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多段炉热解市政污泥碳化技术
      多段炉是美国最常见的污泥焚烧炉,美国目前安装的多段炉装置超过400套,其中大部分安装在废水处理厂,用来处理废水污泥。
      多段炉热解碳化技术在广东江门建设的污泥处理项目上的运用,为国内首个采用多段炉处置污泥的大型工业化装置,装置日处理污泥80吨,通过热解方式实现了污泥的无害化处置,目前该装置已稳定运营一年。用多段炉热解模式处理污泥相对于其他的污泥处置形式具有以下优势:
      1、更大的物料处理能力:热解模式下可比焚烧模式提高30%~50%的处理量。
      2、节约辅助燃料:由于热解模式下所需空气量较少,减少了加热空气所需的热量,该系统采用天然气作为能源,目前工业化平均消耗为35NM3/T污泥。
      3、更少的排放量:由于热解模式下多段炉气体流速比焚烧模式低,烟气中夹杂的颗粒物更少,约为焚烧模式下的50%,从而减少了颗粒物的排放。
      目前,该装置已平稳运行一年多,所有污染物排放经第三方监测全部远低于现有国家标准,已经通过环评验收。污泥处置成本约为150元/吨泥,远低与其他污泥处置装置的成本,真正做到环保、经济处置污泥。
      技术工艺/解决方案名称及原理
      多段炉污泥热解炭化系统
      热解:是指在缺氧条件下,有机物在350至550℃温度范围内发生的分解过程。热解是一个吸热反应过程。裂解作用是在严格控制通风量的前提下加入很少一部分空气氧使反应体系的温度达到400至750℃范围,以启动有机物分子链“断裂”(生成CO等成分)的分解反应过程。热裂解作用习惯性地被用作长链有机物(含有6到20个碳原子)热分解过程的称谓。在多段炉污泥热解过程中,热解所需热量全部由部分污泥燃烧或加入一些辅助燃料提供,因此该过程也可以定义为缺氧燃烧过程。
工艺流程图/技术解决方案示意图

附:
市政污泥热解碳化技术解析
(来源:北极星水处理网)
      目前,中国污泥处置的现状是70%以上弃置,20%填埋,不到10%的污泥是通过堆肥等技术处理后回用于土地,因此,污泥的二次污染已经成为亟待解决的环境问题,污泥问题是目前困扰城市健康快速发展的一个严重而紧迫的问题。
污泥热分解是一种新兴的污泥热处置工艺。热解是利用有机物的热不稳定性,在无氧或缺氧条件下受热分解,形成气体、液体和固体残留物的过程。
      近年来污泥热解炭化得到了越来越多的关注,污泥热解炭化为污泥的减量化、无害化和资源化提供了新的有效途径。
污泥热解技术的发展从70年代开始,热解技术作为从城市垃圾和工业固体废物等可燃性固体废物回收能量的技术得到了广泛的开发。但是,对于具有负热值的污泥,该技术的应用不能以回收能量为主要目的,其重点主要放在解决焚烧存在的问题,即实现污泥的节能型低污染处理。
      污泥热解炉型通常采用竖式多段炉,为了提高热解炉的热效率,在能够控制的二次污染物质(Cr6+、NOx)产生的范围内,尽量采用较高的燃烧率(空气比0.6~0.8)。
      此外,热解产生的可燃气体及NH3(氨)、HCN(氢化氰)等有害气体组分必须经过二燃室以实现其无害化,通常情况下,HCN的热解温度在800~900℃,还应对二燃室排放的高温气体进行余热回收。
污泥热解技术现状
      国际上对热解技术的开发过程,一是以美国为代表,以回收贮存性能源(燃料气、燃料油和炭黑)为目的;另一个是以日本为代表,以无公害型处理系统的开发为目的,将污泥焚烧炉改进为热解炉。西欧、北美正在研制带加热夹套的卧式搅拌反应器。
      污泥低温热解处理的效果好,总成本在理论上低于直接焚烧法,而且热解过程可以将废物转化为有能量的物质和有用的化学物,符合污泥资源化利用的要求,且能量回收率较高。以低温热解(200-500℃)为主要反应机理的污泥低温热化学转化制油技术作为焚烧的替代技术已逐步发展为生产性技术,并显现出了能量经济性与二次污染可控性的显著优势 。
      污泥的热解反应及燃烧反应
      污泥的热解反应
      可燃气:主要包括 C1~5的烃类、氢和CO气体。
      液态油:主要包括 C25的烃类、乙酸、丙酮、甲醇等液态燃料。
      固体燃料:主要包括含纯碳和聚合高分子的含碳物。
      污泥的燃烧反应
      有机物+O2=CO2+H2O+其它简单无机物+热量
      污泥热解发和焚烧法比较
      热解法和焚烧法是两个完全不同的过程。
      1 焚烧的产物主要是二氧化碳和水;而热解的产物主要是可燃的低分子化合物:气态的有氢气、甲烷、一氧化碳;液态的有甲醇、丙酮、醋酸、乙醛等有机物及焦油、溶剂油等;固态的主要是焦炭或碳黑。
      2 焚烧是一个放热过程;而热解需要吸收大量热量。
      3 焚烧产生的热能量大的可用于发电量小的只可供加热水或产生蒸汽,适于就近利用;热解的产物是炭黑、燃料油及燃料气,便于贮藏和远距离输送。
      固体废物的热解与焚烧相比的优点
      1 可以将固体废物中的有机物转化为以燃料气、燃料油和炭黑为主的贮存性能源;
      2 由于是缺氧分解,排气量少,有利于减轻对大气环境的二次污染;
