污泥低温碳化与干化工艺对比研究

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1、污泥低温碳化与干化工艺的对比研究天津机电进出口有限公司史英君于洪江摘要：以一定含水率的污泥样本为研究对象，对比分析了利用污泥低温碳化工艺和污泥干化工艺处理污泥时在工作机理、能源消耗和运行维护等方面存在的差异，并展望了这两种工艺今后的发展趋势。研究结果表明：由于水的去除机理的不同，污泥低温碳化工艺的能源消耗成本不到污泥干化工艺的一半；在运行维护中，污泥低温碳化技术较污泥干化技术而言，具有碳化产物可再利用和运行成本低等明显的技术和经济优势。关键词：污泥低温碳化，污泥干化，对比，细胞裂解随着我国在污泥处理处置领域投资的不断

2、增加，促进了我国对污泥处理处置新技术的引进和开发。传统的填埋、堆肥工艺，由于二次污染、重金属污染等问题，使用场合受到很犬限制；焚烧工艺由于污泥的高含水率，需耍借助干化等工艺或者添加燃料才能实现能源的净输出；而污泥干化工艺以及新兴的污泥低温碳化工艺以减量化明显、无害化彻底、能够资源再利用等优势，在污泥处置行业得到广泛关注和迅速发展。1.工作机理1.1干化工艺水分的蒸发20世纪80年代,Moller,Sato以及Smollen等人对剩余污泥的干燥特性进行T研究，发现水分在剩余污泥中有四种存在形式：自由水分、间隙水分、表面

3、水分以及结合水分。干燥速率反映了水分与污泥固体颗粒结合的程度⑴。如图1所示：时间开始蒸发速率干固体结合水分表面丨间隙水分水分自由水分样品重量图1•污泥的干燥曲线对于脱水机脱水后的泥饼，自由水分已基木脱除，污泥的干燥速率主要表现为两个降速区域，分别对应间隙水分和表面水分，各部分水分含量大致为：间隙水55〜60%,表而水35〜40%,结合水2%左右卩⑶。污泥中水分的去除是由表而水汽化和内部水扩散这两个相辅相成、并行不悖的过程来完成的。湿污泥中水分先由污泥内部迁移至表面，然后再从表面汽化到空气屮。在干燥初始阶段，水分由污泥

4、内部迁移至表面的速率人于或等于水分从表面汽化的速率，污泥表面保持完全润湿状态，污泥温度恒定。随着干燥过程的进行，污泥内部水分迁移到表面的速率已经小丁•表而水分的汽化速率，污泥表而不能再维持全部润湿，而出现部分“干区"，当污泥全部表面都成为干区后，水分的汽化面逐渐向污泥内部移动，传热由空气穿过干料到汽化表面，汽化的水分又从湿表面穿过干料到空气屮，在此过程中，空气传给湿污泥的热量大于水分汽化所需要的热量，使得污泥表面的温度升高。王墙⑷、王伟Z⑸等人研究发现，污泥的干化能耗和粘壁特性与污泥的含水率密切相关。当污泥的含水率在

5、60〜35%之间时，为污泥的塑性阶段，具有胶粘相特征，此吋污泥为胶状，粘稠，细颗粒与脱水吋添加的高分子化合物形成联系异常紧密的团粒结构，能够冇效固结水分，降低蒸发效率，干化能耗急剧壇加，粘壁现象严重，很难干化。所以无论从降低能耗，还是减少干化过程屮粘壁结垢的发生，大多数全干化工艺都采用了干泥返混，以避开污泥的胶粘和特性。此外，干污泥颗粒起着“晶核"的作用，湿污泥包裹在干泥颗粒外面形成大颗粒，使污泥的干燥性能得到改善。干泥返混一般是将原含水率为80%左右的湿泥，经过添加相当于湿泥重量1〜2倍的已经干化到90%以上的干泥

6、细粉，将其混合至平均含水率40%左右。李爱民⑹、马学文⑺等人的研究发现，污泥的干燥特性和污泥的形状冇很大关系，球状污泥的干燥分为升速、恒速和降速3个阶段，从表面光滑、亮泽状态逐渐变得粗糙、暗淡。随着内层水分的迁移和扩散，污泥会产生裂纹，并有收缩、结团现象；而饼状污泥的干燥过程分为升速和降速2个阶段，在干燥过程中会分裂成许多小块，干燥面积增大。两种污泥最终的孔隙率均达到40%左右。总之，污泥干化工艺的本质是水的汽化蒸发，根据产物最终处置方式的不同，污泥干化产物的含水率可以取5〜30%,大多数工程实例采用的含水率为10%

7、。1.2低温碳化工艺水分的“流出”污泥低温碳化工艺中，污泥中的生物质细胞在温度210-260°C,压力4-6Mpa的条件下破裂，污泥屮的间隙水分、表而吸附水分等释放岀来。水的表而张力降低分子热运动加剧，胶体结构的凝聚力降低，同时由于电离常数增大、离子积变高，有机物的水解反应得以加速进行，构成菌胶团结构主体的大分子有机物水解成小分子有机物。在这些因素的共同作用下，污泥的胶体结构被完全破坏，大大改善了污泥的脱水性能凶。苟锐、王伟〔刃等人的研究发现，在温度170〜190°C,压力IMPa左右的条件下，污泥中的细胞破裂，微生

8、物絮体解散，有机物水解，降低了污泥固体颗粒对水的束缚作用，根本上改变了污泥屮的水分特征，大部分束缚水转变为自由水，单位固体颗粒的束缚水含量由3.6g/g降低至1.0g/g以下。所以，污泥低温碳化工艺的本质是细胞裂解技术，使污泥屮水的形态发生了根本变化，改善了脱水性能，经过常规的机械脱水，即可使污泥的含水率由80%降至50%左右，使污泥中75%的