任道蒙，王睿坤，林 凱，藺兆華，王慶五

（華北電力大學(xué)動力工程系，河北 保定 071003）

隨著我國城市化進程加快，污水處理廠的污水處理量及污泥產(chǎn)量均大幅增加。2020年我國污泥年產(chǎn)量超過6000萬t[1]。目前，主流的污泥處置技術(shù)有填埋、土地利用、干化焚燒等[2]。其中，填埋或土地利用存在處置場所占地面積大、二次污染風(fēng)險高、不可持續(xù)等嚴(yán)峻問題。干化焚燒技術(shù)是通過專用污泥焚燒爐或借助垃圾焚燒爐、火力發(fā)電鍋爐等設(shè)備對污泥進行高溫處理，實現(xiàn)污泥的顯著減量化、無害化和資源化[3]。然而，污水處理廠的出廠污泥含水率很高（超過80%），為降低對燃燒設(shè)備熱效率及安全運行的負(fù)面影響，污泥焚燒前需通過干化技術(shù)進行深度脫水[4]。采用現(xiàn)有的熱力干化方法蒸發(fā)脫除污泥中的大量水分，熱耗一般為每1 kg H2O 2850～3140 kJ，導(dǎo)致污泥處理的成本較高[5]。

水熱碳化是一種在密閉亞臨界水環(huán)境中進行的有機廢棄物熱化學(xué)改性技術(shù)，因此非常適用于污泥等高含水率廢棄物。在亞臨界水環(huán)境中，污泥膠體和絮團結(jié)構(gòu)被破壞，其中的間隙水轉(zhuǎn)化為自由水，同時污泥有機成分發(fā)生水解、脫羥、脫羧、芳構(gòu)化等[6]反應(yīng)，親水基團化學(xué)鍵斷裂，使污泥的結(jié)合水得以釋放。因此，經(jīng)水熱碳化處理后的污泥漿料表現(xiàn)出很好的脫水性能，可被機械壓濾至含水率40%以下[7]。由于水熱碳化過程不發(fā)生水的相變，因此將污泥干化至相同含水率時，水熱工藝脫水耗能（水熱+機械）比熱干化方式降低60%以上[8]。

水熱碳化的反應(yīng)溫度一般在180～260 ℃，處理后的污泥漿料蘊含著較多的熱能，可加以回收利用，進一步降低水熱碳化的能耗[9]。針對水熱碳化漿料余熱的回收系統(tǒng)，主要是基于閃蒸、換熱器等方式設(shè)計。如Stemann等人[10]對水熱漿料產(chǎn)物進行多級閃蒸處理，并通過間接換熱和直接混合相結(jié)合的方 式將閃蒸蒸汽中的熱量置換給水熱給料。Akbari等人[11]對比了閃蒸和間接換熱器2種方式的余熱回收效果，結(jié)果表明閃蒸方式的余熱回收效果更優(yōu)。符成龍[12]設(shè)計了一種水熱反應(yīng)罐卸壓閃蒸串聯(lián)一級閃蒸罐閃蒸的余熱回收方式，可將污泥原料從20 ℃預(yù)熱到99 ℃。可見，余熱回收對水熱碳化工藝具有顯著的節(jié)能效果。目前已有的水熱碳化漿料余熱回收系統(tǒng)仍較少，且大多都未對水熱碳化及其余熱回收系統(tǒng)開展詳細(xì)的熱力學(xué)特性分析和能效分析。

鑒于閃蒸方式的余熱回收效果優(yōu)于間接換熱方式，本文基于閃蒸方式設(shè)計水熱碳化漿料的余熱回收系統(tǒng)，包括一級和兩級閃蒸方式，并針對污泥水熱碳化-余熱回收整體工藝開展熱力學(xué)特性分析，研究質(zhì)量和能量平衡特性，重點探討閃蒸級數(shù)、閃蒸壓力、水熱碳化反應(yīng)溫度等因素對系統(tǒng)熱力學(xué)特性和能量回收效益的影響。

