污泥低溫碳化及燃料化技術

雖然我國污泥產(chǎn)量逐年增加，但有效處理率仍然較低。到2015年底，全國有效治療率不足30%。隨著污水處理的增加，未來幾年污泥產(chǎn)量將繼續(xù)上升。目前國內(nèi)污泥市場處于起步階段，大量污水處理廠的污泥排放沒有達到相關標準。

1.中國的現(xiàn)狀與發(fā)展

目前，我國的污泥處置方式多種多樣，包括衛(wèi)生填埋、焚燒、土地利用、厭氧消化、生產(chǎn)建筑材料等。由于技術和經(jīng)濟的限制，衛(wèi)生填埋(65%)是現(xiàn)階段主要的污泥處置方法。為了滿足各地區(qū)污泥處理的需要，各種新的污泥處理處置方法不斷被開發(fā)出來，其中具有代表性的技術之一就是污泥碳化。原理是在缺氧或厭氧條件下加熱碳化污泥，使污泥中的有機物裂解，生成主要由烴類組成的可燃揮發(fā)性氣體?？扇細怏w中的能量用于污泥干燥，充分利用污泥本身的能量生產(chǎn)化學性質穩(wěn)定的污泥碳化物。

基于我國污泥處理處置的現(xiàn)狀，人們致力于開發(fā)新的污泥低溫碳化技術，將新的低溫碳化技術與原有的高溫碳化技術相結合，以更好地滿足污泥市場客戶的各種需求，進一步降低碳化技術的應用門檻，豐富碳化產(chǎn)品處置的出路。

2.研究和開發(fā)的目的和意義

本研究旨在探索低溫污泥燃料，與現(xiàn)有高溫炭化技術形成高低組合，滿足各種市場需求。研究表明，污泥低溫碳化可以獲得熱值更高的污泥碳化物，這在污泥燃料中比高溫碳化更有優(yōu)勢。我國火電廠很多，碳化燃料作為污泥的最終處置方式有很大的保障。與火電廠直接焚燒污泥相比，運輸和堆放環(huán)境更清潔，臭味更少，不存在污泥滲濾液問題。由于炭化污泥的熱值高于污泥，燃燒效率更高，可以適當提高摻混比，節(jié)約化石燃料。低溫碳化還有助于減少二氧化碳和二惡英等有害氣體的排放。因此，有必要進一步探索和發(fā)展一種新的污泥低溫碳化和燃料化方法。

3.主要研發(fā)方法和工藝路線

3.1低溫碳化條件的基礎研究

將干燥后的污泥(含水率20%)在管式爐中碳化，待爐溫達到設定溫度后碳化一段時間，收集期間產(chǎn)生的氣體。待爐體冷卻至室溫后，停止通氮氣，得到碳化污泥。研究條件為:炭化溫度為250℃、300℃和350℃，炭化時間為0.5h、1.0h和1.5h

3.2低溫碳化產(chǎn)品的基礎研究

在各種條件下制備的碳化污泥的基本分析如下。首先是碳化污泥的工業(yè)分析，用工業(yè)分析儀分析每種碳化污泥的水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳含量。它是碳化污泥的元素分析，其中通過元素分析儀測量每個碳化污泥樣品中的C、H、N、S和O的含量。

4.研究和開發(fā)方法

4.1低溫碳化條件的基礎研究

將210g脫水污泥在研缽中充分研磨，然后在45℃的恒溫干燥箱中干燥1小時，得到干污泥。粉碎成粒徑小于50毫米的小塊，然后放入干燥盤中備用。將10g干燥后的污泥放入坩堝中，用管式爐以10℃/min的升溫速率進行碳化，待爐溫達到設定溫度后，碳化一段時間，收集期間產(chǎn)生的氣體，待爐體冷卻至室溫后停止通氮氣，得到碳化污泥。碘值用于表征溫度和時間對污泥碳化的影響。本方法參照《木質活性炭實驗方法中碘吸附值的測定》(GB/T12496.8-1999)。

炭化污泥的制備條件設定為:炭化溫度為250℃、300℃和350℃(炭化時間為1h)，炭化時間為0.5h、1.0h和1.5h(炭化溫度為350℃)。

4.2低溫碳化產(chǎn)品的基礎研究

在各種條件下對4.1中制備的碳化污泥進行以下基本分析。

4.2.1污泥和污泥碳化物的工業(yè)分析

將原料污泥和污泥碳化物(350℃)在45℃下干燥，粉碎至200μm以下，分別分析水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳含量。

