浅析有机污泥热解炭化技术

浅析有机污泥热解炭化技术

王其

中冶京诚工程技术有限公司 北京市

摘要：有机污泥的常规处理方式以填埋为主，但是弊端比较明显，除了占用大量的土地资源外，还会对土壤、地下水造成污染。现阶段可用于污泥无害化处理的技术有多种，例如厌氧消化、好氧发酵、石灰稳定等。相比之下，热解炭化技术不仅具有减量化、无害化的特点，还能将污泥处理产物实现资源化利用，在生态效益和经济效益之间达到了兼顾。本文以有机污泥热解炭化技术为核心，提出了建设有机污泥处理项目的方案。在此基础上，首先介绍了污泥热解炭化技术的应用优势，随后对比了低温炭化、高温炭化两种方式的优缺点，最终选择高温炭化处理方式。最后分别从预浓缩、稀释调理、深度脱水、热解炭化、污泥存储及碳粒利用等方面，对有机污泥的热解炭化处理流程和技术要点进行了简要分析，为实现有机污泥的无害化处理、资源化利用提供了技术支持。

关键词：有机污泥；深度脱水系统；热解炭化技术

污泥热解炭化是近几年兴起的一种环保新技术，技术原理是利用干化、热解使含有较多污染物的湿污泥，转化成干燥的碳粒。不仅实现了无害化处理，而且碳粒还可以用作制砖材料或园林绿化，创造一定的经济价值。此外，高温炭化时污泥释放的热解气中也包含多种可燃气体成分，在一定条件下燃烧释放热能，用于湿污泥的脱水干化和炭化。近年来，热解炭化技术逐渐成为工业企业、污水处理厂等进行污泥处理的一种常用技术。

1.有机污泥处理项目概况

某市政污水处理厂运营中每日产生湿污泥量为46t/d，含水率约为80%。原来的污泥处理方案以填埋为主。近几年，该市现有的填埋场已经趋于饱和，加上环保要求日益严格，无法继续选择污泥填埋处理。在这一背景下，提出了以热解炭化处理技术为核心的污泥处理项目建设方案。项目要求为：（1）对污泥进行无害化处理，避免最终处理产物对环境造成二次污染；（2）在无害化的基础上，尽量实现资源化利用，回收一部分成本；（3）注意控制成本，该项目总投资3000万元，其中工程费用2500万元，建设工期为1年。

2.有机污泥特性分析

本项目主要用于处理市政污水处理厂排放的污泥。经过污泥取样分析，其基本指标如下：含水率80%；pH7.5-9.0；有机质60%-70%；另外，还含有Ag、Pb、Cr等多种重金属。从调查情况来看，该污水处理厂的污泥具有成分复杂、含水率高、干基热值高等特点。

3.有机污泥的热解炭化技术

3.1技术简介

污泥热解炭化是在低氧或无氧环境中，对污泥进行加热并使其中的有机物裂解。将烟气中的粉尘和污染气体滤除后，得到以加完、乙烷、焦油等为主的可燃挥发性气体。在水分蒸发、气体挥发之后，剩下的污泥缓慢炭化，最终得到含有固定碳素的碳化产品。整个过程大体包含了脱水、热解、碳化三个阶段，该技术具有减量化、稳定化、资源化、无害化等特点。由于可燃性气体和炭化产品都可重复利用，不产生二噁英、二氧化硫、氮氧化物等污染成分，因此热解炭化技术在环保效益和经济效益上均具有独特优势。

3.2污泥热解炭化的技术优势

由于有机污泥中含有大量重金属，不可直接填埋，实现污泥的无害化处理尤为关键。焚烧处理具有减量化和无害化的效果，但是由于污泥含水率通常在80%以上，因此能耗与成本较高，其推广使用也面临较强的限制。近几年兴起的污泥热解炭化技术，解决传统污泥处理技术的诸多弊端，其优势主要体现在：

其一，减量化。污泥经升温、热解，使其水分完全蒸发后，所剩固体残渣仅为原体积的1/10，减量效果十分显著。再将固体残渣填埋处理，可有效降低对土地空间的占用，间接地降低了成本。

