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                      污泥碳化技術各工藝對比分析摘要


                      污泥碳化技術為污泥的資源化利用提供了新的途徑,按照碳化技術分高溫、中溫、低溫,現選取有代表性的幾種工藝,根據工藝流程、溫度、壓力、產出物和有利資源化等不同方面對各種碳化技術的特點進行對比分析。

                    一、 污泥碳化研發歷史

                      1.1世界研發近程

                      污泥碳化,學術上稱為污泥熱分解,是指在一定溫度和壓力條件下,污泥中細胞發生裂解,將其中的水分脫出,有機質形成碳狀顆粒。污泥碳化分為高溫碳化、中溫碳化和低溫碳化,主要依據其不同的熱解溫度區間而劃分,其相應的產物也有所不同。

                      污泥碳化技術原理的研究開始于上世紀80年代,美國各個機構研究并申請了很多的相關技術。

                      上海梵煦環境科技有限公司根據我國污泥的實際情況結合國外先進技術,在上海市金山區建設50噸/天運行示范工程,2018年投入運行,運行穩定可靠,梵煦污泥碳化技術成功運行標志著污泥低溫碳化技術在國內由實驗中試階段向工業化應用階段的邁進。

                      二、 污泥碳化技術分析

                      2.1污泥碳化的分類

                      污泥碳化的分類基本上是以反應溫度的區間來進行劃分。

                      目前世界上主要的分類有兩種,美國一般將反應溫度在1200-1800°F(649-982℃)區間內的定義為高溫碳化,將反映溫度在800-1000°F(426-537℃)區間內的定義為中溫碳化。

                      日本按照溫度區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℃)。

                      梵煦環境經過多年的污泥碳化技術研究和工程運行認為,以上溫度的劃分是企業為了商業運作、技術保密等因素考慮,故意擴大范圍甚至偏離實際數據。在實際的工程實踐中,系統控制的反應溫度都是非常的溫度區間范圍;為了降低能耗,各工藝通過不同的措施降低反應溫度,現實的運行溫度均低于宣傳資料所報道的數值。例如,在低溫碳化工藝中,增加系統壓力就是一種有效的降低反應溫度的措施,利用機械能換取節省大量熱能的效果。

                      2.2污泥高溫碳化技術

                      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污泥的減量化、無害化和資源化,但技術效率低,運行成本較高。

                      2.3污泥中溫碳化技術

                      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。工藝中主要的產物有油、反應水、沼氣和固體碳化物;由于產物多樣化,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,還沒有應用實力。國內很少有企業或機構進行中溫碳化的研究。

                      2.4污泥低溫碳化技術

                      污泥低溫碳化技術的研究機構遠多于高、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株式會社為代表的低溫碳化工藝,另一種是以上海梵煦環境為代表的污泥低溫碳化工藝

                      2.4.1日本低溫碳化工藝

                      圖1日本電源開發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。最終的主要產物為固態碳化物,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、月島機械、METAWATER和月島技術服務公司聯合實施,采用電源開發株式會社的污泥低溫碳化工藝。設計處理能力為100噸/天(2條50噸/天生產線),設計年限20年。年產碳化物燃料4490噸,熱值15.8MJ/kg(約3760kcal/kg),產物運送到J-POWER(電源開發株式會社)竹原火力發電廠進行焚燒。

                      2.4.2梵煦環境低溫碳化工藝

                      在梵煦環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;然后污泥經高壓泵送入中壓密閉的低溫碳化系統內,經過外來熱源加溫(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,碳化系統進入放熱反應階段,結晶潛熱在無外來熱源前提下反應一定時間后生成液態的碳化液。

                      圖2梵煦環境的低溫碳化工藝主流程

                      碳化液可采用常規的機械脫水設備進行固液分離,不同脫水設備產出的碳化物含固率如表1所示。

                      表1不同類型脫水機產出的碳化物對比

                      脫水機產生的碳化物根據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。該工藝產生的固體碳化物的熱值較高,在金山及松江區產出的固體碳化物的熱值約3800-4000kcal/kg,在美國產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,放熱反應階段在能量消耗上有大幅節省。隨著溫度的升高和裂解的進行,污泥粘度將逐漸下降。

                      整個工藝設計的難度最主要的特點就是嚴禁水的蒸發。水分不是從污泥中蒸發出去,而是通過細胞的裂解將污泥中的各種類型的水分(如胞內水、間隙水、毛細水等)變成游離態的水,然后通過機械脫水方式固液分離;這就節省了水分蒸發時需要的汽化熱,同時也節省了將汽化水冷凝的設備環節。而且在降壓泄放的過程中,禁止閃蒸的出現,避免閃蒸過程對設備的損耗。

                      2.5污泥碳化各工藝對比

                      2.5.1共同特點

                      污泥碳化技術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熱解理論在污泥處理中的應用;

                      -碳化工藝的占地面積?。汗に囅到y單元較少,設備布置方式靈活,可適應不同的地形分布;

                      -減量化明顯:80%含水率的污泥經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; -有利于實現資源化:固體碳化物可作為生物質燃料;高、中溫碳化產生的可燃氣體或焦油也可再利用;固體碳化物富含氮、磷等營養元素,可作為土壤改良劑和有機復合肥添加劑;低溫碳化工藝中產生的碳化上清液可作為植物營養液、也可作為污水處理廠的碳源進行利用。

                      -適用于有機質含量高的市政污泥或其他有機質廢料;有機質含量越高,系統所做的無用功越少,有效熱能越高。

                      2.5.2主要區別

                      除了反應溫度的不同以外,高溫、中溫、低溫碳化工藝中還有幾項最主要的區別:

                      -是否加壓。在高溫和中溫碳化工藝中,反應爐內不需要提供較高的壓強來保證碳化反應,日本電源開發株式會社的低溫碳化也是如此。

                      在梵煦環境和美國Enertech的低溫碳化工藝中,必須給碳化系統內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的穩定。

                      -產物不同。高溫碳化的主要產物為焦炭(固體碳化物)和少量的可燃氣,中溫碳化的主要產物為油、沼氣和固體碳化物,而低溫碳化的主要產物為固體碳化物、碳化上清液和脫水液。

                      -固體產物的熱值不同。高、中、低溫碳化工藝中均產生有固體碳化物,但該碳化物的熱值不盡相同。經研究表明,隨著碳化溫度的升高,相應的固體碳化物的熱值呈明顯下降趨勢。

                      -反應過程不同。不同的碳化工藝,其內部的反應機理不同,有些反應過程主要為還原反應(吸熱)有些反應過程主要為氧化反應(放熱)。

                      其他還有一些方面,如投資、運行成本等,均有不同,但這些因素應該與具體的工程項目相結合進行分析,這里不再詳述。

                      三、 結束語

                      污泥碳化技術具有非常好的市場前景和社會效益,值得業內人士深入研究或長期關注。

                      污泥碳化技術屬于新興技術,在各家機構中其主要核心資料尚處于商業保密階段,有些要點未進行深入剖析。梵煦環境長年工作在污泥碳化技術研發的技術研發的最前沿,也將陸續通過網站發表更多的污泥碳化技術信息。

                      在網絡上很容易搜到有人發布出售“污泥碳化機”的商業信息,在這里提醒所有用戶,污泥碳化有多家技術分支,不管是那個分支,都是一套完整的工藝系統,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。

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