1 污泥水熱碳化漿料余熱回收系統(tǒng)

帶有一級閃蒸余熱回收的水熱碳化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。該系統(tǒng)主要由原料預(yù)熱、水熱碳化反應(yīng)、漿料閃蒸3部分組成。污泥原料首先泵送至預(yù)熱罐，在攪拌作用下與閃蒸回收的蒸汽充分混合預(yù)熱；預(yù)熱后的污泥由污泥泵升壓送入反應(yīng)罐，繼續(xù)加熱升溫至反應(yīng)溫度（200～260 ℃）進行水熱碳化反應(yīng)；反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)罐中的漿料產(chǎn)物通過減壓設(shè)備降壓，然后進入閃蒸罐閃蒸，產(chǎn)生的蒸汽送回預(yù)熱罐加熱下一批給料；閃蒸罐底部排出的漿料被送入機械脫水裝置，脫水形成污泥炭餅和濾液。其中，反應(yīng)罐由導(dǎo)熱油或外加蒸汽等方式加熱。二級閃蒸則是將一級閃蒸之后的漿料送入第2個閃蒸罐中，進一步降壓閃蒸，獲得的閃蒸蒸汽也送至預(yù)熱罐。

圖1 帶有一級閃蒸余熱回收的水熱碳化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 The hydrothermal carbonization system with onestage flash waste heat recovery

2 建立熱力學(xué)模型

在建立熱力學(xué)分析模型時，污泥處理量按每批1000 kg計算，水熱碳化后串聯(lián)一級或兩級閃蒸，蒸汽遞次通入預(yù)熱罐與罐內(nèi)物料混合。污泥給料的初始參數(shù)為：溫度20 ℃，壓力0.1 MPa，含水率80%；水熱反應(yīng)溫度和反應(yīng)壓力分別設(shè)置為200 ℃/ 2 MPa、230 ℃/3 MPa、260 ℃/5 MPa，反應(yīng)壓力略高于反應(yīng)溫度下水對應(yīng)的飽和壓力，以創(chuàng)造亞臨界水環(huán)境；水熱停留時間3 h；一級閃蒸系統(tǒng)的閃蒸壓力0.12 MPa，二級閃蒸系統(tǒng)的首級閃蒸壓力分別取0.4、0.6、0.8、1.0 MPa（該壓力梯度的選取可滿足有效閃蒸壓差，同時較好地反映規(guī)律），次級（二級閃蒸系統(tǒng)的第2級）閃蒸壓力0.12 MPa；環(huán)境溫度20 ℃。

2.1 建立質(zhì)量平衡模型

在系統(tǒng)運行前期，由于閃蒸蒸汽不斷與給料混合換熱，導(dǎo)致水熱物料質(zhì)量增加，又進一步增加了閃蒸蒸汽的質(zhì)量。因此，漿料產(chǎn)物（不考慮氣態(tài)產(chǎn)物）、閃蒸蒸汽等物質(zhì)的質(zhì)量會發(fā)生階段性變化。假設(shè)污泥給料性質(zhì)恒定，且各流程除蒸汽分離外無其他質(zhì)量損失，則系統(tǒng)在經(jīng)過多次運行后的質(zhì)量平衡模型如下。

一級閃蒸余熱回收系統(tǒng)質(zhì)量平衡：

二級閃蒸余熱回收系統(tǒng)質(zhì)量平衡：

式中：M0為污泥給料總質(zhì)量，kg；Mp為預(yù)熱罐排出漿料的總質(zhì)量，kg；Mr為反應(yīng)罐排出漿料的總質(zhì) 量，kg；mk為第k級（k=1或2）閃蒸罐產(chǎn)生的閃蒸蒸汽質(zhì)量，kg；km＇為前一批次運行時第k級閃蒸罐產(chǎn)生的閃蒸蒸汽的質(zhì)量，kg；Wk為第k級閃蒸罐排出漿料的總質(zhì)量，kg；ωp為預(yù)熱罐排出漿料的含水率，%；ωr為反應(yīng)罐排出漿料含水率，%；ωk為第k級閃蒸罐排出漿料含水率，%；xk為第k級閃蒸罐閃蒸汽化率；a為閃蒸蒸汽量修正系數(shù)，本文a取0.8[13]。

