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技术介绍

  一、污泥碳化技术的分类

  1.1 低温碳化

  低温碳化的特点:

  (1) 温度300℃以下

  (2) 加压,碳化过程无气体产生,压力10MPa以下

  (3) 原始污泥含水率80%的条件下,碳化后再脱水后,含水率50%以下,如果再烘干,含水率可达10%以下

  (4) 碳化过程中,污泥中干物质的热量损失很小,碳化物的利用价值高

  (5) 碳化后的脱水液中,有机质很高,亦有利用价值

  典型的低温碳化工艺流程如下图所示:

  

 

  世界上主要的低温碳化厂家有美国的Enertech,在美国加州建成了675吨/日处理能力的低温碳化厂;美国的Thermo Energy,在加州Colton污水处理厂做了一个5吨/日的试验厂;中国太原环境工程有限公司,在晋中建设了100吨/日处理能力的低温碳化示范工程。

  Enertech与中国太原环境工程有限公司的低温碳化工艺都是连续运行的,而Thermo Energy的工艺是序批式的。

  1.2 中温碳化

  中温碳化的特点:

  (1) 污泥首先必须干化

  (2) 碳化反应器的温度约450℃

  (3) 碳化反应器不加压,不加氧

  (4) 处理后得到多种产品:重油,可燃气,固体碳化物

  典型的中温碳化工艺流程如下图所示:

  

 

  世界上主要的中温碳化厂家为澳大利亚的ESI公司,其技术名称为EnerSludge。EnerSludge有一个处理非消化污泥的工程实例在澳大利亚Subiaco污水处理厂,规模为每天25吨干泥,从2001年开始运行。该碳化工厂由于各种技术问题,已于2004年关闭。

  1.3 高温碳化

  高温碳化的特点:

  (1) 污泥首先必须干化

  (2) 高温碳化炉的温度约800℃以上

  (3) 高温碳化炉不加压,不加氧

  (4) 高温碳化炉产生的可燃气直接用于干化能源

  典型的高温碳化工艺流程如下图所示:

  

 

  世界上主要的高温碳化厂家集中在日本。日本三菱重工2007年在东京都建成日处理300吨污泥的高温碳化系统;日本巴工业(TOME)公司10吨/日的高温污泥碳化装置2000年在日本试验成功,并始终保持连续运行。目前在日本还有多个厂家在推广高温碳化装置。

  日本巴工业高温碳化系统生产的碳化物没有再添加辅料,燃值较低,可利用价值较低;而三菱重工的碳化物中添加了诸如木屑类得辅料,大大提高了碳化物的可利用性。

  二、污泥碳化技术典型工艺流程

  2.1 低温碳化典型工艺流程

  美国的Enertech和中国的正阳环境工程有限公司均采用了连续式的污泥低温碳化技术,其工艺原理如下图所示:

  

 

  含水约80%的污泥首先切碎,进入高压泵,进入预热器。预热器中的原始污泥经已经裂解的污泥加热,温度可提升至160℃以上。经过预热的污泥再进入加热器。加热污泥的热源来自导热油锅炉。导热油锅炉可以是燃气的(美国Enertech),亦可以是燃煤的(正阳环境工程)。

  加热后的污泥一般可以达到250℃以上,再进入反应釜。反应釜是污泥中生物细胞裂解的关键设备。污泥在反应釜中的停留时间一般需要20分钟左右。反应釜中的污泥通过加热和搅拌,其中绝大部分的生物细胞会破解。由于生物细胞的破解,固态的污泥在反应釜中将全部液化。虽然污泥的含水率在反应釜中并没有变化,但其流动性已经与水相差无几。

  裂解后的液体污泥返回至预热器加热原始污泥,裂解液中70%左右的能量得到回收。裂解液经能量回收后,自身的温度也大大降低,一般可以降低至100℃以下,甚至更低。为安全起见,系统中还设置了冷却器。液态污泥经过冷却器后可以达到50℃以下,可以直接进入脱水处理。美国的Enertech和正阳环境工程使用的脱水机均为离心式。

  液态裂解液经普通脱水装置(带式脱水机、离心脱水机)即可将其中75%的水分脱出,达到含水率50%以下,体积减小为原来的40%以下。如果脱水后的污泥进一步烘干,碳化物的含水率还可以进一步降低。没有生物细胞的污泥,干燥非常容易,用普通晾晒方法即可轻易达到含水率10%以下。用普通泥煤干燥机烘干可以提高污泥干燥速度。美国Enertech使用的是滚筒干燥机,最终的碳化物含水率可达5%;正阳环境工程利用导热油炉的预热烘干碳化物,最终的碳化物含水率可达30%。

  2.2中温碳化典型工艺流程

  澳大利亚ESI公司的Enersludge工艺原理如下图所示:

  

 

  ESI的工艺称为EnerSludge。第一步要求污泥干化至含固率90%。然后将污泥送入常规反应器,温度为850℉,30分钟。与低温分解不同的是,热分解时不需要加压。中温分解时,工艺中产生4种物质,油,反应水(蒸汽冷凝水),沼气(未冷凝的空气)和固体炭化物。如果使用消化的污泥,得到的产品将是20%的油、60%的炭、10%的沼气和10%的反应水。如果油从冷凝液中分离,可以作为燃料出售。这种油可以作为加热和发电的能源。炭和沼气也可以作为能源制造热气供给本系统使用。反应水也可以用来产生热气。

