德國(guó)諾姆里希熱解污泥處理技術(shù)
Prof. Numrich GEV 曹臻/甄昕澤
隨著城市污水處理廠的普及和運(yùn)行，城市污水處理廠污泥產(chǎn)量快速增加。污泥含有病原體、重金屬和持久性有機(jī)物等有毒有害物質(zhì)，未經(jīng)有效處理處置，極易對(duì)地下水、土壤等造成二次污染，直接威脅環(huán)境安全和公眾健康，使污水處理設(shè)施的環(huán)境效益大大降低。如何解決污泥的處理處置出路，已成為世界各國(guó)城市發(fā)展過(guò)程中亟待解決的重大課題。
國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家污泥處理處置技術(shù)路線已相對(duì)成熟。特別是歐美國(guó)家技術(shù)手段先進(jìn)，相關(guān)的法律法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已比較完善。歐美國(guó)家將土地利用作為污泥處置的主要方式和鼓勵(lì)方向。土地利用主要包括三個(gè)方面：一是作為農(nóng)作物、牧場(chǎng)草地肥料的農(nóng)用；二是作為林地、園林綠化肥料的林用；三是作為沙荒地、鹽堿地、廢棄礦區(qū)改良基質(zhì)的土壤改良。由于運(yùn)輸距離、操作難度等客觀因素，污泥農(nóng)用量又遠(yuǎn)高于林用和土壤改良。另外，歐美普遍采用厭氧消化和好氧發(fā)酵技術(shù)對(duì)污泥進(jìn)行穩(wěn)定化和無(wú)害化處理，其中50%以上的污泥都經(jīng)過(guò)了厭氧消化處理。美國(guó)還另外建設(shè)了700多套好氧發(fā)酵處理設(shè)施，污泥的厭氧消化或好氧發(fā)酵為污泥的土地利用、尤其是農(nóng)用提供了較好的基礎(chǔ)。日本由于土地限制，污泥處理處置的主要技術(shù)路線是焚燒后建材利用為主，農(nóng)用與填埋為輔。近年來(lái)，日本開(kāi)始調(diào)整原有的技術(shù)路線，更加注重污泥的生物質(zhì)利用，逐步減少焚燒的比例。另外，很多國(guó)家將污泥定義為生物固體，十分重視對(duì)有機(jī)物的資源回收，包括從污水和污泥中回收磷和氮的資源。因此，除了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析外，碳足跡分析已成為國(guó)外比選和評(píng)價(jià)污水處理和污泥處理工藝技術(shù)路線的重要方法。
德國(guó)每年都會(huì)產(chǎn)生大約200萬(wàn)噸（干物質(zhì) - TS）的城市污泥。 目前，其中近一半用于農(nóng)業(yè)用途，其余部分是在單一或共同焚燒裝置中處理。 從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，德國(guó)政府已出臺(tái)聯(lián)合協(xié)議規(guī)劃和規(guī)定了農(nóng)業(yè)污泥利用減排。根據(jù)德國(guó)2017年10月污泥處理新規(guī)定，德國(guó)必須從污泥殘?jiān)刑崛?/font>80%的磷，磷在德國(guó)具有戰(zhàn)略性的意義，現(xiàn)在德國(guó)磷100% 靠進(jìn)口，所以規(guī)定各個(gè)污泥處理廠必須于2023年提交整改方案，只能生產(chǎn)能提取磷的污泥殘?jiān)�。這就意味著處理過(guò)程中污泥不能和其他物質(zhì)比如褐煤等混合燃燒，只能進(jìn)行單一燃燒或者熱解技術(shù)進(jìn)行處理。在世界范圍內(nèi)，磷是不可再生物質(zhì)，磷的回收是保護(hù)有限能源的大趨勢(shì)。
現(xiàn)處理污泥的常用方法是流化床燃燒技術(shù)。 該技術(shù)投資成本相當(dāng)高，只有相對(duì)較高的人員成本才能實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行。作為替代方案熱解技術(shù)已得到德國(guó)政府有關(guān)部門的認(rèn)可并加以推廣使用。