閃蒸汽化率x為單位質(zhì)量液態(tài)介質(zhì)閃蒸得到的閃蒸蒸汽質(zhì)量[14]，對于純水閃蒸，一般按公式(4)計算：

式中：hin為閃蒸罐入口飽和水焓，kJ/kg；hout為閃蒸罐出口飽和水焓，kJ/kg；r為閃蒸壓力下水的汽化潛熱，kJ/kg。

2.2 建立能量平衡模型

1）能量平衡模型

系統(tǒng)各部分在第i次運行時的能量平衡模型如下。 一級閃蒸余熱回收系統(tǒng)能量平衡：

二級閃蒸余熱回收系統(tǒng)能量平衡：

式中：Q為水熱反應(yīng)運行能耗，kJ；Qlp為預(yù)熱罐熱損失，kJ；Qlr為反應(yīng)罐熱損失，kJ；Qlk為第k級閃蒸罐熱損失，kJ；h0為原料焓，kJ/kg；hp為預(yù)熱 罐排出漿料的焓，kJ/kg；hr為反應(yīng)罐排出漿料的 焓，kJ/kg；hsk為第k級閃蒸罐排出漿料的焓，kJ/kg；hwk為第k級閃蒸蒸汽的焓，kJ/kg；wkh＇為前一批次運行時第k級閃蒸罐閃蒸蒸汽的焓，kJ/kg。

系統(tǒng)運行涉及的各漿料的比熱容cs和焓值h的計算方法為：

式中：cds為污泥干質(zhì)的比熱容，參考煤的比熱容計算方法，取0.85 kJ/(kg·℃)[15]；cw為水的比熱容，取 4.2 kJ/(kg·℃)；ω為漿料含水率，%；t為漿料溫度，℃。

2）熱損失計算方法

系統(tǒng)各個部分均存在不同程度的熱損失。對于閃蒸罐，由于閃蒸過程時間短，因此忽略其散熱損失，將漿料沸點升高所消耗的用于產(chǎn)生蒸汽的能量作為熱損失，此時閃蒸罐排出漿料溫度與蒸汽保持一致。對于預(yù)熱罐，其損失主要包含2部分：閃蒸蒸汽未完全利用造成的損失，主要是蒸汽中的汽化潛熱損失；預(yù)熱罐本身的散熱損失，綜合考慮假定按換熱量的10%計算。

由于水熱反應(yīng)階段反應(yīng)溫度較高，物料加熱和停留時間長，反應(yīng)罐體在原料加熱升溫期間吸收了較多能量，在水熱碳化期間為了維持反應(yīng)溫度還需要彌補散熱損失，主要包括對流散熱損失、輻射散熱損失[16]。反應(yīng)罐熱損失計算的基本參數(shù)如下：將反應(yīng)罐看作橫圓柱，外直徑1.2 m，壁厚20 mm，內(nèi)部總?cè)莘e1500 L，對流和輻射換熱面積均取其外側(cè)表面面積；在反應(yīng)罐外有保溫措施的情況下，外壁溫度取25 ℃；反應(yīng)罐在每批預(yù)熱漿料給料完成后即開始加熱，假設(shè)此時罐體溫度為50 ℃。

系統(tǒng)對流散熱損失Q1按照大空間自然對流換熱計算，其準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為：

