德国诺姆里希热解污泥处理技术
Prof. Numrich GEV 曹臻/甄昕泽
随着城市污水处理厂的普及和运行，城市污水处理厂污泥产量快速增加。污泥含有病原体、重金属和持久性有机物等有毒有害物质，未经有效处理处置，极易对地下水、土壤等造成二次污染，直接威胁环境安全和公众健康，使污水处理设施的环境效益大大降低。如何解决污泥的处理处置出路，已成为世界各国城市发展过程中亟待解决的重大课题。
国外发达国家污泥处理处置技术路线已相对成熟。特别是欧美国家技术手段先进，相关的法律法规及标准规范已比较完善。欧美国家将土地利用作为污泥处置的主要方式和鼓励方向。土地利用主要包括三个方面：一是作为农作物、牧场草地肥料的农用；二是作为林地、园林绿化肥料的林用；三是作为沙荒地、盐碱地、废弃矿区改良基质的土壤改良。由于运输距离、操作难度等客观因素，污泥农用量又远高于林用和土壤改良。另外，欧美普遍采用厌氧消化和好氧发酵技术对污泥进行稳定化和无害化处理，其中50%以上的污泥都经过了厌氧消化处理。美国还另外建设了700多套好氧发酵处理设施，污泥的厌氧消化或好氧发酵为污泥的土地利用、尤其是农用提供了较好的基础。日本由于土地限制，污泥处理处置的主要技术路线是焚烧后建材利用为主，农用与填埋为辅。近年来，日本开始调整原有的技术路线，更加注重污泥的生物质利用，逐步减少焚烧的比例。另外，很多国家将污泥定义为生物固体，十分重视对有机物的资源回收，包括从污水和污泥中回收磷和氮的资源。因此，除了技术经济分析外，碳足迹分析已成为国外比选和评价污水处理和污泥处理工艺技术路线的重要方法。
德国每年都会产生大约200万吨（干物质 - TS）的城市污泥。 目前，其中近一半用于农业用途，其余部分是在单一或共同焚烧装置中处理。 从长远来看，德国政府已出台联合协议规划和规定了农业污泥利用减排。根据德国2017年10月污泥处理新规定，德国必须从污泥残渣中提取80%的磷，磷在德国具有战略性的意义，现在德国磷100% 靠进口，所以规定各个污泥处理厂必须于2023年提交整改方案，只能生产能提取磷的污泥残渣。这就意味着处理过程中污泥不能和其他物质比如褐煤等混合燃烧，只能进行单一燃烧或者热解技术进行处理。在世界范围内，磷是不可再生物质，磷的回收是保护有限能源的大趋势。
现处理污泥的常用方法是流化床燃烧技术。 该技术投资成本相当高，只有相对较高的人员成本才能实现安全运行。作为替代方案热解技术已得到德国政府有关部门的认可并加以推广使用。
污泥热解技术，是指生活或者工业污泥通过干燥后在热解反应器中通过绝氧高温条件下把污泥转变成高燃值的热解气以及短链碳物质。生成的干燥污泥对地面不造成危害，可以直接进行填埋，用于农业堆肥或者做为提炼磷酸盐等物质的原材料。生成的热解气可以燃烧供系统的热能利用或输出发电。与传统的污泥单一燃烧技术相比，热解的特点是操作更简单，污染物排放更少。热解设备可以模块化组建, 显示了较高的成本优势，并且操作简单。热解技术较单一燃烧技术有较大的环保优势，比如无二噁英的产生，固化重金属，高能量利用以及低能量损失的特点。
尽管世界各地对污泥的处理处置和管理措施不尽相同，但最终的目的都是使污泥处理处置达到减量化、稳定化和无害化后作为资源加以综合利用。污泥是一种有价值的资源，稳定化、无害化处理后再利用，既解决了污泥的出路问题，又开发了新的资源，满足了可持续发展的需求。结合可持续发展的理念，污泥填埋处置技术将呈现明显下降的趋势，而污泥作为一种有价值的资源，进行稳定化、无害化处理后再利用将是污泥处理处置技术发展的必然趋势。
