市政污泥炭化时间与温度研究

程俊 ，何光亚 ，周盈盈 ，夏坤 ，张娜

（安徽省通源环境节能股份有限公司，安徽 合肥 230031）

1 引言

随着我国经济的不断发展，污泥产量急剧增加。由于污泥具有产量大、不稳定、易腐败、有恶臭、含有毒有害物质的特点，因此如何有效、经济地处置污泥和实现污泥资源化已经成为我国面临的一个无法回避的问题[1.3.4.5]。

依据城市污泥富含有机物和较高的热量，将城市污泥变废为宝，炭化技术已成为实现污泥“四化”的新手段[2]，以其投资少、占地面积小、无二次污染等优势，近年来受到了我国污泥处置市场的广泛关注。

本文对污泥炭化技术中的工艺条件进行了研究，通过开展探索实验，考察了炭化产物的相关指标随炭化温度和时间的变化规律，可以为炭化技术的应用进一步提供数据支持和理论指导。

2 污泥炭化技术研究

2.1 污泥炭化工艺流程

炭化利用污泥中有机物的热不稳定性，通过绝氧条件下加温，使污泥中的细胞裂解，将其水分释放出来，使污泥中的有机物产生热解，形成利用价值较高的气相和固相，同时最大限度地保留了污泥中炭质的过程，因此，污泥炭化既能利用自身能源，减少能量消耗，同时产生的泥化炭可以改良土壤，具有很好的应用前景。

脱水污泥经输送装置送至混合式污泥干化炉，在160℃～200℃烘干处理，污泥含水率降低到20%左右，完成干化过程。干化污泥通过输送螺旋机送至外热式炭化炉，在炭化炉内，通过炉壁完成与高温烟气之间的间接换热，完成炭化过程，炭化产物从炭化炉的尾部排出后，经冷却输送装置降温冷却后排出，最后实现资源化利用。炭化温度一般控制在550℃～650℃左右，污泥炭化停留时间约为30min～50min。

二次燃烧炉利用生物质燃烧产生的高温烟气对炭化炉进行加热，加热完成后的烟气进入干化炉内与湿污泥直接接触加热，同时辅助燃烧炉产生的热烟气通过炉壁对干化炉内的污泥进行加热。炭化产生的裂解气则送入二次燃烧炉燃烧，充分利用污泥有机质的热量，能够起到节能降耗的作用。

2.2 炭化工艺研究与结果分析

炭化温度和时间是对炭化产物起关键影响的工艺指标，其直接影响产物的减量率和工艺经济性，同时影响产物的颜色、有机质含量和热值[6]，本文通过一系列实验探索炭化温度和炭化时间对炭化产物的影响规律。

第一阶段实验分别在 200℃、300℃、400℃、550℃、700℃下对干化污泥进行实验，炭化时间为30min。通过比较炭化产物的颜色可以发现，干化泥为棕黄色，在200℃炭化时，产物颜色整体变深，少数大颗粒的干化泥变为黑色，说明炭化效果不明显；在300℃炭化时，炭化物颜色整体都变成黑色，只有少数大颗粒干化泥仍然呈棕黄色；在400℃、550℃、700℃炭化时，炭化物颜色均为黑色，如下图所示：

将有机质含量与减量率（减量率=炭化前后污泥减少量/炭化前干化污泥量）对炭化温度进行对比发现：在同一个炭化温度下，有机质含量与热值随着温度的升高逐渐降低，减量率则随着温度逐渐升高，但是在温度升高至550℃后，有机质含量、热值和减量率的变化幅度并不大。同时综合考虑炭化产物的颜色，炭化过程较适宜的温度应在300℃～550℃之间。

第二阶段在优化得到适宜温度的基础上，考察不同温度下炭化时间对炭化产物的影响。本实验在300℃、400℃和 550℃下分别炭化 8min、15min、30min和60min，分别将300℃、400℃和550℃下不同炭化时间的热值和减量率对比发现：不同炭化温度下，炭化过程的减量率均在上升，热值均在下降，但是随着时间的推移，上升或下降的速度都在逐渐放缓，对于400℃和550℃时，炭化30min之后，热值和减量率的变化幅度已经很小，说明相对易脱出的挥发分已经基本脱出完毕。在300℃的温度下，炭化30min后仍然有小幅上升。因此可以分析得到，温度越高，脱除挥发分越快，脱出的挥发分也越多，剩余的炭化产物越少，相应的热值也就越低。

对于炭化技术，其炭化温度越高，炭化时间越长，所需要的外热能源越多，经济成本也就越大，因此在能够对污泥实现炭化的前提下，降低炭化温度和减少炭化时间都对能够提高工艺的经济性。根据两个阶段的实验结果，为提高工艺经济性，兼顾项目减量率要求，可对炭化的工艺进行优化，适当降低炭化的温度，并缩短炭化时间，相对优化的温度为400℃～450℃，炭化时间为20min～30min。通过调整工艺参数，可以减少外来能源的消耗，降低炭化的能耗，提升工艺的经济性。

3 污泥炭化产物的重金属赋存形态

实验测定干化污泥中砷、铬和铜以残渣态为主，而铅主要以残渣态和可还原态存在。镉和锌的酸可溶态含量最高，稳定性较差。炭化污泥中铬、铅和砷以残渣态为主，镉和锌的形态赋存含量为残渣态＞可氧化态＞可还原态＞酸可溶态；铜主要以可氧化态和残渣态存在。

对比干化污泥和炭化污泥中各金属形态的含量，炭化污泥中重金属可氧化态和残渣态含量之和占总量比例明显高于对应的干化污泥。这表明污泥炭化可使重金属形态从较活跃的酸可溶态和可还原态向较稳定的可氧化态和残渣态转化[7-8]，降低金属的浸出型和生物有效性，降低环境风险。

4 结语

随着生活水平的提高及精神文明的建设，人们的思想观念发生改变，污泥处置要求及政府政策导向愈来愈严格，污泥处置逐渐向有效利用、实现资源化发展，污泥炭化技术的优势会越来越明显。

本文介绍了污泥炭化的工艺流程与部分工艺参数，对污泥炭化技术生产中的工艺条件进行了实验研究，探索得到炭化产物随炭化温度和炭化时间的变化规律，并为炭化工艺的优化提供了实验数据和理论支撑；另外，以安徽无为县城镇污泥炭化项目为研究对象，通过工艺优化同时能够提升炭化装置的产能和经济效益，进一步提升炭化技术的市场化能力。