污泥中溫炭化技術研究

鄒獻余，汪 流，周勝軍

（安徽省通源環(huán)境節(jié)能股份有限公司，安徽 合肥 230009）

目前，我國大部分城市的污泥從污水廠外運后便進入無序的臨時堆存或簡單填埋狀態(tài)，不僅占用大量土地資源，而且嚴重破壞生態(tài)環(huán)境，特別是污泥長期堆放后產生的滲濾液侵入地下水系統(tǒng)，造成局部地下水資源難以復原的永久性危害。

污泥處置技術應用較多的主要有厭氧消化、好氧堆肥、余熱干化、機械深度脫水等。厭氧消化由于投資大、對管理要求高、運行不穩(wěn)定等問題難以大范圍使用；好氧堆肥由于占地面積大，且處理過程中的臭氣大、處理的肥料不易被接受等問題導致堆肥技術難以應用；余熱干化由于對電廠的工藝要求高，且只做干化會產生臭氣難以處理導致該技術難以大范圍使用。

縱觀國內外污泥處置技術研究發(fā)展現(xiàn)狀，污泥炭化技術是在20 世紀90 年代出現(xiàn)，1997 年日本三菱在宇部的污泥炭化廠規(guī)模為20 噸/天；2000 年開始，污泥炭化技術在國外已經進入大規(guī)模的商業(yè)推廣階段。美國Enertech Environmental 和Thermo Energy 采用的是低溫熱分解技術，澳大利亞ESI 采用的中溫熱分解技術，日本巴工業(yè)和美國IES 均采用的是高溫熱分解技術，德國采用污泥熱處置得到更廣泛的應用。在中國，污泥處理處置企業(yè)數(shù)量達到幾千家，如天津機電進出口有限公司、湖北搏實城鄉(xiāng)環(huán)境能源工程有限公司、哈爾濱凝智科技有限公司等均推出了污泥干燥炭化設備。

1 技術研發(fā)內容

1.1 技術方案

技術研發(fā)采用機械濃縮+調理改性+高壓壓濾+干化+炭化的工藝，使污泥或打撈上來的藍藻絮凝沉淀后的藻泥進行深度脫水后，再進行干化炭化，達到了污泥和藻泥的無害化、減量化。伴隨著項目技術在污泥處理行業(yè)的廣泛應用，將能夠有效提高污泥處理效率并降低現(xiàn)有成本，經濟效益和社會效益顯著。污泥熱解炭化是新興的污泥處置技術，通過間接缺氧加熱使污泥中的有機質熱解為小分子成分，通過熱解氣燃燒，利用污泥中的有機質。本項目技術研發(fā)為中溫熱解炭化設備，合理且先進的工藝需要完整的機械設備來實現(xiàn)[1]。污泥中溫炭化核心設備性能要求如下。

