污泥碳化技術(shù)發(fā)展報(bào)告
導(dǎo) 讀
污泥碳化技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展的污水廠污泥熱化學(xué)處理的方法之一。為促進(jìn)污泥碳化技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，由北控水務(wù)杭世珺工作室牽頭、聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)和武漢普樂(lè)環(huán)境技術(shù)有限公司，依托國(guó)家污泥處理處置產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，設(shè)立了污泥碳化技術(shù)的宏觀研究課題，開(kāi)展污泥碳化技術(shù)發(fā)展、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等方面的研究。
課題負(fù)責(zé)人：戴曉虎 杭世珺
技術(shù)負(fù)責(zé)人：羅臻 陳德珍
課題組成員：陳云 關(guān)春雨 許文波 楊東海 劉志剛 羅弘熙 楊海 余斌
報(bào)告分污泥碳化技術(shù)發(fā)展背景、技術(shù)與設(shè)備、國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展、相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)、總結(jié)與展望六個(gè)章節(jié)，內(nèi)容非常詳實(shí)豐富，共分為三期推送，本期為前兩章。
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的提升，污水產(chǎn)生和處理量日益增加，我國(guó)污水處理規(guī)模已經(jīng)躍居世界首位。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部最新數(shù)據(jù)，截止到2020年，我國(guó)已建成城鎮(zhèn)污水處理廠4326座，污水處理量達(dá)到2.2億立方米/日，由此產(chǎn)生的污泥量已突破6500萬(wàn)噸/年（以含水率80%計(jì)）。污泥作為污水處理的過(guò)程產(chǎn)物，濃縮匯集了污水中的30%~50%污染物，具有“污染”和“資源”的雙重屬性，污泥的安全處理處置與資源化一直是污水處理領(lǐng)域的國(guó)際研究熱點(diǎn)。由于我國(guó)污泥處理起步較晚，長(zhǎng)期以來(lái)以填埋處置方式為主，造成嚴(yán)重的二次污染和資源浪費(fèi)。污泥處理處置是我國(guó)水污染防治中面臨的重大瓶頸問(wèn)題，也是我國(guó)污水處理的短板之一。
近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)污泥問(wèn)題的重視，投入了大量的資金及研發(fā)力量，在生物穩(wěn)定、脫水減量、熱化學(xué)處理處置等方面突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)與重大裝備，相關(guān)國(guó)家政策相繼發(fā)布，逐步明確了污泥處理的要求和目標(biāo)，污泥處理處置行業(yè)快速發(fā)展。目前，常用的處置方式主要包括土地利用、建材利用、衛(wèi)生填埋等，相應(yīng)的處理技術(shù)主要包括污泥厭氧消化、好氧發(fā)酵、干化焚燒、深度脫水等，逐漸呈現(xiàn)多元化的處理處置方式。
污泥碳化技術(shù)是上世紀(jì)90年代在日本和歐美發(fā)展而來(lái)的污泥處理新技術(shù)，2008年以后中國(guó)也逐步開(kāi)展了污泥碳化的技術(shù)研究和工程應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外工程應(yīng)用的結(jié)果表明，和傳統(tǒng)的堆肥、焚燒等污泥處理技術(shù)相比，污泥碳化在能源有效利用、資源化、溫室氣體減排等方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。因此，污泥碳化技術(shù)逐漸成為國(guó)際上污泥處理的研究熱點(diǎn)和新的發(fā)展方向。
污泥碳化技術(shù)雖然在中國(guó)已有十幾年的發(fā)展，但依然未能得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。為了更好地了解該技術(shù)的適用性和發(fā)展?jié)摿Γ狙芯繉募夹g(shù)、經(jīng)濟(jì)、工程和政策法規(guī)等方面對(duì)國(guó)內(nèi)外污泥碳化技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)回顧，以期為我國(guó)污泥碳化技術(shù)的發(fā)展提供參考和指導(dǎo)。
01污泥碳化技術(shù)發(fā)展背景
1.1 污泥碳化技術(shù)原理
污泥碳化是在無(wú)氧或缺氧條件下進(jìn)行熱解處理，以獲得含碳固體產(chǎn)物為主要目標(biāo)產(chǎn)物的污泥穩(wěn)定化過(guò)程。有機(jī)物在碳化過(guò)程會(huì)發(fā)生分解，產(chǎn)物包括由低分子有機(jī)物、水蒸氣等組成的熱解氣、焦油、以及由固定碳和無(wú)機(jī)物為主的固體碳化物（日本、德國(guó)均將污泥碳化物歸類到生物炭（Biochar）（圖1）。由于水分的蒸發(fā)和熱解氣體的揮發(fā)，逐漸形成表面和內(nèi)部孔隙發(fā)達(dá)、且富含固定碳的污泥碳化物（圖2）。污泥碳化物在生物、化學(xué)、物理等方面具有良好的穩(wěn)定性，在多個(gè)領(lǐng)域均有較好的資源化利用前景。
圖1 污泥碳化處理過(guò)程示意圖
圖2 污泥處理狀態(tài)與單位質(zhì)量熱值分布圖
1.2 技術(shù)發(fā)展背景歐美國(guó)家和日本在發(fā)展過(guò)程中都經(jīng)歷過(guò)污水廠污泥處理處置的環(huán)境問(wèn)題，對(duì)中國(guó)具有一定的借鑒意義。早期污泥處理處置方法簡(jiǎn)單，以填埋、投海為主，由此帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和公眾環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，各國(guó)政府對(duì)污泥處理處置的要求也逐步提高，并制定了相應(yīng)的法規(guī)。
以日本為例，污泥處理處置的主要方式經(jīng)歷如下變遷：
• 上世紀(jì)60年代以前：自然干化、直接填埋；
• 60年代：脫水、衛(wèi)生填埋；
• 70年代：堆肥、土地利用；
• 80年代：開(kāi)始焚燒，最大限度減量，焚燒灰填埋；
• 90年代：推廣厭氧消化，以回收污泥的能源；
• 90年代后期：提出污泥碳化技術(shù)方向，深度資源化利用。
目前，污泥焚燒仍然是日本污泥的主要處理方式，占70%以上，如圖3所示。
圖3 日本污泥處理處置現(xiàn)狀
在歐洲一些國(guó)家，如德國(guó)、荷蘭、瑞典、瑞士、奧地利等，焚燒也是污泥的主要處理方法，而部分國(guó)家則以污泥農(nóng)用為主要處置方式，如圖4所示。
圖4 歐洲污水廠污泥處置情況(Eurostat, 2015)
歐盟28國(guó)污泥處理處置的情況見(jiàn)表1。表1 歐盟28國(guó)污水廠污泥處置情況(2012–2015)
