SlurryCardTM污泥碳化工藝

1 什么是污泥碳化

市政污泥中含有可燃物質(zhì)，尤其是生化污泥（二沉池排出的剩余污泥），由于其中含有大量的活性污泥細菌，可燃物質(zhì)量更大。根據上海、天津等地的污泥發(fā)熱量試驗，中國市政污泥中的發(fā)熱量約為2200－3300大卡/噸干物質(zhì)。其中消化后的污泥發(fā)熱量較低，一般僅為未消化污泥的70％左右。夏季污泥的發(fā)熱量比冬季低。

所謂污泥碳化，就是通過(guò)給污泥加溫和加壓，使生化污泥中的細胞裂解，將其中的水分釋放出來(lái)，同時(shí)又最大限度地保留了污泥中碳質(zhì)的過(guò)程。污泥碳化的優(yōu)勢在于，污泥碳化是通過(guò)裂解方式將污泥中的水分脫出，能源消耗少，剩余產(chǎn)物中的碳含量高，發(fā)熱量大，而其它工藝大多數是通過(guò)加熱，蒸發(fā)的方式去除污泥中的水分，耗能大，灰分中的碳質(zhì)低，利用價(jià)值小。

1.2 污泥碳化的發(fā)展世界上污泥碳化技術(shù)的發(fā)展分為以下三個(gè)階段。

（1）理論研究階段（1980－1990年）。

這個(gè)階段的研究集中在污泥碳化機理的研究上。這個(gè)階段一個(gè)突出特點(diǎn)就是大量的專(zhuān)利申請。Fassb ender, A.G等人的STORS專(zhuān)利，Dickinson N.L污泥碳化專(zhuān)利都是在這期間申請和批準的。

（2）小規模生產(chǎn)試驗階段（1990－2000年）。

隨著(zhù)污泥碳化理論研究的深入和實(shí)驗室試驗的成功，人們開(kāi)始思考將污泥碳化技術(shù)轉變成為真正商業(yè)化污泥處理的裝置。在大規模商業(yè)化之前，為了減少投資風(fēng)險，需要對該技術(shù)進(jìn)行小規模生產(chǎn)性試驗（Pilot Trial）。通過(guò)這些試驗，污泥碳化技術(shù)開(kāi)始從實(shí)驗室走向工廠(chǎng)。這期間設計和制造了許多專(zhuān)用設備，解決了大量實(shí)際工廠(chǎng)化的技術(shù)問(wèn)題。這個(gè)階段的特點(diǎn)如下：

規模小。例如1997年日本三菱在宇部的污泥碳化廠(chǎng)規模為20噸/天；1992年，日本ORGANO公司在東京郊區建了一個(gè)污泥碳化試驗廠(chǎng)；1997年Thermo Energy 在加利福尼亞州Colton市建立了一個(gè)污泥碳化實(shí)驗廠(chǎng)規模為每天處理5噸干泥。

試驗資金來(lái)自大公司和政府，而不是商業(yè)用戶(hù)。例如，在日本的試驗均來(lái)自大公司，在加州的試驗資金是來(lái)自美國EPA。

（3）大規模的商業(yè)推廣階段（2000－）。

除了污泥碳化技術(shù)逐漸成熟的因素以外，導致污泥碳化技術(shù)大規模商業(yè)推廣還有其他因素。

在日本，80％的污泥的最終處置方法是焚燒。但由于近年來(lái)發(fā)現焚燒存在二惡英污染的隱患，所以日本環(huán)保部門(mén)對焚燒排除的氣體提出了更加嚴格的要求，使得本來(lái)成本就很高的焚燒工藝的成本更加提高。為了取代焚燒工藝，目前，日本已經(jīng)有多家公司生產(chǎn)和銷(xiāo)售碳化裝置。比較著(zhù)名的有荏原公司的碳化爐，三菱公司橫濱制作所的污泥碳化裝置，巴工業(yè)公司每天處理10噸，30噸的污泥碳化裝置。2005年日本東京下水道技術(shù)展覽會(huì )上，日本日環(huán)特殊株式會(huì )社甚至推出了標準的污泥碳化減量車(chē)。該車(chē)可以隨時(shí)到任何有污泥的場(chǎng)所對污泥進(jìn)行碳化。這些發(fā)展表明，碳化技術(shù)已趨于成熟。同時(shí)可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。

