本发明涉及污泥处理领域，尤其涉及一种污泥干化焚烧热平衡处理系统及方法。
背景技术
在城市污水的收集及处置过程中，必然会产生大量的污泥，污泥具有有机质含量多、易发臭、产量大、含水率高的特点。目前，发达国家处置污泥的主要方法有土地利用、卫生填埋、海洋处置、污泥干化焚烧。各种处置方法各有优缺点，污泥中重金属及病菌制约了污泥土地利用；卫生填埋需要较大的填埋空间，由于污泥含水率高造成产量大，已没有更多空间用于卫生填埋；海洋处置因容易引起海洋污染，对海洋生态系统和人类食物链会造成威胁，随着欧盟各国签订的停止向海洋投弃污泥协议生效，现已基本不再采用。污泥干化焚烧广泛用于污泥处理领域，也是世界上广泛使用的用于彻底处置污泥的最有效方法之一。污泥干化焚烧法能在高温下破坏废物的组织结构、消除有害成分，迅速而大幅度地减少垃圾的容积，并可回收利用能源，可一次性实现工业垃圾处理无害化、减量化、资源化的目的。
我国污水处理厂机械脱水污泥含水率多在80%~83%，有机物含量大多数在60%以下，根据污泥含固率和有机物含量对燃烧的影响，污泥直接焚烧不能依靠自身的热量维持燃烧温度，要自持燃烧，污泥的含水率要小于30%。干化与焚烧通常被认为是两个独立的工艺过程，事实上，没有经过干化的污泥直接进行焚烧是十分困难的。一般污泥干化所需热量较大，根据目前污泥的性质，仅仅由污泥焚烧释放的热量并不能够满足湿污泥干化的要求，还需提供额外的能量才能实现污泥干化焚烧系统的能量平衡。因此，可以通过对污泥进行预处理，通过提高污泥脱水效率，或者提高污泥干基热值的方式，保证后续干化焚烧的热平衡，但是这样增加污泥处理流程，提高处理成本，并且，预处理时势必会引入一些药剂，可能造成二次污染。
技术实现要素：
本发明针对含水率较高、干基热值较低的污泥，在干化焚烧处理过程中不能实现自身热平衡的问题，利用污泥烘干过程排出的含有水蒸气的高温臭气，对冷空气进行预加热，再采用辅助加热装置，对预加热后的空气再加热，再加热空气最后与焚烧热烟气换热成为热空气，热空气的热量不低于污泥干化所需热量。采用该污泥干化焚烧方法，可实现污泥干化焚烧热平衡。
本发明采用的技术方案是：
一种污泥干化焚烧热平衡处理系统，其特征在于，包括干化装置、焚烧装置、预加热装置、辅助加热装置、烟气换热装置、烟气净化装置、除臭装置，所述干化装置设有干化装置进料口、干化装置出料口、干化装置进气口和干化装置臭气出口；所述焚烧装置设有焚烧装置进料口、焚烧装置补气口、焚烧装置炉渣出口和焚烧装置烟气出口；所述预加热装置设有预加热装置臭气进口、预加热装置臭气出口、预加热装置冷空气进口和预加热装置空气出口；所述辅助加热装置设有辅助加热装置臭气进口、辅助加热装置臭气出口、辅助加热装置空气进口和辅助加热装置空气出口；所述烟气换热装置设有烟气换热装置烟气进口、烟气换热装置烟气出口、烟气换热装置空气进口和烟气换热装置热空气出口；所述干化装置出料口与所述焚烧装置进料口相连接；所述干化装置臭气出口与所述预加热装置臭气进口相连接；所述污泥焚烧装置烟气出口与所述烟气换热装置烟气进口相连接；所述预加热装置臭气出口与所述辅助加热装置臭气进口相连接；所述预加热装置空气出口与所述辅助加热装置空气进口相连接；所述辅助加热装置臭气出口与所述除臭装置与相连接；所述辅助加热装置空气出口与所述烟气换热装置空气进口和所述污泥焚烧装置补气口相连接；所述烟气换热装置烟气出口与所述烟气净化装置相连接；所述烟气换热装置热空气出口与所述干化装置进气口相连接。
进一步地，还包括热空气循环风机，设置于所述污泥干化装置的内循环管路上。
