污泥碳化技術(shù)發(fā)展報告（一）
導讀
污泥碳化技術(shù)是近年來發(fā)展的污水廠污泥熱化學處理的方法之一。為促進污泥碳化技術(shù)發(fā)展和應用，由北控水務(wù)杭世珺工作室牽頭、聯(lián)合同濟大學和武漢普樂環(huán)境技術(shù)有限公司，依托國家污泥處理處置產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，設(shè)立了污泥碳化技術(shù)的宏觀研究課題，開展污泥碳化技術(shù)發(fā)展、技術(shù)標準、工程建設(shè)標準等方面的研究。
課題負責人：戴曉虎杭世珺
技術(shù)負責人：羅臻陳德珍
課題組成員：陳云關(guān)春雨許文波楊東海劉志剛羅弘熙楊海余斌
報告分污泥碳化技術(shù)發(fā)展背景、技術(shù)與設(shè)備、國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展、相關(guān)法規(guī)和標準、總結(jié)與展望六個章節(jié)，內(nèi)容非常詳實豐富，共分為三期推送，本期為前兩章。
隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的提升，污水產(chǎn)生和處理量日益增加，我國污水處理規(guī)模已經(jīng)躍居世界首位。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部最新數(shù)據(jù)，截止到2020年，我國已建成城鎮(zhèn)污水處理廠4326座，污水處理量達到2.2億立方米/日，由此產(chǎn)生的污泥量已突破6500萬噸/年（以含水率80%計）。污泥作為污水處理的過程產(chǎn)物，濃縮匯集了污水中的30%~50%污染物，具有“污染”和“資源”的雙重屬性，污泥的安全處理處置與資源化一直是污水處理領(lǐng)域的國際研究熱點。由于我國污泥處理起步較晚，長期以來以填埋處置方式為主，造成嚴重的二次污染和資源浪費。污泥處理處置是我國水污染防治中面臨的重大瓶頸問題，也是我國污水處理的短板之一。
近年來，隨著我國對污泥問題的重視，投入了大量的資金及研發(fā)力量，在生物穩(wěn)定、脫水減量、熱化學處理處置等方面突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)與重大裝備，相關(guān)國家政策相繼發(fā)布，逐步明確了污泥處理的要求和目標，污泥處理處置行業(yè)快速發(fā)展。目前，常用的處置方式主要包括土地利用、建材利用、衛(wèi)生填埋等，相應的處理技術(shù)主要包括污泥厭氧消化、好氧發(fā)酵、干化焚燒、深度脫水等，逐漸呈現(xiàn)多元化的處理處置方式。
污泥碳化技術(shù)是上世紀90年代在日本和歐美發(fā)展而來的污泥處理新技術(shù)，2008年以后中國也逐步開展了污泥碳化的技術(shù)研究和工程應用。國內(nèi)外工程應用的結(jié)果表明，和傳統(tǒng)的堆肥、焚燒等污泥處理技術(shù)相比，污泥碳化在能源有效利用、資源化、溫室氣體減排等方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。因此，污泥碳化技術(shù)逐漸成為國際上污泥處理的研究熱點和新的發(fā)展方向。
污泥碳化技術(shù)雖然在中國已有十幾年的發(fā)展，但依然未能得到大規(guī)模推廣應用。為了更好地了解該技術(shù)的適用性和發(fā)展?jié)摿Γ狙芯繉募夹g(shù)、經(jīng)濟、工程和政策法規(guī)等方面對國內(nèi)外污泥碳化技術(shù)進行系統(tǒng)回顧，以期為我國污泥碳化技術(shù)的發(fā)展提供參考和指導。
