污泥低温碳化及燃料化技术

虽然我国污泥产量逐年增加，但有效处理率仍然较低。到2015年底，全国有效治疗率不足30%。随着污水处理的增加，未来几年污泥产量将继续上升。目前国内污泥市场处于起步阶段，大量污水处理厂的污泥排放没有达到相关标准。

1.中国的现状与发展

目前，我国的污泥处置方式多种多样，包括卫生填埋、焚烧、土地利用、厌氧消化、生产建筑材料等。由于技术和经济的限制，卫生填埋(65%)是现阶段主要的污泥处置方法。为了满足各地区污泥处理的需要，各种新的污泥处理处置方法不断被开发出来，其中具有代表性的技术之一就是污泥碳化。原理是在缺氧或厌氧条件下加热碳化污泥，使污泥中的有机物裂解，生成主要由烃类组成的可燃挥发性气体。可燃气体中的能量用于污泥干燥，充分利用污泥本身的能量生产化学性质稳定的污泥碳化物。

基于我国污泥处理处置的现状，人们致力于开发新的污泥低温碳化技术，将新的低温碳化技术与原有的高温碳化技术相结合，以更好地满足污泥市场客户的各种需求，进一步降低碳化技术的应用门槛，丰富碳化产品处置的出路。

2.研究和开发的目的和意义

本研究旨在探索低温污泥燃料，与现有高温炭化技术形成高低组合，满足各种市场需求。研究表明，污泥低温碳化可以获得热值更高的污泥碳化物，这在污泥燃料中比高温碳化更有优势。我国火电厂很多，碳化燃料作为污泥的最终处置方式有很大的保障。与火电厂直接焚烧污泥相比，运输和堆放环境更清洁，臭味更少，不存在污泥渗滤液问题。由于炭化污泥的热值高于污泥，燃烧效率更高，可以适当提高掺混比，节约化石燃料。低温碳化还有助于减少二氧化碳和二恶英等有害气体的排放。因此，有必要进一步探索和发展一种新的污泥低温碳化和燃料化方法。

3.主要研发方法和工艺路线

3.1低温碳化条件的基础研究

将干燥后的污泥(含水率20%)在管式炉中碳化，待炉温达到设定温度后碳化一段时间，收集期间产生的气体。待炉体冷却至室温后，停止通氮气，得到碳化污泥。研究条件为:炭化温度为250℃、300℃和350℃，炭化时间为0.5h、1.0h和1.5h

3.2低温碳化产品的基础研究

在各种条件下制备的碳化污泥的基本分析如下。首先是碳化污泥的工业分析，用工业分析仪分析每种碳化污泥的水分、挥发分、灰分和固定碳含量。它是碳化污泥的元素分析，其中通过元素分析仪测量每个碳化污泥样品中的C、H、N、S和O的含量。

4.研究和开发方法

4.1低温碳化条件的基础研究

将210g脱水污泥在研钵中充分研磨，然后在45℃的恒温干燥箱中干燥1小时，得到干污泥。粉碎成粒径小于50毫米的小块，然后放入干燥盘中备用。将10g干燥后的污泥放入坩埚中，用管式炉以10℃/min的升温速率进行碳化，待炉温达到设定温度后，碳化一段时间，收集期间产生的气体，待炉体冷却至室温后停止通氮气，得到碳化污泥。碘值用于表征温度和时间对污泥碳化的影响。本方法参照《木质活性炭实验方法中碘吸附值的测定》(GB/T12496.8-1999)。

炭化污泥的制备条件设定为:炭化温度为250℃、300℃和350℃(炭化时间为1h)，炭化时间为0.5h、1.0h和1.5h(炭化温度为350℃)。

4.2低温碳化产品的基础研究

在各种条件下对4.1中制备的碳化污泥进行以下基本分析。

4.2.1污泥和污泥碳化物的工业分析

将原料污泥和污泥碳化物(350℃)在45℃下干燥，粉碎至200μm以下，分别分析水分、挥发分、灰分和固定碳含量。

4.2.2污泥和污泥碳化物元素的分析

热导法用于分析污泥和污泥中的碳化物元素。通过对样品燃烧部分有机元素的碳、氢、氮、硫、氮定量分析，测定了原料污泥和污泥碳化物(350℃)中的碳、氢、氮、硫、氧含量。

4.2.3污泥和污泥碳化物热值的测定

将约1g风干样品置于氧弹量热计中，氧弹量热计中充入压力为2.6 ~ 3.0 MPa的氧气，点火燃烧后冷却至样品初始温度(20 ~ 25℃)。此时单位质量燃料释放的热量就是弹筒热值。此时，燃料中的碳完全变成二氧化碳，氢气燃烧冷却变成液态水，氧弹中的硫和氮的瞬时燃烧温度约为1500℃，与过量的氧气反应生成SO3和NOx，然后溶解在置于氧弹中的水中，生成H2SO4和HNO3并放出热量。样品的高热值=药筒热值-酸溶于水释放热量。

5.R&D结果

5.1低温碳化条件的基础研究

从图1可以看出，干污泥在250 ~ 350℃碳化1小时，污泥碳化碘值有随温度升高而升高的趋势。这是因为随着温度的升高，污泥中的有机成分分解更充分，会转化成更多的碳，从而形成更多的微孔。因此，在250 ~ 350℃范围内，温度越高，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。炭化时间为1h时，炭化物碘值较高，因为炭化时间过短，污泥热解不充分，碳转化率低，不能形成丰富的微孔结构。炭化时间过长，污泥中的碳会流失，形成的微孔会烧结，导致碘值降低。

5.2低温碳化产品的基础研究

5.2.1污泥和污泥碳化物的工业分析

从表1可以看出，干化污泥、低温炭化污泥和高温炭化污泥的水分和挥发分依次降低，而灰分和固定碳依次升高。虽然低温和高温炭化污泥的固定碳含量几乎相同，但低温炭化污泥的挥发分含量是高温炭化污泥的1.7倍左右，灰分含量比高温炭化污泥少15%左右，更有利于燃烧，更适合做燃料。

5.2.2污泥和污泥碳化物元素的分析

从表2可以看出，干化污泥、低温炭化污泥和高温炭化污泥的C、H、O、N、S含量依次降低。低温炭化污泥比高温炭化污泥含有更多的C、H、O元素，更容易燃烧，更适合做燃料。

5.2.3污泥和污泥碳化物热值的测定

从表3可以看出，干化污泥的热值高于高温碳化污泥。碳化污泥热值低是由于碳化过程中大量挥发。干污泥的负热值可能是由于相对较高的水分含量。干化污泥虽然热值高，但由于会产生臭味，不适合投入使用，而高温炭化污泥虽然没有臭味问题，但热值相对较低。整体来看，低温炭化污泥没有臭味问题，热值相对较高，更适合做燃料。

6.结论

本文对碳化污泥的最佳低温碳化条件进行了研究。结果表明，最佳炭化时间为1h，最佳炭化温度为350℃。成分分析和元素分析表明，低温污泥的碳化物比高温碳化污泥含挥发分多、灰分少、热量高，更适合做燃料。低温炭化污泥虽然自燃性比高温炭化污泥高，但在可控范围内适当喷水可以解决，安全性更好。低温污泥碳化(固定碳含量约2.46%，热值约6MJ/kg，灰分约76%)与煤(固定碳含量40%，热值约23MJ/kg，灰分约20%)相差甚远，但与高温污泥碳化(固定碳含量约2.47%，热值约3.5MJ/kg，灰分约80%考虑燃烧效率，可与其他燃料混合，对炉型、粉尘和(来源:中节能卜式(湖北)环境工程技术有限公司)

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