污泥低温碳化技术

1.1 什么是污泥碳化
    市政污泥中含有可燃物质，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细菌，可燃物质量更大。根据上海、天津等地的污泥发热量试验，中国市政污泥中的发热量约为2200－3300大卡/吨干物质。其中消化后的污泥发热量较低，一般仅为未消化污泥的70％左右。夏季污泥的发热量比冬季低。所谓污泥碳化，就是通过给污泥加温和加压，使生化污泥中的细胞裂解，将其中的水分释放出来，同时又最大限度地保留了污泥中碳质的过程。污泥碳化的优势在于，污泥碳化是通过裂解方式将污泥中的水分脱出，能源消耗少，剩余产物中的碳含量高，发热量大，而其它工艺大多数是通过加热，蒸发的方式去除污泥中的水分，耗能大，灰分中的碳质低，利用价值小。

1.2 污泥碳化的发展
    世界上污泥碳化技术的发展分为以下三个阶段。
    （1）理论研究阶段（1980－1990年）。
    这个阶段的研究集中在污泥碳化机理的研究上。这个阶段一个突出特点就是大量的专利申请。Fassb ender, A.G等人的STORS专利，Dickinson N.L污泥碳化专利都是在这期间申请和批准的。
    （2）小规模生产试验阶段（1990－2000年）。
    随着污泥碳化理论研究的深入和实验室试验的成功，人们开始思考将污泥碳化技术转变成为真正商业化污泥处理的装置。在大规模商业化之前，为了减少投资风险，需要对该技术进行小规模生产性试验（Pilot Trial）。通过这些试验，污泥碳化技术开始从实验室走向工厂。这期间设计和制造了许多专用设备，解决了大量实际工厂化的技术问题。这个阶段的特点如下： 规模小。例如1997年日本三菱在宇部的污泥碳化厂规模为20吨/天；1992年，日本ORGANO公司在东京郊区建了一个污泥碳化试验厂；1997年Thermo Energy 在加利福尼亚州Colton市建立了一个污泥碳化实验厂规模为每天处理5吨干泥。试验资金来自大公司和政府，而不是商业用户。例如，在日本的试验均来自大公司，在加州的试验资金是来自美国EPA。
    （3）大规模的商业推广阶段（2000－）。
    除了污泥碳化技术逐渐成熟的因素以外，导致污泥碳化技术大规模商业推广还有其他因素。在日本，80％的污泥的最终处置方法是焚烧。但由于近年来发现焚烧存在二恶英污染的隐患，所以日本环保部门对焚烧排除的气体提出了更加严格的要求，使得本来成本就很高的焚烧工艺的成本更加提高。为了取代焚烧工艺，目前，日本已经有多家公司生产和销售碳化装置。比较著名的有荏原公司的碳化炉，三菱公司横滨制作所的污泥碳化装置，巴工业公司每天处理10吨，30吨的污泥碳化装置。2005年日本东京下水道技术展览会上，日本日环特殊株式会社甚至推出了标准的污泥碳化减量车。该车可以随时到任何有污泥的场所对污泥进行碳化。这些发展表明，碳化技术已趋于成熟。在美国，很多州的污泥过去都采用填埋。由于发现污泥中包含的有害物质对地下水的污染，未处理污泥填埋后造成填埋场对环境的危害，美国EPA颁布了新的填埋标准。过去的未达标的污泥（Class B污泥）将不再允许填埋，只有达标污泥（Class A污泥）才允许填埋。这项标准的颁布，使得现有的污水处理厂只有投入巨大的污泥处置成本，才能对其污泥进行处置。另外，现有的填埋场已经接近饱和，开辟新的填埋厂越来越困难。为了达到EPA新的污泥处置标准和解决填埋场逐渐用尽的问题，2000年以后，在美国各个州，各个县（County）的政府内都建立了专门的污泥处置研究机构，对可能的解决方案进行可行性研究。在研究了一些传统的污泥处置方案（如焚烧，堆肥，干化）的同时，新的污泥碳化技术开始进入了政府的考虑范围，例如在南加州大洛杉矶地区，经过近2年的考察、比较，已经决定要建立一个每天处理675吨污泥的碳化厂，由能源技术公司（Enertech Environmental Co.）建设、运行。

