给水排水 【干货】污泥碳化技术发展报告（二）

欧美国家和日本自上世纪90年代便开始了污泥碳化的工程应用。总体来看，日本是污泥碳化工程应用开展最多的国家，欧美国家污泥碳化工程应用相对较少，主要在污泥热解焚烧方面应用较多。

3.1 欧美污泥碳化技术及工程案例

3.1.1 涉及污泥碳化技术的公司

欧美国家参与污泥碳化技术开发的公司包括：

（1）德国的KOPF AG公司在德国曼海姆市污水处理厂建设了德国首个污泥热解碳化示范工程，项目处理规模为100t/d（80%含水率污泥），采用“污泥厌氧消化-脱水-干化-热解碳化”处理工艺，其中产生的热解气进入二燃室燃烧提供热解干化所需要的能量。

（2）德国ELIQUO STULZ 公司研发了Pyreg? 污泥热解技术，属于高温碳化。该技术通过污泥碳化的方式，达到污泥减量、稳定的目标，并从污泥中回收磷。

该污泥热解工艺采用螺旋反应器，热解气燃烧后产生的高温烟气（可达1250°C）返回加热，余热进一步用于污泥带式干燥。在Pyreg? 工艺中，碳化温度在500-700℃之间，污泥碳中的磷以生物有效磷为主，磷浓度高达15 % （以P2O5计算），植物有效P > 80 %。

（3）澳大利亚ESI公司开发了ENERSLUDGE?热解技术，属于低温碳化。该技术通过污泥热解得到碳化物和粗油，但为了平衡系统的能量需求，碳化过程产生的碳化物和粗油被送到高温烟气发生炉中进行焚烧。其工艺流程如图19所示。目前该技术在澳大利亚Perth的项目已经运行超过15年。

图19 ENERSLUDGE?污泥热解技术

（4）法国ETIA公司下属的BIOGREEN?开发了Spirajoule?工艺，该设备的核心部件是由焦耳效应电加热的无轴螺旋。该技术可用于有机废弃物的碳化、热解或气化，产生碳化物、油和气。由于采用和螺旋结合的电加热圈，热利用效率较高。产生的挥发分被冷凝后进行油、气分离，油和气可以分别进行利用。其工艺流程见图12所示。

（5）荷兰的Splainex Ecosystems Ltd公司开发了以回转窑为核心设备的污泥中温（450-500°C）碳化技术。该系统处理的对象是30%-35%含水率的半干污泥，经过碳化处理后，产生的生物碳可用作生物燃料（Bio-fuel），也可用于磷回收。过程产生热解气经燃烧用于发电、产热。其设备见图20所示。

图20 Splainex工艺污泥碳化工程(200t/d)

（6）丹麦的AquaGreen公司开发了污泥高温碳化（650°C左右）技术，包括污泥干化、碳化等单元，其目的是获得可用于土壤改良的生物炭产品。其系统如图21所示。

图21 Aquagreen碳化系统

3.1.2 欧美工程案例

总体上，欧美国家污泥碳化技术的工程应用较少，根据有限资料，对相关工程案例统计如下：

表2 欧美碳化项目示例表

3.2 日本污泥碳化技术及工程案例

3.2.1 技术发展参与企业

日本污泥碳化技术是在国家宏观发展政策的引导下开展起来的。上世纪90年代，在污染物减排和资源化利用的双重压力下，日本亟待研发新的污泥处理技术。

日本下水道协会在上世纪90年代末发起了由企业自主参与的污泥碳化工程技术研究，并建设了一批中试以上规模的污泥碳化设施及工程。

目前，日本已形成了完整的污泥碳化技术产业发展政策支撑体系。

在日本污泥碳化技术发展的过程中，主要的参与企业见表3。

表3 日本污泥碳化技术主要参与企业表

3.2.2 碳化技术工程应用情况

从上世纪90年代末开始，日本陆续建设了一批中小型污泥碳化项目，项目基本信息见表4。

表4 日本小规模污泥碳化装置项目清单

其中，双叶地方广域市町圈组合和K社（兵库县高砂市）两个项目为商业化运行项目，其他均为技术验证性项目。

以上项目的建设和运行，为日后确定污泥碳化资源化利用方向、大规模装置的工程设计打下了良好的基础。

2004年，日本下水道新技术推进机构发布《污泥碳化系统技术资料》，对上述项目做了全面的总结，对“技术分类、工程设计、运行管理、政策法规”等方面做出要求。

2008年开始，日本相继新建了一批较大规模的污泥碳化设施，见表5。

表5 日本大规模污泥碳化项目清单

2010年，日本下水道新技术推进机构发布了《污泥热分解燃料化系统技术手册》，对污泥热解燃料化技术进行了专门的总结，并对相关的技术原理、工程规划与设计、工程实施、运行管理、适用法规等做出了明确的规定。

