引言随着经济的发展，土地资源日益稀缺，焚化将成为我国污泥处置的主要手段之一[1-2]。城市污水处理厂污泥中含有70%~80%的水分，可燃部分有限，而且脱水后的污泥黏性较大，很难搅拌。水的去除需要两个过程：蒸发和扩散，污泥干燥机理是蒸发和扩散两个过程的连续交替。干燥污泥可以提高污泥热值，节约焚烧处理成本，达到市政污泥的自持燃烧。市政污泥焚烧是当前污泥处置的主流技术，可实现污泥最彻底的减量化[3-5]。本文研究市政污泥干化焚烧系统的能源消耗过程，以自持燃烧为目的，建立市政污泥干化焚烧系统的质量平衡、能量平衡模型，为市政污泥干化焚烧系统设计运行提供可靠的理论依据。1污泥特性某市11座较大规模污水处理厂，拟用于焚烧的市政污泥总量约1 000 t/d。市政污泥含量分析如表1所示，11座污水处理厂（A~K）污泥热值与含水率如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.T001表1市政污泥含量分析检测项平均值检测项平均值质量占比/%—C/%24.19含水率/%72.65H/%4.69灰分/%48.56O/%28.71挥发分/%50.16N/%4.63固定碳/%1.34S/%0.93低位热值/（kJ/kg）795Cl/%0.78高位热值/（kJ/kg）10 338F/（mg/kg）24.8310.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F001图1市政污泥热值与含水率经检测，各污水处理厂脱水后污泥含水率为64.50%~76.80%，其加权平均值为72.65%。污泥热值从5 689~12 419 kJ/kg，经加权平均后污泥热值为10 338 kJ/kg。2分析方法市政污泥中含有大量有机物和一定量的纤维素、木质素。焚烧利用污泥中的有机成分较高、具有一定热值等特点处理污泥，使污泥得到减量化、资源化、无害化处理。某城市市政污泥进入薄层干化机进行烘干，热源来自燃烧污泥本身的热量和市政蒸汽的热量。干化后的污泥进入焚烧炉进行焚烧，剩余的灰渣进行鉴别后再利用或处置。市政污泥干化焚烧主要处理工艺流程图，如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F002图2市政污泥干化焚烧系统流程图3能耗分析项目总投资8.66亿元，分项投资如表2所示。项目装机容量7 461.9 kW，运行功率5 223.4 kW。每个系统的电能消耗如表3所示，物料消耗如表4所示。同一污水处理厂的污泥热值不断波动，通常市政污泥热值在夏季较低、冬季较高。市政污泥热值如图3所示。根据污泥热值，拟合出一条多项式趋势线，多项式表达如下：10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.T002表2项目分项投资系统名称投资金额储运系统4 869干化系统38 700焚烧系统17 340输送系统1 962烟气净化系统7 327生产辅助系统3 504除臭系统3 870污水处理系统1 500安装费7 511万元10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.T003表3各系统电能消耗系统名称电能消耗储运系统1 153.0干化系统2 731.2焚烧系统922.0余热利用系统90.1烟气净化系统1 735.0灰渣收集与运输系统75.6压缩空气系统231.5冷却水循环系统523.5kW10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.T004表4物料消耗表材料名称数值接收储运系统耗功率/kWh2 757.8自来水耗量/（kg/h）8 064.2冷却塔散水/（kg/h）27 750.0焚烧、烟气净化系统耗功率/kWh2 534.8石英砂耗量/（m3/a）90.0NaOH耗量/（kg/h）1 028.6活性炭耗量/（kg/h）47.9氢氧化钙耗量/（kg/h）60.0天然气耗量/（m3/a）85.5磷酸盐耗量/（kg/h）0.5尿素耗量/（kg/h）0.4Q=-0.048×i6+3.451×i5–83.42×i4+927.6×i3–4 916×i2+
10 186×i+7 960 (1)式中：Q——市政污泥热值，kJ/kg；i——1~12月。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F003图3市政污泥热值影响污泥热量值的主要因素是环境温度、降雨季节、生活习惯等。冬季环境温度较低，污水处理厂污泥中的微生物代谢缓慢，污泥的有机质消耗相对较低；积累的有机物含量更高，污泥热量值也较高。夏季雨水含沙量较高，其中含有较少的有机物，因此污泥热量值相对较低。夏季居民洗澡的频率比冬天高，淋浴水的有机物质含量低于家庭污水的平均水平（包括厨房、粪便等）。居民的饮食习惯也会影响污泥热值。例如冬天吃高热量食物，而夏季饮食相对较清淡。综上所述，污泥的热量值一定程度上随季节的改变发生变化。根据污泥的热量不同，模拟不同工作条件下市政污泥干化焚烧系统能量平衡点。维持干化后污泥自持燃烧条件下，污泥干燥后含水率需求，如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F004图4市政污泥含水率需求冬季污泥热值较高，较高含水率可以达到自持燃烧的要求。相反，夏季污泥热值较低，需要较低的含水率，才可达到自持燃烧要求。根据以上污泥热值的变化，市政污泥含水率波动在44%~72%之间。根据污泥的热量不同，维持污泥干化焚烧平衡点，计算得出污泥干化焚烧蒸汽产量（或消耗量），如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.001.F005图5污泥干化焚烧蒸汽产量4结语对某城市污泥干燥焚烧系统技术路线进行优化，最大限度地提高能源利用率。污泥的热值随季节的改变而发生变化。冬季污泥热值较高；夏季污泥热值较低。以市政污泥自持燃烧为能量平衡点进行能量守恒分析，较高的污泥热值可有效降低污泥干化后的含水率，从而达到节能目的。