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碳化技术历史变迁

  污泥碳化技术的历史变迁

  世界上污泥碳化技术的发展分为以下三个阶段。

  一、 理论研究阶段(1980-1990年)。

  这个阶段的研究集中在污泥碳化机理的研究上。这个阶段一个突出特点就是大量的专利申请。Fassbender, A.G等人的STORS专利,Dickinson N.L污泥碳化专利都是在这期间申请和批准的。

  早在1920年代,国外学者就发现,使用低温碳化技术可以将普通的煤转化为一种无烟燃烧的煤,并可生产出大量的焦炭。随后,有大约5种工艺在美国、加拿大、欧洲和日本研发和试用,但最终,只有美国宾夕法尼亚州匹斯堡的Disco工艺最终获得了成功。

  Disco工艺使用的是一种卧式旋转反应罐(rotating horizontal retorts),匹斯堡工厂共有8台反应罐,每天可生产800吨碳化无烟煤,工厂于1947年建成,当时的造价是300万美元。该工艺的过程是首先将煤在有氧条件下烘烤预热,在无氧旋转炉中加热,预热的煤与部分返回的碳化颗粒一同在旋转炉中滚动,形成小球,这样可以防止原料粘附在炉壁。最终的产品小球经过格栅过滤成为产品,销售给城市居民。旋转炉中产生的可燃气和焦油被回收作为燃料使用。这种工艺就是目前日本流行的高温污泥碳化技术的雏形。(参考文献:Overview of Low Temperature Carbonization,ISFTA – May 2004)

  1980年,加拿大曾经建设了一个每天可处理25吨污泥的试验工厂,该工厂的处理工艺是先通过机械方法将污泥中的大部分水和无用泥沙去掉,再将污泥烘干,然后将干污泥放进一个450℃的蒸馏器中,在与氧隔绝的条件下进行蒸馏。结果,气体部分变成了燃油,固体部分成为碳。每吨污泥可产出2桶与柴油相似的燃料和半吨烧结碳。

  1986年,日本通产省工业技术院公害资源研究所的研究证明,干燥的污泥中含有84%的有机物,可以燃烧;有机物中含碳49%,含氧39%,含氢8%,含氮3.7%。把干燥污泥放入一个300℃的高温反应器内,加上1.22×106帕大气压,可以产生出重油。

  美国在1978至1990年间有许多专利,并进行了许多小型的试验。这些试验证明,在无氧状态下,通过给污泥加温和加压,可以将污泥转化为重油和碳,当温度较高时(例如400℃以上时),可以产生重油和碳,当温度较低时(例如250-350℃),污泥只产生碳,不产生重油。生产出来的碳的燃值与污泥的原始成分有关,一般来说,污泥中有机成分越高,生产出来的碳的燃值越高。例如,未消化的污泥就比消化污泥生产出来的碳的燃值高。在美国,污泥产出碳的燃值通常与褐煤的燃值(4000大卡/kg)不相上下。

  现在世界上污泥低温碳化最成功的当属美国亚特兰大州的Enertech公司。该公司的创始人Dickinson N.L一生致力于污泥碳化技术的研究,他本人在污泥碳化方面共有13项专利。最早的5项专利于1978年至1980年申请。1984年至1991年间,Dickinson又有6项关于碳化的专利,1994,1995年Dickinson又有2项专利,是以Enertech公司名义申请的。目前,这13项专利均为Enertech公司所有。其中最关键的2项已经申请了国际专利,受专利保护协约保护。其中,US5685153号专利(Dickinson的最后1项专利)1994年也在中国申请了专利,于2000年得到了批准。

  美国Thermo Energy公司的创始人Fassbender, A.G在1986年曾经做过一个实验,采用碳化技术,将市政脱水污泥转化成重油。试验装置的能力为30 L/h,得到的重油的燃烧值可以达到80%-90%普通柴油的发热值。Fassbender, A.G将这个工艺命名为STORS工艺(Sludge To Oil Reactor System)。(参考文献 STORS: The Sludge To Oil Reactor System,1986年6月)

  Enersludge技术1980年由Bayer教授在德国Tubingen大学发明,后来,这个实验室规模的技术出售给了加拿大政府环保局。1989年又转卖给了ESI。在随后的5年中,ESI与发明人Bayer教授紧密合作,发明了Enersludge技术。Enersludge 是一种慢分解技术,通过无氧条件下的高温450℃,常压(1.5kPa),污泥中的分子重新组合,形成蒸馏气(syngas)和炭(Char)。蒸馏气经冷凝,可形成油。Enersludge要求输入污泥的含水率不超过10%,因此,污泥需要先干化。

