城市污泥热解中试系统集成一体化研究及运行效果评估

第7卷第9期环境工程学报Vol．7，No．92013年9月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringSep．2013城市污泥热解中试系统集成一体化研究及运行效果评估常风民1，2王凯军1*汪翠萍1俞金海1盛守祥1(1.清华大学环境学院，北京100084;2.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京100083)摘要为了促进城市污泥热解工艺的工程化应用，组建了污泥热解系统、热解产物分离回收利用系统、废气净化排放系统于一体较完整的热解中试装置，在实现污泥有效处置的同时也实现了高值能源回收利用。中试工况优化，较好工况为:热解时间30～40min，热解终温450～500℃，在此条件下，干化污泥(含水率5%)减量率为50%;热值为33.8MJ/kg的热解油产率为17.1%左右。通过对中试运行效果的评估，得出热解油和热解气两者能量或污泥炭自身能量可供干化污泥热解本身所需能量，从而为推动污水污泥热解工艺的工程化利用提供了支持。关键词污泥热解中试集成效果评估中图分类号X705文献标识码A文章编号1673-9108(2013)09-3583-06Pilot-scaleintegrationstudyonpyrolysissystemofmunicipalsludgeandoperationaleffectivenessevaluationChangFengmin1，2WangKaijun1WangCuiping1YuJinhai1ShengShouxiang1(1.SchoolofEnvironment，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China;2.DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Beijing100083，China)AbstractTopromoteengineeringapplicationofmunicipalsludgepyrolysistechnology，pilot-scalesludgepyrolysisdeviceintegratedsystemsweresetuptostudytheeffectivenessofsewagesludgepyrolysis．Theexperi-mentshowedthatthebestfinaltemperaturewas450～500°Candresidencetimewas30～40min．Undertheconditions，50%reductionrateofdriedsludgeand17．1%yieldofpyrolysisoilwith33．8MJ/kgofcalorificval-uewereobtainedbyoptimization．Throughenergybalanceanalysis，energyproducedfrompyrolysisoilandgastogetherorjustfromsewage-charisalmostsufficienttosupplytheenergyrequiredforsewagesludgepyrolysis，thenthiscouldacceleratetheengineeringapplicationofsludgepyrolysisprocess．Keywordssludgepyrolysis;pilot-scaleintegration;effectivenessevaluation基金项目:国家“863”高技术研究发展计划项目(2009AA064704)收稿日期:2012－05－31;修订日期:2012－09－19作者简介:常风民(1974～)，男，博士研究生，主要从事固废资源化和污水处理方面研究工作。E-mail:[e-mail]*通讯联系人，E-mail:[e-mail]随着城镇化过程的加快，污水处理量大幅提升，污水处理的副产品———城市污泥产量也急剧增加。截止2010年底已建设污水处理厂2800余座，城镇污水处理量已达到300多亿m3，处理废水而产生的污泥量达3000万t左右。随着污水处理厂的快速建设和污水处理排放标准的提高，污泥量还会急剧增加，初步推算“十二五”期间全国干污泥产量约为1200万t左右，湿污泥(80%含水率)6000万t［1］。而长期以来，我国一直由于“重水轻泥”的思想认识，污泥的处理技术比较落后，主要以填埋、农田利用为主，2010年污泥填埋占到62.4%、农田利用10.6%［2］，城市污泥中污染物易对土壤和地下水造成污染，且排放的CH4对环境产生严重的温室效应，这样的处理方法受到很大限制，也造成了资源浪费。污泥焚烧现是被国内外认可的一种处理方式［3］，但随着环境保护标准的提高以及焚烧易产生二恶英类物质等有毒有害气体，也受到人们的质疑［4，5］。污泥处理新工艺热解技术是在无氧环境条件下对污泥进行加热，使污泥中的有机物进行热裂解和热化学分解反应，生成热解气、热解液和热解炭。由于污泥热解是在无氧条件下进行，这样就抑制了二恶英类物质等有害气体的产生［6-8］;热解气和热解液可作为热解本身的能源供应［9-11］;生成低廉的热环境工程学报第7卷解炭可用作污水、废气处理的吸附剂［12-15］，从而达到污泥处理消耗较少的额外能源，同时也为污水及烟气处理提供原料。但目前国内研究污泥热解技术大部分还处于实验室和中试阶段，为了促进污泥热解技术工程化应用，本研究构建了污泥热解、产物分离回收利用、废气净化排放系统于一体较完整的热解中试装置，并进行了工况优化和运行效果评估。1中试系统描述中试设备采用自行设计的管道外热式热解炉对北京某污水处理厂干化污泥进行热解，工艺主要由热解反应系统、物料输送系统、热解液气分离回收利用系统、烟气净化系统和调控监测系统等组成，中试设备装置如图1所示。