同时，通过引进日本技术，韩国、中国也建设了一批污泥碳化处理项目，如表6所列。

表6 早期韩国、中国污泥碳化项目清单

3.2.3 日本碳化工程技术分类

按照碳化温度划分，污泥碳化分为低温、中温、高温碳化三个大类，各类的主要特征见表7。

 表7 日本污泥碳化技术分类

（1）高温碳化

高温碳化技术的代表性公司为日本巴工业株式会社，采用立式多段外热螺旋推进碳化炉，工艺系统包括污泥热干化、污泥碳化、尾气处理和热量回收等核心单元。代表项目为2003年投产的双叶地方广域市町圈组合项目，见图22。

图22 双叶地方广域市町圈组合项目

（2）中温碳化

中温碳化技术的代表性公司包括三菱环境化学工程株式会社和美得华水务株式会社，代表性项目有东京都东部污泥处理中心和爱知县衣浦东部中心。

中温碳化装置均采用外热回转窑碳化炉。碳化装置包括污泥热干化、污泥碳化、尾气处理和热量回收等核心单元，如图23、24所示。

东京都东部污泥碳化二期工程采用了气流干燥工艺，进一步提高了热利用效率。

图23 爱知县中温碳化工艺流程图

图24 东京都东部污泥碳化二期工艺流程图

（3）低温碳化

低温碳化技术的代表性公司有月岛机械株式会社，代表性项目有大阪平野污水处理厂项目和广岛西部污水处理厂项目，如图25、图26、图27所示。

低温碳化装置均采用外热回转窑碳化炉。碳化装置包括污泥热干化、污泥碳化、尾气处理和热量回收等核心单元。

图25 低温碳化系统工艺

图26 污泥干燥机、加热炉

图27 碳化炉及碳化产品颗粒

（4）污泥气化碳化

污泥气化碳化技术近年来也在日本得到工程化应用。气化碳化技术的代表性公司为美得华水务株式会社，代表性项目为清濑市水资源再生中心项目（100吨/日），如图28、图29、图30所示。

该项目采用了流化床气化炉，在产生热解气的同时，也得到碳化物。热解气被重整改质之后，用于内燃机发电，获得电力。

图28 污泥气化工艺原理

图29 污泥气化碳化装置

图30 车间全景碳化炉设备图

3.2.4 典型项目技术经济指标

日本已建设近30余个污泥碳化项目，典型项目的技术经济指标见表8。

表8 日本典型碳化项目主要技术经济指标

注：由于各项目受设计冗余、维护作业安排、运行管理的不同考虑，设计处理规模和年处理总量不能简单折算而达到对应一致。

3.2.5 日本碳化技术发展总结

（1）宏观技术总结

2004年、2010年、2015年日本下水道协会新技术推进机构组织相关方，共同对已建成的污泥碳化、热解项目进行了三次总结，得出的主要结论包括：

污泥碳化在污染物排放方面，与焚烧相比有明显的减排优势；

污泥碳化物在资源化利用方面有良好的前景；

污泥碳化处理技术是替代污泥焚烧的重要技术之一。

1） 2004年下水道新技术推进机构和14家碳化技术企业共同整理、汇总建成项目的情况，发布了《碳化系统技术资料》，主要是针对以市政污泥为对象的碳化装置，在总结其技术概要、特点以及构造等基础上，指明在进行碳化装置的实施时所涉及的技术事项、注意事项：

