热解气化

3.2 热解气化处理技术

废水污泥在热解气化过程中将经历一系列的物理和化学变化，在缺氧性、有蒸汽参与的还原性气氛条件下污泥将发生一系列化学反应（如表4所示）。

表4: 污泥在热解气化过程中的主要化学反应

化学反应式

处理过程中的热行为

C（燃料中的碳）+ O2 →CO2 + 热量

放热

C + H2O（蒸汽）→CO + H2

吸热

C + CO2 →2CO

吸热

C + 2H2 →CH4

放热

CO + H2O →CO2 + H2

放热

CO + 3H2 →CH4 + H2O

放热

污泥的热解过程可分为三个阶段：一，干燥期；二，热解期；三，需热（气化反应）期。在干燥阶段，污泥中的水分以蒸汽形态脱离污泥相，根据所采用的热解气化装置类型的不同，在干燥阶段干污泥的产率从85%到93%（占绝干污泥的比率）不等（资料来源：Furness and Hoggett, 2000），干燥阶段的操作温度约为150℃（302℉）；污泥干燥完成后，其温度即被提高到400℃（752℉），进入到热解反应阶段；在最后一个阶段，热解产生的可冷凝气相产物和不凝性气相产物以及热解焦产物发生气化反应（需热阶段），热解产物被氧化、然后再被还原，并被转化为焦渣块、蒸汽、焦油及气体产物。污泥的氧化反应剂为二次送入炉中的、经过化学式量计算并计量过的氧气。在气化阶段，炉膛的操作温度范围在800到1400℃（1472至2552℉）之间，为了维持气化反应所需的温度，需补充

加入煤炭或石油焦做为辅助燃料。

需热期之后，从炉中引出的高温合成原料气体可采用水、泥浆和/或冷的循环合成气进行急冷降温处理，在进行除尘处理之前也许还需要对合成原料气再进行一次冷却处理，此时可采用热交换器（安装于合成气冷却装置系统内）。当采用水喷淋法除尘方式时，颗粒物被水捕集，然后对含尘水进行过滤处理；也可以采用干式滤尘器或热气体过滤器来除去合成气中的颗粒物。合成气在被冷却的过程中，若温度降到水的露点以下时，合成气中的水分即会发生凝结；洗涤器和合成气冷却装置中排出的水中肯定含有一定量的可溶性气体成分（如氨、氰氢酸、氯化氢、硫化氢等）。此时的合成气是否还需要进一步精制处理则取决于其最终的用途，但不论最终用途如何，通常都会对其进行脱除硫化物（主要为硫化氢）处理并回收可进行市售的商品级高纯硫产品。从合成气冷却和净化处理装置中排出的水经过脱除固体颗粒物处理之后，一般被输送回热解气化炉或洗气器中循环使用；循环使用时，必须对其中一定比例的水流进行净化脱盐处理以避免水中可溶性盐类的累积，脱盐处理后的水可继续循环使用，也可将其中的一部分排放到常规污水处理装置。合成气冷凝水还应当采取蒸馏法来脱除其中的氨、二氧化碳和硫化氢成分。污泥热解气化的三个阶段均在同一台气化反应器中进行，反应器的运行工艺参数变化范围则与其型式有关。

最为常用的气化装置有固定床反应器、流化床反应器和循环（移动）床反应器三种类型。固定床和流化床气化装置通常设置有耐火材料内衬或水冷壁以防止高温对反应腔室的损害，这两类气化装置常采用旋转式或固定式炉排设计。移动床气化装置不常见，一般采取在金属材质的反应腔室中设置间接加热系统的方式来确保反应的温度。近年来新开发的废水污泥热解气化工艺中，最引人关注的是“Lurgi -Rhurgas工艺”，这是一种基于循环流化床技术的新工艺，该技术系采取强化污泥颗粒与循环流态化热媒之间的接触几率，从而使产出的合成气热值高达23MJ/m3。

与废水污泥热解气化装置污染物排放方面有关的数据非常少，这可能与污染物排放情况变化多端、难以获得稳定数据有关。对污泥热解气化过程污染物排放情况有重要影响的因素有：装置类型、污泥特性、操作工艺条件（温度及压力）、以及气相氛围操作条件等。法律规定必须大幅降低排量的废水污泥热处理过程的

气相污染物种类有二恶英、呋喃、汞和其它的重金属、氮氧化物、氧化二氮、一氧化碳等。目前被广泛关注的则是处理后的灰渣，其中可能仍然含有高浓度的重金属成分。尽管从某些热解气化装置系统中排出的气体产物中可检测出的有机物（如苯、甲苯、萘、苊等）浓度极低，但是当这些气体产物被用作民用燃料、或用作燃气透平的燃料时，上述有机污染物以及其它的有害性有机污染物则应降低到“检不出”的水平，或者数个ppb的浓度水平（检测位置在烟囱排放口）。热解气化过程中，为维持反应温度而加入的补充燃料不会增加二氧化碳的排放浓度，反而有利于增加可燃气体的产量。

