污水污泥热解过程的能量平衡与反应热分析

第33卷第5期动力工程学报Vol 33 No 52013年5月Journal of Chinese Society of Power EngineeringMay 2013文章编号:1674-7607(2013)05-0399-06中图分类号:X703文献标志码:A学科分类号:610.30污水污泥热解过程的能量平衡与反应热分析胡艳军,郑小艳,宁方勇(浙江工业大学机械工程学院,杭州310014)摘要:依据能量守恒定律,通过分析污水污泥热解过程的能量利用、耗散和回收情况,提出了污泥热解制取三相产物处理系统的能量平衡模型,分析计算了污泥热解反应热,并利用回收率和耗能比对热解处理系统的耗能状况进行了评价.结果表明:能量利用过程中总存在能源的耗散,减少能耗的主要方式是尽可能提高产物的能值、降低热消耗和废弃的能量;在不同的热解工况下,热量损失的差别明显,热解停留时间长、升温速率慢、热解温度高均会导致輪入能量和热损失増大;能耗评价也验证了热解技术能够回收更多的能量,可以获得更大的能耗比关键词:污水污泥;低温热解;能量平衡;反应热;热解产物Analysis on Energy Balance and Reaction heat ofSewage Sludge Pyrolysis ProcessHU Yanjun, ZHENG Xiaoyan, NING Fang yongCollege of Mechanical Engineering, Zhejiang University of TechnologyHangzhou 310014, China)Abstract: Based on analysis of energy utilization, consumption and recovery in the process of sewage sludgepyrolysis according to the law of energy conservation, an energy balance model was proposed for theprocess of producing three-phase products from sewage sludge pyrolysis, with which the reaction heat ofsewage sludge pyrolysis was calculated, while the energy balance of different pyrolysis processes evaluatedby considering both the energy recovery and energy consumption rate. Results show that energy loss is un-avoidable during utilization; the way to save energy is to raise the heat value of pyrolysis products and siultaneously reduce heat loss and abandoned energy; different pyrolysis conditions result in different heatloss; long retention time, low heating rate, and high pyrolysis temperature will lead to increased input energy and heat loss. Energy consumption evaluation proves the pyrolysis technology to be effective in recov-ering more energy and raising energy consumption rateKey words: sewage sludge; low-temperature pyrolysis; energy balance; reaction heat; pyrolysis product城市污水污泥中含有大量有机物,干化处理后技术一定程度上利用了污泥的资源化特性,也解决的污泥具有较髙的热值,并且可以通过热化学转化了污泥产量巨大难以处理的问题.但是,从污泥焚烧技术进行资源回收23.