式中：Num表示具有平均傳熱系數(shù)的努塞特數(shù)，下標(biāo)m表示定性溫度按邊界層算數(shù)平均溫度計算，即tm=(t∞+tw)/2；Gr為格拉曉夫數(shù)；Pr為普朗特數(shù)；橫圓柱的自然對流系數(shù)C和指數(shù)n分別取0.0165和0.4200；λ為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；d為反應(yīng)罐外徑，m；S1為對流換熱面積，m2；ΔT1為換熱溫差，K；τ1為對流換熱時長，取3 h。

輻射散熱損失Q2根據(jù)灰體輻射的Stefan-Boltzmann定律計算：

式中：C0為輻射系數(shù)，其值為5.68 W/(m·K4)；T為反應(yīng)罐外表面的熱力學(xué)溫度，取298 K；ε為反應(yīng)釜表面黑度，取0.2；τ2為輻射散熱時長，取值同τ1；S2為輻射換熱面積，取值同S1，m2。

反應(yīng)罐開始加熱時，罐體升溫需要消耗的能量Q3由熱量公式計算：

式中：cst為反應(yīng)罐罐體鋼材的比熱容，取0.5 kJ/(kg·℃)；m為反應(yīng)罐罐體質(zhì)量，取1586 kg；ΔT2為罐體溫度的升高值，即反應(yīng)罐罐體開始加熱時的溫度與水熱反應(yīng)溫度的差值，℃。

采用節(jié)能效率φ反映余熱回收對水熱碳化部分能耗的節(jié)省效果[17]：

式中：Qf和Qfn分別為帶有余熱回收和不帶余熱回收的水熱碳化部分的輸入能量，kJ。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 質(zhì)量平衡分析

按本文2.1節(jié)方法對整個工藝流程的物質(zhì)質(zhì)量平衡進行計算，經(jīng)過15次以內(nèi)迭代計算后，各環(huán)節(jié)的物質(zhì)質(zhì)量均達(dá)到了穩(wěn)定值。

表1給出了一級和二級閃蒸系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運行時的質(zhì)量平衡分析（水熱反應(yīng)溫度為200 ℃）。根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析可知，200 ℃水熱碳化后獲得的漿料，在一級閃蒸系統(tǒng)中可閃蒸出138.8 kg的蒸汽，這部分蒸汽的回用使得預(yù)熱罐內(nèi)物料的含水率從初始給料的80%增加到了進入反應(yīng)罐時的82.4%，但閃蒸罐最終排出的漿料質(zhì)量與原始給料相同，均為1000 kg，即回用的蒸汽又在下一批次閃蒸時被閃蒸出來。

表1 一級和二級閃蒸余熱回收系統(tǒng)質(zhì)量平衡Tab.1 Mass balance of the one-stage and two-stage flash waste heat recovery system

忽略閃蒸過程中漿料固體成分的質(zhì)量變化時，閃蒸蒸汽回用不會影響最終水熱反應(yīng)罐內(nèi)漿料的固液比例。上述規(guī)律在二級閃蒸系統(tǒng)中也同樣存在。值得注意的是，相對于一級閃蒸系統(tǒng)，由于二級閃蒸系統(tǒng)中首級閃蒸的壓力高，因此首級蒸汽的品質(zhì)較高，而質(zhì)量較小，但總的閃蒸蒸汽量（首級+次級）與一級閃蒸系統(tǒng)非常接近，為137.8～138.3 kg。另外，在二級閃蒸系統(tǒng)中，隨著首級閃蒸壓力的增大，首級蒸汽量逐漸減小，次級蒸汽量逐漸增大。這是因為首級、次級閃蒸壓力不同時，漿料的過熱度也不同，閃蒸壓力越小，漿料過熱度越大，產(chǎn)生的閃蒸蒸汽量越多[18]。