污泥熱解技術(shù)，是指生活或者工業(yè)污泥通過(guò)干燥后在熱解反應(yīng)器中通過(guò)絕氧高溫條件下把污泥轉(zhuǎn)變成高燃值的熱解氣以及短鏈碳物質(zhì)。生成的干燥污泥對(duì)地面不造成危害，可以直接進(jìn)行填埋，用于農(nóng)業(yè)堆肥或者做為提煉磷酸鹽等物質(zhì)的原材料。生成的熱解氣可以燃燒供系統(tǒng)的熱能利用或輸出發(fā)電。與傳統(tǒng)的污泥單一燃燒技術(shù)相比，熱解的特點(diǎn)是操作更簡(jiǎn)單，污染物排放更少。熱解設(shè)備可以模塊化組建, 顯示了較高的成本優(yōu)勢(shì)，并且操作簡(jiǎn)單。熱解技術(shù)較單一燃燒技術(shù)有較大的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，比如無(wú)二噁英的產(chǎn)生，固化重金屬，高能量利用以及低能量損失的特點(diǎn)。
盡管世界各地對(duì)污泥的處理處置和管理措施不盡相同，但最終的目的都是使污泥處理處置達(dá)到減量化、穩(wěn)定化和無(wú)害化后作為資源加以綜合利用。污泥是一種有價(jià)值的資源，穩(wěn)定化、無(wú)害化處理后再利用，既解決了污泥的出路問(wèn)題，又開(kāi)發(fā)了新的資源，滿足了可持續(xù)發(fā)展的需求。結(jié)合可持續(xù)發(fā)展的理念，污泥填埋處置技術(shù)將呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，而污泥作為一種有價(jià)值的資源，進(jìn)行穩(wěn)定化、無(wú)害化處理后再利用將是污泥處理處置技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
諾姆里希能源過(guò)程公司利用污泥熱解技術(shù)為德國(guó)能源康采恩EON集團(tuán)設(shè)計(jì)并組裝了污泥處理設(shè)備,運(yùn)行并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好。諾姆里希能源過(guò)程公司是集環(huán)�？蒲�、應(yīng)用、技術(shù)服務(wù)為一體的公司，以德國(guó)帕德伯恩大學(xué)為科研背景，擁有專業(yè)科研人員、幾年來(lái)的科研成果及多項(xiàng)國(guó)家級(jí)專利，在污泥處理領(lǐng)域有豐富的科研及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
熱解污泥處理技術(shù)工藝
1. 工藝過(guò)程描述
污泥處理采用“污泥干燥+熱解+自給自足（或燃?xì)獍l(fā)電）”的方案，處理后的污泥體積為初始污泥的5%-10%, 無(wú)毒無(wú)害，可進(jìn)行填埋處理（在德國(guó)達(dá)到可填埋的II級(jí); EWC代碼：19 01 18）或者可進(jìn)行園林綠化等土地利用。工藝采用脫水后的污泥首先被熱干燥，然后在氣密條件下熱解。 這種氣體中灰塵顆粒，有害物質(zhì)通過(guò)洗滌被凈化掉和汞和鎘等金屬在活性炭吸附器中被排掉。所產(chǎn)生的燃料氣體用作必要的熱干燥階段的能量源，實(shí)現(xiàn)熱能自給自足的過(guò)程。固體殘余物可以填埋，農(nóng)業(yè)肥料或用于磷酸鹽回收。（加總設(shè)備圖）
圖 1: 淤泥熱解設(shè)備圖
（1） 污泥干燥過(guò)程