隨著環(huán)境管理政策的加強(qiáng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，到本世紀(jì)初，日本及歐美國(guó)家在污泥穩(wěn)定化、無(wú)害化處理方面已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，污泥處理處置技術(shù)發(fā)展水平已經(jīng)能夠滿足社會(huì)及環(huán)境的基本要求。隨著污泥熱化學(xué)處理技術(shù)的發(fā)展，日本和歐美國(guó)家率先提出了污泥碳化再利用的概念，以達(dá)到更好的減排和資源化利用的目標(biāo)。在這樣的需求驅(qū)動(dòng)下，污泥碳化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
1.2.1 日本碳化技術(shù)的發(fā)展
上世紀(jì)90年代末，隨著污水處理量的增加，日本市政污泥的產(chǎn)量也隨之增加，對(duì)污泥的處理處置方式提出了更高的要求。各種綜合因素促使日本開(kāi)始尋求開(kāi)發(fā)新的污泥處理處置技術(shù)，污泥碳化技術(shù)迎來(lái)發(fā)展機(jī)遇。本世紀(jì)初，污泥碳化技術(shù)在日本得到開(kāi)發(fā)應(yīng)用，主要驅(qū)動(dòng)力如下：
（1）土地及填埋場(chǎng)容量限制
廢棄物最終處置（包括焚燒灰）所涉及的填埋場(chǎng)新開(kāi)發(fā)用地難等因素，使得填埋場(chǎng)（包括焚燒灰填埋場(chǎng)）的剩余容量變得極為有限。
（2）溫室氣體減排
隨著《京都議定書(shū)》的簽訂和生效，溫室氣體減排需求日益突出，因此需要尋找污泥處理領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳減排的新路徑。
（3）消除二噁英污染隱患
焚燒是日本污泥的主要處理方式，而二噁英排放主要來(lái)自于廢棄物焚燒（包括污泥焚燒）和鋼鐵冶煉，因此，對(duì)污泥焚燒二噁英排放也開(kāi)始強(qiáng)制管理。實(shí)際上，80年代以來(lái)固體廢棄物（包括污泥）焚燒迅速發(fā)展所帶來(lái)的二噁英排放已成為大氣污染的重要隱患，亟需尋找二噁英排放量低的污泥處理技術(shù)。
（4）資源化利用的目標(biāo)
日本在污泥碳化資源化利用方面，關(guān)注的重點(diǎn)不是熱解氣而是碳化處理得到的污泥碳化物。其目標(biāo)是推進(jìn)污泥碳化物在燃料、土地利用、建材利用等各方面得到應(yīng)用。
1.2.2 歐洲碳化技術(shù)的發(fā)展
歐洲發(fā)展污泥碳化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于尋找比焚燒更清潔的處理技術(shù)以及對(duì)污泥中磷的有效回收利用。
早在上世紀(jì)90年代，德國(guó)投入了大量的科研力量，持續(xù)開(kāi)展污泥碳化方面的研究與工程示范。德國(guó)發(fā)展碳化技術(shù)的主要原因在于：
（1）污泥焚燒產(chǎn)生的復(fù)雜污染物處理難，環(huán)境健康效應(yīng)不明確。而污泥熱解技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)氣相產(chǎn)物燃燒，降低持久性污染物的排放；
（2）德國(guó)要求污泥焚燒后灰渣中磷回收率大于80%，但目前從污泥焚燒灰渣中提取磷經(jīng)濟(jì)性較差，而污泥碳化除了比焚燒過(guò)程更清潔之外，還能為污泥中磷資源的回收利用提供有利條件。
歐盟國(guó)家中德國(guó)的污泥產(chǎn)量最大，2015年為180萬(wàn)噸(干量)，占28個(gè)歐盟國(guó)家污泥產(chǎn)量的 20.4%。2017年10月修訂的“德國(guó)污泥條例”正式頒布，其重要的規(guī)定是：在規(guī)定的過(guò)渡期(12年或15年)之后，所有規(guī)模超過(guò)5萬(wàn)人口當(dāng)量的污水廠都必須從污泥或者污泥灰進(jìn)行磷回收，同時(shí)對(duì)今后過(guò)渡時(shí)期內(nèi)還進(jìn)行“土地利用”的污泥處置提出了更嚴(yán)格的要求。因此，必須找到有效的污泥磷回收技術(shù)。
磷可以從污泥中直接回收（要求回收率不得低于50%）或者在污泥熱處理（如焚燒）后回收。如果在污泥焚燒后回收灰渣中的磷, 要求回收率大于80%。目前從污泥焚燒灰渣中回收磷成本要高于從磷礦石中提取磷，所以從污泥焚燒灰渣中提取磷經(jīng)濟(jì)性較差。而污泥碳化物中的含磷水平明顯高于歐盟對(duì)于磷肥中含磷水平的規(guī)定，且含有N、 K、 Ca 等營(yíng)養(yǎng)元素，并具有多孔、吸附性等特征，可以用作肥料或者土壤改良劑。同時(shí)碳化對(duì)污泥重金屬具有一定的穩(wěn)定固化作用，有利于降低后續(xù)利用過(guò)程的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
此外，歐洲已經(jīng)頒布生物炭的標(biāo)準(zhǔn)。The European Biochar Certifcate (EBC)是歐洲和瑞士生物炭的推薦性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（Voluntary industry standard），它規(guī)定了生物炭的含碳量必須超過(guò)50%，含碳量小于50%的含碳固體被認(rèn)為是熱解含碳材料(PCM)。
1.2.3 中國(guó)碳化技術(shù)的發(fā)展
中國(guó)污泥碳化技術(shù)的出現(xiàn)，源于中國(guó)企業(yè)對(duì)于國(guó)外技術(shù)的引進(jìn)，在引進(jìn)之初并沒(méi)有明確的社會(huì)發(fā)展政策導(dǎo)向、行業(yè)技術(shù)政策導(dǎo)向或明確的資源化利用目標(biāo)的驅(qū)使。2006-2008年，湖北博實(shí)城鄉(xiāng)環(huán)境能源工程公司從日本引入污泥碳化技術(shù)；同期，密西西比國(guó)際水務(wù)(中國(guó))公司從美國(guó)引入污泥碳化技術(shù)。但由于缺乏技術(shù)發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)，中國(guó)污泥碳化技術(shù)發(fā)展較為緩慢。
02污泥碳化技術(shù)與設(shè)備
污泥碳化技術(shù)最早來(lái)源于生物質(zhì)熱解碳化。世界范圍內(nèi)，日本污泥碳化技術(shù)發(fā)展較快，已得到了較多的工程應(yīng)用，目前最大的污泥碳化裝置處理能力為150噸/日。
2.1 污泥碳化技術(shù)
2.1.1污泥碳化系統(tǒng)組成
污泥碳化工藝主要由污泥干化、污泥碳化、尾氣處理和能源回收利用等單元組成。其中，干化是碳化的預(yù)處理單元，碳化是核心單元。
由于污泥干化過(guò)程會(huì)釋放臭氣，同時(shí)在熱解過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生多種氣體成分，因此，尾氣處理單元不可或缺。尾氣處理技術(shù)措施與污泥的組成性質(zhì)以及整個(gè)系統(tǒng)過(guò)程的技術(shù)參數(shù)密切相關(guān)。能源回收系統(tǒng)是降低系統(tǒng)能耗的保障。在日本的實(shí)際工程中，能源回收和尾氣處理兩個(gè)部分的設(shè)備投資占到設(shè)備總投資的30%-40%。