  热气产生器与焚烧炉中的流化床类似,如果输入的污泥的含固率大于26%,产生的热气将足够干化工艺的使用。热分解中其他工艺所需要的热量由天然气燃烧供给。热气产生器燃烧后的灰可以填埋或作为建筑材料销售。

  2.3高温碳化典型工艺流程

  日本巴工业(TOME)的污泥高温碳化原理如下图所示:

  

 

  含水率为80%左右的湿污泥首先进入干燥机干燥至含水30%,经干燥后的污泥通过输送装置进入污泥碳化装置入口,污泥在碳化炉中经螺旋输送机自上而下运动,在高温(800℃)下被进一步干馏,炭化,最终生成碳化物制品。

  碳化炉和干燥机除需要燃烧部分燃料外,主要的燃料是污泥自身在碳化中产生的干馏气,燃烧产生的高温气体直接进入干燥机,大大提高了干燥机的效率。系统中配备了多个高效热交换器,所有的热能均被回收,整个碳化装置的热效率可以达到最大。气体的排放过程全部经过旋风分离,保证了排放达标。

  三、各种污泥碳化技术的比较

  3.1中温碳化工艺已经退出污泥碳化市场

  2004年澳大利亚Enersludge污泥中温碳化工厂关闭后,污泥中温碳化工艺实际上已经“死亡”。澳大利亚ESI公司也由于Enersludge技术的失败而陷入经济困境。2005年1月,ESI的污水设计和污水建设部出售,只剩下Enersludge技术和一小部分资产。2005年12月董事会决定,由Rofin Australia Ply公司重组,原有的190百万股,以$0.001的价格出售给Rofin Australia Ply公司。另外2.2百万股以$0.10价格出售给新股东,用于偿清债务。另外,公司还有1百万$债权也用于偿清债务。

  中温碳化工艺失败的最主要原因是污泥生产出的重油品质太低,只有普通柴油热值的80%左右,另外杂质含量太高,无法在市场上出售和使用。除非发明了新的有效的重油利用装置,否则中温碳化无法起死回生。近年来,还有其他厂家在继续研究“泥变油”工艺,但均未有突破性进展。

  3.2低温碳化和高温碳化工艺的比较

  3.2.1低温碳化的优势和缺点

  低温碳化的优点总结如下:

  Ø 低温碳化工艺使用的能量小,在低温碳化中,原始污泥中75%以上的水分不是被蒸发的,而是采用机械脱水方法被“压”出的,这就节省了大量的水气化能量。

  Ø 低温碳化生产出来的碳化物具有较高的燃值,可以作为低级燃料使用,全面地实现了污泥的减量化、无害化和资源化目标。如果碳化物被作为低级燃料使用,污泥的减量化几乎达到了100%。

  Ø 污泥低温碳化过程中,原始污泥中的热值损失很小(约5%),最终的碳化物中几乎包含了原始污泥中95%的热值,可以被全部利用,资源化的程度也很高。

  低温碳化的缺点总结如下:

  Ø 污泥碳化物中的热值可能需要在污泥碳化系统以外利用,例如运输到电厂、大型锅炉车间、水泥厂等。如果要求污泥碳化系统本身使用,则污泥碳化系统必须使用煤锅炉,而且还必须使用特殊设计的、可以使用低质燃料的锅炉。

  Ø 污泥低温碳化系统中,污泥裂解液脱水后的生物浓液必须处理。当污泥低温碳化系统设置在污水处理厂厂内时,如果系统仅仅处理本厂的污泥,而且本厂的脱氮工艺又处于碳源不足的情况时,生物浓液可以直接返回至污水处理厂的生物处理段,作为碳源(正阳环境工程的示范工程中,生物浓液的处理方法)。但如果污泥碳化系统是独立于污水处理厂建设,就需要规模较大的生物浓液处理系统。美国Enertech在加州Rialto工厂就建设一个生物浓液的消化系统、消化后的液体又增加膜处理工艺。

  3.2.2高温碳化的优势和缺点

  高温碳化的优点总结如下:

  Ø 高温碳化工艺的一个明显优势就是在工艺过程中可以直接利用污泥中所包含的热值,用碳化炉中产生的合成气作为燃料,直接供给干化阶段使用。

  Ø 高温碳化全面地实现了污泥的减量化、无害化和资源化目标。减量化达到了原始污泥的85%以上。

  Ø 在高温碳化中,原始污泥中的所有水分都是被蒸发的,高温碳化并不产生脱水生物浓液,无需考虑生物浓液的处理。

  高温碳化的缺点总结如下:

  Ø 能耗高。在高温碳化中,原始污泥中的所有水分都是被蒸发的,水分蒸发需要的气化热能很大。

  Ø 投资大。高温碳化系统包括两个部分,一部分是干化,另一部分是碳化。高温碳化系统的投资至少要高于目前的纯干化系统的投资。碳化炉的技术也比较复杂。炉中无氧条件下的加热、高温800℃以上的造粒均需要较高的技术和材料,造价不菲。以日本东京的300吨/日工程为例,造价折合人民币约3.5亿元。

  Ø 碳化物可利用价值低。由于高温碳化中,污泥在碳化炉中发出了可燃合成气,最终的碳化物的热值将大大降低,很难再利用。日本三菱重工就采用了将辅助燃料(例如木屑)添加到碳化物中的方式增加碳化物得热值。

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