其二，无害化。有机污泥中的微生物、有机质、重金属等污染物，经过加热、炭化处理工序后，通过分解、转化、蒸发等方式，所得的最终产物为无害的固体残渣，直接填埋后不会对土壤造成危害。

其三，资源化。污泥在热解炭化处理中，会释放出能量较高的热解气，主要成分有一氧化碳、甲烷等。将热解气收集起来，进行净化处理后，通入燃烧室可使热解气完全燃烧，产生的热能重新为污泥热解提供能源。

3.3污泥炭化方式的对比

3.3.1低温炭化技术

在不做干化处理的前提下，将压力调至10MPa、温度调至15℃，使污泥炭化成为液态。在压力作用下，污泥中约有75%的水分会被“压”出，从而达到了显著的脱水、干化效果。采用低温炭化技术进行污泥热化分解时，除了加速污泥中有机物的分解外，二氧化碳也会逸出，但是有利用价值的碳质却被保留，因此污泥干化造粒后具有可燃性。将其与其他燃料按照一定比例混合，可替代常规的不可再生资源以满足工业生产的需要，从而使污泥的减量化接近100%。当然，低温炭化技术也有不足，例如污泥裂解脱水后的生物浓液存在污染性，必须要设置专门的工艺进行处理。

3.3.2中温炭化技术

中温炭化是在特定的条件下，从有机污泥中提取重油。但是在技术的实际应用中，存在重油品质不高的问题，其热值只有普通柴油的80%，使用效果不理想。除此之外，重油中存在较多杂质，不能直接出售或使用，需要借助于其他装置对其过滤、除杂，增加了成本。因此，受到诸多条件的限制，目前中温炭化技术基本上已经退出污泥炭化市场。若未来有高效的重油利用装置量产，该技术有望推广使用。

3.3.3高温炭化技术

高温炭化是将温度设定在649-982℃，无需加压，但是加热污泥之前要经过一道干化处理工艺，使污泥含水率≤50%。之后再利用炭化机进行高温加热、炭化造粒，最后制作成热值在2000-3000大卡/公斤的颗粒。相比于低温炭化工艺，该技术的优势在于：其一，原污泥中的水分都是加热蒸发的，因此整个处理工序中不会产生生物废液。其二，末端产物的含水率稳定控制在10%以内，可用作制砖的原材料，或者建材路基的原材料。该技术的缺陷在于能耗较高，需要提供较多的汽化热能使水分蒸发。

3.3.3炭化方式的选择

除了比较常见的低温、高温炭化技术外，还有一种介于两者之间的中温炭化技术，但是由于污泥处理不彻底、利用率不高等原因，已经逐渐被淘汰，故不在考虑范围之内。从工艺流程、投资成本、处理效果以及资源再利用等多方面进行对比，可以发现高温炭化虽然投资成本略高，但是不会出现二次污染问题，此外还有资源再利用率高、减量化与稳定性效果好等优势，因此可作为工业有机污泥热解炭化处理的优先选择。

3.4污泥“深度脱水+热解炭化”工艺

3.4.1污泥预浓缩系统

本项目由于前端无浓缩池，厂区含水率99.2%的剩余污泥进入储泥池，如果这部分污泥直接进入压滤系统，导致压滤系统处理负荷较高，需要配置设备处理能力较大，增加了成本。因此污泥进入调理系统前先进行预浓缩，把含水率控制在88—92%。预浓缩系统的核心装置是一台由过滤体和螺旋轴组成的叠螺脱水机。需要进行预处理的污泥，进入叠螺脱水机后首先进入过滤体。允许滤液从过滤体的间隙中排出，而固体则被阻挡在过滤体的一侧。将固体收集起来，既可得到高度浓缩的污泥。然后浓缩污泥再进入到脱水腔，在螺旋轴的高速旋转带动下，实现高效脱水。相比于原污泥，过滤之后污泥含水率可降低10%左右。叠螺脱水机的优势在于自动化程度高，并且节水节能效益更高。单台设备的污泥浓缩处理效率可以达到40-50m³/h，对浓度在2000-30000mg/L的污泥均可适用。

