SlurryCardTM污泥碳化工藝

　　1 什么是污泥碳化

　　市政污泥中含有可燃物質，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菌，可燃物質量更大。根據上海、天津等地的污泥發熱量試驗，中國市政污泥中的發熱量約為2200－3300大卡/噸干物質。其中消化后的污泥發熱量較低，一般僅為未消化污泥的70％左右。夏季污泥的發熱量比冬季低。

　　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的過程。污泥碳化的優勢在于，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，剩余產物中的碳含量高，發熱量大，而其它工藝大多數是通過加熱，蒸發的方式去除污泥中的水分，耗能大，灰分中的碳質低，利用價值小。

　　1.2 污泥碳化的發展世界上污泥碳化技術的發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理的研究上。這個階段一個突出特點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的。

　　（2）小規模生產試驗階段（1990－2000年）。

　　隨著污泥碳化理論研究的深入和實驗室試驗的成功，人們開始思考將污泥碳化技術轉變成為真正商業化污泥處理的裝置。在大規模商業化之前，為了減少投資風險，需要對該技術進行小規模生產性試驗（Pilot Trial）。通過這些試驗，污泥碳化技術開始從實驗室走向工廠。這期間設計和制造了許多專用設備，解決了大量實際工廠化的技術問題。這個階段的特點如下：

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

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

　　（3）大規模的商業推廣階段（2000－）。

　　除了污泥碳化技術逐漸成熟的因素以外，導致污泥碳化技術大規模商業推廣還有其他因素。

　　在日本，80％的污泥的最終處置方法是焚燒。但由于近年來發現焚燒存在二惡英污染的隱患，所以日本環保部門對焚燒排除的氣體提出了更加嚴格的要求，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，日本已經有多家公司生產和銷售碳化裝置。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展覽會上，日本日環特殊株式會社甚至推出了標準的污泥碳化減量車。該車可以隨時到任何有污泥的場所對污泥進行碳化。這些發展表明，碳化技術已趨于成熟。同時可以查看中國污水處理工程網更多技術文檔。

　　在美國，很多州的污泥過去都采用填埋。由于發現污泥中包含的有害物質對地下水的污染，未處理污泥填埋后造成填埋場對環境的危害，美國EPA頒布了新的填埋標準。過去的未達標的污泥（Class B污泥）將不再允許填埋，只有達標污泥（Class A污泥）才允許填埋。這項標準的頒布，使得現有的污水處理廠只有投入巨大的污泥處置成本，才能對其污泥進行處置。另外，現有的填埋場已經接近飽和，開辟新的填埋廠越來越困難。為了達到EPA新的污泥處置標準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）的政府內都建立了專門的污泥處置研究機構，對可能的解決方案進行可行性研究。在研究了一些傳統的污泥處置方案（如焚燒，堆肥，干化）的同時，新的污泥碳化技術開始進入了政府的考慮范圍，例如在南加州大洛杉磯地區，經過近2年的考察、比較，已經決定要建立一個每天處理675噸污泥的碳化廠，由能源技術公司（Enertech Environmental Co.）建設、運行。

　　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）。技術上較為成熟的公司包括日本的荏原，三菱重工，巴工業以及美國的IES等。該技術可以實現污泥的減量化和資源化，但由于其技術復雜，運行成本高，產品中的熱值含量低，目前尚未有大規模的應用。最大規模的為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％，然后進入炭化爐分解。工藝中產生油，反應水（蒸汽冷凝水），沼氣（未冷凝的空氣）和固體碳化物。該技術的代表為澳大利亞ESI公司。該公司在澳州建設了一座100噸/日的處理廠。該技術可以實現污泥的減量化和資源化，但由于污泥最終的產物過于多樣化，利用十分困難。另外，該技術是在干化后對污泥實行碳化，其經濟效益不明顯，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，脫水后的含水率達50％以下，經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）。

　　該技術的特點是，通過加溫加壓使得污泥中的生物質全部裂解，僅通過機械方法即可將污泥中75％的水分脫除，極大地節省了運行中的能源消耗。污泥全部裂解保證了污泥的徹底穩定。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造了條件。

　　注：該分類為傳統意義上的分類，主要區別在于溫度控制范圍的不同以及是否增加壓強。

　　1.4污泥低溫碳化技術的廠家:

　　（1）EnerTech（能源技術）：

　　該公司1992年成立，技術名稱為SlurrycarbTM，該工藝是連續式的。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℃）。熱化分解反應時，污泥中的有機物被分解，二氧化碳氣從固體中被分離。

　　1999年8月美國能源部（DOE）撥款50萬美元，支持能源技術公司的污泥碳化技術開發，制造碳化中試裝置PDU（Process Development Unit）；2001年1月，能源技術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開發出在太空倉轉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140噸干的碳化顆粒。該工廠已經于2006年4月在Rialto破土動工，加州共有5個地區向該廠提供污泥，已經全部與Enertech簽署了協議書。該廠已經于2009年初完工投產。該廠生產的碳化物全部銷售給據該廠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，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分鐘的反應時間，有兩個并行的壓力活塞和反應罐，這樣可以使整個工藝連續。處理后的污泥經過壓力釋放系統，然后用離心方式脫水至50％的含固率。這個工藝產生的碳化物與EnerTech的產生的碳化物相同。該公司曾在美國加州Colton污水處理廠做了一個試驗廠，目前沒有推廣的報導。

