WATER8848前言：污泥碳化技術是一種將污泥轉(zhuǎn)化為高碳含量固體燃料或其他價值化產(chǎn)品的技術。它可以有效地解決污泥處理和資源回收的問題，減少對土地和水資源的污染和浪費。

目前，污泥碳化技術在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應用和研究。它已經(jīng)在一些國家的污水處理廠得到商業(yè)化應用，取得了一定的經(jīng)濟和環(huán)境效益。一些國家還制定了相關政策和標準，鼓勵和規(guī)范污泥碳化技術的發(fā)展。

污泥碳化技術的發(fā)展前景廣闊。首先，隨著城市化進程的加快和污水處理量的增加，污泥產(chǎn)量將會持續(xù)增加，需要更有效的處理方法。其次，碳化后的產(chǎn)品可以作為替代煤炭的燃料，具有潛在的經(jīng)濟價值和環(huán)境效益。此外，隨著技術的進一步發(fā)展，污泥碳化技術還可以應用于其他領域，如農(nóng)業(yè)肥料生產(chǎn)和土壤改良等。

然而，污泥碳化技術仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，技術的成本和能耗較高，需要進一步降低以提高經(jīng)濟性。其次，碳化過程中可能產(chǎn)生有害氣體和副產(chǎn)物，需要采取有效的控制措施。此外，法律法規(guī)和社會認可度也是推廣該技術的重要因素。

總的來說，污泥碳化技術在解決污泥處理和資源回收方面具有重要的意義和潛力。隨著技術的不斷發(fā)展和完善，相信它將在未來得到更廣泛的應用和推廣。

污泥碳化技術是一種新型的污泥處理技術，其通過將污泥中的有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化為碳質(zhì)材料，實現(xiàn)污泥的減量化和資源化利用。目前，污泥碳化技術已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的關注和研究。

現(xiàn)狀方面，污泥碳化技術已經(jīng)取得了一定的進展。一些國家和地區(qū)已經(jīng)開展了污泥碳化技術的研究和應用，例如歐洲、北美和亞洲的一些國家。這些研究主要集中在污泥碳化技術的工藝優(yōu)化、產(chǎn)物性質(zhì)和應用領域等方面。同時，一些企業(yè)也開始嘗試將污泥碳化技術應用于實際生產(chǎn)中，以實現(xiàn)污泥的資源化利用。

然而，污泥碳化技術仍存在一些問題和挑戰(zhàn)。首先，污泥碳化技術的成本較高，需要投入大量的資金和設備。其次，污泥碳化技術的產(chǎn)物性質(zhì)和應用領域還需要進一步研究和探索。此外，污泥碳化技術在實際應用中還需要考慮其對環(huán)境的影響和可持續(xù)性等問題。

展望未來，污泥碳化技術具有廣闊的發(fā)展前景。隨著環(huán)保意識的提高和資源化利用的需求增加，污泥碳化技術將得到更多的關注和支持。未來，污泥碳化技術有望在以下方面取得更大的進展：

1. 技術創(chuàng)新：通過深入研究污泥碳化技術的工藝原理和反應機理，開發(fā)更加高效、低成本的污泥碳化技術。

2. 產(chǎn)物應用拓展：進一步拓展污泥碳化產(chǎn)物的應用領域，例如作為燃料、土壤改良劑、吸附材料等，以提高污泥資源化利用的價值。

3. 政策支持：政府可以加大對污泥碳化技術的支持和投入，制定相關政策和法規(guī)，推動污泥碳化技術的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

4. 環(huán)保要求提高：隨著環(huán)保要求的不斷提高，污泥碳化技術將成為一種更加環(huán)保和可持續(xù)的污泥處理方式，得到更廣泛的應用。

總之，污泥碳化技術作為一種新型的污泥處理技術，具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的潛力。未來，隨著技術的不斷進步和應用領域的拓展，污泥碳化技術將在污泥處理領域發(fā)揮更加重要的作用。

