污泥碳化技術(shù)簡介

1、污泥碳化技術(shù)簡介:1、 污泥低溫碳化技術(shù)1.1、 什么是低溫碳化   市政污泥中含有可燃物質(zhì)，尤其是生化污泥（二沉池排出的剩余污泥），由于其中含有大量的活性污泥細(xì)菌，可燃物質(zhì)量更大。根據(jù)上海、天津等地的污泥發(fā)熱量試驗，中國市政污泥中的發(fā)熱量約為22003300大卡/噸干物質(zhì)。其中消化后的污泥發(fā)熱量較低，一般僅為未消化污泥的70左右。夏季污泥的發(fā)熱量比冬季低。* C: y2 d: a1 i5 J. 所謂污泥碳化，就是通過給污泥加溫和加壓，使生化污泥中的細(xì)胞裂解，將其中的水分釋放出來，同時又最大限度地保留了污泥中碳質(zhì)的過程。污泥碳化的優(yōu)勢在于，污泥碳化是通過裂解方式將污泥中的水

2、分脫出，能源消耗少，剩余產(chǎn)物中的碳含量高，發(fā)熱量大，而其它工藝大多數(shù)是通過加熱，蒸發(fā)的方式去除污泥中的水分，耗能大，灰分中的碳質(zhì)低，利用價值小。1.2污泥碳化的發(fā)展 世界上污泥碳化技術(shù)的發(fā)展分為以下三個階段（1）理論研究階段（19801990年）。! G5 a' R. A8 % O+ Q        這個階段的研究集中在污泥碳化機理的研究上。這個階段一個突出特點就是大量的專利申請。Fassb ender, A.G等人的STORS專利，Dickinson N.L污泥碳化專利都是在這期間申請和批準(zhǔn)的。9 z8 ) i8 j, X

3、7 h. f0 V3 N% X, P$ e3 _( Z: ( G. b! E  D（2）小規(guī)模生產(chǎn)試驗階段（19902000年）。' X$ 6 l7 A3 w  |+ D& j2 x4 D        隨著污泥碳化理論研究的深入和實驗室試驗的成功，人們開始思考將污泥碳化技術(shù)轉(zhuǎn)變成為真正商業(yè)化污泥處理的裝置。在大規(guī)模商業(yè)化之前，為了減少投資風(fēng)險，需要對該技術(shù)進行小規(guī)模生產(chǎn)性試驗（Pilot Trial）。通過這些試驗，污泥碳化技術(shù)開始從實驗室走向工廠。這期間設(shè)計和制造了許多專用設(shè)

4、備，解決了大量實際工廠化的技術(shù)問題。這個階段的特點如下：$ w7 p# K  L9 & R, I        規(guī)模小。例如1997年日本三菱在宇部的污泥碳化廠規(guī)模為20噸/天；1992年，日本ORGANO公司在東京郊區(qū)建了一個污泥碳化試驗廠；1997年Thermo Energy 在加利福尼亞州Colton市建立了一個污泥碳化實驗廠規(guī)模為每天處理5噸干泥。, l" / C& E; ' I試驗資金來自大公司和政府，而不是商業(yè)用戶。例如，在日本的試驗均來自大公司，在加州的試驗資金是來自

5、美國EPA。6 p! * L6 s2 d6 f0 l' k2 % C. L$ M* t+ q! N( ?( w（3）大規(guī)模的商業(yè)推廣階段（2000）。8 # S3 E6 9 M2         除了污泥碳化技術(shù)逐漸成熟的因素以外，導(dǎo)致污泥碳化技術(shù)大規(guī)模商業(yè)推廣還有其他因素。% G5 u; X" U& u! n在日本，80的污泥的最終處置方法是焚燒。但由于近年來發(fā)現(xiàn)焚燒存在二惡英污染的隱患，所以日本環(huán)保部門對焚燒排除的氣體提出了更加嚴(yán)格的要求，使得本來成本就很高的焚燒工藝的成本更加提高。為了取代焚燒工藝，目前

