導(dǎo) 讀

污泥碳化技術(shù)是近年來發(fā)展的污水廠污泥熱化學(xué)處理的方法之一。為促進(jìn)污泥碳化技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，由北控水務(wù)杭世珺工作室牽頭、聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)和武漢普樂環(huán)境技術(shù)有限公司，依托國家污泥處理處置產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，設(shè)立了污泥碳化技術(shù)的宏觀研究課題，開展污泥碳化技術(shù)發(fā)展、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等方面的研究。

課題負(fù)責(zé)人：戴曉虎 杭世珺

技術(shù)負(fù)責(zé)人：羅臻 陳德珍

課題組成員：陳云 關(guān)春雨 許文波 楊東海 劉志剛 羅弘熙 楊海 余斌

報(bào)告分污泥碳化技術(shù)發(fā)展背景、技術(shù)與設(shè)備、國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展、相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)、總結(jié)與展望六個(gè)章節(jié)，內(nèi)容非常詳實(shí)豐富，共分為三期推送，本期為前兩章。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的提升，污水產(chǎn)生和處理量日益增加，我國污水處理規(guī)模已經(jīng)躍居世界首位。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部最新數(shù)據(jù)，截止到2020年，我國已建成城鎮(zhèn)污水處理廠4326座，污水處理量達(dá)到2.2億立方米/日，由此產(chǎn)生的污泥量已突破6500萬噸/年（以含水率80%計(jì)）。污泥作為污水處理的過程產(chǎn)物，濃縮匯集了污水中的30%~50%污染物，具有“污染”和“資源”的雙重屬性，污泥的安全處理處置與資源化一直是污水處理領(lǐng)域的國際研究熱點(diǎn)。由于我國污泥處理起步較晚，長期以來以填埋處置方式為主，造成嚴(yán)重的二次污染和資源浪費(fèi)。污泥處理處置是我國水污染防治中面臨的重大瓶頸問題，也是我國污水處理的短板之一。

近年來，隨著我國對(duì)污泥問題的重視，投入了大量的資金及研發(fā)力量，在生物穩(wěn)定、脫水減量、熱化學(xué)處理處置等方面突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)與重大裝備，相關(guān)國家政策相繼發(fā)布，逐步明確了污泥處理的要求和目標(biāo)，污泥處理處置行業(yè)快速發(fā)展。目前，常用的處置方式主要包括土地利用、建材利用、衛(wèi)生填埋等，相應(yīng)的處理技術(shù)主要包括污泥厭氧消化、好氧發(fā)酵、干化焚燒、深度脫水等，逐漸呈現(xiàn)多元化的處理處置方式。

污泥碳化技術(shù)是上世紀(jì)90年代在日本和歐美發(fā)展而來的污泥處理新技術(shù)，2008年以后中國也逐步開展了污泥碳化的技術(shù)研究和工程應(yīng)用。國內(nèi)外工程應(yīng)用的結(jié)果表明，和傳統(tǒng)的堆肥、焚燒等污泥處理技術(shù)相比，污泥碳化在能源有效利用、資源化、溫室氣體減排等方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。因此，污泥碳化技術(shù)逐漸成為國際上污泥處理的研究熱點(diǎn)和新的發(fā)展方向。

污泥碳化技術(shù)雖然在中國已有十幾年的發(fā)展，但依然未能得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。為了更好地了解該技術(shù)的適用性和發(fā)展?jié)摿�，本研究將從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、工程和政策法規(guī)等方面對(duì)國內(nèi)外污泥碳化技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)回顧，以期為我國污泥碳化技術(shù)的發(fā)展提供參考和指導(dǎo)。

