污泥碳化技术各工艺对比分析摘要
污泥碳化技术为污泥的资源化利用提供了新的途径，按照碳化技术分高温、中温、低温，现选取有代表性的几种工艺，根据工艺流程、温度、压力、产出物和有利资源化等不同方面对各种碳化技术的特点进行对比分析。
一、 概述
近些年随着环境污染的加剧，我国对环境保护的力度越来越大，污水处理产生的污泥处置问题也越来越受到重视。由于污泥的处理处置工艺在业内并没有形成统一模式，各种工艺在各地以建示范工程或样板工程进行展示。整个污泥处理处置行业乱象纷呈，犹如中国历史上的春秋时期；也可说是百家争鸣，我们对污泥碳化技术各工艺对比分析，目的是最终找到一个或几个比较适合各种污泥处理处置工艺路线，针对不同污泥处理起到重要的指导作用。
二、 污泥碳化研发历史
2.1世界研发近程
污泥碳化，学术上称为污泥热分解，是指在一定温度和压力条件下，污泥中细胞发生裂解，将其中的水分脱出，有机质形成碳状颗粒。污泥碳化分为高温碳化、中温碳化和低温碳化，主要依据其不同的热解温度区间而划分，其相应的产物也有所不同。
污泥碳化技术原理的研究开始于上世纪80年代，美国各个机构研究并申请了很多的相关专利。上世纪90年代，美国和日本的企业率先走出实验室，开始建设污泥碳化中试装置和小型污泥碳化厂，如美国EnerTech公司建设的日处理1.5吨污泥的中试装置，ThermoEnergy公司在加利福尼亚州Cloton市建立了一个规模为每天处理5吨脱水污泥碳化实验厂，日本三菱在宇部的建设规模为20吨/天的污泥碳化厂等。
日本电源开发株式会社也在2006年开始进行污泥低温碳化的研究，并在千叶县建设了规模为3吨/天的实验装置。2009年开始在广岛市建设2条日处理50吨污泥的碳化厂，运行情况不详。电源开发株式会社与横滨市政府合作，于2012年在横滨市建设年处理约合35000吨规模的污泥低温碳化厂，预计2016年投入运行。
欧洲方面德国TerraNova能源公司在前几年建成了一座日处理污泥50吨的演示装置，未进行长期运行测试。
2.2国内研发进程
中国在上世纪90年代有很多高校和研究机构开始进行污泥热解的研究，并发表了一些相关论文，但一直没有进入工业化应用。
2007年开始在天津建设规模为5吨/天的中试装置，详情见于洪江等人的《污泥低温碳化技术的中试研究》，不再详述。2011年山西正阳污水处理厂引进美国能源技术建设了规模为100吨/天的污泥低温碳化试点工程，该试点工程至今没有稳定运行，尚处于研发初期。
湖北一家公司引进日本巴工业的低耗能连续高速污泥碳化系统工艺技术（属于高温碳化），两家企业在国内同步进行推广。2011年在武汉汤逊湖建成了日处理10吨的示范项目，2014年在鄂州市开工建设规模为60吨/天的鄂州市污泥碳化工程，计划2015年3月开始调试。
上海梵煦环境科技有限公司根据我国污泥的实际情况结合国外先进技术，在上海市金山区建设50吨/天运行示范工程，2018年投入运行，运行稳定可靠，梵煦污泥碳化技术成功运行标志着污泥低温碳化技术在国内由实验中试阶段向工业化应用阶段的迈进。
三、 污泥碳化技术分析
3.1污泥碳化的分类
污泥碳化的分类基本上是以反应温度的区间来进行划分。
目前世界上主要的分类有两种，美国一般将反应温度在1200-1800°F（649-982℃）区间内的定义为高温碳化，将反映温度在800-1000°F（426-537℃）区间内的定义为中温碳化。
日本按照温度区间将污泥热处理分为污泥干燥（100-250℃）、低温碳化（250-350℃）、中温碳化（400-500℃）和高温碳化（600-800℃）。