在美國，很多州的污泥過(guò)去都采用填埋。由于發(fā)現污泥中包含的有害物質(zhì)對地下水的污染，未處理污泥填埋后造成填埋場(chǎng)對環(huán)境的危害，美國EPA頒布了新的填埋標準。過(guò)去的未達標的污泥（Class B污泥）將不再允許填埋，只有達標污泥（Class A污泥）才允許填埋。這項標準的頒布，使得現有的污水處理廠(chǎng)只有投入巨大的污泥處置成本，才能對其污泥進(jìn)行處置。另外，現有的填埋場(chǎng)已經(jīng)接近飽和，開(kāi)辟新的填埋廠(chǎng)越來(lái)越困難。為了達到EPA新的污泥處置標準和解決填埋場(chǎng)逐漸用盡的問(wèn)題，2000年以后，在美國各個(gè)州，各個(gè)縣（County）的政府內都建立了專(zhuān)門(mén)的污泥處置研究機構，對可能的解決方案進(jìn)行可行性研究。在研究了一些傳統的污泥處置方案（如焚燒，堆肥，干化）的同時(shí)，新的污泥碳化技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入了政府的考慮范圍，例如在南加州大洛杉磯地區，經(jīng)過(guò)近2年的考察、比較，已經(jīng)決定要建立一個(gè)每天處理675噸污泥的碳化廠(chǎng)，由能源技術(shù)公司（Enertech Environmental Co.）建設、運行。

1.3污泥碳化的分類(lèi):

（1）高溫碳化

碳化時(shí)不加壓，溫度為1,200 – 1,800°F（649－982℃）。先將污泥干化至含水率約30％，然后進(jìn)入炭化爐高溫碳化造粒。碳化顆�？梢宰鳛榈图壢剂鲜褂�，其熱值約為2000－3000大卡/公斤（在日本或美國）。技術(shù)上較為成熟的公司包括日本的荏原，三菱重工，巴工業(yè)以及美國的IES等。該技術(shù)可以實(shí)現污泥的減量化和資源化，但由于其技術(shù)復雜，運行成本高，產(chǎn)品中的熱值含量低，目前尚未有大規模的應用。最大規模的為30噸濕污泥/天。

（2）中溫碳化

碳化時(shí)不加壓，溫度為800 – 1000°F（426－537℃）。先將污泥干化至含水率約90％，然后進(jìn)入炭化爐分解。工藝中產(chǎn)生油，反應水（蒸汽冷凝水），沼氣（未冷凝的空氣）和固體碳化物。該技術(shù)的代表為澳大利亞ESI公司。該公司在澳州建設了一座100噸/日的處理廠(chǎng)。該技術(shù)可以實(shí)現污泥的減量化和資源化，但由于污泥最終的產(chǎn)物過(guò)于多樣化，利用十分困難。另外，該技術(shù)是在干化后對污泥實(shí)行碳化，其經(jīng)濟效益不明顯，除澳洲一家處理廠(chǎng)外，目前尚無(wú)其他潛在的用戶(hù)。

（3）低溫碳化

碳化前無(wú)需干化，碳化時(shí)加壓至10MPa左右，碳化溫度為600℉左右（315℃），碳化后的污泥成液態(tài)，脫水后的含水率達50％以下，經(jīng)干化造粒后可以作為低級燃料使用，其熱值約為3600－4900大卡/公斤（在美國）。

該技術(shù)的特點(diǎn)是，通過(guò)加溫加壓使得污泥中的生物質(zhì)全部裂解，僅通過(guò)機械方法即可將污泥中75％的水分脫除，極大地節省了運行中的能源消耗。污泥全部裂解保證了污泥的徹底穩定。污泥碳化過(guò)程中保留了絕大部分污泥中熱值，為裂解后的能源再利用創(chuàng )造了條件。

注：該分類(lèi)為傳統意義上的分類(lèi)，主要區別在于溫度控制范圍的不同以及是否增加壓強。

1.4污泥低溫碳化技術(shù)的廠(chǎng)家:

（1）EnerTech（能源技術(shù)）：

該公司1992年成立，技術(shù)名稱(chēng)為SlurrycarbTM，該工藝是連續式的。其工藝是將污泥加壓至1000-1500 psig（70-100kg/cm2），通過(guò)熱交換器，加溫至400-450°F（204-232℃）。熱化分解反應時(shí)，污泥中的有機物被分解，二氧化碳氣從固體中被分離。

