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(yàn)，中國市政污泥中的發(fā)熱量約為 2200-3300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分脫出， 能 源消耗少，剩余產(chǎn)物中的碳含量

2、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 （1980-1990 年）。這個階段的研究集中在污泥碳化機(jī)理的研究上。這個階段一個突出 特點(diǎn)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。（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

3、商業(yè)化之前，為了減少投資風(fēng)險，需要對該技術(shù)進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)性試驗(yàn)（ PilotTrial ） o 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

4、國 EPAo（3）大規(guī)模的商業(yè)推廣階段 （2000 ）。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。 在 H 木，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，日木已經(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，曰本日環(huán)特殊 株 式會社甚至推出了標(biāo)準(zhǔn)

5、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(jìn)行碳化。這些發(fā)展表明，碳化技術(shù)己趨于成熟。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（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， 才能對其污泥進(jìn)行處置。另外，現(xiàn)有的填埋場己經(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

6、國各個州，各個 County） 的 政府內(nèi)都建立了專門的污泥處置研究機(jī)構(gòu)， 對可能的解決方案進(jìn)行 可 行性研究。在研究了一些傳統(tǒng)的污泥處置方案 （如焚燒， 堆肥，干 化） 的同時，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，己經(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 Environmental Co.）建設(shè)、運(yùn)行。1.3污泥碳化的分類（ 1） 高溫碳化碳化時不加壓，溫度為 1,200 - l,800 F （ 649-982C）o 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

7、化顆粒 可以 作為低級燃料使用，其熱值約為 2000-3000 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)以及美國的 IES 等。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量化和資源化，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 TOC o 1-5 h z 碳化時不加壓，溫度為 800 - 1000 F（426-537C） 。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

8、 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，碳化時加壓至 lOMPa 左右，碳化溫度為 600F 左 右（315C），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 3600-4900大卡 / 公 斤（在美國）。 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

9、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。 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 SlurrycarbTM， 該工藝是連續(xù)式 的。其工藝是將污泥加壓至1000-1500psig (70-100kg/cm2),通過熱 交換器，加溫至 400-450F (204-232 C)o 熱化分解反應(yīng)時，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月美國能 源部( DOE) 撥款 50萬美元，支持能源技術(shù)

10、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。該工廠己經(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，己經(jīng)全部與Enertech簽署了協(xié)議 書。該廠預(yù)計(jì)2008年

11、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。(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嚇(315 C ),壓力是2,000 psig (138kg/cm2)o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 碳化物相同。該公司曾在美國加州 Colton

12、 污水處理廠做了一個 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)。Step5:冷凝/ 熱交換，將加熱的污泥水冷卻，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)用戶需要可以對碳化物進(jìn)一步干化造粒，或保持原

13、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：75%以上 （80-20）反應(yīng)時間：12 分鐘反應(yīng)溫度：300 C反應(yīng)壓力： vlOMPaE-fuel燃值（美國）：3600大卡/公斤DS （消化污泥），4500大卡/公 斤DS （未消化）濾出液處理：膜生物反應(yīng)器 （MBR ）,達(dá)到國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)。蒸發(fā)氣處理：廢氣燃燒 +旋風(fēng)、過濾器，達(dá)到國家廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。1.7SlurryCarbTM 碳化匚藝質(zhì)量平衡1.8SlurryCarbTM 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.

14、25kg （其中水含量為Ikg, DS含量為0.25kg） o標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，將1公斤水從20C升高至100C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公斤干物質(zhì)從20C加溫至 100C 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

15、以干化需要的能量為：2679x70%= 1875千焦（ 3） 污泥碳化能耗在 lOMPa 壓力下，污泥中的水份不會汽化，將 1 公斤水從 160C 升 高至240C所需要的能量為80大卡（Slurry Carb工藝的能量回收可將 初始污泥的溫度提高至160C），折合400千焦。（水在lOMPa下的比熱 約為5.0 xkJ/（kg C）。）加壓能量很小，可以忽略不計(jì)。假設(shè)污泥中 干物質(zhì)的比熱與水相同，將 0.25 公斤干物質(zhì)從 160C 升高至 240C 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

16、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： 733x70%= 513 千 隹整個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 1 875千焦，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，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(fèi)等。其中直接費(fèi)（設(shè)備，土建）為4000萬美元，

17、工程費(fèi)為 1850 萬美元，其他資金籌集，保險等 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， 總造價比干化設(shè)備的 投 資要小很多。目前，即使在美國， SlurryCarbTM 也是處于起步階 段， 技術(shù)使用費(fèi)，設(shè)計(jì)費(fèi)等相對收取的較高

18、，一旦批量推廣，整體造 價 還會大幅度降低。3. SlurryCarbTM 工藝運(yùn)行成木估算3.1計(jì)算依據(jù)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(jì)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(jì)算，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(shí)行）。計(jì)算的基木依據(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一般

19、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lkg 標(biāo)準(zhǔn)煤 =7000 大卡Ikg水從0C加熱到100 需要100大卡lkg 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

20、降至 50%時，75%的水分己 經(jīng) 被機(jī)械脫出， 1 噸污泥中只有 200公斤的水需要?dú)饣?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 =2 1 .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12-20元人民幣 不電費(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, 在美國的銷售價格為 1

21、0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Enertech公司在加州Railto項(xiàng)目中的計(jì)算得出 的。（2）中國計(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 項(xiàng)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 10% 15%,計(jì)算時應(yīng)按照 1公斤 炭化 物=1/5 立方米天然氣比較合理。

22、每噸污泥的碳化物相當(dāng)于天然氣 =140 x1/5 = 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 成木以設(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美國的計(jì)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。按照中國的計(jì)算方法（即碳化物自行利用后填埋），每噸污泥的最 終成木為 113.04元

23、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 T 化運(yùn)行成本合計(jì) =163.20+15 + 5 + 8.4= 191.6元人民幣建設(shè) 100 噸 濕污泥處理能力的純干化廠目前為 3000-5000萬元人民幣不 等。取最