市政污泥炭化時間與溫度研究

程俊 ，何光亞 ，周盈盈 ，夏坤 ，張娜

（安徽省通源環境節能股份有限公司，安徽 合肥 230031）

1 引言

隨著我國經濟的不斷發展，污泥產量急劇增加。由于污泥具有產量大、不穩定、易腐敗、有惡臭、含有毒有害物質的特點，因此如何有效、經濟地處置污泥和實現污泥資源化已經成為我國面臨的一個無法回避的問題[1.3.4.5]。

依據城市污泥富含有機物和較高的熱量，將城市污泥變廢為寶，炭化技術已成為實現污泥“四化”的新手段[2]，以其投資少、占地面積小、無二次污染等優勢，近年來受到了我國污泥處置市場的廣泛關注。

本文對污泥炭化技術中的工藝條件進行了研究，通過開展探索實驗，考察了炭化產物的相關指標隨炭化溫度和時間的變化規律，可以為炭化技術的應用進一步提供數據支持和理論指導。

2 污泥炭化技術研究

2.1 污泥炭化工藝流程

炭化利用污泥中有機物的熱不穩定性，通過絕氧條件下加溫，使污泥中的細胞裂解，將其水分釋放出來，使污泥中的有機物產生熱解，形成利用價值較高的氣相和固相，同時最大限度地保留了污泥中炭質的過程，因此，污泥炭化既能利用自身能源，減少能量消耗，同時產生的泥化炭可以改良土壤，具有很好的應用前景。

脫水污泥經輸送裝置送至混合式污泥干化爐，在160℃～200℃烘干處理，污泥含水率降低到20%左右，完成干化過程。干化污泥通過輸送螺旋機送至外熱式炭化爐，在炭化爐內，通過爐壁完成與高溫煙氣之間的間接換熱，完成炭化過程，炭化產物從炭化爐的尾部排出后，經冷卻輸送裝置降溫冷卻后排出，最后實現資源化利用。炭化溫度一般控制在550℃～650℃左右，污泥炭化停留時間約為30min～50min。

二次燃燒爐利用生物質燃燒產生的高溫煙氣對炭化爐進行加熱，加熱完成后的煙氣進入干化爐內與濕污泥直接接觸加熱，同時輔助燃燒爐產生的熱煙氣通過爐壁對干化爐內的污泥進行加熱。炭化產生的裂解氣則送入二次燃燒爐燃燒，充分利用污泥有機質的熱量，能夠起到節能降耗的作用。

2.2 炭化工藝研究與結果分析

炭化溫度和時間是對炭化產物起關鍵影響的工藝指標，其直接影響產物的減量率和工藝經濟性，同時影響產物的顏色、有機質含量和熱值[6]，本文通過一系列實驗探索炭化溫度和炭化時間對炭化產物的影響規律。

第一階段實驗分別在 200℃、300℃、400℃、550℃、700℃下對干化污泥進行實驗，炭化時間為30min。通過比較炭化產物的顏色可以發現，干化泥為棕黃色，在200℃炭化時，產物顏色整體變深，少數大顆粒的干化泥變為黑色，說明炭化效果不明顯；在300℃炭化時，炭化物顏色整體都變成黑色，只有少數大顆粒干化泥仍然呈棕黃色；在400℃、550℃、700℃炭化時，炭化物顏色均為黑色，如下圖所示：

將有機質含量與減量率（減量率=炭化前后污泥減少量/炭化前干化污泥量）對炭化溫度進行對比發現：在同一個炭化溫度下，有機質含量與熱值隨著溫度的升高逐漸降低，減量率則隨著溫度逐漸升高，但是在溫度升高至550℃后，有機質含量、熱值和減量率的變化幅度并不大。同時綜合考慮炭化產物的顏色，炭化過程較適宜的溫度應在300℃～550℃之間。

第二階段在優化得到適宜溫度的基礎上，考察不同溫度下炭化時間對炭化產物的影響。本實驗在300℃、400℃和 550℃下分別炭化 8min、15min、30min和60min，分別將300℃、400℃和550℃下不同炭化時間的熱值和減量率對比發現：不同炭化溫度下，炭化過程的減量率均在上升，熱值均在下降，但是隨著時間的推移，上升或下降的速度都在逐漸放緩，對于400℃和550℃時，炭化30min之后，熱值和減量率的變化幅度已經很小，說明相對易脫出的揮發分已經基本脫出完畢。在300℃的溫度下，炭化30min后仍然有小幅上升。因此可以分析得到，溫度越高，脫除揮發分越快，脫出的揮發分也越多，剩余的炭化產物越少，相應的熱值也就越低。

對于炭化技術，其炭化溫度越高，炭化時間越長，所需要的外熱能源越多，經濟成本也就越大，因此在能夠對污泥實現炭化的前提下，降低炭化溫度和減少炭化時間都對能夠提高工藝的經濟性。根據兩個階段的實驗結果，為提高工藝經濟性，兼顧項目減量率要求，可對炭化的工藝進行優化，適當降低炭化的溫度，并縮短炭化時間，相對優化的溫度為400℃～450℃，炭化時間為20min～30min。通過調整工藝參數，可以減少外來能源的消耗，降低炭化的能耗，提升工藝的經濟性。

3 污泥炭化產物的重金屬賦存形態

實驗測定干化污泥中砷、鉻和銅以殘渣態為主，而鉛主要以殘渣態和可還原態存在。鎘和鋅的酸可溶態含量最高，穩定性較差。炭化污泥中鉻、鉛和砷以殘渣態為主，鎘和鋅的形態賦存含量為殘渣態＞可氧化態＞可還原態＞酸可溶態；銅主要以可氧化態和殘渣態存在。

對比干化污泥和炭化污泥中各金屬形態的含量，炭化污泥中重金屬可氧化態和殘渣態含量之和占總量比例明顯高于對應的干化污泥。這表明污泥炭化可使重金屬形態從較活躍的酸可溶態和可還原態向較穩定的可氧化態和殘渣態轉化[7-8]，降低金屬的浸出型和生物有效性，降低環境風險。

4 結語

隨著生活水平的提高及精神文明的建設，人們的思想觀念發生改變，污泥處置要求及政府政策導向愈來愈嚴格，污泥處置逐漸向有效利用、實現資源化發展，污泥炭化技術的優勢會越來越明顯。

本文介紹了污泥炭化的工藝流程與部分工藝參數，對污泥炭化技術生產中的工藝條件進行了實驗研究，探索得到炭化產物隨炭化溫度和炭化時間的變化規律，并為炭化工藝的優化提供了實驗數據和理論支撐；另外，以安徽無為縣城鎮污泥炭化項目為研究對象，通過工藝優化同時能夠提升炭化裝置的產能和經濟效益，進一步提升炭化技術的市場化能力。