1999年8月美國能源部（DOE）撥款50萬(wàn)美元，支持能源技術(shù)公司的污泥碳化技術(shù)開(kāi)發(fā)，制造碳化中試裝置PDU（Process Development Unit）；2001年1月，能源技術(shù)公司與美國太空總署簽訂了2年的合同。能源公司利用污泥碳化技術(shù)開(kāi)發(fā)出在太空倉轉化太空垃圾的原型裝置；2005年4月，在美國加州Railto建立一座每天處理625噸污泥的處理廠(chǎng)。工廠(chǎng)占地2.6公頃（6.4 arces），建在Rialto污水處理廠(chǎng)旁，每天約可生產(chǎn)140噸干的碳化顆粒。該工廠(chǎng)已經(jīng)于2006年4月在Rialto破土動(dòng)工，加州共有5個(gè)地區向該廠(chǎng)提供污泥，已經(jīng)全部與Enertech簽署了協(xié)議書(shū)。該廠(chǎng)已經(jīng)于2009年初完工投產(chǎn)。該廠(chǎng)生產(chǎn)的碳化物全部銷(xiāo)售給據該廠(chǎng)50英里外的三菱水泥廠(chǎng)。

（2）ThermoEnergy（熱能）：

熱能的工藝與EnerTech的工藝類(lèi)似，熱能用活塞壓力系統，污泥（steam）是注入的而不是泵入的，有熱交換器。要求的溫度是600°F（315℃），壓力是2,000 psig（138kg/cm2）。

熱能的工藝是批處理，每批需20分鐘的反應時(shí)間，有兩個(gè)并行的壓力活塞和反應罐，這樣可以使整個(gè)工藝連續。處理后的污泥經(jīng)過(guò)壓力釋放系統，然后用離心方式脫水至50％的含固率。這個(gè)工藝產(chǎn)生的碳化物與EnerTech的產(chǎn)生的碳化物相同。該公司曾在美國加州Colton污水處理廠(chǎng)做了一個(gè)試驗廠(chǎng)，目前沒(méi)有推廣的報導。

1.5   SlurryCarbTM 碳化工藝流程

Step 1: 污泥預處理，將含水率80％左右的脫水污泥切碎，攪拌。

Step 2: 污泥加壓，將污泥加壓送入碳化系統。

Step 3: 污泥加熱，通過(guò)外部熱源為污泥加熱。

Step 4: 污泥裂解反應，在高溫高壓狀態(tài)下，污泥被裂解成液態(tài)。

Step 5: 冷凝/熱交換，將加熱的污泥水冷卻，能量經(jīng)熱交換器回收。

Step 6: 污泥液脫水，脫水后的泥餅的含水率為50％以下。

Step 7: 上清液回收，使用膜過(guò)濾技術(shù)處理后的水返回污水處理廠(chǎng)。

Step 8: 干化，造粒，根據用戶(hù)需要可以對碳化物進(jìn)一步干化造粒，或保持原狀。

1.6污泥碳化的主要參數 

進(jìn)泥含水率：  80%左右（干物質(zhì)20，水80）

碳化物含水率：   50％以下（干物質(zhì)20，水20）

實(shí)際脫水：  75％以上 (80－20）

反應時(shí)間：  12分鐘

反應溫度：  <300℃

反應壓力：  <10MPa

E-fuel燃值（美國）： 3600大卡/公斤DS（消化污泥），4500大卡/公斤DS(未消化)

濾出液處理：

膜生物反應器（MBR），達到國家污水排放標準。

蒸發(fā)氣處理：

廢氣燃燒＋旋風(fēng)、過(guò)濾器，達到國家廢氣排放標準。

1.7SlurryCarbTM 碳化工藝質(zhì)量平衡

1.8SlurryCarbTM 碳化工藝能耗（與干化比較）

（1）理論基礎

取含水率80％的污泥1.25kg（其中水含量為1kg，DS含量為0.25kg）。

標準大氣壓下，將1公斤水從20℃升高至100℃所需要的能量為80大卡，折合335千焦。將1公斤水在其沸點(diǎn)蒸發(fā)所需要的熱量為40.8千焦/摩爾，相當于2260千焦。（五倍于把等量水從一攝氏度加熱到一百攝氏度所需要的熱量）。

（2）污泥干化能耗

假設污泥中干物質(zhì)的比熱與水相同，則0.25公斤干物質(zhì)從20℃加溫至100℃需要84千焦。1.25kg含水率80％的污泥干化所需要的總能量為：335 ＋ 2260 ＋ 84 ＝ 2679千焦

由于干化只能以其干化物質(zhì)進(jìn)行能量回收（污泥返混），最多只能有30％的能量回收，所以干化需要的能量為：2679 × 70％＝ 1875千焦

（3）污泥碳化能耗

在10MPa壓力下，污泥中的水份不會(huì )汽化，將1公斤水從160℃升高至240℃所需要的能量為80大卡（SlurryCarb工藝的能量回收可將初始污泥的溫度提高至160℃），折合400千焦。（水在10MPa下的比熱約為5.0×kJ/(kg ℃)。）加壓能量很小，可以忽略不計。

