歐美國(guó)家和日本自上世紀(jì)90年代便開(kāi)始了污泥碳化的工程應(yīng)用�？傮w來(lái)看，日本是污泥碳化工程應(yīng)用開(kāi)展最多的國(guó)家，歐美國(guó)家污泥碳化工程應(yīng)用相對(duì)較少，主要在污泥熱解焚燒方面應(yīng)用較多。

3.1 歐美污泥碳化技術(shù)及工程案例

3.1.1 涉及污泥碳化技術(shù)的公司

歐美國(guó)家參與污泥碳化技術(shù)開(kāi)發(fā)的公司包括：

（1）德國(guó)的KOPF AG公司在德國(guó)曼海姆市污水處理廠建設(shè)了德國(guó)首個(gè)污泥熱解碳化示范工程，項(xiàng)目處理規(guī)模為100t/d（80%含水率污泥），采用“污泥厭氧消化-脫水-干化-熱解碳化”處理工藝，其中產(chǎn)生的熱解氣進(jìn)入二燃室燃燒提供熱解干化所需要的能量。

（2）德國(guó)ELIQUO STULZ 公司研發(fā)了Pyreg® 污泥熱解技術(shù)，屬于高溫碳化。該技術(shù)通過(guò)污泥碳化的方式，達(dá)到污泥減量、穩(wěn)定的目標(biāo)，并從污泥中回收磷。

該污泥熱解工藝采用螺旋反應(yīng)器，熱解氣燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓�可達(dá)1250°C）返回加熱，余熱進(jìn)一步用于污泥帶式干燥。在Pyreg® 工藝中，碳化溫度在500-700℃之間，污泥碳中的磷以生物有效磷為主，磷濃度高達(dá)15 % （以P2O5計(jì)算），植物有效P > 80 %。

（3）澳大利亞ESI公司開(kāi)發(fā)了ENERSLUDGE™熱解技術(shù)，屬于低溫碳化。該技術(shù)通過(guò)污泥熱解得到碳化物和粗油，但為了平衡系統(tǒng)的能量需求，碳化過(guò)程產(chǎn)生的碳化物和粗油被送到高溫?zé)煔獍l(fā)生爐中進(jìn)行焚燒。其工藝流程如圖19所示。目前該技術(shù)在澳大利亞Perth的項(xiàng)目已經(jīng)運(yùn)行超過(guò)15年。

圖19 ENERSLUDGE™污泥熱解技術(shù)

（4）法國(guó)ETIA公司下屬的BIOGREEN®開(kāi)發(fā)了Spirajoule®工藝，該設(shè)備的核心部件是由焦耳效應(yīng)電加熱的無(wú)軸螺旋。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。由于采用和螺旋結(jié)合的電加熱圈，熱利用效率較高。產(chǎn)生的揮發(fā)分被冷凝后進(jìn)行油、氣分離，油和氣可以分別進(jìn)行利用。其工藝流程見(jiàn)圖12所示。

（5）荷蘭的Splainex Ecosystems Ltd公司開(kāi)發(fā)了以回轉(zhuǎn)窯為核心設(shè)備的污泥中溫（450-500°C）碳化技術(shù)。該系統(tǒng)處理的對(duì)象是30%-35%含水率的半干污泥，經(jīng)過(guò)碳化處理后，產(chǎn)生的生物碳可用作生物燃料（Bio-fuel），也可用于磷回收。過(guò)程產(chǎn)生熱解氣經(jīng)燃燒用于發(fā)電、產(chǎn)熱。其設(shè)備見(jiàn)圖20所示。

圖20 Splainex工藝污泥碳化工程(200t/d)

（6）丹麥的AquaGreen公司開(kāi)發(fā)了污泥高溫碳化（650°C左右）技術(shù)，包括污泥干化、碳化等單元，其目的是獲得可用于土壤改良的生物炭產(chǎn)品。其系統(tǒng)如圖21所示。

圖21 Aquagreen碳化系統(tǒng)

3.1.2 歐美工程案例

總體上，歐美國(guó)家污泥碳化技術(shù)的工程應(yīng)用較少，根據(jù)有限資料，對(duì)相關(guān)工程案例統(tǒng)計(jì)如下：

表2 歐美碳化項(xiàng)目示例表

3.2 日本污泥碳化技術(shù)及工程案例

3.2.1 技術(shù)發(fā)展參與企業(yè)

