WATER8848前言：汙泥碳化技術是一種將汙泥轉化爲高碳含量固體燃料或其他價值化産品的技術。它可以有效地解決汙泥處理和資源回收的問題，減少對土地和水資源的汙染和浪費。
目前，汙泥碳化技術在全球範圍內得到了廣泛應用和研究。它已經在一些國家的汙水處理廠得到商業化應用，取得了一定的經濟和環境效益。一些國家還制定了相關政策和標准，鼓勵和規範汙泥碳化技術的發展。
汙泥碳化技術的發展前景廣闊。首先，隨著城市化進程的加快和汙水處理量的增加，汙泥産量將會持續增加，需要更有效的處理方法。其次，碳化後的産品可以作爲替代煤炭的燃料，具有潛在的經濟價值和環境效益。此外，隨著技術的進一步發展，汙泥碳化技術還可以應用于其他領域，如農業肥料生産和土壤改良等。
然而，汙泥碳化技術仍面臨一些挑戰。首先，技術的成本和能耗較高，需要進一步降低以提高經濟性。其次，碳化過程中可能産生有害氣體和副産物，需要采取有效的控制措施。此外，法律法規和社會認可度也是推廣該技術的重要因素。
總的來說，汙泥碳化技術在解決汙泥處理和資源回收方面具有重要的意義和潛力。隨著技術的不斷發展和完善，相信它將在未來得到更廣泛的應用和推廣。
汙泥碳化技術是一種新型的汙泥處理技術，其通過將汙泥中的有機物質轉化爲碳質材料，實現汙泥的減量化和資源化利用。目前，汙泥碳化技術已經在全球範圍內得到了廣泛的關注和研究。
現狀方面，汙泥碳化技術已經取得了一定的進展。一些國家和地區已經開展了汙泥碳化技術的研究和應用，例如歐洲、北美和亞洲的一些國家。這些研究主要集中在汙泥碳化技術的工藝優化、産物性質和應用領域等方面。同時，一些企業也開始嘗試將汙泥碳化技術應用于實際生産中，以實現汙泥的資源化利用。
然而，汙泥碳化技術仍存在一些問題和挑戰。首先，汙泥碳化技術的成本較高，需要投入大量的資金和設備。其次，汙泥碳化技術的産物性質和應用領域還需要進一步研究和探索。此外，汙泥碳化技術在實際應用中還需要考慮其對環境的影響和可持續性等問題。
展望未來，汙泥碳化技術具有廣闊的發展前景。隨著環保意識的提高和資源化利用的需求增加，汙泥碳化技術將得到更多的關注和支持。未來，汙泥碳化技術有望在以下方面取得更大的進展：
-
技術創新：通過深入研究汙泥碳化技術的工藝原理和反應機理，開發更加高效、低成本的汙泥碳化技術。
-
産物應用拓展：進一步拓展汙泥碳化産物的應用領域，例如作爲燃料、土壤改良劑、吸附材料等，以提高汙泥資源化利用的價值。
-
政策支持：政府可以加大對汙泥碳化技術的支持和投入，制定相關政策和法規，推動汙泥碳化技術的産業化發展。
-
環保要求提高：隨著環保要求的不斷提高，汙泥碳化技術將成爲一種更加環保和可持續的汙泥處理方式，得到更廣泛的應用。
總之，汙泥碳化技術作爲一種新型的汙泥處理技術，具有廣闊的發展前景和巨大的潛力。未來，隨著技術的不斷進步和應用領域的拓展，汙泥碳化技術將在汙泥處理領域發揮更加重要的作用。
吳雲生 北控水務集團産品開發中心副總工
__本文來源于吳雲生副總工題爲“國內外市政汙泥熱解炭化技術發展與工程案例”的報告，由吳雲生副總工供稿，本文作者：吳雲生、金潇、蔣紅與。
__主要分以下四個部分：
-
市政汙泥熱解炭化技術簡介；
-
國外熱解和氣化技術發展與工程案例；
-
國內熱解炭化技術發展與工程案例；
-
總結和思考。
01
市政汙泥熱解炭化技術簡介
我們首先說一下“炭”和“碳”字的區別，目前國內叫法上還不太一致，我們特意查閱相關文獻。簡單來說，“碳”主要是指碳元素，“碳化”是指同碳元素化合，與溶液中通過CO2生成碳及碳酸鹽的過程，構詞法與“硫化”“氧化”(狹義)相同。“炭”是指經過高溫反應生成的，以碳元素爲主的化合物，但不是1500度以上高溫生成的碳結晶物質，所以“炭化”構詞法同“液化”“固化”“氣化”類似，指生成炭。