01

污泥碳化技術(shù)發(fā)展背景/Sludge

1.1 污泥碳化技術(shù)原理

污泥碳化是在無氧或缺氧條件下進(jìn)行熱解處理，以獲得含碳固體產(chǎn)物為主要目標(biāo)產(chǎn)物的污泥穩(wěn)定化過程。有機(jī)物在碳化過程會(huì)發(fā)生分解，產(chǎn)物包括由低分子有機(jī)物、水蒸氣等組成的熱解氣、焦油、以及由固定碳和無機(jī)物為主的固體碳化物（日本、德國均將污泥碳化物歸類到生物炭（Biochar）（圖1）。由于水分的蒸發(fā)和熱解氣體的揮發(fā)，逐漸形成表面和內(nèi)部孔隙發(fā)達(dá)、且富含固定碳的污泥碳化物（圖2）。污泥碳化物在生物、化學(xué)、物理等方面具有良好的穩(wěn)定性，在多個(gè)領(lǐng)域均有較好的資源化利用前景。

圖1 污泥碳化處理過程示意圖

圖2 污泥處理狀態(tài)與單位質(zhì)量熱值分布圖

1.2 技術(shù)發(fā)展背景

歐美國家和日本在發(fā)展過程中都經(jīng)歷過污水廠污泥處理處置的環(huán)境問題，對(duì)中國具有一定的借鑒意義。早期污泥處理處置方法簡(jiǎn)單，以填埋、投海為主，由此帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和公眾環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，各國政府對(duì)污泥處理處置的要求也逐步提高，并制定了相應(yīng)的法規(guī)。

以日本為例，污泥處理處置的主要方式經(jīng)歷如下變遷：

• 上世紀(jì)60年代以前：自然干化、直接填埋；
• 60年代：脫水、衛(wèi)生填埋；
• 70年代：堆肥、土地利用；
• 80年代：開始焚燒，最大限度減量，焚燒灰填埋；
• 90年代：推廣厭氧消化，以回收污泥的能源；
• 90年代后期：提出污泥碳化技術(shù)方向，深度資源化利用。

目前，污泥焚燒仍然是日本污泥的主要處理方式，占70%以上，如圖3所示。

圖3 日本污泥處理處置現(xiàn)狀

在歐洲一些國家，如德國、荷蘭、瑞典、瑞士、奧地利等，焚燒也是污泥的主要處理方法，而部分國家則以污泥農(nóng)用為主要處置方式，如圖4所示。

圖4 歐洲污水廠污泥處置情況(Eurostat, 2015)

歐盟28國污泥處理處置的情況見表1。

表1 歐盟28國污水廠污泥處置情況(2012–2015)

世界各國對(duì)污泥處置的方法各有不同的側(cè)重點(diǎn)，目前污泥的處理處置方式主要包含穩(wěn)定化土地利用、焚燒建材利用、以及衛(wèi)生填埋，其中美國、英國等主要采用土地利用的處置方式，日本土地面積較小，主要采用焚燒建材利用的方式，德國近年來重視污泥磷回收，焚燒比例有所增加�？傮w上，國際污泥處理處置以土地利用和焚燒為主，其中土地利用呈逐漸增加的趨勢(shì)，焚燒呈穩(wěn)步發(fā)展趨勢(shì)，而衛(wèi)生填埋由于環(huán)境負(fù)面影響較大，呈下降趨勢(shì)。

隨著環(huán)境管理政策的加強(qiáng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，到本世紀(jì)初，日本及歐美國家在污泥穩(wěn)定化、無害化處理方面已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，污泥處理處置技術(shù)發(fā)展水平已經(jīng)能夠滿足社會(huì)及環(huán)境的基本要求。隨著污泥熱化學(xué)處理技術(shù)的發(fā)展，日本和歐美國家率先提出了污泥碳化再利用的概念，以達(dá)到更好的減排和資源化利用的目標(biāo)。在這樣的需求驅(qū)動(dòng)下，污泥碳化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1.2.1 日本碳化技術(shù)的發(fā)展

上世紀(jì)90年代末，隨著污水處理量的增加，日本市政污泥的產(chǎn)量也隨之增加，對(duì)污泥的處理處置方式提出了更高的要求。各種綜合因素促使日本開始尋求開發(fā)新的污泥處理處置技術(shù)，污泥碳化技術(shù)迎來發(fā)展機(jī)遇。本世紀(jì)初，污泥碳化技術(shù)在日本得到開發(fā)應(yīng)用，主要驅(qū)動(dòng)力如下：

