污泥低溫碳化燃料化關(guān)鍵技術(shù)研究

馬文博

（中節(jié)能博實(shí)（湖北）環(huán)境工程技術(shù)股份有限公司，山東 濱州 430071）

雖然我國(guó)污泥產(chǎn)量連年遞增，但有效處理率依舊偏低。2015年底，全國(guó)有效處理率低于30%。隨著污水處理量的增加，污泥產(chǎn)量在未來幾年仍將保持上升趨勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)污泥市場(chǎng)處于起步階段，大量污水廠污泥排放未達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀和發(fā)展概況

目前，國(guó)內(nèi)污泥處置方法多種多樣，有衛(wèi)生填埋、焚燒、土地利用、厭氧消化、生產(chǎn)建材等，由于受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)制約，現(xiàn)階段的污泥處置以衛(wèi)生填埋（65%）為主[1-2]。為滿足各種地區(qū)污泥處理的需要，各種新型污泥處理處置方法不斷開發(fā)出來，其代表技術(shù)之一就是污泥碳化。其原理是在缺氧或無氧條件下加熱碳化污泥，使污泥中有機(jī)物裂解，生成主要由碳?xì)浠衔锝M成的可燃揮發(fā)氣體，利用可燃?xì)怏w中能量干化污泥，充分利用污泥自身能量生產(chǎn)出化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的污泥碳化物。

立足于國(guó)內(nèi)污泥處理處置現(xiàn)狀，人們著眼于開發(fā)新型污泥低溫碳化技術(shù)，將新型低溫碳化技術(shù)與原有高溫碳化技術(shù)形成高低搭配，以更好地適應(yīng)污泥市場(chǎng)客戶的多種需求，進(jìn)一步降低碳化技術(shù)應(yīng)用門檻，豐富碳化產(chǎn)物處置出路。

2 研發(fā)目的與意義

本研究目的是探索低溫污泥燃料化，與現(xiàn)有高溫碳化技術(shù)形成高低搭配，滿足市場(chǎng)多種需求。有關(guān)研究表明，污泥低溫碳化能獲得發(fā)熱量更高的污泥碳化物，比高溫碳化在污泥燃料化上更有優(yōu)勢(shì)。我國(guó)火電廠眾多，碳化燃料化作為污泥最終處置方式有極大保障。與火電廠直接摻燒污泥相比，運(yùn)輸和堆放環(huán)境更清潔，臭氣更少，無污泥滲濾液?jiǎn)栴}。因碳化污泥發(fā)熱量高于污泥，燃燒效率更高，可適當(dāng)提高摻燒比，節(jié)約化石燃料[3]。低溫碳化還有助于二氧化碳減排，減少二噁英等有害氣體排放。所以，有必要進(jìn)一步探索、開發(fā)污泥低溫碳化燃料化新方法。

3 研發(fā)主要方法及工藝路線

3.1 低溫碳化條件基礎(chǔ)研究

將干化污泥（含水率20%）用管式爐進(jìn)行碳化，爐溫達(dá)設(shè)定溫度后碳化一段時(shí)間，收集期間產(chǎn)生的氣體，待爐體冷卻至室溫后停止通氮?dú)?，得碳化污泥。研究條件設(shè)置如下：碳化溫度為250℃、300℃、350℃，碳化時(shí)間為0.5 h、1.0 h、1.5 h。

3.2 低溫碳化產(chǎn)物基礎(chǔ)研究

對(duì)各條件下制備的碳化污泥進(jìn)行下列基礎(chǔ)分析。一是碳化污泥工業(yè)分析，用工業(yè)分析儀分別對(duì)各碳化污泥進(jìn)行水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳含量分析。二是碳化污泥元素分析，用元素分析儀分別測(cè)各碳化污泥樣品中C、H、N、S、O含量。

4 研發(fā)方法

4.1 低溫碳化條件基礎(chǔ)研究

取脫水污泥210 g，于研缽中充分碾磨后，在恒溫干燥箱內(nèi)、45℃下烘干1 h，制得干化污泥。破碎至粒徑小于50 mm的小塊后于干燥皿中備用。取干化污泥10 g于坩堝中，用管式爐進(jìn)行碳化，升溫速率10℃/min，爐溫達(dá)設(shè)定溫度后碳化一段時(shí)間，收集期間產(chǎn)生的氣體，待爐體冷卻至室溫后停止通氮?dú)猓锰蓟勰?。用碘值大小表征溫度及時(shí)間對(duì)污泥碳化的影響，方法參照《木質(zhì)活性炭實(shí)驗(yàn)方法 碘吸附值的測(cè)定》（GB/T12496.8-1999）。

碳化污泥制備條件設(shè)置如下：碳化溫度為250℃、300℃、350℃（碳化時(shí)間1 h），碳化時(shí)間為0.5 h、1.0 h、1.5 h（碳化溫度350℃）。

4.2 低溫碳化產(chǎn)物基礎(chǔ)研究

對(duì)4.1制備的各條件下的碳化污泥進(jìn)行下列基礎(chǔ)分析。

4.2.1 污泥、污泥碳化物工業(yè)分析

將原污泥、污泥碳化物（350℃）在45℃烘干后研磨至小于200 μm，分別進(jìn)行水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳含量分析。