　　1.5   SlurryCarbTM 碳化工藝流程

　　Step 1: 污泥預處理，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。

　　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，在高溫高壓狀態下，污泥被裂解成液態。

　　Step 5: 冷凝/熱交換，將加熱的污泥水冷卻，能量經熱交換器回收。

　　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，使用膜過濾技術處理后的水返回污水處理廠。

　　Step 8: 干化，造粒，根據用戶需要可以對碳化物進一步干化造粒，或保持原狀。

　　1.6污泥碳化的主要參數

　　進泥含水率：  80%左右（干物質20，水80）

　　碳化物含水率：   50％以下（干物質20，水20）

　　實際脫水：  75％以上 (80－20）

　　反應時間：  12分鐘

　　反應溫度：  <300℃

　　反應壓力：  <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：

　　膜生物反應器（MBR），達到國家污水排放標準。

　　蒸發氣處理：

　　廢氣燃燒＋旋風、過濾器，達到國家廢氣排放標準。

　　1.7SlurryCarbTM 碳化工藝質量平衡

　　1.8SlurryCarbTM 碳化工藝能耗（與干化比較）

　　（1）理論基礎

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

　　標準大氣壓下，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公斤水在其沸點蒸發所需要的熱量為40.8千焦/摩爾，相當于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

　　假設污泥中干物質的比熱與水相同，則0.25公斤干物質從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進行能量回收（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。

　　假設污泥中干物質的比熱與水相同，將0.25公斤干物質從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，不考慮干物質減量，其總量為0.5公斤，用干化方法蒸發，需要能量應為：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％，節省能源約46％。

　　2. SlurryCarbTM工藝的投資

　　在美國，建設一座處理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，設備、安裝和技術使用費等。其中直接費（設備，土建）為4000萬美元，工程費為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。

　　按同樣的水平和數量，如果在中國建設，直接費約2000萬美元，工程費約380萬美元，資金費用約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采用了大量的常規設備，總造價比干化設備的投資要小很多。目前，即使在美國，SlurryCarbTM也是處于起步階段，技術使用費，設計費等相對收取的較高，一旦批量推廣，整體造價還會大幅度降低。

　　3. SlurryCarbTM工藝運行成本估算

　　3.1計算依據

　　通常 1000立方米天然氣的價格與1噸原油的價格相當。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為2.85元人民幣。目前，天津地區天然氣的售價為2.40元人民幣（2006年3月1日起實行）。

　　計算的基本依據： 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 75％）

　　煤炭的熱效率一般按50％（最高可達60％）

　　1度電＝860 大卡

　　1kg 標準煤＝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污泥碳化的運行成本

　　（1）Enertech計算的運行成本（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

　　假設污泥中的含水率為80％，當含水率降至50％時，75％的水分已經被機械脫出，1噸污泥中只有200公斤的水需要氣化。

　　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。按當前天然氣價格計算為84.24元人民幣。污水處理費根據實際濾出水BOD和COD的值約為12－20元人民幣不等。電費和藥劑費等15元人民幣/噸左右。 人工費5元/噸左右。

　　每噸污泥生產的碳化物為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項目中的計算得出的。

　　（2）中國計算運行成本（按照碳化物自行利用后填埋計算）

　　在中國項目中，碳化物的銷售前景不能確定，另外，中國目前絕大多數地區允許填埋，應該考慮自行利用。

　　1公斤炭化物（消化后污泥的碳化物）在美國，相當于1/3立方米的天然氣。在中國，只能相當于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，剩余渣的填埋費和運輸費約10元左右。

　　按中國實際的情況，污泥碳化的成本可以進一步減少為：

　　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

　　以設備折舊20年計算，每噸濕污泥需要考慮折舊費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，通過污泥干混，最大可節省20％的能量，即需要68立方米天然氣。按當前天然氣價格計算為163.20元人民幣。

　　電費和藥劑費等15元人民幣/噸左右。

　　人工費5元/噸左右。

　　每噸污泥生產的干化物為140公斤，全部填埋（按每立方米填埋費50元，運費10元計算），折合人民幣8.4元。

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

　　建設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，以設備折舊20年計算，每噸濕污泥需要考慮折舊費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＋焚燒實際上就是將污泥中原有的熱值全部利用，產生的熱值直接提供給干化系統使用，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中可以減少67.2元人民幣的運行費用，即：

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

　　建設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炭化產品的銷售

　　在美國，目前SlurryCarbTM生產出來的炭化物的售價為10美元/噸，每噸污泥能生產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生產出來的炭化物的燃值與褐煤相當，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，這與炭化物剛剛進入市場有關。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。也許有人認為，以運行成本180元/噸濕泥得出20－28元的產品收益并不明顯，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。(來源：谷騰水網)