本發明涉及污泥干化碳化，具體地說，涉及一種市政污泥機械脫水、干化及碳化工藝全流程經濟優化方法。

背景技術：

1、經濟與社會的快速發展，使得工業化水平迅速提高，污水處理廠的數量增加，規模也不斷擴大，要求至2025年，全國需新增日處理能力不少于2萬噸的濕污泥(含水率80％)無害化處置設施。污泥的集中堆放不僅占用大量土地，還易引起環境二次污染，造成資源浪費。污泥含水率高，成分復雜，且含有多種有機物、無機物、重金屬、鹽類以及少量的病原微生物和寄生蟲等，處理與處置成本較高。污泥熱解碳化包括污泥干化和碳化兩個階段，污泥干化通過熱源加熱，使污泥內部水分蒸發，從而大大減少污泥體積，是城市污泥處置的主要技術手段，也是處置過程中極為關鍵的一環。然而污泥干化往往伴隨著高能耗使得運行成本較高，與近年來提出策略相違背，制約了其發展與推廣，使得對污泥干化過程的節能降耗研究具備現實意義。污泥熱解碳化過程中，干化爐出口有尾氣伴隨干化污泥一起產生，尾氣中蘊含著大量熱能，此部分熱能可回收用于污泥干化階段作為熱量來源。污泥熱解產生的熱解油氣，一部分回用于污泥熱解，在滿足污泥熱解的前提下將另一部分分配至干化階段，為污泥干化提供額外能量。余熱回用的精確控制是將干化階段產生的干化尾氣與熱解階段產生的熱解油氣精確分配，將多余熱能用于污泥干化階段，減少能量消耗，是降低污泥熱解碳化能量消耗的重要措施之一。

2、現有技術中針對污泥水熱碳化過程，研究了廢熱回收系統，并通過設計和熱力學分析證實了全熱交換技術對提升污泥熱值及系統效率的有效性。同時分析了污泥干化-焚燒系統的熱力特性，指出污泥自熱不足以支撐系統運行，導致輔助燃料需求隨污泥含水率降低而上升。關于城市污泥的熱解特性，并通過能量平衡分析發現，熱解油氣循環供熱不僅能自給自足，還能為干燥階段節省的能源。現有技術中還研究了污泥干化焚燒聯用系統的最佳運行條件，確定了節能降耗的最優工況。然而污泥熱解碳化余熱回用的精確控制是節能降耗的重要一環，卻鮮見報道。

技術實現思路

1、本發明的目的在于針對當前工藝系統運行過程中存在的熱量損失較大、余熱利用不充分問題進行改進，并基于實際運行參數構建污泥熱解炭化系統的能量平衡方程，計算各工藝流程耗熱量，對各部分能耗節能潛力進行評估分析，從而確定合理的余熱回用比例、燃料供給速率和空氣匹配量，精準匹配污泥干化與碳化的能量需求，提升系統整體能量利用效率，以解決上述背景技術中提出的問題。

2、為實現上述目的，根據圖11所示，本發明提供一種市政污泥機械脫水、干化及碳化工藝全流程經濟優化方法，包括污泥的機械脫水階段、熱干化階段和碳化階段；

3、所述熱干化階段中采用內熱式回轉干化爐，并在干化爐出口處增設熱交換器以回收干化尾氣中的余熱；

4、所述碳化階段中產生的熱解油氣部分回用于干化階段，實現能量循環利用；

5、構建污泥熱解炭化系統的能量平衡方程，評估各工藝流程耗熱量，并確定合理的余熱回用比例、燃料供給速率和空氣匹配量，精準匹配污泥干化與碳化的能量需求。

6、作為本技術方案的進一步改進，所述熱交換器包括預冷器、冷凝器和換熱器，用于逐步降低干化尾氣溫度并回收其中的熱量；

7、經過預冷器處理后的尾氣一部分外排，另一部分經過冷凝器去除水分后，通過換熱器升溫至干化階段。

8、作為本技術方案的進一步改進，干化尾氣與高溫煙氣混合形成干化爐入口煙氣，實現了尾氣和熱解油氣的余熱回用，所述高溫煙氣來源于干污泥熱解產生的熱解油氣在碳化燃燒室內的完全燃燒。

9、作為本技術方案的進一步改進，在干化階段的不同溫度下，隨著干化溫度從105℃升至150℃，各含水率污泥的蒸發效率均有所提高。

10、作為本技術方案的進一步改進，所述干化階段的能量平衡關系包括輸入能量(由燃料燃燒提供熱量qf、干化尾氣余熱回用熱量qre及熱解油氣燃燒分配到干化部分的熱量qgas)和輸出能量(污泥升溫消耗能量qs、污泥中剩余水分升溫吸熱qw、水分蒸發所需能量qe、干化出口尾氣帶走能量qout和散熱損失能量qc1)。

11、作為本技術方案的進一步改進，分析不同含水率條件下干化尾氣和熱解油氣的能量分布及其再利用情況，發現當污泥含水率降低時，水分蒸發所需的能量相應減少，而熱解油氣回用量在干化與碳化階段中的分配比例為19:6，提高了總體能量利用效率。