① 对污泥碳化进行了明确的定义，包括碳化过程参数、碳化物评价等；

② 对污泥碳化的温度划分给出了明确的定义，划分为低温、中温、高温碳化；

③ 对碳化装置进行了分类，分类准则包括有无干燥装置、碳化炉的热传导方式、碳化炉内输送方式等；

④ 对碳化物利用进行了总结，提出污泥碳化物有良好的资源化利用潜力，包括燃料化、土壤改良、建材利用、吸附材料、融雪剂等，并提出了不同利用方向的技术性指导意见；

⑤ 提出了碳化装置设计流程的指导意见；

⑥ 对碳化装置实际运行费用进行了总结，实际运行费用低于焚烧和堆肥；

⑦ 总结了碳化过程温室气体排放特征。将碳化装置与污泥焚烧炉的每单位处理量所产生的温室效应气体排放量进行比较，碳化装置比污泥焚烧炉产生的温室气体排放量少；

⑧对于资源化利用而产生的减排，提出了评估值的参考标准，见表9；

表9  基于碳化产品有效利用的能源削减效果

⑨ 对污泥碳化设施的建设、运行维护及适用性法规等提出了指导性意见。

2）2010年《污泥热分解燃料化系统技术手册》

由于日本污泥有机物普遍很高，燃料化方向的碳减排效益明显。2008年之后，燃料化利用成为日本污泥碳化资源化利用的主要方向。

2008年11月至2010年3月，下水道新技术推进机构基金会和东芝股份有限公司共同研究污泥热分解燃料化系统的性能评价等成果，并总结成《污泥热分解燃料化系统技术手册》。

《污泥热分解燃料化系统技术手册》明确了“与高温焚烧方式相比，热分解燃料化系统能将污泥作为煤炭替代燃料进行利用，减少综合能量收支，减少温室气体排放量，作为碳中和的燃料进行有效利用”。

①污泥碳化以污水厂污泥为原料，因此将污泥碳化物归类到生物质资源，作为碳中和的燃料进行有效利用；

② 碳化物作为煤炭替代燃料进行有效利用的情况下，和直接进行焚烧处理相比，可削减综合能耗。

（2）设施运行情况总结

日本的碳化技术从开始应用（在日本、韩国、中国）到现在已经有18年，初步统计建成的项目超过30个，涵盖了低温、中温及高温碳化的工艺，目前最大的单体项目的处理能力达到150吨/天。最早的单体处理能力超过100吨/天的装置（东京都东部）已经运行17年。从已建成项目运行的实际情况看，总体情况如下：

①处理量普遍能达到设计能力；

②运营管理措施完善，设备状况良好；

③未出现运行安全重大事故；

④未出现因排放超标导致的停产；

⑤污泥碳化物均得到妥善的资源化利用；

⑥项目投资及运行成本均得到很好的控制。

（3）环保对策总结

为保证碳化设施满足环保要求，在与有关部门协商的基础上，采取相应的污染物防治措施及安全对策。已建成运行项目在环境治理方面，均达到了相关标准的要求。

1）排放气体对策

从碳化装置中产生的大气污染物，因装置的型号规模、运行方式、燃料、污泥泥质等因素不同而异。

尾气对策要遵守大气污染防治法和二噁英类对策特别措施法等相关法令的五项标准。在大气污染防治法规定对象内的设施，大气污染防治法施行令第二条及二噁英类对策特别措施法中对其种类和规模进行了规定。在法令规定对象内的碳化装置的排出物涉及SOx、粉尘、HCl、NOx及二噁英类。

2）臭气对策

一般来说，污泥中产生的臭气主要有硫化氢、甲硫醇、硫化醇、二硫化醇及氨等5种恶臭物质。臭气对策须遵守恶臭防治法等有关法令。恶臭防治法根据每种特定的恶臭物质(政令规定)制定了控制标准。根据恶臭气体成分及量级、产生场所及周边环境的敏感度，设计符合《恶臭防治法》标准的设施。

3）噪音及防振对策

噪音及防振对策，需遵守噪音控制法和振动控制法等相关法令。

噪音控制法及振动控制法所规定的对象为工厂及作业场的设施中在发生明显噪音或振动的设施中产生明显的噪音或振动的作业，并由噪音控制法施行令及振动控制法施行令限定。

4）碳化物土地利用

碳化物如果作为土地利用原料，必须遵守日本肥料管理条例、土壤污染法和土壤生产力法等相关法令。