污泥低温碳化燃料化技术

2021-10-16 11:46:18 2

  虽然我国污泥产量连年递增,但有效处理率依旧偏低。2015年底,全国有效处理率低于30%。随着污水处理量的增加,污泥产量在未来几年仍将保持上升趋势。目前,国内污泥市场处于起步阶段,大量污水厂污泥排放未达到相关标准。

  1、国内现状和发展概况

  目前,国内污泥处置方法多种多样,有卫生填埋、焚烧、土地利用、厌氧消化、生产建材等,由于受技术和经济制约,现阶段的污泥处置以卫生填埋(65%)为主。为满足各种地区污泥处理的需要,各种新型污泥处理处置方法不断开发出来,其代表技术之一就是污泥碳化。其原理是在缺氧或无氧条件下加热碳化污泥,使污泥中有机物裂解,生成主要由碳氢化合物组成的可燃挥发气体,利用可燃气体中能量干化污泥,充分利用污泥自身能量生产出化学性质稳定的污泥碳化物。

  立足于国内污泥处理处置现状,人们着眼于开发新型污泥低温碳化技术,将新型低温碳化技术与原有高温碳化技术形成高低搭配,以更好地适应污泥市场客户的多种需求,进一步降低碳化技术应用门槛,丰富碳化产物处置出路。

  2、研发目的与意义

  本研究目的是探索低温污泥燃料化,与现有高温碳化技术形成高低搭配,满足市场多种需求。有关研究表明,污泥低温碳化能获得发热量更高的污泥碳化物,比高温碳化在污泥燃料化上更有优势。我国火电厂众多,碳化燃料化作为污泥最终处置方式有极大保障。与火电厂直接掺烧污泥相比,运输和堆放环境更清洁,臭气更少,无污泥渗滤液问题。因碳化污泥发热量高于污泥,燃烧效率更高,可适当提高掺烧比,节约化石燃料。低温碳化还有助于二氧化碳减排,减少二�f英等有害气体排放。所以,有必要进一步探索、开发污泥低温碳化燃料化新方法。

  3、研发主要方法及工艺路线

  3.1 低温碳化条件基础研究

  将干化污泥(含水率20%)用管式炉进行碳化,炉温达设定温度后碳化一段时间,收集期间产生的气体,待炉体冷却至室温后停止通氮气,得碳化污泥。研究条件设置如下:碳化温度为250℃、300℃、350℃,碳化时间为0.5h、1.0h、1.5h。

  3.2 低温碳化产物基础研究

  对各条件下制备的碳化污泥进行下列基础分析。一是碳化污泥工业分析,用工业分析仪分别对各碳化污泥进行水分、挥发分、灰分和固定碳含量分析。二是碳化污泥元素分析,用元素分析仪分别测各碳化污泥样品中C、H、N、S、O含量。

  4、研发方法

  4.1 低温碳化条件基础研究

  取脱水污泥210g,于研钵中充分碾磨后,在恒温干燥箱内、45℃下烘干1h,制得干化污泥。破碎至粒径小于50mm的小块后于干燥皿中备用。取干化污泥10g于坩埚中,用管式炉进行碳化,升温速率10℃/min,炉温达设定温度后碳化一段时间,收集期间产生的气体,待炉体冷却至室温后停止通氮气,得碳化污泥。用碘值大小表征温度及时间对污泥碳化的影响,方法参照《木质活性炭实验方法碘吸附值的测定》(GB/T12496.8-1999)。