6、，日本已經(jīng)有多家公司生產(chǎn)和銷售碳化裝置。比較著名的有荏原公司的碳化爐，三菱公司橫濱制作所的污泥碳化裝置，巴工業(yè)公司每天處理10噸，30噸的污泥碳化裝置。2005年日本東京下水道技術(shù)展覽會上，日本日環(huán)特殊株式會社甚至推出了標(biāo)準(zhǔn)的污泥碳化減量車。該車可以隨時到任何有污泥的場所對污泥進行碳化。這些發(fā)展表明，碳化技術(shù)已趨于成熟。' W( Z: z; w: f, C3 T, x9 在美國，很多州的污泥過去都采用填埋。由于發(fā)現(xiàn)污泥中包含的有害物質(zhì)對地下水的污染，未處理污泥填埋后造成填埋場對環(huán)境的危害，美國EPA頒布了新的填埋標(biāo)準(zhǔn)。過去的未達(dá)標(biāo)的污泥（Class B污泥）將不再允許填埋，只有達(dá)標(biāo)污泥

7、（Class A污泥）才允許填埋。這項標(biāo)準(zhǔn)的頒布，使得現(xiàn)有的污水處理廠只有投入巨大的污泥處置成本，才能對其污泥進行處置。另外，現(xiàn)有的填埋場已經(jīng)接近飽和，開辟新的填埋廠越來越困難。為了達(dá)到EPA新的污泥處置標(biāo)準(zhǔn)和解決填埋場逐漸用盡的問題，2000年以后，在美國各個州，各個縣（County）的政府內(nèi)都建立了專門的污泥處置研究機構(gòu)，對可能的解決方案進行可行性研究。在研究了一些傳統(tǒng)的污泥處置方案（如焚燒，堆肥，干化）的同時，新的污泥碳化技術(shù)開始進入了政府的考慮范圍，例如在南加州大洛杉磯地區(qū)，經(jīng)過近2年的考察、比較，已經(jīng)決定要建立一個每天處理675噸污泥的碳化廠，由能源技術(shù)公司（Enertech Env

8、ironmental Co.）建設(shè)、運行。9 Z: l( F# b1 c" D& b1.3污泥碳化的分類     o  a. 6 D& R9 b- Q. T4 0 ?3 （1）高溫碳化) M- R3 B6 y2 3 m    碳化時不加壓，溫度為1,200 1,800°F（649982）。先將污泥干化至含水率約30，然后進入炭化爐高溫碳化造粒。碳化顆粒可以作為低級燃料使用，其熱值約為20003000大卡/公斤（在日本或美國）。技術(shù)上較為成熟的公司包括日本的荏原，三菱重工，巴工業(yè)以

9、及美國的IES等。該技術(shù)可以實現(xiàn)污泥的減量化和資源化，但由于其技術(shù)復(fù)雜，運行成本高，產(chǎn)品中的熱值含量低，目前尚未有大規(guī)模的應(yīng)用。最大規(guī)模的為30噸濕污泥/天。4 B-（2）中溫碳化* N; H8 p0 I  P, w" B"         碳化時不加壓，溫度為800 1000°F（426537）。先將污泥干化至含水率約90，然后進入炭化爐分解。工藝中產(chǎn)生油，反應(yīng)水（蒸汽冷凝水），沼氣（未冷凝的空氣）和固體碳化物。該技術(shù)的代表為澳大利亞ESI公司。該公司在澳州建設(shè)了一座100噸/日的處

10、理廠。該技術(shù)可以實現(xiàn)污泥的減量化和資源化，但由于污泥最終的產(chǎn)物過于多樣化，利用十分困難。另外，該技術(shù)是在干化后對污泥實行碳化，其經(jīng)濟效益不明顯，除澳洲一家處理廠外，目前尚無其他潛在的用戶。, ) : ?2 7 q; G9 P* Y+ U) r7 （3）低溫碳化+ % ; e" N! M/ M8 _; g# ?8 w8 i        碳化前無需干化，碳化時加壓至10MPa左右，碳化溫度為600左右（315），碳化后的污泥成液態(tài)，脫水后的含水率達(dá)50以下，經(jīng)干化造粒后可以作為低級燃料使用，其熱值約為36004900大卡/公斤