2.1.2 污泥碳化反應(yīng)條件
污泥碳化是采用熱解的方法處理污泥。在以下四個(gè)條件同時(shí)具備的情況下，碳化過(guò)程才能發(fā)生或技術(shù)可行：
（1）有機(jī)物含量
污泥碳化的熱解反應(yīng)對(duì)象是污泥中有機(jī)物，有機(jī)物含量會(huì)直接影響污泥碳化過(guò)程能耗水平、碳化物成分等。日本市政污泥的有機(jī)物含量通常達(dá)到70%-85%，而目前中國(guó)市政污泥的有機(jī)物含量通常只有40%-60%。當(dāng)污泥有機(jī)物含量過(guò)低時(shí)，污泥碳化過(guò)程經(jīng)濟(jì)性較差，且污泥碳化物可利用性差，不宜采用碳化工藝進(jìn)行處理。
（2）絕氧（或缺氧）環(huán)境
有機(jī)物的熱解反應(yīng)只有在絕氧（或缺氧）的條件下才會(huì)發(fā)生。
（3）熱解反應(yīng)溫度
污泥有機(jī)物受熱達(dá)到一定的溫度之后，熱解反應(yīng)才開(kāi)始發(fā)生。熱解所需要的溫度通常根據(jù)污泥有機(jī)物含量、成分以及資源化利用途徑而確定。通常污泥熱解的溫度范圍為250-700°C。
2010年日本下水道新技術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)發(fā)布的《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術(shù)手冊(cè)》提出污泥碳化過(guò)程發(fā)生的基本溫度為250℃（污泥顆粒應(yīng)達(dá)到的溫度）。同時(shí)提出，當(dāng)脫水污泥的熱值高、有足夠熱值殘留在碳化污泥中時(shí)，碳化溫度設(shè)為500℃，促進(jìn)裂解氣生成以降低碳化過(guò)程運(yùn)營(yíng)成本。當(dāng)脫水污泥熱值低、沒(méi)有足夠熱值殘留在碳化污泥中時(shí)，碳化溫度控制在500℃以下，以盡量將熱值保留在碳化污泥中。
（4）足夠的反應(yīng)停留時(shí)間
污泥碳化處理反應(yīng)停留時(shí)間，需根據(jù)污泥有機(jī)物含量、揮發(fā)份特性以及熱解溫度等確定。在相同的碳化溫度條件下，如果保持碳化物中碳、氫、氧等元素的最終殘留率一致，污泥有機(jī)物含量越高，所需要的熱解反應(yīng)停留時(shí)間越長(zhǎng)。
2.1.3 污泥碳化工藝分類
1、按資源化產(chǎn)物分類
污泥碳化過(guò)程以獲得含碳固體產(chǎn)物為主要目的。根據(jù)污泥碳化的資源化產(chǎn)物種類，可將污泥碳化工藝分為污泥碳化基礎(chǔ)工藝和污泥碳化產(chǎn)油（氣）工藝。
（1）污泥碳化基礎(chǔ)工藝
污泥碳化基礎(chǔ)工藝是以污泥碳化物為唯一產(chǎn)物，是污泥碳化技術(shù)工程應(yīng)用的主流工藝。碳化過(guò)程中產(chǎn)生的干餾氣被燃燒利用釋放熱量，以減少整個(gè)過(guò)程的能量補(bǔ)充，達(dá)到節(jié)約能源的目的。
基礎(chǔ)工藝通常由污泥干化、污泥碳化、尾氣處理等主要單元組成，如圖5所示。
圖5 污泥碳化基礎(chǔ)工藝
（2）污泥碳化產(chǎn)油（氣）工藝污泥碳化產(chǎn)油（氣）工藝是污泥碳化基礎(chǔ)工藝的衍生工藝，過(guò)程的目標(biāo)產(chǎn)物包括污泥碳化物和油（氣）兩種可回收利用的產(chǎn)物。衍生工藝是通過(guò)對(duì)污泥的熱解碳化處理，最大限度回收污泥中可資源化利用的物質(zhì)，而達(dá)到這個(gè)目標(biāo)的首要條件是污泥的有機(jī)物含量足夠高。目前，污泥碳化衍生工藝應(yīng)用的案例很少，但是未來(lái)的發(fā)展方向之一。
污泥碳化產(chǎn)油（氣）工藝通常由污泥干化、污泥碳化、尾氣處理、油（氣）改質(zhì)等主要單元組成，如圖6所示。
圖6 污泥碳化衍生工藝
2、按碳化處理過(guò)程溫度分類根據(jù)碳化的操作溫度，將污泥碳化技術(shù)劃分為低溫、中溫和高溫碳化，如圖7所示。
圖7 不同溫度范圍污泥碳化分類
該分類主要是基于碳化物資源化利用方向的差別：（1）高溫碳化的產(chǎn)物主要應(yīng)用于土壤改良、建材利用等方面，為了資源化利用的安全，污泥必須得到最大限度的穩(wěn)定化和無(wú)害化，因此采用高溫的熱解條件；
（2）低溫、中溫碳化產(chǎn)物主要的資源化利用方向?yàn)槿剂匣�，將碳化物作為替代煤的輔助燃料。在保證污泥碳化物的性質(zhì)得到基本穩(wěn)定的前提下，盡量保存碳化物熱值，因此采用低溫、中溫的熱解條件，保留一部分揮發(fā)分。
2.2 污泥碳化設(shè)備
污泥碳化爐（反應(yīng)器）主要包括以下幾種形式：
外加熱螺旋推進(jìn)碳化爐、直接加熱螺旋推進(jìn)碳化爐、外加熱回轉(zhuǎn)窯碳化爐、直接加熱回轉(zhuǎn)窯碳化爐和多膛爐。
2.2.1 外加熱螺旋推進(jìn)碳化爐
采用間接加熱和螺旋驅(qū)動(dòng)物料前進(jìn)的管式熱解爐，裂解產(chǎn)生的揮發(fā)份在裂解管上開(kāi)口噴出后立即燃燒，高溫?zé)煔獬峤饽芎耐膺�能干燥污泥。
該類碳化爐能適用于高溫、中溫和低溫碳化，代表性公司為日本巴工業(yè)株式會(huì)社（TOMOE）。其系統(tǒng)概念和工藝如圖8和圖9所示。
圖8 日本TOMOE外加熱螺旋推進(jìn)碳化爐
圖9 日本TOMOE高溫碳化系統(tǒng)
德國(guó)ELIQUO STULZ公司提供的Pyreg®碳化工藝也采用了外熱螺旋推進(jìn)碳化反應(yīng)器，如圖10所示。
圖10 PYREC®污泥熱解工藝
2.2.2 直接加熱螺旋推進(jìn)碳化反應(yīng)器該類設(shè)備采用導(dǎo)電螺旋直接加熱污泥，使污泥產(chǎn)生熱解反應(yīng)。
該類設(shè)備的代表公司是法國(guó)的ETIA，其下屬公司BIOGREEN®開(kāi)發(fā)了Spirajoule®碳化工藝，該設(shè)備的核心部件是由焦耳效應(yīng)電加熱的無(wú)軸螺旋。原理上該技術(shù)可用于有機(jī)廢棄物的碳化、熱解或氣化，產(chǎn)生碳化物、油和氣。其反應(yīng)器及系統(tǒng)如圖11、圖12所示。
目前，尚未見(jiàn)該技術(shù)在污泥碳化工程應(yīng)用方面的報(bào)道。
圖11 Spirajoule®反應(yīng)器
圖12 Spirajoule®碳化系統(tǒng)
2.2.3 外加熱回轉(zhuǎn)窯碳化爐該類設(shè)備的主體為回轉(zhuǎn)窯，外部設(shè)有利用高溫?zé)煔庾鳛榧訜峤橘|(zhì)的夾套。該類設(shè)備通常用于低溫或中溫碳化，當(dāng)用于高溫碳化時(shí)，只能應(yīng)對(duì)小規(guī)模的處理。
該類設(shè)備的代表性公司為日本月島機(jī)械、三菱重工，主要在日本污泥碳化燃料化工程中得到應(yīng)用。其設(shè)備及工藝如圖13、圖14所示。
圖13 TSK碳化爐
圖14 外熱回轉(zhuǎn)窯污泥碳化系統(tǒng)
2.2.4 直接加熱回轉(zhuǎn)（窯）碳化爐直接加熱回轉(zhuǎn)（窯）碳化爐是從回轉(zhuǎn)焚燒爐發(fā)展而來(lái)的。通過(guò)控制供氧使部分揮發(fā)分燃燒，直接給污泥提供碳化過(guò)程所需的熱量，達(dá)到污泥碳化的目標(biāo)。該類設(shè)備的代表性公司是日本臟器制藥株式會(huì)社，其設(shè)備及工藝如圖15、圖16所示。