图1中试设备组装图Fig.1Schematicoftheplotapparatus1.1热解反应系统热解反应系统主要包括燃烧器、热解炉等。热解炉采用简易的管道外热式，日处理能力为2t/d(含水率为80%污泥)。实验期间，燃料主要由柴油作为能源，污泥热解自身产生的热解油和热解气作为补充能源。1.2输送物料系统物料输送主要依靠螺旋转动，进料通过管道输送到热解炉，出料采用双阀门和水封相结合方式，达到密封无氧条件。热解液气混合物通过引风机和自身产生的压力返炉膛燃烧提供能量。1.3液气分离回收系统液气分离系统采用灵活的双管道路径，其中一条路径将热解液气混合物直接返炉膛燃烧，为自身提供能量;另一条路径是通过两级分离器、多级除雾网和两级冷凝器对热解液气混合物进行冷凝分离，回收易储存、易运输的热解液，只有非凝性气体回炉膛燃烧为热解装置提供能量。1.4烟气净化系统烟气净化系统主要为处理燃料和热解气燃烧过程产生的粉尘和部分恶臭气体，因此，在烟气处理系统中安装碱式喷淋塔和污泥炭吸附床对烟气进行净化处理。2物料与实验方法2.1实验方法首先加热炉温到设定温度，然后均匀连续加料，保持热解炉填充率30%;改变螺旋转速，调整污泥停留时间分别为30、40和50min;改变燃烧器燃烧时间控制热解炉温分别在400、450和500℃。2.2样品制取物料取自北京某污水处理厂干化污泥，直径为1～2mm左右的球状颗粒;每个工况连续运行下，从出料箱取出30min所产的污泥炭，取3次;从分离器和冷凝器的储液箱取出对应30min所产的热解液混合后取样，测定后取平均值。2.3分析方法工业分析、元素分析、热值以及重金属测定由具有资质的监测机构监测;碘值采用国家标准《煤质颗粒活性炭实验方法-碘吸附值的测定》(GB/T7702.7)。2.4物料性质物料性质对热解工况及产物性质影响较大，对给料进行了工业分析与元素分析，水分和灰分分别为5.54%和29.87%，这部分为不可燃成分，基本不提供能量;挥发分和固定碳为可燃成分，分别为64.79%和5.34%，可燃成分较高，污泥干基热值为16.08MJ/kg。从元素分析知，碳和氢的份数分别为38.02%和4.97%，这部分是原料和产物热能主要提供者，氧、氮和硫分别为15.11%、5.75%和0.94%，这部分对产物的利用产生不利影响。3中试实验污泥中温热解(＜600℃)主要是污泥中挥发分分解，污泥质量减小，挥发分主要转化成热解液。因此在工况优化时，污泥减量和热解液产量(含水率4853第9期常风民等:城市污泥热解中试系统集成一体化研究及运行效果评估一定情况下)作为主要的考核指标。3.1中试实验运行依据实验室的小试实验和其他研究者的研究结果表明［16-19］，污泥热解主要因素是热解温度和热解时间，其在热解温度400～500℃，热解时间30～40min条件下，污泥的减量率较高，易储存、易运输的热解液产量最大，污泥炭的吸附能力最强。小试的热解温度(热解时间30min)对三者的影响如图2所示。图2小试产物产量和碘值随热解温度的变化Fig.2Variationofyieldofproductionandiodinenumberofsludge-charwithpyrolysistemperatureinbatchtests由图2可知，在450℃前，固体减少量、热解液产量和污泥炭碘值随温度增加而增加，主要由于污泥中挥发分被转化成热解液或热解气，从而固体量减少，热解液增加，同时挥发分的分解也有利于污泥炭微孔结构的形成，使污泥炭碘值升高。而450℃后，挥发分大部分分解，固体中主要剩余的是难分解的灰分和固定碳，而温度再升高，热解液就会发生二次分解形成热解气，使热解液的产量减少。同时污泥炭的空隙也从微孔变成中大孔，使污泥炭的碘值降低。从小试实验结果看出，热解温度450℃是重要的一个转折点，因此中试的热解温度定在450℃、热解时间在30min附近(热解时间对三者影响变化不显著，此处不再列表解释)进行优化。3.2不同工况下的固相减量率图3为物料在9种热解工况下的减量情况，由图3可知，在500℃/30min、500℃/40min和450℃/40min3种工况下，污泥减量率较高。在热解终温500℃时，热解时间40min与30min污泥减量率变化不大，因此可以选定500℃/30min工况。在450℃/40min污泥减量率也接近50%，热解终温较低，但热解停留时间较长。从污泥减量化考虑，450℃/40min、500℃/30min的工况较好，即热解终温450～500℃、热解时间30～40min，这与小试的运行条件基本一致。图3在不同工况下的污泥减量率Fig.3Sludgereductionrateunderdifferentoperatingconditions3.3不同工况下的热解液产率分布图4描述了热解液与热解终温、热解时间的变化关系。由图4可知，450℃/40min和500℃/30min这2个工况的热解液产率明显较大，产液率超过30%。这与污泥减量率在这2个工况较大相一致。主要是污泥中挥发分在这2个工况下转化成的热解液较高，从后面工业分析可知原料减少量(50%以上)都是挥发分，30%转化成热解液，20%转化成热解气或泄漏。从污泥减量化和产液率考虑，城市污泥热解中试运行较好的运行条件为热解终温为450～500℃，热解时间为30～40min。图4在不同工况下的热解液产率Fig.4Yieldofliquidunderdifferentoperatingconditions4中试结果评估4.1中试与小试特性比较评估取中试和对应小试的工业分析、污泥减量率、热解液产率、污泥炭的元素构成及热值、热解液热值进行比较，考察中试的运行效果与小试的差异，如图55853环境工程学报第7卷(DS:干化污泥;SCⅠ:450℃/40min工况的污泥炭;SCⅡ:500℃/30min工况的污泥炭;小试SCⅠ:小试450℃/40min工况的污泥炭)图5干化污泥和污泥炭