11、（在美國）。+ q; _% l7 d& y3 N# i2 J該技術(shù)的特點是，通過加溫加壓使得污泥中的生物質(zhì)全部裂解，僅通過機械方法即可將污泥中75的水分脫除，極大地節(jié)省了運行中的能源消耗。污泥全部裂解保證了污泥的徹底穩(wěn)定。污泥碳化過程中保留了絕大部分污泥中熱值，為裂解后的能源再利用創(chuàng)造了條件。: 3 K% P. |' i4 e7 M0 c7 a) Q- I' u  j1.4污泥低溫碳化技術(shù)的廠家 : G2 T- U, L5 2 4 g3 （1）EnerTech（能源技術(shù)）：( M1 j. ( s1 x$ b! I. o   

12、60;    該公司1992年成立，技術(shù)名稱為SlurrycarbTM，該工藝是連續(xù)式的。其工藝是將污泥加壓至1000-1500 psig（70-100kg/cm2），通過熱交換器，加溫至400-450°F（204-232）。熱化分解反應(yīng)時，污泥中的有機物被分解，二氧化碳?xì)鈴墓腆w中被分離。5 n0 B( 7 # D* 1 T; s% 1999年8月美國能源部（DOE）撥款50萬美元，支持能源技術(shù)公司的污泥碳化技術(shù)開發(fā)，制造碳化中試裝置PDU（Process Development Unit）；2001年1月，能源技術(shù)公司與美國太空總署簽訂了2年的合同。能

13、源公司利用污泥碳化技術(shù)開發(fā)出在太空倉轉(zhuǎn)化太空垃圾的原型裝置；2005年4月，在美國加州Railto建立一座每天處理625噸污泥的處理廠。工廠占地2.6公頃（6.4 arces），建在Rialto污水處理廠旁，每天約可生產(chǎn)140噸干的碳化顆粒。該工廠已經(jīng)于2006年4月在Rialto破土動工，加州共有5個地區(qū)向該廠提供污泥，已經(jīng)全部與Enertech簽署了協(xié)議書。該廠預(yù)計2008年上半年完工投產(chǎn)。該廠生產(chǎn)的碳化物全部銷售給據(jù)該廠50英里外的三菱水泥廠。% B- c1 Z+ n! T4 z! O8 J" F$ C# h. i* w$ z9 w, y( b（2）ThermoEnergy（熱

14、能）：- v7 B% . I1 m7 R& Q- X* P- U        熱能的工藝與EnerTech的工藝類似，熱能用活塞壓力系統(tǒng)，污泥（steam）是注入的而不是泵入的，有熱交換器。要求的溫度是600°F（315），壓力是2,000 psig（138kg/cm2）。- N! / j! q7 _# u熱能的工藝是批處理，每批需20分鐘的反應(yīng)時間，有兩個并行的壓力活塞和反應(yīng)罐，這樣可以使整個工藝連續(xù)。處理后的污泥經(jīng)過壓力釋放系統(tǒng)，然后用離心方式脫水至50的含固率。這個工藝產(chǎn)生的碳化物與EnerTech的產(chǎn)生的碳

15、化物相同。該公司曾在美國加州Colton污水處理廠做了一個試驗廠，目前沒有推廣的報導(dǎo)。3 l" # E6 Z-   |$ l* d1 F/ y6 h1.5、SlurryCarbTM 碳化工藝流程 # n4 m TStep 1: 污泥預(yù)處理，將含水率80左右的脫水污泥切碎，攪拌。; i7 Step 2: 污泥加壓，將污泥加壓送入碳化系統(tǒng)。7 ?, + u4 i1 ' 2 r  0 O5 qStep 3: 污泥加熱，通過外部熱源為污泥加熱。$ a6 n. 8 X( F1 Step 4: 污泥裂解反應(yīng)，在高溫高壓狀態(tài)下，污泥被裂解成液態(tài)。3

