1 什么是污泥碳化
市政污泥中含有可燃物質(zhì)，尤其是生化污泥（二沉池排出的剩余污泥），由于其中含有大量的活性污泥細菌，可燃物質(zhì)量更大。根據(jù)上海、天津等地的污泥發(fā)熱量試驗，中國市政污泥中的發(fā)熱量約為2200－3300大卡/噸干物質(zhì)。其中消化后的污泥發(fā)熱量較低，一般僅為未消化污泥的70％左右。夏季污泥的發(fā)熱量比冬季低。
所謂污泥碳化，就是通過給污泥加溫和加壓，使生化污泥中的細胞裂解，將其中的水分釋放出來，同時又最大限度地保留了污泥中碳質(zhì)的過程。污泥碳化的優(yōu)勢在于，污泥碳化是通過裂解方式將污泥中的水分脫出，能源消耗少，剩余產(chǎn)物中的碳含量高，發(fā)熱量大，而其它工藝大多數(shù)是通過加熱，蒸發(fā)的方式去除污泥中的水分，耗能大，灰分中的碳質(zhì)低，利用價值小。
1.2 污泥碳化的發(fā)展世界上污泥碳化技術(shù)的發(fā)展分為以下三個階段。
（1）理論研究階段（1980－1990年）。
這個階段的研究集中在污泥碳化機理的研究上。這個階段一個突出特點就是大量的專利申請。Fassb ender, A.G等人的STORS專利，Dickinson N.L污泥碳化專利都是在這期間申請和批準的。
（2）小規(guī)模生產(chǎn)試驗階段（1990－2000年）。
隨著污泥碳化理論研究的深入和實驗室試驗的成功，人們開始思考將污泥碳化技術(shù)轉(zhuǎn)變成為真正商業(yè)化污泥處理的裝置。在大規(guī)模商業(yè)化之前，為了減少投資風險，需要對該技術(shù)進行小規(guī)模生產(chǎn)性試驗（Pilot Trial）。通過這些試驗，污泥碳化技術(shù)開始從實驗室走向工廠。這期間設計和制造了許多專用設備，解決了大量實際工廠化的技術(shù)問題。這個階段的特點如下：
規(guī)模小。例如1997年日本三菱在宇部的污泥碳化廠規(guī)模為20噸/天；1992年，日本ORGANO公司在東京郊區(qū)建了一個污泥碳化試驗廠；1997年Thermo Energy 在加利福尼亞州Colton市建立了一個污泥碳化實驗廠規(guī)模為每天處理5噸干泥。
試驗資金來自大公司和政府，而不是商業(yè)用戶。例如，在日本的試驗均來自大公司，在加州的試驗資金是來自美國EPA。
（3）大規(guī)模的商業(yè)推廣階段（2000－）。
除了污泥碳化技術(shù)逐漸成熟的因素以外，導致污泥碳化技術(shù)大規(guī)模商業(yè)推廣還有其他因素。
在日本，80％的污泥的最終處置方法是焚燒。但由于近年來發(fā)現(xiàn)焚燒存在二惡英污染的隱患，所以日本環(huán)保部門對焚燒排除的氣體提出了更加嚴格的要求，使得本來成本就很高的焚燒工藝的成本更加提高。為了取代焚燒工藝，目前，日本已經(jīng)有多家公司生產(chǎn)和銷售碳化裝置。比較著名的有荏原公司的碳化爐，三菱公司橫濱制作所的污泥碳化裝置，巴工業(yè)公司每天處理10噸，30噸的污泥碳化裝置。2005年日本東京下水道技術(shù)展覽會上，日本日環(huán)特殊株式會社甚至推出了標準的污泥碳化減量車。該車可以隨時到任何有污泥的場所對污泥進行碳化。這些發(fā)展表明，碳化技術(shù)已趨于成熟。同時可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。
