利用炭化技術將城市污泥及生物質轉化成生物炭

張 菎

（上海電氣集團國控環球工程有限公司，山西太原 030006）

污泥是污水處理過程中的副產物，隨著城市人口的增加和污水處理廠的增加，污泥的量也隨之增加。如何將產量巨大、成分復雜的污泥進行妥善安全的處理，使其減量化、無害化、資源化利用，成為環保部門與政府部門深為關注的重大課題。

1 污泥的性質

城市污水廠污水來源基本穩定，污泥的主要成分也相對穩定，污泥經過濃縮、脫水、調理后通常含水60%～80%，含有機物和無機物約65%和35%。

2 污泥目前的利用現狀

目前，污泥的主要處置方式包括農業利用、環保填埋、能源化熱利用。隨著技術的發展和環保觀念的進步，污泥逐漸被資源化利用。污泥中的有機物含有一定的熱值，具有能源化利用的特點，污泥能源化利用的途徑有消化轉沼氣、熱解、氣化、燃燒/共燃燒等，然后通過燃燒產生熱值發電，熱解和氣化可以得到燃氣和炭油，熱解后的污泥熱值大約4 000大卡（與褐料近似），燃燒可以實現這部分能量的轉化和利用，MFC 則可直接將有機污染物降解同時發電，能源化利用可使污泥減量化、無害化，炭化后的污泥灰可作為肥料。鑒于污泥能源化利用技術的這些優點，國內外專家學者都在積極開發研究這類技術。

3 污泥的能源成分

污泥的能源化技術主要基于污泥中存在的有機成分，污泥成分分析可參照煤的工業分析和元素分析方法，包括水分、灰分、揮發分、固定碳，以及碳、氫、氧、氮、硫等元素和熱值等相關指標。

4 污泥能源含量特征

污泥干燥后還含有少量水分，揮發分的含量約50%，灰分含量30%～40%，固定碳含量4%～10%。與料炭相比，污泥中的揮發分和灰分較高，固定碳偏低；污泥中炭含量占到30%左右，主要存在于揮發分當中；氧含量高于料炭，類似生物質炭燃燒；氮和硫含量和料炭相近似，不同干基污泥來源，各元素也有較大的差別，其熱值為10～20MJ/kg，污泥中的化學成分主要為 SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、MgO 和CaO，還含有重金屬As、Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Ni、Pd、Zn 等，不同地區不同來源污泥其重金屬含量相差較大。

5 污泥能源化利用技術

5.1 厭氧消化

厭氧消化指在無氧或缺氧環境下，有機物分解成為沼氣的過程。厭氧處理經過水解發酵產氫、產乙酸、產甲烷三個階段，厭氧消化產物主要包括氣體和固體兩部分，氣體成分主要是CH4、CO、CO2、H2等，需要在利用前進行固氣分離，投資較高，工藝復雜，運行有一定難度。目前，污泥厭氧消化主要還是作為污泥穩定的手段，產生的沼氣并沒有充分利用，造成一定的二次污染及能源浪費，該技術有待提高。

5.2 燃燒和共燃燒

污泥經脫水干燥后，其熱值如能達到燃料熱值指標，可作為燃料進行能源化利用，采用燃燒方式可以完全消除致病微生物等的危害。實現污泥最大程度的減量化，同時可以回收其中的能量，目前此類技術以摻燒25%～30%污泥為主，這樣排出的SO2、NO2、N2O、HCl 才能實現環保達標。

5.3 熱解技術

熱解是在無氧或惰性氣體環境下有機物的熱分解過程，產生燃氣（CH4、H2、CO、CO2、N2）等，污泥熱解產物液體組分較為復雜，主要為炭油，長鏈碳氫化合物、芳香烴、脂肪族化合物，其中可燃氣體成分可占到氣體總體積的48%～62%，固體產物為炭及灰分，其中含有一定量的重金屬。

5.4 氣化技術

氣化指在一定的溫度和壓力條件下，通過工藝控制，有機物轉化為可燃的合成氣的過程，和熱解不同的是氣化過程有水蒸氣和氧氣的參與。氣化包括干燥、熱解、氧化、還原四個過程。有污泥單獨氣化和與其他物質混合氣化，和熱解不同的是氣化過程的液態產物較少，大約5%，主要產物是合成氣和灰渣，合成氣主要為H2、CO、CH4、N2、CO2等，其中可燃氣占到氣體組分的18.5%～41.3%，氣化過程中會產生一些有害氣體，主要包括HCl、SO2、H2S、NH3、NO2，需要在利用之前進行凈化。

