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污泥碳化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

文檔作者：楊敏，彭藝藝，孟憲翚文檔來源：柳州市污水治理有限責(zé)任公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年07月06日
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楊敏，彭藝藝，孟憲翚
（柳州市污水治理有限責(zé)任公司，廣西柳州545002）
摘要：隨著城市污水污泥排放量的逐年上升，污泥碳化技術(shù)發(fā)展迅速。文中分析了城市污泥的碳化機(jī)理，簡述了幾
種主要污泥碳化技術(shù)工程應(yīng)用現(xiàn)狀，著重介紹了污泥碳化技術(shù)發(fā)展趨勢，旨在為城市污泥碳化工藝設(shè)備的開發(fā)和研究
提供參考。
關(guān)鍵詞：城市污泥；碳化；深度脫水
中圖分類號：TK09 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號：1001-5523（2017）05-0047-04
隨著城市污水和工業(yè)廢水排放的不斷增加， 截至
2016 年9 月底，全國累計建成城鎮(zhèn)污水處理廠
3 976 座， 城鎮(zhèn)污水處理能力達(dá)到1.7 億m3/d[1]。
污水廠的建設(shè)及運行伴隨產(chǎn)生了大量剩余污泥， 以含水率
80%計，全國年污泥總產(chǎn)量將突破4 000 萬t，而這一數(shù)字仍
會不斷上升，污泥處理形勢十分嚴(yán)峻。因此，如何清潔、高效、
合理地處置污泥已成為亟待解決的問題。污泥處理的原則是
實現(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化。
縱觀國內(nèi)外污泥處理與處置技術(shù)的發(fā)展及已建成運行
的項目，常見的污泥處理處置方
法主要有好氧發(fā)酵（堆肥）、厭氧
消化、填埋、干化和焚燒等。污泥
的最終出路是資源化利用或以
某種形式返回到環(huán)境中去[2-3]。
污泥碳化是近年來迅速發(fā)
展的污泥處理新技術(shù)之一，污泥
碳化是在一定的溫度和無氧或
缺氧條件下，通過裂解等方式將
市政生化污泥中揮發(fā)分強(qiáng)制脫
出， 同時又保留了污泥中的碳
值，使最終產(chǎn)物中碳含量比例大
幅提高的過程[4]。不同污泥碳化
技術(shù)實際應(yīng)用情況參差不齊， 國外已有很成熟的樣板工程，
而國內(nèi)污泥碳化技術(shù)研究起步較晚，但發(fā)展較為迅速[5]。因此，
掌握污泥碳化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢意義重大。
1 連續(xù)高速污泥碳化技術(shù)
1.1 工藝原理及特點
連續(xù)高速污泥碳化技術(shù)，在無氧或缺氧條件下加熱污泥
來分解污泥中除碳以外的有機(jī)物，使污泥中的有機(jī)物發(fā)生熱
裂解反應(yīng)，從而產(chǎn)生主要有碳?xì)浠衔锝M成的可燃揮發(fā)性氣
污泥碳化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望
J節(jié)能科技
IENENGKEJI
能源研究與利用 47
ENERGY RESEARCH &amp;amp; UTILIZATION
2017年第5期·
圖1 連續(xù)高速污泥技術(shù)工藝流程圖
萬方數(shù)據(jù)
體，通過燃燒可燃揮發(fā)性氣體產(chǎn)生的熱量來蒸發(fā)污泥中的水
分，使污泥的重量和體積大幅度減少，完成污泥碳化的過程。
連續(xù)高速污泥碳化技術(shù)充分利用污泥自身的能量，顯著降低
污泥體積和重量，且污泥碳化后的產(chǎn)品與木炭具有相似的物
理特性，使污泥最終處置變的簡單，并實現(xiàn)了碳化產(chǎn)物的資
源化利用。
1.2 工藝流程圖
連續(xù)高速污泥碳化技術(shù)工藝流程如圖1 所示。該系統(tǒng)主
要由污泥接收系統(tǒng)（污泥斗及傳送帶等）、污泥干化爐、污泥
碳化系統(tǒng)（碳化爐、預(yù)熱爐、再燃爐、備用爐）、粉塵收集系統(tǒng)、
熱回收與交換系統(tǒng)、尾氣處理（脫臭爐、風(fēng)機(jī)和排煙塔）以及