假設污泥中干物質(zhì)的比熱與水相同，將0.25公斤干物質(zhì)從160℃升高至240℃需要100千焦。

碳化部分需要的總能量為：400 ＋ 100 ＝ 500千焦

由于碳化剩余物中還有50％的水分，不考慮干物質(zhì)減量，其總量為0.5公斤，用干化方法蒸發(fā)，需要能量應為：84 ＋ 565 ＋ 84 ＝ 733千焦

同樣考慮30％的能量回收，干化所需能量為：733× 70％＝ 513 千焦

整個(gè)碳化過(guò)程需要的能量：500 ＋ 513 ＝ 1013 千焦

純干化工藝需要的熱量為1875千焦，碳化后再干化工藝需要的熱量為1013千焦，后者是前者的54％，節省能源約46％。

2. SlurryCarbTM工藝的投資

在美國，建設一座處理700噸/天污泥（含水率80％）污泥干化處理廠(chǎng)的總投資約為7500萬(wàn)美元，包括全部土建，設備、安裝和技術(shù)使用費等。其中直接費（設備，土建）為4000萬(wàn)美元，工程費為1850萬(wàn)美元，其他資金籌集，保險等1650萬(wàn)美元。合到處理100噸/天污泥（含水率80％）的總投資為8500萬(wàn)人民幣。

按同樣的水平和數量，如果在中國建設，直接費約2000萬(wàn)美元，工程費約380萬(wàn)美元，資金費用約550萬(wàn)美元，總投資約2930萬(wàn)美元，合人民幣23440萬(wàn)人民幣。合到處理100噸/天污泥（含水率80％）的總投資為3400萬(wàn)人民幣。

由于SlurryCarbTM采用了大量的常規設備，總造價(jià)比干化設備的投資要小很多。目前，即使在美國，SlurryCarbTM也是處于起步階段，技術(shù)使用費，設計費等相對收取的較高，一旦批量推廣，整體造價(jià)還會(huì )大幅度降低。

3. SlurryCarbTM工藝運行成本估算

3.1計算依據

通常 1000立方米天然氣的價(jià)格與1噸原油的價(jià)格相當。1噸原油＝7.3桶原油，按國際市場(chǎng)價(jià)格60美元/桶計算，天然氣的最高價(jià)格應為3.42元人民幣。如果按照50美元/桶計算，天然氣的最高價(jià)格應為2.85元人民幣。目前，天津地區天然氣的售價(jià)為2.40元人民幣（2006年3月1日起實(shí)行）。

計算的基本依據： 1大卡＝3.968 BTU = 4 BTU

1 Btu ＝ 1055.6 焦耳＝1 KJ

1立方米天然氣熱量＝8600 大卡

天然氣燃燒的熱效率一般按65％計算（最高可達 75％）

煤炭的熱效率一般按50％（最高可達60％）

1度電＝860 大卡

1kg 標準煤＝7000 大卡

1kg 水從0℃加熱到100℃需要100大卡

1kg水變成蒸汽約為500大卡

3.2污泥碳化的運行成本

（1）Enertech計算的運行成本（炭化物銷(xiāo)售）

污泥碳化工藝中的換熱器出口溫度為160度，加熱至260度，不氣化，即可將污泥中的水分脫至50％以下。

1公斤水加熱需要天然氣量＝100 / 65% /8600 = 0.018 立方米

1噸污泥碳化需要天然氣量＝0.018 * 1000 = 18 立方米

假設污泥中的含水率為80％，當含水率降至50％時(shí)，75％的水分已經(jīng)被機械脫出，1噸污泥中只有200公斤的水需要氣化。

1公斤水干化需要天然氣量＝600 / 65% /8600 = 0.107 立方米

200公斤的水氣化需要天然氣量＝21.4立方米

采用直接干化，通過(guò)污泥干混，最大可節省20％的能量，即需要17.1立方米天然氣。碳化＋干化，共需要天然氣35.1立方米。按當前天然氣價(jià)格計算為84.24元人民幣。污水處理費根據實(shí)際濾出水BOD和COD的值約為12－20元人民幣不等。電費和藥劑費等15元人民幣/噸左右。 人工費5元/噸左右。

