美國(guó)SlurryCardTM污泥碳化工藝

1、美國(guó)SlurryCardTM污泥碳化工藝1.1 什么是污泥碳化  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(yàn)，中國(guó)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。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(shí)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(shì)在于，污泥碳化是通過裂解方式將污泥中的水分脫出，能源消耗少，剩余產(chǎn)物中的碳含量高，發(fā)

2、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(jià)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(gè)階段。（1）理論研究階段（19801990年）。這個(gè)階段的研究集中在污泥碳化機(jī)理的研究上。這個(gè)階段一個(gè)突出特點(diǎn)就是大量的專利申請(qǐng)。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(qǐng)和批準(zhǔn)的。（2）小規(guī)模生產(chǎn)試驗(yàn)階段（19902000年）。隨著污泥碳化理論研究的深入和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)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(xiǎn)，需

3、要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)性試驗(yàn)（Pilot Trial）。通過這些試驗(yàn)，污泥碳化技術(shù)開始從實(shí)驗(yàn)室走向工廠。這期間設(shè)計(jì)和制造了許多專用設(shè)備，解決了大量實(shí)際工廠化的技術(shù)問題。這個(gè)階段的特點(diǎn)如下：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(gè)污泥碳化試驗(yàn)廠；1997年Thermo Energy 在加利福尼亞州Colton市建立了一個(gè)污泥碳化實(shí)驗(yàn)廠規(guī)模為每天處理5噸干泥。試驗(yàn)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(yàn)均來自大公司，在加州的試驗(yàn)資金是來自美國(guó)EPA。（3）大規(guī)模的商業(yè)推廣階段（2000）。除了污泥碳化技術(shù)

4、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。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(duì)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，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(huì)上，日本日環(huán)特殊株式會(huì)社甚至推出了標(biāo)準(zhǔn)的污泥碳化減量車。該車可以隨時(shí)到任何有污泥的場(chǎng)所對(duì)污泥進(jìn)行碳化。這些發(fā)展表明，碳化技術(shù)已趨于成熟。在美國(guó)，很多

5、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(duì)地下水的污染，未處理污泥填埋后造成填埋場(chǎng)對(duì)環(huán)境的危害，美國(guó)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（Class A污泥）才允許填埋。這項(xiàng)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(duì)其污泥進(jìn)行處置。另外，現(xiàn)有的填埋場(chǎng)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(chǎng)逐漸用盡的問題，2000年以后，在美國(guó)各個(gè)州，各個(gè)縣（County）的政府內(nèi)都建立了專門的污泥處置研究機(jī)構(gòu)，對(duì)可能的解決方案進(jìn)行可行性研究。在研究了一些傳統(tǒng)的污泥處置方案（如

6、焚燒，堆肥，干化）的同時(shí)，新的污泥碳化技術(shù)開始進(jìn)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(gè)每天處理675噸污泥的碳化廠，由能源技術(shù)公司（Enertech Environmental Co.）建設(shè)、運(yùn)行。1.3污泥碳化的分類:（1）高溫碳化碳化時(shí)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(jìn)入炭化爐高溫碳化造粒。碳化顆?？梢宰鳛榈图?jí)燃料使用，其熱值約為20003000大卡/公斤（在日本或美國(guó)）。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)以及美國(guó)的IES等。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量化和資

7、源化，但由于其技術(shù)復(fù)雜，運(yùn)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。（2）中溫碳化碳化時(shí)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(jìn)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/日的處理廠。該技術(shù)可以實(shí)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(duì)污泥實(shí)行碳化，其經(jīng)濟(jì)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。（3）低溫碳化碳化前無需干化，

8、碳化時(shí)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(jí)燃料使用，其熱值約為36004900大卡/公斤（在美國(guó)）。該技術(shù)的特點(diǎn)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(jī)械方法即可將污泥中75的水分脫除，極大地節(jié)省了運(yùn)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。注：該分類為傳統(tǒng)意義上的分類，主要區(qū)別在于溫度控制范圍的不同以及是否增加壓強(qiáng)。1.4污泥低溫碳化技術(shù)的廠家:（1）EnerTech（能源技術(shù)）：該公司1992年成立，技術(shù)名稱為S

9、lurrycarbTM，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(shí)，污泥中的有機(jī)物被分解，二氧化碳?xì)鈴墓腆w中被分離。1999年8月美國(guó)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(guó)太空總署簽訂了2年的合同。能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(guó)加州Railto建立一座每天處理625噸污

