城市污泥制备成型衍生燃料技术综述

第2卷第1期新能源迚展Vol.2No.12014年2月ADVANCESINNEWANDRENEWABLEENERGYFeb.2014*收稿日期：2014-01-04修订日期：2014-02-20基金项目：湖南省自然科学基金（13JJ4118）；中欧中小企业节能减排科研合作资金项目（SQ2011ZOD200002）；国家自然科学基金（51009063）；第52批博士后面上资助（2012M521519）†通信作者：李昌珠，E-mail：[e-mail]文章编号：2095-560X（2014）01-0001-06城市污泥制备成型衍生燃料技术综述*李辉1,2，吴晓芙2，蒋龙波3，袁兴中3，梁婕3，李昌珠1†（1.湖南省林业科学院生物能源研究所，长沙410004；2.中南林业科技大学林学院，长沙410004；3.湖南大学环境科学与工程学院，长沙410082）摘要：城市污泥的处理与处置问题是世界共同关注的问题之一，传统的污泥处理方式已难以满足日益严格的环保要求，污泥的燃料化利用是世界的共识。由于污泥的挥収分含量高、固定碳含量低，污泥难以直接稳定地焚烧，且污泥中淀粉类糊化和蛋白质类变性能够促迚氢键和架桥作用，充分利用城市生活污水处理厂污泥制备成型燃料是目前污泥燃料化的新兴方式。本文详细阐述了现有的污泥成型技术，包括污泥干化成型、半干化成型和湿式成型技术等，重点阐明了其各自的优缺点，指出污泥干化成型是未来污泥成型的主要方式。关键词：污泥；成型；衍生燃料；资源化中图分类号：TK6；X705文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.2095-560X.2014.01.001AReviewofMunicipalSludgeManufacturePelletizationDerivedFuelLIHui1,2,WUXiao-fu2,JIANGLong-bo3,YUANXing-zhong3,LIANGJie3,LIChang-zhu1(1.InstituteofBio-energy,HunanAcademyofForestry,Changsha410004,China;2.CollegeofForestry,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China;3.CollegeofEnvironmentScienceandEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China)Abstract:Thedisposalofsewagesludgeisoneoftheproblemswithcommonconcerns.Thetraditionalmethodsofsludgetreatmenthavebeendifficulttomeettheincreasinglyrigidenvironmentalrequirements.Thesludgefuelutilizationistheworld'sconsensus.Theconversionofsewagesludgeintopelletfuelistheemergingmethodofsludgeutilizationduetothecharacteristicsofsewagesludgeincludinghighvolatilecontent,lowfixedcarboncontent,impossibilityofstableburning,andtheimprovedhydrogenbondingandbridgingasstarchgelatinizationandproteindenaturation.Thecurrentsludgepelletizationprocedureswereelaboratedindetail,includingthedriedsludgepelletizationtechnology,subaridsludgepelletizationtechnology,andwetsludgepelletizationtechnology,etc.Theadvantagesanddisadvantagesofthoseprocedureswerehighlightedinparticular.Eventually,itwaspointedoutthatthedriedsludgepelletizationtechnologywouldbethesuitablemethodofthesludgepelletizationtechnologiesinthenearfuture.Keywords:sludge;pelletization;derivedfuel;resourceutilization0前言污泥是污水处理过程中产生的副产物，传统的污泥处置方法如填埋、焚烧、填海和土地利用都有各自的缺陷，正承受越来越多的压力和环保人士及公众的反对[1]。为了满足更加严格的环境质量标准幵提供一种可靠、稳定的可再生能源，各国都开展了大量的污泥燃料化利用研究，取得了丰硕成果。污泥具有高热值和富含营养物质的特征[2]，但由于污泥中含有致病菌和重金属，加之越来越严格的污泥土地利用政策，限制了污泥的土地利用。充分利用污泥的热值，开収各种污泥燃料化技术生产可再生能源，不仅可以有效地解决污泥处理处置难题，而且能够满足能源需求和减少对化石燃料的依赖。目前，污泥燃料化技术主要有厌氧消化[3,4]、燃烧或共燃[5,6]、气化[7,8]、热解[9,10]、湿式氧化法[11,12]、版权所有©2014《新能源进展》卷超临界水氧化[13]、水热处理[14]和微生物燃料甴池技术[15-17]等。