吳云生 北控水務集團產(chǎn)品開發(fā)中心副總工

本文來源于吳云生副總工題為“國內(nèi)外市政污泥熱解炭化技術發(fā)展與工程案例”的報告，由吳云生副總工供稿，本文作者：吳云生、金瀟、蔣紅與。

主要分以下四個部分：

• 市政污泥熱解炭化技術簡介；

• 國外熱解和氣化技術發(fā)展與工程案例；

• 國內(nèi)熱解炭化技術發(fā)展與工程案例；

• 總結(jié)和思考。

01

市政污泥熱解炭化技術簡介

我們首先說一下“炭”和“碳”字的區(qū)別，目前國內(nèi)叫法上還不太一致，我們特意查閱相關文獻。簡單來說，“碳”主要是指碳元素，“碳化”是指同碳元素化合，與溶液中通過CO2生成碳及碳酸鹽的過程，構(gòu)詞法與“硫化”“氧化”(狹義)相同。“炭”是指經(jīng)過高溫反應生成的，以碳元素為主的化合物，但不是1500度以上高溫生成的碳結(jié)晶物質(zhì)，所以“炭化”構(gòu)詞法同“液化”“固化”“氣化”類似，指生成炭。

炭化是熱解反應之一，熱解跟焚燒兩個概念相對來說是并列的。什么是焚燒呢？焚燒是指有機廢棄物跟氧氣劇烈反應生成煙氣和殘渣并放出熱量過程。什么是熱解呢？狹義上的熱解一般是指在不向反應器內(nèi)通入氧、水蒸汽或高溫一氧化碳的條件下，通過加熱使含碳有機物發(fā)生熱化學分解，生產(chǎn)燃料（氣體、液體和炭黑的過程），當然熱解過程做到完全絕氧是很困難的，氣化過程中一般也會向反應器中通入少量的空氣或水蒸氣。根據(jù)目標產(chǎn)物的不同，熱解一般可以分為炭化、液化以及氣化。當然在國外也有熱解、焚燒及氣化并列分類的。

我們再看一下炭化分類，一般有兩種分類方式，一種按照溫度劃分，一種按照目標產(chǎn)物劃分。溫度劃分的方法是來源于日本，分為低溫炭化、中溫炭化、高溫炭化。低溫炭化溫度為250-350℃，這個溫度下有機物熱解比例較低，大部分熱值保留下來，炭化物主要用于燃料使用；中溫炭化溫度為400-500℃，污泥中蛋白質(zhì)和脂肪等有機物得到了一定的熱解，臭味完全消除，熱值和營養(yǎng)元素也有一定程度的保留，已經(jīng)實現(xiàn)了完全的無害化，炭化物可以用于土壤改良和建材利用；高溫炭化溫度更高，一般指800度以上，主要用途還是做工業(yè)用品，比如說工業(yè)用吸附劑、融雪劑等。強調(diào)一點，這里指的溫度是反應終端炭化溫度。

按照資源化產(chǎn)物不同可以分為炭化產(chǎn)炭和炭化產(chǎn)油（氣）工藝，以污泥炭化物為唯一產(chǎn)物，是污泥炭化技術工程應用的主流工藝，炭化過程中產(chǎn)生的干餾氣被燃燒利用釋放熱量，以減少整個過程的能量補充，達到節(jié)約能源的目的。當然還有一些工藝目標產(chǎn)物是污泥炭化物和油（氣），主要目的是最大限度回收污泥中可資源化利用的物質(zhì)，但前提條件是污泥的有機物含量足夠高，目前這種類型的工藝路線工程實踐較少。

下面我們再說一下炭化爐主要設備形式，目前國內(nèi)外主要有這么五種設備形式，第一種就是外加熱螺旋推進炭化爐，也屬于間接加熱形式，螺旋推進污泥，代表制造廠家是日本巴工業(yè)，現(xiàn)在國內(nèi)也有案例；第二種是直接電加熱螺旋爐，在法國、德國以及美國有相關的案例；第三種是由回旋焚燒爐演變而來的，這個是直接輻射加熱，在日本用于高溫炭化，主要制造廠家為日本臟器株式會社；第四種是回轉(zhuǎn)式帶夾套的間接加熱爐，國內(nèi)外應用案例最多，國內(nèi)目前案例大多數(shù)也是以這種回轉(zhuǎn)式炭化爐為主；最后就是立式多膛爐，屬于直接加熱形式，但是干化熱解載氣循環(huán)和外部熱源煙氣分開運行，一般載氣循環(huán)氧含量低于5%，目前主要用于低溫炭化，目前日本月島公司有一些工程應用，國內(nèi)也出現(xiàn)了類似設備。