1.1.1 供熱設備應具備下列技術特征

1.燃料燃燒后產生的熱量以熱煙氣的形式供給污泥干化系統(tǒng)和炭化系統(tǒng)。

2.設備選型應根據(jù)燃料性質的不同，使用不同燃燒器和爐型，產生的熱煙氣屬高溫熱煙氣。

3.熱解氣引入管道設計在高溫火焰區(qū)，熱解氣進入爐膛內高溫燃燒，高溫燃燒后通過二次配風保證燃料的充分燃燒。

4.燃料燃燒過程中，會產生氮氧化物等有害氣體，宜在燃燒爐高溫區(qū)采用SNCR 技術，通過噴入藥劑在爐膛內高溫脫硝，保證煙氣中氮氧化物符合排放標準[2]。

1.1.2 供熱設備設計應符合下列規(guī)定

1.運行方式應為連續(xù)生產。

2.配風應合理，溫度可調。

3.供熱設備爐內溫度應控制在600℃～1000℃。

4.供熱量應滿足干化炭化系統(tǒng)用熱要求。

1.1.3 干化設備應具備下列技術特征

1.利用燃料及污泥熱解氣燃燒產生的熱煙氣作為熱源。

2.換熱方式宜采用直接換熱方式。

3.污泥含水率55%～65%，污泥粒徑不大于50mm，硬質雜質不大于10mm。

1.1.4 干化設備設計應符合下列規(guī)定

1.運行方式應為連續(xù)生產。

2.生產能力應為60%～120%，并可調。

3.物料打散，受熱均勻。

4.換熱溫度要求120℃～200℃。

5.烘干物料含水率應為20%～30%。

1.1.5 炭化設備應具備下列技術特征

1.炭化設備熱源主要來自供熱設備產生的熱煙氣。

2.炭化為間接換熱，爐內的污泥在缺氧的環(huán)境下熱解炭化。

1.1.6 炭化設備設計應符合下列規(guī)定

1.運行方式應為連續(xù)生產。

2.生產能力應為60%～120%，并可調。

3.換熱條件：缺氧環(huán)境（含氧量不大于0.5%），間接換熱。

4.換熱溫度應為350℃～650℃。

5.熱解氣可回收利用。

6.設有安全防爆泄壓裝置。

7.出料要求為配置冷卻。

8.污泥基生物炭含水率不應大于5%。

1.2 技術創(chuàng)新點

1.研發(fā)炭化設備由一臺干化爐和一臺炭化爐組成。

2.對干化爐爐體重新設計，改變干化爐內部結構，改變揚料板的形式，增加空氣與物料的換熱效率，提高干化效果。

3.對炭化爐爐體優(yōu)化設計，減少爐內積灰，提高保溫性能。

4.設計二燃室，提高使用壽命，減少從二燃室進入炭化爐的灰塵。設計燃燒機，提高使用壽命。

5.通過炭化裝置和旋風除塵器、除塵布袋、燃燒室的作用，使得污泥腔A 內污泥炭化過程中產生熱解氣包括一定量的CO、H2、CH4等可燃性氣體，將這些可燃性氣體供給至燃燒室內，不僅減少了有害氣體的排放，減輕了對加工環(huán)境的污染，而且廢氣回收利用，能夠降低污泥炭化的成本[3]。

中溫炭化技術，不僅減少了燃料的使用，使得一種污泥高干炭化處理系統(tǒng)可以應用于市政污泥、工業(yè)污泥等方面進行污泥處理，還可以相對現(xiàn)有的污泥處理技術，具有節(jié)約資源、減少污染、降低成本、提高企業(yè)的經濟效益；因此，具有廣泛的應用市場和很高的市場價值。

開發(fā)一套產量50t/d（含水率80%計）的污泥炭化設備，設備年運行時間≧7200h，燃料消耗降低、廢氣排放達標。

1.通過設計污泥處理系統(tǒng)，其對高溫余熱的高效利用，污泥不僅得到了安全處置，還進行了資源化利用。炭化設備使用非石化類的綠色能源——生物質作為額外能源，以達到以廢制廢的目的。污泥炭化時熱風與物料不直接接觸，尾氣量小，且處理工藝簡單，對比污泥焚燒有成本的優(yōu)勢。

2.通過污泥干化炭化裝置的研制，無鍋爐等特種設備，審批手續(xù)簡單，安全性高。在無需外部能源利用余熱的同時為干化和炭化提供能量；通過熱解氣化焦油并將其導入燃燒室燃燒，即高溫凈化徹底解決了其污染的問題，同時又為系統(tǒng)補充了熱值。

3.通過采用對污泥實施造粒處理，使得混合攪拌后的污泥呈現(xiàn)預設的顆粒形態(tài)，有效地提高了干化炭化過程中的熱交換面，進一步提高了干化炭化效率。炭化物的資源化利用方向廣泛，非其他污泥處置技術可相比的。

2 生產工藝及主要設備

污泥中溫炭化技術包含污泥干化、炭化兩段工藝。干化是將含水率55%～65%的脫水污泥烘干至含水率20%～30%。炭化是將干化后的污泥在缺氧環(huán)境下熱解，使污泥中的有機物轉變成熱解氣，污泥中無機物和殘?zhí)哭D變成穩(wěn)定的污泥基生物炭。本工藝系統(tǒng)經過若干套裝置的成功運行，已經對我們國家在污泥處置方面提供了有益的樣板，具有示范效應[4]。其主要設備如下。

2.1 供熱系統(tǒng)

干化爐和炭化爐的熱源均采用生物質燃料燃燒產生。炭化爐熱源來自生物質燃料燃燒爐，燃燒產生的高溫氣體進入二燃室。在二燃室內與來自于炭化爐的熱解氣體一起燃燒，形成足量的高溫煙氣經旋風除塵器除塵后進入炭化爐夾套用于炭化爐碳化。經炭化爐夾套后的高溫煙氣通過高溫風機輸送到干化爐內用于干化高含水率的污泥。干化爐也配備有專門設計的輔助生物質燃料生物質燃燒爐進行充分燃燒，以確保進入干化爐的煙氣的溫度，保證干化爐的干化效果。干化爐系統(tǒng)中生物質燃料燃燒后的熱煙氣與來自炭化爐夾套的高溫煙氣都進入干化爐內對含水污泥進行烘干。出干化爐的廢氣經過旋風除塵和噴淋設備除霧設備后由尾排風機通過煙囪排入大氣。

2.2 干化爐、炭化爐系統(tǒng)

干化爐、炭化爐是整套工藝的核心，含水率60%的污泥首先進入干化爐，與高溫煙氣直接接觸。高溫煙氣將污泥加熱后，污泥中的部分游離水吸熱汽化，被煙氣帶走，同時使污泥含水率降到30%左右。污泥在出干化爐之后通過螺旋輸送進入料倉，然后進炭化爐。在炭化爐中，通過內筒壁與高溫煙氣換熱焙燒，進一步脫出結晶水和輕組分氣體，產出合格的污泥顆粒，基本脫除游離水，完成整個碳化工序。

2.3 尾氣處理系統(tǒng)

