污泥碳化技术简介

1、污泥碳化技术简介：1、 污泥低温碳化技术1.1、什么是低温碳化 市政污泥中含有可燃物质，尤其是生化污泥（二沉池排出的剩余 污泥），由于其中含有大量的活性污泥细菌，可燃物质量更大。根据 上海、天津等地的污泥发热量试验，中国市政污泥中的发热量约为 2200-3300大卡/ 吨干物质。其中消化后的污泥发热量较低，一般仅为未消化污泥的 70%左右。夏季污泥的发热量比冬季低。所谓污泥碳化，就是通过给污泥加温和加压，使生化污泥中的细胞裂解，将其中的水分释放出来， 同时又最大限度地保留了污泥中碳质的过程。 污 泥 碳化的优势在于， 污泥碳化是通过裂解方式将污泥中的水分脱出， 能 源消耗少，剩余产物中的碳含量

2、高，发热量大，而其它工艺大多数 是 通过加热，蒸发的方式去除污泥中的水分， 耗能大，灰分中的碳质 低， 利用价值小。 1.2污泥碳化的发展世界上污泥碳化技术的发展分为以下三个阶段（1）理论研究阶段 （1980-1990 年）。这个阶段的研究集中在污泥碳化机理的研究上。这个阶段一个突出 特点就是大量的专利申请。Fassb ender, A.G等人的STORS专利， Dickinson N.L 污泥碳化专利都是在这期间申请和批准的。（2）小规模生产试验阶段 （19902000 年）。随着污泥碳化理论研究的深入和实验室试验的成功，人们开始思考 将污泥碳化技术转变成为真正商业化污泥处理的装置。在大规模

3、商业化之前，为了减少投资风险，需要对该技术进行小规模生产性试验（ PilotTrial ） o 通过这些试验，污泥碳化技术开始从实验室走向工厂。 这期间设计和制造了许多专用设备，解决了大量实际工厂化的技术问 题。这个阶段的特点如下：规模小。例如 1997年日本三菱在宇部的污泥碳化厂规模为 20 吨/ 天； 1992 年，日本 ORGANO 公司在东京郊区建了一个污泥碳化试验厂；1997年Thermo Energy在加利福尼亚州Colton市建立了一个污泥碳化 实验厂规模为每天处理 5 吨干泥。 试验资金来自大公司和政府，而不是商业用户。例如，在日本的试验 均来自大公司，在加州的试验资金是来自美

4、国 EPAo（3）大规模的商业推广阶段 （2000 ）。除了污泥碳化技术逐渐成熟的因素以外，导致污泥碳化技术大规模 商业推广还有其他因素。 在 H 木，80%的污泥的最终处置方法是焚烧。 但由于近年来发现焚烧存在二恶英污染的隐患，所以日本环保部门对 焚烧排除的气体提出了更加严格的要求，使得本来成本就很高的焚烧 工艺的成本更加提高。为了取代焚烧工艺，目前，日木已经有多家公 司生产和销售碳化装置。比较着名的有荏原公司的碳化炉，三菱公司 横滨制作所的污泥碳化装置， 巴工业公司每天处理 10 吨，30吨的污 泥 碳化装置。 2005 年日本东京下水道技术展览会上，曰本日环特殊 株 式会社甚至推出了标准

5、的污泥碳化减量车。 该车可以随时到任何有 污 泥的场所对污泥进行碳化。这些发展表明，碳化技术己趋于成熟。在美国，很多州的污泥过去都采用填埋。由于发现污泥中包含的 有害物质对地下水的污染，未处理污泥填埋后造成填埋场对环境的危害，美国EPA颁布了新的填埋标准。过去的未达标的污泥（Class B污泥）将不再允许填埋，只有达标污泥（Class A污泥）才允许填埋。 这项标准的颁布， 使得现有的污水处理厂只有投入巨大的污泥处置成 本， 才能对其污泥进行处置。另外，现有的填埋场己经接近饱和，开辟新的填埋厂越来越困难。为了达到 EPA 新的污泥处置标准和解决 填 埋场逐渐用尽的问题 ,2000 年以后，在美