梵煦环境经过多年的污泥碳化技术研究和工程运行认为，以上温度的划分是企业为了商业运作、技术保密等因素考虑，故意扩大范围甚至偏离实际数据。在实际的工程实践中，系统控制的反应温度都是非常精准的温度区间范围；为了降低能耗，各工艺通过不同的措施降低反应温度，现实的运行温度均低于宣传资料所报道的数值。例如，在低温碳化工艺中，增加系统压力就是一种有效的降低反应温度的措施，利用机械能换取节省大量热能的效果。
3.2污泥高温碳化技术
污泥高温碳化工艺中，首先将含水率80%的市政脱水污泥利用热风或其他方式将含水率降低至30%左右，然后再进入碳化炉进行碳化。固体碳化物可以作为低热值染料使用，在日本和美国的测试中，其热值约为2000-3000kcal/kg。高温碳化工艺可实现污泥的减量化、无害化和资源化，但技术效率低，运行成本较高。技术的代表主要包括日本的三菱重工和巴工业。
以巴工业为例。其碳化装置由卧式旋转干燥机、多段螺旋式碳化炉以及排气处理设备构成。卧式旋转干燥机上安装有搅拌破碎装置，可以将脱水污泥的含水率造粒干燥至30%。碳化炉是一种炉内贯穿有上下四段螺旋输送装置的外热炉。干燥污泥首先会被输送到最上段的螺旋输送器中，然后按照上、中、下段的顺序被依次输送至各个螺旋输送器中，再由设置在碳化炉下部的加热器将各段螺旋输送器机罩加热到600-700℃。此时，干燥脱水污泥就在无氧状态下被热分解（干馏）出碳化物来。各段螺旋输送器内产生的干馏气体在碳化炉内被燃烧，作为干馏的热源被再次利用。其主要产生的气体为甲烷、乙烯、乙烷和一氧化碳。
3.3污泥中温碳化技术
污泥中温碳化与高温碳化的主要工艺流程近似，也是首先将脱水污泥干化至含水率30%左右，然后在进入碳化炉中进行热分解。工艺中主要的产物有油、反应水、沼气和固体碳化物；由于产物多样化，利用起来十分困难。除澳大利亚一座日处理25吨绝干污泥的中温碳化厂外，还没有应用实力。国内很少有企业或机构进行中温碳化的研究。
3.4污泥低温碳化技术
污泥低温碳化技术的研究机构远多于高、中温碳化的研究，流派较多，虽然都称作污泥低温碳化，但工艺流程却有很大的不同。最典型的工艺路线有两种，一种是以日本电源开发株式会社为代表的低温碳化工艺，另一种是以上海梵煦环境为代表的污泥低温碳化工艺
3.4.1日本低温碳化工艺
图1日本电源开发株式会社污泥低温炭化工艺路线
在日本的低温碳化工艺中，其主要路线于高温碳化的主要路线非常相似，也是先在干燥机中对污泥进行干燥，然后再进入碳化炉中进行低温碳化热解。最终的主要产物为固态碳化物，热值3000kcal/kg。
以日本广岛市西部水资源再生中心下水污泥燃料化项目为例。该项目由电源开发、月岛机械、METAWATER和月岛技术服务公司联合实施，采用电源开发株式会社的污泥低温碳化工艺。设计处理能力为100吨/天（2条50吨/天生产线），设计年限20年。年产碳化物燃料4490吨，热值15.8MJ/kg（约3760kcal/kg），产物运送到J-POWER（电源开发株式会社）竹原火力发电厂进行焚烧。
3.4.2梵煦环境低温碳化工艺
在梵煦环境的低温碳化工艺中，污泥碳化裂解前不需要对污泥进行干燥（含水80%左右）；在整个碳化裂解过程中，污泥处于密闭氮气保护中压（小于10MPa）的状态下。
主要工艺路线为：将脱水污泥含水率85-87%进行搅拌以增加流动性；然后污泥经高压泵送入中压密闭的低温碳化系统内，经过外来热源加温（此阶段为污泥吸热阶段），到一定温度（一般小于250℃），污泥中有机物裂解，碳化系统进入放热反应阶段，结晶潜热在无外来热源前提下反应一定时间后生成液态的碳化液。
图2梵煦环境的低温碳化工艺主流程
碳化液可采用常规的机械脱水设备进行固液分离，不同脱水设备产出的碳化物含固率如表1所示。