01、污泥碳化技術(shù)發(fā)展背景/Sludge
1.1污泥碳化技術(shù)原理
污泥碳化是在無氧或缺氧條件下進行熱解處理，以獲得含碳固體產(chǎn)物為主要目標產(chǎn)物的污泥穩(wěn)定化過程。有機物在碳化過程會發(fā)生分解，產(chǎn)物包括由低分子有機物、水蒸氣等組成的熱解氣、焦油、以及由固定碳和無機物為主的固體碳化物（日本、德國均將污泥碳化物歸類到生物炭（Biochar）（圖1）。由于水分的蒸發(fā)和熱解氣體的揮發(fā)，逐漸形成表面和內(nèi)部孔隙發(fā)達、且富含固定碳的污泥碳化物（圖2）。污泥碳化物在生物、化學、物理等方面具有良好的穩(wěn)定性，在多個領(lǐng)域均有較好的資源化利用前景。
圖1污泥碳化處理過程示意圖
圖2污泥處理狀態(tài)與單位質(zhì)量熱值分布圖
1.2技術(shù)發(fā)展背景
歐美國家和日本在發(fā)展過程中都經(jīng)歷過污水廠污泥處理處置的環(huán)境問題，對中國具有一定的借鑒意義。早期污泥處理處置方法簡單，以填埋、投海為主，由此帶來了嚴重的環(huán)境污染。隨著經(jīng)濟發(fā)展和公眾環(huán)保意識的增強，各國政府對污泥處理處置的要求也逐步提高，并制定了相應的法規(guī)。
以日本為例，污泥處理處置的主要方式經(jīng)歷如下變遷：
上世紀60年代以前：自然干化、直接填埋；
60年代：脫水、衛(wèi)生填埋；
70年代：堆肥、土地利用；
80年代：開始焚燒，最大限度減量，焚燒灰填埋；
90年代：推廣厭氧消化，以回收污泥的能源；
90年代后期：提出污泥碳化技術(shù)方向，深度資源化利用。
目前，污泥焚燒仍然是日本污泥的主要處理方式，占70%以上，如圖3所示。
圖3日本污泥處理處置現(xiàn)狀
在歐洲一些國家，如德國、荷蘭、瑞典、瑞士、奧地利等，焚燒也是污泥的主要處理方法，而部分國家則以污泥農(nóng)用為主要處置方式，如圖4所示。
圖4歐洲污水廠污泥處置情況(Eurostat,2015)
歐盟28國污泥處理處置的情況見表1。
表1歐盟28國污水廠污泥處置情況(2012–2015)
世界各國對污泥處置的方法各有不同的側(cè)重點，目前污泥的處理處置方式主要包含穩(wěn)定化土地利用、焚燒建材利用、以及衛(wèi)生填埋，其中美國、英國等主要采用土地利用的處置方式，日本土地面積較小，主要采用焚燒建材利用的方式，德國近年來重視污泥磷回收，焚燒比例有所增加。總體上，國際污泥處理處置以土地利用和焚燒為主，其中土地利用呈逐漸增加的趨勢，焚燒呈穩(wěn)步發(fā)展趨勢，而衛(wèi)生填埋由于環(huán)境負面影響較大，呈下降趨勢。
隨著環(huán)境管理政策的加強和社會經(jīng)濟的發(fā)展，到本世紀初，日本及歐美國家在污泥穩(wěn)定化、無害化處理方面已經(jīng)取得了長足的進步，污泥處理處置技術(shù)發(fā)展水平已經(jīng)能夠滿足社會及環(huán)境的基本要求。隨著污泥熱化學處理技術(shù)的發(fā)展，日本和歐美國家率先提出了污泥碳化再利用的概念，以達到更好的減排和資源化利用的目標。在這樣的需求驅(qū)動下，污泥碳化技術(shù)應運而生。
1.2.1日本碳化技術(shù)的發(fā)展
上世紀90年代末，隨著污水處理量的增加，日本市政污泥的產(chǎn)量也隨之增加，對污泥的處理處置方式提出了更高的要求。各種綜合因素促使日本開始尋求開發(fā)新的污泥處理處置技術(shù)，污泥碳化技術(shù)迎來發(fā)展機遇。本世紀初，污泥碳化技術(shù)在日本得到開發(fā)應用，主要驅(qū)動力如下：
（1）土地及填埋場容量限制
廢棄物最終處置（包括焚燒灰）所涉及的填埋場新開發(fā)用地難等因素，使得填埋場（包括焚燒灰填埋場）的剩余容量變得極為有限。
（2）溫室氣體減排