預(yù)脫水污泥臨時(shí)放置在儲(chǔ)藏室中。脫水后的污泥連續(xù)被輸進(jìn)采用雙層加熱螺干燥器中。此干燥器污泥進(jìn)行直接熱置換。 此干燥器的設(shè)計(jì)使污泥內(nèi)外同時(shí)加熱與加熱介質(zhì)有充分接觸增大了傳熱效率，同時(shí)避免了粘性較大污泥在加熱過(guò)程中在加熱壁上的黏連。屏棄了帶式干燥器和傳統(tǒng)滾筒式干燥器，使用傳統(tǒng)滾輪式干燥器容易使粘性較大的物質(zhì)粘連在滾輪壁上從而影響導(dǎo)熱效果，使用帶式干燥器較難達(dá)到物質(zhì)充分干燥，此外存在安全隱患曾經(jīng)在德國(guó)的奧森那布呂克地區(qū)由于污泥中淀粉含量較高，用傳統(tǒng)的帶式干燥方法發(fā)生過(guò)燃燒現(xiàn)象。此項(xiàng)目使用的干燥器綜合換熱性能，效率，安全性以及設(shè)備成本都達(dá)到了最佳效果。高效污泥烘干含水率能有效的控制在5%-10%之間。干燥器煙氣在洗滌器中冷凝并去除灰塵顆粒，不會(huì)對(duì)大氣產(chǎn)生任何污染物， 洗滌水來(lái)自污水處理廠并循環(huán)使用。
圖 2: 舉例建成設(shè)備中的淤泥干燥設(shè)備
（2） 熱解過(guò)程
圖3: 舉例建成設(shè)備中的熱解設(shè)備
干燥的污泥隨后進(jìn)入熱解反應(yīng)器。 熱解過(guò)程在間接煅燒的反應(yīng)器中約400-500 °C的溫度下進(jìn)行。 在熱解過(guò)程中，在絕氧環(huán)境中形成了具有高熱值的短鏈烷烴和烯烴的氣體以及惰性氣體，避免了二噁英等有害氣體的產(chǎn)生。另外熱解氣中含有粉塵，油質(zhì)，重金屬（汞和鎘）以及其他有害物質(zhì)雜質(zhì)。其他熱解產(chǎn)物是惰性的無(wú)機(jī)質(zhì)碳質(zhì)殘?jiān)约俺玩k以外的重金屬元素，極其穩(wěn)定，在德國(guó)按照無(wú)害物進(jìn)行處理或者作為提取磷的原材料。
（3）洗氣吸附過(guò)程
在反應(yīng)器之后，為了熱解氣的再次利用以及排放氣體的清潔，熱解氣中的粉塵顆粒和有害物質(zhì)如（HCl，NH3 等有害氣體）必須在接下來(lái)的洗氣過(guò)程中被去除掉，熱解氣進(jìn)入氣體洗滌器以進(jìn)一步冷卻和凈化，重金屬如汞（Hg）和鎘（Cd）在活性炭吸附器中被吸附并處理，避免了對(duì)大氣的污染。 洗滌水從污水處理廠收集，并從洗氣裝置收集返回污水處理廠。
（4）能源再利用或燃?xì)獍l(fā)電
經(jīng)過(guò)洗氣后的合成燃?xì)饩哂泻芨叩臒嶂?/font> （實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)約6 KWh/kg），其主要成分為：甲烷、一氧化碳、氫氣、二氧化碳和氮?dú)?/font>�？梢匀紵�用于自給自足的能源利用，或者用于發(fā)電。從而大大降低了運(yùn)營(yíng)成本。熱解氣完全燃燒后的產(chǎn)物是二氧化碳，水蒸氣，氮?dú)�，氧氣等無(wú)毒無(wú)害氣體。經(jīng)過(guò)降溫，排放到大氣中。
4. 處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（來(lái)自EON的處理數(shù)據(jù)）
4.1未處理淤泥/濾餅
類型 2000 噸（每年）工業(yè)淤泥和1750噸（每年）城市淤泥的混合物
處理量 約 1 t/h（約 700 t/a）
干質(zhì)含量 25%
有機(jī)干渣 58%
4.2灰/熱解焦炭
數(shù)量 約100 kg/h
填埋級(jí)別 根據(jù)TA市政垃圾可填埋的II級(jí); EWC代碼：19 01 18
4.3熱解反應(yīng)后的合成氣
類型 熱解氣體
數(shù)量 約105 kg/h
熱值 約6-7 kWh/kg
摩爾質(zhì)量 約30 g/kmol
組成成分（重量比）
H2/N2 約10％
CO2 約30％
CO 約10％
鏈烷烴,烯烴 約50％
焦油/油 大約0.5％入口的濾餅
污染物（洗氣前）
Σ Schwefel 2620,0 mg/m³