16、H( U: Step 5: 冷凝/熱交換，將加熱的污泥水冷卻，能量經(jīng)熱交換器回收。1 E9 N; s) C6 R& b+ S4 V' _Step 6: 污泥液脫水，脫水后的泥餅的含水率為50以下。! e2 d  m4 e- Step 7: 上清液回收，使用膜過濾技術(shù)處理后的水返回污水處理廠。( J1 v  T9 M4 i: g( p0 A, ?$ ) F3 IStep 8: 干化，造粒，根據(jù)用戶需要可以對碳化物進一步干化造粒，或保持原狀。: 3 o9 R! l6 q% ! M3 h0 h( |% 1 N% c1.6污泥碳化的主要參數(shù)/ %

17、 p1 u9 w8 D) 4 d$ b; X% f0 y2 o& o7 p; W/ 進泥含水率：          80%左右（干物質(zhì)20，水80）% N7 D- l6 o0 |6 T2 b+ 5 T0 e碳化物含水率：       50以下（干物質(zhì)20，水20）  G9 # V# c  V& h實際脫水：              75以上

18、 (8020）! T$ K/ s% z: R' + h反應(yīng)時間：              12分鐘9 5 W; h  m; B; m反應(yīng)溫度：              <3004 V: E' ( P  R反應(yīng)壓力：             &#

19、160;<10MPa' t2 z' A& E. NE-fuel燃值（美國）： 3600大卡/公斤DS（消化污泥），4500大卡/公斤DS(未消化): B: T7 H3 H2 A) Z5 J0 f濾出液處理：! & $ f  X: I; K膜生物反應(yīng)器（MBR），達(dá)到國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)。6 b- S$ O, Q! C" i* p9 h4 j蒸發(fā)氣處理：2 m2 |. b8 R. k; p廢氣燃燒旋風(fēng)、過濾器，達(dá)到國家廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。& j! V5 X% % A+ L) Y/ H: B: u$ h, o' l1.7Sl

20、urryCarbTM 碳化工藝質(zhì)量平衡 1.8SlurryCarbTM 碳化工藝能耗（與干化比較） ; p5 b+ a7 s& A: - t* D& h9 % - l2 F（1）理論基礎(chǔ). p0 u) K- # Y) F0 l7 M7 取含水率80的污泥1.25kg（其中水含量為1kg，DS含量為0.25kg）。5 k! Z+ k' J* x& G7 p; 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，* u' 0 i" r* t7 a/ q將1公斤水從20升高至100所需要的能量為80大卡，折合335千焦。將1公斤水在其沸點蒸發(fā)所需要的熱量為40.8千焦/摩爾，相當(dāng)于226

21、0千焦。（五倍于把等量水從一攝氏度加熱到一百攝氏度所需要的熱量）。+ N7 a, Y& T) $ |5 f; L$ _# s# P2 B- H* E（2）污泥干化能耗  L! H9 N1 d5 * Y假設(shè)污泥中干物質(zhì)的比熱與水相同，則0.25公斤干物質(zhì)從20加溫至100需要84千焦。; j9 W- 6 g6 a: Q( z) V3 + e1.25kg含水率80的污泥干化所需要的總能量為：335 2260 84 2679千焦8 r/ d. 2 n) K# v$ N由于干化只能以其干化物質(zhì)進行能量回收（污泥返混），最多只能有30的能量回收，所以干化需要的能量為- I6

22、e6 ! P+ E6 ( a2   c& ：2679 × 70 1875千焦（3）污泥碳化能耗" H/ x/ q- " O/ L2 x( j        在10MPa壓力下，污泥中的水份不會汽化，將1公斤水從160升高至240所需要的能量為80大卡（SlurryCarb工藝的能量回收可將初始污泥的溫度提高至160），折合400千焦。（水在10MPa下的比熱約為5.0×kJ/(kg )。）加壓能量很小，可以忽略不計。: r# i1 q" 假設(shè)污泥中干物質(zhì)的比

23、熱與水相同，將0.25公斤干物質(zhì)從160升高至240需要100千焦。, x* ! " g* B$ o' j# O6 M碳化部分需要的總能量為：400 100 500千焦3 c( W0 Z8 n& k6 i, B; 由于碳化剩余物中還有50的水分，不考慮干物質(zhì)減量，其總量為0.5公斤，用干化方法蒸發(fā)，需要能量應(yīng)為：84 565 84 733千焦 + _; g; q2 Z. q" b" G" S, |0 a同樣考慮30的能量回收，干化所需能量為：733× 70 513 千焦- x+ f& o4 M- h4 m( y4 x!