隨著《京都議定書》的簽訂和生效，溫室氣體減排需求日益突出，因此需要尋找污泥處理領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳減排的新路徑。
（3）消除二噁英污染隱患
焚燒是日本污泥的主要處理方式，而二噁英排放主要來自于廢棄物焚燒（包括污泥焚燒）和鋼鐵冶煉，因此，對污泥焚燒二噁英排放也開始強制管理。實際上，80年代以來固體廢棄物（包括污泥）焚燒迅速發(fā)展所帶來的二噁英排放已成為大氣污染的重要隱患，亟需尋找二噁英排放量低的污泥處理技術(shù)。
（4）資源化利用的目標
日本在污泥碳化資源化利用方面，關(guān)注的重點不是熱解氣而是碳化處理得到的污泥碳化物。其目標是推進污泥碳化物在燃料、土地利用、建材利用等各方面得到應用。
1.2.2歐洲碳化技術(shù)的發(fā)展
歐洲發(fā)展污泥碳化技術(shù)的驅(qū)動力來源于尋找比焚燒更清潔的處理技術(shù)以及對污泥中磷的有效回收利用。
早在上世紀90年代，德國投入了大量的科研力量，持續(xù)開展污泥碳化方面的研究與工程示范。德國發(fā)展碳化技術(shù)的主要原因在于：
（1）污泥焚燒產(chǎn)生的復雜污染物處理難，環(huán)境健康效應不明確。而污泥熱解技術(shù)可以實現(xiàn)氣相產(chǎn)物燃燒，降低持久性污染物的排放；
（2）德國要求污泥焚燒后灰渣中磷回收率大于80%，但目前從污泥焚燒灰渣中提取磷經(jīng)濟性較差，而污泥碳化除了比焚燒過程更清潔之外，還能為污泥中磷資源的回收利用提供有利條件。
歐盟國家中德國的污泥產(chǎn)量最大，2015年為180萬噸(干量)，占28個歐盟國家污泥產(chǎn)量的20.4%。2017年10月修訂的“德國污泥條例”正式頒布，其重要的規(guī)定是：在規(guī)定的過渡期(12年或15年)之后，所有規(guī)模超過5萬人口當量的污水廠都必須從污泥或者污泥灰進行磷回收，同時對今后過渡時期內(nèi)還進行“土地利用”的污泥處置提出了更嚴格的要求。因此，必須找到有效的污泥磷回收技術(shù)。
磷可以從污泥中直接回收（要求回收率不得低于50%）或者在污泥熱處理（如焚燒）后回收。如果在污泥焚燒后回收灰渣中的磷,要求回收率大于80%。目前從污泥焚燒灰渣中回收磷成本要高于從磷礦石中提取磷，所以從污泥焚燒灰渣中提取磷經(jīng)濟性較差。而污泥碳化物中的含磷水平明顯高于歐盟對于磷肥中含磷水平的規(guī)定，且含有N、K、Ca等營養(yǎng)元素，并具有多孔、吸附性等特征，可以用作肥料或者土壤改良劑。同時碳化對污泥重金屬具有一定的穩(wěn)定固化作用，有利于降低后續(xù)利用過程的環(huán)境風險。
此外，歐洲已經(jīng)頒布生物炭的標準。TheEuropeanBiocharCertifcate(EBC)是歐洲和瑞士生物炭的推薦性工業(yè)標準（Voluntaryindustrystandard），它規(guī)定了生物炭的含碳量必須超過50%，含碳量小于50%的含碳固體被認為是熱解含碳材料(PCM)。
1.2.3中國碳化技術(shù)的發(fā)展
中國污泥碳化技術(shù)的出現(xiàn)，源于中國企業(yè)對于國外技術(shù)的引進，在引進之初并沒有明確的社會發(fā)展政策導向、行業(yè)技術(shù)政策導向或明確的資源化利用目標的驅(qū)使。2006-2008年，湖北博實城鄉(xiāng)環(huán)境能源工程公司從日本引入污泥碳化技術(shù)；同期，密西西比國際水務(wù)(中國)公司從美國引入污泥碳化技術(shù)。但由于缺乏技術(shù)發(fā)展的頂層設(shè)計，中國污泥碳化技術(shù)發(fā)展較為緩慢。
02、污泥碳化技術(shù)與設(shè)備/Sludge