日本污泥碳化技術(shù)是在國(guó)家宏觀發(fā)展政策的引導(dǎo)下開(kāi)展起來(lái)的。上世紀(jì)90年代，在污染物減排和資源化利用的雙重壓力下，日本亟待研發(fā)新的污泥處理技術(shù)。

日本下水道協(xié)會(huì)在上世紀(jì)90年代末發(fā)起了由企業(yè)自主參與的污泥碳化工程技術(shù)研究，并建設(shè)了一批中試以上規(guī)模的污泥碳化設(shè)施及工程。

目前，日本已形成了完整的污泥碳化技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策支撐體系。

在日本污泥碳化技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中，主要的參與企業(yè)見(jiàn)表3。

表3 日本污泥碳化技術(shù)主要參與企業(yè)表

3.2.2 碳化技術(shù)工程應(yīng)用情況

從上世紀(jì)90年代末開(kāi)始，日本陸續(xù)建設(shè)了一批中小型污泥碳化項(xiàng)目，項(xiàng)目基本信息見(jiàn)表4。

表4 日本小規(guī)模污泥碳化裝置項(xiàng)目清單

其中，雙葉地方廣域市町圈組合和K社（兵庫(kù)縣高砂市）兩個(gè)項(xiàng)目為商業(yè)化運(yùn)行項(xiàng)目，其他均為技術(shù)驗(yàn)證性項(xiàng)目。

以上項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)行，為日后確定污泥碳化資源化利用方向、大規(guī)模裝置的工程設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。

2004年，日本下水道新技術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)發(fā)布《污泥碳化系統(tǒng)技術(shù)資料》，對(duì)上述項(xiàng)目做了全面的總結(jié)，對(duì)“技術(shù)分類、工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理、政策法規(guī)”等方面做出要求。

2008年開(kāi)始，日本相繼新建了一批較大規(guī)模的污泥碳化設(shè)施，見(jiàn)表5。

表5 日本大規(guī)模污泥碳化項(xiàng)目清單

2010年，日本下水道新技術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)發(fā)布了《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術(shù)手冊(cè)》，對(duì)污泥熱解燃料化技術(shù)進(jìn)行了專門的總結(jié)，并對(duì)相關(guān)的技術(shù)原理、工程規(guī)劃與設(shè)計(jì)、工程實(shí)施、運(yùn)行管理、適用法規(guī)等做出了明確的規(guī)定。

同時(shí)，通過(guò)引進(jìn)日本技術(shù)，韓國(guó)、中國(guó)也建設(shè)了一批污泥碳化處理項(xiàng)目，如表6所列。

表6 早期韓國(guó)、中國(guó)污泥碳化項(xiàng)目清單

3.2.3 日本碳化工程技術(shù)分類

按照碳化溫度劃分，污泥碳化分為低溫、中溫、高溫碳化三個(gè)大類，各類的主要特征見(jiàn)表7。

 表7 日本污泥碳化技術(shù)分類

（1）高溫碳化

高溫碳化技術(shù)的代表性公司為日本巴工業(yè)株式會(huì)社，采用立式多段外熱螺旋推進(jìn)碳化爐，工藝系統(tǒng)包括污泥熱干化、污泥碳化、尾氣處理和熱量回收等核心單元。代表項(xiàng)目為2003年投產(chǎn)的雙葉地方廣域市町圈組合項(xiàng)目，見(jiàn)圖22。

圖22 雙葉地方廣域市町圈組合項(xiàng)目

（2）中溫碳化

中溫碳化技術(shù)的代表性公司包括三菱環(huán)境化學(xué)工程株式會(huì)社和美得華水務(wù)株式會(huì)社，代表性項(xiàng)目有東京都東部污泥處理中心和愛(ài)知縣衣浦東部中心。

中溫碳化裝置均采用外熱回轉(zhuǎn)窯碳化爐。碳化裝置包括污泥熱干化、污泥碳化、尾氣處理和熱量回收等核心單元，如圖23、24所示。

東京都東部污泥碳化二期工程采用了氣流干燥工藝，進(jìn)一步提高了熱利用效率。

圖23 愛(ài)知縣中溫碳化工藝流程圖

圖24 東京都東部污泥碳化二期工藝流程圖

（3）低溫碳化

低溫碳化技術(shù)的代表性公司有月島機(jī)械株式會(huì)社，代表性項(xiàng)目有大阪平野污水處理廠項(xiàng)目和廣島西部污水處理廠項(xiàng)目，如圖25、圖26、圖27所示。

