美国SlurryCardTM污泥碳化工艺介绍

美国SlurryCardTM污泥碳化工艺介绍

1.1什么是污泥碳化

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和加压，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污泥碳化的发展世界上污泥碳化技术的发展分为以下三个阶段。

（1）理论研究阶段（1980－1990年）。

这个阶段的研究集中在污泥碳化机理的研究上。这个阶段一个突出特点就是大量的专利申请。F a s s b e n d e r,A.G等人的S T O R S专利，D i c k i n s o n 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（1990－2000年）。

随着污泥碳化理论研究的深入和实验室试验的成功，人们开始思考将污泥碳化技术转变成为真正商业化污泥处理的装置。在大规模商业化之前，为了减少投资风险，需要对该技术进行小规模生产性试验（P i l o t T r i a l）。通过这些试验，污泥碳化技术开始从实验室走向工厂。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：

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/天；1992年，日本O R G A N O公司在东京郊区建了一个污泥碳化试验厂；1997年T h e r m o E n e r g y在加利福尼亚州C o l t o n市建立了一个污泥碳化实验厂规模为每天处理5吨干泥。

试验资金来自大公司和政府，而不是商业用户。例如，在日本的试验均来自大公司，在加州的试验资金是来自美国E P A。

（3）大规模的商业推广阶段（2000－）。

除了污泥碳化技术逐渐成熟的因素以外，导致污泥碳化技术大规模商业推广还有其他因素。

在日本，80％的污泥的最终处置方法是焚烧。但由于近年来发现焚烧存在二

恶英污染的隐患，所以日本环保部门对焚烧排除的气体提出了更加严格的要求，使得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，三菱公司横滨制作所的污泥碳化装置，巴工业公司每天处理10吨，30吨的污泥碳化装置。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，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。由于发现污泥中包含的有害物质对地下水的污染，未处理污泥填埋后造成填埋场对环境的危害，美国E P A颁布了新的填埋标准。过去的未达标的污泥（C l a s s B污泥）将不再允许填埋，只有达标污泥（C l a s s A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置成本，才能对其污泥进行处置。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。为了达到E P A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，在美国各个州，各个县（C o u n t y）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。在研究了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年的考察、比较，已经决定要建立一个每天处理675吨污泥的碳化厂，由能源技术公司（E n e r t e c h E n v i r o n m e n t a l C o.）建设、运行。

1.3污泥碳化的分类:

（1）高温碳化

碳化时不加压，温度为1,200– 1,800°F（649－982℃）。先将污泥干化至含水率约30％，然后进入炭化炉高温碳化造粒。碳化颗粒可以作为低级燃料使用，其热值约为2000－3000大卡/公斤（在日本或美国）。技术上较为成熟的公司包括日本的荏原，三菱重工，巴工业以及美国的I E S等。该技术可以实现污泥的减量化和资源化，但由于其技术复杂，运行成本高，产品中的热值含量低，目前尚未有大规模的应用。最大规模的为30吨湿污泥/天。

（2）中温碳化

碳化时不加压，温度为800– 1000°F（426－537℃）。先将污泥干化至含水率约90％，然后进入炭化炉分解。工艺中产生油，反应水（蒸汽冷凝水），沼气（未冷凝的空气）和固体碳化物。该技术的代表为澳大利亚E S I公司。该公司在澳州建设了一座100吨/日的处理厂。该技术可以实现污泥的减量化和资源化，但由于污泥最终的产物过于多样化，利用十分困难。另外，该技术是在干化后对污泥实行碳化，其经济效益不明显，除澳洲一家处理厂外，目前尚无其他潜在的用户。

（3）低温碳化

碳化前无需干化，碳化时加压至10M P a左右，碳化温度为600℉左右（315℃），碳化后的污泥成液态，脱水后的含水率达50％以下，经干化造粒后可以作为低级燃料使用，其热值约为3600－4900大卡/公斤（在美国）。

该技术的特点是，通过加温加压使得污泥中的生物质全部裂解，仅通过机械方法即可将污泥中75％的水分脱除，极大地节省了运行中的能源消耗。污泥全部裂解保证了污泥的彻底稳定。污泥碳化过程中保留了绝大部分污泥中热值，为裂解后的能源再利用创造了条件。

注：该分类为传统意义上的分类，主要区别在于温度控制范围的不同以及是否增加压强。

1.4污泥低温碳化技术的厂家:

（1）E n e r T e c h（能源技术）：

该公司1992年成立，技术名称为S l u r r y c a r b T M，该工艺是连续式的。其工艺是将污泥加压至1000-1500p s i g（70-100k g/c m2），通过热交换器，加温至400-450°F（204-232℃）。热化分解反应时，污泥中的有机物被分解，二氧化碳气从固体中被分离。

1999年8月美国能源部（D O E）拨款50万美元，支持能源技术公司的污泥碳化技术开发，制造碳化中试装置P D U（P r o c e s s D e v e l o p m e n t U n i t）；2001年1月，能源技术公司与美国太空总署签订了2年的合同。能源公司利用污泥碳化技术开发出在太空仓转化太空垃圾的原型装置；2005年4月，在美国加州R a i l t o建立一座每天处理625吨污泥的处理厂。工厂占地2.6公顷（6.4a r c e s），建在R i a l t o污水处理厂旁，每天约可生产140吨干的碳化颗粒。该工厂已经于2006年4月在R i a l t o破土动工，加州共有5个地区向该厂提供污泥，已经全部与E n e r t e c h签署了协议书。该厂已经于2009年初完工投产。该厂生产的碳化物全部销售给据该厂50英里外的三菱水泥厂。

（2）T h e r m o E n e r g y（热能）：

热能的工艺与E n e r T e c h的工艺类似，热能用活塞压力系统，污泥（s t e a m）是注入的而不是泵入的，有热交换器。要求的温度是600°F（315℃），压力是2,000p s i g（138k g/c m2）。

热能的工艺是批处理，每批需20分钟的反应时间，有两个并行的压力活塞和反应罐，这样可以使整个工艺连续。处理后的污泥经过压力释放系统，然后用离心方式脱水至50％的含固率。这个工艺产生的碳化物与E n e r T e c h的产生的碳化物相同。该公司曾在美国加州C o l t o n污水处理厂做了一个试验厂，目前没有推广的报导。

1.5SlurryCarbTM 碳化工艺流程