圖15 日本臟器制藥株式會(huì)社直接加熱回轉(zhuǎn)碳化爐
圖16 直接加熱回轉(zhuǎn)碳化系統(tǒng)
2.2.5 多膛爐
傳統(tǒng)的多膛爐主要用于廢棄物的熱解焚燒。通過(guò)改變反應(yīng)條件，多膛爐可以用于污泥碳化。污泥經(jīng)過(guò)預(yù)先干燥或者不干燥，從上部進(jìn)入逐層降落，在爐內(nèi)隔層裝有燃燒器對(duì)污泥進(jìn)行加熱實(shí)現(xiàn)碳化或者氣化�？刂乒┤氲娘L(fēng)量即可調(diào)整污泥碳化和氣化的程度。其設(shè)備形式及系統(tǒng)如圖17、圖18所示。
圖17 多膛爐結(jié)構(gòu)示意圖
圖18 TSK多膛爐碳化系統(tǒng)
03國(guó)外污泥碳化技術(shù)的發(fā)展歐美國(guó)家和日本自上世紀(jì)90年代便開(kāi)始了污泥碳化的工程應(yīng)用�？傮w來(lái)看，日本是污泥碳化工程應(yīng)用開(kāi)展最多的國(guó)家，歐美國(guó)家污泥碳化工程應(yīng)用相對(duì)較少，主要在污泥熱解焚燒方面應(yīng)用較多。
3.1 歐美污泥碳化技術(shù)及工程案例
3.1.1 涉及污泥碳化技術(shù)的公司
歐美國(guó)家參與污泥碳化技術(shù)開(kāi)發(fā)的公司包括：
（1）德國(guó)的KOPF AG公司在德國(guó)曼海姆市污水處理廠建設(shè)了德國(guó)首個(gè)污泥熱解碳化示范工程，項(xiàng)目處理規(guī)模為100t/d（80%含水率污泥），采用“污泥厭氧消化-脫水-干化-熱解碳化”處理工藝，其中產(chǎn)生的熱解氣進(jìn)入二燃室燃燒提供熱解干化所需要的能量。
（2）德國(guó)ELIQUO STULZ 公司研發(fā)了Pyreg® 污泥熱解技術(shù)，屬于高溫碳化。該技術(shù)通過(guò)污泥碳化的方式，達(dá)到污泥減量、穩(wěn)定的目標(biāo)，并從污泥中回收磷。
該污泥熱解工藝采用螺旋反應(yīng)器，熱解氣燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓ǹ蛇_(dá)1250°C）返回加熱，余熱進(jìn)一步用于污泥帶式干燥。在Pyreg® 工藝中，碳化溫度在500-700℃之間，污泥碳中的磷以生物有效磷為主，磷濃度高達(dá)15 % （以P2O5計(jì)算），植物有效P > 80 %。
（3）澳大利亞ESI公司開(kāi)發(fā)了ENERSLUDGE™熱解技術(shù)，屬于低溫碳化。該技術(shù)通過(guò)污泥熱解得到碳化物和粗油，但為了平衡系統(tǒng)的能量需求，碳化過(guò)程產(chǎn)生的碳化物和粗油被送到高溫?zé)煔獍l(fā)生爐中進(jìn)行焚燒。其工藝流程如圖19所示。目前該技術(shù)在澳大利亞Perth的項(xiàng)目已經(jīng)運(yùn)行超過(guò)15年。
圖19 ENERSLUDGE™污泥熱解技術(shù)
（4）法國(guó)ETIA公司下屬的BIOGREEN®開(kāi)發(fā)了Spirajoule®工藝，該設(shè)備的核心部件是由焦耳效應(yīng)電加熱的無(wú)軸螺旋。該技術(shù)可用于有機(jī)廢棄物的碳化、熱解或氣化，產(chǎn)生碳化物、油和氣。由于采用和螺旋結(jié)合的電加熱圈，熱利用效率較高。產(chǎn)生的揮發(fā)分被冷凝后進(jìn)行油、氣分離，油和氣可以分別進(jìn)行利用。其工藝流程見(jiàn)圖12所示。（5）荷蘭的Splainex Ecosystems Ltd公司開(kāi)發(fā)了以回轉(zhuǎn)窯為核心設(shè)備的污泥中溫（450-500°C）碳化技術(shù)。該系統(tǒng)處理的對(duì)象是30%-35%含水率的半干污泥，經(jīng)過(guò)碳化處理后，產(chǎn)生的生物碳可用作生物燃料（Bio-fuel），也可用于磷回收。過(guò)程產(chǎn)生熱解氣經(jīng)燃燒用于發(fā)電、產(chǎn)熱。其設(shè)備見(jiàn)圖20所示。
圖20 Splainex工藝污泥碳化工程(200t/d)
（6）丹麥的AquaGreen公司開(kāi)發(fā)了污泥高溫碳化（650°C左右）技術(shù)，包括污泥干化、碳化等單元，其目的是獲得可用于土壤改良的生物炭產(chǎn)品。其系統(tǒng)如圖21所示。
圖21 Aquagreen碳化系統(tǒng)
3.1.2 歐美工程案例總體上，歐美國(guó)家污泥碳化技術(shù)的工程應(yīng)用較少，根據(jù)有限資料，對(duì)相關(guān)工程案例統(tǒng)計(jì)如下：
表2 歐美碳化項(xiàng)目示例表
3.2.1 技術(shù)發(fā)展參與企業(yè)
日本污泥碳化技術(shù)是在國(guó)家宏觀發(fā)展政策的引導(dǎo)下開(kāi)展起來(lái)的。上世紀(jì)90年代，在污染物減排和資源化利用的雙重壓力下，日本亟待研發(fā)新的污泥處理技術(shù)。
日本下水道協(xié)會(huì)在上世紀(jì)90年代末發(fā)起了由企業(yè)自主參與的污泥碳化工程技術(shù)研究，并建設(shè)了一批中試以上規(guī)模的污泥碳化設(shè)施及工程。
目前，日本已形成了完整的污泥碳化技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策支撐體系。
在日本污泥碳化技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中，主要的參與企業(yè)見(jiàn)表3。
表3 日本污泥碳化技術(shù)主要參與企業(yè)表
從上世紀(jì)90年代末開(kāi)始，日本陸續(xù)建設(shè)了一批中小型污泥碳化項(xiàng)目，項(xiàng)目基本信息見(jiàn)表4。
表4 日本小規(guī)模污泥碳化裝置項(xiàng)目清單
以上項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)行，為日后確定污泥碳化資源化利用方向、大規(guī)模裝置的工程設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。
2004年，日本下水道新技術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)發(fā)布《污泥碳化系統(tǒng)技術(shù)資料》，對(duì)上述項(xiàng)目做了全面的總結(jié)，對(duì)“技術(shù)分類、工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理、政策法規(guī)”等方面做出要求。
2008年開(kāi)始，日本相繼新建了一批較大規(guī)模的污泥碳化設(shè)施，見(jiàn)表5。
表5 日本大規(guī)模污泥碳化項(xiàng)目清單
同時(shí)，通過(guò)引進(jìn)日本技術(shù)，韓國(guó)、中國(guó)也建設(shè)了一批污泥碳化處理項(xiàng)目，如表6所列。
表6 早期韓國(guó)、中國(guó)污泥碳化項(xiàng)目清單
按照碳化溫度劃分，污泥碳化分為低溫、中溫、高溫碳化三個(gè)大類，各類的主要特征見(jiàn)表7。
表7 日本污泥碳化技術(shù)分類
高溫碳化技術(shù)的代表性公司為日本巴工業(yè)株式會(huì)社，采用立式多段外熱螺旋推進(jìn)碳化爐，工藝系統(tǒng)包括污泥熱干化、污泥碳化、尾氣處理和熱量回收等核心單元。代表項(xiàng)目為2003年投產(chǎn)的雙葉地方廣域市町圈組合項(xiàng)目，見(jiàn)圖22。
