1 污泥碳化概述

1.1什么是污泥碳化

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(xì)菌，可燃物質(zhì)量更大。根據(jù)上海、天津等地的污泥發(fā)熱量試驗(yàn)，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，就是通過給污泥加溫和加壓，使生化污泥中的細(xì)胞裂解，將其中的水分釋放出來，同時又最大限度地保留了污泥中碳質(zhì)的過程。污泥碳化的優(yōu)勢在于，污泥碳化是通過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(shù)是通過加熱，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)展分為以下三個階段。

（1）理論研究階段（1980－1990年）。

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

（2）小規(guī)模生產(chǎn)試驗(yàn)階段（1990－2000年）。

隨著污泥碳化理論研究的深入和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的成功，人們開始思考將污泥碳化技術(shù)轉(zhuǎn)變成為真正商業(yè)化污泥處理的裝置。在大規(guī)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(guī)模生產(chǎn)性試驗(yàn)（Pilot Trial）。通過這些試驗(yàn)，污泥碳化技術(shù)開始從實(shí)驗(yàn)室走向工廠。這期間設(shè)計和制造了許多專用設(shè)備，解決了大量實(shí)際工廠化的技術(shù)問題。這個階段的特點(diǎn)如下：

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

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

（3）大規(guī)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(dǎo)致污泥碳化技術(shù)大規(guī)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。但由于近年來發(fā)現(xiàn)焚燒存在二惡英污染的隱患，所以日本環(huán)保部門對焚燒排除的氣體提出了更加嚴(yán)格的要求，使得本來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)和銷售碳化裝置。比較著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)展覽會上，日本日環(huán)特殊株式會社甚至推出了標(biāo)準(zhǔn)的污泥碳化減量車。該車可以隨時到任何有污泥的場所對污泥進(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，很多州的污泥過去都采用填埋。由于發(fā)現(xiàn)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對環(huán)境的危害，美國EPA頒布了新的填埋標(biāo)準(zhǔn)。過去的未達(dá)標(biāo)的污泥（Class B污泥）將不再允許填埋，只有達(dá)標(biāo)污泥（Class A污泥）才允許填埋。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的頒布，使得現(xiàn)有的污水處理廠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(xiàn)有的填埋場已經(jīng)接近飽和，開辟新的填埋廠越來越困難。為了達(dá)到EPA新的污泥處置標(biāo)準(zhǔn)和解決填埋場逐漸用盡的問題，2000年以后，在美國各個州，各個縣（County）的政府內(nèi)都建立了專門的污泥處置研究機(jī)構(gòu)，對可能的解決方案進(jìn)行可行性研究。在研究了一些傳統(tǒng)的污泥處置方案（如焚燒，堆肥，干化）的同時，新的污泥碳化技術(shù)開始進(jìn)入了政府的考慮范圍，例如在南加州大洛杉磯地區(qū)，經(jīng)過近2年的考察、比較，已經(jīng)決定要建立一個每天處理675噸污泥的碳化廠，由能源技術(shù)公司（Enertech Environmental Co.）建設(shè)、運(yùn)行。

1.3污泥碳化的分類:

（1）高溫碳化

碳化時不加壓，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。碳化顆粒可以作為低級燃料使用，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(xiàn)污泥的減量化和資源化，但由于其技術(shù)復(fù)雜，運(yùn)行成本高，產(chǎn)品中的熱值含量低，目前尚未有大規(guī)模的應(yīng)用。最大規(guī)模的為30噸濕污泥/天。

（2）中溫碳化

碳化時不加壓，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(yīng)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(shè)了一座100噸/日的處理廠。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)污泥的減量化和資源化，但由于污泥最終的產(chǎn)物過于多樣化，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(jì)效益不明顯，除澳洲一家處理廠外，目前尚無其他潛在的用戶。

（3）低溫碳化

碳化前無需干化，碳化時加壓至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(dá)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，通過加溫加壓使得污泥中的生物質(zhì)全部裂解，僅通過機(jī)械方法即可將污泥中75％的水分脫除，極大地節(jié)省了運(yùn)行中的能源消耗。污泥全部裂解保證了污泥的徹底穩(wěn)定。污泥碳化過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：該分類為傳統(tǒng)意義上的分類，主要區(qū)別在于溫度控制范圍的不同以及是否增加壓強(qiáng)。

1.4污泥低溫碳化技術(shù)的廠家:

（1）EnerTech（能源技術(shù)）：

該公司1992年成立，技術(shù)名稱為SlurrycarbTM，該工藝是連續(xù)式的。其工藝是將污泥加壓至1000-1500 psig（70-100kg/cm2），通過熱交換器，加溫至400-450°F（204-232℃）。熱化分解反應(yīng)時，污泥中的有機(jī)物被分解，二氧化碳?xì)鈴墓腆w中被分離。

1999年8月美國能源部（DOE）撥款50萬美元，支持能源技術(shù)公司的污泥碳化技術(shù)開發(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)開發(fā)出在太空倉轉(zhuǎn)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。工廠占地2.6公頃（6.4 arces），建在Rialto污水處理廠旁，每天約可生產(chǎn)140噸干的碳化顆粒。該工廠已經(jīng)于2006年4月在Rialto破土動工，加州共有5個地區(qū)向該廠提供污泥，已經(jīng)全部與Enertech簽署了協(xié)議書。該廠已經(jīng)于2009年初完工投產(chǎn)。該廠生產(chǎn)的碳化物全部銷售給據(jù)該廠50英里外的三菱水泥廠。

