污泥低温裂解碳化技术介绍

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2200－3300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（1980－1990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专利，DickinsonN.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（1990－2000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（PilotTrial）。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]：①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ThermoEnergy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。②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大公司，在加州的试验资金来自美国EPA。③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ClassA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泥处理成本，使其排放的污泥达到ClassA，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（EnertechEnvironmentalCo.）建设和运行[3]。3.污泥碳化工艺介绍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95％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％（(80－20）/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。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：335＋2260＋105＝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5.0×kJ/(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：400＋105＝505KJ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：84＋565＋105＝754KJ同样考虑30％的能量回收，干化部分所需能量为：754×70％＝528KJ整个碳化+干化过程需要的能量：505＋528＝1033KJ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-RangeBiosolidManagementPlan,OrangeCountySanitationDistrict,December20032．ReviewofAlternativeTechnologiesforBiosoilidManagement,GreatVancouverRegionalDistrict,September,20053．EmergingTechnologiesforBiosolidManagement,EPA832-R-06-005,September2006