在美國，很多州的污泥過去都采用填埋。由于發(fā)現(xiàn)污泥中包含的有害物質(zhì)對地下水的污染，未處理污泥填埋后造成填埋場對環(huán)境的危害，美國EPA頒布了新的填埋標準。過去的未達標的污泥（Class B污泥）將不再允許填埋，只有達標污泥（Class A污泥）才允許填埋。這項標準的頒布，使得現(xiàn)有的污水處理廠只有投入巨大的污泥處置成本，才能對其污泥進行處置。另外，現(xiàn)有的填埋場已經(jīng)接近飽和，開辟新的填埋廠越來越困難。為了達到EPA新的污泥處置標準和解決填埋場逐漸用盡的問題，2000年以后，在美國各個州，各個縣（County）的政府內(nèi)都建立了專門的污泥處置研究機構(gòu)，對可能的解決方案進行可行性研究。在研究了一些傳統(tǒng)的污泥處置方案（如焚燒，堆肥，干化）的同時，新的污泥碳化技術(shù)開始進入了政府的考慮范圍，例如在南加州大洛杉磯地區(qū)，經(jīng)過近2年的考察、比較，已經(jīng)決定要建立一個每天處理675噸污泥的碳化廠，由能源技術(shù)公司（Enertech Environmental Co.）建設、運行。
1.3污泥碳化的分類:
（1）高溫碳化
碳化時不加壓，溫度為1,200 – 1,800°F（649－982℃）。先將污泥干化至含水率約30％，然后進入炭化爐高溫碳化造粒。碳化顆粒可以作為低級燃料使用，其熱值約為2000－3000大卡/公斤（在日本或美國）。技術(shù)上較為成熟的公司包括日本的荏原，三菱重工，巴工業(yè)以及美國的IES等。該技術(shù)可以實現(xiàn)污泥的減量化和資源化，但由于其技術(shù)復雜，運行成本高，產(chǎn)品中的熱值含量低，目前尚未有大規(guī)模的應用。最大規(guī)模的為30噸濕污泥/天。
（2）中溫碳化
碳化時不加壓，溫度為800 – 1000°F（426－537℃）。先將污泥干化至含水率約90％，然后進入炭化爐分解。工藝中產(chǎn)生油，反應水（蒸汽冷凝水），沼氣（未冷凝的空氣）和固體碳化物。該技術(shù)的代表為澳大利亞ESI公司。該公司在澳州建設了一座100噸/日的處理廠。該技術(shù)可以實現(xiàn)污泥的減量化和資源化，但由于污泥最終的產(chǎn)物過于多樣化，利用十分困難。另外，該技術(shù)是在干化后對污泥實行碳化，其經(jīng)濟效益不明顯，除澳洲一家處理廠外，目前尚無其他潛在的用戶。
（3）低溫碳化
碳化前無需干化，碳化時加壓至10MPa左右，碳化溫度為600℉左右（315℃），碳化后的污泥成液態(tài)，脫水后的含水率達50％以下，經(jīng)干化造粒后可以作為低級燃料使用，其熱值約為3600－4900大卡/公斤（在美國）。
該技術(shù)的特點是，通過加溫加壓使得污泥中的生物質(zhì)全部裂解，僅通過機械方法即可將污泥中75％的水分脫除，極大地節(jié)省了運行中的能源消耗。污泥全部裂解保證了污泥的徹底穩(wěn)定。污泥碳化過程中保留了絕大部分污泥中熱值，為裂解后的能源再利用創(chuàng)造了條件。
注：該分類為傳統(tǒng)意義上的分類，主要區(qū)別在于溫度控制范圍的不同以及是否增加壓強。
1.4污泥低溫碳化技術(shù)的廠家:
（1）EnerTech（能源技術(shù)）：
該公司1992年成立，技術(shù)名稱為SlurrycarbTM，該工藝是連續(xù)式的。其工藝是將污泥加壓至1000-1500 psig（70-100kg/cm2），通過熱交換器，加溫至400-450°F（204-232℃）。熱化分解反應時，污泥中的有機物被分解，二氧化碳氣從固體中被分離。