（2）ThermoEnergy（熱能）：

熱能的工藝與EnerTech的工藝類似，熱能用活塞壓力系統(tǒng)，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(yīng)時間，有兩個并行的壓力活塞和反應(yīng)罐，這樣可以使整個工藝連續(xù)。處理后的污泥經(jīng)過壓力釋放系統(tǒng)，然后用離心方式脫水至50％的含固率。這個工藝產(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污水處理廠做了一個試驗(yàn)廠，目前沒有推廣的報導(dǎo)。

1.5   SlurryCarbTM 碳化工藝流程

Step 1: 污泥預(yù)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(tǒng)。

Step 3: 污泥加熱，通過外部熱源為污泥加熱。

Step 4: 污泥裂解反應(yīng)，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，使用膜過濾技術(shù)處理后的水返回污水處理廠。

Step 8: 干化，造粒，根據(jù)用戶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(shù)

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(yīng)時間：  12分鐘

反應(yīng)溫度：  <300℃

反應(yīng)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(yīng)器（MBR），達(dá)到國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)。

蒸發(fā)氣處理：

廢氣燃燒＋旋風(fēng)、過濾器，達(dá)到國家廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。

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(chǔ)

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

標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(shè)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(shè)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(yīng)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

整個碳化過程需要的能量：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(jié)省能源約46％。

2. SlurryCarbTM工藝的投資

在美國，建設(shè)一座處理700噸/天污泥（含水率80％）污泥干化處理廠的總投資約為7500萬美元，包括全部土建，設(shè)備、安裝和技術(shù)使用費(fèi)等。其中直接費(fèi)（設(shè)備，土建）為4000萬美元，工程費(fèi)為1850萬美元，其他資金籌集，保險等1650萬美元。合到處理100噸/天污泥（含水率80％）的總投資為8500萬人民幣。

按同樣的水平和數(shù)量，如果在中國建設(shè)，直接費(fèi)約2000萬美元，工程費(fèi)約380萬美元，資金費(fèi)用約550萬美元，總投資約2930萬美元，合人民幣23440萬人民幣。合到處理100噸/天污泥（含水率80％）的總投資為3400萬人民幣。

由于SlurryCarbTM采用了大量的常規(guī)設(shè)備，總造價比干化設(shè)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(fèi)，設(shè)計費(fèi)等相對收取的較高，一旦批量推廣，整體造價還會大幅度降低。

3. SlurryCarbTM工藝運(yùn)行成本估算

3.1計算依據(jù)

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

計算的基本依據(jù)： 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(dá) 75％）

煤炭的熱效率一般按50％（最高可達(dá)60％）

1度電＝860 大卡

1kg 標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行成本

（1）Enertech計算的運(yùn)行成本（炭化物銷售）

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(shè)污泥中的含水率為80％，當(dāng)含水率降至50％時，75％的水分已經(jīng)被機(jī)械脫出，1噸污泥中只有200公斤的水需要?dú)饣?/p>

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，通過污泥干混，最大可節(jié)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(dāng)前天然氣價格計算為84.24元人民幣。污水處理費(fèi)根據(jù)實(shí)際濾出水BOD和COD的值約為12－20元人民幣不等。電費(fèi)和藥劑費(fèi)等15元人民幣/噸左右。 人工費(fèi)5元/噸左右。

每噸污泥生產(chǎn)的碳化物為140公斤，在美國的銷售價格為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(xiàng)目中的計算得出的。

（2）中國計算運(yùn)行成本（按照碳化物自行利用后填埋計算）

在中國項(xiàng)目中，碳化物的銷售前景不能確定，另外，中國目前絕大多數(shù)地區(qū)允許填埋，應(yīng)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(dāng)于1/3立方米的天然氣。在中國，只能相當(dāng)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％，計算時應(yīng)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(dāng)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(fèi)和運(yùn)輸費(fèi)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(shè)備折舊20年計算，每噸濕污泥需要考慮折舊費(fèi)50元左右。

按照Enertech美國的計算方法（即碳化物廉價賣給水泥廠），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)，通過污泥干混，最大可節(jié)省20％的能量，即需要68立方米天然氣。按當(dāng)前天然氣價格計算為163.20元人民幣。

電費(fèi)和藥劑費(fèi)等15元人民幣/噸左右。

人工費(fèi)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(fèi)50元，運(yùn)費(fèi)10元計算），折合人民幣8.4元。

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

建設(shè)100噸濕污泥處理能力的純干化廠目前為3000－5000萬元人民幣不等。取最低限3000萬元，以設(shè)備折舊20年計算，每噸濕污泥需要考慮折舊費(fèi)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(tǒng)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(tǒng)中可以減少67.2元人民幣的運(yùn)行費(fèi)用，即：

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

建設(shè)100噸濕污泥處理能力的干化＋焚燒廠需要在純干化廠的基礎(chǔ)上再增加2000萬元人民幣，每噸濕污泥需要比純干化工藝再多考慮折舊費(fèi)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)品的銷售

在美國，目前SlurryCarbTM生產(chǎn)出來的炭化物的售價為10美元/噸，每噸污泥能生產(chǎn)0.14噸的炭化物，如果能夠銷售，可以回收1.4美元，合11.2元人民幣。SlurryCarbTM生產(chǎn)出來的炭化物的燃值與褐煤相當(dāng)，而且燃燒時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(rèn)為，以運(yùn)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，就會有34－48元人民幣的差距，就會對成本有很大的影響。