进一步地，还包括：排湿风机，位于所述干化装置臭气出口和所述预加热装置臭气进口之间的管路上；冷风风机，位于所述预加热装置空气出口和所述辅助加热装置空气进口之间的管路上；臭气风机，位于所述辅助加热装置臭气出口和所述除臭装置之间的管路上；暖风风机，位于所述辅助加热装置空气出口和所述烟气换热装置空气进口之间的管路上；热风风机，位于所述烟气换热装置热空气出口和所述干化装置进气口之间的管路上。
进一步地，还包括阀门，位于所述暖风风机和所述焚烧装置补气口之间的管路上。
进一步地，所述辅助加热装置还包括：冷凝管、膨胀阀、蒸发器、压缩机。
进一步地，所述干化装置为厢式干燥器、洞道式干燥器、带式干燥器、转筒干燥器、气流干燥器、流化床干燥器中的一种。
进一步地，所述辅助加热装置为溴化锂机组。
一种污泥干化焚烧热平衡处理方法，包括以下步骤：
①将城市污水处理厂产生的湿污泥输送进入干燥装置中，湿污泥在干燥装置中受热空气加热，污泥中的水分蒸发，并产生含有水蒸气的臭气，湿污泥蒸发水分后形成烘干后的污泥；
②步骤①中含有水蒸气的臭气在预加热装置中与冷空气换热，预加热后的空气进入辅助加热装置中，以初步降温后的臭气为热源，再次加热，降温后的臭气进入除臭装置除臭后排放，再次加热后的空气一部分作为焚烧装置的补气；
③步骤①中经烘干处理的污泥输送进入焚烧装置中，经焚烧产生热烟气和炉渣，炉渣排出炉体，热烟气与步骤②中另一部分再次加热的空气在烟气换热装置中进行换热，换热后的热空气作为步骤①中干化装置的热空气，降温后的烟气经烟气净化装置处理后排放。
进一步地，所述步骤②中热泵辅助加热装置的动力来源为电、高温蒸汽、燃气中的一种。
进一步地，所述步骤①中湿污泥的含水率≤85%，所述烘干后的污泥含水率≤30%，所述湿污泥的干基低位热值≥1700kcal/kg。
本发明的有益效果为：
1、节约能源、降低污泥焚烧处理成本。污泥焚烧一直被认为是污泥减量化、无害化、资源化的最佳处置方式之一，但是处理成本高限制了污泥焚烧处置的应用。由于国内污泥多半有机质含量较低、含水率较高，因此在污泥焚烧处置成本中，污泥干化、或者污泥焚烧助燃剂占了很大比例。本发明一种污泥干化焚烧热平衡处理系统及方法，将系统中的热能最大化利用上，并且提高热能的转化效率，对冷空气进行三次加热后用于污泥干化，满足污泥干化所需热量，实现污泥干化焚烧系统的热能平衡，不需要额外补加热能，节约能源、降低污泥焚烧处置成本。
2、扩大适用于污泥焚烧处理的污泥范围。污泥含水率越高，干化所需热能就越高，并且含水率高或发热量低的污泥焚烧产生的热量少，这两点是影响污泥干化焚烧系统热平衡的主要因素。为了实现污泥干化焚烧热平衡，人们考虑过提高污泥脱水效果、通过预处理提高污泥发热量的方法，增加了处理流程及处理难度，但是对于常规含水率（75%~85%）、常规热值（1700kcal/kg~2600kcal/kg）的污泥来说，其焚烧热量还是不足以与干化所需热量达成热平衡。本发明通过用干化产生的温度较高的含水蒸气的臭气对冷空气进行一次加热，将冷空气温度提高10℃~20℃，通过辅助加热装置对预加热后的空气进行二次加热，使空气温度再提高10℃~25℃，通过烟气换热对空气进行三次加热。跟直接与烟气换热相比，可将空气温度提高50℃~90℃，在维持系统热平衡的情况下，可以适当降低焚烧用污泥的干基低位热值，使得以往需要经过进一步处理才适用于焚烧的污泥可以直接进行焚烧处理，扩大了适合焚烧方式进行处置的污泥的范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种污泥干化焚烧热平衡处理系统及方法的示意图。
