污泥低温碳化燃料化关键技术研究

马文博

（中节能博实（湖北）环境工程技术股份有限公司，山东 滨州 430071）

虽然我国污泥产量连年递增，但有效处理率依旧偏低。2015年底，全国有效处理率低于30%。随着污水处理量的增加，污泥产量在未来几年仍将保持上升趋势。目前，国内污泥市场处于起步阶段，大量污水厂污泥排放未达到相关标准。

1 国内现状和发展概况

目前，国内污泥处置方法多种多样，有卫生填埋、焚烧、土地利用、厌氧消化、生产建材等，由于受技术和经济制约，现阶段的污泥处置以卫生填埋（65%）为主[1-2]。为满足各种地区污泥处理的需要，各种新型污泥处理处置方法不断开发出来，其代表技术之一就是污泥碳化。其原理是在缺氧或无氧条件下加热碳化污泥，使污泥中有机物裂解，生成主要由碳氢化合物组成的可燃挥发气体，利用可燃气体中能量干化污泥，充分利用污泥自身能量生产出化学性质稳定的污泥碳化物。

立足于国内污泥处理处置现状，人们着眼于开发新型污泥低温碳化技术，将新型低温碳化技术与原有高温碳化技术形成高低搭配，以更好地适应污泥市场客户的多种需求，进一步降低碳化技术应用门槛，丰富碳化产物处置出路。

2 研发目的与意义

本研究目的是探索低温污泥燃料化，与现有高温碳化技术形成高低搭配，满足市场多种需求。有关研究表明，污泥低温碳化能获得发热量更高的污泥碳化物，比高温碳化在污泥燃料化上更有优势。我国火电厂众多，碳化燃料化作为污泥最终处置方式有极大保障。与火电厂直接掺烧污泥相比，运输和堆放环境更清洁，臭气更少，无污泥渗滤液问题。因碳化污泥发热量高于污泥，燃烧效率更高，可适当提高掺烧比，节约化石燃料[3]。低温碳化还有助于二氧化碳减排，减少二噁英等有害气体排放。所以，有必要进一步探索、开发污泥低温碳化燃料化新方法。

3 研发主要方法及工艺路线

3.1 低温碳化条件基础研究

将干化污泥（含水率20%）用管式炉进行碳化，炉温达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，得碳化污泥。研究条件设置如下：碳化温度为250℃、300℃、350℃，碳化时间为0.5 h、1.0 h、1.5 h。

3.2 低温碳化产物基础研究

对各条件下制备的碳化污泥进行下列基础分析。一是碳化污泥工业分析，用工业分析仪分别对各碳化污泥进行水分、挥发分、灰分和固定碳含量分析。二是碳化污泥元素分析，用元素分析仪分别测各碳化污泥样品中C、H、N、S、O含量。

4 研发方法

4.1 低温碳化条件基础研究

取脱水污泥210 g，于研钵中充分碾磨后，在恒温干燥箱内、45℃下烘干1 h，制得干化污泥。破碎至粒径小于50 mm的小块后于干燥皿中备用。取干化污泥10 g于坩埚中，用管式炉进行碳化，升温速率10℃/min，炉温达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，得碳化污泥。用碘值大小表征温度及时间对污泥碳化的影响，方法参照《木质活性炭实验方法 碘吸附值的测定》（GB/T12496.8-1999）。

碳化污泥制备条件设置如下：碳化温度为250℃、300℃、350℃（碳化时间1 h），碳化时间为0.5 h、1.0 h、1.5 h（碳化温度350℃）。

4.2 低温碳化产物基础研究

对4.1制备的各条件下的碳化污泥进行下列基础分析。

4.2.1 污泥、污泥碳化物工业分析

将原污泥、污泥碳化物（350℃）在45℃烘干后研磨至小于200 μm，分别进行水分、挥发分、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热导法。样品的燃烧部分采用有机元素定量分析的C、H、N分析法，测原污泥、污泥碳化物（350℃）中C、H、N、S、O含量。