3.4.2污泥调理系统

完成预浓缩处理工艺后，污泥含水率维持在75%-80%之间。理论上来说可以直接进入热解炭化系统，但是基于能耗与成本等方面的考虑，在实际处理中还需要增加一道调理工序。功能主要有两方面，其一是进一步降低污泥含水率；其二是改善污泥的可压缩性。调理的原理是运用特定的技术（化学、生物等）对污泥颗粒表面的有机物进行改性，达到破坏胶体结构、降低水分结合容量等效果，提高脱水效果。根据调理方式的不同，又可分为物理调理、化学调理、生物调理等几种技术。物理调理的操作简单，不需要添加化学试剂，不造成二次污染。但是由于大量使用硅藻土、粉煤灰等调理物，因此终端污泥量会明显增加，增加了后续处理的成本。化学调理需要借助于无机金属盐、有机高分子等药剂，脱水效率高，但是可能会产生新的污染物。生物调理则是利用各种复合酶，提供适宜其生长、活动的环境，达到改善污泥分子结构、提高脱水性能、降低污泥臭味的效果。在综合考虑投入成本、调理效果等因素后，本项目的污泥脱水调理系统中，选择基于生物复合酶的生物调理技术。

3.4.3污泥深度脱水系统

经过上述处理后，污泥含水率可降低至80%左右。为了减少热解炭化环节的能耗，还需要通过深度脱水系统，将污泥含水率进一步降低到60%以下。在污泥深度脱水工序中，采用高效节能模块化污泥自动压滤脱水设备，调理后的污泥在该设备的挤压下，含水率可由75%-85%左右降低至60%左右，实现污泥减量化50%以上。在具体的设备选型上，带式压滤机、卧式隔膜板框脱水机等设备均可达到深度脱水的要求。但是在实际应用中，立式压滤机高干污泥脱水机具有脱水更加彻底（最低可达到45%）、减量化更加明显（最高可达80%）、不需要外加热能的特点，因此可以作为深度脱水设备的优先选项。除了工艺性能上的优势外，立式压滤机高干污泥脱水机还具有占地面积小、自动化程度高、无需更换滤板等优势。

3.4.4污泥热解炭化系统

热解炭化是有机污泥处理的关键工艺。该系统的核心设备是一体化污泥连续炭化机。污泥（含水60%以下）经密闭螺旋进入炭化机内筒，在内筒扬料板的作用下缓缓前行，利用外筒热辐射将污泥进一步脱水和物料升温，污泥进入内筒后，依次经过干燥段（150℃）→热解段（250℃-450）→炭化段（450-650℃）→降温段（140℃）后形成炭粒并排出。外筒由天然气和热解气燃烧提供热量，保证炭化区污泥温度控制在650℃左右使污泥充分炭化。由于最高温度可以达到650℃，为了防止筒体材料受热变形，在外部筒体上使用了保温岩棉进行隔热、减缓散热，兼顾保护与节能效果。炭化机内部使用高效传热装置，提高热传导效率，增大热交换面积，保证较高的炭化效率。从设备运行效果来看，在炭化机内装满污泥的情况下，只需要40min即可实现完全炭化。另外，在炭化结束后，该设备还能对干燥的污泥进行自动压实、破碎，形成硬度较大的碳粒，这就为污泥的存储和再利用提供了便利。在炭化段污泥热解产生的气体，收集起来进入洗涤塔，经过除雾器、热交换器、去水分离器之后，进入燃烧室，在辅助燃料的作用下重新燃烧，产生的热能重新用于污泥热解炭化。

3.4.5炭化污泥存储系统

在污泥热解炭化处理后，所得的碳粒从设备尾端的排放口掉落到下方的输送带上。碳粒的含水量≤5%，温度在130-140℃。为了防止碳粒出现自燃、造成热能浪费，因此需要对碳粒进行冷却降温处理。在输送带的下方敷设2条循环水管。通入循环流动的冷水，达到辅助降温的效果。在输送带的末端，碳粒温度应控制在70℃以内。如果碳粒数量较多，仅靠冷水管降温效果不理想，还可以在输送带两侧布置若干水冷喷嘴，通过喷出冷低温水雾的方式，对高温碳粒进行降温。在输送带末端碳粒温度可降低至50℃以下，但是含水率会有一定程度的升高，通常在10%左右。冷却水采用污水净化后的中水，这样既可以实现资源的重复利用，同时又不会产生新的污染物，节能环保效益良好。经过降温处理后的碳粒被存储到出料仓中，后续可用作燃料或制砖原材料。

