1、污泥低温裂解碳化技术介绍天津机电进出口有限公司 于洪江 史英君摘要：本文介绍了一种污泥低温裂解碳化新工艺，并对污泥碳化技术的设备投资、耗能情况等进行了分析，认为污泥碳化是一种比较经济的，能使污泥减量化、无害化和资源化的技术。关键字：污泥碳化，污泥裂解，污泥处置1. 什么是污泥碳化市政污泥中含有可燃物质，尤其是生化污泥（二沉池排出的剩余污泥），由于其中含有大量的活性污泥细菌，可燃物质量更大。根据上海、天津等地的污泥发热量试验，中国市政污泥中的发热量约为 22003300 大卡/吨干物质。其中消化后的污泥发热量较低，一般仅为未消化污泥的 70左右。夏季污泥的发热量比冬季低。所谓污泥碳化，就是通过给
2、污泥加温、加压，使生化污泥中的细胞裂解，将其中的水分释放出来，同时又最大限度地保留了污泥中碳质的过程。污泥碳化的优势在于，污泥碳化是通过裂解方式将污泥中的水分脱出，能源消耗少，剩余产物中的碳含量高，发热量大，而其它工艺大多数是通过加热，蒸发的方式去除污泥中的水分，耗能大，灰分中的碳质低，利用价值小 1。2. 污泥碳化技术的发展世界上污泥碳化技术的发展经过了三个阶段，理论研究阶段、小规模生产试验阶段和大规模的商业推广阶段。（1）理论研究阶段（19801990 年） 。这个阶段的研究集中在污泥碳化的机理上。这个阶段一个突出特点就是大量的专利申请。Fassbender, A.G 等人的STORS 专
3、利，Dickinson N.L 污泥碳化专利都是在这期间申请和批准的。（2）小规模生产试验阶段（19902000 年） 。随着污泥碳化理论研究的深入，和实验室小试的成功，人们开始对该技术进行小规模的生产性试验（Pilot Trial） 。这期间设计和制造了许多专用设备，解决了大量实际工厂化的技术问题。这个阶段的特点如下 2： 规模小。例如 1997 年日本三菱在宇部的污泥碳化厂规模为 20 吨干泥/ 天； 1997 年 Thermo Energy 在加利福尼亚州 Colton 市建立的污泥碳化实验厂规模为 5 吨干泥/天。 试验资金主要来自大公司和政府，而不是商业用户。例如，在日本的试验均来自
4、大公司，在加州的试验资金来自美国 EPA。 试验均取得了一定的成果，可以产出一部分碳化物。但试验也暴露了该项技术存在的一些问题。首批试验工厂并没有促成直接的商业订单。（3）大规模的商业推广阶段（2000） 。污泥碳化技术得以大规模的商业推广，除了污泥碳化技术本身的逐渐成熟以外，还有其他各种因素。下面以污泥碳化技术在日本和美国的发展情况进行说明：在日本，原来污泥的最终处置方法 80是焚烧。但人们逐渐认识到，由于污泥成分的复杂，污泥焚烧不但会产生二恶英等致癌物，而且还有其它一些不为人知的有毒有害气体产生。这也促使日本环保部门对焚烧排出的气体提出了更加严格的要求，使本来成本就很高的焚烧工艺的成本更加
5、提高。为了取代焚烧工艺，目前，日本已经有多家公司生产和销售碳化装置。比较著名的有荏原公司的碳化炉，巴工业公司的污泥碳化装置等。在 2005 年日本东京下水道技术展览会上，日本日环特殊株式会社甚至推出了标准的污泥碳化减量车。该车可以随时到任何有污泥的场所对污泥进行碳化。这些发展表明，污泥碳化技术已趋于成熟。在美国，很多州的污泥过去都采用填埋。但人们逐渐意识到，由于填埋场设施的不完善，污泥中的有害物质会对地下水造成污染，而且污泥填埋场也会对周围的环境造成危害。所以美国 EPA 颁布了新的污泥填埋标准，只有达到Class A 标准的污泥才允许填埋。这项标准的颁布，使得现有的污水处理厂只有投入巨大的污
6、泥处理成本，使其排放的污泥达到 Class A，才能进行最终的填埋处置。另外，现有的填埋场已经接近饱和，开辟新的填埋厂越来越困难。所以，为了达到 EPA 新的污泥处置标准和解决填埋场逐渐用尽的问题， 2000 年以后，在美国的各个州、县的政府内都建立了专门的污泥处置研究机构，对可能的解决方案进行可行性研究。在研究一些传统的污泥处置方案（如焚烧，堆肥，干化）的同时，新的污泥碳化技术开始进入了政府的考虑范围。例如在南加州大洛杉矶地区，经过近 2 年的考查，已经决定建立一个每天处理 675 吨污泥的碳化厂，由能源技术公司（Enertech Environmental Co.）建设和运行 3。3.污泥
7、碳化工艺介绍3.1 工艺流程 污 泥 切 碎加 压 预 热 加 热 反 应 器 冷 凝 脱 水污 泥 干 化含 固 率 50 含 固 率 9热 源 预 热 进 口 污 泥降 温 后 的 裂 解 污 泥图 1：污泥低温碳化工艺流程图如图 1 所示，将脱水机房脱水后的 80左右的污泥切碎，搅拌后加压送入碳化系统，在外部热源的作用下，通过预热和加热，把污泥加热到 240-300，并在反应器中停留 10min 左右，污泥在高温高压的作用下发生裂解，裂解液回流，对进口处的污泥进行预热，然后进入冷却系统。裂解液冷却后进行脱水，脱水污泥的含水率在 50以下，可根据客户的要求进行进一步的干化造粒，或者直接进行
