污泥改性碳化及資源利用技術(shù)（中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司污泥碳化技術(shù)研究院勞余力 ）
題目:《污泥改性碳化及資源利用技術(shù)簡介》 報告人:中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司污泥碳化技術(shù)研究院 勞余力 高級工程師
題目:《污泥改性碳化及資源利用技術(shù)簡介》 報告人:中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司污泥碳化技術(shù)研究院 勞余力 高級工程師
主持人 王濤 (機械科學(xué)研究總院環(huán)保技術(shù)與裝備研究所 副總工 研究員級高工)：
下一個報告題目是《污泥改性碳化及資源利用技術(shù)簡介》，報告人是來自中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司污泥碳化技術(shù)研究院勞余力高級工程師。大家歡迎！
勞余力：尊敬的各位前輩、各位專家、各位同仁和在座的各位朋友，大家下午好！我叫勞余力，來自于中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司，今天我謹(jǐn)代表我們設(shè)計院跟在座的各位共同分享一下，我們這些年在污泥碳化道路上摸索的一些心得體會。今天我跟在座各位分享的題目是《污泥改性碳化及資源利用技術(shù)簡介》，匯報的基本內(nèi)容大概分八個部分。
一、公司簡介
很多人會問，為什么建筑設(shè)計院也在做相關(guān)污泥的事情？中建東北院隸屬于中建總公司，在現(xiàn)在建筑行業(yè)不景氣情況下，建筑院開始大力轉(zhuǎn)型做市政。我們公司，從2014年的時候開始引進(jìn)并且組建污泥碳化技術(shù)的研發(fā)團隊，并且在2016年年底專門成立了目前國內(nèi)唯一的一家污泥碳化技術(shù)研究院。
我們整個團隊專業(yè)致力于污泥改性碳化及資源利用的研發(fā)、設(shè)計、裝備制造、EPC總包以及整個市場的開拓。
我們給自己定了一個小目標(biāo)，力爭在5-10年把我們公司打造成為污泥碳化領(lǐng)域中的一流品牌。
目前污泥改性碳化研究的團隊組建和傳統(tǒng)的設(shè)計院組建不太一樣，傳統(tǒng)設(shè)計院可以有工藝、建筑、結(jié)構(gòu)等，目前我們認(rèn)為要把污泥碳化這個事情做好，以下的專業(yè)是非常重要的。（詳見PPT）
我們整個團隊的領(lǐng)導(dǎo)團隊是從污水跨界到污泥，突破傳統(tǒng)，大膽創(chuàng)新，這個想法非常獨特。
我們認(rèn)為熱能專業(yè)應(yīng)該是污泥碳化領(lǐng)域中的主專業(yè)。而且要把污泥碳化做好，機械、材料和化學(xué)專業(yè)一定是污泥碳化里面的核心專業(yè)。昨天張司長說到，一定要跨界，我們整個團隊里的成員全部都是跨界的，我們認(rèn)為一專多能的團隊成員才是污泥團隊跨界的主力軍。我們相信在環(huán)保行業(yè)里面把水或者是污泥行業(yè)做好，我們抱著一種情懷來做這樣一個事情，我們這個團隊未來十年就做這樣一件事情。
二、碳化技術(shù)對比
根據(jù)中國的國情，我們這個團隊在幾年前就思考這樣兩個問題：第一，為什么選擇碳化技術(shù)作為我們的研發(fā)方向？第二，碳化所需要的能源到底如何來解決？也就是碳化這條道路上如何解決它成本問題？這些年我們一直在解決這兩個問題。
碳化，在座的各位都很清楚，主要是指污泥在隔絕空氣的條件下加熱反應(yīng)的一個反應(yīng)過程。傳統(tǒng)的碳化無非就是干化、碳化，最后再加一個資源化利用。