炭化是熱解反應之一，熱解跟焚燒兩個概念相對來說是並列的。什麽是焚燒呢？焚燒是指有機廢棄物跟氧氣劇烈反應生成煙氣和殘渣並放出熱量過程。什麽是熱解呢？狹義上的熱解一般是指在不向反應器內通入氧、水蒸汽或高溫一氧化碳的條件下，通過加熱使含碳有機物發生熱化學分解，生産燃料（氣體、液體和炭黑的過程），當然熱解過程做到完全絕氧是很困難的，氣化過程中一般也會向反應器中通入少量的空氣或水蒸氣。根據目標産物的不同，熱解一般可以分爲炭化、液化以及氣化。當然在國外也有熱解、焚燒及氣化並列分類的。
我們再看一下炭化分類，一般有兩種分類方式，一種按照溫度劃分，一種按照目標産物劃分。溫度劃分的方法是來源于日本，分爲低溫炭化、中溫炭化、高溫炭化。低溫炭化溫度爲250-350℃，這個溫度下有機物熱解比例較低，大部分熱值保留下來，炭化物主要用于燃料使用；中溫炭化溫度爲400-500℃，汙泥中蛋白質和脂肪等有機物得到了一定的熱解，臭味完全消除，熱值和營養元素也有一定程度的保留，已經實現了完全的無害化，炭化物可以用于土壤改良和建材利用；高溫炭化溫度更高，一般指800度以上，主要用途還是做工業用品，比如說工業用吸附劑、融雪劑等。強調一點，這裏指的溫度是反應終端炭化溫度。
按照資源化産物不同可以分爲炭化産炭和炭化産油（氣）工藝，以汙泥炭化物爲唯一産物，是汙泥炭化技術工程應用的主流工藝，炭化過程中産生的幹餾氣被燃燒利用釋放熱量，以減少整個過程的能量補充，達到節約能源的目的。當然還有一些工藝目標産物是汙泥炭化物和油（氣），主要目的是最大限度回收汙泥中可資源化利用的物質，但前提條件是汙泥的有機物含量足夠高，目前這種類型的工藝路線工程實踐較少。
下面我們再說一下炭化爐主要設備形式，目前國內外主要有這麽五種設備形式，第一種就是外加熱螺旋推進炭化爐，也屬于間接加熱形式，螺旋推進汙泥，代表制造廠家是日本巴工業，現在國內也有案例；第二種是直接電加熱螺旋爐，在法國、德國以及美國有相關的案例；第三種是由回旋焚燒爐演變而來的，這個是直接輻射加熱，在日本用于高溫炭化，主要制造廠家爲日本髒器株式會社；第四種是回轉式帶夾套的間接加熱爐，國內外應用案例最多，國內目前案例大多數也是以這種回轉式炭化爐爲主；最後就是立式多膛爐，屬于直接加熱形式，但是幹化熱解載氣循環和外部熱源煙氣分開運行，一般載氣循環氧含量低于5%，目前主要用于低溫炭化，目前日本月島公司有一些工程應用，國內也出現了類似設備。
02
國外熱解和氣化技術發展與工程案例
首先看德国，德国污泥产量在欧洲占比20%，欧洲污泥热法处理工艺中的45%在德国，德国污泥热法处理率从2008年的52.6%(108万吨)上升的2017年的69.5%(119万吨)，2017年，修订《污水污泥条例》(AbfKlärV)通过，核心内容是要求从污水污泥中直接回收 (要求回收率不得低于50%)或其焚烧灰中回收磷(要求回收率大于80%)，要从2029年或者2032年全面禁止污泥的土地利用。在这种情况下，污泥独立焚烧、热解及气化项目逐渐增加。
德國第一個熱解案例是采用生物質熱解-自源炭重整技術，直接加熱螺旋推進熱解反應器，共分爲2段，第一段是熱解産炭，第二段對熱解炭進行催化重整後産氣和産油。目前最大項目處理規模爲500kg/h。
第二个工程案例是采用Pyreg®污泥热解技术，设备形式为螺旋式炭化反应器，间接加热形式，产生的热解气燃烧后补充干化及炭化热量，最终产生的污泥炭进行磷回收。德国这两种技术单体项目规模都不大，值得说明的是，欧洲生物炭标准-The European Biochar Certificate (EBC)，目前最新版是2023年5月第10.3E，其中市政污泥可以作为原料制备生物炭，最新标准已不再要求生物炭含碳量（之前标准要求含碳量必须＞50%）。同时对H/C比和O/C比都有明确要求。