污泥碳化技術(shù)最早來源于生物質(zhì)熱解碳化。世界范圍內(nèi)，日本污泥碳化技術(shù)發(fā)展較快，已得到了較多的工程應用，目前最大的污泥碳化裝置處理能力為150噸/日。
2.1污泥碳化技術(shù)
2.1.1污泥碳化系統(tǒng)組成
污泥碳化工藝主要由污泥干化、污泥碳化、尾氣處理和能源回收利用等單元組成。其中，干化是碳化的預處理單元，碳化是核心單元。
由于污泥干化過程會釋放臭氣，同時在熱解過程中也會產(chǎn)生多種氣體成分，因此，尾氣處理單元不可或缺。尾氣處理技術(shù)措施與污泥的組成性質(zhì)以及整個系統(tǒng)過程的技術(shù)參數(shù)密切相關(guān)。能源回收系統(tǒng)是降低系統(tǒng)能耗的保障。在日本的實際工程中，能源回收和尾氣處理兩個部分的設(shè)備投資占到設(shè)備總投資的30%-40%。
2.1.2污泥碳化反應條件
污泥碳化是采用熱解的方法處理污泥。在以下四個條件同時具備的情況下，碳化過程才能發(fā)生或技術(shù)可行：
（1）有機物含量
污泥碳化的熱解反應對象是污泥中有機物，有機物含量會直接影響污泥碳化過程能耗水平、碳化物成分等。日本市政污泥的有機物含量通常達到70%-85%，而目前中國市政污泥的有機物含量通常只有40%-60%。當污泥有機物含量過低時，污泥碳化過程經(jīng)濟性較差，且污泥碳化物可利用性差，不宜采用碳化工藝進行處理。
（2）絕氧（或缺氧）環(huán)境
有機物的熱解反應只有在絕氧（或缺氧）的條件下才會發(fā)生。
（3）熱解反應溫度
污泥有機物受熱達到一定的溫度之后，熱解反應才開始發(fā)生。熱解所需要的溫度通常根據(jù)污泥有機物含量、成分以及資源化利用途徑而確定。通常污泥熱解的溫度范圍為250-700°C。
2010年日本下水道新技術(shù)推進機構(gòu)發(fā)布的《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術(shù)手冊》提出污泥碳化過程發(fā)生的基本溫度為250℃（污泥顆粒應達到的溫度）。同時提出，當脫水污泥的熱值高、有足夠熱值殘留在碳化污泥中時，碳化溫度設(shè)為500℃，促進裂解氣生成以降低碳化過程運營成本。當脫水污泥熱值低、沒有足夠熱值殘留在碳化污泥中時，碳化溫度控制在500℃以下，以盡量將熱值保留在碳化污泥中。
（4）足夠的反應停留時間
污泥碳化處理反應停留時間，需根據(jù)污泥有機物含量、揮發(fā)份特性以及熱解溫度等確定。在相同的碳化溫度條件下，如果保持碳化物中碳、氫、氧等元素的最終殘留率一致，污泥有機物含量越高，所需要的熱解反應停留時間越長。
2.1.3污泥碳化工藝分類
1、按資源化產(chǎn)物分類
污泥碳化過程以獲得含碳固體產(chǎn)物為主要目的。根據(jù)污泥碳化的資源化產(chǎn)物種類，可將污泥碳化工藝分為污泥碳化基礎(chǔ)工藝和污泥碳化產(chǎn)油（氣）工藝。
（1）污泥碳化基礎(chǔ)工藝
污泥碳化基礎(chǔ)工藝是以污泥碳化物為唯一產(chǎn)物，是污泥碳化技術(shù)工程應用的主流工藝。碳化過程中產(chǎn)生的干餾氣被燃燒利用釋放熱量，以減少整個過程的能量補充，達到節(jié)約能源的目的。
基礎(chǔ)工藝通常由污泥干化、污泥碳化、尾氣處理等主要單元組成，如圖5所示。
圖5污泥碳化基礎(chǔ)工藝
（2）污泥碳化產(chǎn)油（氣）工藝
污泥碳化產(chǎn)油（氣）工藝是污泥碳化基礎(chǔ)工藝的衍生工藝，過程的目標產(chǎn)物包括污泥碳化物和油（氣）兩種可回收利用的產(chǎn)物。衍生工藝是通過對污泥的熱解碳化處理，最大限度回收污泥中可資源化利用的物質(zhì)，而達到這個目標的首要條件是污泥的有機物含量足夠高。目前，污泥碳化衍生工藝應用的案例很少，但是未來的發(fā)展方向之一。
污泥碳化產(chǎn)油（氣）工藝通常由污泥干化、污泥碳化、尾氣處理、油（氣）改質(zhì)等主要單元組成，如圖6所示。
