市政污泥炭化時(shí)間與溫度研究

程俊 ，何光亞 ，周盈盈 ，夏坤 ，張娜

（安徽省通源環(huán)境節(jié)能股份有限公司，安徽 合肥 230031）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，污泥產(chǎn)量急劇增加。由于污泥具有產(chǎn)量大、不穩(wěn)定、易腐敗、有惡臭、含有毒有害物質(zhì)的特點(diǎn)，因此如何有效、經(jīng)濟(jì)地處置污泥和實(shí)現(xiàn)污泥資源化已經(jīng)成為我國(guó)面臨的一個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題[1.3.4.5]。

依據(jù)城市污泥富含有機(jī)物和較高的熱量，將城市污泥變廢為寶，炭化技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)污泥“四化”的新手段[2]，以其投資少、占地面積小、無(wú)二次污染等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到了我國(guó)污泥處置市場(chǎng)的廣泛關(guān)注。

本文對(duì)污泥炭化技術(shù)中的工藝條件進(jìn)行了研究，通過(guò)開(kāi)展探索實(shí)驗(yàn)，考察了炭化產(chǎn)物的相關(guān)指標(biāo)隨炭化溫度和時(shí)間的變化規(guī)律，可以為炭化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提供數(shù)據(jù)支持和理論指導(dǎo)。

2 污泥炭化技術(shù)研究

2.1 污泥炭化工藝流程

炭化利用污泥中有機(jī)物的熱不穩(wěn)定性，通過(guò)絕氧條件下加溫，使污泥中的細(xì)胞裂解，將其水分釋放出來(lái)，使污泥中的有機(jī)物產(chǎn)生熱解，形成利用價(jià)值較高的氣相和固相，同時(shí)最大限度地保留了污泥中炭質(zhì)的過(guò)程，因此，污泥炭化既能利用自身能源，減少能量消耗，同時(shí)產(chǎn)生的泥化炭可以改良土壤，具有很好的應(yīng)用前景。

脫水污泥經(jīng)輸送裝置送至混合式污泥干化爐，在160℃～200℃烘干處理，污泥含水率降低到20%左右，完成干化過(guò)程。干化污泥通過(guò)輸送螺旋機(jī)送至外熱式炭化爐，在炭化爐內(nèi)，通過(guò)爐壁完成與高溫?zé)煔庵g的間接換熱，完成炭化過(guò)程，炭化產(chǎn)物從炭化爐的尾部排出后，經(jīng)冷卻輸送裝置降溫冷卻后排出，最后實(shí)現(xiàn)資源化利用。炭化溫度一般控制在550℃～650℃左右，污泥炭化停留時(shí)間約為30min～50min。

二次燃燒爐利用生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱?duì)炭化爐進(jìn)行加熱，加熱完成后的煙氣進(jìn)入干化爐內(nèi)與濕污泥直接接觸加熱，同時(shí)輔助燃燒爐產(chǎn)生的熱煙氣通過(guò)爐壁對(duì)干化爐內(nèi)的污泥進(jìn)行加熱。炭化產(chǎn)生的裂解氣則送入二次燃燒爐燃燒，充分利用污泥有機(jī)質(zhì)的熱量，能夠起到節(jié)能降耗的作用。

2.2 炭化工藝研究與結(jié)果分析

炭化溫度和時(shí)間是對(duì)炭化產(chǎn)物起關(guān)鍵影響的工藝指標(biāo)，其直接影響產(chǎn)物的減量率和工藝經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)影響產(chǎn)物的顏色、有機(jī)質(zhì)含量和熱值[6]，本文通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)探索炭化溫度和炭化時(shí)間對(duì)炭化產(chǎn)物的影響規(guī)律。

第一階段實(shí)驗(yàn)分別在 200℃、300℃、400℃、550℃、700℃下對(duì)干化污泥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，炭化時(shí)間為30min。通過(guò)比較炭化產(chǎn)物的顏色可以發(fā)現(xiàn)，干化泥為棕黃色，在200℃炭化時(shí)，產(chǎn)物顏色整體變深，少數(shù)大顆粒的干化泥變?yōu)楹谏?，說(shuō)明炭化效果不明顯；在300℃炭化時(shí)，炭化物顏色整體都變成黑色，只有少數(shù)大顆粒干化泥仍然呈棕黃色；在400℃、550℃、700℃炭化時(shí)，炭化物顏色均為黑色，如下圖所示：