当前,备受关注的污泥焚烧处理的现状和经验看,采用焚烧方法处理污泥会引收稿日期:20120803修订日期:20121009基金项目:国家自然科学基金资助项目(51008279);浙江省自然科学基金资助项目(Y51eyh中国煤化工作者简介:胡艳军(1979-),女,辽宁沈阳人,副教授博士,主要从事污水污泥资源化技术CNMHGE-mail:zjuthyj@163.com.400动力工程学报第33卷起新的环境污染.由于污泥含水率较高,焚烧技术必kW·h,炉内装有总长1.2m、内径80mm的石英须经先干化再有氧燃烧的过程,导致其运行过程中管热解反应器.温度控制系统采用LTDE技术可编能耗较高;同时,为了助燃,通常需要加入辅助燃料程智能仪表,管式炉的炉体石英管反应器的进气口如煤,会耗费大量一次性能源,而且由于焚烧过程中端装有压力表,以观测反应器内的压力变化,管式热温度较高,烟气中含有一定量的二暱英,因此对焚烧解炉的加热段和出口处均安装有热电偶,以便于监产生的空气污染物控制以及对烟气净化的成本较测热解过程中的温度和排出气体的温度.为深人了高;与污泥自身较高的热值相比,焚烧过程中回收的解影响热解过程中能量耗用的主要因素,笔者分别能量较低与焚烧技术相比,热解技术利用污泥中有研究和分析了不同热解终温、热解反应时间、升温速机物不稳定的特性,将污泥在无氧环境下高温或低率以及湿污泥干化处理方式等工况下能量利用、消温加热进行裂解反应,进而获得可燃性不凝结气体、耗以及回收的分配关系.热解试验的工况组合见表热值较高的液相油以及多孔、性能较好的固体半焦1.每组试验均采集0.5kg干污泥样品置于陶瓷舟等,且热解过程中所需温度不高,也不会产生二慼英内,然后将陶瓷舟放入反应器内,对反应器进行密封污染物并检验热解系统的气密性,最后以30mL/min的流污水污泥低温热解技术的工业化不仅取决于热量将氮气通入反应器内进行吹扫以保证反应器内处解工艺系统的研发,还取决于热解过程中能源的合于无氧环境.图1为污泥低温热解工艺系统示意图理化消耗.目前,国内外有关污泥热解技术的研究大为了确保污泥的热解效果及其产物的品质,并能及多集中在热天平,固定床和流化床内的热解动力学、时排除热解产生的气态产物(包括可凝性气体和不热解特性以及产物特征等方面3,而有关污泥热解可凝性气体),在试验过程中应保证通入恒定的低流能量平衡的研究则很少.因此,分析污水污泥热解过量氮气程中能源的利用、耗费与回收,并在此基础上确定节表1热解试验的工况组合能的方向和环节是当前既紧迫又重要的研究课题Tab. 1 Experimental conditions of the pyrolysis test笔者通过对外热式管式炉热解反应器中污泥热热解试验热解条件解过程能量利用耗散和回收的研究,并根据能量守工况热解终温/℃反应时间/min升温速率/(K·min-1)恒定律以及热解产物的产率和热值建立了污泥热解制取三相产物处理系统的能量平衡模型,获得了污泥热解反应热,并评价分析了不同工况下污泥热解系统的能耗,为污泥热解技术工艺的工业化实施提000015供可靠的运行参数注:1)工况4下被热解的污泥是经电加热干燥处理的,其他工1试验况下的污泥是指在太阳光下自然干燥的11试验材料流量计热解炉球形冷凝管铁架台试验所用生活污泥取自杭州市四堡污水处理厂累计流量计富氢烯污泥排放总管,是未经消化处理的二次脱水污泥,含气收集温度控制却水率为80.4%,挥发分、灰分和固定碳的质量分数过滤器(脱分别为46.3%、48.2%和1.7%,C、H和N的质量难形订操脂棉除尘分数分别为35.6%5.3%和3.5%.为了分析湿污冷却水插环水冷却水泥的干化处理方式对热解工艺过程中能量耗用的影响,在室外阳光下对污泥样品分别进行自然干燥和污泥低温热解工艺系统示意图电加热干燥处理.电加热干燥处理采用DHGFig. I Schematic diaof the9070A型恒温电热鼓风干燥箱在105℃下对湿污泥进行干化,直至样品多次称量无质量变化时才将污2能量分析方法泥样品密封放置以备试验用1.2热解试验依据能量中国煤化工反应器内污采用可编程节能外热型管式电炉对污泥进行热泥热解过程中CNMHG10.热解过解,电炉的额定功率为4kW·h,空耗功率为1.4程是在无氧环境下污泥中有机物质吸收热量引起分第5期胡艳军,等:污水污泥热解过程的能量平衡与反应热分析401子裂解并转化为小分子物质的过程,热解的目的是源的耗散,减少能耗的主要方式是尽可能提高产物为了获得高热值的产物.在热解过程中,需要消耗外的能值并降低热消耗和减少废弃副产物的数量界供给的能量.热解反应器可看做既耗能又产能的对于热解反应热和三相产物的能量评价,采用装置,以环境状态为基准,按照热力学分析方法建立分析有用产物的产率和热值进行能量平衡换算产能量流动和转化的基本模型(见图2)物的产率是相对于放入反应器内的干污泥质量进行2s计算的,并采用质量平衡法进行分析,其中固体半焦nieQ+Q有用和热解液相油的质量直接用电子天平称出,气态产污泥热解Qx他□M反应系统物的质量则通过差减法获得.