4. 污泥热解气化工艺与焚烧处理工艺的对比

采用热解气化技术和焚烧技术均可以使废水污泥转化为结构简单且无害的副产品，但转化反应机理及副产品的性质则有显著的差异，并使得这两种技术在环保和经济层面被划分为不同的类别。从环保和经济领域的目录编辑信息资料来看，污泥的热解气化技术和焚烧处理技术的差异主要有四个方面：（1）污泥的预处理及喂料技术；（2）操作技术；（3）气体净化处理技术；（4）副产品处置技术。

上述两种污泥处理工艺均要求对污泥原料进行包括干燥步骤在内的预处理，去除污泥中的水分。当采用流化床炉对污泥进行焚烧处理时，可以加入半干化的污泥原料。热解气化工艺和焚烧处理工艺在副产物的利用和处理技术方面有明显差异：熔渣块是热解气化装置主要的固态副产物，其产率与原料污泥中矿物质成分的含量直接相关；焚烧处理装置的固态副产物被普遍用作垃圾填埋场的覆土，但如前文所述，污泥焚烧过程产生的灰渣的毒性已开始引起日益增强的关注度。

根据两种技术的差异点，可以明显获得其优缺点方面的对比信息。表6给出的是两种技术的详细优缺点对比信息。

在“削减污泥的重量和体积”方面、以及在“不需要占用土地进行最终产品的填埋处理”方面，两种技术具有同等优势；但由于合成气的用途广泛，而热解气化处理技术可生产大量的合成气产品，这使得该处理技术极具吸引力。与热解气化技术相比，焚烧技术的缺点在于气相污染物的治理费用很高。热解气化技术的另一个显著优势在于它不仅能达到现有的污染物排放标准要求，而且可能还会满足未来将推出的新的、更加严格的污染物排放标准；与此相反，焚烧处理技术

则可能需要更多的投资才能满足未来的、更加严厉的排放法规要求。

尽管热解气化技术已不属于新的技术类型，但焚烧处理技术为人所熟知则已经有相当长的历史了，（与之相比，热解气化技术用于污泥处理过程尚属新开发的工艺技术范畴）。曾有几位学者对污泥热解气化过程进行过专业研究（Fytili and Zabaniotou, 2006），但为了获得理想的、可用于燃气发电和/或其它用途的合成气产品，尚需对污泥的热解气化技术进行更多的基础性研究。曾有几篇文献提及将废水污泥用作热解气化的原料，但这些文献提及的都是将废水污泥与生物质原料（如木质原料、生活垃圾等）混合后进行热解气化的方法。

5. 结束语

污泥是废水在一级、二级和三级处理过程中产生的残余物，长期以来，对废水污泥进行高温热处理的技术被视为污泥的终极解决方式。对高温热处理技术来说，影响应用效果的主要因素是废水污泥的能量（热量）含量或称热值，所以废水污泥的这一性能指标被做为首要的考察因素来评估其对热处理技术的适用性。

对两种热处理污泥的技术进行了比较，以评价它们的不同之处、优点及缺点。焚烧处理技术是一种在封闭结构中对废水污泥进行高温燃烧处理的技术方法，适用于没有空余土地对污泥进行填埋处置的城区；新型焚烧处理装置系统设置了污泥燃烧热能的回收系统，可将回收热能而产生的热水进一步转化为蒸汽，并驱动透平装置进行发电；但这种装置系统的运行及维护费用相当高昂，原因在于必须为焚烧装置配备必要的气相污染物排放控制系统。与焚烧处理技术相比，另一种污泥的高温热处理技术----热解气化处理技术具有更多的优点，最重要的优势在于这种技术可采用污泥做原料来制造合成燃气，合成气可用来替代天然气驱动燃气透平进行发电。成本研究结果表明热解气化污泥处理技术是低耗能的污泥处置技术之一（尽管在设置启动阶段仍须供入必要的能量）；另外，研究还表明，这种污泥处理技术排放的二恶英、呋喃、汞及其它重金属、氮氧化物、氧化二氮和一氧化碳等气相污染物要明显少于焚烧处理技术。

热解气化技术和焚烧处理技术均能将废水污泥转化成结构简单、无毒无害的副产物，但前者除了能将污泥转化为不再具有沥滤性、低体积量的、易于进行后继处置或可重新利用的干燥残渣之外，还可同时在低污染排放的前提条件下获得热能产品并通过污泥的还原反应制造出有利用价值的燃气产品。此外，热解气化

处理技术还是一种能够满足现行的、以及未来将推出的、更加严厉的污泥处置和管理法规的技术方法。为了将废水污泥转化为更加适用于电力生产的合成燃气或其它产品，尚需对热解气化技术进行深入的基础性研究。