      3 废物中的硫、重金属等有害成分大部分被固定在炭黑中。热解虽不能去除重金属,但固体残留物在高温下被玻璃化,重金属固化在玻璃体中,可避免重金属二次污染的危害。
      4 由于保持还原条件,Cr3+(铬离子)不会转化为Cr6+;
      5 NOx(氮氧化物)的产生量少。
      污泥热解产物资源化
      1 制作吸附剂
      对于含碳较多的污水处理剩余活性污泥,在无氧或缺氧条件下高温热解碳化—活化,可将其制成吸附剂。例如,用剩余活性污泥为原料,添加一定的活化药品,隔绝空气,在一定的温度下炭化可得到活性炭。制成的活性炭对难处理的农药废水,COD的去除率也可达到63.25%。
      2 作为炭基肥
      国内外各种研究报告认为,土壤施用生物黑炭对于改良土壤,节能减排,减缓气候变化效益明显,炭基肥是今后改良土壤的重要手段。污泥热解碳化产物可作为炭基肥的基本原料。
      污泥热解技术研究
      研究利用小型及实际生产用回转热解炉,针对不同市政污水处理厂的脱水活性污泥,进行不同温度情况下的热解实验,探寻:热解的最佳温度;热解能耗;实测可燃气体产量;碳化料产物得率;对产物进行理化指标测定及性能实验(重点关注了污水处理吸附性能)。分析热解过程、物料平衡及热量平衡。
      污泥热解及活性炭再生实验室
      污泥热解实验室主体设备有:蒸汽发生器、卧式电加热回转炉、尾气净化及计量装置、无纸记录仪等。下图为污泥热解实验室。
      污泥热解/活化最终产物—活性炭
      污水处理脱水活性污泥热解处置工艺设计
      新型污泥热解处置工艺流程
      目前污水处理厂脱水污泥热解处置工艺存在能耗及运行成本高的主要原因是湿污泥中80%水分的去除,干燥1吨湿污泥约需80m³天然气。本工艺从两个方面进行热能 回收,以降低能耗。
       一是,将污泥热解产生的可燃气体及热解高温烟气经余热锅炉产生饱和蒸汽,用于桨叶干燥机对湿污泥的干燥。二是,利用热泵技术,回收污泥蒸汽的潜热。也就是:利用蒸汽压缩机,将污泥蒸汽在真空蒸发器中加热干燥机清洁蒸汽冷凝水产生的负压蒸汽,使其成为高品位蒸汽,再用于桨叶干燥机对湿污泥的干燥。由于现行桨叶干燥机污泥蒸汽参数不稳定,需在实践过程中对干燥机进料进行改进,故第二项节能措施暂不实施,仅留出安装位置,经实际运行改进,污泥蒸汽参数不稳定后再实施污泥蒸汽的潜热回收系统。
      污泥热解技术特点及前景
      技术特点
      1 减量化:污泥经热解处置后,污泥体积和重量减少90%以上,实现“减量化”。
      2 无害化:高温热解有机物被分解碳化,细菌完全灭杀,实现了无机化和“无害化”。热解产生的有害气体(HCN、NH3、二噁英等)及焦油通常情况下的热解温度在800~900℃,它们进入二燃室的焚烧温度高达1500℃,不仅可得到充分分解,还能回收热能,不会造成二次污染。
      3 资源化:热解产品可作为吸附剂或改良土壤的炭基肥,实现“资源化”。热解虽不能去除污泥中的重金属,但固体残留物在高温下被玻璃化,重金属固化在玻璃体中,可避免重金属二次污染的危害。大量资料和实验证明,我国市政污水的污泥热解碳化料中绝大部分重金属含量可满足农用肥标准,唯Zn超标(见碳化料化学成分分析),但,我国北方人群存在缺Zn问题,是众所周知的。
      作为土壤改良剂,土壤的理化性质也决定了重金属的富集影响,在北方碱性土壤其影响是较小的。
      4 两次节能降耗:《“十二五”节能减排综合性工作方案》重点支持“低品位余热利用”,热泵技术属于十二五规划鼓励类型。污泥处置能耗最大的是干燥,本工艺利用热解产生的可燃气体及高温烟气余热生产蒸汽用于桨叶干燥机;利用热泵技术回收污泥二次蒸汽潜热,也用作桨叶干燥机污泥干燥;此两项使本工艺处置每吨湿污泥运行成本仅180元左右,优于其他工艺。
      5 投资及运行成本低:通过实验和分析知,本工艺吨污泥处理成本小于200元/吨.湿污泥(不考虑生物炭销售),是各种污泥处置工艺中,性价比最好的。
      技术前景
      2008年,美国联邦首次在联邦层面建立了对世界上生物黑炭研究、生产、应用与推广的鼓励机制,专门设立了农业基金支持生物黑炭研究与示范;2009年8月10日,美国农业部长表示美国农业部正在组织一系列的生物黑炭研究、技术开发与推广和培训的合作项目,旨在全面推进生物黑炭这项绿色技术在农业和能源领域的应用。2011年9月在中国南京召开国际生物质黑炭与绿色农业专题研讨,呼吁在中国推行以生物黑炭技术改良土壤为核心的新土地革命,恢复健康绿色农业。国内外各种研究报告认为,土壤施用生物黑炭对于改良土壤,固化重金属,节能减排,减缓气候变化效益明显。
      结 语
      当前我国现有的污泥处置技术有的虽简单易行,但占地面积大,有严重二次污染;有的虽处置效果尚可,但必须采用高温、高压或微波等复杂手段才能实现。。经综合比较,可看出污泥热解处置技术具有工艺及设备简单,制约因素少,投资及运行成本合理,符合我国污泥处置的三化原则,是标准的绿色环保工艺,应大力推广。
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