8、堆肥和填埋。脱水机脱出的污泥水经过 MBR 处理后返回污水处理厂。3.2 主要技术参数污泥碳化技术的关键是反应的温度和压力，在一定的温度下，要保证污泥中的水分不发生蒸发，就要使系统的压力大于该温度的饱和蒸汽压，从而使污泥中的水分依靠裂解，而不是蒸发的方式释放出来，这也是污泥碳化技术与污泥干化技术的本质区别所在。由于各国的饮食结构、污水处理的现状以及采用的工艺有很大的不同，所以污泥碳化物的燃值也有一定的差别，具体说明见表1。表 1：污泥碳化主要技术参数说明参数 技术说明进泥含水率 80%左右 （干物质 20，水 80）碳化物含水率 小于 50 （干物质 20，水 20）脱水率 大于 75 （(8
9、020）/80）反应时间 10min 左右反应温度 小于 300反应压力 小于 10MPa炭化物燃值 大约 3300 大卡/公斤干物质（中国） ，4200 大卡/ 公斤干物质（美国）滤出液处理 膜生物反应器（MBR） ，达到国家污水排放标准蒸发气处理 废气燃烧旋风、过滤器，达到国家污水排放标准4.污泥碳化技术的投资和成本分析4.1 污泥碳化的投资目前，世界范围污泥碳化技术的工程实例不是很多，根据目前正在建设中的美国加州 Rialto 的污泥碳化厂的预算，在中国建设一座日处理量为 100 吨的污泥处置厂，包括污泥碳化，碳化后干化造粒，污泥水处理以及除臭等全部设备，投资为 3000 万元人民币左右
10、。4.2 污泥碳化的成本计算采用碳化干化的污泥处置技术，将含水率为 80的污泥处理成含水率基本为零，能源消耗比纯干化的方法将降低约 45。基本理论计算如下：(1)污泥干化技术的能耗在标准大气压下， 将 1kg 水从 20升高至 100所需要的能量为 80 大卡，折合 335 千焦；将 1 公斤水在其沸点蒸发所需要的热量为 40.8 千焦/摩尔，相当于 2260 千焦。 （5 倍于把等量水从一摄氏度加热到一百摄氏度所需要的热量）假设污泥中干物质的比热与水相同，原始污泥的含水率为 80，则与 1 公斤水对应的干物质为 0.25 公斤，加温至 100需要 105 千焦。干化所需要的总能量为：3352
11、260105 2700KJ由于干化只能以其干化物质进行能量回收（反混） ，最多只能有 30的能量回收，所以干化需要的能量为：2700 70 1890KJ(2)污泥碳化+干化技术的能耗10MPa 气压下，将 1 公斤水从 160升高至 240所需要的能量为 80 大卡（能量回收可将初始污泥的温度提高至 160） ，折合 400 千焦。 （水在 10MPa下的比热约为 5.0kJ/(kg )。 ）加压能量很小，可以忽略不计。假设污泥中干物质的比热与水相同，假设原始污泥的含水率为 80，则与1 公斤水对应的干物质为 0.25 公斤，从 160升高至 240需要 105 千焦。碳化部分需要的总能量为：
12、400105505KJ由于碳化剩余物中还有 50的水分，不考虑干物质减量，其总量为 0.5 公斤，用干化方法蒸发，需要能量应为：84565105754KJ同样考虑 30的能量回收，干化部分所需能量为：754 70 528 KJ整个碳化+干化过程需要的能量：5055281033 KJ综上，纯干化工艺需要的热量为 1890KJ，而碳化后再干化工艺需要的热量为 1033 千焦，后者是前者的 55，节省能源约 45。结语综上，污泥碳化技术是一种能够将污泥进行减量化、无害化和资源化处理的新技术。碳化设备可以完全实现国产化，投资较干化和焚烧低，而且能耗是污泥干化技术的一半左右。所以，随着我国对污泥处理处置
13、的要求越来越严格，污泥碳化技术的优势会越来越明显，将具有广阔的市场前景。参考文献：1 Long-Range Biosolid Management Plan, Orange County Sanitation District, December 20032 Review of Alternative Technologies for Biosoilid Management, Great Vancouver Regional District, September, 20053 Emerging Technologies for Biosolid Management, EPA 832-R-06-005, September 2006