Σ Chlor 14,1 mg/m³
Σ Fluor < 1,0 mg/m³
HCL 無(wú)法統(tǒng)計(jì); 最大值 HCL = Σ Chlor
H2S 1,4 mg/m³
HCN 10,7 mg/m³
NH3 631,0 mg/m³
NOx 120,0 mg/m³
顆粒 3,6 g/m³
污染物（鼓風(fēng)機(jī)后，負(fù)載1）吸附和洗氣）
污染物 負(fù)載 臨界值
HCL mg/m³ 4….15 10
H2S mg/m³ 0,2.…1,4 2)
HCN mg/m³ 2,0….11 2)
NH3 mg/m³ 0,3….630 2)
SF mg/m³ < 1 1
Hg mg/m³ 0,002……0,027 0,03
Cd mg/m³ 0,0082…..0,044 0,05
1）來(lái)源: Carl Fritz Noell – Konversionsverfahren, EF-Verlag, 1994
Numrich; VDI Wissensforum, Bamberg, Februar 2003
2) 低于質(zhì)量流量
4.4 焦油/油
處理 焦油和油在氣體洗滌器中冷凝并分離。
數(shù)量 約為濾餅的0.5％ 約5 kg/h（額定載荷1000 kg/h濾餅）
4.5冷凝水
4.5.1 流量中冷卻水的要求
溫度 25 °C
固體 k.A.
ph值 k.A.
質(zhì)量流量 7000 kg/h
4.5.2返回再利用冷卻水*負(fù)載
污染物 基于干物質(zhì) 總量 基于回流
(TS: 225 kg/h)
CSB 65,3 g/kg 14,7 kg/h 2.100 mg/l
Hg 67,4 μg/kg 21,9 mg/h 3,1 μg/l
Cd 21,3 μg/kg 4,8 mg/h 0,7 μg/l
N** 12,8 g/kg 2,9 kg/h 414 mg/l
溫度出口最大溫度 35°C
*以上數(shù)據(jù)基于城市污水污泥指南。在泥漿混合物可能偏離這些值。 值只能在期間的試運(yùn)行是絕對(duì)確定的。
**一般可以說(shuō)氮負(fù)荷在10-15％之間，5-10％的CSB負(fù)荷通過(guò)熱解與處理裝置入口有所增加。
5. 位置說(shuō)明
以經(jīng)驗(yàn)值，所建處理設(shè)備離污水處理廠的位置越近運(yùn)營(yíng)費(fèi)用越低。下圖所示紅點(diǎn)位置為污泥處理設(shè)備位置。
6. 技術(shù)優(yōu)勢(shì)
在前面已經(jīng)在技術(shù)論述中提到過(guò)整套流程和設(shè)備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，下面將從環(huán)保，過(guò)程工藝，設(shè)備，安裝，經(jīng)濟(jì)性幾個(gè)方面把整套設(shè)備流程的做以下總結(jié):
- 廢氣經(jīng)過(guò)洗氣吸附為無(wú)毒無(wú)害氣體 （二氧化碳，氧氣，水蒸氣，氮?dú)猓?/font>
- 污泥固體殘?jiān)鼮槎栊詿o(wú)機(jī)質(zhì)，狀態(tài)穩(wěn)定，在德國(guó)按無(wú)害處理，也可作為回收磷的原材料
- 洗氣水為污水處理廠廢水利用，產(chǎn)生廢水再返回污水處理廠，不會(huì)造成過(guò)程中污染
- 洗氣吸附過(guò)程去除部分重金屬以及氣體有害物質(zhì)
- 螺桿式加熱器比傳統(tǒng)非接觸性常用加熱器，如履帶式干燥器熱效率更高，不容易發(fā)生高溫過(guò)干設(shè)備堵塞
- 洗氣裝置可有效的去除熱解氣中的顆粒雜質(zhì)和有害物質(zhì)
- 根據(jù)處理量進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，占地面積小
- 設(shè)備設(shè)計(jì)模塊化統(tǒng)一化，投資小
- 能量自循環(huán)利用，外界耗能依賴少，運(yùn)營(yíng)成本低