图中：1-干化装置，2-焚烧装置，3-预加热装置，4-辅助加热装置，5-烟气换热装置，6-烟气净化装置，7-除臭装置，9-阀门，11-干化装置进料口，12-干化装置出料口，13-干化装置进气口，14-干化装置臭气出口，21-焚烧装置进料口，22-焚烧装置补气口，23-焚烧装置炉渣出口，24-焚烧装置烟气出口，31-预加热装置臭气进口，32-预加热装置臭气出口，33-预加热装置冷空气进口，34-预加热装置空气出口，41-辅助加热装置臭气进口，42-辅助加热装置臭气出口，43-辅助加热装置空气进口，44-辅助加热装置空气出口，45-冷凝管，46-膨胀阀，47-蒸发器，48-压缩机，51-烟气换热装置烟气进口，52-烟气换热装置烟气出口，53-烟气换热装置空气进口，54-烟气换热装置热空气出口81-热空气循环风机，82-排湿风机，83-冷风风机，84-臭气风机，85-暖风风机，86-热风风机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明采用的技术方案是：
一种污泥干化焚烧热平衡处理系统，其特征在于，包括干化装置、焚烧装置、预加热装置、辅助加热装置、烟气换热装置、烟气净化装置、除臭装置，所述干化装置设有干化装置进料口、干化装置出料口、干化装置进气口和干化装置臭气出口；所述焚烧装置设有焚烧装置进料口、焚烧装置补气口、焚烧装置炉渣出口和焚烧装置烟气出口；所述预加热装置设有预加热装置臭气进口、预加热装置臭气出口、预加热装置冷空气进口和预加热装置空气出口；所述辅助加热装置设有辅助加热装置臭气进口、辅助加热装置臭气出口、辅助加热装置空气进口和辅助加热装置空气出口；所述烟气换热装置设有烟气换热装置烟气进口、烟气换热装置烟气出口、烟气换热装置空气进口和烟气换热装置热空气出口；所述干化装置出料口与所述焚烧装置进料口相连接；所述干化装置臭气出口与所述预加热装置臭气进口相连接；所述污泥焚烧装置烟气出口与所述烟气换热装置烟气进口相连接；所述预加热装置臭气出口与所述辅助加热装置臭气进口相连接；所述预加热装置空气出口与所述辅助加热装置空气进口相连接；所述辅助加热装置臭气出口与所述除臭装置与相连接；所述辅助加热装置空气出口与所述烟气换热装置空气进口和所述污泥焚烧装置补气口相连接；所述烟气换热装置烟气出口与所述烟气净化装置相连接；所述烟气换热装置热空气出口与所述干化装置进气口相连接。
进一步地，还包括热空气循环风机，设置于所述污泥干化装置的内循环管路上。
进一步地，还包括：排湿风机，位于所述干化装置臭气出口和所述预加热装置臭气进口之间的管路上；冷风风机，位于所述预加热装置空气出口和所述辅助加热装置空气进口之间的管路上；臭气风机，位于所述辅助加热装置臭气出口和所述除臭装置之间的管路上；暖风风机，位于所述辅助加热装置空气出口和所述烟气换热装置空气进口之间的管路上；热风风机，位于所述烟气换热装置热空气出口和所述干化装置进气口之间的管路上。
进一步地，还包括阀门，位于所述暖风风机和所述焚烧装置补气口之间的管路上。
进一步地，所述辅助加热装置还包括：冷凝管、膨胀阀、蒸发器、压缩机。
进一步地，所述干化装置为厢式干燥器、洞道式干燥器、带式干燥器、转筒干燥器、气流干燥器、流化床干燥器中的一种。
进一步地，所述辅助加热装置为溴化锂机组。
一种污泥干化焚烧热平衡处理方法，包括以下步骤：
①将城市污水处理厂产生的湿污泥输送进入干燥装置中，湿污泥在干燥装置中受热空气加热，污泥中的水分蒸发，并产生含有水蒸气的臭气，湿污泥蒸发水分后形成烘干后的污泥；
②步骤①中含有水蒸气的臭气在预加热装置中与冷空气换热，预加热后的空气进入辅助加热装置中，以初步降温后的臭气为热源，再次加热，降温后的臭气进入除臭装置除臭后排放，再次加热后的空气一部分作为焚烧装置的补气；