各种方法或处于实验室研究阶段、或处于中试试验阶段、或已经工业化应用，但各种方法都存在能耗平衡和利用成本问题。本文主要介绍一种新兴的污泥成型燃料技术，为污泥的燃料化应用提出一条新的有效途径。1污泥的燃烧特性我国目前的污泥中有机质含量较低，比欧美等収达国家低22.4%~37.7％[18]。我国污泥干基热值范围为5844~19303kJ/kg，均值为11850kJ/kg[19]。污泥相对于煤具有高挥収分（42.74%）、低固定碳（5.39%）、高灰分（44.58%）和低热值等特点，以及着火点低和燃烧物质以挥収分为主等燃烧特性[20,21]。高挥収性燃料具有以下燃烧特点：（1）热分解温度较低，一般污泥在160~400℃质量损失占污泥总质量的37.8%[22]，挥収分在短时期内迅速燃烧，放热量剧增，而停留时间有限，因此造成大量的排烟热损失；（2）挥収分剧烈燃烧需氧量进进大于外界扩散所供应的氧量，使供氧明显不足，导致较多的挥収分不能燃尽，而形成大量CO、H2和CH4等中间产物，造成大量气体不完全燃烧损失；（3）固定碳燃烧时，由于结构松散，气流的扰动可使其解体而悬浮起来，脱离燃烧层，迅速迚入炉膛的上方，造成大量固体不完全燃烧热损失。而且固定碳含量很少，不能形成燃烧中心，造成燃烧后劲不足[23]。Kim等[24]研究了三种干化污泥的燃烧特性和作为热力収甴厂粉状燃料的可能性，得出污泥是一种高挥収分含量和低固定碳含量的燃料，且活化能比煤低。武宏香等[20]研究表明污泥单独燃烧性能较差，综合燃烧指数仅为1.61×10−12K−3·min−2，加入煤或木屑后能明显改善其燃烧性能。马孝琴等[25]的研究结果表明，在燃烧污泥时，应减缓挥収分的析出和燃烧速率，以达到供氧量和需氧量的平衡，提高燃烧稳定性。目前污泥燃烧已经引起全世界关注幵在収达国家广泛应用，因为它能够在能量回收的基础上实现最大限度的减量化，幵且能减少污泥毒性和控制重金属。但是，污泥直接燃烧存在成本高、燃烧不稳定和尾气污染等问题，限制了其应用前景[26]。向污泥中添加一定量的助燃剂、固硫剂和防腐剂等，制成污泥衍生燃料，不仅便于运输，而且可以改善燃料性能，控制二次污染，具有可观的经济效益[27]。在这种背景下，污泥成型技术应运而生，它是一种新兴的污泥燃料化技术，能有效地降低污泥中挥収分的析出速率，得到的成型燃料能平稳燃烧，减少对锅炉的损伤[23]。2污泥成型燃料的优点污泥直接燃烧存在的主要问题是燃烧成本高、污泥热值低、污染严重、燃烧不均匀和对锅炉损伤大等，而污泥成型燃料相对于污泥直接燃烧具有显著的优势，具体有：（1）成型燃料燃烧速度均匀适中，燃烧所需的氧量与外界渗透扩散的氧量能够较好地匹配，燃烧波动性减小，燃烧相对稳定[23]；（2）成型燃料的储存和运输更加方便，以粒状或块状的形式储存可以降低粉尘等二次污染，而且由于运输成本降低，产品潜在的销路也更宽广[28,29]；（3）成型燃料相对于未成型燃料具有更高的密度和体积能量密度，能有效减少原料的体积，提高利用效率[30]；（4）污泥中含有N、S和Cl等元素，燃烧产生有毒有害气体，污泥直接燃烧产生的NOx和SOx难以达到排放标准，通过添加低硫低氮的助燃剂制备成型燃料可以有效降低污染气体浓度，使其达到排放标准[28]；（5）成型燃料的燃烧性能更好，具有更好的着火特性、燃尽特性及综合燃烧性能[26,31]。3污泥成型技术近年来，生物质和固体废物的颗粒成型燃料已引起广泛的关注，因为它能降低燃料的储存、运输和处理成本[32]。成型技术是指在一定温度与压力条件下，将各类原本松散细碎的原料压制成具有规则形状的棒状、块状和颗粒状成型燃料的技术。传统的成型技术可以分为三种：挤压（compressing）、造粒（pelleting）和成块（briquetting）[33]。Dospoy等[34]将造纸污泥、煤粉和塑料混合制成衍生燃料幵投入工程应用，结果表明成型燃料抗压强度较好，便于运输和储藏。同时，燃烧时能形成稳定的骨架，燃烧充分。为实现污泥的无害化处理和资源化利用，胡光埙等[35]、汪恂等[36,37]、蒋建国等[27,38]、张长飞等[39]和Chen等[28]从工艺条件和燃烧特性的角度研究了版权所有©2014《新能源进展》期李辉等：城市污泥制备成型衍生燃料技术综述3污泥制备固体燃料的技术。根据成型前污泥含水率的高低大致可以分为三类：一是将污泥与辅助燃料先干化再压制成型；二是将污泥半干化后与辅助燃料混合压制成型；三是将湿污泥直接与辅助燃料混合压制成型后将产品干化。3.1干化污泥成型干化污泥成型技术是先将污水处理厂污泥（含水率为80%左右），通过干化技术脱水干燥至含水率为20%左右与辅助燃料混合成型，或与煤、生物质等辅助燃料混合干燥至总含水率为20%左右再挤压成型。Zhao等[26]通过正交实验研究了含水率为80%的污泥与梧桐树叶混合，经过蒸汽爆破处理、机械脱水、自然晾晒（含水率为20%）和成型过程制成固体燃料。热重分析结果表明成型燃料具有着火温度低、燃烧温度范围窄等优良燃烧特性。Chen等[28]研究了有机污泥与木屑混合成型燃料的性质和燃烧特性，实验以五种有机污泥和三种木屑作为原材料，幵添加少量沥青作为粘结剂共同合成成型燃料。结果表明燃料的积灰与原料的预处理、温度和污泥所占比例有关。Levi等[40]収明了一种将污泥、湿木材、动物粪便、城市垃圾或其他生物质转变成燃料的方法，根据该方法污泥经过脱水、粉碎、干化后热解或成型。专利“一种生物质固体成型燃料的制备方法”（申请号CN201010565649.X）[41]和“一种污泥与生物质混合制备固体燃料的方法”（申请号CN201310017281.7）[42]都是利用污泥先干化（含水率20左右）再成型的工艺方法，取得了良好的效果。干化污泥成型技术最接近生物质致密成型技术，生物质成型一般要求原料的含水率在10%~20%之间[43]，且污泥本身是一种具有粘结性的物质，因此，干化污泥成型技术可以与现有的生物质致密