（1）土地及填埋場(chǎng)容量限制

廢棄物最終處置（包括焚燒灰）所涉及的填埋場(chǎng)新開發(fā)用地難等因素，使得填埋場(chǎng)（包括焚燒灰填埋場(chǎng)）的剩余容量變得極為有限。

（2）溫室氣體減排

隨著《京都議定書》的簽訂和生效，溫室氣體減排需求日益突出，因此需要尋找污泥處理領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳減排的新路徑。

（3）消除二噁英污染隱患

焚燒是日本污泥的主要處理方式，而二噁英排放主要來自于廢棄物焚燒（包括污泥焚燒）和鋼鐵冶煉，因此，對(duì)污泥焚燒二噁英排放也開始強(qiáng)制管理。實(shí)際上，80年代以來固體廢棄物（包括污泥）焚燒迅速發(fā)展所帶來的二噁英排放已成為大氣污染的重要隱患，亟需尋找二噁英排放量低的污泥處理技術(shù)。

（4）資源化利用的目標(biāo)

日本在污泥碳化資源化利用方面，關(guān)注的重點(diǎn)不是熱解氣而是碳化處理得到的污泥碳化物。其目標(biāo)是推進(jìn)污泥碳化物在燃料、土地利用、建材利用等各方面得到應(yīng)用。

1.2.2 歐洲碳化技術(shù)的發(fā)展

歐洲發(fā)展污泥碳化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)力來源于尋找比焚燒更清潔的處理技術(shù)以及對(duì)污泥中磷的有效回收利用。

早在上世紀(jì)90年代，德國投入了大量的科研力量，持續(xù)開展污泥碳化方面的研究與工程示范。德國發(fā)展碳化技術(shù)的主要原因在于：

（1）污泥焚燒產(chǎn)生的復(fù)雜污染物處理難，環(huán)境健康效應(yīng)不明確。而污泥熱解技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)氣相產(chǎn)物燃燒，降低持久性污染物的排放；

（2）德國要求污泥焚燒后灰渣中磷回收率大于80%，但目前從污泥焚燒灰渣中提取磷經(jīng)濟(jì)性較差，而污泥碳化除了比焚燒過程更清潔之外，還能為污泥中磷資源的回收利用提供有利條件。

歐盟國家中德國的污泥產(chǎn)量最大，2015年為180萬噸(干量)，占28個(gè)歐盟國家污泥產(chǎn)量的 20.4%。2017年10月修訂的“德國污泥條例”正式頒布，其重要的規(guī)定是：在規(guī)定的過渡期(12年或15年)之后，所有規(guī)模超過5萬人口當(dāng)量的污水廠都必須從污泥或者污泥灰進(jìn)行磷回收，同時(shí)對(duì)今后過渡時(shí)期內(nèi)還進(jìn)行“土地利用”的污泥處置提出了更嚴(yán)格的要求。因此，必須找到有效的污泥磷回收技術(shù)。

磷可以從污泥中直接回收（要求回收率不得低于50%）或者在污泥熱處理（如焚燒）后回收。如果在污泥焚燒后回收灰渣中的磷, 要求回收率大于80%。目前從污泥焚燒灰渣中回收磷成本要高于從磷礦石中提取磷，所以從污泥焚燒灰渣中提取磷經(jīng)濟(jì)性較差。而污泥碳化物中的含磷水平明顯高于歐盟對(duì)于磷肥中含磷水平的規(guī)定，且含有N、 K、 Ca 等營養(yǎng)元素，并具有多孔、吸附性等特征，可以用作肥料或者土壤改良劑。同時(shí)碳化對(duì)污泥重金屬具有一定的穩(wěn)定固化作用，有利于降低后續(xù)利用過程的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

