污泥低温碳化与干化工艺的对比研究

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
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。
速固 水
率体分
时间
表面 水分
开始
间隙 水分
自由水分
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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⋅℃)：
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。
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。
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。
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
干
结 合
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⋅℃)：
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：
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。
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 2260ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱJ/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⋅℃)：