4.2.2污泥和污泥碳化物元素的分析

熱導法用于分析污泥和污泥中的碳化物元素。通過對樣品燃燒部分有機元素的碳、氫、氮、硫、氮定量分析，測定了原料污泥和污泥碳化物(350℃)中的碳、氫、氮、硫、氧含量。

4.2.3污泥和污泥碳化物熱值的測定

將約1g風干樣品置于氧彈量熱計中，氧彈量熱計中充入壓力為2.6 ~ 3.0 MPa的氧氣，點火燃燒后冷卻至樣品初始溫度(20 ~ 25℃)。此時單位質量燃料釋放的熱量就是彈筒熱值。此時，燃料中的碳完全變成二氧化碳，氫氣燃燒冷卻變成液態(tài)水，氧彈中的硫和氮的瞬時燃燒溫度約為1500℃，與過量的氧氣反應生成SO3和NOx，然后溶解在置于氧彈中的水中，生成H2SO4和HNO3并放出熱量。樣品的高熱值=藥筒熱值-酸溶于水釋放熱量。

5.R&D結果

5.1低溫碳化條件的基礎研究

從圖1可以看出，干污泥在250 ~ 350℃碳化1小時，污泥碳化碘值有隨溫度升高而升高的趨勢。這是因為隨著溫度的升高，污泥中的有機成分分解更充分，會轉化成更多的碳，從而形成更多的微孔。因此，在250 ~ 350℃范圍內(nèi)，溫度越高，污泥碳化越完全。

在350℃炭化0.5h、1.0h和1.5h，碘值先升高后降低。炭化時間為1h時，炭化物碘值較高，因為炭化時間過短，污泥熱解不充分，碳轉化率低，不能形成豐富的微孔結構。炭化時間過長，污泥中的碳會流失，形成的微孔會燒結，導致碘值降低。

5.2低溫碳化產(chǎn)品的基礎研究

5.2.1污泥和污泥碳化物的工業(yè)分析

從表1可以看出，干化污泥、低溫炭化污泥和高溫炭化污泥的水分和揮發(fā)分依次降低，而灰分和固定碳依次升高。雖然低溫和高溫炭化污泥的固定碳含量幾乎相同，但低溫炭化污泥的揮發(fā)分含量是高溫炭化污泥的1.7倍左右，灰分含量比高溫炭化污泥少15%左右，更有利于燃燒，更適合做燃料。

5.2.2污泥和污泥碳化物元素的分析

從表2可以看出，干化污泥、低溫炭化污泥和高溫炭化污泥的C、H、O、N、S含量依次降低。低溫炭化污泥比高溫炭化污泥含有更多的C、H、O元素，更容易燃燒，更適合做燃料。

5.2.3污泥和污泥碳化物熱值的測定

從表3可以看出，干化污泥的熱值高于高溫碳化污泥。碳化污泥熱值低是由于碳化過程中大量揮發(fā)。干污泥的負熱值可能是由于相對較高的水分含量。干化污泥雖然熱值高，但由于會產(chǎn)生臭味，不適合投入使用，而高溫炭化污泥雖然沒有臭味問題，但熱值相對較低。整體來看，低溫炭化污泥沒有臭味問題，熱值相對較高，更適合做燃料。

6.結論

本文對碳化污泥的最佳低溫碳化條件進行了研究。結果表明，最佳炭化時間為1h，最佳炭化溫度為350℃。成分分析和元素分析表明，低溫污泥的碳化物比高溫碳化污泥含揮發(fā)分多、灰分少、熱量高，更適合做燃料。低溫炭化污泥雖然自燃性比高溫炭化污泥高，但在可控范圍內(nèi)適當噴水可以解決，安全性更好。低溫污泥碳化(固定碳含量約2.46%，熱值約6MJ/kg，灰分約76%)與煤(固定碳含量40%，熱值約23MJ/kg，灰分約20%)相差甚遠，但與高溫污泥碳化(固定碳含量約2.47%，熱值約3.5MJ/kg，灰分約80%考慮燃燒效率，可與其他燃料混合，對爐型、粉塵和(來源:中節(jié)能卜式(湖北)環(huán)境工程技術有限公司)

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