此外，歐洲已經(jīng)頒布生物炭的標(biāo)準(zhǔn)。The European Biochar Certifcate (EBC)是歐洲和瑞士生物炭的推薦性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（Voluntary industry standard），它規(guī)定了生物炭的含碳量必須超過50%，含碳量小于50%的含碳固體被認(rèn)為是熱解含碳材料(PCM)。

1.2.3 中國碳化技術(shù)的發(fā)展

中國污泥碳化技術(shù)的出現(xiàn)，源于中國企業(yè)對(duì)于國外技術(shù)的引進(jìn)，在引進(jìn)之初并沒有明確的社會(huì)發(fā)展政策導(dǎo)向、行業(yè)技術(shù)政策導(dǎo)向或明確的資源化利用目標(biāo)的驅(qū)使。2006-2008年，湖北博實(shí)城鄉(xiāng)環(huán)境能源工程公司從日本引入污泥碳化技術(shù)；同期，密西西比國際水務(wù)(中國)公司從美國引入污泥碳化技術(shù)。但由于缺乏技術(shù)發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)，中國污泥碳化技術(shù)發(fā)展較為緩慢。

02

污泥碳化技術(shù)與設(shè)備/Sludge

污泥碳化技術(shù)最早來源于生物質(zhì)熱解碳化。世界范圍內(nèi)，日本污泥碳化技術(shù)發(fā)展較快，已得到了較多的工程應(yīng)用，目前最大的污泥碳化裝置處理能力為150噸/日。

2.1 污泥碳化技術(shù)

2.1.1污泥碳化系統(tǒng)組成

污泥碳化工藝主要由污泥干化、污泥碳化、尾氣處理和能源回收利用等單元組成。其中，干化是碳化的預(yù)處理單元，碳化是核心單元。

由于污泥干化過程會(huì)釋放臭氣，同時(shí)在熱解過程中也會(huì)產(chǎn)生多種氣體成分，因此，尾氣處理單元不可或缺。尾氣處理技術(shù)措施與污泥的組成性質(zhì)以及整個(gè)系統(tǒng)過程的技術(shù)參數(shù)密切相關(guān)。能源回收系統(tǒng)是降低系統(tǒng)能耗的保障。在日本的實(shí)際工程中，能源回收和尾氣處理兩個(gè)部分的設(shè)備投資占到設(shè)備總投資的30%-40%。

2.1.2 污泥碳化反應(yīng)條件

污泥碳化是采用熱解的方法處理污泥。在以下四個(gè)條件同時(shí)具備的情況下，碳化過程才能發(fā)生或技術(shù)可行：

（1）有機(jī)物含量

污泥碳化的熱解反應(yīng)對(duì)象是污泥中有機(jī)物，有機(jī)物含量會(huì)直接影響污泥碳化過程能耗水平、碳化物成分等。日本市政污泥的有機(jī)物含量通常達(dá)到70%-85%，而目前中國市政污泥的有機(jī)物含量通常只有40%-60%。當(dāng)污泥有機(jī)物含量過低時(shí)，污泥碳化過程經(jīng)濟(jì)性較差，且污泥碳化物可利用性差，不宜采用碳化工藝進(jìn)行處理。

（2）絕氧（或缺氧）環(huán)境

有機(jī)物的熱解反應(yīng)只有在絕氧（或缺氧）的條件下才會(huì)發(fā)生。

（3）熱解反應(yīng)溫度

污泥有機(jī)物受熱達(dá)到一定的溫度之后，熱解反應(yīng)才開始發(fā)生。熱解所需要的溫度通常根據(jù)污泥有機(jī)物含量、成分以及資源化利用途徑而確定。通常污泥熱解的溫度范圍為250-700°C。

