污泥內熱式炭化技術探討

齊利人 韓洪波 齊繼紅

【摘 要】本文介紹了國內外典型的內熱式炭化技術并結合污泥炭化的需要提出了一些改進建議。

【關鍵詞】污泥；內熱；炭化；控氧燃燒

一、前言

目前國內外主流污泥炭化技術都是外熱式的，即通過間接加熱的方式將污泥炭化，而內熱式炭化則是通過直接加熱的方式將污泥炭化。與內熱式炭化相比，外熱式炭化具有所產可燃氣熱值較高、炭的純度高的優點，但傳熱效率較低、設備投資較大。本文將探討國內外各種內熱式炭化技術并提出改進建議（由于污泥炭化大都采用臥式炭化爐，所以本文只介紹采用臥式炭化爐的技術），以使其適應污泥炭化的特殊需要。

二、國內外內熱式炭化技術介紹

1、內熱式回轉爐炭化技術

（1）炭化主要作用：①逐出造粒料中的揮發物及水分；②將煤焦油中的瀝青轉化成骨架，提高炭顆粒強度；③使炭顆粒形成初步孔隙。

（2）該炭化工藝流程圖：

①原料路線：造粒后的原料（如煤）由輸送設備送入回轉爐的進料室，靠自重流入回轉爐內，被爐內螺旋布置的抄板揚起，回轉爐向出料方向傾斜，原料顆粒靠坡度由進料端向出料端移動。原料顆粒先經過預熱干燥階段（200℃），再進入炭化階段（350～550℃），在此過程中，原料顆粒與高溫煙氣接觸而炭化，逐出揮發物、水分，最后由出料端排出。

②氣體路線：回轉爐排出的氣體在焚燒爐中徹底焚燒后形成高溫煙氣，一部分送回到回轉爐的出料端，用于原料顆粒的直接加熱炭化，另外一部分用于加熱鍋爐生產水蒸汽用于炭粒活化；降溫后的煙氣經處理達標后排放。

原料顆粒在回轉爐內的炭化過程分為三個步驟：

（3）炭化過程：

1.烘干 溫度<150℃ 主要特征 逐出水分

2.預碳化 溫度150℃-600℃ 化學組分開始發揮

3.炭化 溫度 600-850℃ 發生熱分解和熱縮聚

（4）炭化熱解氣處理：

原料顆粒在炭化過程會產生熱解氣，其成分主要為：①高溫煙氣，主要成分為二氧化碳、水、氮氣、二氧化硫、一氧化碳；②揮發物，如氫氣、一氧化碳、烴類、煤焦油。其中有毒有害物質，必須進行處理。該技術采用高溫焚燒處理法：在氧氣過量的條件下使熱解氣充分燃燒，達到850～950℃，即可將可燃物轉變為二氧化碳和水，實現無害化和能源化。

2、日本株式會社前川制作所專利技術——通過內熱式自燃方式進行的連續炭化處理方法

該技術可以大規模應用于生活污泥炭化領域，投資和運行成本都較低。可對含水率高、粘稠的生活污泥進行連續炭化處理。處理步驟是：（1）將原污泥制成一定規格的顆粒（可先經脫水），然后定量送入回轉炭化爐；（2）在回轉炭化爐的出料端設置補充燃料燃燒器，向回轉炭化爐內噴入火焰，與逆流而來的污泥顆粒進行直接接觸進行烘干、炭化，當污泥顆粒燃燒后即停止噴入火焰；（3）從回轉炭化爐的出料端吹入污泥顆粒自燃所需的空氣使污泥自燃以滿足污泥烘干、炭化所需的熱量，從而實現系統的能量自給，降低了運行成本；（4）從回轉炭化爐進料端抽吸其內部產生的熱解氣送入無害化處理裝置；⑸經過上述步驟，從回轉炭化爐的出料端排出污泥炭化產物并經冷卻。

三、對現有內熱式炭化技術的改進建議

1、現有內熱式炭化技術所用的回轉炭化爐都不具有粉碎功能，而污泥炭化希望得到粒度較細的炭粉以利于后續資源化利用。現有回轉炭化爐還會因為爐壁結焦而形成“結圈”，導致產量下降，需定期清理。為解決上述問題，作者建議研發一種“具有粉碎功能的內熱式回轉炭化爐”，具體實施方案如下：