碳化產(chǎn)品冷卻和包裝系統(tǒng)等七個部分組成[6]。
該污泥處理技術(shù)采用內(nèi)破碎回轉(zhuǎn)滾筒干化裝置和多段
開孔管有機(jī)廢物裂解碳化裝置對污泥進(jìn)行干化和碳化處理，
通過無氧或缺氧條件解熱污泥分解污泥中有機(jī)物，產(chǎn)生可燃
揮發(fā)性氣體，可燃揮發(fā)性氣體從碳化爐開孔管中析出并在碳
化爐及再燃爐中燃燒，燃燒后的高溫?zé)煔膺M(jìn)入回轉(zhuǎn)滾筒干燥
機(jī)，蒸發(fā)污泥中的水分，從而充分利用污泥自身的能量，產(chǎn)生
出化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的碳化產(chǎn)物，達(dá)到減少污泥的體積和重量以
及高效節(jié)能的目的。高溫和高濃度廢氣經(jīng)過“水洗降溫塔+
生物除臭塔+ 活性炭吸附塔”處理裝置高效率無害化凈化處
理后達(dá)標(biāo)排放。
1.3 污染物排放情況分析
以某地10 t/d 污泥連續(xù)高速碳化工程為例，廢氣排放檢
測結(jié)果以及碳化物浸出毒性檢測結(jié)果如表1 和表2 所示。廢
氣排放濃度和碳化物浸出毒性遠(yuǎn)低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥
處理單獨焚燒用泥質(zhì)》等標(biāo)準(zhǔn)要求。
1.4 投資及運行成本分析
連續(xù)高速污泥碳化系統(tǒng)單位投資約60 萬元/t 濕污泥
（按含水率80%計）， 運行成本根據(jù)污泥熱值不同有所差異，
直接運行成本約為200～250 元/t。
2 污泥干餾制生物炭技術(shù)
2.1 工藝原理
污泥干餾制生物碳是在密封、無氧、非燃燒和高溫狀態(tài)
下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)過程，對污泥進(jìn)行高溫加熱，并在催化劑
作用下，通過干餾作用將污泥熱分解為生物質(zhì)油、生物炭、不
凝氣體和水[7]。整個過程包括干化、汽化、熱解、脫氫、熱縮合、
碳化等反應(yīng)，將污泥中的水分蒸發(fā)，有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w
和有機(jī)碳。整個工藝過程中將燃料的燃燒與干餾污泥制生物
炭分別在兩個獨立的空間進(jìn)行，通過氣體燃燒室的階段性升
溫，將污泥中的水分蒸發(fā)，有機(jī)物逐漸氣化和碳化。
2.2 工藝流程圖
污泥干餾制生物炭工藝流程如圖2 所示，污水廠濕污泥
（含水率約80%）首先通過泵送入預(yù)熱干燥機(jī)內(nèi)，利用干餾機(jī)
內(nèi)燃?xì)馊紵a(chǎn)生的熱煙氣用于干燥污泥，污泥含水率干燥至
小于40%，然后進(jìn)入干餾機(jī)。干餾機(jī)內(nèi)污泥碳化產(chǎn)生的可燃
氣經(jīng)過凈化分離，然后燃燒，為干餾機(jī)提供碳化所需熱量。另
外采用天然氣補(bǔ)燃，保證干餾機(jī)熱量供給。
2.3 主要技術(shù)特點
污泥中具有豐富的氮磷等營養(yǎng)元素，污泥制備的生物炭
具有較好的利用價值，在農(nóng)業(yè)、能源和環(huán)境等方面均有很好
的利用效益。污泥干餾制生物炭技術(shù)可以顯著降低污泥體積
和重量，碳化后的物質(zhì)可以資源化利用，大大較少碳排放。同
時，系統(tǒng)過程中輔助燃料可采用天然氣、液化氣等清潔能源，
沒有污染物排放。
污泥干餾項目可在污水廠內(nèi)進(jìn)行處理，可使污水廠獨立
實施污泥處理，僅屬于技術(shù)改造，同時增加了對污泥處理全
過程的可控性，從而規(guī)避污泥處置帶來的二次環(huán)境污染。同
時，該污泥處理系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，且占地面積小。
2.4 投資及經(jīng)濟(jì)效益分析
建設(shè)50 t/d（含水率≤80%）的污泥干餾熱解處置項目，
實際總投資需要1 671 萬元，其中環(huán)保投資為50 萬元，占比
為3%左右。整個系統(tǒng)過程中能源消耗少，封閉狀態(tài)下熱損失
少，平均單位污泥處理設(shè)施占地為10.08 m2。
48 能源研究與利用
ENERGY RESEARCH &amp;amp; UTILIZATION
·2017年第5期
J節(jié)能科技