6、国各个州，各个 County） 的 政府内都建立了专门的污泥处置研究机构， 对可能的解决方案进行 可 行性研究。在研究了一些传统的污泥处置方案 （如焚烧， 堆肥，干 化） 的同时，新的污泥碳化技术开始进入了政府的考虑范围，例如在南加州大洛杉矶地区，经过近 2 年的考察、比较，己经决定要建立一 个 每天处理 675吨污泥的碳化厂， 由能源技术公司（ Enertech Environmental Co.）建设、运行。1.3污泥碳化的分类（ 1） 高温碳化碳化时不加压，温度为 1,200 - l,800 F （ 649-982C）o 先将污 泥 干化至含水率约 30%,然后进入炭化炉高温碳化造粒。碳

7、化颗粒 可以 作为低级燃料使用，其热值约为 2000-3000 大卡/ 公斤（在日本 或美 国）。技术上较为成熟的公司包括日本的荏原，三菱重工，巴工业以及美国的 IES 等。该技术可以实现污泥的减量化和资源化，但由 于 其技术复杂，运行成本高，产品中的热值含量低，目前尚未有大规 模 的应用。最大规模的为 30 吨湿污泥 / 天。（ 2） 中温碳化 TOC o 1-5 h z 碳化时不加压，温度为 800 - 1000 F（426-537C） 。先将污泥干 化 至含水率约 90%,然后进入炭化炉分解。工艺中产生油，反应水（蒸汽冷凝水），沼气（未冷凝的空气）和固体碳化物。该技术的代 表 为澳大利亚

8、 ESI 公司。该公司在澳州建设了一座 100 吨/ 日的处理 厂。 该技术可以实现污泥的减量化和资源化，但由于污泥最终的产物过于多样化，利用十分困难。 另外，该技术是在干化后对污泥实行碳 化， 其经济效益不明显，除澳洲一家处理厂外，目前尚无其他潜在的用户。（3） 低温碳化碳化前无需干化，碳化时加压至 lOMPa 左右，碳化温度为 600F 左 右（315C），碳化后的污泥成液态，脱水后的含水率达50%以下，经干化造粒后可以作为低级燃料使用，其热值约为 3600-4900大卡 / 公 斤（在美国）。 该技术的特点是，通过加温加压使得污泥中的生物质全部裂解，仅通 过机械方法即可将污泥中 75%的

9、水分脱除， 极大地节省了运行中的 能 源消耗。 污泥全部裂解保证了污泥的彻底稳定。 污泥碳化过程中保 留 了绝大部分污泥中热值，为裂解后的能源再利用创造了条件。 1.4污泥低温碳化技术的厂家（1） EnerTech （能源技术） :该公司 1992年成立，技术名称为 SlurrycarbTM， 该工艺是连续式 的。其工艺是将污泥加压至1000-1500psig (70-100kg/cm2),通过热 交换器，加温至 400-450F (204-232 C)o 热化分解反应时，污泥中的有机物被分解，二氧化碳气从固体中被分离。 1999年 8月美国能 源部( DOE) 拨款 50万美元，支持能源技术

10、公司的污泥碳化技术开 发，制造碳化 中试装置 PDU (Process Development Unit)； 2001 年 1 月，能源技术公 司与美国太空总署签订了 2年的合同。能源公司利用 污泥碳化技术开 发出在太空仓转化太空垃圾的原型装置； 2005 年 4 月，在美国加州 Railto 建立一座每天处理 625吨污泥的处理厂。工厂 占地 2.6公顷(6.4 arces)建在Rialto污水处理厂旁，每天约可生产140吨干的碳化颗粒。该工厂己经于 2006年 4月在 Rialto 破土动工， 加州共有 5个地区向该 厂提供污泥，己经全部与Enertech签署了协议 书。该厂预计2008年

11、上半年完工投产。该厂生产的碳化物全部销售 给据该厂 50英里外的 三菱水泥厂。(2) ThermoEnergy ( 热能)：热能的工艺与 EnerTech 的工艺类似，热能用活塞压力系统，污泥 (steam是注入的而不是泵入的，有热交换器。要求的温度是600吓(315 C ),压力是2,000 psig (138kg/cm2)o热能的工艺是批处理， 每批需 20 分钟的反应时间，有两个并行的压力活塞和反应罐，这样 可以使 整个工艺连续。处理后的污泥经过压力释放系统，然后用离心方式脱水至50%的含固率。这个工艺产生的碳化物与 EnerTech的产生的 碳化物相同。该公司曾在美国加州 Colton

