污泥热解气化在资源化利用方面的研究

李海霞 王仁群

【摘 要】污泥是一种重要的可利用资源，由于污泥的产量日益增大，如不加以充分利用，不仅会严重破坏环境，还会造成资源的浪费。本文从污泥资源化利用方面着手，介绍了热解气化技术在污泥资源化利用的研究进展，并讨论了不同热解工艺和因素对热解产物的影响。简析了目前污泥热解气化方面存在的问题，并展望了其应用前景。

【关键字】污泥；热解；气化；资源化利用

中图分类号： X703 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）32-0077-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.035

【Abstract】Sludge is an important available resource， because of the increasing production of sludge， if it is not fully utilized， it will not only seriously damage the environment， but also cause waste of resources. In this paper， the progress of pyrolysis gasification technology in the utilization of sludge resources is introduced， and the influence of different pyrolysis processes and factors on pyrolysis products is discussed. The problems of sludge pyrolysis and gasification were analyzed briefly， and the application prospect of sludge pyrolysis was forecasted.

【Key words】Sludge； Pyrolysis； Gasification； Resource utilization

0 前言

随着我国污水处理能力和处理率的大幅度提升，污泥产量急剧增大，加剧了污泥处理处置的严峻性和紧迫性。[1-2]1995年，世界水环境组织决定用“生物固体”取代“污水污泥”的概念[3]，其详细定义为：“一种富含可利用有机物的污染物”[4]，强调了污水污泥具有回收利用的价值，使得污泥资源化、能源化的概念被广泛接受。2013年，我国污泥的年产量已达到4600万t，而且每年仍以10%的速率增加。如果对污泥不加以正确的处理，将会对人们的生活以及环境带来巨大的危害。将污泥视作为一种能源，并采用合适的工艺进行转化和利用，不仅能缓解我国能源紧张的局势，而且能减少利用过程中的环境污染问题[5]。

1 污泥的利用方式

为了有效利用污泥资源，人们开展了大量的研究。传统利用方式主要为提出了卫生填埋、农田施化、作为建筑材料。卫生填埋是一种对资源的严重浪费，还会对土壤以及地下水造成污染。而污泥生產建筑材料只能利用污泥中一小部分无机物，同时要消耗大量的能源蒸发污泥中大量的水分，产出与投入入不敷出，没有经济效益[6]。

传统利用方式不仅不能使污泥得到有效地利用，还会对环境带来二次污染目前，污泥的能源化利用方式主要为燃烧、厌氧消化制沼气、热解气化等。其中，燃烧能产生大量的热量，但产生的烟气中含有大量的 SOx、NOx、二噁英及重金属颗粒等有害物质，会对环境造成严重污染。污泥的厌氧消化可以制沼气，对能量进行回收利用，但厌氧消化工艺由于投资高，工艺复杂，且没有得到较好的普及应用。作为污泥稳定化的手段之一，污泥厌氧消化产生的沼气未得到充分利用[7]。消化污泥的有机物和含水率依然很高，需作进一步处置。而污泥热解可以得到可燃性气体，生物油，以及生物炭，产物能够作为能源或者生产材料进行利用，对环境不会造成二次污染，是一种环保高效的污泥处理并资源化利用的方法，能实现对污泥的全面利用，是一种很有前景的污泥资源化利用手段。

2 热解过程影响因素研究

2.1 温度的影响

温度是影响污泥热解产物组成的最主要的外部因素，既可以影响初次分解产物的生成，又可以影响挥发分的二次裂解反应。热解产物的比例与反应终温的高低有很大关系。一般来说，生成气体的活化能最高，固体半焦最低。因此，高温有利于热解气体的生成。

目前的污泥热解主要分为两个温度段：低温热解 （<500℃）和高温热解（500～1000℃）[8]。国内大部分研究均侧重于低温热解，有研究认为，污泥在低温下热解转化率较低，温度升高可使污泥转化率大大提高。Philipp发现当温度高于650℃时，焦油的转化率逐渐提高，当热解温度达到900℃，焦油转化率达到88%。

通过利用流化床反应器对市政污水污泥在不同温度区间进行了热解实验研究。结果表明，反应温度增高，使得液相产物将进行二次分解，有利于气相产物的生成，当温度为550℃时，产物中液相产率达到最大值50.35%；热解温度为950℃时，热解产物中气相产率达到最大值51.58%。