雙葉項(xiàng)目工廠外觀 再燃爐
干燥機(jī) 碳化爐
圖22 雙葉地方廣域市町圈組合項(xiàng)目
（2）中溫碳化中溫碳化技術(shù)的代表性公司包括三菱環(huán)境化學(xué)工程株式會(huì)社和美得華水務(wù)株式會(huì)社，代表性項(xiàng)目有東京都東部污泥處理中心和愛(ài)知縣衣浦東部中心。
中溫碳化裝置均采用外熱回轉(zhuǎn)窯碳化爐。碳化裝置包括污泥熱干化、污泥碳化、尾氣處理和熱量回收等核心單元，如圖23、24所示。
東京都東部污泥碳化二期工程采用了氣流干燥工藝，進(jìn)一步提高了熱利用效率。
圖23 愛(ài)知縣中溫碳化工藝流程圖
圖24 東京都東部污泥碳化二期工藝流程圖
（3）低溫碳化低溫碳化技術(shù)的代表性公司有月島機(jī)械株式會(huì)社，代表性項(xiàng)目有大阪平野污水處理廠項(xiàng)目和廣島西部污水處理廠項(xiàng)目，如圖25、圖26、圖27所示。
低溫碳化裝置均采用外熱回轉(zhuǎn)窯碳化爐。碳化裝置包括污泥熱干化、污泥碳化、尾氣處理和熱量回收等核心單元。
圖25 低溫碳化系統(tǒng)工藝
圖26 污泥干燥機(jī)、加熱爐
圖27 碳化爐及碳化產(chǎn)品顆粒
（4）污泥氣化碳化污泥氣化碳化技術(shù)近年來(lái)也在日本得到工程化應(yīng)用。氣化碳化技術(shù)的代表性公司為美得華水務(wù)株式會(huì)社，代表性項(xiàng)目為清瀨市水資源再生中心項(xiàng)目（100噸/日），如圖28、圖29、圖30所示。
該項(xiàng)目采用了流化床氣化爐，在產(chǎn)生熱解氣的同時(shí)，也得到碳化物。熱解氣被重整改質(zhì)之后，用于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，獲得電力。
圖28 污泥氣化工藝原理
圖29 污泥氣化碳化裝置
圖30 車間全景碳化爐設(shè)備圖
3.2.4 典型項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)日本已建設(shè)近30余個(gè)污泥碳化項(xiàng)目，典型項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表8。
表8 日本典型碳化項(xiàng)目主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
3.2.5 日本碳化技術(shù)發(fā)展總結(jié)
（1）宏觀技術(shù)總結(jié)
2004年、2010年、2015年日本下水道協(xié)會(huì)新技術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)組織相關(guān)方，共同對(duì)已建成的污泥碳化、熱解項(xiàng)目進(jìn)行了三次總結(jié)，得出的主要結(jié)論包括：
污泥碳化在污染物排放方面，與焚燒相比有明顯的減排優(yōu)勢(shì)；
污泥碳化物在資源化利用方面有良好的前景；
污泥碳化處理技術(shù)是替代污泥焚燒的重要技術(shù)之一。
1） 2004年下水道新技術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)和14家碳化技術(shù)企業(yè)共同整理、匯總建成項(xiàng)目的情況，發(fā)布了《碳化系統(tǒng)技術(shù)資料》，主要是針對(duì)以市政污泥為對(duì)象的碳化裝置，在總結(jié)其技術(shù)概要、特點(diǎn)以及構(gòu)造等基礎(chǔ)上，指明在進(jìn)行碳化裝置的實(shí)施時(shí)所涉及的技術(shù)事項(xiàng)、注意事項(xiàng)：
① 對(duì)污泥碳化進(jìn)行了明確的定義，包括碳化過(guò)程參數(shù)、碳化物評(píng)價(jià)等；
② 對(duì)污泥碳化的溫度劃分給出了明確的定義，劃分為低溫、中溫、高溫碳化；
③ 對(duì)碳化裝置進(jìn)行了分類，分類準(zhǔn)則包括有無(wú)干燥裝置、碳化爐的熱傳導(dǎo)方式、碳化爐內(nèi)輸送方式等；
④ 對(duì)碳化物利用進(jìn)行了總結(jié)，提出污泥碳化物有良好的資源化利用潛力，包括燃料化、土壤改良、建材利用、吸附材料、融雪劑等，并提出了不同利用方向的技術(shù)性指導(dǎo)意見(jiàn)；
⑤ 提出了碳化裝置設(shè)計(jì)流程的指導(dǎo)意見(jiàn)；
⑥ 對(duì)碳化裝置實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了總結(jié)，實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用低于焚燒和堆肥；
⑦ 總結(jié)了碳化過(guò)程溫室氣體排放特征。將碳化裝置與污泥焚燒爐的每單位處理量所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)氣體排放量進(jìn)行比較，碳化裝置比污泥焚燒爐產(chǎn)生的溫室氣體排放量少；
⑧對(duì)于資源化利用而產(chǎn)生的減排，提出了評(píng)估值的參考標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表9：
表9 基于碳化產(chǎn)品有效利用的能源削減效果
2）2010年《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術(shù)手冊(cè)》
由于日本污泥有機(jī)物普遍很高，燃料化方向的碳減排效益明顯。2008年之后，燃料化利用成為日本污泥碳化資源化利用的主要方向。
2008年11月至2010年3月，下水道新技術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)基金會(huì)和東芝股份有限公司共同研究污泥熱分解燃料化系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)等成果，并總結(jié)成《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術(shù)手冊(cè)》。
《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術(shù)手冊(cè)》明確了“與高溫焚燒方式相比，熱分解燃料化系統(tǒng)能將污泥作為煤炭替代燃料進(jìn)行利用，減少綜合能量收支，減少溫室氣體排放量，作為碳中和的燃料進(jìn)行有效利用”。
①污泥碳化以污水廠污泥為原料，因此將污泥碳化物歸類到生物質(zhì)資源，作為碳中和的燃料進(jìn)行有效利用；
② 碳化物作為煤炭替代燃料進(jìn)行有效利用的情況下，和直接進(jìn)行焚燒處理相比，可削減綜合能耗。
（2）設(shè)施運(yùn)行情況總結(jié)
日本的碳化技術(shù)從開(kāi)始應(yīng)用（在日本、韓國(guó)、中國(guó)）到現(xiàn)在已經(jīng)有18年，初步統(tǒng)計(jì)建成的項(xiàng)目超過(guò)30個(gè)，涵蓋了低溫、中溫及高溫碳化的工藝，目前最大的單體項(xiàng)目的處理能力達(dá)到150噸/天。最早的單體處理能力超過(guò)100噸/天的裝置（東京都東部）已經(jīng)運(yùn)行17年。從已建成項(xiàng)目運(yùn)行的實(shí)際情況看，總體情況如下：
①處理量普遍能達(dá)到設(shè)計(jì)能力；