02

國外熱解和氣化技術發(fā)展與工程案例

首先看德國，德國污泥產(chǎn)量在歐洲占比20%，歐洲污泥熱法處理工藝中的45%在德國，德國污泥熱法處理率從2008年的52.6%(108萬噸)上升的2017年的69.5%(119萬噸)，2017年，修訂《污水污泥條例》(AbfKlärV)通過，核心內(nèi)容是要求從污水污泥中直接回收 (要求回收率不得低于50%)或其焚燒灰中回收磷(要求回收率大于80%)，要從2029年或者2032年全面禁止污泥的土地利用。在這種情況下，污泥獨立焚燒、熱解及氣化項目逐漸增加。

德國第一個熱解案例是采用生物質(zhì)熱解-自源炭重整技術，直接加熱螺旋推進熱解反應器，共分為2段，第一段是熱解產(chǎn)炭，第二段對熱解炭進行催化重整后產(chǎn)氣和產(chǎn)油。目前最大項目處理規(guī)模為500kg/h。

第二個工程案例是采用Pyreg®污泥熱解技術，設備形式為螺旋式炭化反應器，間接加熱形式，產(chǎn)生的熱解氣燃燒后補充干化及炭化熱量，最終產(chǎn)生的污泥炭進行磷回收。德國這兩種技術單體項目規(guī)模都不大，值得說明的是，歐洲生物炭標準-The European Biochar Certificate (EBC)，目前最新版是2023年5月第10.3E，其中市政污泥可以作為原料制備生物炭，最新標準已不再要求生物炭含碳量（之前標準要求含碳量必須＞50%）。同時對H/C比和O/C比都有明確要求。

下面我們來看一下美國熱解和氣化的工程案例。2019年美國EPA數(shù)據(jù)顯示污泥土地利用占比51%、污泥焚燒占比16%、其他處置方式占比10%，2011年3月，美國EPA出臺了針對污泥焚燒煙氣排放的新標準，要求所有已建成污泥焚燒廠和新建焚燒廠執(zhí)行新的排放限值，針對不同的污泥焚燒爐執(zhí)行不同的排放限值，主要是多膛爐(MHI)和流化床焚燒爐(FBI)兩種類型，F(xiàn)BI更嚴格。

對已建成項目和新建項目的排放要求也不一樣，以汞為例，已建成項目的新排放標準為0.037mg/dscm，新建項目的新排放限值更嚴格為0.001mg/dscm，在此情況下，美國開始發(fā)展替代焚燒的新型工藝，其中熱解和氣化近些年來發(fā)展迅速，也是美國污泥處理處置創(chuàng)新型工藝，目前最大的工程案例規(guī)模已經(jīng)達到430噸/日。

例如，2017年硅谷清潔水公司項目在北美第一個工程規(guī)模的生物質(zhì)熱解項目開始運行，熱解設計處理規(guī)模為3000噸濕料/年，生物炭產(chǎn)量250噸/年，該項目獲得了EPA區(qū)別于污泥焚燒SSI豁免，并獲準在灣區(qū)空氣質(zhì)量管理區(qū)（美國最嚴格空氣質(zhì)量管理區(qū)之一）運行。

美國白羊座清潔能源公司開發(fā)的生物質(zhì)流化床氣化技術在美國新澤西州項目，2019年開始建設，2022年底正式運行，設計處理規(guī)模為430噸/日，其中污泥約30噸/日，減量程度95%，灰渣(Bio-Fly-Ash™)產(chǎn)量約22噸/日。同時該公司開發(fā)的木質(zhì)廢棄物下行式氣化，減量程度85%，產(chǎn)生Aries GREEN® biochar，生物炭在網(wǎng)站上直接面向公眾售賣。

再來看看日本，在污染物減排和資源化利用的雙重壓力下，從上世紀90年代開始日本開始發(fā)展污泥炭化技術，宏觀政策引導，行業(yè)機構(gòu)、科研結(jié)構(gòu)、技術企業(yè)等聯(lián)合，陸續(xù)建設了一批中小型污泥炭化項目，先后出臺了相關技術指引&手冊、性能評價辦法以及炭化產(chǎn)品JIS標準