12、 污水处理厂做了一个 试验 厂，目前没有推广的报导。1.5 SlurryCarbTM 碳化工艺流程Step 1:污泥预处理，将含水率 80%左右的脱水污泥切碎，搅拌。 Step 2:污泥加压，将污泥加压送入碳化系统。Step 3:污泥加热，通过外部热源为污泥加热。Step 4:污泥裂解反应，在高温高压状态下，污泥被裂解成液态。Step5:冷凝/ 热交换，将加热的污泥水冷却，能量经热交换器回收。Step 6:污泥液脱水，脱水后的泥饼的含水率为50%以下。 Step 7:上 清液回收，使用膜过滤技术处理后的水返回污水处理厂。Step 8:干化，造粒，根据用户需要可以对碳化物进一步干化造粒，或保持原

13、状。1.6污泥碳化的主要参数进泥含水率：80%左右（干物质 20,水 80）碳化物含水率： 50%以下（干物质 20,水 20） 实际脱水：75%以上 （80-20）反应时间：12 分钟反应温度：300 C反应压力： vlOMPaE-fuel燃值（美国）：3600大卡/公斤DS （消化污泥），4500大卡/公 斤DS （未消化）滤出液处理：膜生物反应器 （MBR ）,达到国家污水排放标准。蒸发气处理：废气燃烧 +旋风、过滤器，达到国家废气排放标准。1.7SlurryCarbTM 碳化匚艺质量平衡1.8SlurryCarbTM 碳化工艺能耗（与干化比较）（ 1） 理论基础取含水率80%的污泥1.

14、25kg （其中水含量为Ikg, DS含量为0.25kg） o标准大气压下，将1公斤水从20C升高至100C所需要的能量为80大卡，折合335千 焦。将 1 公斤水在其沸点蒸发所需要的热量为 40.8 千焦/ 摩尔，相 当 于 2260千焦。（五倍于把等量水从一摄氏度加热到一百摄氏度所需 要 的热量）。（ 2） 污泥干化能耗假设污泥中干物质的比热与水相同，则0.25公斤干物质从20C加温至 100C 需要 84千焦。1.25kg含水率80%的污泥干化所需要的总能量为：335 + 2260 +84 = 2679 千焦由于干化只能以其干化物质进行能量回收（污泥返混），最多只能有30%的能量回收，所

15、以干化需要的能量为：2679x70%= 1875千焦（ 3） 污泥碳化能耗在 lOMPa 压力下，污泥中的水份不会汽化，将 1 公斤水从 160C 升 高至240C所需要的能量为80大卡（Slurry Carb工艺的能量回收可将 初始污泥的温度提高至160C），折合400千焦。（水在lOMPa下的比热 约为5.0 xkJ/（kg C）。）加压能量很小，可以忽略不计。假设污泥中 干物质的比热与水相同，将 0.25 公斤干物质从 160C 升高至 240C 需 要 100千焦。碳化部分需要的总能量为： 400 + 100 = 500千焦由于碳化剩余物 中还 有 50%的水分，不考虑干物质减量，其总

16、量为 0.5公斤，用干化 方法 蒸发，需要能量应为： 84 + 565 + 84 = 733千焦同样考虑 30%的能量回收，干化所需能量为： 733x70%= 513 千 隹整个碳化过程需要的能量： 500 + 513 = 1013千焦纯干化工艺需 要的 热量为 1 875千焦，碳化后再干化工艺需要的热量为1013千焦， 后者是前者的 54%,节省能源约 46%。2. SlurryCarbTM 工艺的投资在美国，建设一座处理 700吨/ 天污泥（含水率 80%）污泥干化处理 厂 的总投资约为 7500万美元，包括全部土建，设备、安装和技术使 用 费等。其中直接费（设备，土建）为4000万美元，

17、工程费为 1850 万美元，其他资金筹集，保险等 1650万美元。合到处理 100吨/ 天污 泥 （含水率 80%） 的总投资为 8500 万人民币。按同样的水平和数量，如果在中国建设，直接费约 2000万美元， 工程费约 380万美元，资金费用约 550万美元，总投资约 2930万美 元， 合人民币 23440万人民币。合到处理 100吨/ 天污泥（含水率 80%） 的 总投资为 3400 万人民币。由于 SlurryCarbTM 采用了大量的常规设备， 总造价比干化设备的 投 资要小很多。目前，即使在美国， SlurryCarbTM 也是处于起步阶 段， 技术使用费，设计费等相对收取的较高