采用熱解和氣化方式可以將污泥中的有機物組分轉化為含熱值的氣體。污泥的熱解和氣化過程是弱還原條件下的熱化學反應，和燃燒相比，氣體經凈化后可以規避二氧化硫、氮氧化合物和含氯化合物污染大氣等問題，避免了二次污染，但這兩種工藝過程較為復雜，流程長，對運行操作有較高的要求，如污泥含水率高不能直接利用，需要干燥處理，氣體凈化處理等。由于污泥的高灰分特征，還需要對最終灰分的處置進行重金屬浸出等評估。

綜上所述，四種污泥能源化利用技術均需要進一步開發和創新才能領導該領域快速發展。

6 將城市污泥轉化成生物炭的一種氣化設備和蓄熱型攪拌裝置

炭化爐爐體可設計成臥式可移動型和立式連續型兩種，爐體內分物料預熱段、高溫段、熱燜段，由物料上料網帶機、干燥網帶機、物料預熱網帶機，隔焰燃燒高溫熱解爐、高溫網帶、降溫提升網帶機噴淋、密封、加料、出料倉，料氣發生爐、間冷器、鼓風引風組成，還有燃燒電器儀表控制系統。

6.1 環保

城市污泥和生物質（農作物秸稈）及熱解的生成氣體在密閉的高溫熱解爐內，輸送到燃燒室，與經預熱的空氣混合燃燒，利用煙氣的溫度烘干室內物料。

6.2 燃燒

炭化爐分燃燒室和炭化室，設計溫度450～850℃。料層厚度、網帶運行速度可根據物料的濕度和要求進行調配。

6.3 物料要求

物料揮發分大于15%，供炭化使用，揮發分不足時，可用配帶的燃氣爐補充（料氣爐、天然氣爐、生物質氣化爐等）循環利用。整套系統除隔焰燃燒室排出廢氣循環使用外，沒有其他廢水廢氣排放。

7 利用炭化爐生產流程

污泥運入廠內，按不同種類卸至不同區域。利用原料堆場內配置的輪胎式裝載機，將不同料種的原料鏟入各自的受料斗中，經受料斗下口裝設的電振給料機，將原料均勻地給入帶式輸送機，運至各自的反擊式破碎機進行破碎，破碎后的粉料由帶式輸送機送到料倉。在入破碎機之前，安裝在帶式輸送機上方的電磁除鐵器將末料中的鐵質物吸出，以免損壞破碎機，末料經反擊式破碎機破碎后，要控制粒度3mm 以下的粉料占總量的95%以上。

從料倉卸下的原料粉，經電子皮帶秤定量給入攪拌機，同時，按比例要求將配料定量噴入攪拌機內，并且根據配料料種含硫量的不同，加入適量的固硫劑，然后進行混合攪拌。為了使物料攪拌均勻，提高混合質量，采用了一臺強力雙螺旋攪拌機和一臺立式揉捏機，經第一臺強力雙螺旋攪拌機攪拌混合后，混合料落入第二臺立式揉捏機內，再次攪拌揉捏。

攪拌均勻的原料通過螺旋給料器落入輥壓機上方的給料斗內，物料進入輥壓機的對輥之間，在大于50MPa 壓力下被擠壓成污泥，輥壓機的落料通過蓖條篩自動分級，合格的濕污泥送入污泥干燥網帶進行烘干。不合格的污泥及邊角碎料經破碎機破碎后，再經埋刮板機、斗式提升機、電子皮帶秤返回第一臺攪拌機內重新攪拌混合。

濕污泥的烘干窯和熱結窯采用長40m 的隧道窯。熱結窯用耐火磚砌成，外邊用鋼板密封。熱結窯中段內層用碳化硅磚砌成，外層用耐火磚砌成，中間層是料氣燃燒區。熱結窯的進出口各裝有兩道自動封閉門，進出料時能隔絕外界空氣。