24、m整個碳化過程需要的能量：500 513 1013 千焦5 + 6 r" C7 |4 K4 c;純干化工藝需要的熱量為1875千焦，碳化后再干化工藝需要的熱量為1013千焦，后者是前者的54，節(jié)省能源約46。! |( |2. SlurryCarbTM工藝的投資* K: q4 H4 m4 n6 Y9 q. X     在美國，建設(shè)一座處理700噸/天污泥（含水率80）污泥干化處理廠的總投資約為7500萬美元，包括全部土建，設(shè)備、安裝和技術(shù)使用費等。其中直接費（設(shè)備，土建）為4000萬美元，工程費為1850萬美元，其他資金籌集，保險等1650萬美元

25、。合到處理100噸/天污泥（含水率80）的總投資為8500萬人民幣。' Q0 N: l/ J8 P$ t  t! R    按同樣的水平和數(shù)量，如果在中國建設(shè)，直接費約2000萬美元，工程費約380萬美元，資金費用約550萬美元，總投資約2930萬美元，合人民幣23440萬人民幣。合到處理100噸/天污泥（含水率80）的總投資為3400萬人民幣。  W# n: G  l7 c% l    由于SlurryCarbTM采用了大量的常規(guī)設(shè)備，總造價比干化設(shè)備的投資要小很多。目前，即使在美國，

26、SlurryCarbTM也是處于起步階段，技術(shù)使用費，設(shè)計費等相對收取的較高，一旦批量推廣，整體造價還會大幅度降低。+ |+ 3 w, B+ L8 O8 R# q- I- i3. SlurryCarbTM工藝運行成本估算 ! g) E, E' / v. I4 e% 4 h+   # u4 c# o3.1計算依據(jù) 3 ?" v% v, E) B) $ c. Y    通常 1000立方米天然氣的價格與1噸原油的價格相當(dāng)。1噸原油 7.3桶原油，按國際市場價格60美元/桶計算，天然氣的最高價格應(yīng)為3.42元人民幣。如果按照50美元/桶計算，

27、天然氣的最高價格應(yīng)為2.85元人民幣。目前，天津地區(qū)天然氣的售價為2.40元人民幣（2006年3月1日起實行）。; M2 b- S  x4 f  L4 m計算的基本依據(jù)：& l; |2 |5 K. ; 3 D% I( A1大卡 3.968 BTU = 4 BTU4 L( 5 2 g0 x) T. 1 Btu 1055.6 焦耳 1 KJ5 ?/ v' A5 M. 2 p1 i# C1立方米天然氣熱量 8600 大卡1 l9 A% N7 r/ j, ; h天然氣燃燒的熱效率一般按65計算（最高可達(dá) 75）; v3 x" n

28、0; - I, 煤炭的熱效率一般按50（最高可達(dá)60）9 H6 e2 d0 a( ' : 1度電 860 大卡8 u7 3 D! J& ' h* O  B. V1kg 標(biāo)準(zhǔn)煤 7000 大卡' w" e8 v) m9 w2 # w* J' s1kg 水從0加熱到100需要100大卡0 a% S; l& q8 R0 p  z1 E- i1kg水變成蒸汽約為500大卡# x% e, E$ t7 R/ L* y) _3 Y, P0 h: E3.2污泥碳化的運行成本 ( ?+ c& M/

29、 A# V8 E4 J! p+ P（1）Enertech計算的運行成本（炭化物銷售）# X' X' B3 / o: i, n% p: ?7 B$ V4 D& q7 * M8 d污泥碳化工藝中的換熱器出口溫度為160度，加熱至260度，不氣化，即可將污泥中的水分脫至50以下。+ F/ L4 K  R  S; F; a0 S1公斤水加熱需要天然氣量 100 / 65% /8600 = 0.018 立方米1 Z+ 1噸污泥碳化需要天然氣量 0.018 * 1000 = 18 立方米( M4 E9 A; K5 ; f2 u; j假設(shè)污泥中