采用GR-3500型氧弹弃式热量计对污泥热解固相和液相产物的热值进行分析.在试验结束后,当热解炉冷却至100℃左右时开图2污泥热解处理系统的能量平衡示意图炉收集固体半焦,经过研磨和均匀混合后取样,每个Fig.2 Energy balance diagram of the sewage sludg pyrolysis system测试样品为1g,共取3个样品并分别对其热值进行测试,然后对测试结果取平均值.通过水冷却器将大在图2中,进入污泥热解反应系统的能量总和为Qn,离开反应系统的能量总和为QQn包括干部分热解油收集在锥形瓶内,对黏性较大残留在石英管出口法兰处和冷却器壁的热解油则采用少量二污泥原料(工质)自身的化学能和外界供给处理系统氯甲烷将其冲洗下来再经过蒸馏去除二氯甲烷,尽的能量2大部分.工质化学能Qn指干燥污泥的化可能采集所有液相产物.在进行热值分析前,对热解学能,即低位发热量,外界供给处理系统的能量Q。油的副产物进行清除,包括离心脱水和去除固体杂是污泥能够完全发生热分解反应并获得目标产物所质等对于不凝性气体样品的采集,必须通过于燥器需的总能量,由电能提供.对于一次给料的热解设和过滤器对副产物进行清除处理在热解系统运行备,从准备热解生产、热解设备启动、反应稳态进行稳定后,每隔一段时间对热解气体进行1次采样,共直至收获热解产物,外界供给的能量消耗主要涉及进行3次采样,而后对3次采样的气体样品进行组湿污泥干化、系统热容以及冷却热解气的水循环.当分分析,取3次试样结果的平均值.采用GC9790气无外界其他类型补充能源时,Q其他=0.Qm主要包括相色谱仪对不凝性混合气体进行定性和定量分析系统回收的热解产物能量Q有用(焦炭能量Q液相并根据气体的成分含量以及单一气体的热值计算获油能量Q和可燃性气体能量Q),不可回收以及废得混合气体的总热值弃能量Q变弃(热解设备的热损失Qa、产物回收过程的热损失Q以及热解系统排放到环境中的副产物3结果及分析能量Q),以及污泥热解反应热Q灬从前期污泥的3.1热解反应的热分析热重分析结果可知:污泥热解过程的第1阶段为脱污泥的热解全过程是先经历污泥升温和吸热反水过程是吸热反应过程,第2和第3阶段为挥发分应再经历放热反应的过程热解反应热Q是指污泥析出阶段是放热反应过程同时,从污泥的热重完成热解反应所需要吸收(放出)的热量,是确保反分析结果也可以看出:输入热解系统的电能并不能应炉内恒温所必须加入(释放)的热量,可以通过污够转化为产物或副产物,而是用来创造热解反应的泥升温和热分解所需要的热量与热解反应所放出的必要条件,其中一部分电能用于污泥热裂解所需的热量之差计算获得1.污泥是多种组分的混合物,热能,另一部分则是反应系统损失的热和功;来自污其热解过程发生的化学反应相当复杂,在不同阶段泥自身的能量则转化为输出产物和副产物的能量以的温度、不同的反应时间等条件下,污泥中的可燃组及产物的热损失通过图2的能量平衡示意图可以分热分解反应均不同,导致化学反应方程式无法确获得污泥热解系统的能量平衡关系式:定,因此污泥热解过程的反应热也无法通过简单的Qn=Q0u=Q有用+Q度弃+Q(1)计算获得,通常只能采用试验方法进行求取.污泥热通过对热量收支平衡的分析可以知道,污泥热解后,如果产物的总热值增加,说明整个过程发生了解过程中能量的转移、分配、利用以及损失能够为评吸热反应,污泥从外界吸收的能量转化为增加的热价热解技术工艺操作的可行性提供依据从式(1)也值;如果产物中国煤化工过程发生了放可以看出,输入污泥热解生产过程中的能量主要分热反应,减少CNMHG来.如果污泥为有用和废弃2部分.能量利用过程中总是存在能和产物的热值相当,则污泥热解反应释放的热量等·402动力工程学报第33卷于其本身热分解反应需要的热量.污泥热解前后应能源计算的实际消耗的一次能源量.在污水污泥热存在以下能量平衡关系解系统中,电为所应用的二次能源,按1kW·h等Qn+Qn=Q有用=Q+Q+Q2(2)于3.6MJ计算;(3)在外界供给热解系统的能量利用式(2)即可计算出污泥热解反应热Qn由中,对污泥采用太阳能自然干燥方式进行干化处理于不同工况对污泥热解产物的热值有不同程度的影时,干化所需的能量为0,对污泥采用电加热方式进响,因此不同工况下的污泥热解反应热也不同,工况行千化处理时,干化所需的能量约为13.5MJ/kg1的污泥热解反应热为5267kJ,工况2的热解反应当热解系统稳定运行时,设备本身的耗能量主要为热为5414kJ,工况3的热解反应热为3754kJ,工散热损失,可以利用与热解试验相同工况下的热解况4的热解反应热为5267kJ.反应器空运行的耗电量计算获得.