10、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(dòng)工，加州共有5個(gè)地區(qū)向該廠提供污泥，已經(jīng)全部與Enertech簽署了協(xié)議書。該廠已經(jīng)于2009年初完工投產(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。（2）ThermoEnergy（熱能）：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）。熱能的工藝是批處理，每批需

11、20分鐘的反應(yīng)時(shí)間，有兩個(gè)并行的壓力活塞和反應(yīng)罐，這樣可以使整個(gè)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(gè)工藝產(chǎn)生的碳化物與EnerTech的產(chǎn)生的碳化物相同。該公司曾在美國(guó)加州Colton污水處理廠做了一個(gè)試驗(yàn)廠，目前沒有推廣的報(bào)導(dǎo)。1.5 SlurryCarbTM 碳化工藝流程Step 1: 污泥預(yù)處理，將含水率80左右的脫水污泥切碎，攪拌。Step 2: 污泥加壓，將污泥加壓送入碳化系統(tǒng)。Step 3: 污泥加熱，通過外部熱源為污泥加熱。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)。Step 5: 冷凝/熱交換，將加熱的污泥水冷卻，

12、能量經(jīng)熱交換器回收。Step 6: 污泥液脫水，脫水后的泥餅的含水率為50以下。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。Step 8: 干化，造粒，根據(jù)用戶需要可以對(duì)碳化物進(jìn)一步干化造粒，或保持原狀。1.6污泥碳化的主要參數(shù)  進(jìn)泥含水率：          80%左右（干物質(zhì)20，水80）碳化物含水率：       50以下（干物質(zhì)20，水20）實(shí)際脫水：          

13、   75以上 (8020）反應(yīng)時(shí)間：              12分鐘反應(yīng)溫度：              <300反應(yīng)壓力：              <10MPaE-fuel燃值（美國(guó)）： 3600大卡/公斤DS（消化污泥），4500大卡/公斤DS(

14、未消化)濾出液處理：膜生物反應(yīng)器（MBR），達(dá)到國(guó)家污水排放標(biāo)準(zhǔn)。蒸發(fā)氣處理：廢氣燃燒旋風(fēng)、過濾器，達(dá)到國(guó)家廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。1.7 SlurryCarbTM 碳化工藝質(zhì)量平衡1.8 SlurryCarbTM 碳化工藝能耗（與干化比較）（1）理論基礎(chǔ)取含水率80的污泥1.25kg（其中水含量為1kg，DS含量為0.25kg）。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，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(diǎn)蒸發(fā)所需要的熱量為40.8千焦/摩爾，相當(dāng)于2260千焦。（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）。（2）污泥干化能耗假設(shè)污泥中干物質(zhì)的比熱與水相同，則0.25

15、公斤干物質(zhì)從20加溫至100需要84千焦。1.25kg含水率80的污泥干化所需要的總能量為：335 2260 84 2679千焦    由于干化只能以其干化物質(zhì)進(jìn)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：2679 × 70 1875千焦（3）污泥碳化能耗在10MPa壓力下，污泥中的水份不會(huì)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(jì)。假設(shè)污泥中干

16、物質(zhì)的比熱與水相同，將0.25公斤干物質(zhì)從160升高至240需要100千焦。碳化部分需要的總能量為：400 100 500千焦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 84 733千焦同樣考慮30的能量回收，干化所需能量為：733× 70 513 千焦整個(gè)碳化過程需要的能量：500 513 1013 千焦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    在美國(guó)，建設(shè)一座處理700噸/天

17、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(fèi)等。其中直接費(fèi)（設(shè)備，土建）為4000萬美元，工程費(fèi)為1850萬美元，其他資金籌集，保險(xiǎn)等1650萬美元。合到處理100噸/天污泥（含水率80）的總投資為8500萬人民幣。按同樣的水平和數(shù)量，如果在中國(guó)建設(shè)，直接費(fèi)約2000萬美元，工程費(fèi)約380萬美元，資金費(fèi)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。由于SlurryCarbTM采用了大量的常規(guī)設(shè)備，總造價(jià)比干化設(shè)備的投資要小很多。目前，即使在美國(guó)，Slur