3.2 能量平衡分析

在質(zhì)量平衡的基礎(chǔ)上，對水熱反應(yīng)溫度為200 ℃的一級閃蒸系統(tǒng)和二級閃蒸系統(tǒng)（其中首級閃蒸壓力為0.4 MPa）進行能量平衡分析，結(jié)果如圖2和圖3所示。由圖2可知，水熱碳化反應(yīng)階段耗能較大，其運行能耗為553.87 MJ，其中用于補償熱損失的能量有125.04 MJ，占整個工藝過程耗能的22.6%。通過一級閃蒸可從水熱漿料產(chǎn)物中回收372.34 MJ的能量，能量回收占比44.6%。由圖3可知：二級閃蒸系統(tǒng)水熱碳化反應(yīng)部分的運行耗能為551.03 MJ，比一級閃蒸系統(tǒng)的水熱碳化運行能耗降低了2.84 MJ，這主要是因為進入反應(yīng)罐前漿料被預(yù)熱的溫度較高；通過兩級閃蒸回收的總能量 為374.59 MJ，比一級閃蒸系統(tǒng)回收的能量增加了2.25 MJ；兩級閃蒸罐的總熱損失為89.96 MJ，比一級閃蒸系統(tǒng)的閃蒸罐熱損失降低3.06 MJ。這是因為相對于一級閃蒸系統(tǒng)而言，二級閃蒸系統(tǒng)增加了1個閃蒸罐，使得級間溫差減小，漿料閃蒸更趨于可逆平衡閃蒸，因此熱損失降低[19]。

圖2 一級閃蒸余熱回收系統(tǒng)能量平衡Fig.2 Energy balance of the one-stage flash waste heat recovery system

圖3 二級閃蒸余熱回收系統(tǒng)能量平衡Fig.3 Energy balance of the two-stage flash waste heat recovery system

當(dāng)改變二級閃蒸系統(tǒng)中的首級閃蒸壓力時，工藝流程各部分的熱損失、水熱反應(yīng)運行能耗、閃蒸蒸汽回收能量見表2。

表2 不同首級閃蒸壓力下的熱損失、水熱運行能耗及回收能量Tab.2 The heat loss, energy consumption of hydrothermal operation, and energy recovery at different first-stage flash pressures

由表2可見，首級閃蒸壓力提高至1.0 MPa時的水熱反應(yīng)運行能耗、閃蒸蒸汽回收能量與0.4 MPa條件下相近，其差異均在±1%以內(nèi)，但首級閃蒸罐熱損失逐漸降低，次級閃蒸罐熱損失逐漸升高。

3.3 余熱利用特性分析

3.3.1 水熱給料預(yù)熱溫度和水熱反應(yīng)運行耗能

圖4和圖5分別顯示了水熱反應(yīng)溫度對水熱給料預(yù)熱溫度和水熱反應(yīng)運行耗能的影響。分析圖4可知：當(dāng)提高水熱反應(yīng)溫度時，閃蒸回收的漿料余熱可將污泥給料預(yù)熱至更高的溫度，這是因為閃蒸罐給料溫度增大，閃蒸過熱度增加，從而產(chǎn)生的蒸汽量更多；二級閃蒸系統(tǒng)的水熱給料預(yù)熱溫度比一級閃蒸系統(tǒng)更高，但差異不明顯。以水熱反應(yīng)溫度200 ℃為例，一級閃蒸系統(tǒng)給料可被預(yù)熱至98.67 ℃；對于二級閃蒸系統(tǒng)，當(dāng)首級閃蒸壓力分別為0.4、0.6、0.8、1.0 MPa時，給料的預(yù)熱溫度分別為99.26、99.30、99.24、99.13 ℃，可見首級閃蒸壓力對給料預(yù)熱溫度的影響不明顯。

圖4 水熱給料預(yù)熱溫度隨水熱反應(yīng)溫度的變化規(guī)律Fig.4 Variations of the preheating temperature of feedstock with hydrothermal reaction temperature

圖5 水熱反應(yīng)運行耗能隨水熱反應(yīng)溫度的變化規(guī)律Fig.5 Variations of the energy consumption of hydrothermal reaction with hydrothermal reaction temperature