我們之所以選擇碳化，作為設(shè)計院來說，前些年把國內(nèi)外的各種各樣的工藝技術(shù)都進(jìn)行了比較，我們認(rèn)為碳化相對于其他的工藝路線來說，優(yōu)點相對比較多一些，比如說占地比較小，減量比較明顯，對于重金屬的固化是比較明顯的，最后出來的碳化顆粒沒有異味，資源化途徑相對來說多一些。
為什么這些年碳化在國內(nèi)沒有推的特別好？原因就是制約碳化在國內(nèi)推廣的一個重要瓶頸，就是碳化從國外進(jìn)口的技術(shù)相對成本比較高�；谝陨线@些原因，所以我們在想，怎么來解決這個能源的問題，解決成本的問題？所以這些年我們研發(fā)了污泥碳化技術(shù)，并且我們給它的名字叫污泥改性碳化技術(shù)。污泥改性碳化技術(shù)，實際上是相當(dāng)于把改性技術(shù)和碳化技術(shù)結(jié)合在一塊的一種新型的處理技術(shù)。今天第一次在這樣一個大會上亮相，接下來和在座的各位著重介紹一下我們這個技術(shù)里幾個很重要的地方。
這個技術(shù)我通俗給大家解釋一下，就是我利用一種改性劑把污泥里里面的蛋白質(zhì)和糖類等有機質(zhì)轉(zhuǎn)化成油脂，這個油脂在碳化的過程中變成的油氣，油氣從碳化爐內(nèi)導(dǎo)出后在燃燒室里面燃燒，從而給碳化爐提供了一個主要的能量來源。當(dāng)有機質(zhì)含量大于50%，整個污泥改性碳化系統(tǒng)就可以實現(xiàn)能量的自給自足。當(dāng)然，如果有機質(zhì)含量沒有50%，我們在整個系統(tǒng)里面需要添加外面的輔助能源來解決整個能量的平衡。
三、工藝流程
（詳見PPT）這是污泥改性碳化工藝流程圖，雙實線部分是污泥流向，虛線部分是水蒸汽煙氣的走向，波浪線是在水的走向。
在整個系統(tǒng)里面，目前我們包含了這樣幾部分：混合工段、一次干化工段、脂化工段、二次干化工段、碳化工段，以及后端的除塵冷卻工段、煙氣合成工段。大家可以看到，污泥從前面進(jìn)去以后，最后進(jìn)到碳化工段，碳化工段的碳化顆粒最后回到一次干化工段，碳化顆粒最后是從干化爐里面出來的。這是和其他的碳化工藝不太一樣的地方。接下來我挨個介紹一下。
混合工段，目的是在這個地方要添加一個改性劑，進(jìn)行一個摻混，這個地方的原泥有一個緩存的功能，改性劑的添加量非常小，千分之一�；旌瞎ざ翁砑恿烁男詣┍３炙暮什蛔�，80%的含水率。
接下來污泥進(jìn)入一次干化工段，一次干化工段的一次干化爐其實是沒有外來能源，它的能量從哪里來？它的能源主要都是從后面碳化工段碳化爐里來的熱源，第一部分能源，碳化爐里面有一部分熱循環(huán)水，一次干化爐利用了碳化爐的熱循環(huán)水的余熱。第二部分碳化工段出來的高溫碳化顆粒，我們叫做碳化熱載體，這部分熱載體剛出爐的溫度是500℃，這部分熱量也回到干化爐進(jìn)行了余熱回收。第三部分是碳化工段最后油氣燃燒后煙氣是500℃左右的高溫?zé)煔�，這部分煙氣我們同樣也回到一次干化爐進(jìn)行了余熱回收。這三部分能源我們把碳化爐能夠利用的能源都回到前面一次干化爐進(jìn)行余熱回收。其中，煙氣進(jìn)行了是直接熱交換，碳化顆粒進(jìn)行的是間接熱交換，熱循環(huán)水同樣也進(jìn)行的是間接熱交換。這個時候，們的污泥含水率由80%降到60%-65%左右。
一次干化爐的污泥進(jìn)到脂化工段，這個地方是需要我們從一次干化爐提供一個熱環(huán)境，剛才說了一次干化爐直接交換的煙氣是從碳化當(dāng)中過來，交換完以后換了煙氣的溫度大概小于100℃左右，這個煙氣就進(jìn)入我的脂化工段，為脂化工段提供一個良好的熱環(huán)境。在脂化工段就實現(xiàn)了把污泥的有機質(zhì)中的糖類、蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為油脂，這里需要一個時間段，這個時間段最重要的功能就是在這個地方這實現(xiàn)了這樣一個功能。