诺姆里希能源过程公司利用污泥热解技术为德国能源康采恩EON集团设计并组装了污泥处理设备,运行并且实验结果良好。诺姆里希能源过程公司是集环保科研、应用、技术服务为一体的公司，以德国帕德伯恩大学为科研背景，拥有专业科研人员、几年来的科研成果及多项国家级专利，在污泥处理领域有丰富的科研及应用经验。
热解污泥处理技术工艺
1. 工艺过程描述
污泥处理采用“污泥干燥+热解+自给自足（或燃气发电）”的方案，处理后的污泥体积为初始污泥的5%-10%, 无毒无害，可进行填埋处理（在德国达到可填埋的II级; EWC代码：19 01 18）或者可进行园林绿化等土地利用。工艺采用脱水后的污泥首先被热干燥，然后在气密条件下热解。 这种气体中灰尘颗粒，有害物质通过洗涤被净化掉和汞和镉等金属在活性炭吸附器中被排掉。所产生的燃料气体用作必要的热干燥阶段的能量源，实现热能自给自足的过程。固体残余物可以填埋，农业肥料或用于磷酸盐回收。（加总设备图）
图 1: 淤泥热解设备图
（1） 污泥干燥过程
预脱水污泥临时放置在储藏室中。脱水后的污泥连续被输进采用双层加热螺干燥器中。此干燥器污泥进行直接热置换。 此干燥器的设计使污泥内外同时加热与加热介质有充分接触增大了传热效率，同时避免了粘性较大污泥在加热过程中在加热壁上的黏连。屏弃了带式干燥器和传统滚筒式干燥器，使用传统滚轮式干燥器容易使粘性较大的物质粘连在滚轮壁上从而影响导热效果，使用带式干燥器较难达到物质充分干燥，此外存在安全隐患曾经在德国的奥森那布吕克地区由于污泥中淀粉含量较高，用传统的带式干燥方法发生过燃烧现象。此项目使用的干燥器综合换热性能，效率，安全性以及设备成本都达到了最佳效果。高效污泥烘干含水率能有效的控制在5%-10%之间。干燥器烟气在洗涤器中冷凝并去除灰尘颗粒，不会对大气产生任何污染物， 洗涤水来自污水处理厂并循环使用。
图 2: 举例建成设备中的淤泥干燥设备
（2） 热解过程
图3: 举例建成设备中的热解设备
干燥的污泥随后进入热解反应器。 热解过程在间接煅烧的反应器中约400-500 °C的温度下进行。 在热解过程中，在绝氧环境中形成了具有高热值的短链烷烃和烯烃的气体以及惰性气体，避免了二噁英等有害气体的产生。另外热解气中含有粉尘，油质，重金属（汞和镉）以及其他有害物质杂质。其他热解产物是惰性的无机质碳质残渣以及除汞和镉以外的重金属元素，极其稳定，在德国按照无害物进行处理或者作为提取磷的原材料。
（3）洗气吸附过程
在反应器之后，为了热解气的再次利用以及排放气体的清洁，热解气中的粉尘颗粒和有害物质如（HCl，NH3 等有害气体）必须在接下来的洗气过程中被去除掉，热解气进入气体洗涤器以进一步冷却和净化，重金属如汞（Hg）和镉（Cd）在活性炭吸附器中被吸附并处理，避免了对大气的污染。 洗涤水从污水处理厂收集，并从洗气装置收集返回污水处理厂。
（4）能源再利用或燃气发电
经过洗气后的合成燃气具有很高的热值 （实验数据约6 KWh/kg），其主要成分为：甲烷、一氧化碳、氢气、二氧化碳和氮气。可以燃烧后用于自给自足的能源利用，或者用于发电。从而大大降低了运营成本。热解气完全燃烧后的产物是二氧化碳，水蒸气，氮气，氧气等无毒无害气体。经过降温，排放到大气中。
4. 处理实验数据（来自EON的处理数据）
4.1未处理淤泥/滤饼
类型 2000 吨（每年）工业淤泥和1750吨（每年）城市淤泥的混合物
处理量 约 1 t/h（约 700 t/a）
干质含量 25%
有机干渣 58%
4.2灰/热解焦炭