仍以水熱反應(yīng)溫度200 ℃為例，分析圖5可知：一級閃蒸系統(tǒng)水熱反應(yīng)運行耗能為553.87 MJ；當(dāng)首級閃蒸壓力分別為0.4、0.6、0.8、1.0 MPa時，二級閃蒸系統(tǒng)水熱運行耗能分別為551.03、550.9、551.22、551.76 MJ，二級閃蒸系統(tǒng)的水熱反應(yīng)運行耗能比一級閃蒸系統(tǒng)略低，最大差距為7.1 MJ。這是因為二級閃蒸系統(tǒng)回收的余熱能量更高，從而使得給料的預(yù)熱溫度更高，所以耗能減少。

3.3.2 余熱回收對水熱碳化工藝節(jié)能效率的影響

圖6顯示了不同工況下的節(jié)能效率。從圖6可以看出：節(jié)能效率隨著反應(yīng)溫度的升高而明顯升高；二級閃蒸余熱回收系統(tǒng)與一級閃蒸系統(tǒng)的節(jié)能效率差異隨水熱反應(yīng)溫度的升高而增大。

圖6 不同工況下節(jié)能效率Fig.6 The energy saving efficiency under different working conditions

3.4 污泥脫水節(jié)能效果分析

水熱碳化提高了污泥脫水性能，大大降低了脫水能耗。根據(jù)本文3.1節(jié)的分析結(jié)果，閃蒸處理后的漿料含水率仍按80%計算，機械脫水能耗按 0.05 MJ/kg計算，若將漿料脫水至30%，則每處理1000 kg污泥的脫水能耗為40 MJ。而采用熱干 化技術(shù)所需的脫水能耗（熱耗+電耗）大約為 3.51 MJ/kg[8]。Wang等人[20]研究了某市政污水處理廠污泥，原污泥熱值6.32 MJ/kg，在200、230、260 ℃的水熱反應(yīng)溫度下，對應(yīng)的水熱炭產(chǎn)率分別為87.14%、86.73%、81.74%，熱值分別為5.49、5.48、5.15 MJ，計算可得處理1000 kg污泥所得水熱炭的產(chǎn)量和產(chǎn)能、脫水能耗及在200、230和260 ℃水熱反應(yīng)溫度下一級閃蒸系統(tǒng)和二級閃蒸系統(tǒng)（首級閃蒸壓力為0.4 MPa）的水熱運行能耗見表3。

表3 水熱工藝和熱干化工藝能量對比Tab.3 The energy comparison between hydrothermal process and heat drying process

由表3可知，將漿料脫水至同樣的含水率，水熱處理工藝總能耗最低為588.58 MJ，與熱干化工藝相比節(jié)能76.6%?？梢姡疅?機械方式對于處理污泥等高濕廢棄物具有顯著的低能耗優(yōu)勢。

水熱處理后的漿料經(jīng)脫水得到的水熱炭，其產(chǎn)率和熱值受水熱反應(yīng)溫度等條件的影響，一般水熱炭產(chǎn)率隨水熱反應(yīng)溫度的升高而下降。定義工藝凈產(chǎn)能為水熱炭產(chǎn)能與系統(tǒng)總能耗的差值。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)計算得到，在水熱反應(yīng)溫度為200 ℃時工藝凈產(chǎn)能最高為205.77 MJ，在260 ℃時工藝凈產(chǎn)能最低為131.05 MJ，而熱干化的凈 產(chǎn)能為-1243.14 MJ?？梢姡岣咚疅崽蓟磻?yīng)溫 度后，水熱工藝在脫水能耗方面仍顯著優(yōu)于熱干 化工藝。