參照陶瓷球磨機的結構對現有內熱式回轉炭化爐進行改制以適合污泥炭化的需要。球磨機是物料制粉設備，由水平筒體、位于兩個端蓋上的進出料口等部分組成，內部盛有不同直徑和比例的研磨體（多為鋼球）。物料由進料口進入球磨機內，當筒體旋轉時，內部的研磨體和物料在離心力和摩擦力作用下隨筒體旋起到達一定高度，當自身重力大于離心力時，便拋下或滾下，對物料進行沖擊和研磨，同時研磨體之間的滑動也對物料起研磨作用。陶瓷球磨機的筒體襯板是由陶瓷制成的。為了耐受炭化所需要的高溫，將陶瓷球磨機的襯板改為剛玉磚，研磨體也采用剛玉球。

2、利用風扇磨煤機對污泥進行內熱式炭化：風扇磨煤機是發電廠褐煤粉碎設備，具有原煤烘干、制粉、輸送一體化功能；其工作原理是：原煤與高溫煙氣一起送入機內，煤在沖擊輪的高速沖擊和摩擦作用下被瞬間粉碎，同時與高溫煙氣充分接觸使其水分迅速蒸發完成烘干；高溫煙氣和煤粉在蝸殼區內高速運動，最后進入出口的選粉機中進行粗細分離，該選粉機具有調節出料細度的功能。風扇磨煤機的沖擊輪同時起著粉碎煤和高溫風機的作用。依據上述原理，利用旋風除塵器將炭粉與熱解氣分離，炭粉經冷卻即成成品，熱解氣送入焚燒爐徹底燃燒實現無害化，產生的高溫煙氣一部分用于污泥烘干，另一部分用于污泥炭化。這將會是一種效率非常高的污泥內熱式炭化技術。

3、由于剛出爐的炭溫度仍然很高，遇到空氣就會自燃，所以必須進行冷卻，現有技術是采用水冷換熱器進行冷卻，將炭的余熱轉化為利用價值較低的熱水，作者建議采用粉體流板式換熱器將其換熱成熱風用于炭化所產可燃氣焚燒的助燃空氣，可提高焚燒溫度，節省外加燃料。粉體流板式換熱器是一種新興換熱設備，利用Pillowplate傳熱板片對固體顆粒、粉末進行冷卻或加熱的換熱器，其特點1：密相輸送設計——粉體出料溫度和速度均勻可控，品質穩定可靠；其特點2：間壁式換熱——換熱介質通過高效枕型換熱板與粉體換熱，不直接接觸粉體。設備優點：全密閉運行，零排放，節能90%，結構緊湊，安裝簡單。

4、鑒于立式內熱炭化爐大都采用底部物料控氧燃燒來提供炭化所需的熱量，不需要外加燃料，從而降低了運行成本，作者建議在內熱式回轉炭化爐的出料端設置控氧閥，允許一定量的空氣進入爐內，使出料端內的一部分炭粉迅速燃燒，釋放出熱量，提供炭化所需熱源。

5、由于污泥含水率高，導致熱值很低，很難實現其烘干、炭化的能量自給，需要補充外部燃料，增加了運行成本。作者建議將污泥與生物質廢棄物進行聯合炭化以解決污泥熱值低的問題，生物質廢棄物很蓬松，如果將兩者混合均勻就可以增加其透氣性，大幅提高烘干效率。

四、結語

綜上所述可見，污泥內熱式炭化技術是一種很有發展潛力的技術，應該得到更多的關注。本文作者也將繼續投入精力進行深入研發，爭取早日實現工程驗證，為消除污泥污染做出自己的貢獻。

【參考文獻】

[1]韓洪波. 直接加熱型污泥烘干炭化機構[P]. 中國發明專利，201811003891.0 .

[2]韓洪波. 一種高效污泥炭粉的生產裝置及其生產方法[P]. 中國發明專利，201710903173.8.