下面我們來看一下美國熱解和氣化的工程案例。2019年美國EPA數據顯示汙泥土地利用占比51%、汙泥焚燒占比16%、其他處置方式占比10%，2011年3月，美國EPA出台了針對汙泥焚燒煙氣排放的新標准，要求所有已建成汙泥焚燒廠和新建焚燒廠執行新的排放限值，針對不同的汙泥焚燒爐執行不同的排放限值，主要是多膛爐(MHI)和流化床焚燒爐(FBI)兩種類型，FBI更嚴格。
對已建成項目和新建項目的排放要求也不一樣，以汞爲例，已建成項目的新排放標准爲0.037mg/dscm，新建項目的新排放限值更嚴格爲0.001mg/dscm，在此情況下，美國開始發展替代焚燒的新型工藝，其中熱解和氣化近些年來發展迅速，也是美國汙泥處理處置創新型工藝，目前最大的工程案例規模已經達到430噸/日。
例如，2017年矽谷清潔水公司項目在北美第一個工程規模的生物質熱解項目開始運行，熱解設計處理規模爲3000噸濕料/年，生物炭産量250噸/年，該項目獲得了EPA區別于汙泥焚燒SSI豁免，並獲准在灣區空氣質量管理區（美國最嚴格空氣質量管理區之一）運行。
美国白羊座清洁能源公司开发的生物质流化床气化技术在美国新泽西州项目，2019年开始建设，2022年底正式运行，设计处理规模为430吨/日，其中污泥约30吨/日，减量程度95%，灰渣(Bio-Fly-Ash™)产量约22吨/日。同时该公司开发的木质废弃物下行式气化，减量程度85%，产生Aries GREEN® biochar，生物炭在网站上直接面向公众售卖。
再來看看日本，在汙染物減排和資源化利用的雙重壓力下，從上世紀90年代開始日本開始發展汙泥炭化技術，宏觀政策引導，行業機構、科研結構、技術企業等聯合，陸續建設了一批中小型汙泥炭化項目，先後出台了相關技術指引&手冊、性能評價辦法以及炭化産品JIS標准
2004年，下水道新技术推进机构和14家炭化技术企业——发布《炭化系统技术资料》，对这些项目做了全面的总结，对“技术分类、工程设计、运行管理、政策法規”等方面做出要求；
2010年，下水道新技術推進機構基金會和東芝股份有限公司——發布《汙泥熱分解燃料化系統技術手冊》，2014年，市政汙泥固體燃料的日本工業標准（JIS），對汙泥熱解燃料化技術進行了專門的總結，並對相關的技術原理、工程規劃與設計、工程實施、運行管理、適用法規等做出了明確的規定，此後燃料化利用成爲日本汙泥炭化資源化利用的主要方向，炭化工程案例總規模也超過了2000噸/日，下面說幾個工程案例。
日本汙泥熱解炭化以低溫和中溫炭化爲主，采用的爐型多爲回轉式，單線最大規模爲150噸/日，出路主要以電廠燃煤替代燃料爲主，高溫炭化項目數量和規模都比較少，最終出路可以作爲低品位活性炭用作吸附劑或者作爲建材原料使用。
03
國內熱解炭化技術發展與工程案例
国内产学研合作开发始于2008年左右，2015年后呈高速增长趋势，从相关论文发表数量上来看可分为3个发展阶段， 萌芽期(2008及以前)、发展期(2009~2015)、高速增长期(2016~2020)。工程化应用从2017年以后开始加速发展，据不完全统计，国内已建和在建的污泥热解炭化项目接近20个，总规模近2000吨/日，总体上分三个流派，第一个是全套引进日本核心技术，关键设备进口，如鄂州洋澜湖综合治理污泥炭化项目；第二个是采用日本技术，但核心设备基本做到了国产化，如枝江田园牧歌项目；第三个采用国产技术，设备国内加工制造，如青岛即墨污泥炭化项目、安徽无为污泥炭化项目等。
介紹幾個典型案例，第一個是武漢湯遜湖汙泥炭化項目，設計規模10噸/日，這是國內最早引進日本巴工業技術的項目，80%含水率直接進入回轉式直接幹化機，幹化後汙泥刮板進入立式多段螺旋間接炭化爐，最終的炭渣主要用于園林綠化。