4.2.2 污泥、污泥碳化物元素分析

污泥、污泥碳化物元素分析采用熱導(dǎo)法。樣品的燃燒部分采用有機(jī)元素定量分析的C、H、N分析法，測(cè)原污泥、污泥碳化物（350℃）中C、H、N、S、O含量。

4.2.3 污泥、污泥碳化物發(fā)熱量測(cè)定

將約1 g空氣干燥基樣品置于氧彈測(cè)熱計(jì)中，氧彈測(cè)熱計(jì)內(nèi)充滿壓力為2.6～3.0 MPa的氧氣，點(diǎn)火燃燒后冷卻至樣品初始溫度（20～25℃），此時(shí)單位質(zhì)量燃料所釋放的熱量即為彈筒發(fā)熱量。此時(shí)，燃料中碳完全變?yōu)槎趸迹瑲淙紵⒔?jīng)冷卻變?yōu)橐簯B(tài)水，硫和氮在氧彈內(nèi)瞬時(shí)燃燒溫度達(dá)1500℃左右，與過剩氧作用生成SO3和NOx，并溶于置于氧彈內(nèi)的水中形成H2SO4和HNO3并放出熱量。樣品的高位發(fā)熱量=彈筒發(fā)熱量-酸溶于水釋放熱量。

5 研發(fā)結(jié)果

5.1 低溫碳化條件基礎(chǔ)研究

圖1 碳化溫度對(duì)污泥碳化的影響

由圖1可知，在250～350℃范圍內(nèi)將干化污泥碳化1 h，隨著溫度的升高，污泥碳化物碘值呈上升趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S溫度的升高，污泥中的有機(jī)成分分解更充分，會(huì)轉(zhuǎn)化為更多的碳，進(jìn)而形成更多的微孔。所以，在250～350℃范圍內(nèi)，溫度越高，污泥碳化越完全。

圖2 碳化時(shí)間對(duì)污泥碳化的影響

在碳化溫度350℃條件下，分別碳化0.5 h、1.0 h、1.5 h，其碘值先增大后減小。在碳化時(shí)間為1 h時(shí)，碳化物碘值最高，因?yàn)樘蓟瘯r(shí)間過短，污泥沒有充分熱解，碳的轉(zhuǎn)化率低，不能形成豐富的微孔結(jié)構(gòu)，碳化時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)造成污泥中碳的損失，還會(huì)使已形成的微孔燒結(jié)，導(dǎo)致碘值下降。

5.2 低溫碳化產(chǎn)物基礎(chǔ)研究

5.2.1 污泥、污泥碳化物工業(yè)分析

表1 污泥樣品工業(yè)分析

由表1可得，干化污泥、低溫碳化污泥、高溫碳化污泥水分、揮發(fā)分依次減少，灰分、固定碳依次增加。雖然低溫、高溫碳化污泥所含固定碳相差無幾，但低溫碳化污泥所含揮發(fā)分為高溫碳化污泥的1.7倍左右，且其灰分含量比高溫碳化污泥少15%左右，更利于燃燒，更適于做燃料。

5.2.2 污泥、污泥碳化物元素分析

表2 污泥樣品元素分析

由表2可得，干化污泥、低溫碳化污泥、高溫碳化污泥的C、H、O、N、S含量依次減少。低溫碳化污泥比高溫碳化污泥含有更多的C、H、O元素，更易于燃燒，更適合做燃料。

5.2.3 污泥、污泥碳化物發(fā)熱量測(cè)定

由表3可得，干化污泥發(fā)熱量最高，高溫碳化污泥發(fā)熱量最低。碳化污泥發(fā)熱量低是因?yàn)樘蓟^程中有大量揮發(fā)分析出。干化污泥發(fā)熱量為負(fù)值可能是因?yàn)楹氏鄬?duì)較高的緣故。雖干化污泥發(fā)熱量最高，但因有臭氣產(chǎn)生，操作性不強(qiáng)，不宜投入使用，而高溫碳化污泥雖無臭氣問題，但發(fā)熱量相對(duì)較低。綜合來看，低溫碳化污泥既沒有臭氣問題，又有相對(duì)較高的發(fā)熱量，更適合做燃料。

表3 污泥樣品發(fā)熱量分析

6 結(jié)語

本文研究了碳化污泥的最佳低溫碳化條件，結(jié)果表明，最佳碳化時(shí)間為1 h，最佳碳化溫度為350℃。成分分析及元素分析表明，低溫污泥碳化物比高溫碳化污泥含有更多的揮發(fā)分、更少的灰分、更高的熱量，更適合做燃料。雖然低溫碳化污泥比高溫碳化污泥自燃性高，但在可控范圍之內(nèi)，可通過適當(dāng)噴水解決，安全性較好。低溫污泥碳化物（固定碳含量約2.46%，熱值約6 MJ/kg，灰分含量約76%）與煤炭（固定碳含量40%，熱值約23 MJ/kg，灰分含量約20%）相比，還有很大差距，但與高溫污泥碳化物（固定碳含量約2.47%，熱值約3.5 MJ/kg，灰分含量約80%）相比，有較大改善，產(chǎn)物發(fā)熱量提高了近一倍。考慮到燃燒效率，其最好配合其他燃料進(jìn)行摻燒使用，且對(duì)電廠爐型、粉塵和煙氣處理系統(tǒng)、輸送和儲(chǔ)存等有更高要求。