污泥低温碳化与干化工艺的对比研究
天津机电进出口有限公司 史英君 于洪江
摘要：以一定含水率的污泥样本为研究对象，对比分析了利用污泥低温碳化工艺和污泥
干化工艺处理污泥时在工作机理、能源消耗和运行维护等方面存在的差异，并展望了这两种工艺今后的发展趋势。研究结果表明：由于水的去除机理的不同，污泥低温碳化工艺的能源消耗成本不到污泥干化工艺的一半；在运行维护中，污泥低温碳化技术较污泥干化技术而言，具有碳化产物可再利用和运行成本低等明显的技术和经济优势。
关键词：污泥低温碳化，污泥干化，对比，细胞裂解
前言
随着我国在污泥处理处置领域投资的不断增加，促进了我国对污泥处理处置新技术的引进和开发。传统的填埋、堆肥工艺，由于二次污染、重金属污染等问题，使用场合受到很大限制；焚烧工艺由于污泥的高含水率，需要借助干化等工艺或者添加燃料才能实现能源的净输出；而污泥干化工艺以及新兴的污泥低温碳化工艺以减量化明显、无害化彻底、能够资源再利用等优势，在污泥处置行业得到广泛关注和迅速发展。
1. 工作机理
1.1 干化工艺水分的蒸发
20 世纪80 年代,Moller, Sato以及Smollen 等人对剩余污泥的干燥特性进行了研究, 发现水分在剩余污泥中有四种存在形式: 自由水分、间隙水分、表面水分以及结合水分。干燥速率反映了水分与污泥固体颗粒结合的程度[1]。如图1所示：
蒸
发
速
率
样品重量
图1. 污泥的干燥曲线
对于脱水机脱水后的泥饼，自由水分已基本脱除，污泥的干燥速率主要表现为两个降速区域，分别对应间隙水分和表面水分，各部分水分含量大致为：间隙水55~60%，表面水35~40%，结合水2%左右[2-3]。污泥中水分的去除是由表面水汽化和内部水扩散这两个相辅相成、并行不悖的过程来完成的。湿污泥中水分先由污泥内部迁移至表面, 然后再从表面汽化到空气中。在干燥初始阶段，水分由污泥内部迁移至表面的速率大于或等于水分从表面汽化的速率，污泥表面保持完全润湿状态，污泥温度恒定。随着干燥过程的进行， 污泥内部水分迁移到表面的速率已经小于表面水分的汽化速率，污泥表面不能再维持全部润湿，而出现部分“干区”， 当污泥全部表面都成为干区后，水分的汽化面逐渐向污泥内部移动，传热由空气穿过干料到汽化表面，汽化的水分又从湿表面穿过干料到空气中，在此过程中，空气传给湿污泥的热量大于水分汽化所需要的热量，使得污泥表面的温度升高。
王璠[4] 、王伟之[5]等人研究发现，污泥的干化能耗和粘壁特性与污泥的含水率密切相关。当污泥的含水率在60~35%之间时，为污泥的塑性阶段，具有胶粘相特征，此时污泥为胶状，粘稠，细颗粒与脱水时添加的高分子化合物形成联系异常紧密的团粒结构，能够有效固结水分，降低蒸发效率，干化能耗急剧增加，粘壁现象严重，很难干化。
所以无论从降低能耗，还是减少干化过程中粘壁结垢的发生，大多数全干化工艺都采用了干泥返混，以避开污泥的胶粘相特性。此外，干污泥颗粒起着“晶核”的作用，湿污泥包裹在干泥颗粒外面形成大颗粒，使污泥的干燥性能得到改善。干泥返混一般是将原含水率为80％左右的湿泥，经过添加相当于湿泥重量1~2倍的已经干化到90％以上的干泥细粉，将其混合至平均含水率40％左右。
李爱民[6]、马学文[7]等人的研究发现，污泥的干燥特性和污泥的形状有很大关系，球状污泥的干燥分为升速、恒速和降速3个阶段，从表面光滑、亮泽状态逐渐变得粗糙、暗淡。随着内层水分的迁移和扩散，污泥会产生裂纹，并有收缩、结团现象；而饼状污泥的干燥过程分为升速和降速2个阶段，在干燥过程中会分裂成许多小块，干燥面积增大。两种污泥最终的孔隙率均达到40%左右。