②運(yùn)營(yíng)管理措施完善，設(shè)備狀況良好；
③未出現(xiàn)運(yùn)行安全重大事故；
④未出現(xiàn)因排放超標(biāo)導(dǎo)致的停產(chǎn)；
⑤污泥碳化物均得到妥善的資源化利用；
⑥項(xiàng)目投資及運(yùn)行成本均得到很好的控制。
（3）環(huán)保對(duì)策總結(jié)
為保證碳化設(shè)施滿足環(huán)保要求，在與有關(guān)部門協(xié)商的基礎(chǔ)上，采取相應(yīng)的污染物防治措施及安全對(duì)策。已建成運(yùn)行項(xiàng)目在環(huán)保治理方面，均達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
1）排放氣體對(duì)策
從碳化裝置中產(chǎn)生的大氣污染物，因裝置的型號(hào)規(guī)模、運(yùn)行方式、燃料、污泥泥質(zhì)等因素不同而異。
尾氣對(duì)策要遵守大氣污染防治法和二噁英類對(duì)策特別措施法等相關(guān)法令的五項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。在大氣污染防治法規(guī)定對(duì)象內(nèi)的設(shè)施，大氣污染防治法施行令第二條及二噁英類對(duì)策特別措施法中對(duì)其種類和規(guī)模進(jìn)行了規(guī)定。在法令規(guī)定對(duì)象內(nèi)的碳化裝置的排出物涉及SOx、粉塵、HCl、NOx及二噁英類。
2）臭氣對(duì)策
一般來(lái)說(shuō)，污泥中產(chǎn)生的臭氣主要有硫化氫、甲硫醇、硫化醇、二硫化醇及氨等5種惡臭物質(zhì)。臭氣對(duì)策須遵守惡臭防治法等有關(guān)法令。惡臭防治法根據(jù)每種特定的惡臭物質(zhì)(政令規(guī)定)制定了控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)惡臭氣體成分及量級(jí)、產(chǎn)生場(chǎng)所及周邊環(huán)境的敏感度，設(shè)計(jì)符合《惡臭防治法》標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)施。
3）噪音及防振對(duì)策
噪音及防振對(duì)策，需遵守噪音控制法和振動(dòng)控制法等相關(guān)法令。
噪音控制法及振動(dòng)控制法所規(guī)定的對(duì)象為工廠及作業(yè)場(chǎng)的設(shè)施中在發(fā)生明顯噪音或振動(dòng)的設(shè)施中產(chǎn)生明顯的噪音或振動(dòng)的作業(yè)，并由噪音控制法施行令及振動(dòng)控制法施行令限定。
4）碳化物土地利用
碳化物如果作為土地利用原料，必須遵守日本肥料管理?xiàng)l例、土壤污染法和土壤生產(chǎn)力法等相關(guān)法令。
04中國(guó)污泥碳化技術(shù)的發(fā)展
中國(guó)的污泥碳化技術(shù)研究和工程應(yīng)用開(kāi)始于2008年，在2017年以后工程化應(yīng)用開(kāi)始較快發(fā)展。
4.1 發(fā)展歷程
4.1.1 產(chǎn)學(xué)研研究方面
國(guó)內(nèi)污泥碳化的研究相比歐美、日本發(fā)展較晚。根據(jù)中國(guó)知網(wǎng)2000-2020年公開(kāi)發(fā)表的污泥碳化相關(guān)論文數(shù)量（圖31），可以看出院校及企業(yè)的產(chǎn)學(xué)研研究基本在2009年左右開(kāi)始，在2015年以后呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。
圖31 國(guó)內(nèi)污泥碳化產(chǎn)學(xué)研研究趨勢(shì)圖
研究發(fā)展過(guò)程可大致分為三個(gè)階段：（1）2008年之前（萌芽期）：有少許關(guān)于污泥碳化方面的研究。2008年湖北博實(shí)城鄉(xiāng)環(huán)境能源工程有限公司聯(lián)合華中科技大學(xué)國(guó)家煤燃燒重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，以武漢市各污水處理廠的污泥為研究對(duì)象，開(kāi)展了城市污水處理廠污泥干化、碳化的實(shí)驗(yàn)室研究，研究?jī)?nèi)容涉及干化、碳化過(guò)程特征、過(guò)程安全性等方面，得到了對(duì)于污泥干化碳化的較完整認(rèn)識(shí)。
（2）2009年~2015年（發(fā)展期）：院校及企業(yè)開(kāi)始有一定數(shù)量的技術(shù)研究，該階段亦有部分工程化應(yīng)用及國(guó)家科技課題。
2012年由同濟(jì)大學(xué)牽頭、戴曉虎教授任首席的國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目“污泥熱解能源化利用成套技術(shù)及工程示范”開(kāi)展了污泥熱解技術(shù)及裝備的開(kāi)發(fā)相關(guān)研究，并在重慶綦江區(qū)三角鎮(zhèn)建成30t/d以螺旋推進(jìn)反應(yīng)器、污泥熱解+可燃?xì)庵卣�、凈化為特點(diǎn)的示范工程。
湖北博實(shí)公司和華中科技大學(xué)國(guó)家煤燃燒實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)展了污泥碳化物重金屬穩(wěn)定性研究。聯(lián)合武漢市蔬菜科學(xué)研究所，對(duì)污泥碳化物農(nóng)用進(jìn)行了研究。聯(lián)合武漢市林業(yè)科學(xué)研究所，對(duì)污泥碳化物作為土壤改良劑開(kāi)展了研究。
中節(jié)能博實(shí)（湖北）環(huán)境工程技術(shù)股份有限公司承擔(dān)了“十二五”水專項(xiàng)課題-城市污水處理廠污泥處理處置技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)化課題的子課題-大規(guī)模污泥碳化技術(shù)及裝備國(guó)產(chǎn)化的研究。
2015年中節(jié)能博實(shí)開(kāi)展了污泥碳化物活化方面的研究。
（3）2016年~2020年（高速增長(zhǎng)期）：隨著在國(guó)內(nèi)項(xiàng)目應(yīng)用案例的增多，結(jié)合碳減排、鄰避效應(yīng)等問(wèn)題，該階段的研究及公開(kāi)報(bào)道呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)趨勢(shì)。
4.1.2 國(guó)內(nèi)公司及技術(shù)來(lái)源
國(guó)內(nèi)污泥碳化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化起步較晚，從2008年以后，國(guó)內(nèi)公司通過(guò)技術(shù)引進(jìn)和自主研發(fā)，陸續(xù)形成了各自的污泥碳化技術(shù)，并從2009年開(kāi)始實(shí)現(xiàn)污泥碳化的工程應(yīng)用。
（1）國(guó)內(nèi)參與技術(shù)研發(fā)并具有碳化技術(shù)工程業(yè)績(jī)的公司見(jiàn)表10。
表10 國(guó)內(nèi)污泥碳化項(xiàng)目及技術(shù)公司統(tǒng)計(jì)表
國(guó)內(nèi)污泥碳化項(xiàng)目的技術(shù)來(lái)源大致分布情況如圖32所示。
