在众多的污泥处理处置方法中,焚烧可以在高温燃烧状态下有效地去除污泥中的有害物质,灰渣可以作为建筑原材料等得到综合利用^[1,2],实现污泥减量化、稳定化、无害化和资源化,是当前国际上污泥热处理的主要形式之一^[3]。目前国内已建成了多处采用不同技术工艺的污泥焚烧装置,规模均在100t/d以上。

　　 运行成本和能耗是反映污泥焚烧工艺集成水平和能量利用水平,判断系统优劣的重要参数之一。敏感性分析是投资项目经济评价中常用的一种研究不确定性的方法,可测算相关因素变动对项目投资评价指标的影响程度,或测算保持项目可行时,容许相关因素变动的范围。尽管我国在污泥焚烧方面已经有了很多实践,但因集成运行水平、实际运行条件差异、商业机密等原因,很少见对运行成本构成和影响因素分析研究的公开报道。杭州七格100t/d污泥焚烧示范装置是国际上首台在单一装置内成功实现污泥焚烧放热与干化完全耦合的焚烧工艺系统,本文基于该装置性能试验和商业试运行数据,结合理论分析与计算,对运行成本构成、影响因素及其敏感性进行了研究分析,以期为污泥焚烧处置装置的运行、工程设计和商业化提供参考。

　　 杭州七格100t/d污泥焚烧示范装置(以下简称装置)采用了中国科学院工程热物理研究所的循环流化床一体化污泥焚烧工艺,装置概况与工艺流程见文献[4]、文献[5]。实际运行结果表明,该装置热工性能达到设计值,烟气污染物排放和灰渣重金属浸出毒性均满足国家标准。装置的基本设计参数和设计污泥特性分别见表1、表2,其中设计污泥含水率为78%,干基热值为13 020kJ/kg。

　　 污泥焚烧工艺系统的运行成本一般包括原材料成本、动力成本、人工成本、维修保养成本、大修成本等。原材料成本指燃料费用及干化或焚烧过程中直接消耗的各种材料(如氮气、石灰石等)费用,其与污泥干化的热源供给方式及污泥焚烧方式有关;通常条件下,燃料费用的比重最大且随运行条件波动剧烈,其他直接消耗的材料费用随运行条件波动很小。动力成本主要指生产过程中的电耗费用。人工成本指生产及管理人员工资及按规定应计入工资总额的福利及劳保统筹费用。维修保养成本指用于固定资产维修保养的各项费用。大修成本指维持固定资产正常的生产能力,进行定期大修的费用。简化起见,本文运行成本分析未列入设备折旧成本、财务成本等。

　　 装置设计条件:污泥处理量(运行负荷)100t/d,污泥含水率78%、干基热值13 020kJ/kg。辅助燃料分别为煤和轻柴油时,计算消耗量分别为1.2t/d、0.6t/d,依据实际条件测算运行成本分别为157元/t污泥和198元/t污泥(指单位污泥处理量成本,以工程实际2011 年物价计,轻柴油9 500元/t、煤1 300 元/t,下同)。在装置实际运行条件下,分别以煤和轻柴油为辅助燃料,就运行成本及各项组成进行了实际计量和核算。两种条件下装置运行成本及构成比例的对比情况见表3。

　　 由于实际运行条件下污泥干基热值仅为6 400kJ/kg左右,不到设计值的一半,单位辅助燃料消耗量较高,使运行成本构成中原材料成本较高;辅助燃料为轻柴油时,原材料成本支出在运行成本中高达77%。辅助燃料为煤时,污泥运行成本大大下降(约24%),原材料成本支出比例降到约53%。

　　 通过两种条件下的运行成本对比可知,实际运行过程中诸多影响因素对工艺技术经济性有较大影响,下面以实际运行数据为基础,就循环流化床一体化污泥焚烧工艺运行成本关键影响因素及敏感性进行研究与分析。

　　 污泥含水率与机械脱水装置的效率、污泥泥质及添加剂等有关。而污泥的干基热值与污水水质、排污管理、污水及污泥处理工艺有关,在实际运行过程中常常发生变化。对于污泥焚烧处置工艺及装置,污泥干基热值、污泥含水率对污泥焚烧时的辅助燃料消耗量影响较大,因此污泥含水率与干基热值的变化会对运行成本造成较大影响。污泥干基热值相同的情况下,由于污泥焚烧过程中辅助燃料种类不同(如煤、柴油、天然气等),燃料热值、消耗及价格不同,对运行成本会有直接影响;同时污泥焚烧装置的运行负荷(即实际污泥处理量)也对运行成本有直接影响。因此,污泥含水率、污泥干基热值、辅助燃料种类及运行负荷均为运行成本关键影响因素。