  二、 小规模生产试验阶段(1990-2000年)。

  随着污泥碳化理论研究的深入,随着化验室试验的成功,人们开始思考将污泥碳化技术转变成为真正商业化污泥处理的装置。在大规模商业化之前,为了减少投资风险,需要对该技术进行小规模生产性试验(Pilot Trial)。通过这些试验,污泥碳化技术开始从实验室走向工厂。这期间设计和制造了许多专用设备,解决了大量实际工厂化的技术问题。这个阶段的特点如下。

  (1) 规模小。例如

  1997年日本三菱在宇部的污泥碳化厂规模为20吨/天,采用的是Enertech的低温碳化工艺;

  1992年,日本ORGANO公司在东京郊区建了一个污泥碳化试验厂,采用的是Thermo Energy的STORS工艺;

  1997年Thermo Energy 在加利福尼亚州Colton市建立了一个污泥碳化实验厂规模为每天处理5吨干泥,采用是STORS工艺。

   1996年,澳大利亚ESI公司与Subiaco WWTP in Perth, Western Australia 签约,DBO建设一座25 dry tpd 能力的污泥碳化处理厂,采用的是Enersludge 工艺。合同中包括运行一年。这个合同应该是上个世纪90年代建设的生产规模最大的污泥碳化工厂。

  (2) 试验资金来自大公司和政府,而不是商业用户。例如,在日本的试验均来自大公司,在加州的试验资金是来自美国EPA。

  (3) 试验均取得了一定的成果,可以产出一部分碳化物。但试验也暴露了污泥碳化技术存在的一些问题。首批试验工厂并没有导致直接的商业订单。至今为止,上面列举的所有污泥碳化工厂均已关闭。

  三、 大规模的商业推广阶段(2000-)。

  进入21世纪以后,污泥碳化技术有了较快速的发展。各种污泥碳化技术逐渐成熟,与污泥碳化配套的设备也日趋完善。污泥碳化开始了大规模的商业推广。另外,全球环保意识的增强,也是导致污泥碳化技术大规模商业推广的重要因素。

  在日本,80%的污泥的最终处置方法是焚烧。但由于近年来发现焚烧存在剧毒二恶英污染的隐患,所以日本环保部门对焚烧排出的气体提出了更加严格的要求,使得本来成本就很高的焚烧工艺的成本更加提高。日本人的眼光开始转向污泥碳化。

  为了取代焚烧工艺,目前,日本已经有多家公司生产和销售碳化装置。比较著名的有荏原公司的碳化炉,三菱公司横滨制作所的污泥碳化装置,巴工业公司每天处理10吨,30吨的污泥碳化装置。2005年日本东京下水道技术展览会上,日本日环特殊株式会社甚至推出了标准的污泥碳化减量车。该车可以随时到任何有污泥的场所对污泥进行碳化。这些发展表明,碳化技术已趋于成熟。

  在美国,很多州的污泥过去都采用填埋。由于发现污泥中包含的有害物质对地下水的污染,未处理污泥填埋后造成填埋场对环境的危害,美国EPA颁布了新的填埋标准。过去的未达标的污泥(Class B污泥)将不再允许填埋,只有达标污泥(Class A污泥)才允许填埋。这项标准的颁布,使得现有的污水处理厂只有投入巨大的污泥处置成本,才能对其污泥进行处置。另外,美国现有的填埋场已经接近饱和,开辟新的填埋场越来越困难。许多州、郡都在酝酿在本地区内发布“禁埋令”。污泥碳化技术可以将污泥处理成为资源,可以一劳永逸地解决一个地区的污泥问题,所以受到美国许多地方政府的青睐。

  经过近6年的筹划、谈判,美国加州的Rialto市决定同意美国Enertech公司在Rialto市的污水处理厂旁,建设一座日处理能力为675吨污泥的污泥低温碳化工厂。建厂的方式为Enertech自行筹集资金建设,Enertech以收费处理方式接受加州5个市、郡的污泥。Enertech采用自己的SlurryCabTM工艺。Enertech生产出的碳化物出售给临近的三菱水泥厂。该厂于2008年10月开始试运行,至今仍在正常运行中。

  日本巴工业(TOME)公司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。2011年10月,武汉市汤逊湖污水处理厂采用巴工业高温碳化技术的10吨/天的处理装置正式通过当地政府的验收。

  日本东京市政府投资50亿日元(4200万美元),处理量每天300吨,碳化后的污泥供给电厂发电。处理成本约为5000日元(42美元)/吨,与在日本焚烧-填埋的成本相等。该技术由日本三菱重工提供,采用的是日本流行的高温碳化技术。系统从2007年11月开始投产运行。日本东京市政府的新闻报导中说,这样的工程在日本是第一次。

  2011年8月,中国首座采用低温碳化技术的污泥处置系统在山西省晋中市第二污水厂投入使用。该套系统的技术所有权为太原正阳环境工程有限公司拥有,采用的绝大部分设备均为中国制造,处理能力为100吨/天。处理成本约100元/吨人民币左右。

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