圖32 國(guó)內(nèi)污泥碳化技術(shù)來(lái)源分布情況
各個(gè)公司的碳化系統(tǒng)都包括了熱干化和碳化兩個(gè)核心的單元。中節(jié)能博實(shí)（湖北博實(shí)）和武漢普樂(lè)從日本巴工業(yè)株式會(huì)社完整引進(jìn)了連續(xù)高溫碳化工藝技術(shù)，包括了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)施建設(shè)管理、設(shè)施運(yùn)行維護(hù)管理。該技術(shù)已有近20年項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。
江蘇碧諾在日本專家的協(xié)助下，參照日本標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)了污泥碳化技術(shù)，采用了與日本月島機(jī)械相似的系統(tǒng)工藝方案。
其他公司的系統(tǒng)大多采用了以回轉(zhuǎn)窯碳化爐為核心的碳化工藝系統(tǒng)，與日本的技術(shù)相似。但在系統(tǒng)熱能回收利用、裝備開(kāi)發(fā)等方面，仍有一定的差距。
4.2 國(guó)內(nèi)污泥碳化工程技術(shù)的發(fā)展
2009年國(guó)內(nèi)開(kāi)始污泥碳化技術(shù)的首例工程化應(yīng)用，主要發(fā)展歷程如圖33。
圖33 中國(guó)污泥碳化技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展過(guò)程
2009年2009年，武漢湯遜湖污泥碳化項(xiàng)目建成投產(chǎn)，是全國(guó)首條污泥碳化示范生產(chǎn)線，項(xiàng)目由湖北博實(shí)公司投資建設(shè)，采用日本巴工業(yè)株式會(huì)社技術(shù)，屬日系碳化工藝技術(shù)引進(jìn)應(yīng)用；
2013年10月
浙江永康污泥干餾碳化項(xiàng)目，項(xiàng)目由杭州泰佳科技有限公司承建，技術(shù)源自美國(guó)密西西比國(guó)際水務(wù)（中國(guó)）公司，屬美系碳化工藝技術(shù)引進(jìn)；
2015年1月
鄂州洋瀾湖綜合治理項(xiàng)目污泥處理處置工程建成，采用日本巴工業(yè)株式會(huì)社技術(shù)，屬日系碳化工藝技術(shù)引進(jìn)應(yīng)用；
2017年10月
安徽無(wú)為污泥碳化項(xiàng)目建成，項(xiàng)目由安徽通源公司提供技術(shù)，屬國(guó)產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用；
2018年4月
天津青凝侯污泥碳化項(xiàng)目建成，項(xiàng)目由天津北方創(chuàng)業(yè)公司投建，技術(shù)由山東金孚公司提供，屬國(guó)產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用，項(xiàng)目被關(guān)閉；
2018年6月
長(zhǎng)沙經(jīng)開(kāi)區(qū)城北污水處理廠污泥深度處理項(xiàng)目建成，項(xiàng)目由湖南鼎玖公司投資并提供技術(shù)，屬國(guó)產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用；
2019 年10月
青島即墨污泥碳化項(xiàng)目建成，項(xiàng)目為青島中世美盛投資建設(shè)的BOT項(xiàng)目，屬國(guó)產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用，設(shè)備系統(tǒng)由山東金孚公司提供；
2019年11月
臺(tái)灣省宜蘭縣污泥碳化示范項(xiàng)目建成，屬于日本技術(shù)應(yīng)用，設(shè)備系統(tǒng)由武漢普樂(lè)公司提供；
2019年
海寧尖山污泥熱解碳化項(xiàng)目建成，項(xiàng)目由云南水務(wù)集團(tuán)投資建設(shè)，屬國(guó)產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用；
2019年
湖北秭歸污泥碳化項(xiàng)目建成，由秭歸政府投資，采用日本巴工業(yè)株式會(huì)社技術(shù)，屬日系碳化工藝技術(shù)引進(jìn)應(yīng)用。
2020年
河北望都污泥碳化項(xiàng)目建成，項(xiàng)目由云南水務(wù)集團(tuán)投建，屬國(guó)產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用；
2021年
枝江田園牧歌項(xiàng)目建成，項(xiàng)目由江蘇碧諾公司提供技術(shù)，屬國(guó)產(chǎn)化技術(shù)應(yīng)用。
4.3 國(guó)內(nèi)污泥碳化工程技術(shù)現(xiàn)狀
根據(jù)目前收集到的資料，我國(guó)污泥碳化代表性工程案例如表11。由于各項(xiàng)目進(jìn)入干化碳化系統(tǒng)的污泥含水率差異較大，因此，不能用簡(jiǎn)單比較的方式判斷工程能耗的水平。
表11 國(guó)內(nèi)污泥碳化代表性工程案例表
（1）武漢普樂(lè)環(huán)境技術(shù)有限公司
表12 武漢普樂(lè)技術(shù)信息表
圖34 工藝流程圖
圖35 外熱多段式污泥碳化工程
（2）青島即墨污泥碳化項(xiàng)目
表13 青島即墨污泥碳化項(xiàng)目
圖36 工藝流程圖
圖37 污泥低溫碳化工程
（3）江蘇碧諾環(huán)保科技有限公司
圖38 工藝流程圖
（4）湖南鼎玖能源環(huán)境科技股份有限公司表15 湖南鼎玖技術(shù)信息表
圖39 工藝流程圖
圖40 一體化污泥連續(xù)碳化工程
（5）安徽省通源環(huán)境節(jié)能股份有限公司表16 安徽通源技術(shù)信息表
4.3.2 工程技術(shù)現(xiàn)狀及問(wèn)題
目前，國(guó)內(nèi)已建成十余個(gè)污泥碳化項(xiàng)目，從建成項(xiàng)目的運(yùn)行情況看，除部分案例因各種原因處于停產(chǎn)或低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，總體情況如下：
• 絕大部分項(xiàng)目都能運(yùn)行，且未發(fā)生較大運(yùn)營(yíng)安全事故；
• 自主研發(fā)技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整性、合理性方面存在較大的完善提升空間；
• 項(xiàng)目實(shí)際處理能力普遍未達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)模，處理能力冗余有待完善；
• 通過(guò)改善工藝設(shè)計(jì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)化運(yùn)行管理，處理過(guò)程的能耗仍有進(jìn)一步降低的空間；
• 國(guó)產(chǎn)裝備在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、關(guān)鍵材料選用、加工制造、可靠性、預(yù)期使用壽命等方面，與進(jìn)口裝備相比，有進(jìn)一步提升的空間；
• 運(yùn)營(yíng)管理的制度和方法有待完善；