2004年，下水道新技術推進機構(gòu)和14家炭化技術企業(yè)——發(fā)布《炭化系統(tǒng)技術資料》，對這些項目做了全面的總結(jié)，對“技術分類、工程設計、運行管理、政策法規(guī)”等方面做出要求；

2010年，下水道新技術推進機構(gòu)基金會和東芝股份有限公司——發(fā)布《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術手冊》，2014年，市政污泥固體燃料的日本工業(yè)標準（JIS），對污泥熱解燃料化技術進行了專門的總結(jié)，并對相關的技術原理、工程規(guī)劃與設計、工程實施、運行管理、適用法規(guī)等做出了明確的規(guī)定，此后燃料化利用成為日本污泥炭化資源化利用的主要方向，炭化工程案例總規(guī)模也超過了2000噸/日，下面說幾個工程案例。

日本污泥熱解炭化以低溫和中溫炭化為主，采用的爐型多為回轉(zhuǎn)式，單線最大規(guī)模為150噸/日，出路主要以電廠燃煤替代燃料為主，高溫炭化項目數(shù)量和規(guī)模都比較少，最終出路可以作為低品位活性炭用作吸附劑或者作為建材原料使用。

03

國內(nèi)熱解炭化技術發(fā)展與工程案例

國內(nèi)產(chǎn)學研合作開發(fā)始于2008年左右，2015年后呈高速增長趨勢，從相關論文發(fā)表數(shù)量上來看可分為3個發(fā)展階段， 萌芽期(2008及以前)、發(fā)展期(2009~2015)、高速增長期(2016~2020)。工程化應用從2017年以后開始加速發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)已建和在建的污泥熱解炭化項目接近20個，總規(guī)模近2000噸/日，總體上分三個流派，第一個是全套引進日本核心技術，關鍵設備進口，如鄂州洋瀾湖綜合治理污泥炭化項目；第二個是采用日本技術，但核心設備基本做到了國產(chǎn)化，如枝江田園牧歌項目；第三個采用國產(chǎn)技術，設備國內(nèi)加工制造，如青島即墨污泥炭化項目、安徽無為污泥炭化項目等。

介紹幾個典型案例，第一個是武漢湯遜湖污泥炭化項目，設計規(guī)模10噸/日，這是國內(nèi)最早引進日本巴工業(yè)技術的項目，80%含水率直接進入回轉(zhuǎn)式直接干化機，干化后污泥刮板進入立式多段螺旋間接炭化爐，最終的炭渣主要用于園林綠化。

第二個典型案例是安徽無為污泥炭化項目，設計規(guī)模是50噸/日，技術提供方是浙江宜可歐，投資方為安徽通源，本項目結(jié)合國內(nèi)污泥低熱值的特點，將進泥含水率通過板框壓榨機降低至60%，同時采用生物質(zhì)顆粒代替天然氣，整體運行成本得到較大幅度降低，由于煙氣排放采用相對寬松的標準，煙氣處理流程相對簡單。

第三個典型案例是長沙經(jīng)開區(qū)城北污水廠污泥項目一期工程，設計規(guī)模為50噸/日，技術提供方為湖南鼎玖，采用的是干化炭化一體爐，系統(tǒng)相對比較簡單，中間輸送環(huán)節(jié)比較少，目前該項目二期工程也已投入運行，設計規(guī)模120噸/日，同樣采用干化炭化一體爐，運行成本相對較低，最終的炭渣產(chǎn)物比較多元，其中電廠燃料去向相對穩(wěn)定且需求量最大。

第四個典型案例是青島即墨污泥處置中心項目，該項目設計規(guī)模為 300噸/日，單線處理規(guī)模150噸/日，是國內(nèi)單線規(guī)模最大炭化項目，北控水務投資控股。該項目采用國產(chǎn)技術，干化和炭化爐均為回轉(zhuǎn)式，炭渣出路為建材制磚和營養(yǎng)土，由于該項目煙氣排放執(zhí)行垃圾焚燒大氣污染物排放和山東地標大氣污染物排放標準，所以煙氣處理流程相對較長。目前運行比較穩(wěn)定，綜合成本在國內(nèi)熱法處理工藝中處于較低水平。