12、作為本技術方案的進一步改進，所述機械脫水階段后的含水率為62％時，干化階段采用150℃的干化溫度干化至含水率20％，再進行碳化階段。

13、作為本技術方案的進一步改進，所述碳化階段中產生熱解油氣經分離器輸送至碳化燃燒室，在此充分燃燒產生高溫煙氣；一部分高溫煙氣回用于碳化爐滿足熱解系統運行，剩余部分高溫煙氣與干化爐回用尾氣、干化燃燒室燃燒原料提供的高溫煙氣三者混合，形成干化爐入口煙氣，實現對干化尾氣和熱解油氣余熱回收利用。

14、與現有技術相比，本發明的有益效果：

15、該市政污泥機械脫水、干化及碳化工藝全流程經濟優化方法中，全流程優化策略主要表現在兩個方面：一是污泥熱干化階段的熱尾氣回用和污泥碳化階段熱解油的回用策略，實現了能源的高效利用和替代使用；二是針對污泥含水率是影響干化碳化的關鍵因素，通過精確適配出機械脫水、熱干化、碳化各階段的含水率條件，確定最佳經濟效益的運行參數。以a2o工藝污水處理廠產出的市政污泥為例，當機械脫水后污泥含水率為62％，干化溫度150℃至干化后含水率為20％，整個系統的運行成本最低，處理每噸污泥的成本為257.47元。本發明實現余熱與熱解油氣的回收利用的同時，探究了污泥脫水、干化、碳化的最經濟工況點，大幅降低了系統能耗，同時大幅提升了污泥干化碳化效率，系統運營成本降低顯著。

技術特征：

1.一種市政污泥機械脫水、干化及碳化工藝全流程經濟優化方法，其特征在于，包括污泥的機械脫水階段、熱干化階段和碳化階段；

2.根據權利要求1所述的市政污泥機械脫水、干化及碳化工藝全流程經濟優化方法，其特征在于，所述熱交換器包括預冷器、冷凝器和換熱器，用于逐步降低干化尾氣溫度并回收其中的熱量；

3.根據權利要求1或2所述的市政污泥機械脫水、干化及碳化工藝全流程經濟優化方法，其特征在于，干化尾氣與高溫煙氣混合形成干化爐入口煙氣，實現了尾氣和熱解油氣的余熱回用，所述高溫煙氣來源于干污泥熱解產生的熱解油氣在碳化燃燒室內的完全燃燒。

4.根據權利要求1所述的市政污泥機械脫水、干化及碳化工藝全流程經濟優化方法，其特征在于，還包括構建污泥熱解炭化系統的能量平衡方程，評估各工藝流程耗熱量，并確定合理的余熱回用比例、燃料供給速率和空氣匹配量，精準匹配污泥干化與碳化的能量需求。

5.根據權利要求1所述的市政污泥機械脫水、干化及碳化工藝全流程經濟優化方法，其特征在于，在干化階段的不同溫度下，隨著干化溫度從105℃升至150℃，各含水率污泥的蒸發效率均有所提高。

6.根據權利要求1所述的市政污泥機械脫水、干化及碳化工藝全流程經濟優化方法，其特征在于，所述干化階段的能量平衡關系包括輸入能量(由燃料燃燒提供熱量qf、干化尾氣余熱回用熱量qre及熱解油氣燃燒分配到干化部分的熱量qgas)和輸出能量(污泥升溫消耗能量qs、污泥中剩余水分升溫吸熱qw、水分蒸發所需能量qe、干化出口尾氣帶走能量qout和散熱損失能量qc1)。

7.根據權利要求1所述的市政污泥機械脫水、干化及碳化工藝全流程經濟優化方法，其特征在于，分析不同含水率條件下干化尾氣和熱解油氣的能量分布及其再利用情況，發現當污泥含水率降低時，水分蒸發所需的能量相應減少，而熱解油氣回用量在干化與碳化階段中的分配比例為19:6，提高了總體能量利用效率。

8.根據權利要求1所述的市政污泥機械脫水、干化及碳化工藝全流程經濟優化方法，其特征在于，所述機械脫水階段后的含水率為62％時，干化階段采用150℃的干化溫度干化至含水率20％，再進行碳化階段。

9.根據權利要求1所述的市政污泥機械脫水、干化及碳化工藝全流程經濟優化方法，其特征在于，所述碳化階段中產生熱解油氣經分離器輸送至碳化燃燒室，在此充分燃燒產生高溫煙氣；一部分高溫煙氣回用于碳化爐滿足熱解系統運行，剩余部分高溫煙氣與干化爐回用尾氣、干化燃燒室燃燒原料提供的高溫煙氣三者混合，形成干化爐入口煙氣，實現對干化尾氣和熱解油氣余熱回收利用。

技術總結
本發明公開了一種市政污泥機械脫水、干化及碳化工藝全流程經濟優化方法來提高市政污泥脫水、干化碳化系統的效率和經濟性。本發明中的全流程優化策略主要表現在兩個方面：一是污泥熱干化階段的熱尾氣回用和污泥碳化階段熱解油的回用策略，實現了能源的高效利用和替代使用；二是針對污泥含水率是影響干化碳化的關鍵因素，通過精確適配出機械脫水、熱干化、碳化各階段的含水率條件，確定最佳經濟效益的運行參數。本發明實現余熱與熱解油氣的回收利用的同時，探究了污泥脫水、干化、碳化的最經濟工況點，大幅降低了系統能耗，同時大幅提升了污泥干化碳化效率，系統運營成本降低顯著。

技術研發人員：朱曙光,尹晨辰,蔡繼彪,秦瑩,呂科鋒,張正媛,封澦琦
受保護的技術使用者：安徽建筑大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28