2010年日本下水道新技術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)發(fā)布的《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術(shù)手冊(cè)》提出污泥碳化過程發(fā)生的基本溫度為250℃（污泥顆粒應(yīng)達(dá)到的溫度）。同時(shí)提出，當(dāng)脫水污泥的熱值高、有足夠熱值殘留在碳化污泥中時(shí)，碳化溫度設(shè)為500℃，促進(jìn)裂解氣生成以降低碳化過程運(yùn)營成本。當(dāng)脫水污泥熱值低、沒有足夠熱值殘留在碳化污泥中時(shí)，碳化溫度控制在500℃以下，以盡量將熱值保留在碳化污泥中。

（4）足夠的反應(yīng)停留時(shí)間

污泥碳化處理反應(yīng)停留時(shí)間，需根據(jù)污泥有機(jī)物含量、揮發(fā)份特性以及熱解溫度等確定。在相同的碳化溫度條件下，如果保持碳化物中碳、氫、氧等元素的最終殘留率一致，污泥有機(jī)物含量越高，所需要的熱解反應(yīng)停留時(shí)間越長。

2.1.3 污泥碳化工藝分類

1、按資源化產(chǎn)物分類

污泥碳化過程以獲得含碳固體產(chǎn)物為主要目的。根據(jù)污泥碳化的資源化產(chǎn)物種類，可將污泥碳化工藝分為污泥碳化基礎(chǔ)工藝和污泥碳化產(chǎn)油（氣）工藝。

（1）污泥碳化基礎(chǔ)工藝

污泥碳化基礎(chǔ)工藝是以污泥碳化物為唯一產(chǎn)物，是污泥碳化技術(shù)工程應(yīng)用的主流工藝。碳化過程中產(chǎn)生的干餾氣被燃燒利用釋放熱量，以減少整個(gè)過程的能量補(bǔ)充，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

基礎(chǔ)工藝通常由污泥干化、污泥碳化、尾氣處理等主要單元組成，如圖5所示。

圖5 污泥碳化基礎(chǔ)工藝

（2）污泥碳化產(chǎn)油（氣）工藝

污泥碳化產(chǎn)油（氣）工藝是污泥碳化基礎(chǔ)工藝的衍生工藝，過程的目標(biāo)產(chǎn)物包括污泥碳化物和油（氣）兩種可回收利用的產(chǎn)物。衍生工藝是通過對(duì)污泥的熱解碳化處理，最大限度回收污泥中可資源化利用的物質(zhì)，而達(dá)到這個(gè)目標(biāo)的首要條件是污泥的有機(jī)物含量足夠高。目前，污泥碳化衍生工藝應(yīng)用的案例很少，但是未來的發(fā)展方向之一。

污泥碳化產(chǎn)油（氣）工藝通常由污泥干化、污泥碳化、尾氣處理、油（氣）改質(zhì)等主要單元組成，如圖6所示。

圖6 污泥碳化衍生工藝

2、按碳化處理過程溫度分類

根據(jù)碳化的操作溫度，將污泥碳化技術(shù)劃分為低溫、中溫和高溫碳化，如圖7所示。

圖7 不同溫度范圍污泥碳化分類

該分類主要是基于碳化物資源化利用方向的差別：

（1）高溫碳化的產(chǎn)物主要應(yīng)用于土壤改良、建材利用等方面，為了資源化利用的安全，污泥必須得到最大限度的穩(wěn)定化和無害化，因此采用高溫的熱解條件；

（2）低溫、中溫碳化產(chǎn)物主要的資源化利用方向?yàn)槿剂匣�，將碳化物作為替代煤的輔助燃料。在保證污泥碳化物的性質(zhì)得到基本穩(wěn)定的前提下，盡量保存碳化物熱值，因此采用低溫、中溫的熱解條件，保留一部分揮發(fā)分。

2.2 污泥碳化設(shè)備

污泥碳化爐（反應(yīng)器）主要包括以下幾種形式：

外加熱螺旋推進(jìn)碳化爐、直接加熱螺旋推進(jìn)碳化爐、外加熱回轉(zhuǎn)窯碳化爐、直接加熱回轉(zhuǎn)窯碳化爐和多膛爐。

2.2.1 外加熱螺旋推進(jìn)碳化爐

采用間接加熱和螺旋驅(qū)動(dòng)物料前進(jìn)的管式熱解爐，裂解產(chǎn)生的揮發(fā)份在裂解管上開口噴出后立即燃燒，高溫?zé)煔獬�供熱解能耗外還能干燥污泥。