第二個典型案例是安徽無爲汙泥炭化項目，設計規模是50噸/日，技術提供方是浙江宜可歐，投資方爲安徽通源，本項目結合國內汙泥低熱值的特點，將進泥含水率通過板框壓榨機降低至60%，同時采用生物質顆粒代替天然氣，整體運行成本得到較大幅度降低，由于煙氣排放采用相對寬松的標准，煙氣處理流程相對簡單。
第三個典型案例是長沙經開區城北汙水廠汙泥項目一期工程，設計規模爲50噸/日，技術提供方爲湖南鼎玖，采用的是幹化炭化一體爐，系統相對比較簡單，中間輸送環節比較少，目前該項目二期工程也已投入運行，設計規模120噸/日，同樣采用幹化炭化一體爐，運行成本相對較低，最終的炭渣産物比較多元，其中電廠燃料去向相對穩定且需求量最大。
第四个典型案例是青岛即墨污泥处置中心项目，该项目设计规模为 300吨/日，单线处理规模150吨/日，是国内单线规模最大炭化项目，北控水务投资控股。该项目采用国产技术，干化和炭化炉均为回转式，炭渣出路为建材制砖和营养土，由于该项目烟气排放执行垃圾焚烧大气污染物排放和山东地标大气污染物排放标准，所以烟气处理流程相对较长。目前运行比较稳定，综合成本在国内热法处理工艺中处于较低水平。
04
總結和思考
污泥热解炭化技术在污染物排放方面，与焚烧相比有明显的减排优势，污泥炭化物在资源化利用方面有良好的前景，该技术是替代污泥焚烧的重要技术之一。我国在污泥炭化技术引进吸收、工程示范等方面已经具有一定的基础，但在污泥热解炭化关键技术装备开发和工程推广应用等方面还存在较大的发展空间，相关標准規範尚需进一步完善。如果要使污泥炭化项目得到良性发展，我认为需要在以下几方面做好工作：
第一，要充分認識系統複雜性：
-
熱解炭化系統更貼近化工裝備，有一定技術門檻，一家公司不要生産所有設備，設備商不要都做系統集成商，專注做好其中一個環節設備，依然能有市場；
-
熱解設備24小時連續運行，要求設備保障性高，設備質量要優良，避免出現低價惡性競爭，就像過去幾年大量設備商進入汙泥低溫幹化領域，造成部分設備質量不過關、穩定性差、産能衰減、維護強度大等諸多問題；
-
傳統汙水廠人員很難勝任運行工作，需要引進和培養熱工及儀控專業人員。
第二，要注重項目和設備設計細節：
-
汙泥脫水預處理形式的選擇很重要，不同汙泥含水率進料下，天然氣的補充量差異較大，板框出泥雖然含水率低但壓實度高，也存在幹化效率下降，幹化粉塵偏大問題；
-
料倉及卸料型式選擇，尤其60%含水率汙泥容易架橋，卸料困難，同時存在有效空間利用率下降問題；
-
輸送設備選擇至關重要，不同于汙泥常規脫水項目的間斷運行，熱解項目需要年連續運行8000h，一旦輸送設備發生故障，將會造成全線停産。重點關注高溫對輸送螺旋材料帶來的變形。刮板布置形式、設備型式選擇、關鍵材料防腐蝕、90°轉彎處鏈輪型式選擇、鏈條中銷軸和套筒耐磨損情況等等；
-
幹化爐和炭化爐密封形式選擇，煙氣含氧量控制；
-
裂解氣除塵、熱風爐清灰設計；
-
要結合當地煙氣排放標准盡量實現煙氣處理流程的簡化，回歸到炭化低碳排放本質。
第三，要打通末端出路：
-
末端出路決定項目成敗，熱解炭化後已經實現了完全的汙泥無害化，這跟目前國內30-40%含水率的幹化汙泥有顯著區別，不能仍然按照汙染物來看待，要把汙泥炭變成商品或産品在市場上流通起來；
-
建材利用制磚和陶粒途徑相對通暢，可以代替煤矸石補充一部分熱值，但是由建材企業付費還沒有達成社會共識；
-
土地利用尤其是園林綠化、花圃培育需要的營養土，技術上無大問題，汙泥炭可以改善土壤透氣性、提高氮磷含量，增加土壤中微生物種類及數量等在業內已經有較多研究成果，目前需要大力拓展銷售渠道；
-
中低溫炭化後汙泥炭作爲電廠燃料，代替化石燃料，削減碳排放，也是可行末端出路之一。
以上內容請大家批評指正！
最後感謝美國TT公司江瑞原總工提供的美國熱解和氣化最新工程進展資料；本文中PPT部分內容也參考了北控水務杭世珺工作室牽頭、聯合同濟大學和武漢普樂環境技術有限公司編制的《汙泥碳化技術發展報告》！
.