每噸污泥生產(chǎn)的碳化物為140公斤，在美國的銷(xiāo)售價(jià)格為10美元/噸，折合人民幣11.7元。

合計＝84.24 ＋ 16 ＋ 15 ＋ 5 － 11.7 ＝ 108.54元人民幣

以上計算是按照美國Enertech公司在加州Railto項目中的計算得出的。

（2）中國計算運行成本（按照碳化物自行利用后填埋計算）

在中國項目中，碳化物的銷(xiāo)售前景不能確定，另外，中國目前絕大多數地區允許填埋，應該考慮自行利用。

1公斤炭化物（消化后污泥的碳化物）在美國，相當于1/3立方米的天然氣。在中國，只能相當于1/4立方米的天然氣，加之，煤的燃燒效率要比天然氣的燃燒效率低10％－15％，計算時(shí)應按照1公斤炭化物＝1/5立方米天然氣比較合理。

每噸污泥的碳化物相當于天然氣＝ 140 × 1/5 ＝ 28 立方米＝ 67.2元人民幣

碳化物燃燒后需要填埋，按每立方米50元計算，剩余渣的填埋費和運輸費約10元左右。

按中國實(shí)際的情況，污泥碳化的成本可以進(jìn)一步減少為：

合計＝ 84.24 ＋ 16 ＋ 15 ＋ 5 － 67.2 ＋ 10 ＝ 63.04元人民幣

3.3污泥碳化的BOT成本

以設備折舊20年計算，每噸濕污泥需要考慮折舊費50元左右。

按照Enertech美國的計算方法（即碳化物廉價(jià)賣(mài)給水泥廠(chǎng)），每噸污泥的最終成本為158.54元人民幣。

按照中國的計算方法（即碳化物自行利用后填埋），每噸污泥的最終成本為113.04元人民幣。

3.4純干化工藝的成本分析

1公斤水干化需要天然氣量＝600 / 65% /8600 = 0.107 立方米

800公斤的水氣化需要天然氣量＝85立方米

采用直接干化技術(shù)，通過(guò)污泥干混，最大可節省20％的能量，即需要68立方米天然氣。按當前天然氣價(jià)格計算為163.20元人民幣。

電費和藥劑費等15元人民幣/噸左右。

人工費5元/噸左右。

每噸污泥生產(chǎn)的干化物為140公斤，全部填埋（按每立方米填埋費50元，運費10元計算），折合人民幣8.4元。

純干化運行成本合計＝ 163.20 ＋ 15 ＋ 5 ＋ 8.4 ＝ 191.6元人民幣

建設100噸濕污泥處理能力的純干化廠(chǎng)目前為3000－5000萬(wàn)元人民幣不等。取最低限3000萬(wàn)元，以設備折舊20年計算，每噸濕污泥需要考慮折舊費50元左右。

純干化BOT的成本 = 191.6 + 50 = 241.6 元人民幣

3.5干化＋焚燒工藝的成本分析

干化＋焚燒實(shí)際上就是將污泥中原有的熱值全部利用，產(chǎn)生的熱值直接提供給干化系統使用，不足部分按照添加天然氣考慮。按照上面的計算，這種能源利用在碳化系統中可以減少67.2元人民幣的運行費用，即：

干化＋焚燒運行成本合計＝ 191.6 － 67.2 ＝ 124.4 元人民幣

建設100噸濕污泥處理能力的干化＋焚燒廠(chǎng)需要在純干化廠(chǎng)的基礎上再增加2000萬(wàn)元人民幣，每噸濕污泥需要比純干化工藝再多考慮折舊費33元人民幣，折舊總成本為83元。

干化＋焚燒BOT的成本 = 124.4 + 83 = 207.4 元人民幣

4.SlurryCarbTM炭化產(chǎn)品的銷(xiāo)售

在美國，目前SlurryCarbTM生產(chǎn)出來(lái)的炭化物的售價(jià)為10美元/噸，每噸污泥能生產(chǎn)0.14噸的炭化物，如果能夠銷(xiāo)售，可以回收1.4美元，合11.2元人民幣。SlurryCarbTM生產(chǎn)出來(lái)的炭化物的燃值與褐煤相當，而且燃燒時(shí)的污染物排放比煤要少的多，但褐煤在美國約15美元1噸，炭化物只售10美元，這與炭化物剛剛進(jìn)入市場(chǎng)有關(guān)。中國天津的褐煤約200元人民幣左右，如果炭化物也可以售200元/噸，則可以回收28元左右。也許有人認為，以運行成本180元/噸濕泥得出20－28元的產(chǎn)品收益并不明顯，但如果考慮到在北方目前填埋約需要50－100元/噸，干化物質(zhì)如果不能銷(xiāo)售則需要填埋，還需要增加成本14－20元/噸濕泥。這兩種情況比較，就會(huì )有34－48元人民幣的差距，就會(huì )對成本有很大的影響。(來(lái)源：谷騰水網(wǎng))