　　 污泥干基热值为13 020kJ/kg,以煤为辅助燃料时,系统辅助燃料耗量与污泥含水率的变化情况见图1(如未特别说明,运行负荷按100t/d计算,下同)。可见,污泥含水率为75%时,系统不需要添加辅助燃料,即装置可以实现自持燃烧;随着污泥含水率的增加,辅助燃料消耗量迅速增加,含水率82%时,辅助燃料日消耗量逾4t;运行成本由100~140 元/t上升到200 元/t。因此,加强污泥的预处理,适当(综合脱水成本)提高机械脱水装置的脱水效率是减少辅助燃料消耗量,降低运行成本的重要途径。

　　 污泥含水率为80%,辅助燃料(煤)消耗量与污泥干基热值的关系见图2。可见,污泥干基热值对辅助燃料消耗量影响亦比较大。当污泥干基热值由6 300kJ/kg增至13 020kJ/kg时,辅助燃料消耗量由约8 t/d减至约2 t/d,系统运行成本由约245元/t减少到约165元/t。

　　 综合图1、图2可知,污泥含水率与干基热值的变化对辅助燃料消耗量产生直接影响,进而影响运行成本及其构成。图3给出了辅助燃料为煤,污泥含水率和干基热值对运行成本的综合影响情况。可见,相同污泥干基热值时,运行成本随污泥含水率升高大概呈指数增长趋势。污泥干基热值越低,随着污泥含水率的升高,运行成本增加相对越快。因此,加强排污管理和污泥预处理,提高污泥干基热值,亦是降低运行成本的重要途径。

　　 辅助燃料不同(煤和轻柴油)时,运行成本的对比情况见图4。可见,污泥干基热值较高时(13 020kJ/kg),两种辅助燃料条件下运行成本差别不大。当污泥热值较低时(6 300kJ/kg),因辅助燃料耗量较大,燃料费用(原材料成本)在运行成本中成为主导,使运行成本增加显著,不同辅助燃料的装置运行成本差别较大,且这种差别随着污泥含水率的提高而越发显著。如污泥干基热值为6 300kJ/kg时,以煤和轻柴油为辅助燃料运行成本分别为280元/t和630元/t,两者相差两倍多。这是因为尽管轻柴油的低位热值较高(约为煤的两倍),单位重量成本却是煤的7倍多(2011年实际采购价格差异);随着污泥含水率的增大或污泥干基热值的减小,辅助燃料量增长迅速,致使两种辅助燃料时,运行成本的差别显著增加。

　　 污泥干基热值为13 020kJ/kg,污泥含水率为75%时,两种辅助燃料的系统运行成本相同,这是因为此时装置可实现污泥自持燃烧,辅助燃料消耗量为0。

　　 图5给出了两种辅助燃料时,不同运行负荷率下的运行成本变化情况。其中,运行负荷率100%,即:日处理100t含水率为80%的污泥,污泥干基热值为13 020kJ/kg。

　　 可见,随着运行负荷率的降低,运行成本增加显著;两种辅助燃料的运行成本差异随运行负荷率的增加逐渐减小。这是因为,随着运行负荷率的降低,辅助燃料消耗量减少较快,使运行成本间差异变小。

　　 以运行成本增加率为敏感性分析评价指标,考虑的影响因素包括污泥含水率、污泥干基热值、辅助燃料价格波动及运行负荷等。两种辅助燃料条件下影响因素的单因素敏感性分析分别见图6a和图6b。其中,两种辅助燃料情况下,运行成本增加率0%的基准条件均定义为污泥含水率80%,污泥干基热值13 020kJ/kg,运行负荷100t/d;运行成本分别约为172元/t(煤)和237元/t(轻柴油)。

　　 由图6可知,两种辅助燃料情况下,运行成本的最敏感影响因素均为污泥含水率,其次是污泥干基热值,影响因素的敏感性从大到小分别为:污泥含水率>污泥干基热值>运行负荷>辅助燃料价格。除运行负荷外,轻柴油为辅助燃料时,运行成本对其他影响因素的敏感性均高于煤为辅助燃料。

　　 辅助燃料为煤,运行成本对污泥干基热值和运行负荷的敏感性差别较小,对污泥干基热值的敏感性略高。同时,污泥含水率减小5% 以上或污泥干基热值增加超过10%时,运行成本增加率不变;原因为此时装置已实现污泥自持燃烧,即辅助燃料消耗量为零,运行成本基本没有变化。

　　 基于杭州七格100t/d污泥焚烧示范装置性能试验与商业试运行数据,结合理论计算与研究分析,得出如下结论:

　　 辅助燃料费用(原材料成本)在污泥焚烧工艺运行成本中的比重最大。辅助燃料为煤和轻柴油时,循环流化床一体化污泥焚烧工艺的运行成本最敏感影响因素均为污泥含水率。运行成本影响因素的敏感性从大到小分别为:污泥含水率>污泥干基热值>运行负荷>辅助燃料价格。除运行负荷外,以轻柴油为辅助燃料时,运行成本对其他影响因素的敏感性均高于煤为辅助燃料。加强污泥的预处理,提高污泥干基热值,综合脱水成本适当提高机械脱水装置的脱水效率,降低入炉污泥含水率是减少辅助燃料消耗量,降低运行成本的重要途径。