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表1 廢氣排放檢測結(jié)果mg/m3
表2 碳化物浸出毒性檢測結(jié)果mg/L
萬方數(shù)據(jù)
能源研究與利用 49
ENERGY RESEARCH &amp;amp; UTILIZATION
2017年第5期·
J節(jié)能科技
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以日處理50 t 污泥為例，全年可處理污泥18 250 t，制成
生物炭約1 800 t，出售后可獲利109.5 萬元，節(jié)約污泥運輸成
本約50 萬元。而且，系統(tǒng)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品生物有機(jī)碳性
能穩(wěn)定，可長期保存，具有很高的附加值。
3 污泥碳化技術(shù)發(fā)展趨勢
研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段污泥碳化技術(shù)應(yīng)用較多的為干化碳化
法（裂解法）。傳統(tǒng)的熱裂解法在無氧或缺氧環(huán)境下，利用污
泥碳化系統(tǒng)對干燥污泥進(jìn)行高溫加熱使有機(jī)物轉(zhuǎn)化為炭。因
此，將濕污泥轉(zhuǎn)化為含水率盡可能低的干燥污泥是一個亟待
解決的問題，這對整個污泥碳化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和工藝參數(shù)
的調(diào)整至關(guān)重要。污泥深度脫水技術(shù)與污泥碳化技術(shù)的耦合
系統(tǒng)—污泥深度脫水- 碳化技術(shù)，將有力推動污泥碳化技術(shù)
的發(fā)展和應(yīng)用。
3.1 污泥深度脫水—碳化技術(shù)工藝原理
濕污泥（含水率為80%）在調(diào)理池內(nèi)稀釋后，在調(diào)理劑的
作用下進(jìn)行調(diào)理改性，再通過高壓泵送至高壓壓濾機(jī)，待高
壓壓濾機(jī)中充滿調(diào)理污泥后， 調(diào)高高壓油泵壓力進(jìn)行壓榨，
得到含水率小于55%的泥餅。然后，泥餅送入干燥系統(tǒng)進(jìn)行
干燥，將污泥含水率降至20%以下。最終，含水率小于20%的
污泥進(jìn)入低溫碳化反應(yīng)器， 在高溫?zé)o氧的作用下進(jìn)行裂解，
分解成低分子量的有機(jī)物、油類物質(zhì)、可燃?xì)怏w和有機(jī)碳。
整個工藝過程中產(chǎn)生的熱量盡可能回收循環(huán)利用，達(dá)到
工藝系統(tǒng)高效、節(jié)能和資源化，產(chǎn)生的尾氣經(jīng)處理后達(dá)標(biāo)排
放。
3.2 工藝流程圖
污泥深度脫水- 碳化技術(shù)工藝流
程圖如圖3 所示。整個工藝流程由污
泥深度脫水系統(tǒng)、污泥干化系統(tǒng)、污泥
碳化系統(tǒng)、熱回收系統(tǒng)和尾氣處理系
統(tǒng)組成。
在深度脫水系統(tǒng)中， 含水率為
80%的污泥在調(diào)理池內(nèi)進(jìn)行稀釋，并
在調(diào)理劑的作用下反應(yīng)改性， 然后通
過高壓泵送至高壓壓濾機(jī)， 高壓泵以
0.6～1.0 MPa 的輸送壓力將改性后污
泥送入壓濾機(jī)的多塊濾板之間的空隙
內(nèi)， 當(dāng)高壓泵的輸送壓力逐步升高至
最高壓力1.0 MPa 時，表明本污泥脫水機(jī)的多塊濾板之間的
空隙內(nèi)都充滿了污泥，高壓泵停止運行，關(guān)閉污泥脫水機(jī)的
進(jìn)料閥門， 啟動污泥脫水機(jī)的高壓油泵， 由高壓油泵提供
25～30 MPa 的壓力，壓縮濾板之間的空隙內(nèi)污泥，使污泥再
次壓濾得到含水率小于55%的泥餅。
泥餅送入干化系統(tǒng)，干化系統(tǒng)采用槳葉式干燥機(jī)，通過
高溫碳化過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓瑢ξ勰噙M(jìn)行干燥，將污泥
含水率降至20%以下。然后將干化后污泥送入碳化系統(tǒng)。碳
化系統(tǒng)采用高溫碳化器，含水率小于20%的污泥在高溫?zé)o氧
的作用下進(jìn)行裂解，分解成低分子量的有機(jī)物、油類物質(zhì)、可
