国内外污泥热解炭化技术发展与工程案例

我们首先说一下“炭”和“碳”字的区别，目前国内叫法上还不太一致，我们特意查阅相关文献。简单来说，“碳”主要是指碳元素，“碳化”是指同碳元素化合，与溶液中通过CO2生成碳及碳酸盐的过程，构词法与“硫化”“氧化”(狭义)相同。“炭”是指经过高温反应生成的，以碳元素为主的化合物，但不是1500度以上高温生成的碳结晶物质，所以“炭化”构词法同“液化”“固化”“气化”类似，指生成炭。

炭化是热解反应之一，热解跟焚烧两个概念相对来说是并列的。什么是焚烧呢？焚烧是指有机废弃物跟氧气剧烈反应生成烟气和残渣并放出热量过程。什么是热解呢？狭义上的热解一般是指在不向反应器内通入氧、水蒸汽或高温一氧化碳的条件下，通过加热使含碳有机物发生热化学分解，生产燃料（气体、液体和炭黑的过程），当然热解过程做到完全绝氧是很困难的，气化过程中一般也会向反应器中通入少量的空气或水蒸气。根据目标产物的不同，热解一般可以分为炭化、液化以及气化。当然在国外也有热解、焚烧及气化并列分类的。

我们再看一下炭化分类，一般有两种分类方式，一种按照温度划分，一种按照目标产物划分。温度划分的方法是来源于日本，分为低温炭化、中温炭化、高温炭化。低温炭化温度为250-350℃，这个温度下有机物热解比例较低，大部分热值保留下来，炭化物主要用于燃料使用；中温炭化温度为400-500℃，污泥中蛋白质和脂肪等有机物得到了一定的热解，臭味完全消除，热值和营养元素也有一定程度的保留，已经实现了完全的无害化，炭化物可以用于土壤改良和建材利用；高温炭化温度更高，一般指800度以上，主要用途还是做工业用品，比如说工业用吸附剂、融雪剂等。强调一点，这里指的温度是反应终端炭化温度。

按照资源化产物不同可以分为炭化产炭和炭化产油（气）工艺，以污泥炭化物为唯一产物，是污泥炭化技术工程应用的主流工艺，炭化过程中产生的干馏气被燃烧利用释放热量，以减少整个过程的能量补充，达到节约能源的目的。当然还有一些工艺目标产物是污泥炭化物和油（气），主要目的是最大限度回收污泥中可资源化利用的物质，但前提条件是污泥的有机物含量足够高，目前这种类型的工艺路线工程实践较少。

下面我们再说一下炭化炉主要设备形式，目前国内外主要有这么五种设备形式，第一种就是外加热螺旋推进炭化炉，也属于间接加热形式，螺旋推进污泥，代表制造厂家是日本巴工业，现在国内也有案例；第二种是直接电加热螺旋炉，在法国、德国以及美国有相关的案例；第三种是由回旋焚烧炉演变而来的，这个是直接辐射加热，在日本用于高温炭化，主要制造厂家为日本脏器株式会社；第四种是回转式带夹套的间接加热炉，国内外应用案例最多，国内目前案例大多数也是以这种回转式炭化炉为主；最后就是立式多膛炉，属于直接加热形式，但是干化热解载气循环和外部热源烟气分开运行，一般载气循环氧含量低于5%，目前主要用于低温炭化，目前日本月岛公司有一些工程应用，国内也出现了类似设备。

首先看德国，德国污泥产量在欧洲占比20%，欧洲污泥热法处理工艺中的45%在德国，德国污泥热法处理率从2008年的52.6%(108万吨)上升的2017年的69.5%(119万吨)，2017年，修订《污水污泥条例》(AbfKl?rV)通过，核心内容是要求从污水污泥中直接回收 (要求回收率不得低于50%)或其焚烧灰中回收磷(要求回收率大于80%)，要从2029年或者2032年全面禁止污泥的土地利用。在这种情况下，污泥独立焚烧、热解及气化项目逐渐增加。

德国第一个热解案例是采用生物质热解-自源炭重整技术，直接加热螺旋推进热解反应器，共分为2段，第一段是热解产炭，第二段对热解炭进行催化重整后产气和产油。目前最大项目处理规模为500kg/h。

第二个工程案例是采用Pyreg?污泥热解技术，设备形式为螺旋式炭化反应器，间接加热形式，产生的热解气燃烧后补充干化及炭化热量，最终产生的污泥炭进行磷回收。德国这两种技术单体项目规模都不大，值得说明的是，欧洲生物炭标准-The European Biochar Certificate (EBC)，目前最新版是2023年5月第10.3E，其中市政污泥可以作为原料制备生物炭，最新标准已不再要求生物炭含碳量（之前标准要求含碳量必须＞50%）。同时对H/C比和O/C比都有明确要求。

下面我们来看一下美国热解和气化的工程案例。2019年美国EPA数据显示污泥土地利用占比51%、污泥焚烧占比16%、其他处置方式占比10%，2011年3月，美国EPA出台了针对污泥焚烧烟气排放的新标准，要求所有已建成污泥焚烧厂和新建焚烧厂执行新的排放限值，针对不同的污泥焚烧炉执行不同的排放限值，主要是多膛炉(MHI)和流化床焚烧炉(FBI)两种类型，FBI更严格。

