污泥熱解氣化在資源化利用方面的研究

李海霞 王仁群

【摘 要】污泥是一種重要的可利用資源，由于污泥的產量日益增大，如不加以充分利用，不僅會嚴重破壞環境，還會造成資源的浪費。本文從污泥資源化利用方面著手，介紹了熱解氣化技術在污泥資源化利用的研究進展，并討論了不同熱解工藝和因素對熱解產物的影響。簡析了目前污泥熱解氣化方面存在的問題，并展望了其應用前景。

【關鍵字】污泥；熱解；氣化；資源化利用

中圖分類號： X703 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）32-0077-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.035

【Abstract】Sludge is an important available resource， because of the increasing production of sludge， if it is not fully utilized， it will not only seriously damage the environment， but also cause waste of resources. In this paper， the progress of pyrolysis gasification technology in the utilization of sludge resources is introduced， and the influence of different pyrolysis processes and factors on pyrolysis products is discussed. The problems of sludge pyrolysis and gasification were analyzed briefly， and the application prospect of sludge pyrolysis was forecasted.

【Key words】Sludge； Pyrolysis； Gasification； Resource utilization

0 前言

隨著我國污水處理能力和處理率的大幅度提升，污泥產量急劇增大，加劇了污泥處理處置的嚴峻性和緊迫性。[1-2]1995年，世界水環境組織決定用“生物固體”取代“污水污泥”的概念[3]，其詳細定義為：“一種富含可利用有機物的污染物”[4]，強調了污水污泥具有回收利用的價值，使得污泥資源化、能源化的概念被廣泛接受。2013年，我國污泥的年產量已達到4600萬t，而且每年仍以10%的速率增加。如果對污泥不加以正確的處理，將會對人們的生活以及環境帶來巨大的危害。將污泥視作為一種能源，并采用合適的工藝進行轉化和利用，不僅能緩解我國能源緊張的局勢，而且能減少利用過程中的環境污染問題[5]。

1 污泥的利用方式

為了有效利用污泥資源，人們開展了大量的研究。傳統利用方式主要為提出了衛生填埋、農田施化、作為建筑材料。衛生填埋是一種對資源的嚴重浪費，還會對土壤以及地下水造成污染。而污泥生產建筑材料只能利用污泥中一小部分無機物，同時要消耗大量的能源蒸發污泥中大量的水分，產出與投入入不敷出，沒有經濟效益[6]。

傳統利用方式不僅不能使污泥得到有效地利用，還會對環境帶來二次污染目前，污泥的能源化利用方式主要為燃燒、厭氧消化制沼氣、熱解氣化等。其中，燃燒能產生大量的熱量，但產生的煙氣中含有大量的 SOx、NOx、二噁英及重金屬顆粒等有害物質，會對環境造成嚴重污染。污泥的厭氧消化可以制沼氣，對能量進行回收利用，但厭氧消化工藝由于投資高，工藝復雜，且沒有得到較好的普及應用。作為污泥穩定化的手段之一，污泥厭氧消化產生的沼氣未得到充分利用[7]。消化污泥的有機物和含水率依然很高，需作進一步處置。而污泥熱解可以得到可燃性氣體，生物油，以及生物炭，產物能夠作為能源或者生產材料進行利用，對環境不會造成二次污染，是一種環保高效的污泥處理并資源化利用的方法，能實現對污泥的全面利用，是一種很有前景的污泥資源化利用手段。

2 熱解過程影響因素研究

2.1 溫度的影響

溫度是影響污泥熱解產物組成的最主要的外部因素，既可以影響初次分解產物的生成，又可以影響揮發分的二次裂解反應。熱解產物的比例與反應終溫的高低有很大關系。一般來說，生成氣體的活化能最高，固體半焦最低。因此，高溫有利于熱解氣體的生成。

目前的污泥熱解主要分為兩個溫度段：低溫熱解 （<500℃）和高溫熱解（500～1000℃）[8]。國內大部分研究均側重于低溫熱解，有研究認為，污泥在低溫下熱解轉化率較低，溫度升高可使污泥轉化率大大提高。Philipp發現當溫度高于650℃時，焦油的轉化率逐漸提高，當熱解溫度達到900℃，焦油轉化率達到88%。

通過利用流化床反應器對市政污水污泥在不同溫度區間進行了熱解實驗研究。結果表明，反應溫度增高，使得液相產物將進行二次分解，有利于氣相產物的生成，當溫度為550℃時，產物中液相產率達到最大值50.35%；熱解溫度為950℃時，熱解產物中氣相產率達到最大值51.58%。

