污泥低溫碳化燃料化關鍵技術研究

馬文博

（中節能博實（湖北）環境工程技術股份有限公司，山東 濱州 430071）

雖然我國污泥產量連年遞增，但有效處理率依舊偏低。2015年底，全國有效處理率低于30%。隨著污水處理量的增加，污泥產量在未來幾年仍將保持上升趨勢。目前，國內污泥市場處于起步階段，大量污水廠污泥排放未達到相關標準。

1 國內現狀和發展概況

目前，國內污泥處置方法多種多樣，有衛生填埋、焚燒、土地利用、厭氧消化、生產建材等，由于受技術和經濟制約，現階段的污泥處置以衛生填埋（65%）為主[1-2]。為滿足各種地區污泥處理的需要，各種新型污泥處理處置方法不斷開發出來，其代表技術之一就是污泥碳化。其原理是在缺氧或無氧條件下加熱碳化污泥，使污泥中有機物裂解，生成主要由碳氫化合物組成的可燃揮發氣體，利用可燃氣體中能量干化污泥，充分利用污泥自身能量生產出化學性質穩定的污泥碳化物。

立足于國內污泥處理處置現狀，人們著眼于開發新型污泥低溫碳化技術，將新型低溫碳化技術與原有高溫碳化技術形成高低搭配，以更好地適應污泥市場客戶的多種需求，進一步降低碳化技術應用門檻，豐富碳化產物處置出路。

2 研發目的與意義

本研究目的是探索低溫污泥燃料化，與現有高溫碳化技術形成高低搭配，滿足市場多種需求。有關研究表明，污泥低溫碳化能獲得發熱量更高的污泥碳化物，比高溫碳化在污泥燃料化上更有優勢。我國火電廠眾多，碳化燃料化作為污泥最終處置方式有極大保障。與火電廠直接摻燒污泥相比，運輸和堆放環境更清潔，臭氣更少，無污泥滲濾液問題。因碳化污泥發熱量高于污泥，燃燒效率更高，可適當提高摻燒比，節約化石燃料[3]。低溫碳化還有助于二氧化碳減排，減少二噁英等有害氣體排放。所以，有必要進一步探索、開發污泥低溫碳化燃料化新方法。

3 研發主要方法及工藝路線

3.1 低溫碳化條件基礎研究

將干化污泥（含水率20%）用管式爐進行碳化，爐溫達設定溫度后碳化一段時間，收集期間產生的氣體，待爐體冷卻至室溫后停止通氮氣，得碳化污泥。研究條件設置如下：碳化溫度為250℃、300℃、350℃，碳化時間為0.5 h、1.0 h、1.5 h。

3.2 低溫碳化產物基礎研究

對各條件下制備的碳化污泥進行下列基礎分析。一是碳化污泥工業分析，用工業分析儀分別對各碳化污泥進行水分、揮發分、灰分和固定碳含量分析。二是碳化污泥元素分析，用元素分析儀分別測各碳化污泥樣品中C、H、N、S、O含量。

4 研發方法

4.1 低溫碳化條件基礎研究

取脫水污泥210 g，于研缽中充分碾磨后，在恒溫干燥箱內、45℃下烘干1 h，制得干化污泥。破碎至粒徑小于50 mm的小塊后于干燥皿中備用。取干化污泥10 g于坩堝中，用管式爐進行碳化，升溫速率10℃/min，爐溫達設定溫度后碳化一段時間，收集期間產生的氣體，待爐體冷卻至室溫后停止通氮氣，得碳化污泥。用碘值大小表征溫度及時間對污泥碳化的影響，方法參照《木質活性炭實驗方法 碘吸附值的測定》（GB/T12496.8-1999）。

