污泥碳化技術(shù)各工藝對比分析摘要
污泥碳化技術(shù)為污泥的資源化利用提供了新的途徑，按照碳化技術(shù)分高溫、中溫、低溫，現(xiàn)選取有代表性的幾種工藝，根據(jù)工藝流程、溫度、壓力、產(chǎn)出物和有利資源化等不同方面對各種碳化技術(shù)的特點進行對比分析。
一、 概述
近些年隨著環(huán)境污染的加劇，我國對環(huán)境保護的力度越來越大，污水處理產(chǎn)生的污泥處置問題也越來越受到重視。由于污泥的處理處置工藝在業(yè)內(nèi)并沒有形成統(tǒng)一模式，各種工藝在各地以建示范工程或樣板工程進行展示。整個污泥處理處置行業(yè)亂象紛呈，猶如中國歷史上的春秋時期；也可說是百家爭鳴，我們對污泥碳化技術(shù)各工藝對比分析，目的是最終找到一個或幾個比較適合各種污泥處理處置工藝路線，針對不同污泥處理起到重要的指導(dǎo)作用。
二、 污泥碳化研發(fā)歷史
2.1世界研發(fā)近程
污泥碳化，學(xué)術(shù)上稱為污泥熱分解，是指在一定溫度和壓力條件下，污泥中細胞發(fā)生裂解，將其中的水分脫出，有機質(zhì)形成碳狀顆粒。污泥碳化分為高溫碳化、中溫碳化和低溫碳化，主要依據(jù)其不同的熱解溫度區(qū)間而劃分，其相應(yīng)的產(chǎn)物也有所不同。
污泥碳化技術(shù)原理的研究開始于上世紀80年代，美國各個機構(gòu)研究并申請了很多的相關(guān)專利。上世紀90年代，美國和日本的企業(yè)率先走出實驗室，開始建設(shè)污泥碳化中試裝置和小型污泥碳化廠，如美國EnerTech公司建設(shè)的日處理1.5噸污泥的中試裝置，ThermoEnergy公司在加利福尼亞州Cloton市建立了一個規(guī)模為每天處理5噸脫水污泥碳化實驗廠，日本三菱在宇部的建設(shè)規(guī)模為20噸/天的污泥碳化廠等。
日本電源開發(fā)株式會社也在2006年開始進行污泥低溫碳化的研究，并在千葉縣建設(shè)了規(guī)模為3噸/天的實驗裝置。2009年開始在廣島市建設(shè)2條日處理50噸污泥的碳化廠，運行情況不詳。電源開發(fā)株式會社與橫濱市政府合作，于2012年在橫濱市建設(shè)年處理約合35000噸規(guī)模的污泥低溫碳化廠，預(yù)計2016年投入運行。
歐洲方面德國TerraNova能源公司在前幾年建成了一座日處理污泥50噸的演示裝置，未進行長期運行測試。
2.2國內(nèi)研發(fā)進程
中國在上世紀90年代有很多高校和研究機構(gòu)開始進行污泥熱解的研究，并發(fā)表了一些相關(guān)論文，但一直沒有進入工業(yè)化應(yīng)用。
2007年開始在天津建設(shè)規(guī)模為5噸/天的中試裝置，詳情見于洪江等人的《污泥低溫碳化技術(shù)的中試研究》，不再詳述。2011年山西正陽污水處理廠引進美國能源技術(shù)建設(shè)了規(guī)模為100噸/天的污泥低溫碳化試點工程，該試點工程至今沒有穩(wěn)定運行，尚處于研發(fā)初期。
湖北一家公司引進日本巴工業(yè)的低耗能連續(xù)高速污泥碳化系統(tǒng)工藝技術(shù)（屬于高溫碳化），兩家企業(yè)在國內(nèi)同步進行推廣。2011年在武漢湯遜湖建成了日處理10噸的示范項目，2014年在鄂州市開工建設(shè)規(guī)模為60噸/天的鄂州市污泥碳化工程，計劃2015年3月開始調(diào)試。