表1不同类型脱水机产出的碳化物对比
脱水机产生的碳化物根据需要可以进一步干燥成任一含水率的固体碳化物，如在上海梵煦环境金山的碳化车间，烟气余热即可将碳化物含水率进一步降低到30%以下。该工艺产生的固体碳化物的热值较高，在金山及松江区产出的固体碳化物的热值约3800-4000kcal/kg，在美国产出的固体碳化物的热值约3600-4500kcal/kg。
由于该工艺中污泥是在密闭容器里进行流动、换热、裂解、能量回收、泄放等过程，因此污泥利用较低的机械能增压的方式降低了污泥热解的温度，放热反应阶段在能量消耗上有大幅节省。随着温度的升高和裂解的进行，污泥粘度将逐渐下降。
整个工艺设计的难度最主要的特点就是严禁水的蒸发。水分不是从污泥中蒸发出去，而是通过细胞的裂解将污泥中的各种类型的水分（如胞内水、间隙水、毛细水等）变成游离态的水，然后通过机械脱水方式固液分离；这就节省了水分蒸发时需要的汽化热，同时也节省了将汽化水冷凝的设备环节。而且在降压泄放的过程中，禁止闪蒸的出现，避免闪蒸过程对设备的损耗。
3.5污泥碳化各工艺对比
3.5.1共同特点
污泥碳化技术中不同的工艺具有一些共同的特点：
-高、中、低温碳化工艺均属于生物质热解理论在污泥处理中的应用；
-碳化工艺的占地面积小：工艺系统单元较少，设备布置方式灵活，可适应不同的地形分布；
-减量化明显：80%含水率的污泥经过碳化脱水后其含水率降低至30%以下，即100吨的原始污泥经过碳化脱水后减量为12吨左右；
-无害化程度高：微生物、寄生虫卵、病原微生物等有机物在温度和压力的共同作用下被彻底降解； -有利于实现资源化：固体碳化物可作为生物质燃料；高、中温碳化产生的可燃气体或焦油也可再利用；固体碳化物富含氮、磷等营养元素，可作为土壤改良剂和有机复合肥添加剂；低温碳化工艺中产生的碳化上清液可作为植物营养液、也可作为污水处理厂的碳源进行利用。
-适用于有机质含量高的市政污泥或其他有机质废料；有机质含量越高，系统所做的无用功越少，有效热能越高。
3.5.2主要区别
除了反应温度的不同以外，高温、中温、低温碳化工艺中还有几项最主要的区别：
-是否加压。在高温和中温碳化工艺中，反应炉内不需要提供较高的压强来保证碳化反应，日本电源开发株式会社的低温碳化也是如此。
在梵煦环境和美国Enertech的低温碳化工艺中，必须给碳化系统内的污泥提供足够的压强，以保证污泥的正常裂解和碳化系统的稳定。
-产物不同。高温碳化的主要产物为焦炭（固体碳化物）和少量的可燃气，中温碳化的主要产物为油、沼气和固体碳化物，而低温碳化的主要产物为固体碳化物、碳化上清液和脱水液。
-固体产物的热值不同。高、中、低温碳化工艺中均产生有固体碳化物，但该碳化物的热值不尽相同。经研究表明，随着碳化温度的升高，相应的固体碳化物的热值呈明显下降趋势。
-反应过程不同。不同的碳化工艺，其内部的反应机理不同，有些反应过程主要为还原反应（吸热）有些反应过程主要为氧化反应（放热）。
其他还有一些方面，如投资、运行成本等，均有不同，但这些因素应该与具体的工程项目相结合进行分析，这里不再详述。
四、 结束语
污泥碳化技术具有非常好的市场前景和社会效益，值得业内人士深入研究或长期关注。
污泥碳化技术属于新兴技术，在各家机构中其主要核心资料尚处于商业保密阶段，有些要点未进行深入剖析。梵煦环境长年工作在污泥碳化技术研发的技术研发的最前沿，也将陆续通过网站发表更多的污泥碳化技术信息。
在网络上很容易搜到有人发布出售“污泥碳化机”的商业信息，在这里提醒所有用户，污泥碳化有多家技术分支，不管是那个分支，都是一套完整的工艺系统，污泥处理不可能采用一台所谓的污泥碳化机解决了事，谨防被骗。