数量 约100 kg/h
填埋级别 根据TA市政垃圾可填埋的II级; EWC代码：19 01 18
4.3热解反应后的合成气
类型 热解气体
数量 约105 kg/h
热值 约6-7 kWh/kg
摩尔质量 约30 g/kmol
组成成分（重量比）
H2/N2 约10％
CO2 约30％
CO 约10％
链烷烃,烯烃 约50％
焦油/油 大约0.5％入口的滤饼
污染物（洗气前）
Σ Schwefel 2620,0 mg/m³
Σ Chlor 14,1 mg/m³
Σ Fluor < 1,0 mg/m³
HCL 无法统计; 最大值 HCL = Σ Chlor
H2S 1,4 mg/m³
HCN 10,7 mg/m³
NH3 631,0 mg/m³
NOx 120,0 mg/m³
颗粒 3,6 g/m³
污染物（鼓风机后，负载1）吸附和洗气）
污染物 负载 临界值
HCL mg/m³ 4….15 10
H2S mg/m³ 0,2.…1,4 2)
HCN mg/m³ 2,0….11 2)
NH3 mg/m³ 0,3….630 2)
SF mg/m³ < 1 1
Hg mg/m³ 0,002……0,027 0,03
Cd mg/m³ 0,0082…..0,044 0,05
1）来源: Carl Fritz Noell – Konversionsverfahren, EF-Verlag, 1994
Numrich; VDI Wissensforum, Bamberg, Februar 2003
2) 低于质量流量
4.4 焦油/油
处理 焦油和油在气体洗涤器中冷凝并分离。
数量 约为滤饼的0.5％ 约5 kg/h（额定载荷1000 kg/h滤饼）
4.5冷凝水
4.5.1 流量中冷却水的要求
温度 25 °C
固体 k.A.
ph值 k.A.
质量流量 7000 kg/h
4.5.2返回再利用冷却水*负载
污染物 基于干物质 总量 基于回流
(TS: 225 kg/h)
CSB 65,3 g/kg 14,7 kg/h 2.100 mg/l
Hg 67,4 μg/kg 21,9 mg/h 3,1 μg/l
Cd 21,3 μg/kg 4,8 mg/h 0,7 μg/l
N** 12,8 g/kg 2,9 kg/h 414 mg/l
温度出口最大温度 35°C
*以上数据基于城市污水污泥指南。在泥浆混合物可能偏离这些值。 值只能在期间的试运行是绝对确定的。
**一般可以说氮负荷在10-15％之间，5-10％的CSB负荷通过热解与处理装置入口有所增加。
5. 位置说明
以经验值，所建处理设备离污水处理厂的位置越近运营费用越低。下图所示红点位置为污泥处理设备位置。
6. 技术优势
在前面已经在技术论述中提到过整套流程和设备的技术优势，下面将从环保，过程工艺，设备，安装，经济性几个方面把整套设备流程的做以下总结:
- 废气经过洗气吸附为无毒无害气体 （二氧化碳，氧气，水蒸气，氮气）
- 污泥固体残渣为惰性无机质，状态稳定，在德国按无害处理，也可作为回收磷的原材料
- 洗气水为污水处理厂废水利用，产生废水再返回污水处理厂，不会造成过程中污染
- 洗气吸附过程去除部分重金属以及气体有害物质
- 螺杆式加热器比传统非接触性常用加热器，如履带式干燥器热效率更高，不容易发生高温过干设备堵塞
- 洗气装置可有效的去除热解气中的颗粒杂质和有害物质
- 根据处理量进行模块化设计，占地面积小
- 设备设计模块化统一化，投资小
- 能量自循环利用，外界耗能依赖少，运营成本低