值得注意的是，水熱炭產(chǎn)能和工藝凈產(chǎn)能均隨著水熱反應(yīng)溫度的升高而降低，這是由于Wang等人[20]所用的污泥灰分較高，熱值較低，在水熱處理過程中固體中的有機物溶解至液相，導(dǎo)致水熱炭的熱值下降。若采用熱值更高的污泥原料，則有可能提高水熱炭產(chǎn)能以及工藝凈產(chǎn)能。

3.5 經(jīng)濟性分析

根據(jù)上述分析可知，當(dāng)二級閃蒸的次級壓力與一級閃蒸壓力相同時，二級閃蒸的優(yōu)勢并不明顯?？紤]到二級閃蒸系統(tǒng)增加了中間級，使得級間壓降相對一級閃蒸減小，對設(shè)備的承壓能力要求較低，次級壓力還有進一步降低的空間，因此，繼續(xù)降低二級閃蒸的次級壓力。本文模擬研究此時閃蒸系統(tǒng)的經(jīng)濟性，計算時假設(shè)：水熱反應(yīng)以220 ℃、 2.3 MPa飽和蒸汽作為熱源，蒸汽價格0.2元/kg、污泥處理量100 t/d、年運行時長300 d。

以首級壓力0.40 MPa為例，次級壓力取0.11、0.10、0.09、0.08、0.07、0.06 MPa，將計算得到的系統(tǒng)總熱能回收量折算為220 ℃、2.3 MPa飽和蒸汽的質(zhì)量當(dāng)量。計算得不同次級壓力下每年可節(jié)省的水熱熱源蒸汽費用如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)二級閃蒸次級壓力和一級閃蒸壓力同為0.12 MPa時，二級閃蒸系統(tǒng)可比一級閃蒸系統(tǒng)多節(jié)省蒸汽費 0.3萬元/年，而當(dāng)次級壓力降至0.06 MPa時，二級閃蒸系統(tǒng)比一級閃蒸系統(tǒng)多節(jié)省蒸汽費15.6萬元/年。因此，利用中間級縮小級間壓降的優(yōu)勢，適當(dāng)降低二級閃蒸系統(tǒng)次級閃蒸壓力，節(jié)能優(yōu)勢明顯。若在工業(yè)規(guī)模上比較兩者經(jīng)濟性，還應(yīng)綜合考慮設(shè)備投資、管理成本等。

圖7 二級閃蒸系統(tǒng)不同次級壓力下節(jié)省的當(dāng)量蒸汽成本Fig.7 The equivalent steam cost of two-stage flash system saved at different second-stage pressures

4 結(jié)論

本文基于閃蒸方式設(shè)計污泥水熱碳化漿料產(chǎn)物的余熱回收系統(tǒng)，并進行了熱力學(xué)特性研究，分析了閃蒸級別、閃蒸壓力和水熱反應(yīng)溫度對水熱碳化系統(tǒng)的運行能耗及節(jié)能效果的影響，得到以下結(jié)論。

1）二級閃蒸余熱回收系統(tǒng)總體的熱力性能要優(yōu)于一級閃蒸系統(tǒng)。在水熱反應(yīng)溫度為200 ℃，首級閃蒸壓力為0.4 MPa時，二級閃蒸系統(tǒng)運行總耗能為551.03 MJ，總熱損失252.46 MJ，通過閃蒸回收能量374.59 MJ，可將給料預(yù)熱至99.26 ℃。

2）二級閃蒸系統(tǒng)的水熱運行能耗受首級閃蒸壓力的影響不明顯，而相比一級閃蒸系統(tǒng)略有降低，兩者的最大差距為7.1 MJ。

3）二級閃蒸余熱回收系統(tǒng)節(jié)能效率隨反應(yīng)溫度的升高而顯著增加，但隨首級閃蒸壓力變化很小。在200、230、260 ℃反應(yīng)溫度下的節(jié)能效率分別約為36%、41%、45%。

4）通過污泥水熱處理和熱干化的能耗分析，污泥脫水至相同含水率，水熱處理的脫水能耗比熱干化處理可節(jié)能76.5%。