04

總結(jié)和思考

污泥熱解炭化技術在污染物排放方面，與焚燒相比有明顯的減排優(yōu)勢，污泥炭化物在資源化利用方面有良好的前景，該技術是替代污泥焚燒的重要技術之一。我國在污泥炭化技術引進吸收、工程示范等方面已經(jīng)具有一定的基礎，但在污泥熱解炭化關鍵技術裝備開發(fā)和工程推廣應用等方面還存在較大的發(fā)展空間，相關標準規(guī)范尚需進一步完善。如果要使污泥炭化項目得到良性發(fā)展，我認為需要在以下幾方面做好工作：

第一，要充分認識系統(tǒng)復雜性：

• 熱解炭化系統(tǒng)更貼近化工裝備，有一定技術門檻，一家公司不要生產(chǎn)所有設備，設備商不要都做系統(tǒng)集成商，專注做好其中一個環(huán)節(jié)設備，依然能有市場；

• 熱解設備24小時連續(xù)運行，要求設備保障性高，設備質(zhì)量要優(yōu)良，避免出現(xiàn)低價惡性競爭，就像過去幾年大量設備商進入污泥低溫干化領域，造成部分設備質(zhì)量不過關、穩(wěn)定性差、產(chǎn)能衰減、維護強度大等諸多問題；

• 傳統(tǒng)污水廠人員很難勝任運行工作，需要引進和培養(yǎng)熱工及儀控專業(yè)人員。

第二，要注重項目和設備設計細節(jié)：

• 污泥脫水預處理形式的選擇很重要，不同污泥含水率進料下，天然氣的補充量差異較大，板框出泥雖然含水率低但壓實度高，也存在干化效率下降，干化粉塵偏大問題；

• 料倉及卸料型式選擇，尤其60%含水率污泥容易架橋，卸料困難，同時存在有效空間利用率下降問題；

• 輸送設備選擇至關重要，不同于污泥常規(guī)脫水項目的間斷運行，熱解項目需要年連續(xù)運行8000h，一旦輸送設備發(fā)生故障，將會造成全線停產(chǎn)。重點關注高溫對輸送螺旋材料帶來的變形。刮板布置形式、設備型式選擇、關鍵材料防腐蝕、90°轉(zhuǎn)彎處鏈輪型式選擇、鏈條中銷軸和套筒耐磨損情況等等；

• 干化爐和炭化爐密封形式選擇，煙氣含氧量控制；

• 裂解氣除塵、熱風爐清灰設計；

• 要結(jié)合當?shù)責煔馀欧艠藴时M量實現(xiàn)煙氣處理流程的簡化，回歸到炭化低碳排放本質(zhì)。

第三，要打通末端出路：

• 末端出路決定項目成敗，熱解炭化后已經(jīng)實現(xiàn)了完全的污泥無害化，這跟目前國內(nèi)30-40%含水率的干化污泥有顯著區(qū)別，不能仍然按照污染物來看待，要把污泥炭變成商品或產(chǎn)品在市場上流通起來；

• 建材利用制磚和陶粒途徑相對通暢，可以代替煤矸石補充一部分熱值，但是由建材企業(yè)付費還沒有達成社會共識；

• 土地利用尤其是園林綠化、花圃培育需要的營養(yǎng)土，技術上無大問題，污泥炭可以改善土壤透氣性、提高氮磷含量，增加土壤中微生物種類及數(shù)量等在業(yè)內(nèi)已經(jīng)有較多研究成果，目前需要大力拓展銷售渠道；

• 中低溫炭化后污泥炭作為電廠燃料，代替化石燃料，削減碳排放，也是可行末端出路之一。

以上內(nèi)容請大家批評指正！

最后感謝美國TT公司江瑞原總工提供的美國熱解和氣化最新工程進展資料；本文中PPT部分內(nèi)容也參考了北控水務杭世珺工作室牽頭、聯(lián)合同濟大學和武漢普樂環(huán)境技術有限公司編制的《污泥碳化技術發(fā)展報告》！

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