燃?xì)怏w和有機(jī)碳。油類及低分子有機(jī)物在進(jìn)入碳化反應(yīng)器燃
燒段燃燒，燃燒溫度可達(dá)950 ℃左右，一部分熱量進(jìn)行碳化
裂解， 其余熱量則通過煙氣的形式供給干化系統(tǒng)干化污泥。
碳化過程中產(chǎn)生的裂解氣進(jìn)入燃燒室，與生物質(zhì)燃料共同燃
燒，燃燒過程中會產(chǎn)生大量高溫?zé)煔猓邷責(zé)煔庀冗M(jìn)入干化
系統(tǒng)用于污泥干化，干化完成后的廢氣經(jīng)過“旋風(fēng)除塵裝置
+ 噴淋塔+ 活性炭”除臭裝置高效率無害化凈化處理后的剩
余煙氣達(dá)標(biāo)排放。
圖2 污泥干餾制生物炭工藝流程圖
圖3 污泥深度脫水-碳化工藝流程圖
（下轉(zhuǎn)至52 頁）
萬方數(shù)據(jù)
2）結(jié)合該廠600 MW 機(jī)組具體的熱力系統(tǒng)，建立了等效
焓降法的通用計算模型， 計算結(jié)果與常規(guī)熱平衡法完全一
致，驗證了等效焓降模型的正確性；
3）計算分析表明，對于該廠的超臨界600 MW 機(jī)組加裝
低壓省煤器可以大幅度利用排煙余熱， 取得較好的經(jīng)濟(jì)收
益，并給出合適的連接方案。在VWO 工況下當(dāng)排煙溫度為
160 ℃時，采用繞3#加熱器的方案每度發(fā)電可以降低標(biāo)準(zhǔn)煤
耗率2.887 g/kW·h，不僅可以降低發(fā)電煤耗，提高機(jī)組發(fā)電
效率，減少溫室氣體排放，而且還可取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益[4]。
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收稿日期：2017-05-09
（上接第43 頁）
3.3 主要技術(shù)特點
污泥深度脫水- 碳化技術(shù)不僅可以顯著降低污泥體積
和重量，并達(dá)到碳化后的物質(zhì)的資源化利用，還可以有效減
少溫室氣體和有毒有害氣體的排放。同時，本技術(shù)通過污泥
深度脫水工藝，有效利用污泥處理過程中產(chǎn)生的熱能，并循
環(huán)利用，從而降低了工藝能耗。
3.4 投資運行成本分析
污泥處理規(guī)模按100 t/d 計，總投資費用約為3 890 萬元，
其中設(shè)備費為2 790 萬元。污泥深度脫水及碳化直接運行成
本合計為178.96 元/t。
4 結(jié)語
目前，我國大部分污泥沒有得到合理的處理處置，這必
將對環(huán)境帶來巨大的危害。國家各級政府出臺系列政策和規(guī)
劃，大力倡導(dǎo)循環(huán)經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展，著重關(guān)注污泥資源化
和能源化利用。污泥碳化技術(shù)可以有效實現(xiàn)污泥的減量化和
資源化，其技術(shù)優(yōu)勢會越來越明顯，應(yīng)用前景更廣闊。而污泥
碳化整體工藝流程的能源循環(huán)利用和污泥碳化設(shè)備的國產(chǎn)
化的進(jìn)一步研究和發(fā)展，使得污泥碳化成本的降低將是未來
的重點研究內(nèi)容。
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收稿日期：2017-06-09
（上接第49 頁）
色升級，將先進(jìn)的生產(chǎn)工藝、污染物處理技術(shù)和裝備應(yīng)用到
企業(yè)實際生產(chǎn)中。
4）企業(yè)面對資金困難的現(xiàn)狀，一方面可從自身挖潛，減
少不必要的支出， 空留出資金用于技術(shù)改造或設(shè)備維護(hù)；另
一方面可與政府或節(jié)能服務(wù)公司展開合作，以“PPP”模式或
合同能源管理模式推進(jìn)節(jié)能技改項目實施，利用項目產(chǎn)生的
節(jié)能收益支付項目投資費用；企業(yè)還可向政府部門申請項目
相關(guān)的財政獎勵基金，減輕項目投資壓力。
收稿日期：2017-05-02
J節(jié)能科技
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52 能源研究與利用
ENERGY RESEARCH &amp;amp; UTILIZATION
·2017年第5期

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