上海梵煦環(huán)境科技有限公司根據(jù)我國污泥的實際情況結(jié)合國外先進技術(shù)，在上海市金山區(qū)建設(shè)50噸/天運行示范工程，2018年投入運行，運行穩(wěn)定可靠，梵煦污泥碳化技術(shù)成功運行標(biāo)志著污泥低溫碳化技術(shù)在國內(nèi)由實驗中試階段向工業(yè)化應(yīng)用階段的邁進。
三、 污泥碳化技術(shù)分析
3.1污泥碳化的分類
污泥碳化的分類基本上是以反應(yīng)溫度的區(qū)間來進行劃分。
目前世界上主要的分類有兩種，美國一般將反應(yīng)溫度在1200-1800°F（649-982℃）區(qū)間內(nèi)的定義為高溫碳化，將反映溫度在800-1000°F（426-537℃）區(qū)間內(nèi)的定義為中溫碳化。
日本按照溫度區(qū)間將污泥熱處理分為污泥干燥（100-250℃）、低溫碳化（250-350℃）、中溫碳化（400-500℃）和高溫碳化（600-800℃）。
梵煦環(huán)境經(jīng)過多年的污泥碳化技術(shù)研究和工程運行認為，以上溫度的劃分是企業(yè)為了商業(yè)運作、技術(shù)保密等因素考慮，故意擴大范圍甚至偏離實際數(shù)據(jù)。在實際的工程實踐中，系統(tǒng)控制的反應(yīng)溫度都是非常精準的溫度區(qū)間范圍；為了降低能耗，各工藝通過不同的措施降低反應(yīng)溫度，現(xiàn)實的運行溫度均低于宣傳資料所報道的數(shù)值。例如，在低溫碳化工藝中，增加系統(tǒng)壓力就是一種有效的降低反應(yīng)溫度的措施，利用機械能換取節(jié)省大量熱能的效果。
3.2污泥高溫碳化技術(shù)
污泥高溫碳化工藝中，首先將含水率80%的市政脫水污泥利用熱風(fēng)或其他方式將含水率降低至30%左右，然后再進入碳化爐進行碳化。固體碳化物可以作為低熱值染料使用，在日本和美國的測試中，其熱值約為2000-3000kcal/kg。高溫碳化工藝可實現(xiàn)污泥的減量化、無害化和資源化，但技術(shù)效率低，運行成本較高。技術(shù)的代表主要包括日本的三菱重工和巴工業(yè)。
以巴工業(yè)為例。其碳化裝置由臥式旋轉(zhuǎn)干燥機、多段螺旋式碳化爐以及排氣處理設(shè)備構(gòu)成。臥式旋轉(zhuǎn)干燥機上安裝有攪拌破碎裝置，可以將脫水污泥的含水率造粒干燥至30%。碳化爐是一種爐內(nèi)貫穿有上下四段螺旋輸送裝置的外熱爐。干燥污泥首先會被輸送到最上段的螺旋輸送器中，然后按照上、中、下段的順序被依次輸送至各個螺旋輸送器中，再由設(shè)置在碳化爐下部的加熱器將各段螺旋輸送器機罩加熱到600-700℃。此時，干燥脫水污泥就在無氧狀態(tài)下被熱分解（干餾）出碳化物來。各段螺旋輸送器內(nèi)產(chǎn)生的干餾氣體在碳化爐內(nèi)被燃燒，作為干餾的熱源被再次利用。其主要產(chǎn)生的氣體為甲烷、乙烯、乙烷和一氧化碳。
3.3污泥中溫碳化技術(shù)
污泥中溫碳化與高溫碳化的主要工藝流程近似，也是首先將脫水污泥干化至含水率30%左右，然后在進入碳化爐中進行熱分解。工藝中主要的產(chǎn)物有油、反應(yīng)水、沼氣和固體碳化物；由于產(chǎn)物多樣化，利用起來十分困難。除澳大利亞一座日處理25噸絕干污泥的中溫碳化廠外，還沒有應(yīng)用實力。國內(nèi)很少有企業(yè)或機構(gòu)進行中溫碳化的研究。