低溫碳化裝置均采用外熱回轉(zhuǎn)窯碳化爐。碳化裝置包括污泥熱干化、污泥碳化、尾氣處理和熱量回收等核心單元。

圖25 低溫碳化系統(tǒng)工藝

圖26 污泥干燥機(jī)、加熱爐

圖27 碳化爐及碳化產(chǎn)品顆粒

（4）污泥氣化碳化

污泥氣化碳化技術(shù)近年來(lái)也在日本得到工程化應(yīng)用。氣化碳化技術(shù)的代表性公司為美得華水務(wù)株式會(huì)社，代表性項(xiàng)目為清瀨市水資源再生中心項(xiàng)目（100噸/日），如圖28、圖29、圖30所示。

該項(xiàng)目采用了流化床氣化爐，在產(chǎn)生熱解氣的同時(shí)，也得到碳化物。熱解氣被重整改質(zhì)之后，用于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，獲得電力。

圖28 污泥氣化工藝原理

圖29 污泥氣化碳化裝置

圖30 車間全景碳化爐設(shè)備圖

3.2.4 典型項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

日本已建設(shè)近30余個(gè)污泥碳化項(xiàng)目，典型項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表8。

表8 日本典型碳化項(xiàng)目主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

注：由于各項(xiàng)目受設(shè)計(jì)冗余、維護(hù)作業(yè)安排、運(yùn)行管理的不同考慮，設(shè)計(jì)處理規(guī)模和年處理總量不能簡(jiǎn)單折算而達(dá)到對(duì)應(yīng)一致。

3.2.5 日本碳化技術(shù)發(fā)展總結(jié)

（1）宏觀技術(shù)總結(jié)

2004年、2010年、2015年日本下水道協(xié)會(huì)新技術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)組織相關(guān)方，共同對(duì)已建成的污泥碳化、熱解項(xiàng)目進(jìn)行了三次總結(jié)，得出的主要結(jié)論包括：

污泥碳化在污染物排放方面，與焚燒相比有明顯的減排優(yōu)勢(shì)；

污泥碳化物在資源化利用方面有良好的前景；

污泥碳化處理技術(shù)是替代污泥焚燒的重要技術(shù)之一。

1） 2004年下水道新技術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)和14家碳化技術(shù)企業(yè)共同整理、匯總建成項(xiàng)目的情況，發(fā)布了《碳化系統(tǒng)技術(shù)資料》，主要是針對(duì)以市政污泥為對(duì)象的碳化裝置，在總結(jié)其技術(shù)概要、特點(diǎn)以及構(gòu)造等基礎(chǔ)上，指明在進(jìn)行碳化裝置的實(shí)施時(shí)所涉及的技術(shù)事項(xiàng)、注意事項(xiàng)：

① 對(duì)污泥碳化進(jìn)行了明確的定義，包括碳化過(guò)程參數(shù)、碳化物評(píng)價(jià)等；

② 對(duì)污泥碳化的溫度劃分給出了明確的定義，劃分為低溫、中溫、高溫碳化；

③ 對(duì)碳化裝置進(jìn)行了分類，分類準(zhǔn)則包括有無(wú)干燥裝置、碳化爐的熱傳導(dǎo)方式、碳化爐內(nèi)輸送方式等；

④ 對(duì)碳化物利用進(jìn)行了總結(jié)，提出污泥碳化物有良好的資源化利用潛力，包括燃料化、土壤改良、建材利用、吸附材料、融雪劑等，并提出了不同利用方向的技術(shù)性指導(dǎo)意見(jiàn)；

⑤ 提出了碳化裝置設(shè)計(jì)流程的指導(dǎo)意見(jiàn)；

⑥ 對(duì)碳化裝置實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了總結(jié)，實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用低于焚燒和堆肥；

⑦ 總結(jié)了碳化過(guò)程溫室氣體排放特征。將碳化裝置與污泥焚燒爐的每單位處理量所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)氣體排放量進(jìn)行比較，碳化裝置比污泥焚燒爐產(chǎn)生的溫室氣體排放量少；

⑧對(duì)于資源化利用而產(chǎn)生的減排，提出了評(píng)估值的參考標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表9；

表9  基于碳化產(chǎn)品有效利用的能源削減效果

⑨ 對(duì)污泥碳化設(shè)施的建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)及適用性法規(guī)等提出了指導(dǎo)性意見(jiàn)。