系统热容可通过3.2能量平衡分析热解过程中热解炉的耗电量与通入的常温氮气吸热在进行能量平衡计算时,需要确定以下几个基量和设备本身散热损失之差计算获得;热解气的冷础数据:(1)污泥的热值,是指采用多个样品测量值凝、排出和固体残渣带走的显热可以按照工业锅炉的平均值,其计算结果为10.9MJ/kg,热解试验中热损失来考虑,约占总输入能量的10%左右12.对的干污泥样品使用量为0.5kg;(2)二次能源的等热解过程中的能耗,回收的固、液、气产品的能量以价热量,是指以一次能源作为基准进行能源平衡计及所有相关的热损失进行计算和分析,获得不同工算,将二次能源及耗能工质按等价热量折算成一次况热解下系统的能流示意图(见图3)热解设备热损失物回收过程热损失热解设备热损失产物回收过程热损失Q864k2=318 kJQ= 1 152 k外界输入能量外界输入Qnet=6 200 kJ1低温热解产物总能量Qnr 9 600kJ低温热解产物总能量vQ有用-10014kQ有用=9867J污泥带入能量Q=5450kJ(a)工况1的热解系统能流图(b)工况2的热解系统能流图热解设备热损失个四做热解设备热损失产物回收过程热损失Qc318Q=1152kJ外界输入能量外界输入能量Q=7200kJ低温热解产物总能量低温热解产物总能量Qe=13700kJQ有用-9867J污泥带入能量污泥带入能量2:=5450kQ=5450kJ(c)工况3的热解系统能流图(d)工况4的热解系统能流图图3不同工况下热解系统的能流示意图Fig 3 Energy flow diagram of the pyrolysis system under different working conditions从图3可以发现:对于热解工艺条件,热解过程况3的高温热解工况下,热解耗能增加了55%,而的热量耗散与热解工况选择有紧密关联,较高的热产物的总能量减少了约1.5%;同样,工况4采用电解温度增大了热解系统的工作负荷,而较慢的升温加热对污泥进行干化,导致输λ能耗大大增加,约增速率则延长了热解反应时间,这些因素都不同程度加了近1倍.不同热解工况下的热量损失差别明显,地增加了能耗.对于回收产物的总能量,与工况2进热解停留时间长、升温速率慢均会造成输入能量和行比较,在工况1的较慢升温速率、较长反应时间热损失增大在保证热解效率的前提下,低温处理污下污泥在热解过程中多耗用约17%的电能,但是泥时应适当中国煤化工应时间,以降低产物的总能量却减少了约20%,这说明较长的热解仪器不必要CNMHG对系统能量耗停留时间对热解回收的总能量没有促进作用;在工用和回收的影响,只进行简单分析.从试验结果看,第5期胡艳军,等;污水污泥热解过程的能量平衡与反应热分析403·对于高温运行下的热解系统,即使反应时间较短,设器进行优化设计,采用连续给料或在相同功率下增备能耗也明显增加,但是在高温工况下,对三相产物大反应器容积,从而增大污泥进料量,则能耗比和能的产率和热值的影响未进行深人评价,但可以肯定量回收率均会得到增大和提高.因此,在优化污泥热优化热解温度有助于产物的能量回收,也是污泥热解工艺系统时,开发出高效率的热解反应器是污泥解工艺设计和经济技术比较中重点考虑的因素.从低温热解技术实施的关键采用电加热对污泥进行干化处理的能耗看,利用太阳能对污泥进行自然干燥处理可以大大减少输入能4结论量,即应用其他能源代替电能加热对湿污泥进行干(1)热解工艺在能量利用过程中总存在能源的化处理会使热解技术工艺的可行性得到较大提高.耗散,减少能耗的主要方式是尽可能提高产物的能3.3能量平衡的技术指标值,减少热消耗和废弃的能量在参照其他领域的设备和工艺的能耗评价方法(2)不同热解工况下的热量损失差别明显,热和标准的基础上,采用能量平衡的技术指标——能解停留时间长、升温速率慢、热解温度高均导致输人耗比和回收率来评价一次进料管式炉低温热解不同能量和热损失增大,表明热解技术回收的能量越多工况的能耗水平0,其计算公式如下能耗比越大(3)采用低温处理和降低干化污泥能耗有助于污泥热解工艺的推广和应用(4)(4)由于不同地区的发展和自然情况的差别,应根据当地的实际情况选择污泥干化处理的方法能耗比是热解技术处理单位质量污泥所消耗的某种能量或各种能量的总量,该技术指标直观性强,参考文献:对于采用相同工艺的技术工况可以进行概略性比1张培玉,刘晗,城市污水处理厂污泥的综合利用与资较,采用式(3)进行计算能够反映能耗发生的外在原源化[.环境科学与技术,2009,32(12):109-112.因.