18、ryCarbTM也是處于起步階段，技術(shù)使用費(fèi)，設(shè)計(jì)費(fèi)等相對(duì)收取的較高，一旦批量推廣，整體造價(jià)還會(huì)大幅度降低。3. SlurryCarbTM工藝運(yùn)行成本估算3.1計(jì)算依據(jù) 通常 1000立方米天然氣的價(jià)格與1噸原油的價(jià)格相當(dāng)。1噸原油7.3桶原油，按國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格60美元/桶計(jì)算，天然氣的最高價(jià)格應(yīng)為3.42元人民幣。如果按照50美元/桶計(jì)算，天然氣的最高價(jià)格應(yīng)為2.85元人民幣。目前，天津地區(qū)天然氣的售價(jià)為2.40元人民幣（2006年3月1日起實(shí)行）。計(jì)算的基本依據(jù)： 1大卡3.968 BTU = 4 BTU1 Btu 1055.6 焦耳1 KJ1立方米天然氣熱量8600 大卡天然氣燃燒的熱效率

19、一般按65計(jì)算（最高可達(dá) 75）煤炭的熱效率一般按50（最高可達(dá)60）1度電860 大卡1kg 標(biāo)準(zhǔn)煤7000 大卡1kg 水從0加熱到100需要100大卡1kg水變成蒸汽約為500大卡3.2污泥碳化的運(yùn)行成本 （1）Enertech計(jì)算的運(yùn)行成本（炭化物銷售）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。       1公斤水加熱需要天然氣量100 / 65% /8600 = 0.018 立方米        1噸污泥碳化需要天然氣

20、量0.018 * 1000 = 18 立方米假設(shè)污泥中的含水率為80，當(dāng)含水率降至50時(shí)，75的水分已經(jīng)被機(jī)械脫出，1噸污泥中只有200公斤的水需要?dú)饣?#160;  1公斤水干化需要天然氣量600 / 65% /8600 = 0.107 立方米        200公斤的水氣化需要天然氣量21.4立方米采用直接干化，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。碳化干化，共需要天然氣35.1立方米。按當(dāng)前天然氣價(jià)格計(jì)算為84.24元人民幣。污水處理費(fèi)根據(jù)實(shí)際濾出水BOD和COD的值約為1220元人民幣不

21、等。電費(fèi)和藥劑費(fèi)等15元人民幣/噸左右。 人工費(fèi)5元/噸左右。    每噸污泥生產(chǎn)的碳化物為140公斤，在美國(guó)的銷售價(jià)格為10美元/噸，折合人民幣11.7元。合計(jì)84.24 16 15 5 11.7 108.54元人民幣以上計(jì)算是按照美國(guó)Enertech公司在加州Railto項(xiàng)目中的計(jì)算得出的。（2）中國(guó)計(jì)算運(yùn)行成本（按照碳化物自行利用后填埋計(jì)算）在中國(guó)項(xiàng)目中，碳化物的銷售前景不能確定，另外，中國(guó)目前絕大多數(shù)地區(qū)允許填埋，應(yīng)該考慮自行利用。     1公斤炭化物（消化后污泥的碳化物）在美國(guó)，相當(dāng)于1/3立方米的天然氣。在中國(guó)，只能相當(dāng)于1/4立

22、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(jì)算時(shí)應(yīng)按照1公斤炭化物1/5立方米天然氣比較合理。每噸污泥的碳化物相當(dāng)于天然氣 140 × 1/5 28 立方米 67.2元人民幣碳化物燃燒后需要填埋，按每立方米50元計(jì)算，剩余渣的填埋費(fèi)和運(yùn)輸費(fèi)約10元左右。按中國(guó)實(shí)際的情況，污泥碳化的成本可以進(jìn)一步減少為：合計(jì) 84.24 16 15 5 67.2 10 63.04元人民幣3.3污泥碳化的BOT成本 以設(shè)備折舊20年計(jì)算，每噸濕污泥需要考慮折舊費(fèi)50元左右。按照Enertech美國(guó)的計(jì)算方法（即碳化物廉價(jià)賣給水泥廠），每噸污泥的最終成本為158.54元人民幣。按照中

23、國(guó)的計(jì)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。3.4純干化工藝的成本分析        1公斤水干化需要天然氣量600 / 65% /8600 = 0.107 立方米        800公斤的水氣化需要天然氣量85立方米采用直接干化技術(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(jià)格計(jì)算為163.20元人民幣。電費(fèi)和藥劑費(fèi)等15元人民幣/噸左右。人工費(fèi)5元/噸左右。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(fèi)50元，運(yùn)費(fèi)10元計(jì)算），折合人民幣8.4元。純干化運(yùn)行成本合計(jì)