除此之外，脂化工段通過改性劑的反應(yīng)以后，本身是一個自己放熱的過程，這個目前我們在很多反應(yīng)物當(dāng)中是很少見到的，污泥和改性劑反應(yīng)自己放熱，自己水分蒸發(fā)降低含水率，通過脂化工段含水率可以從60%-65%降到30%-35%。后面我還會介紹脂化工段的其他幾個功能。
脂化工段的污泥進(jìn)入二次干化工段，二次干化工段相當(dāng)于是一個保險的工段，這個工段可有可無，對于一些有機質(zhì)含量好的，或者是前面進(jìn)泥的含水率好，二次干化工段在平時運行的過程當(dāng)中是不需要的。這部分是利用外部的能源進(jìn)一步對整個系統(tǒng)進(jìn)行一個保障，保障我的污泥進(jìn)入碳化工段的時候，它的含水率必須要在35%以下。含水率的變化是根據(jù)泥質(zhì)的不同有所變化。剛才我說了，如果說整個系統(tǒng)的進(jìn)泥含水率和有機質(zhì)條件好，這個地方滿足要求就不需要二次干化系統(tǒng)了。
二次干化的泥進(jìn)入碳化工段，目前的碳化爐和傳統(tǒng)碳化爐有點不太一樣，里面要實現(xiàn)幾個功能：第一要保證碳化過程一定是一個無氧和缺氧的環(huán)境。第二就是碳化過程中導(dǎo)出來的油氣要在爐子里面作為一個碳化爐的熱源。第三要提前把碳化爐的里面的水蒸氣導(dǎo)出來，避免消耗后端碳化所需要的熱源。第四碳化工段要將高溫的煙氣、碳化熱載體和和熱循環(huán)水導(dǎo)到前面的一次干化爐進(jìn)行余熱回收。經(jīng)過我們的碳化爐含水率從30%-35%降到0%-5%，通常來說碳化出來的碳化顆粒含水率基本是等于0，介于平時空氣中的水分，所以我們經(jīng)過大量的檢測，碳化后的碳化顆粒含水率基本在5%以下。
（詳見PPT）這部分是整個污泥流的流向。除塵冷工段，這個部分相當(dāng)于產(chǎn)生煙氣、臭氣、水蒸汽，經(jīng)過除塵器的除塵，然后分離塔的冷卻。最后將所有的煙氣通入我們所產(chǎn)生的煙氣合成工段，這個設(shè)備叫煙氣合成隧道進(jìn)行處理，最后一個達(dá)標(biāo)排放。在這個煙氣合成工段里，這是我們最新的技術(shù)，將二氧化硫和氮氧化物在這里面進(jìn)行一個反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成肥料。通過我們半年的運行，目前這個肥料是實實在在已經(jīng)生成的，對于二氧化硫和氮氧化物的去除效率達(dá)到95%以上。
（詳見PPT）這是我們目前在中國建筑東北院的申請的一個工藝流程。
我們覺得碳化要做兩件特別重要的事情，第一要把工藝流程打通，工藝流程如果不打通的話，這個設(shè)備再好整個系統(tǒng)也是沒辦法能夠?qū)崿F(xiàn)熱平衡的。第二是實現(xiàn)熱平衡以后就解決我剛才說的第二個問題，能量的平衡的解決，能量平衡的解決要從污泥自身來解決這個問題。第三是設(shè)備本身要把系統(tǒng)能夠利用的能量起來盡可能的都利用起來。
簡單介紹一下我們工藝流程圖里面的兩個關(guān)鍵點：
第一個脂化過程。脂化過程我們在三、四年前就開始做這部分的工作。改性一開始是改性來制油的，后面會講到碳化爐，一開始做碳化爐做出來的油是想賣油，當(dāng)時油的價格非常高，后來發(fā)現(xiàn)油是制出來的，結(jié)果發(fā)現(xiàn)油后端工藝特別復(fù)雜，包括油的分類，最后我們把油直接用到碳化爐做能量是再好不過。脂化工段有四個非常非常重要的作用，這四個作用都是通過我們長年累月的實驗得出來的。
1.脂轉(zhuǎn)化產(chǎn)油，剛才已經(jīng)介紹過了。
2.脂轉(zhuǎn)化的過程是一個放熱的反應(yīng)，通過自己的反應(yīng)可以不斷的放熱，這對蒸發(fā)水分，降低含水率的作用是非常大的。