• 專業(yè)化運(yùn)營(yíng)人員的培訓(xùn)有待加強(qiáng)；
• 排放標(biāo)準(zhǔn)及地方監(jiān)管強(qiáng)度參差不齊；
• 污泥碳化產(chǎn)品出路存在地方性差異，碳化物出路依然是共性的問(wèn)題。多數(shù)項(xiàng)目在污泥碳化物產(chǎn)品化方面仍在持續(xù)探索中。
• 項(xiàng)目投資及運(yùn)行成本存在較大差異，因設(shè)備質(zhì)量、泥質(zhì)等差異使污泥碳化項(xiàng)目投資及運(yùn)行成本存在橫向差異，亦存在成本控制的縱向差異。
• 因無(wú)統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范、排放標(biāo)準(zhǔn)等，工藝設(shè)計(jì)存在差異，有待研究和形成普適性標(biāo)準(zhǔn)。
05污泥碳化相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)
5.1 日本相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)
日本在污泥碳化項(xiàng)目建設(shè)及運(yùn)行管理中，通常應(yīng)遵循以下相關(guān)法規(guī)，見(jiàn)表17：
表17 日本碳化項(xiàng)目相關(guān)法規(guī)
5.2 中國(guó)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)
目前，國(guó)內(nèi)污泥碳化沒(méi)有專門針對(duì)性的法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)，尚無(wú)統(tǒng)一的指導(dǎo)性技術(shù)規(guī)范。各碳化項(xiàng)目依據(jù)環(huán)評(píng)的要求執(zhí)行了不同的排放控制標(biāo)準(zhǔn)，所執(zhí)行指標(biāo)差別較大，實(shí)際運(yùn)行中污染物排放均能滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的限值。
5.2.1 相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、導(dǎo)則
國(guó)內(nèi)目前污泥碳化相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及導(dǎo)則如下：
(1)2017年，住建部頒布了《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（征求意見(jiàn)稿）》，其中部分提及污泥碳化技術(shù)，對(duì)一般碳化系統(tǒng)組成、碳化系統(tǒng)燃料、基本的儀表配置、碳化類型及各自的技術(shù)參數(shù)控制做了簡(jiǎn)單介紹。
(2)2018年，由安徽省住建廳、安徽省通源環(huán)境、合肥學(xué)院編制了地標(biāo)《安徽省城鎮(zhèn)污水處理廠污泥高干脫水碳化處置技術(shù)導(dǎo)則》，依托于安徽當(dāng)?shù)靥蓟?xiàng)目，對(duì)工藝組成、各系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)要求、設(shè)備要求、運(yùn)營(yíng)管理要求等做了相對(duì)細(xì)化的要求。
(3)2019年，由安徽省市場(chǎng)監(jiān)督管理局編制了《污泥高效節(jié)能碳化工藝技術(shù)規(guī)范》，依托于安徽當(dāng)?shù)匚勰嗵蓟?xiàng)目，對(duì)污泥碳化的工藝組成、主要技術(shù)參數(shù)、取樣檢測(cè)及過(guò)程控制進(jìn)行了要求。
(4)2020年，由湖南省住建廳、湖南鼎玖公司等編制了《湖南省城鎮(zhèn)市政污泥運(yùn)輸和處置標(biāo)準(zhǔn)》，其中污泥碳化部分主要對(duì)含水率、粒徑、無(wú)氧條件、煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)等作出要求。
表18 國(guó)內(nèi)目前與污泥碳化相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
5.2.2 項(xiàng)目應(yīng)用中執(zhí)行排放標(biāo)準(zhǔn)
（1）針對(duì)常規(guī)的顆粒物、SO2、NOx
根據(jù)項(xiàng)目地環(huán)保敏感程度，分別執(zhí)行《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》GB16297-1996和當(dāng)?shù)氐貥?biāo)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。
（2）針對(duì)HCl、重金屬、二噁英
一般參照《生活垃圾焚燒污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》GB18485-2014執(zhí)行。
（3）其他地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。
表19 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有污泥碳化項(xiàng)目執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)
06總結(jié)與展望
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外污泥碳化技術(shù)發(fā)展的梳理和總結(jié)發(fā)現(xiàn)，污泥碳化作為一項(xiàng)替代污泥焚燒的熱化學(xué)處理方式，在污泥能源利用、資源回收、污染物控制、溫室氣體減排等方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。
目前污泥碳化技術(shù)已經(jīng)在日本實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的工程應(yīng)用，并建立了完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。我國(guó)在污泥碳化技術(shù)引進(jìn)吸收、工程示范等方面已經(jīng)具有一定的基礎(chǔ)，同時(shí)開(kāi)展了相關(guān)產(chǎn)學(xué)研研究，但在關(guān)鍵技術(shù)裝備開(kāi)發(fā)和工程推廣應(yīng)用等方面還存在較大的發(fā)展空間，污泥碳化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚需進(jìn)一步完善。
在本報(bào)告總結(jié)的基礎(chǔ)上，下一步將重點(diǎn)完成《污泥碳化技術(shù)導(dǎo)則》、《污泥碳化工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》等指導(dǎo)文件的編制。同時(shí)，還將開(kāi)展污泥碳化分報(bào)告的編制工作，主要內(nèi)容包括熱解碳化、碳化過(guò)程污染物以及碳化處理處置碳排放評(píng)價(jià)等方面。
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