18、，一旦批量推广，整体造 价 还会大幅度降低。3. SlurryCarbTM 工艺运行成木估算3.1计算依据通常 1000立方米天然气的价格与 1吨原油的价格相当。 1 吨原油 =7.3 桶原油，按国际市场价格 60 美元/ 桶计算，天然气的最高价格 应为 3.42 元人民币。如果按照 50 美元/ 桶计算，天然气的最高价格应 为 2.85元人民币。目前，天津地区天然气的售价为 2.40元人民币（ 2006 年 3月 1日起实行）。计算的基木依据：1 大卡 =3.968 BTU = 4 BTU1 Btu = 1055.6 焦耳=1 KJ1 立方米天然气热量 =8600 大卡天然气燃烧的热效率一般

19、按 65%计算（最高可达 75%） 煤炭的热效 率 一般按 50% （最高可达 60%）1 度电 =860 大卡lkg 标准煤 =7000 大卡Ikg水从0C加热到100 需要100大卡lkg 水变成蒸汽约为 500大卡3.2污泥碳化的运行成本(1) Enertech计算的运行成本(炭化物销售)污泥碳化工艺中的换热器出口温度为 160度，加热至 260度，不气化 , 即可将污泥中的水分脱至 50%以下。1 公斤水加热需要天然气量 =100 / 65% /8600 = 0.018立方米 1 吨污泥碳化需要天然气量 =0.018 * 1000= 18 立方米 假设污泥中的含水率为 80%,当含水率

20、降至 50%时，75%的水分己 经 被机械脱出， 1 吨污泥中只有 200公斤的水需要气化。 1 公斤水干 化需要天然气量 =600 / 65%/8600 = 0.107立方米 200公斤的水气化需要天然气量 =2 1 .4立方米采用直接干化，通过 污泥干混，最大可节省 20%的能量，即需要 17立方米天然气。 碳化 +干化，共需要天然气 35.1 立方米。按当前天然气价格计算为 84.24 元人民币。污水处理费根据实际滤出水BOD和COD的值约为12-20元人民币 不电费和药剂费等 15元人民币 / 吨左右 人工费 5元/ 吨左右。每吨污泥生产的碳化物为 140公斤, 在美国的销售价格为 1

21、0美元/吨, 折合人民币 11.7 元。合计=84.24 + 16 + 15 + 5 - 11.7 = 108.54元人民币以上计算是按照美国Enertech公司在加州Railto项目中的计算得出 的。（2）中国计算运行成本（按照碳化物自行利用后填埋计算）在中国 项目中，碳化物的销售前景不能确定，另外，中国目前绝大多数地区 允许填埋，应该考虑自行利用。1公斤炭化物（消化后污泥的碳化物） 在美国，相当于 1/3立方米 的 天然气。在中国，只能相当于 1/4 立方米的天然气，加之，煤的燃 烧 效率要比天然气的燃烧效率低 10% 15%,计算时应按照 1公斤 炭化 物=1/5 立方米天然气比较合理。

22、每吨污泥的碳化物相当于天然气 =140 x1/5 = 28立方米 = 67.2元 人民 币 碳化物燃烧后需要填埋， 按每立方米 50元计算，剩余渣的填埋费和 运 输费约 10 元左右。按中国实际的情况，污泥碳化的成本可以进一步减少为：合计= 84.24+16+15+5 67.2+10=63.04元人民币 3.3、污泥碳化 的 BOT 成木以设备折旧 20年计算，每吨湿污泥需要考虑折旧费 50元左右。按 照Enertech美国的计算方法（即碳化物廉价卖给水泥厂），每吨污 泥 的最终成本为 158.54 元人民币。按照中国的计算方法（即碳化物自行利用后填埋），每吨污泥的最 终成木为 113.04元

23、人民币。3.4 纯干化工艺的成本分析1 公斤水干化需要天然气量 =600/65%/8600 = 0.107立方米800公斤的水气化需要天然气量 =85 立方米采用直接干化技术，通过污泥干混，最大可节省 20%的能量，即需 要 68 立方米天然气。按当前天然气价格计算为 163.20元人民币。 电费和药剂费等 15元人民币 / 吨左右。人工费 5元/ 吨左右。每吨污泥生产的干化物为 140 公斤，全部填埋（按每立方米填埋费50 元，运费 10元计算），折合人民币 8.4元。纯 T 化运行成本合计 =163.20+15 + 5 + 8.4= 191.6元人民币建设 100 吨 湿污泥处理能力的纯干化厂目前为 3000-5000万元人民币不 等。取最