1.3 污泥碳化的分类
    （1）高温碳化
    碳化时不加压，温度为1,200 – 1,800°F（649－982℃）。先将污泥干化至含水率约30％，然后进入炭化炉高温碳化造粒。碳化颗粒可以作为低级燃料使用，其热值约为2000－3000大卡/公斤（在日本或美国）。技术上较为成熟的公司包括日本的荏原，三菱重工，巴工业以及美国的IES等。该技术可以实现污泥的减量化和资源化，但由于其技术复杂，运行成本高，产品中的热值含量低，目前尚未有大规模的应用。最大规模的为30吨湿污泥/天。
    （2）中温碳化
    碳化时不加压，温度为800 – 1000°F（426－537℃）。先将污泥干化至含水率约90％，然后进入炭化炉分解。工艺中产生油，反应水（蒸汽冷凝水），沼气（未冷凝的空气）和固体碳化物。该技术的代表为澳大利亚ESI公司。该公司在澳州建设了一座100吨/日的处理厂。该技术可以实现污泥的减量化和资源化，但由于污泥最终的产物过于多样化，利用十分困难。另外，该技术是在干化后对污泥实行碳化，其经济效益不明显，除澳洲一家处理厂外，目前尚无其他潜在的用户。
    （3）低温碳化
    碳化前无需干化，碳化时加压至10MPa左右，碳化温度为600℉左右（315℃），碳化后的污泥成液态，脱水后的含水率达50％以下，经干化造粒后可以作为低级燃料使用，其热值约为3600－4900大卡/公斤（在美国）。该技术的特点是，通过加温加压使得污泥中的生物质全部裂解，仅通过机械方法即可将污泥中75％的水分脱除，极大地节省了运行中的能源消耗。污泥全部裂解保证了污泥的彻底稳定。污泥碳化过程中保留了绝大部分污泥中热值，为裂解后的能源再利用创造了条件。

1.4 污泥低温碳化技术的厂家
    （1）EnerTech（能源技术）：
    该公司1992年成立，技术名称为SlurrycarbTM，该工艺是连续式的。其工艺是将污泥加压至1000-1500 psig（70-100kg/cm2），通过热交换器，加温至400-450°F（204-232℃）。热化分解反应时，污泥中的有机物被分解，二氧化碳气从固体中被分离。 1999年8月美国能源部（DOE）拨款50万美元，支持能源技术公司的污泥碳化技术开发，制造碳化中试装置PDU（Process Development Unit）；2001年1月，能源技术公司与美国太空总署签订了2年的合同。能源公司利用污泥碳化技术开发出在太空仓转化太空垃圾的原型装置；2005年4月，在美国加州Railto建立一座每天处理625吨污泥的处理厂。工厂占地2.6公顷（6.4 arces），建在Rialto污水处理厂旁，每天约可生产140吨干的碳化颗粒。该工厂已经于2006年4月在Rialto破土动工，加州共有5个地区向该厂提供污泥，已经全部与Enertech签署了协议书。该厂预计2008年上半年完工投产。该厂生产的碳化物全部销售给据该厂50英里外的三菱水泥厂。
    （2）ThermoEnergy（热能）：
    热能的工艺与EnerTech的工艺类似，热能用活塞压力系统，污泥（steam）是注入的而不是泵入的，有热交换器。要求的温度是600°F（315℃），压力是2,000 psig（138kg/cm2）。热能的工艺是批处理，每批需20分钟的反应时间，有两个并行的压力活塞和反应罐，这样可以使整个工艺连续。处理后的污泥经过压力释放系统，然后用离心方式脱水至50％的含固率。这个工艺产生的碳化物与EnerTech的产生的碳化物相同。该公司曾在美国加州Colton污水处理厂做了一个试验厂，目前没有推广的报导。

1.5 污泥碳化工艺流程
    1: 污泥预处理，将含水率80％左右的脱水污泥切碎，搅拌。
    2: 污泥加压，将污泥加压送入碳化系统。
    3: 污泥加热，通过外部热源为污泥加热。
    4: 污泥裂解反应，在高温高压状态下，污泥被裂解成液态。
    5: 冷凝/热交换，将加热的污泥水冷却，能量经热交换器回收。
    6: 污泥液脱水，脱水后的泥饼的含水率为50％以下。
    7: 上清液回收，使用膜过滤技术处理后的水返回污水处理厂。
    干化，造粒，根据用户需要可以对碳化物进一步干化造粒，或保持原状。

1.6 污泥碳化的主要参数
    进泥含水率： 80%左右（干物质20，水80）
    碳化物含水率： 50％以下（干物质20，水20）
    实际脱水： 75％以上 [(80－20）反应时间：
    12分钟反应温度： <300℃
    反应压力： <10MPa
    E-fuel燃值（美国）： 3600大卡/公斤DS（消化污泥），4500大卡/公斤DS(未消化)
    滤出液处理：膜生物反应器（MBR），达到国家污水排放标准。
    蒸发气处理：废气燃烧＋旋风、过滤器，达到国家废气排放标准。