回收率是热工设备常用的能量平衡技术指标,是ZHANG Peiyu, LIU Han. Utilization and reuse of反映技术工艺由于能量回收带来节能效果的指标,municipal wastewater sludge [J]. Environmental Sci-采用式(4)进行计算可以反映能耗发生的内在原因.ence& Technology,2009,32(12):109-112表2给出了4种热解工况下能耗比和能量回收率[2] FYTILI D, ZABANIOTOU A. Utilization of sewage从表2可以看出,工况2的热解工艺组合具有最高sludge in EU application of old and new methods-a的回收率和能耗比,而工况4热解工艺组合的能量review[J]. Renewable and Sustainable Energy Re回收率最低.在所研究的工况中,除了由于工况4采views,2008,12(1):116-140用电加热干化湿污泥外,其余工况下回收产物的总3]叶江明,潘其文张会岩.内循环串行流化床生物质催化热解试验研究[].动力工程学报,2011,31(3):能量均高于输人总能量.由于工况1、工况2和工况220-2263的污泥样品均是经过太阳自然干燥处理的,若采YE Jiangming, PAn Qiwen, ZHANG Huiyan. Ex用一次能源或二次能源进行干化处理,则热解过程perimental investigation on biomass catalytic pyrolysis中的能耗显著增加,因此采用不同的污泥干化处理n an internal interconnected fluidized bed[J]. Journa方法和工艺会对完整的热解工艺耗能量产生一定程of Chinese Society of Power Engineering, 2011, 31度的影响同时,从表2还可以看出:由于管式炉热解反应器的容积所限,导致污泥进料量受到一定的4]管志超,胡艳军,钟英杰.不同升温速率下城市污水限制,从而使热解产物总产量受到影响,这是各工艺污泥热解特性及动力学研究[].环境污染与防治组合中能耗比小于2的主要原因.如果对热解反应2012,34(3):35-39表2不同热解工况下能耗比和能量回收率GUAN Zhichao, HU Yanjun, ZHONG Yingjie. PyTab 2 Energy consumption and recovery rater differentrolysis characteristics and kinetics analysis of munici-pyrolysis conditionspal wastewater sewage sludge [J].EnvironmentalPollution and Control, 2012, 34(3):35-39工况1工况2工况3工况45]熊思江中国煤化工热解制取富氢燃能耗比ε1.031.621.16气影响YHCNMH报,2010,30(5)能量回收率n0.65996-1001.·404·动力工程学报第33卷XIONG Sijiang, ZHANG Beiping, FENG Zhenpenget aL. The effect of experimental conditions on wetLONG Tengrui, GAO Xu. Study and application onsludge pyrolysis for hydrogen-rich fuel gas[J].Jour-energy balancing and analyzing approach for biologicalnal of Environmental Sciences, 2010, 30(5):996-wastewater treatment unit [J]. Journal of Environl001mental Sciences, 2002, 22(5): 683-6886]姬爱民,张书廷,徐晖,等.污泥热解油中类汽油组分[10]陈超,李水清,岳长涛,等.含油污泥回转式连续热组成和燃料特性分析[J].燃料化学学报,2011,39解——质能平衡及产物分析[].