4.2.3 污泥、污泥碳化物发热量测定

将约1 g空气干燥基样品置于氧弹测热计中，氧弹测热计内充满压力为2.6～3.0 MPa的氧气，点火燃烧后冷却至样品初始温度（20～25℃），此时单位质量燃料所释放的热量即为弹筒发热量。此时，燃料中碳完全变为二氧化碳，氢燃烧并经冷却变为液态水，硫和氮在氧弹内瞬时燃烧温度达1500℃左右，与过剩氧作用生成SO3和NOx，并溶于置于氧弹内的水中形成H2SO4和HNO3并放出热量。样品的高位发热量=弹筒发热量-酸溶于水释放热量。

5 研发结果

5.1 低温碳化条件基础研究

图1 碳化温度对污泥碳化的影响

由图1可知，在250～350℃范围内将干化污泥碳化1 h，随着温度的升高，污泥碳化物碘值呈上升趋势。这是因为随温度的升高，污泥中的有机成分分解更充分，会转化为更多的碳，进而形成更多的微孔。所以，在250～350℃范围内，温度越高，污泥碳化越完全。

图2 碳化时间对污泥碳化的影响

在碳化温度350℃条件下，分别碳化0.5 h、1.0 h、1.5 h，其碘值先增大后减小。在碳化时间为1 h时，碳化物碘值最高，因为碳化时间过短，污泥没有充分热解，碳的转化率低，不能形成丰富的微孔结构，碳化时间过长，会造成污泥中碳的损失，还会使已形成的微孔烧结，导致碘值下降。

5.2 低温碳化产物基础研究

5.2.1 污泥、污泥碳化物工业分析

表1 污泥样品工业分析

由表1可得，干化污泥、低温碳化污泥、高温碳化污泥水分、挥发分依次减少，灰分、固定碳依次增加。虽然低温、高温碳化污泥所含固定碳相差无几，但低温碳化污泥所含挥发分为高温碳化污泥的1.7倍左右，且其灰分含量比高温碳化污泥少15%左右，更利于燃烧，更适于做燃料。

5.2.2 污泥、污泥碳化物元素分析

表2 污泥样品元素分析

由表2可得，干化污泥、低温碳化污泥、高温碳化污泥的C、H、O、N、S含量依次减少。低温碳化污泥比高温碳化污泥含有更多的C、H、O元素，更易于燃烧，更适合做燃料。

5.2.3 污泥、污泥碳化物发热量测定

由表3可得，干化污泥发热量最高，高温碳化污泥发热量最低。碳化污泥发热量低是因为碳化过程中有大量挥发分析出。干化污泥发热量为负值可能是因为含水率相对较高的缘故。虽干化污泥发热量最高，但因有臭气产生，操作性不强，不宜投入使用，而高温碳化污泥虽无臭气问题，但发热量相对较低。综合来看，低温碳化污泥既没有臭气问题，又有相对较高的发热量，更适合做燃料。

表3 污泥样品发热量分析

6 结语

本文研究了碳化污泥的最佳低温碳化条件，结果表明，最佳碳化时间为1 h，最佳碳化温度为350℃。成分分析及元素分析表明，低温污泥碳化物比高温碳化污泥含有更多的挥发分、更少的灰分、更高的热量，更适合做燃料。虽然低温碳化污泥比高温碳化污泥自燃性高，但在可控范围之内，可通过适当喷水解决，安全性较好。低温污泥碳化物（固定碳含量约2.46%，热值约6 MJ/kg，灰分含量约76%）与煤炭（固定碳含量40%，热值约23 MJ/kg，灰分含量约20%）相比，还有很大差距，但与高温污泥碳化物（固定碳含量约2.47%，热值约3.5 MJ/kg，灰分含量约80%）相比，有较大改善，产物发热量提高了近一倍。考虑到燃烧效率，其最好配合其他燃料进行掺烧使用，且对电厂炉型、粉尘和烟气处理系统、输送和储存等有更高要求。