总之，污泥干化工艺的本质是水的汽化蒸发，根据产物最终处置方式的不同，污泥干化产物的含水率可以取5~30%，大多数工程实例采用的含水率为10%。
1.2 低温碳化工艺水分的“流出”
污泥低温碳化工艺中，污泥中的生物质细胞在温度210-260℃，压力4-6Mpa 的条件下破裂，污泥中的间隙水分、表面吸附水分等释放出来。水的表面张力降低，分子热运动加剧，胶体结构的凝聚力降低，同时由于电离常数增大、离子积变高，有机物的水解反应得以加速进行，构成菌胶团结构主体的大分子有机物水解成小分子有机物。在这些因素的共同作用下，污泥的胶体结构被完全破坏，大大改善了污泥的脱水性能[8]。
荀锐、王伟[9]等人的研究发现，在温度170～190℃，压力1MPa 左右的条件下，污泥中的细胞破裂，微生物絮体解散，有机物水解, 降低了污泥固体颗粒对水的束缚作用, 根本上改变了污泥中的水分特征, 大部分束缚水转变为自由水，单位固体颗粒的束缚水含量由3.6g/g降低至1.0g/g以下。
所以，污泥低温碳化工艺的本质是细胞裂解技术，使污泥中水的形态发生了
根本变化，改善了脱水性能，经过常规的机械脱水，即可使污泥的含水率由80%降至50%左右，使污泥中75%的水分“流出”。
根据污泥产物不同出路的要求，50%含水率的脱水泥饼可以直接外运填埋，而且由于没有了生物细胞，也大大改善了污泥的填埋性能。当需要进一步干化造粒时，由于污泥的胶粘相特征已经被完全破坏，水分极易蒸发，自然风干48小时后，即可使污泥含水率降至20%以下。
2. 能源平衡
为了便于比较，取含水率80％的污泥1.25kg ，通过干化工艺和低温碳化工艺+干化工艺两种手段将污泥含水率降至10%，并假设在干化和碳化过程中没有干物质的损失，污泥干化过程中水蒸汽过热到200℃。
根据公式计算三相需热量： q=w ⋅c ⋅Δt
式中：w—水( 蒸汽、泥) 量，kg 。
c—比热，kJ/kg⋅℃
Δt—进出口温度差，℃。
2.1污泥干化能耗
（1）需要蒸发的水分
样品中污泥重量为1.25kg ，含水率80%，其中干固体含量为0.25kg ，水含量为1kg ；经过干化工艺后所得的干化污泥产物为0.278kg ，含水率10%，其中干固体含量为0.25kg ，水含量0.028kg ，因此，蒸发的水分为0.972kg 。
（2）需热量
干化工艺下，污泥干化过程的需热量计算过程如下：
水从20℃加热到100℃的需热量(水的比热4.2 KJ/kg⋅℃) ：
1×4.2×( 100- 20) =336 kJ
干固体从20℃加热到100℃的需热量（假设污泥中干固体比热为1.05
kJ/kg⋅℃）：
0.25×1.05×( 100- 20) =21 kJ
100℃条件下，水汽化消耗热量（水的汽化热2260kJ/kg）：
0.972×2260=2196.72 kJ
水蒸汽过热到200℃的需热量( 尾气排放温度，蒸汽的比热为2.1 kJ/kg⋅℃) ：
0.972×2.1×（200- 100) =204.12kJ
不考虑热损失，将污泥直接干化到含水率10%需要消耗的总热量为：
336+21+2196.72+204.12=2757.84kJ
2.2污泥低温碳化能耗
（1）需要去除的水分
样品中污泥重量为1.25kg ，含水率80%，其中干固体含量为0.25kg ，水重1kg ；经过低温碳化工艺+干化工艺后所得的碳化污泥产物为0.5kg ，含水率50%，其中干固体含量为0.25kg ，水含量为0.25kg ，因此，脱除的水分为0.75kg 。