1.7 污泥碳化工艺质量平衡
1.8 污泥碳化工艺能耗（与干化比较）
   （1）理论基础取含水率80％的污泥1.25kg（其中水含量为1kg，DS含量为0.25kg）。标准大气压下，将1公斤水从20℃升高至100℃所需要的能量为80大卡，折合335千焦。将1公斤水在其沸点蒸发所需要的热量为40.8千焦/摩尔，相当于2260千焦。（五倍于把等量水从一摄氏度加热到一百摄氏度所需要的热量）。
    （2）污泥干化能耗假设污泥中干物质的比热与水相同，则0.25公斤干物质从20℃加温至100℃需要84千焦。 1.25kg含水率80％的污泥干化所需要的总能量为：335 ＋ 2260 ＋ 84 ＝ 2679千焦由于干化只能以其干化物质进行能量回收（污泥返混），最多只能有30％的能量回收，所以干化需要的能量为：2679 × 70％＝ 1875千焦
    （3）污泥碳化能耗 在10MPa压力下，污泥中的水份不会汽化，将1公斤水从160℃升高至240℃所需要的能量为80大卡（SlurryCarb工艺的能量回收可将初始污泥的温度提高至160℃），折合400千焦。（水在10MPa下的比热约为5.0×kJ/(kg ℃)。）加压能量很小，可以忽略不计。假设污泥中干物质的比热与水相同，将0.25公斤干物质从160℃升高至240℃需要100千焦。碳化部分需要的总能量为：400 ＋ 100 ＝ 500千焦由于碳化剩余物中还有50％的水分，不考虑干物质减量，其总量为0.5公斤，用干化方法蒸发，需要能量应为：84 ＋ 565 ＋ 84 ＝ 733千焦同样考虑30％的能量回收，干化所需能量为：733× 70％＝ 513 千焦整个碳化过程需要的能量：500 ＋ 513 ＝ 1013 千焦纯干化工艺需要的热量为1875千焦，碳化后再干化工艺需要的热量为1013千焦，后者是前者的54％，节省能源约46％。

2. SlurryCarbTM工艺的投资
    在美国，建设一座处理700吨/天污泥（含水率80％）污泥干化处理厂的总投资约为7500万美元，包括全部土建，设备、安装和技术使用费等。其中直接费（设备，土建）为4000万美元，工程费为1850万美元，其他资金筹集，保险等1650万美元。合到处理100吨/天污泥（含水率80％）的总投资为8500万人民币。
    按同样的水平和数量，如果在中国建设，直接费约2000万美元，工程费约380万美元，资金费用约550万美元，总投资约2930万美元，合人民币23440万人民币。合到处理100吨/天污泥（含水率80％）的总投资为3400万人民币。
    由于SlurryCarbTM采用了大量的常规设备，总造价比干化设备的投资要小很多。目前，即使在美国，SlurryCarbTM也是处于起步阶段，技术使用费，设计费等相对收取的较高，一旦批量推广，整体造价还会大幅度降低。

3. SlurryCarbTM工艺运行成本估算
3.1 计算依据
    通常 1000立方米天然气的价格与1吨原油的价格相当。1吨原油 ＝ 7.3桶原油，按国际市场价格60美元/桶计算，天然气的最高价格应为3.42元人民币。如果按照50美元/桶计算，天然气的最高价格应为2.85元人民币。
    目前，天津地区天然气的售价为2.40元人民币（2006年3月1日起实行）。
    计算的基本依据： 1大卡 ＝ 3.968 BTU = 4 BTU
    1 Btu ＝ 1055.6 焦耳 ＝ 1 KJ
    1立方米天然气热量 ＝ 8600 大卡
    天然气燃烧的热效率 一般按65％计算（最高可达 75％）
    煤炭的热效率 一般按50％（最高可达60％）
    1度电 ＝ 860 大卡
    1kg 标准煤 ＝ 7000 大卡
    1kg 水从0℃加热到100℃需要100大卡
    1kg水变成蒸汽约为500大卡