30、的含水率為80，當(dāng)含水率降至50時，75的水分已經(jīng)被機械脫出，1噸污泥中只有200公斤的水需要氣化。7 F6 i% u5 z+ i1公斤水干化需要天然氣量 600 / 65% /8600 = 0.107 立方米8 Q$ c6 K: K1 x5 |200公斤的水氣化需要天然氣量 21.4立方米7 T4 j9 T% Z% N( , 采用直接干化，通過污泥干混，最大可節(jié)省20的能量，即需要17.1立方米天然氣。' ?+ h$ Y- f4 W' |3 k. ?6 F碳化干化，共需要天然氣35.1立方米。按當(dāng)前天然氣價格計算為84.24元人民幣。$ i% N, H4 e. r! a&am

31、p; M污水處理費根據(jù)實際濾出水BOD和COD的值約為1220元人民幣不等。( o8 m/ I4 O. 3 A+ D電費和藥劑費等15元人民幣/噸左右。1 $ B( g+ o2 n0 T人工費5元/噸左右。* t2 f  * b( e: 每噸污泥生產(chǎn)的碳化物為140公斤，在美國的銷售價格為10美元/噸，折合人民幣11.7元。/ n. j. Q# j  4 V0 " X合計 84.24 16 15 5 11.7 108.54元人民幣* x! k6 Z3 S5 m4 J: T- z! y, M以上計算是按照美國Enertech公司在加州Railto

32、項目中的計算得出的。9（2）中國計算運行成本（按照碳化物自行利用后填埋計算）. K3 o( K7 B( 在中國項目中，碳化物的銷售前景不能確定，另外，中國目前絕大多數(shù)地區(qū)允許填埋，應(yīng)該考慮自行利用。1 B9 P3 y9 G( G. w    1公斤炭化物（消化后污泥的碳化物）在美國，相當(dāng)于1/3立方米的天然氣。在中國，只能相當(dāng)于1/4立方米的天然氣，加之，煤的燃燒效率要比天然氣的燃燒效率低1015，計算時應(yīng)按照1公斤炭化物1/5立方米天然氣比較合理。8 L8 Z; N% d6 r) L0 1 y    每噸污泥的碳化物相當(dāng)于天然氣140×1/5

33、28 立方米67.2元人民幣( Q( + z( . . d$ H' H4 M" E4 z2 y碳化物燃燒后需要填埋，按每立方米50元計算，剩余渣的填埋費和運輸費約10元左右。4 l0 N" N+ y# j  B8 b; f按中國實際的情況，污泥碳化的成本可以進一步減少為：8 E) 3 X合計84.241615567.21063.04元人民幣; 4 / X% e. Y0 8 c! o# L5 E4 c3.3、污泥碳化的BOT成本 % E0 V. R- a/ C# Q3     以設(shè)備折舊20年計算，每噸濕污泥需要考慮折舊費50元

34、左右。) z" 按照Enertech美國的計算方法（即碳化物廉價賣給水泥廠），每噸污泥的最終成本為158.54元人民幣。2 H! q, o5 B9 '     按照中國的計算方法（即碳化物自行利用后填埋），每噸污泥的最終成本為113.04元人民幣。) H1 t' r1 a* O6 # 3 )   y. A1 y" R3 L- F: W2 C$ N/ p: S3.4純干化工藝的成本分析 9 b( G+ w! x$ O# p( S! W8 J, G, G: B3 d( X1公斤水干化需要天然氣量 600 / 65% /8600 = 0.107 立方米7 ?* Q7 d. O! g& k: D7 B) H" 800公斤的水氣化需要天然氣量 85立方米8 N) i! , R9 l: b$ B采用直接干化技術(shù)，通過污泥干混，最大可節(jié)省20的能量，即需要68立方米天然氣。按當(dāng)前天然氣價格計算為163.20元人民幣。, q' j% O: Q  7 Q電費和藥劑費等15元人民幣/噸左右。- G$ o( 0 a2 % K/ _人工費5元/噸左右。3 U$ n1 X5 G) 每噸污泥生產(chǎn)的干化物為140公斤，全部填埋（按每立方米填埋費50元