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污泥低溫碳化燃料化技術(shù)

2021-10-16 11:46:18 7

  雖然我國污泥產(chǎn)量連年遞增,但有效處理率依舊偏低。2015年底,全國有效處理率低于30%。隨著污水處理量的增加,污泥產(chǎn)量在未來幾年仍將保持上升趨勢。目前,國內(nèi)污泥市場處于起步階段,大量污水廠污泥排放未達到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

  1、國內(nèi)現(xiàn)狀和發(fā)展概況

  目前,國內(nèi)污泥處置方法多種多樣,有衛(wèi)生填埋、焚燒、土地利用、厭氧消化、生產(chǎn)建材等,由于受技術(shù)和經(jīng)濟制約,現(xiàn)階段的污泥處置以衛(wèi)生填埋(65%)為主。為滿足各種地區(qū)污泥處理的需要,各種新型污泥處理處置方法不斷開發(fā)出來,其代表技術(shù)之一就是污泥碳化。其原理是在缺氧或無氧條件下加熱碳化污泥,使污泥中有機物裂解,生成主要由碳氫化合物組成的可燃揮發(fā)氣體,利用可燃氣體中能量干化污泥,充分利用污泥自身能量生產(chǎn)出化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的污泥碳化物。

  立足于國內(nèi)污泥處理處置現(xiàn)狀,人們著眼于開發(fā)新型污泥低溫碳化技術(shù),將新型低溫碳化技術(shù)與原有高溫碳化技術(shù)形成高低搭配,以更好地適應(yīng)污泥市場客戶的多種需求,進一步降低碳化技術(shù)應(yīng)用門檻,豐富碳化產(chǎn)物處置出路。

  2、研發(fā)目的與意義

  本研究目的是探索低溫污泥燃料化,與現(xiàn)有高溫碳化技術(shù)形成高低搭配,滿足市場多種需求。有關(guān)研究表明,污泥低溫碳化能獲得發(fā)熱量更高的污泥碳化物,比高溫碳化在污泥燃料化上更有優(yōu)勢。我國火電廠眾多,碳化燃料化作為污泥最終處置方式有極大保障。與火電廠直接摻燒污泥相比,運輸和堆放環(huán)境更清潔,臭氣更少,無污泥滲濾液問題。因碳化污泥發(fā)熱量高于污泥,燃燒效率更高,可適當(dāng)提高摻燒比,節(jié)約化石燃料。低溫碳化還有助于二氧化碳減排,減少二?f英等有害氣體排放。所以,有必要進一步探索、開發(fā)污泥低溫碳化燃料化新方法。

  3、研發(fā)主要方法及工藝路線

  3.1 低溫碳化條件基礎(chǔ)研究

  將干化污泥(含水率20%)用管式爐進行碳化,爐溫達設(shè)定溫度后碳化一段時間,收集期間產(chǎn)生的氣體,待爐體冷卻至室溫后停止通氮氣,得碳化污泥。研究條件設(shè)置如下:碳化溫度為250℃、300℃、350℃,碳化時間為0.5h、1.0h、1.5h。

  3.2 低溫碳化產(chǎn)物基礎(chǔ)研究

  對各條件下制備的碳化污泥進行下列基礎(chǔ)分析。一是碳化污泥工業(yè)分析,用工業(yè)分析儀分別對各碳化污泥進行水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳含量分析。二是碳化污泥元素分析,用元素分析儀分別測各碳化污泥樣品中C、H、N、S、O含量。

  4、研發(fā)方法

  4.1 低溫碳化條件基礎(chǔ)研究

  取脫水污泥210g,于研缽中充分碾磨后,在恒溫干燥箱內(nèi)、45℃下烘干1h,制得干化污泥。破碎至粒徑小于50mm的小塊后于干燥皿中備用。取干化污泥10g于坩堝中,用管式爐進行碳化,升溫速率10℃/min,爐溫達設(shè)定溫度后碳化一段時間,收集期間產(chǎn)生的氣體,待爐體冷卻至室溫后停止通氮氣,得碳化污泥。用碘值大小表征溫度及時間對污泥碳化的影響,方法參照《木質(zhì)活性炭實驗方法碘吸附值的測定》(GB/T12496.8-1999)。

  碳化污泥制備條件設(shè)置如下:碳化溫度為250℃、300℃、350℃(碳化時間1h),碳化時間為0.5h、1.0h、1.5h(碳化溫度350℃)。

  4.2 低溫碳化產(chǎn)物基礎(chǔ)研究

  對4.1制備的各條件下的碳化污泥進行下列基礎(chǔ)分析。

  4.2.1 污泥、污泥碳化物工業(yè)分析

  將原污泥、污泥碳化物(350℃)在45℃烘干后研磨至小于200μm,分別進行水分、揮發(fā)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熱導(dǎo)法。樣品的燃燒部分采用有機元素定量分析的C、H、N分析法,測原污泥、污泥碳化物(350℃)中C、H、N、S、O含量。