圖6污泥碳化衍生工藝
2、按碳化處理過程溫度分類
根據(jù)碳化的操作溫度，將污泥碳化技術(shù)劃分為低溫、中溫和高溫碳化，如圖7所示。
圖7不同溫度范圍污泥碳化分類
該分類主要是基于碳化物資源化利用方向的差別：
（1）高溫碳化的產(chǎn)物主要應用于土壤改良、建材利用等方面，為了資源化利用的安全，污泥必須得到最大限度的穩(wěn)定化和無害化，因此采用高溫的熱解條件；
（2）低溫、中溫碳化產(chǎn)物主要的資源化利用方向為燃料化，將碳化物作為替代煤的輔助燃料。在保證污泥碳化物的性質(zhì)得到基本穩(wěn)定的前提下，盡量保存碳化物熱值，因此采用低溫、中溫的熱解條件，保留一部分揮發(fā)分。
2.2污泥碳化設(shè)備
污泥碳化爐（反應器）主要包括以下幾種形式：
外加熱螺旋推進碳化爐、直接加熱螺旋推進碳化爐、外加熱回轉(zhuǎn)窯碳化爐、直接加熱回轉(zhuǎn)窯碳化爐和多膛爐。
2.2.1外加熱螺旋推進碳化爐
采用間接加熱和螺旋驅(qū)動物料前進的管式熱解爐，裂解產(chǎn)生的揮發(fā)份在裂解管上開口噴出后立即燃燒，高溫煙氣除供熱解能耗外還能干燥污泥。
該類碳化爐能適用于高溫、中溫和低溫碳化，代表性公司為日本巴工業(yè)株式會社（TOMOE）。其系統(tǒng)概念和工藝如圖8和圖9所示。
圖8日本TOMOE外加熱螺旋推進碳化爐
圖9日本TOMOE高溫碳化系統(tǒng)
德國ELIQUOSTULZ公司提供的Pyreg®碳化工藝也采用了外熱螺旋推進碳化反應器，如圖10所示。
圖10PYREC®污泥熱解工藝
2.2.2直接加熱螺旋推進碳化反應器
該類設(shè)備采用導電螺旋直接加熱污泥，使污泥產(chǎn)生熱解反應。
該類設(shè)備的代表公司是法國的ETIA，其下屬公司BIOGREEN®開發(fā)了Spirajoule®碳化工藝，該設(shè)備的核心部件是由焦耳效應電加熱的無軸螺旋。原理上該技術(shù)可用于有機廢棄物的碳化、熱解或氣化，產(chǎn)生碳化物、油和氣。其反應器及系統(tǒng)如圖11、圖12所示。
目前，尚未見該技術(shù)在污泥碳化工程應用方面的報道。
圖11Spirajoule®反應器
圖12Spirajoule®碳化系統(tǒng)
2.2.3外加熱回轉(zhuǎn)窯碳化爐
該類設(shè)備的主體為回轉(zhuǎn)窯，外部設(shè)有利用高溫煙氣作為加熱介質(zhì)的夾套。該類設(shè)備通常用于低溫或中溫碳化，當用于高溫碳化時，只能應對小規(guī)模的處理。
該類設(shè)備的代表性公司為日本月島機械、三菱重工，主要在日本污泥碳化燃料化工程中得到應用。其設(shè)備及工藝如圖13、圖14所示。
圖13TSK碳化爐
圖14外熱回轉(zhuǎn)窯污泥碳化系統(tǒng)
2.2.4直接加熱回轉(zhuǎn)（窯）碳化爐
直接加熱回轉(zhuǎn)（窯）碳化爐是從回轉(zhuǎn)焚燒爐發(fā)展而來的。通過控制供氧使部分揮發(fā)分燃燒，直接給污泥提供碳化過程所需的熱量，達到污泥碳化的目標。該類設(shè)備的代表性公司是日本臟器制藥株式會社，其設(shè)備及工藝如圖15、圖16所示。
圖15日本臟器制藥株式會社直接加熱回轉(zhuǎn)碳化爐
圖16直接加熱回轉(zhuǎn)碳化系統(tǒng)
2.2.5多膛爐
傳統(tǒng)的多膛爐主要用于廢棄物的熱解焚燒。通過改變反應條件，多膛爐可以用于污泥碳化。污泥經(jīng)過預先干燥或者不干燥，從上部進入逐層降落，在爐內(nèi)隔層裝有燃燒器對污泥進行加熱實現(xiàn)碳化或者氣化。控制供入的風量即可調(diào)整污泥碳化和氣化的程度。其設(shè)備形式及系統(tǒng)如圖17、圖18所示。
圖17多膛爐結(jié)構(gòu)示意圖
圖18TSK多膛爐碳化系統(tǒng)