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能耗比较

  1. 污泥低温碳化理论上需要的能量

  污泥低温碳化后的污泥裂解液流动性很好,可以作为原始污泥预热的热源。生产中的实际数据证明,用碳化裂解液一般可将原始污泥加热至160℃以上。如果碳化裂解温度设定为250℃,水在10MPa,200℃以上的比热按5.0×kJ/(kg ℃)计算,则将1公斤污泥升高至250℃所需要的理论热量为

  5*(250-160)= 450 KJ

  以上热量就是污泥低温碳化所需要的全部理论热量。即使不使用裂解污泥预热原始污泥,将全部污泥由常温升高至250℃以上也只需要1150 KJ,相比干化和焚烧所需要的理论能耗都低。

  2. 污泥干化理论上需要的能量

  标准大气压下,

  将1公斤污泥从20℃升高至100℃所需要的能量为80大卡,折合335KJ。

  将1公斤水在其沸点蒸发所需要的热量为2280KJ。(五倍于把等量水从零摄氏度加热到一百摄氏度所需要的热量)。而把1公斤污泥中的80%水分用蒸发的方法降至含水率50%需要的热量计算如下。

  蒸发的水量: Wz = (1 - (1-80%)/(1-50%))= 0.6kg

  蒸发的能耗: Ez = 4.18*0.6*(100-20)+ 2280 * 0.6 = 1568 KJ

  剩余物质升温所需要的热量:1.5*(1-0.6)*(100-20)= 48 KJ

  将1公斤含水率80%的污泥干化为含水率50%,理论上所需要的总能量为1568 + 48 = 1616 KJ

  3. 污泥焚烧理论上所需要的能量

  污泥焚烧过程是污泥中热值的再利用过程。以污泥完全焚烧,灰渣的含水率为零计算,全部水分蒸发所需要的热量为:

  Ez = 4.18*0.8*(100-20)+ 2280 * 0.8 = 2092 KJ

  如果污泥中干物质的低位发热值达到2500大卡,以含水率80%计算,干物质中包含的理论热值可以达到500大卡,约2000 KJ,完全焚烧不考虑效率,理论上可以满足全部水分蒸发所需要的热量。但实际上,大型燃煤锅炉的热效率最多也只能达到70%,而燃烧含水率达80%的低热值污泥的效率最多只能达到50%。也就是说,在直接污泥焚烧过程中,至少每公斤污泥还要增加1000 KJ(约一半能量)的辅助燃料。

  4. 影响污泥低温碳化能量消耗的因素

  从上面的理论计算中可以看出,污泥低温碳化的能耗比较污泥干化和污泥焚烧具有很大的优势。理论计算值与最终的生产性装置还有很大的距离。影响污泥低温碳化能耗的因素至少还需考虑以下几个方面:

  为了提高污泥在连续工艺中的流动性,可能要向污泥中加水,加水量增加,能耗就会相应增大。美国、日本和中国目前的加水量一般在20%-50%污泥量之间,当加水在20%时,理论能耗为450*1.2=540 KJ,而加水量达到50%时,理论能耗为450*1.5=675 KJ。

  为污泥加热需要使用换热器,换热器的型式决定换热器的效率,换热器的效率越低,能耗越大。目前美国和中国使用的换热器的效率均在85%以上。

  为了回收污泥碳化裂解液中的能量,需要用裂解液预热进入系统的原始污泥,预热的效果越好,预热后的污泥温度就越高,需要加热的温度就越少,能耗就越低。中国目前经过预热后的污泥温度已经达到160℃以上(环境温度20℃)。

  系统的保温效果越好,向环境中散发的热量就越少,能耗就越少。

  污泥干化和污泥焚烧实际的能耗也与设备的形式、运行的温度、设备的效率有直接的关系。上面的能耗计算只是最初级的,许多辅助因素均未考虑,目的是从最主要的能耗考虑,使从事污泥处置项目管理的人员有一个基本的概念。各种污泥处置方案能耗的热力学计算实际上要考虑的问题相当多,计算方法也比较复杂,需要读者自行参考相应的论文。

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