污泥热解工艺能量平衡及效益分析

污泥热解是复杂的化学反应过程，热量传递、质量传递及动量传递同时进行，导热、对流、辐射3种传热方式也同时发生，而且过程是非稳态传热过程。对于污泥固定床热解过程，系统的能量平衡如图所示。若以环境状态为基准，不考虑环境状态下各种物料的显热，热平衡方程式用下式表示：

外界输入能量 污泥的化学能=产物中的能量 热损失

由于热解过程物料发生炭化反应，主反应为吸热过程，因此该工艺要有外界能量的输入。污泥带入的能量为化学能，可用污泥的低位发热值表示。产物中的能量包括固、气、液产物的低位热值。此外，热解过程中还会产生各种热损失，主要包括炉子等设备的散热损失，系统的热容，冷却水带走的热量，热解固、气、液产物带走的显热等。

污泥热解的能耗受到热解温度、物料含水率及热解时间等多种因素的影响，其中热解终温对能耗的影响是最显著的。随着热解终温的增加，能耗也随之增大，如图所示。在低温热解阶段，能耗量较低，而污泥中的有机质大量分解时，热解所需的能耗则迅速增加。在污泥的热解过程中也发现，在400～450℃出现物料温度突然降低后又继续回升的现象，这证明了热解过程为吸热反应。此外，在高温段热解过程中散热损失也要增加，这也是造成能耗上升的一个重要原因。

污泥含水率对能耗的影响也很重要。干污泥热解时，外界输入的能量主要用于有机物的分解反应及热量损失；污泥含水较高时，水分蒸发及参与的反应都需要能量，因此整个热解过程的能耗也要随着污泥含水率的升高而增加。热解终温为500℃，污泥含水率不同时，相应的能耗如图所示。污泥含水率的增加与能耗的变化几乎呈直线关系，但从总体看，水分对能耗的影响远比热解终温对能耗的影响小。虽然热解过程中低含水率污泥可以降低热解能耗，但从污泥处理的整个系统分析，热解之前对脱水污泥的干燥也需要消耗大量能量，因此降低污泥处理能耗应统筹考虑。

污泥热解后的固态产物含有较多的碳氢元素，热值较高，尤其在350℃时热值超过动力煤的热值，即使在高温段产生的半焦热值也能达到劣质燃料的要求。污泥热解液中含有脂肪酸、脂肪腈、沥青烯、硬脂酸甲酯、苯系物、酰胺及烃类等，都是有机质，也具有较高的热值，可作为燃料利用。污泥热解过程中低温段产生的热解气，由于大部分有机质还没有达到裂解温度，气体热值较低，但高温段产生的热解气含有大量甲烷、氢气及一氧化碳等，热值较高。污泥在不同热解终温条件下产物能量如表所列。

能量回收率是热工设备常用的能量平衡技术指标。污泥热解过程的能量平衡情况可以用下述公示计算：

能量回收率=热解产物回收能量/（污泥带入能量 外界输入能量）

热解产物能耗比=热解产物回收能量/外界输入能量

由表可知，污泥热解过程会产生较大的能量损失，尤其是随着热解温度的升高，能量损失也持续增加。损失能量主要是系统散热及冷却水带走的热量，而热解后产物的温度已接近环境温度，因此显热带走的部分能量很少。根据热解能量回收率，在低温热解条件下，热解过程回收的能量比需要的能量少。当热解终温低于350℃时，产物中固体的产率及含能量高，这种固体燃料可作为动力燃料使用（受污泥无机质含量影响），例如可与其他燃料混烧来用于发电。温度在450～600℃的热解产物中液态产物产率及能值较高，若以回收热解油为目的时，可采用该温度段进行热解。热解温度超过350℃后的气体产物的热值很高，甚至可以直接点燃，因此气体产物的能量利用价值很高。

值得特别注意的是，污泥干燥过程的能耗很高，如将其也放在整个热解工艺过程中考察，将显著改变污泥热解的能量平衡。1kg含水率80%的脱水污泥干燥至含水率5%以下，约需蒸发水分为789g，而每千克水蒸发的能耗约为3.2×103kJ，如锅炉热效率为75%，则每千克干污泥所需的干燥能耗约为3.4×103kJ，基本相当于0.12t标准煤的用量。如将其也纳入污泥热解所需的热量，污泥热解能耗如表所列。

根据表可以发现，从整个污泥干燥 热解过程的能耗看，污泥热解处理方式是一个能量净输入的过程，也即是说热解本身需要的能耗以及干燥过程需要的能耗大于产生的可供利用的能量。因此实现污泥的妥善处理并提供可利用的燃料，是这一处理过程的核心目的，而非提供廉价能源。这也是热解一般不用于市政污水污泥处理的重要原因。与污泥干燥焚烧处理的能量平衡相比，其主要差别在于热解本身和焚烧本身的能耗不同。

为了提高污泥热解的能量产出，增强这一处理过程的经济性，有两条主要途径：一是提高热解产物的能量，这就要求处理对象为高有机质含量污泥，因此目前污泥热解技术主要用于含油污泥的处理；二是降低污泥热解能耗，除了减少热解能量损失之外，可以通过强化脱水、太阳能干燥等方式降低污泥干燥的能耗。

与其他污泥处理方法相比，污泥低温热解技术显示出了能量经济性及二次污染可控性等显著优势，主要包括以下几点：a.污泥的减量化效果好，可以实现及时处理、缓时利用，而生产的产品便于贮存和运输；b.能量回收率及利用率高，该技术把污泥分解成固、气、液三种形式，再分别利用其中的能量，整个热解过程为净能输出过程，热解后回收的热解油的燃烧效率比直接焚烧高；c.热解产生的气体通过焚烧处理，最终排放到环境的污染物少；d.热解产物的可利用性好，液态产物由于热值较高，各种性能类似柴油，可作为重油类燃料使用，不凝结气态产物也可作为燃气加以利用，固体产物可作为工业吸附剂，热值高的也可作为劣质固体燃料。