3.4.6烟气及臭气处理系统

由于有机污泥中含有较多的有机质、重金属以及其他污染物，在热解炭化处理中，会释放出大量的烟气和臭气。如果直接排放到大气中，会造成空气污染。从烟气、臭气的采样化验来看，主要成分包括水蒸气、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、氯气、氨气等。由于烟气、臭气是在高温加热环节产生的，温度较高，处理前也必须做降温处理。另外考虑到烟气中可能夹杂一些粉尘颗粒，还应做除尘处理。本工程烟气处理总体思路：首先对高温气体进行喷粉吸附VOCs气体；接着预除尘后进入引风机；然后进入净化塔，净化塔底部经喷淋降温，上部经湿式电除尘器，湿式电除尘器进一步去除微细颗粒物（PM2.5粉尘、SO₃酸雾）、重金属（Hg、As、Se）、有机污染物等，最后通过顶部烟囱实现烟气有组织达标排放。该系统的核心设备是喷淋塔，喷淋水中可加入碱液，对吸收烟气中的二氧化硫、一氧化碳等酸性气体有很好效果。电除尘器也是关键设备之一，可用于收集粉尘颗粒，进一步提升净化效果。

3.4.7污泥碳资源利用系统

在有机污泥的热解炭化处理中，产生的热解气和碳粒，都可以进行重复利用。如上文所述，热解气中含有水蒸气、一氧化碳和油滴。热解气经过除尘、除酸处理后，将其输送到燃烧室，在辅助燃料和助燃空气的作用下，一氧化碳和油滴被瞬间点燃，燃烧并释放热量；高温环境下，水蒸气也被分解成氢气和氧气，发生剧烈燃烧。从燃烧室排放出来的高温热气，通过保温管路进入到间接加热式回转窑，重新用于污泥热解炭化，从而实现了能量的循环利用。随着工艺与设备的不断升级，热解气的热能回收利用率可以达到60-70%。污泥热解炭化的最终产物--碳粒也有着多种用途，比较常见的是作为制作透水砖的原材料。从微观层面上来看，碳粒属于多孔材料，利用碳粒加压、整形制作透水砖，既可以实现废物的资源化利用，同时透水砖的强度高、渗透效果好、不产生污染，在海绵城市建设中有着广泛应用。除此之外，在一些位于软基地质上的工程项目中，可使用碳粒置换软土，地基的加固效果十分明显。

结语：在生态环保要求日益严格的背景下，工业生产中产生的有机污泥，如何实现无害化、减量化处理，成为各界关注的焦点问题。传统的填埋法会造成严重的地下水污染和土壤污染，而热解炭化技术则将含有重金属、有机物的污泥，转化为无害的碳粒，除了解决环境污染问题外，还可以实现废物的资源化利用。为了进一步提高热解炭化的处理效果，对原厂排放污泥还要进行预浓缩处理、深度脱水处理，达到降低污泥含水率、减少热解能耗的效果。对于热解炭化中产生的热解气，以及最终产生的碳粒，也要注意收集、利用。综合来看，有机污泥的热解炭化技术在降低能耗、无害化处理和资源化利用等方面达到了统筹兼顾，实现了生态效益、社会效益和经济效益的平衡，具有推广应用价值。

参考文献：

[1]张瑜.热解炭化技术应用于工业污泥处理的研究[J].再生资源与循环经济,2019(11):34-37.

[2]周学坤,景元琢,肖培蒙,等.基于工业示范的市政污泥热解炭化机理研究[J].科技创新导报,2019(19):67-68.

[3]程俊,何光亚,张娜.污泥高干脱水和热解炭化组合工艺的应用[J].智能城市,2018(14):128-129.

[4]王志朴,朱赫男,邢文龙,等.污泥与秸秆共热解制备生物炭工艺优化及其对Cr(Ⅵ)的吸附[J].环境工程,2019,37(002):138-143.

[5]权熙,张军,尹琳琳,等.污泥微波热解与传统热解过程硫转化途径解析[J].环境卫生工程,2020(4).

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