③步骤①中经烘干处理的污泥输送进入焚烧装置中，经焚烧产生热烟气和炉渣，炉渣排出炉体，热烟气与步骤②中另一部分再次加热的空气在烟气换热装置中进行换热，换热后的热空气作为步骤①中干化装置的热空气，降温后的烟气经烟气净化装置处理后排放。
进一步地，所述步骤②中热泵辅助加热装置的动力来源为电、高温蒸汽、燃气中的一种。
进一步地，所述步骤①中湿污泥的含水率≤85%，所述烘干后的污泥含水率≤30%，所述湿污泥的干基低位热值≥1700kcal/kg。
本发明的有益效果为：
1、节约能源、降低污泥焚烧处理成本。污泥焚烧一直被认为是污泥减量化、无害化、资源化的最佳处置方式之一，但是处理成本高限制了污泥焚烧处置的应用。由于国内污泥多半有机质含量较低、含水率较高，因此在污泥焚烧处置成本中，污泥干化、或者污泥焚烧助燃剂占了很大比例。本发明一种污泥干化焚烧热平衡处理系统及方法，将系统中的热能最大化利用上，并且提高热能的转化效率，对冷空气进行三次加热后用于污泥干化，满足污泥干化所需热量，实现污泥干化焚烧系统的热能平衡，不需要额外补加热能，节约能源、降低污泥焚烧处置成本。
2、扩大适用于污泥焚烧处理的污泥范围。污泥含水率越高，干化所需热能就越高，并且含水率高或发热量低的污泥焚烧产生的热量少，这两点是影响污泥干化焚烧系统热平衡的主要因素。为了实现污泥干化焚烧热平衡，人们考虑过提高污泥脱水效果、通过预处理提高污泥发热量的方法，增加了处理流程及处理难度，但是对于常规含水率（75%~85%）、常规热值（1700kcal/kg~2600kcal/kg）的污泥来说，其焚烧热量还是不足以与干化所需热量达成热平衡。本发明通过用干化产生的温度较高的含水蒸气的臭气对冷空气进行一次加热，将冷空气温度提高10℃~20℃，通过辅助加热装置对预加热后的空气进行二次加热，使空气温度再提高10℃~25℃，通过烟气换热对空气进行三次加热。跟直接与烟气换热相比，可将空气温度提高50℃~90℃，在维持系统热平衡的情况下，可以适当降低焚烧用污泥的干基低位热值，使得以往需要经过进一步处理才适用于焚烧的污泥可以直接进行焚烧处理，扩大了适合焚烧方式进行处置的污泥的范围。
实施例1
某污水处理厂脱水污泥，含水率为85%，部分采用氧弹量热法测定污泥干基低位发热量为3780kcal/kg，将湿污泥置于干燥装置中，干燥装置热风进气温度为200℃，臭气出口温度为75℃；预加热后空气温度提高20℃，辅助加热后空气温度提高25℃，干燥后的污泥含水率为30%，干污泥进行焚烧，焚烧烟气与55℃的空气进行换热，换热后热空气温度为200℃。焚烧产生热量和干化所需热量可达到热平衡。
实施例2
某污水处理厂脱水污泥，含水率为55%，部分采用氧弹量热法测定污泥干基低位发热量为1700kcal/kg，进行焚烧，将湿污泥置于干燥装置中，干燥装置热风进气温度为120℃，臭气出口温度为55℃；预加热后空气温度提高10℃，辅助加热后空气温度提高25℃，,干燥后的污泥含水率为10%，干污泥进行焚烧，焚烧烟气与60℃的空气进行换热，换热后热空气温度为120℃。焚烧产生热量和干化所需热量可达到热平衡。
实施例3
某污水处理厂脱水污泥，含水率为60%，部分采用氧弹量热法测定污泥干基低位发热量为2500kcal/kg，将湿污泥置于干燥装置中，干燥装置热风进气温度为200℃，臭气出口温度为70℃；预加热后空气温度提高20℃，辅助加热后空气温度提高25℃，干燥后的污泥含水率为20%，干污泥进行焚烧，焚烧烟气与60℃的空气进行换热，换热后热空气温度为200℃。焚烧产生热量用于污泥干化后，还剩余热量1740kj/kg。