3.2 污泥碳化的运行成本
    （1）Enertech计算的运行成本（炭化物销售）
    污泥碳化工艺中的换热器出口温度为160度，加热至260度，不气化，即可将污泥中的水分脱至50％以下。
    1公斤水加热需要天然气量 ＝ 100 / 65% /8600 = 0.018 立方米
    1吨污泥碳化需要天然气量 ＝ 0.018 * 1000 = 18 立方米
    假设污泥中的含水率为80％，当含水率降至50％时，75％的水分已经被机械脱出，1吨污泥中只有200公斤的水需要气化。 1公斤水干化需要天然气量 ＝ 600 / 65% /8600 = 0.107 立方米 200公斤的水气化需要天然气量 ＝ 21.4立方米采用直接干化，通过污泥干混，最大可节省20％的能量，即需要17.1立方米天然气。碳化＋干化，共需要天然气35.1立方米。按当前天然气价格计算为84.24元人民币。
    污水处理费根据实际滤出水BOD和COD的值约为12－20元人民币不等。电费和药剂费等15元人民币/吨左右。人工费5元/吨左右。每吨污泥生产的碳化物为140公斤，在美国的销售价格为10美元/吨，折合人民币11.7元。合计 ＝ 84.24 ＋ 16 ＋ 15 ＋ 5 － 11.7 ＝ 108.54元人民币以上计算是按照美国Enertech公司在加州Railto项目中的计算得出的。
    （2）中国计算运行成本（按照碳化物自行利用后填埋计算）
    在中国项目中，碳化物的销售前景不能确定，另外，中国目前绝大多数地区允许填埋，应该考虑自行利用。 1公斤炭化物（消化后污泥的碳化物）在美国，相当于1/3立方米的天然气。在中国，只能相当于1/4立方米的天然气，加之，煤的燃烧效率要比天然气的燃烧效率低10％－15％，计算时应按照1公斤炭化物＝1/5立方米天然气比较合理。 每吨污泥的碳化物相当于天然气 ＝ 140 × 1/5 ＝ 28 立方米 ＝ 67.2元人民币碳化物燃烧后需要填埋，按每立方米50元计算，剩余渣的填埋费和运输费约10元左右。
    按中国实际的情况，污泥碳化的成本可以进一步减少为：合计 ＝ 84.24 ＋ 16 ＋ 15 ＋ 5 － 67.2 ＋ 10 ＝ 63.04元人民币

3.3 污泥碳化的BOT成本
    以设备折旧20年计算，每吨湿污泥需要考虑折旧费50元左右。
    按照Enertech美国的计算方法（即碳化物廉价卖给水泥厂），每吨污泥的最终成本为158.54元人民币。 按照中国的计算方法（即碳化物自行利用后填埋），每吨污泥的最终成本为113.04元人民币。 3.4纯干化工艺的成本分析 1公斤水干化需要天然气量 ＝ 600 / 65% /8600 = 0.107 立方米 800公斤的水气化需要天然气量 ＝ 85立方米采用直接干化技术，通过污泥干混，最大可节省20％的能量，即需要68立方米天然气。按当前天然气价格计算为163.20元人民币。电费和药剂费等15元人民币/吨左右。人工费5元/吨左右。每吨污泥生产的干化物为140公斤，全部填埋（按每立方米填埋费50元，运费10元计算），折合人民币8.4元。纯干化运行成本合计 ＝ 163.20 ＋ 15 ＋ 5 ＋ 8.4 ＝ 191.6元人民币建设100吨湿污泥处理能力的纯干化厂目前为3000－5000万元人民币不等。取最低限3000万元，以设备折旧20年计算，每吨湿污泥需要考虑折旧费50元左右。纯干化BOT的成本 = 191.6 + 50 = 241.6 元人民币 3.5干化＋焚烧工艺的成本分析 干化＋焚烧实际上就是将污泥中原有的热值全部利用，产生的热值直接提供给干化系统使用，不足部分按照添加天然气考虑。按照上面的计算，这种能源利用在碳化系统中可以减少67.2元人民币的运行费用，即：干化＋焚烧运行成本合计 ＝ 191.6 － 67.2 ＝ 124.4 元人民币建设100吨湿污泥处理能力的干化＋焚烧厂需要在纯干化厂的基础上再增加2000万元人民币，每吨湿污泥需要比纯干化工艺再多考虑折旧费33元人民币，折旧总成本为83元。干化＋焚烧BOT的成本 = 124.4 + 83 = 207.4 元人民币

4.SlurryCarbTM炭化产品的销售
    在美国，目前SlurryCarbTM生产出来的炭化物的售价为10美元/吨，每吨污泥能生产0.14吨的炭化物，如果能够销售，可以回收1.4美元，合11.2元人民币。SlurryCarbTM生产出来的炭化物的燃值与褐煤相当，而且燃烧时的污染物排放比煤要少的多，但褐煤在美国约15美元1吨，炭化物只售10美元，这与炭化物刚刚进入市场有关。中国天津的褐煤约200元人民币左右，如果炭化物也可以售200元/吨，则可以回收28元左右。也许有人认为，以运行成本180元/吨湿泥得出20－28元的产品收益并不明显，但如果考虑到在北方目前填埋约需要50－100元/吨，干化物质如果不能销售则需要填埋，还需要增加成本14－20元/吨湿泥。这两种情况比较，就会有34－48元人民币的差距，就会对成本有很大的影响。