該類碳化爐能適用于高溫、中溫和低溫碳化，代表性公司為日本巴工業(yè)株式會(huì)社（TOMOE）。其系統(tǒng)概念和工藝如圖8和圖9所示。

圖8 日本TOMOE外加熱螺旋推進(jìn)碳化爐

圖9 日本TOMOE高溫碳化系統(tǒng)

德國ELIQUO STULZ公司提供的Pyreg®碳化工藝也采用了外熱螺旋推進(jìn)碳化反應(yīng)器，如圖10所示。

圖10 PYREC®污泥熱解工藝

2.2.2 直接加熱螺旋推進(jìn)碳化反應(yīng)器

該類設(shè)備采用導(dǎo)電螺旋直接加熱污泥，使污泥產(chǎn)生熱解反應(yīng)。

該類設(shè)備的代表公司是法國的ETIA，其下屬公司BIOGREEN®開發(fā)了Spirajoule®碳化工藝，該設(shè)備的核心部件是由焦耳效應(yīng)電加熱的無軸螺旋。原理上該技術(shù)可用于有機(jī)廢棄物的碳化、熱解或氣化，產(chǎn)生碳化物、油和氣。其反應(yīng)器及系統(tǒng)如圖11、圖12所示。

目前，尚未見該技術(shù)在污泥碳化工程應(yīng)用方面的報(bào)道。

圖11 Spirajoule®反應(yīng)器

圖12 Spirajoule®碳化系統(tǒng)

2.2.3 外加熱回轉(zhuǎn)窯碳化爐

該類設(shè)備的主體為回轉(zhuǎn)窯，外部設(shè)有利用高溫?zé)煔庾鳛榧訜峤橘|(zhì)的夾套。該類設(shè)備通常用于低溫或中溫碳化，當(dāng)用于高溫碳化時(shí)，只能應(yīng)對(duì)小規(guī)模的處理。

該類設(shè)備的代表性公司為日本月島機(jī)械、三菱重工，主要在日本污泥碳化燃料化工程中得到應(yīng)用。其設(shè)備及工藝如圖13、圖14所示。

圖13 TSK碳化爐

圖14 外熱回轉(zhuǎn)窯污泥碳化系統(tǒng)

2.2.4 直接加熱回轉(zhuǎn)（窯）碳化爐

直接加熱回轉(zhuǎn)（窯）碳化爐是從回轉(zhuǎn)焚燒爐發(fā)展而來的。通過控制供氧使部分揮發(fā)分燃燒，直接給污泥提供碳化過程所需的熱量，達(dá)到污泥碳化的目標(biāo)。該類設(shè)備的代表性公司是日本臟器制藥株式會(huì)社，其設(shè)備及工藝如圖15、圖16所示。

圖15 日本臟器制藥株式會(huì)社直接加熱回轉(zhuǎn)碳化爐

圖16 直接加熱回轉(zhuǎn)碳化系統(tǒng)

2.2.5 多膛爐

傳統(tǒng)的多膛爐主要用于廢棄物的熱解焚燒。通過改變反應(yīng)條件，多膛爐可以用于污泥碳化。污泥經(jīng)過預(yù)先干燥或者不干燥，從上部進(jìn)入逐層降落，在爐內(nèi)隔層裝有燃燒器對(duì)污泥進(jìn)行加熱實(shí)現(xiàn)碳化或者氣化�？刂乒┤氲娘L(fēng)量即可調(diào)整污泥碳化和氣化的程度。其設(shè)備形式及系統(tǒng)如圖17、圖18所示。

圖17 多膛爐結(jié)構(gòu)示意圖

圖18 TSK多膛爐碳化系統(tǒng)

文章來源于污泥創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟 ，作者國家污泥產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟
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