將有機(jī)質(zhì)含量與減量率（減量率=炭化前后污泥減少量/炭化前干化污泥量）對(duì)炭化溫度進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在同一個(gè)炭化溫度下，有機(jī)質(zhì)含量與熱值隨著溫度的升高逐漸降低，減量率則隨著溫度逐漸升高，但是在溫度升高至550℃后，有機(jī)質(zhì)含量、熱值和減量率的變化幅度并不大。同時(shí)綜合考慮炭化產(chǎn)物的顏色，炭化過(guò)程較適宜的溫度應(yīng)在300℃～550℃之間。

第二階段在優(yōu)化得到適宜溫度的基礎(chǔ)上，考察不同溫度下炭化時(shí)間對(duì)炭化產(chǎn)物的影響。本實(shí)驗(yàn)在300℃、400℃和 550℃下分別炭化 8min、15min、30min和60min，分別將300℃、400℃和550℃下不同炭化時(shí)間的熱值和減量率對(duì)比發(fā)現(xiàn)：不同炭化溫度下，炭化過(guò)程的減量率均在上升，熱值均在下降，但是隨著時(shí)間的推移，上升或下降的速度都在逐漸放緩，對(duì)于400℃和550℃時(shí)，炭化30min之后，熱值和減量率的變化幅度已經(jīng)很小，說(shuō)明相對(duì)易脫出的揮發(fā)分已經(jīng)基本脫出完畢。在300℃的溫度下，炭化30min后仍然有小幅上升。因此可以分析得到，溫度越高，脫除揮發(fā)分越快，脫出的揮發(fā)分也越多，剩余的炭化產(chǎn)物越少，相應(yīng)的熱值也就越低。

對(duì)于炭化技術(shù)，其炭化溫度越高，炭化時(shí)間越長(zhǎng)，所需要的外熱能源越多，經(jīng)濟(jì)成本也就越大，因此在能夠?qū)ξ勰鄬?shí)現(xiàn)炭化的前提下，降低炭化溫度和減少炭化時(shí)間都對(duì)能夠提高工藝的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)兩個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為提高工藝經(jīng)濟(jì)性，兼顧項(xiàng)目減量率要求，可對(duì)炭化的工藝進(jìn)行優(yōu)化，適當(dāng)降低炭化的溫度，并縮短炭化時(shí)間，相對(duì)優(yōu)化的溫度為400℃～450℃，炭化時(shí)間為20min～30min。通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)，可以減少外來(lái)能源的消耗，降低炭化的能耗，提升工藝的經(jīng)濟(jì)性。

3 污泥炭化產(chǎn)物的重金屬賦存形態(tài)

實(shí)驗(yàn)測(cè)定干化污泥中砷、鉻和銅以殘?jiān)鼞B(tài)為主，而鉛主要以殘?jiān)鼞B(tài)和可還原態(tài)存在。鎘和鋅的酸可溶態(tài)含量最高，穩(wěn)定性較差。炭化污泥中鉻、鉛和砷以殘?jiān)鼞B(tài)為主，鎘和鋅的形態(tài)賦存含量為殘?jiān)鼞B(tài)＞可氧化態(tài)＞可還原態(tài)＞酸可溶態(tài)；銅主要以可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)存在。

對(duì)比干化污泥和炭化污泥中各金屬形態(tài)的含量，炭化污泥中重金屬可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)含量之和占總量比例明顯高于對(duì)應(yīng)的干化污泥。這表明污泥炭化可使重金屬形態(tài)從較活躍的酸可溶態(tài)和可還原態(tài)向較穩(wěn)定的可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化[7-8]，降低金屬的浸出型和生物有效性，降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著生活水平的提高及精神文明的建設(shè)，人們的思想觀念發(fā)生改變，污泥處置要求及政府政策導(dǎo)向愈來(lái)愈嚴(yán)格，污泥處置逐漸向有效利用、實(shí)現(xiàn)資源化發(fā)展，污泥炭化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)會(huì)越來(lái)越明顯。

本文介紹了污泥炭化的工藝流程與部分工藝參數(shù)，對(duì)污泥炭化技術(shù)生產(chǎn)中的工藝條件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，探索得到炭化產(chǎn)物隨炭化溫度和炭化時(shí)間的變化規(guī)律，并為炭化工藝的優(yōu)化提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論支撐；另外，以安徽無(wú)為縣城鎮(zhèn)污泥炭化項(xiàng)目為研究對(duì)象，通過(guò)工藝優(yōu)化同時(shí)能夠提升炭化裝置的產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)一步提升炭化技術(shù)的市場(chǎng)化能力。