3.4污泥低溫碳化技術(shù)
污泥低溫碳化技術(shù)的研究機構(gòu)遠多于高、中溫碳化的研究，流派較多，雖然都稱作污泥低溫碳化，但工藝流程卻有很大的不同。最典型的工藝路線有兩種，一種是以日本電源開發(fā)株式會社為代表的低溫碳化工藝，另一種是以上海梵煦環(huán)境為代表的污泥低溫碳化工藝
3.4.1日本低溫碳化工藝
圖1日本電源開發(fā)株式會社污泥低溫炭化工藝路線
在日本的低溫碳化工藝中，其主要路線于高溫碳化的主要路線非常相似，也是先在干燥機中對污泥進行干燥，然后再進入碳化爐中進行低溫碳化熱解。最終的主要產(chǎn)物為固態(tài)碳化物，熱值3000kcal/kg。
以日本廣島市西部水資源再生中心下水污泥燃料化項目為例。該項目由電源開發(fā)、月島機械、METAWATER和月島技術(shù)服務(wù)公司聯(lián)合實施，采用電源開發(fā)株式會社的污泥低溫碳化工藝。設(shè)計處理能力為100噸/天（2條50噸/天生產(chǎn)線），設(shè)計年限20年。年產(chǎn)碳化物燃料4490噸，熱值15.8MJ/kg（約3760kcal/kg），產(chǎn)物運送到J-POWER（電源開發(fā)株式會社）竹原火力發(fā)電廠進行焚燒。
3.4.2梵煦環(huán)境低溫碳化工藝
在梵煦環(huán)境的低溫碳化工藝中，污泥碳化裂解前不需要對污泥進行干燥（含水80%左右）；在整個碳化裂解過程中，污泥處于密閉氮氣保護中壓（小于10MPa）的狀態(tài)下。
主要工藝路線為：將脫水污泥含水率85-87%進行攪拌以增加流動性；然后污泥經(jīng)高壓泵送入中壓密閉的低溫碳化系統(tǒng)內(nèi)，經(jīng)過外來熱源加溫（此階段為污泥吸熱階段），到一定溫度（一般小于250℃），污泥中有機物裂解，碳化系統(tǒng)進入放熱反應(yīng)階段，結(jié)晶潛熱在無外來熱源前提下反應(yīng)一定時間后生成液態(tài)的碳化液。
圖2梵煦環(huán)境的低溫碳化工藝主流程
碳化液可采用常規(guī)的機械脫水設(shè)備進行固液分離，不同脫水設(shè)備產(chǎn)出的碳化物含固率如表1所示。
表1不同類型脫水機產(chǎn)出的碳化物對比
脫水機產(chǎn)生的碳化物根據(jù)需要可以進一步干燥成任一含水率的固體碳化物，如在上海梵煦環(huán)境金山的碳化車間，煙氣余熱即可將碳化物含水率進一步降低到30%以下。該工藝產(chǎn)生的固體碳化物的熱值較高，在金山及松江區(qū)產(chǎn)出的固體碳化物的熱值約3800-4000kcal/kg，在美國產(chǎn)出的固體碳化物的熱值約3600-4500kcal/kg。
由于該工藝中污泥是在密閉容器里進行流動、換熱、裂解、能量回收、泄放等過程，因此污泥利用較低的機械能增壓的方式降低了污泥熱解的溫度，放熱反應(yīng)階段在能量消耗上有大幅節(jié)省。隨著溫度的升高和裂解的進行，污泥粘度將逐漸下降。
整個工藝設(shè)計的難度最主要的特點就是嚴禁水的蒸發(fā)。水分不是從污泥中蒸發(fā)出去，而是通過細胞的裂解將污泥中的各種類型的水分（如胞內(nèi)水、間隙水、毛細水等）變成游離態(tài)的水，然后通過機械脫水方式固液分離；這就節(jié)省了水分蒸發(fā)時需要的汽化熱，同時也節(jié)省了將汽化水冷凝的設(shè)備環(huán)節(jié)。而且在降壓泄放的過程中，禁止閃蒸的出現(xiàn)，避免閃蒸過程對設(shè)備的損耗。