微波反應器對污泥進行了熱解研究時，考察了在不同熱解溫度下產物的組分以及N元素在產物中的分布情況。實驗結果表明，采用微波對污泥進行熱解快于常規的熱解速率，在500℃以上，相對于傳統電加熱熱解，微波熱解可以產生更多的生物氣，但油相產物有所降低。熱解溫度對N元素在熱解過程中的轉移起著主要的作用。

2.2 升溫速率的影響

一般認為，污泥的熱解分為兩個基本步驟，1.污泥中的揮發在升溫過程中先分解為較小的有機物；2.小的有機份將發生二次裂解，產生更小的碳氫化合物和氣體，所以升溫速率是影響污泥熱解產物的重要因素之一。增大升溫速率，污泥顆粒加熱至熱解溫度的時間減少，有利于熱解反應；但升溫速率過大會使得顆粒內外的溫差變大，熱滯后明顯，影響顆粒的熱解反應。

2.3 含水率的影響

污泥的特點之一就是含水量大，研究含水率的大小對污泥熱解的影響具有很大的意義。一般認為，水的存在有利于污泥熱解產物中氣相產物的生成，尤其是富氫氣體的生成，不同含水率將會對產物中氣相的組分有著不同的影響。提高含水率可以促進熱解產物的蒸汽重整反應以及焦炭的氣化反應，使得 H2的體積比以及氣體產量顯著增加；同時污泥的含水率和熱解溫度對產物的組分有著顯著的影響； 陳浩等對城市污水污泥進行了微波熱解實驗的研究，污泥的含水率越高，產物中的氣相成分越多；

2.4 催化劑的影響

催化劑的添加可以加快反應的進行，促進目標產物的生成，而且能降低反應溫度，減少反應時間，能有效地減少能耗。不同催化劑對熱解過程以及產物有著不同的影響，許多研究者對不同的催化劑在熱解反應中的作用以及影響進行了廣泛的研究。

以復合氧化鋁為催化劑時，催化劑的存在可以加強二次裂解，促進初級產物之間的相互作用，并減少有機化合物的生成。催化劑的添加可以降低反應溫度，這對降低能耗、節能減排具有積極的意義。

考慮添加劑CaO對污泥中N元素在反應中轉移的影響時，污泥中大量的N元素將以氮氣的形式釋放，有效地減少了NOx的生成，并且能促進可燃性氣體的生成，減小了污泥熱解對環境造成的污染，這對實現污泥熱解資源化具有重要的意義。

以礬土、白云石以及橄欖石為催化劑，考察了不同催化劑的添加對污泥熱解產物的影響。實驗結果表明，當以白云石作催化劑時，產物中焦油含量最小；催化劑和水蒸氣的存在能有效促進產物中氫氣的生成；三種催化劑均能提高污泥中炭的轉化率，提升產物中可燃性氣體的含量，使產物中氣體的熱值增加。

3 結語

在資源嚴重匱乏的當今，污泥的資源化利用已得到人們的重視。污泥熱解是污泥資源化利用中效率最高的途徑，污泥熱解不僅能產生可燃性氣體，還能制備生物油和生物炭，使污泥真正得到了全面的利用。但目前污泥的熱解仍然存在一些缺點，如污泥預處理成本高，熱解設備比較復雜，運行費用太高，熱解的詳細機理尚不清楚等，而使其大規模利用得到了限制。隨著熱解技術研究的不斷深入和新型材料的開發，上述瓶頸性問題將逐步得到解決，熱解在污泥處理與資源化利用領域中的應用也將越來越廣泛。

【參考文獻】

[1]徐亞靜.城市污泥處理的綜合分析[J].環境與生活， 2014，18：73-75.

[2]張勇.我國污泥處理處置現狀及發展前景[J].中國資源綜合利用，2014，10（32）：23-26.

[3]Federal W E. Biosolids Composting：A Special Publication[M]. Alexandria： Water Environment Federal， 1995.

[4]周少奇.城市污泥處理處置與資源化[M].廣州： 華南理工大學出版社， 2002.

[5]程芳，亓恒振.污泥處理與處置技術研究進展[J].環境研究與監測， 2014，27（3）：75-76.

[6]de Andrés J M， Narros A， Rodríguez M E. Air-steam gasification of sewage sludge in a bubbling bed reactor： Effect of alumina as a primary catalyst[J]. Fuel Processing Technology， 2011， 92（3）：433-440.

[7]鄧文義，于偉超，蘇亞欣.污泥微波熱解過程中 CaO， ZnCl2和水蒸氣對富氫氣體生成特性的影響[J].東華大學學報自然科學版，2014，40（5）.