干化污泥产物为0.278kg ，含水率10%，其中干固体含量为0.25kg ，水重0.028kg ，因此，蒸发的水分重量为0.222kg 。
（2）需热量
低温碳化工艺+干化工艺过程的需热量计算过程如下：
1）通过污泥低温碳化工艺，将污泥由含水率80%降至50%需要消耗的热量 水从120℃加热到240℃的需热量(污泥低温碳化工艺的能量回收可将初始污泥的温度提高至120℃，由于压力高于饱和蒸汽压，不产生汽化，水在6MPa 下的比热约为5.0 kJ/kg⋅℃) ：
1×5×( 240- 120) =600 kJ
干固体从120℃加热到240℃的需热量:
0.25×1.05×( 240- 120) =31.5kJ
污泥低温碳化阶段需要消耗的总热量：600+31.5=631.5kJ
2）通过干化工艺，将污泥由含水率50%干化至10%需要消耗的热量
水从20℃加热到100℃的需热量：
0.25×4.2×( 100- 20) =84 kJ
干固体从20℃加热到100℃的需热量：
0.25×1.05×( 100- 20) =21 kJ
100℃条件下，水汽化消耗热量：
0.22×2260=497.2 kJ
水蒸汽过热到200℃的需热量：
0.22×2.1×（200- 100) =36.96kJ
污泥干化阶段需要消耗的总热量为：84+21+497.2+36.96=639.16kJ
3）不考虑热损失，通过污泥低温碳化+污泥干化工艺将污泥含水率降至10%需要消耗的总热量为：
631.5+639.16=1270.66kJ
2.3能源消耗比较
通过两种工艺能耗的比较，我们发现，在将污泥含水率由80%降至50%的过程中，由于污泥低温碳化工艺没有汽化的发生，所以只通过消耗很少的能源即脱除了75%的水分。所以不考虑电力等其他成本因素的差异，污泥低温碳化工艺的能源消耗成本不到污泥干化工艺的一半。
3. 运行维护
3.1进泥含水率要求
在污泥干化工艺中，进泥含水率越低，则意味着蒸发的水分越少，干化消耗的能源越少，所以干化系统的进泥越干越好。而在污泥低温碳化系统中，污泥需要通过压力装置输入换热系统，并需要维持系统各点的压力。污泥的含水率直接决定了污泥的粘稠度和摩阻系数，进而对污泥的流动性和沿程压力损失有直接的影响。所以低温碳化系统的进泥含水率不能太低，需要维持在80%以上。
3.2污泥粘胶相控制
污泥干化工艺中，为了降低能耗、减少干化过程中粘壁结垢的发生，大多数全干化工艺都采用了干泥返混，以避开污泥的胶粘相特性。但干泥返混在改善污泥的干化性能的同时，也使干化系统的实际处理能力下降，增加了建设投资和运行成本。
污泥低温碳化工艺中，由于是密闭系统，在细胞破裂过程中，污泥的含水率始终保持在80%左右不变，只是污泥的性状由粘稠的类似胶水状变为流动性较好的液态，故不存在粘胶相问题。污泥低温碳化的产物经过脱水后，含水率降至50%左右，如果再进行干化造粒，由于大部分细胞破裂，也不存在粘胶相问题。
3.3安全性分析
污泥干化系统关注的安全问题主要有粉尘爆炸、闷燃、燃烧等，其中最重要的是防止粉尘爆炸的发生。污泥干化过程中使污泥颗粒表面留下大量空洞和空隙，因而具有极高的比表面积，当污泥粉尘积聚到一定浓度，在助燃空气和点燃能量等条件具备的情况下，发生强烈氧化，释放出热量，热量使粉尘温度升高并发生燃烧，粉尘顷刻间完成燃烧，释放出大量的热能而发生爆炸。污泥干化中粉尘爆炸的风险可以通过降低粉尘浓度、消除潜在的点火源、干燥介质的惰性化和提高含湿量等手段进行控制。从全局的角度出发，所有涉及干化的内容、系统、设备都按照规范进行运行和操作，避免湿泥条件大幅波动、紧急停机、突然停电等事故的发生，是保证干化系统安全稳定运行的关键。
