污泥、水、热解产品等物性参数不随温度改动而改动,并取相应作业参数下的均匀数值;

(2)污泥热解进程中热解产品安稳,其单位质量污泥热解进程的吸热量为定值,并可经过差示扫描量热法测定;

(3)不计造粒、除尘和洗刷等非首要耗热工艺进程的热量丢失。

依据以上根本假定,将热解体系工艺流程分为以下4个进程。

1)湿污泥含水率80%,经烘干机烘干并经过造粒机后,污泥造粒的含水率降至30%,其工艺流程如下:

(1)被蒸干部分的水分温度由25 ℃升至75 ℃,并在此进程蒸发成水汽,一起干污泥的温度也由25 ℃升至75 ℃;

(2)导热油与烘干机换热功率为90%~95%。

2)造粒后颗粒状污泥进入热解反转窑,吸收从烟气侧传导过来的热量,温度升高,蒸发剖分出。其工艺流程为:

(1)污泥的造粒进一步在75 ℃下蒸干;

(2)然后干污泥从75 ℃升至500 ℃进行热解,升温速率为10~30 K/min;

(3)热解反转窑的烟气与污泥造粒的换热功率假定为95%。

3)污泥在反转窑中热解发生的热解气含有蒸发分、水汽,一起带着有少数污泥颗粒、焦油等,经除尘、二级洗刷和去水别离后只剩下可燃气体,假定在这个进程中炭粉、水汽、焦油和可燃气体均无质量丢失。

4)辅佐燃料和可燃热解气体在焚烧室混合焚烧,并经换热器将高温烟气的热量传递给导热油,假定焚烧室的焚烧功率为98%,换热器在高温烟气端的功率为95%。

2.2 数学模型构建

针对上述的4个工艺流程,首要凭借仪器设备丈量核算污泥、炭渣热值和热解吸热量等要害参数,然后依据能量守恒定律树立了各流程热量平衡的数学模型。

(1)烘干机与导热油的换热能量平衡如式(1)。

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(2)污泥热解能量平衡如式(2)~式(3)。

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(3)焚烧室的能量平衡如式(4)~式(5)。

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03 成果与评论

3.1 污泥的特性剖析

3.1.1 污泥的成分剖析

污泥和炭渣实验成果如表1所示。其华夏污泥的碳含量为16.58%,氧含量为10.64%,热值为7 514 kJ/kg;热解后的碳渣碳含量为8.16%,氧含量为1.53%,热值为2 973 kJ/kg。

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3.1.2 污泥热解的进程参数

在热重剖析仪上进行污泥的热解实验,研讨污泥热解的进程参数。实验中,在氮气气氛中,设置升温速率分别为15、20、30 K/min,氮气流量为100 mL/min,在到达终温500 ℃后,保持温度为500 ℃,使总热解时刻为45 min,调查在该实验条件下污泥热解的程度。由图2可知,污泥热解进程吸热量随时刻的改动规则。负值标明吸热,正值标明放热。对差示扫描热量曲线(DSC) 积分即可得到污泥热解进程的吸热量。核算得到15、20、30 K/min升温速率下污泥热解吸热量分别为203.2、556.2、602.8 kW/kg,均匀值为454.1 kW/kg。

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3.2 工艺热平衡剖析

依据以上树立的数学模型及设定取值,可算出各工艺流程的耗热量以及辅佐燃料的投入量。当烘干机进口污泥湿度为80%,烘干机出口污泥湿度为30%,反转窑填充率为15%,反转窑进口温度为650 ℃,出口温度为300 ℃时,各工艺流程耗热量核算成果如图3所示。此刻,反转窑填充率为15%时,反转窑污泥处理量为280 kg/h,整个体系污泥处理量为980 kg/h,以液化石油气为辅佐燃料时,燃料消耗量为10.87 Nm3/h。工艺体系的耗热量,如图3所示。