  碳化污泥制备条件设置如下:碳化温度为250℃、300℃、350℃(碳化时间1h),碳化时间为0.5h、1.0h、1.5h(碳化温度350℃)。

  4.2 低温碳化产物基础研究

  对4.1制备的各条件下的碳化污泥进行下列基础分析。

  4.2.1 污泥、污泥碳化物工业分析

  将原污泥、污泥碳化物(350℃)在45℃烘干后研磨至小于200μm,分别进行水分、挥发分、灰分和固定碳含量分析。

  4.2.2 污泥、污泥碳化物元素分析

  污泥、污泥碳化物元素分析采用热导法。样品的燃烧部分采用有机元素定量分析的C、H、N分析法,测原污泥、污泥碳化物(350℃)中C、H、N、S、O含量。

  4.2.3 污泥、污泥碳化物发热量测定

  将约1g空气干燥基样品置于氧弹测热计中,氧弹测热计内充满压力为2.6~3.0MPa的氧气,点火燃烧后冷却至样品初始温度(20~25℃),此时单位质量燃料所释放的热量即为弹筒发热量。此时,燃料中碳完全变为二氧化碳,氢燃烧并经冷却变为液态水,硫和氮在氧弹内瞬时燃烧温度达1500℃左右,与过剩氧作用生成SO3和NOx,并溶于置于氧弹内的水中形成H2SO4和HNO3并放出热量。样品的高位发热量=弹筒发热量-酸溶于水释放热量。

  5、研发结果

  5.1 低温碳化条件基础研究

污水处理设备__全康环保QKEP

  由图1可知,在250~350℃范围内将干化污泥碳化1h,随着温度的升高,污泥碳化物碘值呈上升趋势。这是因为随温度的升高,污泥中的有机成分分解更充分,会转化为更多的碳,进而形成更多的微孔。所以,在250~350℃范围内,温度越高,污泥碳化越完全。

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  在碳化温度350℃条件下,分别碳化0.5h、1.0h、1.5h,其碘值先增大后减小。在碳化时间为1h时,碳化物碘值最高,因为碳化时间过短,污泥没有充分热解,碳的转化率低,不能形成丰富的微孔结构,碳化时间过长,会造成污泥中碳的损失,还会使已形成的微孔烧结,导致碘值下降。

  5.2 低温碳化产物基础研究

  5.2.1 污泥、污泥碳化物工业分析

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  由表1可得,干化污泥、低温碳化污泥、高温碳化污泥水分、挥发分依次减少,灰分、固定碳依次增加。虽然低温、高温碳化污泥所含固定碳相差无几,但低温碳化污泥所含挥发分为高温碳化污泥的1.7倍左右,且其灰分含量比高温碳化污泥少15%左右,更利于燃烧,更适于做燃料。

  5.2.2 污泥、污泥碳化物元素分析

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  由表2可得,干化污泥、低温碳化污泥、高温碳化污泥的C、H、O、N、S含量依次减少。低温碳化污泥比高温碳化污泥含有更多的C、H、O元素,更易于燃烧,更适合做燃料。

  5.2.3 污泥、污泥碳化物发热量测定

  由表3可得,干化污泥发热量最高,高温碳化污泥发热量最低。碳化污泥发热量低是因为碳化过程中有大量挥发分析出。干化污泥发热量为负值可能是因为含水率相对较高的缘故。虽干化污泥发热量最高,但因有臭气产生,操作性不强,不宜投入使用,而高温碳化污泥虽无臭气问题,但发热量相对较低。综合来看,低温碳化污泥既没有臭气问题,又有相对较高的发热量,更适合做燃料。

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  6、结语

  本文研究了碳化污泥的最佳低温碳化条件,结果表明,最佳碳化时间为1h,最佳碳化温度为350℃。成分分析及元素分析表明,低温污泥碳化物比高温碳化污泥含有更多的挥发分、更少的灰分、更高的热量,更适合做燃料。虽然低温碳化污泥比高温碳化污泥自燃性高,但在可控范围之内,可通过适当喷水解决,安全性较好。低温污泥碳化物(固定碳含量约2.46%,热值约6MJ/kg,灰分含量约76%)与煤炭(固定碳含量40%,热值约23MJ/kg,灰分含量约20%)相比,还有很大差距,但与高温污泥碳化物(固定碳含量约2.47%,热值约3.5MJ/kg,灰分含量约80%)相比,有较大改善,产物发热量提高了近一倍。考虑到燃烧效率,其最好配合其他燃料进行掺烧使用,且对电厂炉型、粉尘和烟气处理系统、输送和储存等有更高要求。(来源:中节能博实(湖北)环境工程技术股份有限公司)

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