3.還原重金屬，關(guān)于還原重金屬整個反應(yīng)過程在專利里面是有的，在這個地方不做介紹了。后面我會簡單說一句話。
4.脂轉(zhuǎn)化的過程，我們知道脂化工段里面的污泥堆在里面非常臭，改性劑里面有一些相關(guān)的材料可以讓脂轉(zhuǎn)化過程作用起到一個固硫固氮的作用，固硫固氮的作用就是起到一個除臭的作用。整個改性室里面的味道其實并不是那么大的。
第二是碳化工段。大家可以想象一下，碳化爐里面有四種東西，污泥、水蒸氣、油氣和揮發(fā)部分、還有燃燒完以后的煙氣。這四種東西要在一個爐子里面實現(xiàn)分段分級是非常難道一個過程，我們這些年在碳化爐的研究上就是要解決，既要保證讓污泥在缺氧的情況下進(jìn)行一個碳化，還要保證這四種東西在里面要實現(xiàn)分段分級的碳化。
（詳見PPT）這是我們的一些專利技術(shù)，剛才我說了，在幾年前開始做改性劑的研究，慢慢再改性劑里面解決重金屬的問題，最后慢慢開始做碳化爐、干化爐，對于把整個工藝鏈打通，通過不斷的生產(chǎn)性實驗把工藝鏈打通，最后我們申請了污泥改性碳化處理系統(tǒng)。我們是給它取了這樣的名稱，叫污泥改性碳化工藝。
四、工藝布置
這是在兩個城市里面，在污水處理廠里面我們做的三維平面圖，因為場地比較有限，都是大的污水處理廠，原有的污泥堆場，在那樣的情況我們做了一個布置。在里面大家會發(fā)現(xiàn)，整個改性工段是放在了第二層。當(dāng)然，我們更加提倡如果場地面積足夠的情況下，盡可能放在一層來解決整個碳化的過程。不管是放在一層，還是放在二層，整個占地面積都非常小。以100噸規(guī)模為例，整個污泥處理車間里面的占地面積在3500-4000平方米之內(nèi)。
簡單看一下工藝平面圖（詳見PPT）這是我們目前的混合工段，前面是原泥料倉、混合器，以及后面的緩存料倉，根據(jù)不同的規(guī)模緩存料倉和原泥料倉這些都不太一樣。根據(jù)規(guī)模分別要配上多少套的碳化設(shè)備，也是在設(shè)計上需要另外需要考慮的。
（詳見PPT）這是干化和碳化工段，我們基本上放在一塊，可以看到混合原泥就進(jìn)入一次干化爐進(jìn)行干化，干化后的污泥我們進(jìn)入改性室進(jìn)行改性，改性完的污泥進(jìn)入到二次干化爐，剛才說二次干化爐可有可無，這是一個保障性的爐子。二次干化過的污泥進(jìn)入碳化爐，碳化爐的煙氣供一次干余熱利用，碳化爐碳化顆粒供一次干化爐余熱回收利用。
（詳見PPT）這是我們的脂化工段，目前脂化爐大家可以想象，有點類似于堆肥改性溝的形式。跟它不太一樣的地方大概有幾點：第一我們改性溝熱環(huán)境類似于地暖的形式，是我們從一次干化爐換熱完以后的煙氣給這個改性溝提供一個比較良好的熱環(huán)境。第二整個系統(tǒng)我們有全自動的布料、放料和出料的。
五、核心技術(shù)
介紹一下我們整個工藝?yán)锩娴?span>5個核心技術(shù)：
污泥改性技術(shù)，剛才說了就是向污泥添加改性劑，將污泥中的糖類、蛋白質(zhì)等有機質(zhì)轉(zhuǎn)換為油脂，為后續(xù)的碳化過程提供能源。
改性劑有四個作用：第一可以提高污泥的產(chǎn)油。第二脂化放熱，蒸發(fā)水分，降低含水率。在脂化放熱的過程周，如果其他外界熱量都不考慮的情況下，它自己的熱量可以60-70度。污泥改性產(chǎn)油里比較可以達(dá)到10%左右。
（詳見PPT）這是山東淄博皮革污泥進(jìn)行一個冬季室外的破壞性實驗，大家可以看到室外溫度1度污泥可以達(dá)到53-56.5度，負(fù)4度的時候能達(dá)到43-47.9度，實打?qū)嵲谙卵┑奶鞖庾隽诉@個改性技術(shù)的實驗。
干化爐技術(shù)，（詳見PPT）剛才提到我們能把碳化過程中利用的能量都利用了�？梢钥吹�，我們的干化爐技術(shù)經(jīng)過四代產(chǎn)品的優(yōu)化，歷經(jīng)幾年的時間，其實做碳化是非常辛苦的過程。