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3.3 辅佐燃料量随污泥处理量及含水率改动的猜测

污泥初始含水率和污泥处理量常在必定范围内改变,当初始含水率和处理量不一起,辅佐燃料焚烧量也应有所不同。使用2.2节树立的数学模型,能够研讨污泥初始含水率和污泥处理量与辅佐燃料消耗量的联系。辅佐燃料选用液化石油气,其气相焚烧较为彻底,取焚烧功率为98%。假定反转窑出口烟温为130 ℃,烟气各物性参数依照规范烟气取值。

3.3.1 污泥含水率改动

污泥初始含水率的改变对烘干机、造粒机、反转窑等设备的作业参数均有不同程度的影响,初始含水率从多个途径影响辅佐燃料的消耗量,初始含水率与辅佐燃料消耗量联系较为杂乱。因而,选用对不同工况点进行曲线拟合得到初始含水率与辅佐燃料消耗量联系式。当污泥初始含水率改动时,能够由热平衡得到相应的辅佐燃料量的消耗量。核算多个污泥初始含水率下辅佐燃料的消耗量,得到不同的运转工况点,经过对工况点的拟合能够得到污泥初始含水率与辅佐燃料消耗量的联系式。

当反转窑按规划工况运转时,反转窑填充率为15%,反转窑污泥入窑含水率为30%,污泥初始含水率为80%时,核算得到整套设备的处理量为980 kg/h。当操控污泥处理量为980 kg/h时,污泥初始含水率的改动将影响到辅佐燃料的消耗量。污泥初始含水率为55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%和90%时,依据体系的热平衡核算相应的辅佐燃料消耗量,做出散点图并拟合得到图4。拟合得到的辅佐燃料消耗量与初始含水率联系如式(6)。

y=-12.17+0.278 9x (6)

其间:y—辅佐燃料消耗量,Nm3/h;

x—污泥含水率,相联系数为0.998。

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3.3.2 污泥处理量改动

当污泥初始含水率为80%时,依据热平衡核算得到污泥处理量为680、780、880、980 kg/h和1 080 kg/h时的辅佐燃料消耗量并对其进行拟合,可得到污泥处理量与辅佐燃料消耗量的联系式,如图5所示。由图5可知,当污泥初始含水率不变时,对污泥处理量作为输入量,辅佐燃料消耗量作为输出量的体系而言,整套设备为线性体系,污泥处理量与辅佐燃料消耗量存在线性联系,遵守叠加原理。污泥含水率为80%时,污泥处理量与辅佐燃料消耗量的联系如式(7)。

y=0.010 2x (7)

其间:y—辅佐燃料消耗量,Nm3/h;

x—污泥处理量,kg/h。

表3给出了不同初始含水率下,辅佐燃料消耗量与污泥处理量的相应的联系式。

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3.4 辅佐燃料量随污泥处理量及含水率改动的猜测与实验比照

污泥处理量为1 000 kg/h,含水率为80%,由表3可知,ω=0.010 2x核算得辅佐燃料到猜测值为10.2 kg/h,与实验丈量值9.87 kg/h的差错3.17%,差错较小。

04 定论

本文提出了一套可行的污泥集成化热解体系。

在研讨了污泥热解特性和进程参数的根底上,使用能量守恒定律,对污泥干化热解集成工艺中的干化、炭化、热解气焚烧等进程中的能量转化、传递和耗散进行了研讨,并树立了相应的数学模型,在此根底上,对不同情形进行了剖析,成果为污泥热解技能的工业化和集成化供给了牢靠的运转参数。

(1)原污泥的碳含量为16.58%,氧含量10.64%,热值7 514 kJ/kg;热解后的碳渣碳含量为8.16%,氧含量1.53%,热值2 973 kJ/kg。

(2)经过热重剖析仪,对污泥的污泥热解吸热量进行了测定,得到15、20、30 K/min升温速率下污泥热解吸热量分别为203.2、556.2、602.8 kW/kg,均匀值为454.1 kW/kg。

(3)当污泥干化热解体系污泥处理量为980 kg/h时,以液化石油气为辅佐燃料时,燃料消耗量为10.87 Nm3/h。

(4)使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)。实验标明,线性回归方程的差错较小,可为污泥热解技能的工业化和集成化供给了牢靠的运转参数。

 

原标题:清水技能 | 市政污泥干化热解工艺剖析与热平衡模型的构建




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