污泥低温碳化系统关注的安全问题主要是汽化和超压问题。由于污泥低温碳化系统的运行是在4~6Mpa的压力下运行，维持系统压力的稳定是关键。如果压
力出现波动，导致压力低于该点温度对应饱和蒸汽压的情况，则会使水发生汽化，体积迅速膨胀，导致安全事故的发生。如果背压、泄压系统出现故障，导致压力持续上升，则会出现系统压力高于系统中各设备的设计压力，造成超压，导致高压阀门、弯头等部位出现泄漏，从而导致喷溅、泄压、汽化等事故的发生。因此，保证污泥低温碳化系统压力稳定的关键是压力输出装置和背压装置的稳定运行。可以通过设置备用设备，完善自动控制系统及设置泄压装置等手段来保证系统的安全运行。
3.4附属产物的处理
无论是直接干化工艺还是间接干化工艺，无论是热对流还是热传导，均需要一定数量的工艺介质，包括空气、惰性气体、蒸汽等。这部分介质与污泥发生接触，起着携入热量和携出湿分的作用。只是热传导为主的系统，介质主要起使湿份离开系统的载体作用，需要的介质量小，而热对流系统需要依赖介质携带的热量来进行干燥，因此需要的介质量大。干燥介质在完成蒸发后，会有大量的粉尘混合在其中，为了保护循环介质的再加热设备，需要尽可能除去这些粉尘。通常采用湿法对介质进行冷却并除尘，冷却液相比普通的市政污水，其COD 、TN 等指标要高出一倍左右，对于周边有污水处理厂的干化设施，这些水可以直接回到污水处理厂的进口，而不会造成太大的影响，如果没有污水处理厂，则需要建立专门的污水处理站进行处理。所有的干化系统都要通过风机等设备抽取微负压，以消除干化过程中有机质热解产生的不可凝气体导致的臭气泄漏和粉尘爆炸事故的发生。这部分气体需要通过除臭装置或热源装置处理掉。
污泥低温碳化工艺中，污泥裂解后，通过机械脱水将污泥含水率由80%降至50%，在得到脱水泥饼的同时，会产生大量的脱水滤出液。这部分滤出液具有非常高的BOD 浓度，对于周边有污水处理厂的碳化设施，可以回流到污水处理厂补充碳源，利于污水处理厂总氮的去除。如果没有污水处理厂，也需要建立专门的污水处理站进行处理。此外，污泥裂解液脱水过程中还容易造成臭气泄漏，污泥裂解产物的储存装置也会有大量的臭气溢出，需要收集后通过除臭装置去除。
4. 发展趋势
污泥干化工艺发展到今天，已经相当成熟，并在国内外有很多成功的案例，现主要处在系统优化和提高稳定性上。而污泥低温碳化工艺则属于新兴工艺，只在美国有一个处理规模675吨湿泥/天的工程实例，和国内一个100吨湿泥/天的示范工程。但随着污泥低温碳化工艺的不断完善和发展，由于其运行成本的显著优势，必将得到更广泛的关注和应用。
参考文献
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[9]荀锐, 王伟等. 水热改性污泥的水分分布特征与脱水性能研究. 环境科学.2009.30(3):851-856
作者简介：
史英君，男，1980年生人，2006年毕业于哈尔滨工业大学市政环境工程学院环境工程与科学系，硕士学历。2006年参加工作，现供职于天津机电进出口有限公司环保成套事业部，主要从事污水处理和污泥处置的技术工作。
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