市政污泥熱解炭化干化污泥熱解過程中產生的熱解氣送入熱解炭化供熱系統(tǒng)進行高溫處理及熱能回收，產生的高溫煙氣作為熱解設備的熱源，該過程在確保熱解煙氣得到凈化的同時實現(xiàn)熱能的回收利用。經高溫處理、換熱降溫后的煙氣仍具有較高的溫度，繼續(xù)送入干化系統(tǒng)和干化供熱系統(tǒng)煙氣共同作為干化過程的內熱源，最終形成的干化煙氣經過干化煙氣除塵器、噴淋洗滌系統(tǒng)后通過總煙氣排氣風機達標排放。

3 設備工作原理

干化、炭化設備系統(tǒng)包括熱解炭化系統(tǒng)設備和其它配套設備。按照功能劃分，熱解炭化系統(tǒng)中，干化爐爐體及炭化爐爐體為主體設備，熱能供應系統(tǒng)（生物質燃燒器、炭化燃燒室及干化輔助燃燒室）、尾氣處理裝置（噴淋系統(tǒng)、旋風除塵系統(tǒng)）、引風系統(tǒng)（總煙氣排放風機及炭化內部高溫風機）、干化進料系統(tǒng)（破碎輸送機、干化原料刮板機、干化進料螺旋）、中轉刮板機、炭化進料螺旋、炭化出料系統(tǒng)（炭化冷卻輸出螺旋、關風機、炭化出料提升螺旋 ）等均為輔助設備。其它如酸堿中和裝置、脫銷裝置、氧含量監(jiān)控裝置為配套設備。

干化回轉窯設備是一個有一定斜度的圓筒狀物，斜度為1 度，借助窯的轉動來促進污泥在窯內借助揚料板充分攪拌，窯頭由風機從熱源（炭化爐體）引入大量熱氣流，此熱氣流流向與污泥走向一致，使料與熱氣流接觸，蒸發(fā)水分。當窯產能負荷較大，炭化爐的熱源無法滿足生產要求時，可以由二燃室給干化回轉窯補給熱能。窯體主要部件包括傳動結構、托輪、擋輪、密封結構，筒體及揚料板。減速機、鏈輪、鏈條組成傳動系統(tǒng)，托輪承受窯體重量，擋輪控制窯體上下竄動，魚鱗片密封裝置起到密封窯體，阻止空氣進入窯體和物料溢出的作用，揚料板在工作中可以將物料打散，使物料與熱氣流充分接觸，加快水分蒸發(fā)。

炭化回轉窯設備也是一個有一定斜度的圓筒狀物，斜度為1 度。通過風機將炭化爐抽成負壓、干化回轉窯的物料進入炭化回轉窯儲料倉后，由輸送絞龍將物料輸送至窯內，借助窯的轉動來促進料在回轉窯內攪拌。窯尾引入的二燃室高溫氣流與物料前進方向相反，充分蒸發(fā)物料水分，同時，由于物料處于高溫無氧狀態(tài)，會裂解出可燃氣，且發(fā)生炭化。窯體主要部件包括傳動結構、托輪、擋輪、密封結構，筒體及揚料板。減速機、鏈輪、鏈條組成傳動系統(tǒng)，托輪承受窯體重量，擋輪控制窯體上下竄動，魚鱗片密封裝置起到密封窯體，阻止空氣進入窯體和物料溢出的作用，揚料板在工作中可以將物料打散，使物料與熱氣流充分接觸，加快水分蒸發(fā)及炭化裂解[5]。

本文的污泥中溫炭化設備，處理的是經過高干脫水后的污泥（含水率60%以下），然后再通過熱干化處理，干化過程是利用炭化煙氣余熱作為熱源與泥餅直接熱交換，泥餅含水率降低20%～30%，然后通過輸送設備進入污泥炭化系統(tǒng)；炭化是污泥在無氧條件下，溫度在400℃～600℃ 區(qū)間發(fā)生熱解炭化，物料中有機揮發(fā)物熱解轉變成熱解氣，物料中的無機物和殘?zhí)孔罱K保留下來轉變成污泥炭的過程，經過炭化處理形成的污泥炭冷卻包裝儲存，然后外運作為園林綠化用肥或土壤改良劑使用。中溫炭化技術每條污泥處理生產線用地3000 平方米，2500 萬元（50 噸/天），其運行成本為278.42 元/噸（含水率以80%，污泥含水率從99%開始處置，使用生物質顆粒燃料作為輔助能源）。污泥炭化產物的有機質含量為252.37g/kg，總養(yǎng)分[總氮（以N 計）+總磷（以P2O5計）+總鉀（以K2O 計）]含量為131.61g/kg，符合《農用污泥中污染物控制標準》（GB4284-2018）、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置土地改良用泥質》（GB/T24600-2009）和《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》（GB/T23486-2009）的要求。與歐美、日本的設備相比在成熟度上還有一定差距。同時由于炭化工藝、結構復雜，需要專業(yè)素質高的運維人員才能保證設備全年300 天以上的運行。在這兩點上國內的設備還需改進。污泥中溫炭化技術具有不產生二噁英、固化重金屬、高能量利用率和低能量損失等特點，是當之無愧的節(jié)能環(huán)保技術。