2）2010年《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術(shù)手冊(cè)》

由于日本污泥有機(jī)物普遍很高，燃料化方向的碳減排效益明顯。2008年之后，燃料化利用成為日本污泥碳化資源化利用的主要方向。

2008年11月至2010年3月，下水道新技術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)基金會(huì)和東芝股份有限公司共同研究污泥熱分解燃料化系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)等成果，并總結(jié)成《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術(shù)手冊(cè)》。

《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術(shù)手冊(cè)》明確了“與高溫焚燒方式相比，熱分解燃料化系統(tǒng)能將污泥作為煤炭替代燃料進(jìn)行利用，減少綜合能量收支，減少溫室氣體排放量，作為碳中和的燃料進(jìn)行有效利用”。

①污泥碳化以污水廠污泥為原料，因此將污泥碳化物歸類到生物質(zhì)資源，作為碳中和的燃料進(jìn)行有效利用；

② 碳化物作為煤炭替代燃料進(jìn)行有效利用的情況下，和直接進(jìn)行焚燒處理相比，可削減綜合能耗。

（2）設(shè)施運(yùn)行情況總結(jié)

日本的碳化技術(shù)從開(kāi)始應(yīng)用（在日本、韓國(guó)、中國(guó)）到現(xiàn)在已經(jīng)有18年，初步統(tǒng)計(jì)建成的項(xiàng)目超過(guò)30個(gè)，涵蓋了低溫、中溫及高溫碳化的工藝，目前最大的單體項(xiàng)目的處理能力達(dá)到150噸/天。最早的單體處理能力超過(guò)100噸/天的裝置（東京都東部）已經(jīng)運(yùn)行17年。從已建成項(xiàng)目運(yùn)行的實(shí)際情況看，總體情況如下：

①處理量普遍能達(dá)到設(shè)計(jì)能力；

②運(yùn)營(yíng)管理措施完善，設(shè)備狀況良好；

③未出現(xiàn)運(yùn)行安全重大事故；

④未出現(xiàn)因排放超標(biāo)導(dǎo)致的停產(chǎn)；

⑤污泥碳化物均得到妥善的資源化利用；

⑥項(xiàng)目投資及運(yùn)行成本均得到很好的控制。

（3）環(huán)保對(duì)策總結(jié)

為保證碳化設(shè)施滿足環(huán)保要求，在與有關(guān)部門協(xié)商的基礎(chǔ)上，采取相應(yīng)的污染物防治措施及安全對(duì)策。已建成運(yùn)行項(xiàng)目在環(huán)保治理方面，均達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1）排放氣體對(duì)策

從碳化裝置中產(chǎn)生的大氣污染物，因裝置的型號(hào)規(guī)模、運(yùn)行方式、燃料、污泥泥質(zhì)等因素不同而異。

尾氣對(duì)策要遵守大氣污染防治法和二噁英類對(duì)策特別措施法等相關(guān)法令的五項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。在大氣污染防治法規(guī)定對(duì)象內(nèi)的設(shè)施，大氣污染防治法施行令第二條及二噁英類對(duì)策特別措施法中對(duì)其種類和規(guī)模進(jìn)行了規(guī)定。在法令規(guī)定對(duì)象內(nèi)的碳化裝置的排出物涉及SOx、粉塵、HCl、NOx及二噁英類。

2）臭氣對(duì)策

一般來(lái)說(shuō)，污泥中產(chǎn)生的臭氣主要有硫化氫、甲硫醇、硫化醇、二硫化醇及氨等5種惡臭物質(zhì)。臭氣對(duì)策須遵守惡臭防治法等有關(guān)法令。惡臭防治法根據(jù)每種特定的惡臭物質(zhì)(政令規(guī)定)制定了控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)惡臭氣體成分及量級(jí)、產(chǎn)生場(chǎng)所及周邊環(huán)境的敏感度，設(shè)計(jì)符合《惡臭防治法》標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)施。

3）噪音及防振對(duì)策

噪音及防振對(duì)策，需遵守噪音控制法和振動(dòng)控制法等相關(guān)法令。

噪音控制法及振動(dòng)控制法所規(guī)定的對(duì)象為工廠及作業(yè)場(chǎng)的設(shè)施中在發(fā)生明顯噪音或振動(dòng)的設(shè)施中產(chǎn)生明顯的噪音或振動(dòng)的作業(yè)，并由噪音控制法施行令及振動(dòng)控制法施行令限定。

4）碳化物土地利用

碳化物如果作為土地利用原料，必須遵守日本肥料管理?xiàng)l例、土壤污染法和土壤生產(chǎn)力法等相關(guān)法令。