碳化爐的過程，剛才也說到是多套筒的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)無氧缺氧的環(huán)境，并且是分級分段的處理。（詳見PPT）
剛才也提到碳化爐為一次干化爐提供能量。我們的碳化爐走的最艱辛，前后歷經(jīng)了十代產(chǎn)品的優(yōu)化，光生產(chǎn)型試驗設(shè)備就做了十臺，因為碳化爐里面需要解決的問題非常非常多。（詳見PPT）
重金屬還原及固化技術(shù)，我用一句話來介紹，就是通過重金屬改性把重金屬的高價態(tài)變成了低價態(tài)，或者說還原成單質(zhì)，最后在沒有還原的部分在碳化爐過程中進(jìn)行進(jìn)一步的還原，最后把進(jìn)重金屬固化在碳化顆粒當(dāng)中。其他詳見專利技術(shù)里面去看。
煙氣合成技術(shù)，剛才提到把二氧化硫、氮氧化物去除率在95%以上。
六、資源化利用
我們第一次提出煙氣是可以資源化利用的，我們利用一個反應(yīng)環(huán)境是催化劑和光電磁場的反應(yīng)，最后把二氧化硫和氮氧化物反應(yīng)成肥料，這個肥料可以作為資源化的方向，也就是我們第一次提出煙氣是可以資源化的。
碳化產(chǎn)物的資源化，我們做了非常非常多的實驗，這里我們既做了重金屬成分分析，同樣也做了重金屬毒性溶出實驗，也做了碘吸附值的試驗，等等實驗我們做完了以后，我們得出這樣一個結(jié)論：對于市政污泥來說，土壤改良肯定沒有問題，我們在煙臺做的生產(chǎn)性實驗，大概兩年的時間，農(nóng)民在種植大棚的時候都會把我們的顆粒拉過去做一個土壤改良，效果是非常好的。
建材不說了，剛才有同行說過了。
低熱質(zhì)燃料，我們在做檸檬酸污泥或者是皮革污泥的情況下，最后出來的碳化顆�；氐狡髽I(yè)的爐子里面進(jìn)行燃燒，這個熱值如果對優(yōu)質(zhì)的污泥來說熱值是1500達(dá)卡，非常好。如果把煙氣的產(chǎn)物和碳化顆粒產(chǎn)物結(jié)合在一塊，相當(dāng)于它對土壤改良里面既對土壤進(jìn)行了改良，又相當(dāng)于土壤提供了一個肥效，達(dá)到了事半功倍的一個效果。
（詳見PPT）這是我們生產(chǎn)性實驗的效果圖（詳見PPT），我們做了很多生產(chǎn)性試驗，有煙臺的市政污泥、淄博的檸檬酸污泥、淄博皮革污泥、霸州混合污泥等等，對于我們整個工藝來說，我們認(rèn)為40%-60%目前的市政污泥或者是工業(yè)污泥工藝的整體效果是非常好的。
八、投資及運營成本
經(jīng)過我們那么多的生產(chǎn)性實驗，我們認(rèn)為這個工藝的投資相當(dāng)于傳統(tǒng)工藝的80%左右，運營成本為傳統(tǒng)碳化工藝運營成本的60%-70%左右�？偠灾痪湓挘绻袡C質(zhì)含量能夠達(dá)到50%可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自給自足。
最后特別感謝我的合作伙伴：山東藍(lán)宇環(huán)保科技有限公司、山東綠色合眾谷節(jié)能環(huán)�？萍加邢薰尽Ｄ壳拔覀冞�有一個比較大的生產(chǎn)性的示范項目，在山東淄博正在安裝，大概一個月左右就安裝調(diào)試結(jié)束了，到時候歡迎在座的各位專家蒞臨淄博，我和我的合作伙伴共同歡迎各位。大家如果需要相關(guān)的資料可以掃一下我們的微信號，都可以跟大家進(jìn)行分享。非常感謝！
主持人 王濤 (機械科學(xué)研究總院環(huán)保技術(shù)與裝備研究所 副總工 研究員級高工)：非常感謝勞余力的介紹，這是又一家央企進(jìn)入污泥處理處置的領(lǐng)域，和這么多跨界的技術(shù)人員和專家參與到這個行業(yè)的技術(shù)發(fā)展中來，相信也能給我們很多新的理念、新的技術(shù)、新的發(fā)展動力。
