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，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（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（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]：

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。

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。

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）