化工学报,2006,57(3):194-197(3):650-657JI Aimin, ZHANG Shuting, XU Hui, et al. Compo-CHEN Chao, LI Shuiqing, YUE Changtao, et alsition and fuel characters of gasoline-like fraction inLab-scale pyrolysis of oil sludge in continuous rotathe pyrolysis oil of sludge[J]. Journal of Fuel Chemising reactor: mass/energy balance and product analytry and Technology, 2011, 39(3): 194-197sis[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering[7] ISCHIA M, PERAZZOLLI C, MASCHIO R D,et2006,57(3):650-657al. Pyrolysis study of sewage sludge by TG-MS and[1]沈祥智,严建华,池涌.垃圾热解能耗及反应热测试TG-GC-MS coupled analysis [J]. Journal of Thermal方法的探讨[].热力发电,2008,37(11):30-34nalysis and Calorimetry, 2007,87(2): 567-574SHEN Xiangzhi, YAN Jianhua, CHI Yong. An ap-[8] ISABEL F, ALFONSO J, GLORIA G, et al. Seproach to test method of energy consumption and re-active heat in MSw pyrolysis [J]. Thermal PowerGeneration,2008,37(11):30-34[J]. Ind Eng Chem Res,2008,47(15):5376-5385[12]汤学忠热能转换与利用[M].北京:冶金工业出版[9]龙腾锐,高旭.污水生物处理单元能量平衡与分析方社,2001:28-30法研究与应用[J].环境科学学报,2002,22(5):683(上接第380页)[7] CUDINA M, PREZEL J Detection of cavitation inMou Jiegang, ZHANG Shengchang, DENG Hongyoperation of kinetic pumps: use of discrete frequencying,et aL. Research and discussion of cavitation critetone in audible spectra[J] Applied Acoustics, 2009, 70rion of centrifugal pump[J]. Transactions of the Chi-(4):540-546nese Society for Agricultural Machinery, 2006, 37(9)[8]吴卫国小波分析在泵的汽蚀初生诊断中的应用[J水泵技术,2003(4):42-45[12]段向阳,王永生,苏永生,等.基于声压测量的离心泵WU Weiguo. Application of wavelet analysis in diag-空化监测[J.兵工学报,2010,31(9):1268-1273nose of pump inception cavitation[J]. Pump Technolo-DUAN Xiangyang, WANG Yongsheng, SU Yongshgy,2003(4):42-45eng, et aL. Cavitation monitoring in centrifugal pump[9] PANDIT A B, NIRANJAN K, DAVIDSON J F.based on sound pressure measurement [J]. Acta Ar-Pump-stirred aerator [J]. Chemical Engineering Sci-mamentarii,2010,31(9):1268-1273ence,1991,46(9):2293-2301[13]黄景泉,龚光寅,武延祥,等,空化噪声的实验研究[10] ALLAN R B Impact of cavitation, air on centrifugalJ].水动力学研究与进展,1988,3(4):8-15pump performance[JJ. Water World, 2009, 25(6): 35HUANG Jingquan, GONG Guangyin, WU Yanxianget al. Experimental investig[牟介刚,张生昌,邓鸿英,等.离心泵汽蚀判据的研究LJ. Journal of Hydrodynamics, 1988,3(4):8-15].农业机械学报,2006,37(9):97-99中国煤化工CNMHG