濕污泥進入干燥網帶內，用熱結窯排出的熱廢氣經過1h烘干后，轉入密閉的網帶窯內。污泥進入窯后首先進入預熱帶，在此段蒸發剩余水分并預熱，預熱后進入熱解段，放出大量揮發分，污泥開始軟化，體積少許膨脹，有煙和炭油析出。隨著網帶的前進，污泥進入中溫碳化段，此時膠體分解、粘結無煙料，污泥體積縮聚、表皮石固化、外殼強度增大，成半炭污泥，放出料氣及氫氣、氮氣等（放出的料氣引入熱結窯中間層的燃燒區，放出熱量隔煙加熱污泥）。然后進入800℃高溫炭化區，使炭化污泥進一步縮聚，炭化成型炭。最后進入熱悶段，污泥在此段溫度下降，在熱結窯內經1h 的熱結后推出窯外。熱結好的污泥經灑水、熄炭、冷卻降溫后送入成品庫。將污泥在熱結過程中放出的揮發分（炭爐氣）引入熱結窯中間段夾層里作為燃料高溫燒掉，間接加熱熱結窯內污泥。熱結窯中間層的料氣燃燒后產生的廢煙氣類似鍋爐產生的廢煙氣。如環保要求，廢煙氣可由引風機送入降溫除塵塔，用循環冷卻水降溫除塵，之后進入脫硫、脫硝塔，廢煙氣達標排放。降溫除塵塔產生的廢泥返回去作為污泥；脫硫、脫硝塔排出的廢堿液濃縮后賣給造紙廠；原料堆場的原料用結殼技術防止刮風起塵。污泥加工車間采用密封車間，由于排煙溫度低，所以環保易處理。在污泥加工過程中，原料破碎機密封作業，加裝袋式除塵器，易產生煙塵的地方采用噴淋除塵密封作業，有條件的地方加裝袋式除塵器，滿足了環保要求。工藝流程如圖1所示。

圖1 熱結污泥工藝流程示意圖

8 污泥炭粉重金屬的分選與回收

1）重金屬捕捉采用磁選—沉淀—分篩（多級）等工藝。

2）炭粉回收后經過干燥，配以肥料有機元素和殺菌劑等經過加工生產活化碳基有機復合肥。

3）炭粉回收率，炭化污泥后，固體物質量應為被炭化物的10%～20%，根據炭化質量來調整，如生物質炭化固定物分為棉花稈30%、秸稈20%、稻草20%。

炭化污泥炭粉熱值大約23 023 kJ 污泥。

炭化污泥產氣量大約200m3/t 污泥。

炭化污泥副產品液態大約100kg/t 污泥。

炭灰及金屬物是總物料的10%～20%。

9 經濟效益分析

例：某城市污泥年產436kt。

9.1 每年省去污泥處置費用

傳統處理費用 ：每噸平均400元

年處理費用：436kt×400 元/t=17 440 萬元（暫不計節省部分）

9.2 生物炭銷售

生物質炭售價600元/t

污泥經干餾后效益：

436kt×1/10×600元/t=2 616萬元

9.3 生物質炭生產成本

436kt×1/10×150元/t=654萬元

9.4 二次效益（干餾）工藝技術

目前干餾技術：10t 污泥經過干餾后可產生1t 生物炭，生物炭可作為吸附材料再利用，用于肥料及土壤改良。（暫不計算）

9.5 效益

效益=2 616-654=1 962萬元

以上可見：若用干餾工藝處理污泥產生生物炭的經濟效益非?？捎^，水處理廠年可增加經濟效益1 900萬元。

10 環保效益

干餾污泥工藝打破了污泥壓餅、填埋傳統工藝的落后瓶頸，整個處理過程都是在密閉、無氧、非燃燒、熱氣回收利用等裝置中運行的，對周圍空氣、水源、生態環境不造成二次污染。制成的生物炭通過配制加工成活化炭基肥料，完成了循環經濟的生產鏈，由此可見該項目是個既有經濟效益又有環保效益、投資回報高的優質項目。

11 項目總投資

以年處理30kt 污泥炭化生產線為例，總投資約3 000萬元，投資分項，如表1所示。

表1 年處理30kt污泥炭化生產線投資分項表

12 結語

生物質能的開發利用主要是通過熱化學轉化技術，將生物質轉化成優質可燃氣體、生物炭和生物質油等工業產品。眾多的研究發現，生物質熱解技術是開發利用生物質的重要途徑。本生物質炭化氣化設備，解決了現有技術中固體產物帶走的大量熱量不能充分回收利用的問題。