微波反应器对污泥进行了热解研究时，考察了在不同热解温度下产物的组分以及N元素在产物中的分布情况。实验结果表明，采用微波对污泥进行热解快于常规的热解速率，在500℃以上，相对于传统电加热热解，微波热解可以产生更多的生物气，但油相产物有所降低。热解温度对N元素在热解过程中的转移起着主要的作用。

2.2 升温速率的影响

一般认为，污泥的热解分为两个基本步骤，1.污泥中的挥发在升温过程中先分解为较小的有机物；2.小的有机份将发生二次裂解，产生更小的碳氢化合物和气体，所以升温速率是影响污泥热解产物的重要因素之一。增大升温速率，污泥颗粒加热至热解温度的时间减少，有利于热解反应；但升温速率过大会使得颗粒内外的温差变大，热滞后明显，影响颗粒的热解反应。

2.3 含水率的影响

污泥的特点之一就是含水量大，研究含水率的大小对污泥热解的影响具有很大的意义。一般认为，水的存在有利于污泥热解产物中气相产物的生成，尤其是富氢气体的生成，不同含水率将会对产物中气相的组分有着不同的影响。提高含水率可以促进热解产物的蒸汽重整反应以及焦炭的气化反应，使得 H2的体积比以及气体产量显著增加；同时污泥的含水率和热解温度对产物的组分有着显著的影响； 陈浩等对城市污水污泥进行了微波热解实验的研究，污泥的含水率越高，产物中的气相成分越多；

2.4 催化剂的影响

催化剂的添加可以加快反应的进行，促进目标产物的生成，而且能降低反应温度，减少反应时间，能有效地减少能耗。不同催化剂对热解过程以及产物有着不同的影响，许多研究者对不同的催化剂在热解反应中的作用以及影响进行了广泛的研究。

以复合氧化铝为催化劑时，催化剂的存在可以加强二次裂解，促进初级产物之间的相互作用，并减少有机化合物的生成。催化剂的添加可以降低反应温度，这对降低能耗、节能减排具有积极的意义。

考虑添加剂CaO对污泥中N元素在反应中转移的影响时，污泥中大量的N元素将以氮气的形式释放，有效地减少了NOx的生成，并且能促进可燃性气体的生成，减小了污泥热解对环境造成的污染，这对实现污泥热解资源化具有重要的意义。

以矾土、白云石以及橄榄石为催化剂，考察了不同催化剂的添加对污泥热解产物的影响。实验结果表明，当以白云石作催化剂时，产物中焦油含量最小；催化剂和水蒸气的存在能有效促进产物中氢气的生成；三种催化剂均能提高污泥中炭的转化率，提升产物中可燃性气体的含量，使产物中气体的热值增加。

3 结语

在资源严重匮乏的当今，污泥的资源化利用已得到人们的重视。污泥热解是污泥资源化利用中效率最高的途径，污泥热解不仅能产生可燃性气体，还能制备生物油和生物炭，使污泥真正得到了全面的利用。但目前污泥的热解仍然存在一些缺点，如污泥预处理成本高，热解设备比较复杂，运行费用太高，热解的详细机理尚不清楚等，而使其大规模利用得到了限制。随着热解技术研究的不断深入和新型材料的开发，上述瓶颈性问题将逐步得到解决，热解在污泥处理与资源化利用领域中的应用也将越来越广泛。

【参考文献】

[1]徐亚静.城市污泥处理的综合分析[J].环境与生活， 2014，18：73-75.

[2]张勇.我国污泥处理处置现状及发展前景[J].中国资源综合利用，2014，10（32）：23-26.

[3]Federal W E. Biosolids Composting：A Special Publication[M]. Alexandria： Water Environment Federal， 1995.

[4]周少奇.城市污泥处理处置与资源化[M].广州： 华南理工大学出版社， 2002.

[5]程芳，亓恒振.污泥处理与处置技术研究进展[J].环境研究与监测， 2014，27（3）：75-76.

[6]de Andrés J M， Narros A， Rodríguez M E. Air-steam gasification of sewage sludge in a bubbling bed reactor： Effect of alumina as a primary catalyst[J]. Fuel Processing Technology， 2011， 92（3）：433-440.

[7]邓文义，于伟超，苏亚欣.污泥微波热解过程中 CaO， ZnCl2和水蒸气对富氢气体生成特性的影响[J].东华大学学报自然科学版，2014，40（5）.