  4.2.3 污泥、污泥碳化物發(fā)熱量測定

  將約1g空氣干燥基樣品置于氧彈測熱計中,氧彈測熱計內(nèi)充滿壓力為2.6~3.0MPa的氧氣,點火燃燒后冷卻至樣品初始溫度(20~25℃),此時單位質(zhì)量燃料所釋放的熱量即為彈筒發(fā)熱量。此時,燃料中碳完全變?yōu)槎趸?,氫燃燒并?jīng)冷卻變?yōu)橐簯B(tài)水,硫和氮在氧彈內(nèi)瞬時燃燒溫度達1500℃左右,與過剩氧作用生成SO3和NOx,并溶于置于氧彈內(nèi)的水中形成H2SO4和HNO3并放出熱量。樣品的高位發(fā)熱量=彈筒發(fā)熱量-酸溶于水釋放熱量。

  5、研發(fā)結(jié)果

  5.1 低溫碳化條件基礎(chǔ)研究

污水處理設(shè)備__全康環(huán)保QKEP

  由圖1可知,在250~350℃范圍內(nèi)將干化污泥碳化1h,隨著溫度的升高,污泥碳化物碘值呈上升趨勢。這是因為隨溫度的升高,污泥中的有機成分分解更充分,會轉(zhuǎn)化為更多的碳,進而形成更多的微孔。所以,在250~350℃范圍內(nèi),溫度越高,污泥碳化越完全。

污水處理設(shè)備__全康環(huán)保QKEP

  在碳化溫度350℃條件下,分別碳化0.5h、1.0h、1.5h,其碘值先增大后減小。在碳化時間為1h時,碳化物碘值最高,因為碳化時間過短,污泥沒有充分熱解,碳的轉(zhuǎn)化率低,不能形成豐富的微孔結(jié)構(gòu),碳化時間過長,會造成污泥中碳的損失,還會使已形成的微孔燒結(jié),導(dǎo)致碘值下降。

  5.2 低溫碳化產(chǎn)物基礎(chǔ)研究

  5.2.1 污泥、污泥碳化物工業(yè)分析

污水處理設(shè)備__全康環(huán)保QKEP

  由表1可得,干化污泥、低溫碳化污泥、高溫碳化污泥水分、揮發(fā)分依次減少,灰分、固定碳依次增加。雖然低溫、高溫碳化污泥所含固定碳相差無幾,但低溫碳化污泥所含揮發(fā)分為高溫碳化污泥的1.7倍左右,且其灰分含量比高溫碳化污泥少15%左右,更利于燃燒,更適于做燃料。

  5.2.2 污泥、污泥碳化物元素分析

污水處理設(shè)備__全康環(huán)保QKEP

  由表2可得,干化污泥、低溫碳化污泥、高溫碳化污泥的C、H、O、N、S含量依次減少。低溫碳化污泥比高溫碳化污泥含有更多的C、H、O元素,更易于燃燒,更適合做燃料。

  5.2.3 污泥、污泥碳化物發(fā)熱量測定

  由表3可得,干化污泥發(fā)熱量最高,高溫碳化污泥發(fā)熱量最低。碳化污泥發(fā)熱量低是因為碳化過程中有大量揮發(fā)分析出。干化污泥發(fā)熱量為負值可能是因為含水率相對較高的緣故。雖干化污泥發(fā)熱量最高,但因有臭氣產(chǎn)生,操作性不強,不宜投入使用,而高溫碳化污泥雖無臭氣問題,但發(fā)熱量相對較低。綜合來看,低溫碳化污泥既沒有臭氣問題,又有相對較高的發(fā)熱量,更適合做燃料。

污水處理設(shè)備__全康環(huán)保QKEP

  6、結(jié)語

  本文研究了碳化污泥的最佳低溫碳化條件,結(jié)果表明,最佳碳化時間為1h,最佳碳化溫度為350℃。成分分析及元素分析表明,低溫污泥碳化物比高溫碳化污泥含有更多的揮發(fā)分、更少的灰分、更高的熱量,更適合做燃料。雖然低溫碳化污泥比高溫碳化污泥自燃性高,但在可控范圍之內(nèi),可通過適當(dāng)噴水解決,安全性較好。低溫污泥碳化物(固定碳含量約2.46%,熱值約6MJ/kg,灰分含量約76%)與煤炭(固定碳含量40%,熱值約23MJ/kg,灰分含量約20%)相比,還有很大差距,但與高溫污泥碳化物(固定碳含量約2.47%,熱值約3.5MJ/kg,灰分含量約80%)相比,有較大改善,產(chǎn)物發(fā)熱量提高了近一倍??紤]到燃燒效率,其最好配合其他燃料進行摻燒使用,且對電廠爐型、粉塵和煙氣處理系統(tǒng)、輸送和儲存等有更高要求。(來源:中節(jié)能博實(湖北)環(huán)境工程技術(shù)股份有限公司)

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