碳化污泥制備條件設置如下：碳化溫度為250℃、300℃、350℃（碳化時間1 h），碳化時間為0.5 h、1.0 h、1.5 h（碳化溫度350℃）。

4.2 低溫碳化產物基礎研究

對4.1制備的各條件下的碳化污泥進行下列基礎分析。

4.2.1 污泥、污泥碳化物工業分析

將原污泥、污泥碳化物（350℃）在45℃烘干后研磨至小于200 μm，分別進行水分、揮發分、灰分和固定碳含量分析。

4.2.2 污泥、污泥碳化物元素分析

污泥、污泥碳化物元素分析采用熱導法。樣品的燃燒部分采用有機元素定量分析的C、H、N分析法，測原污泥、污泥碳化物（350℃）中C、H、N、S、O含量。

4.2.3 污泥、污泥碳化物發熱量測定

將約1 g空氣干燥基樣品置于氧彈測熱計中，氧彈測熱計內充滿壓力為2.6～3.0 MPa的氧氣，點火燃燒后冷卻至樣品初始溫度（20～25℃），此時單位質量燃料所釋放的熱量即為彈筒發熱量。此時，燃料中碳完全變為二氧化碳，氫燃燒并經冷卻變為液態水，硫和氮在氧彈內瞬時燃燒溫度達1500℃左右，與過剩氧作用生成SO3和NOx，并溶于置于氧彈內的水中形成H2SO4和HNO3并放出熱量。樣品的高位發熱量=彈筒發熱量-酸溶于水釋放熱量。

5 研發結果

5.1 低溫碳化條件基礎研究

圖1 碳化溫度對污泥碳化的影響

由圖1可知，在250～350℃范圍內將干化污泥碳化1 h，隨著溫度的升高，污泥碳化物碘值呈上升趨勢。這是因為隨溫度的升高，污泥中的有機成分分解更充分，會轉化為更多的碳，進而形成更多的微孔。所以，在250～350℃范圍內，溫度越高，污泥碳化越完全。

圖2 碳化時間對污泥碳化的影響

在碳化溫度350℃條件下，分別碳化0.5 h、1.0 h、1.5 h，其碘值先增大后減小。在碳化時間為1 h時，碳化物碘值最高，因為碳化時間過短，污泥沒有充分熱解，碳的轉化率低，不能形成豐富的微孔結構，碳化時間過長，會造成污泥中碳的損失，還會使已形成的微孔燒結，導致碘值下降。

5.2 低溫碳化產物基礎研究

5.2.1 污泥、污泥碳化物工業分析

表1 污泥樣品工業分析

由表1可得，干化污泥、低溫碳化污泥、高溫碳化污泥水分、揮發分依次減少，灰分、固定碳依次增加。雖然低溫、高溫碳化污泥所含固定碳相差無幾，但低溫碳化污泥所含揮發分為高溫碳化污泥的1.7倍左右，且其灰分含量比高溫碳化污泥少15%左右，更利于燃燒，更適于做燃料。

5.2.2 污泥、污泥碳化物元素分析

表2 污泥樣品元素分析

由表2可得，干化污泥、低溫碳化污泥、高溫碳化污泥的C、H、O、N、S含量依次減少。低溫碳化污泥比高溫碳化污泥含有更多的C、H、O元素，更易于燃燒，更適合做燃料。

5.2.3 污泥、污泥碳化物發熱量測定

由表3可得，干化污泥發熱量最高，高溫碳化污泥發熱量最低。碳化污泥發熱量低是因為碳化過程中有大量揮發分析出。干化污泥發熱量為負值可能是因為含水率相對較高的緣故。雖干化污泥發熱量最高，但因有臭氣產生，操作性不強，不宜投入使用，而高溫碳化污泥雖無臭氣問題，但發熱量相對較低。綜合來看，低溫碳化污泥既沒有臭氣問題，又有相對較高的發熱量，更適合做燃料。

表3 污泥樣品發熱量分析

6 結語

本文研究了碳化污泥的最佳低溫碳化條件，結果表明，最佳碳化時間為1 h，最佳碳化溫度為350℃。成分分析及元素分析表明，低溫污泥碳化物比高溫碳化污泥含有更多的揮發分、更少的灰分、更高的熱量，更適合做燃料。雖然低溫碳化污泥比高溫碳化污泥自燃性高，但在可控范圍之內，可通過適當噴水解決，安全性較好。低溫污泥碳化物（固定碳含量約2.46%，熱值約6 MJ/kg，灰分含量約76%）與煤炭（固定碳含量40%，熱值約23 MJ/kg，灰分含量約20%）相比，還有很大差距，但與高溫污泥碳化物（固定碳含量約2.47%，熱值約3.5 MJ/kg，灰分含量約80%）相比，有較大改善，產物發熱量提高了近一倍。考慮到燃燒效率，其最好配合其他燃料進行摻燒使用，且對電廠爐型、粉塵和煙氣處理系統、輸送和儲存等有更高要求。