04
總結和思考
污泥热解炭化技术在污染物排放方面，与焚烧相比有明显的减排优势，污泥炭化物在资源化利用方面有良好的前景，该技术是替代污泥焚烧的重要技术之一。我国在污泥炭化技术引进吸收、工程示范等方面已经具有一定的基础，但在污泥热解炭化关键技术装备开发和工程推广应用等方面还存在较大的发展空间，相关標准規範尚需进一步完善。如果要使污泥炭化项目得到良性发展，我认为需要在以下几方面做好工作：
第一，要充分認識系統複雜性：
-
熱解炭化系統更貼近化工裝備，有一定技術門檻，一家公司不要生産所有設備，設備商不要都做系統集成商，專注做好其中一個環節設備，依然能有市場；
-
熱解設備24小時連續運行，要求設備保障性高，設備質量要優良，避免出現低價惡性競爭，就像過去幾年大量設備商進入汙泥低溫幹化領域，造成部分設備質量不過關、穩定性差、産能衰減、維護強度大等諸多問題；
-
傳統汙水廠人員很難勝任運行工作，需要引進和培養熱工及儀控專業人員。
第二，要注重項目和設備設計細節：
-
汙泥脫水預處理形式的選擇很重要，不同汙泥含水率進料下，天然氣的補充量差異較大，板框出泥雖然含水率低但壓實度高，也存在幹化效率下降，幹化粉塵偏大問題；
-
料倉及卸料型式選擇，尤其60%含水率汙泥容易架橋，卸料困難，同時存在有效空間利用率下降問題；
-
輸送設備選擇至關重要，不同于汙泥常規脫水項目的間斷運行，熱解項目需要年連續運行8000h，一旦輸送設備發生故障，將會造成全線停産。重點關注高溫對輸送螺旋材料帶來的變形。刮板布置形式、設備型式選擇、關鍵材料防腐蝕、90°轉彎處鏈輪型式選擇、鏈條中銷軸和套筒耐磨損情況等等；
-
幹化爐和炭化爐密封形式選擇，煙氣含氧量控制；
-
裂解氣除塵、熱風爐清灰設計；
-
要結合當地煙氣排放標准盡量實現煙氣處理流程的簡化，回歸到炭化低碳排放本質。
第三，要打通末端出路：
-
末端出路決定項目成敗，熱解炭化後已經實現了完全的汙泥無害化，這跟目前國內30-40%含水率的幹化汙泥有顯著區別，不能仍然按照汙染物來看待，要把汙泥炭變成商品或産品在市場上流通起來；
-
建材利用制磚和陶粒途徑相對通暢，可以代替煤矸石補充一部分熱值，但是由建材企業付費還沒有達成社會共識；
-
土地利用尤其是園林綠化、花圃培育需要的營養土，技術上無大問題，汙泥炭可以改善土壤透氣性、提高氮磷含量，增加土壤中微生物種類及數量等在業內已經有較多研究成果，目前需要大力拓展銷售渠道；
-
中低溫炭化後汙泥炭作爲電廠燃料，代替化石燃料，削減碳排放，也是可行末端出路之一。
以上內容請大家批評指正！
最後感謝美國TT公司江瑞原總工提供的美國熱解和氣化最新工程進展資料；本文中PPT部分內容也參考了北控水務杭世珺工作室牽頭、聯合同濟大學和武漢普樂環境技術有限公司編制的《汙泥碳化技術發展報告》！