对已建成项目和新建项目的排放要求也不一样，以汞为例，已建成项目的新排放标准为0.037mg/dscm，新建项目的新排放限值更严格为0.001mg/dscm，在此情况下，美国开始发展替代焚烧的新型工艺，其中热解和气化近些年来发展迅速，也是美国污泥处理处置创新型工艺，目前最大的工程案例规模已经达到430吨/日。

例如，2017年硅谷清洁水公司项目在北美第一个工程规模的生物质热解项目开始运行，热解设计处理规模为3000吨湿料/年，生物炭产量250吨/年，该项目获得了EPA区别于污泥焚烧SSI豁免，并获准在湾区空气质量管理区（美国最严格空气质量管理区之一）运行。

美国白羊座清洁能源公司开发的生物质流化床气化技术在美国新泽西州项目，2019年开始建设，2022年底正式运行，设计处理规模为430吨/日，其中污泥约30吨/日，减量程度95%，灰渣(Bio-Fly-Ash?)产量约22吨/日。同时该公司开发的木质废弃物下行式气化，减量程度85%，产生Aries GREEN? biochar，生物炭在网站上直接面向公众售卖。

再来看看日本，在污染物减排和资源化利用的双重压力下，从上世纪90年代开始日本开始发展污泥炭化技术，宏观政策引导，行业机构、科研结构、技术企业等联合，陆续建设了一批中小型污泥炭化项目，先后出台了相关技术指引&手册、性能评价办法以及炭化产品JIS标准

2004年，下水道新技术推进机构和14家炭化技术企业——发布《炭化系统技术资料》，对这些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；

2010年，下水道新技术推进机构基金会和东芝股份有限公司——发布《污泥热分解燃料化系统技术手册》，2014年，市政污泥固体燃料的日本工业标准（JIS），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，此后燃料化利用成为日本污泥炭化资源化利用的主要方向，炭化工程案例总规模也超过了2000吨/日，下面说几个工程案例。

日本污泥热解炭化以低温和中温炭化为主，采用的炉型多为回转式，单线最大规模为150吨/日，出路主要以电厂燃煤替代燃料为主，高温炭化项目数量和规模都比较少，最终出路可以作为低品位活性炭用作吸附剂或者作为建材原料使用。

国内产学研合作开发始于2008年左右，2015年后呈高速增长趋势，从相关论文发表数量上来看可分为3个发展阶段， 萌芽期(2008及以前)、发展期(2009~2015)、高速增长期(2016~2020)。工程化应用从2017年以后开始加速发展，据不完全统计，国内已建和在建的污泥热解炭化项目接近20个，总规模近2000吨/日，总体上分三个流派，第一个是全套引进日本核心技术，关键设备进口，如鄂州洋澜湖综合治理污泥炭化项目；第二个是采用日本技术，但核心设备基本做到了国产化，如枝江田园牧歌项目；第三个采用国产技术，设备国内加工制造，如青岛即墨污泥炭化项目、安徽无为污泥炭化项目等。

介绍几个典型案例，第一个是武汉汤逊湖污泥炭化项目，设计规模10吨/日，这是国内最早引进日本巴工业技术的项目，80%含水率直接进入回转式直接干化机，干化后污泥刮板进入立式多段螺旋间接炭化炉，最终的炭渣主要用于园林绿化。

第二个典型案例是安徽无为污泥炭化项目，设计规模是50吨/日，技术提供方是浙江宜可欧，投资方为安徽通源，本项目结合国内污泥低热值的特点，将进泥含水率通过板框压榨机降低至60%，同时采用生物质颗粒代替天然气，整体运行成本得到较大幅度降低，由于烟气排放采用相对宽松的标准，烟气处理流程相对简单。

第三个典型案例是长沙经开区城北污水厂污泥项目一期工程，设计规模为50吨/日，技术提供方为湖南鼎玖，采用的是干化炭化一体炉，系统相对比较简单，中间输送环节比较少，目前该项目二期工程也已投入运行，设计规模120吨/日，同样采用干化炭化一体炉，运行成本相对较低，最终的炭渣产物比较多元，其中电厂燃料去向相对稳定且需求量最大。

第四个典型案例是青岛即墨污泥处置中心项目，该项目设计规模为 300吨/日，单线处理规模150吨/日，是国内单线规模最大炭化项目，北控水务投资控股。该项目采用国产技术，干化和炭化炉均为回转式，炭渣出路为建材制砖和营养土，由于该项目烟气排放执行垃圾焚烧大气污染物排放和山东地标大气污染物排放标准，所以烟气处理流程相对较长。目前运行比较稳定，综合成本在国内热法处理工艺中处于较低水平。

污泥热解炭化技术在污染物排放方面，与焚烧相比有明显的减排优势，污泥炭化物在资源化利用方面有良好的前景，该技术是替代污泥焚烧的重要技术之一。我国在污泥炭化技术引进吸收、工程示范等方面已经具有一定的基础，但在污泥热解炭化关键技术装备开发和工程推广应用等方面还存在较大的发展空间，相关标准规范尚需进一步完善。如果要使污泥炭化项目得到良性发展，我认为需要在以下几方面做好工作：

第二，要注重项目和设备设计细节：

第三，要打通末端出路：

以上内容请大家批评指正！

最后感谢美国TT公司江瑞原总工提供的美国热解和气化最新工程进展资料；本文中PPT部分内容也参考了北控水务杭世珺工作室牵头、联合同济大学和武汉普乐环境技术有限公司编制的《污泥碳化技术发展报告》！