3.5污泥碳化各工藝對比
3.5.1共同特點
污泥碳化技術(shù)中不同的工藝具有一些共同的特點：
-高、中、低溫碳化工藝均屬于生物質(zhì)熱解理論在污泥處理中的應(yīng)用；
-碳化工藝的占地面積小：工藝系統(tǒng)單元較少，設(shè)備布置方式靈活，可適應(yīng)不同的地形分布；
-減量化明顯：80%含水率的污泥經(jīng)過碳化脫水后其含水率降低至30%以下，即100噸的原始污泥經(jīng)過碳化脫水后減量為12噸左右；
-無害化程度高：微生物、寄生蟲卵、病原微生物等有機物在溫度和壓力的共同作用下被徹底降解； -有利于實現(xiàn)資源化：固體碳化物可作為生物質(zhì)燃料；高、中溫碳化產(chǎn)生的可燃氣體或焦油也可再利用；固體碳化物富含氮、磷等營養(yǎng)元素，可作為土壤改良劑和有機復(fù)合肥添加劑；低溫碳化工藝中產(chǎn)生的碳化上清液可作為植物營養(yǎng)液、也可作為污水處理廠的碳源進行利用。
-適用于有機質(zhì)含量高的市政污泥或其他有機質(zhì)廢料；有機質(zhì)含量越高，系統(tǒng)所做的無用功越少，有效熱能越高。
3.5.2主要區(qū)別
除了反應(yīng)溫度的不同以外，高溫、中溫、低溫碳化工藝中還有幾項最主要的區(qū)別：
-是否加壓。在高溫和中溫碳化工藝中，反應(yīng)爐內(nèi)不需要提供較高的壓強來保證碳化反應(yīng)，日本電源開發(fā)株式會社的低溫碳化也是如此。
在梵煦環(huán)境和美國Enertech的低溫碳化工藝中，必須給碳化系統(tǒng)內(nèi)的污泥提供足夠的壓強，以保證污泥的正常裂解和碳化系統(tǒng)的穩(wěn)定。
-產(chǎn)物不同。高溫碳化的主要產(chǎn)物為焦炭（固體碳化物）和少量的可燃氣，中溫碳化的主要產(chǎn)物為油、沼氣和固體碳化物，而低溫碳化的主要產(chǎn)物為固體碳化物、碳化上清液和脫水液。
-固體產(chǎn)物的熱值不同。高、中、低溫碳化工藝中均產(chǎn)生有固體碳化物，但該碳化物的熱值不盡相同。經(jīng)研究表明，隨著碳化溫度的升高，相應(yīng)的固體碳化物的熱值呈明顯下降趨勢。
-反應(yīng)過程不同。不同的碳化工藝，其內(nèi)部的反應(yīng)機理不同，有些反應(yīng)過程主要為還原反應(yīng)（吸熱）有些反應(yīng)過程主要為氧化反應(yīng)（放熱）。
其他還有一些方面，如投資、運行成本等，均有不同，但這些因素應(yīng)該與具體的工程項目相結(jié)合進行分析，這里不再詳述。
四、 結(jié)束語
污泥碳化技術(shù)具有非常好的市場前景和社會效益，值得業(yè)內(nèi)人士深入研究或長期關(guān)注。
污泥碳化技術(shù)屬于新興技術(shù)，在各家機構(gòu)中其主要核心資料尚處于商業(yè)保密階段，有些要點未進行深入剖析。梵煦環(huán)境長年工作在污泥碳化技術(shù)研發(fā)的技術(shù)研發(fā)的最前沿，也將陸續(xù)通過網(wǎng)站發(fā)表更多的污泥碳化技術(shù)信息。
在網(wǎng)絡(luò)上很容易搜到有人發(fā)布出售“污泥碳化機”的商業(yè)信息，在這里提醒所有用戶，污泥碳化有多家技術(shù)分支，不管是那個分支，都是一套完整的工藝系統(tǒng)，污泥處理不可能采用一臺所謂的污泥碳化機解決了事，謹防被騙。