1999年8月美國能源部（DOE）撥款50萬美元，支持能源技術(shù)公司的污泥碳化技術(shù)開發(fā)，制造碳化中試裝置PDU（Process Development Unit）；2001年1月，能源技術(shù)公司與美國太空總署簽訂了2年的合同。能源公司利用污泥碳化技術(shù)開發(fā)出在太空倉轉(zhuǎn)化太空垃圾的原型裝置；2005年4月，在美國加州Railto建立一座每天處理625噸污泥的處理廠。工廠占地2.6公頃（6.4 arces），建在Rialto污水處理廠旁，每天約可生產(chǎn)140噸干的碳化顆粒。該工廠已經(jīng)于2006年4月在Rialto破土動工，加州共有5個地區(qū)向該廠提供污泥，已經(jīng)全部與Enertech簽署了協(xié)議書。該廠已經(jīng)于2009年初完工投產(chǎn)。該廠生產(chǎn)的碳化物全部銷售給據(jù)該廠50英里外的三菱水泥廠。
（2）ThermoEnergy（熱能）：
熱能的工藝與EnerTech的工藝類似，熱能用活塞壓力系統(tǒng)，污泥（steam）是注入的而不是泵入的，有熱交換器。要求的溫度是600°F（315℃），壓力是2,000 psig（138kg/cm2）。
熱能的工藝是批處理，每批需20分鐘的反應時間，有兩個并行的壓力活塞和反應罐，這樣可以使整個工藝連續(xù)。處理后的污泥經(jīng)過壓力釋放系統(tǒng)，然后用離心方式脫水至50％的含固率。這個工藝產(chǎn)生的碳化物與EnerTech的產(chǎn)生的碳化物相同。該公司曾在美國加州Colton污水處理廠做了一個試驗廠，目前沒有推廣的報導。
1.5 SlurryCarbTM 碳化工藝流程
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Step 1: 污泥預處理，將含水率80％左右的脫水污泥切碎，攪拌。
Step 2: 污泥加壓，將污泥加壓送入碳化系統(tǒng)。
Step 3: 污泥加熱，通過外部熱源為污泥加熱。
Step 4: 污泥裂解反應，在高溫高壓狀態(tài)下，污泥被裂解成液態(tài)。
Step 5: 冷凝/熱交換，將加熱的污泥水冷卻，能量經(jīng)熱交換器回收。
Step 6: 污泥液脫水，脫水后的泥餅的含水率為50％以下。
Step 7: 上清液回收，使用膜過濾技術(shù)處理后的水返回污水處理廠。
Step 8: 干化，造粒，根據(jù)用戶需要可以對碳化物進一步干化造粒，或保持原狀。
1.6污泥碳化的主要參數(shù)
進泥含水率： 80%左右（干物質(zhì)20，水80）
碳化物含水率： 50％以下（干物質(zhì)20，水20）
實際脫水： 75％以上 (80－20）
反應時間： 12分鐘
反應溫度： <300℃
反應壓力： <10MPa
E-fuel燃值（美國）： 3600大卡/公斤DS（消化污泥），4500大卡/公斤DS(未消化)
濾出液處理：
膜生物反應器（MBR），達到國家污水排放標準。
蒸發(fā)氣處理：
廢氣燃燒＋旋風、過濾器，達到國家廢氣排放標準。
1.7SlurryCarbTM 碳化工藝質(zhì)量平衡
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1.8SlurryCarbTM 碳化工藝能耗（與干化比較）
（1）理論基礎
取含水率80％的污泥1.25kg（其中水含量為1kg，DS含量為0.25kg）。
標準大氣壓下，將1公斤水從20℃升高至100℃所需要的能量為80大卡，折合335千焦。將1公斤水在其沸點蒸發(fā)所需要的熱量為40.8千焦/摩爾，相當于2260千焦。（五倍于把等量水從一攝氏度加熱到一百攝氏度所需要的熱量）。
（2）污泥干化能耗
假設污泥中干物質(zhì)的比熱與水相同，則0.25公斤干物質(zhì)從20℃加溫至100℃需要84千焦。1.25kg含水率80％的污泥干化所需要的總能量為：335 ＋ 2260 ＋ 84 ＝ 2679千焦
由于干化只能以其干化物質(zhì)進行能量回收（污泥返混），最多只能有30％的能量回收，所以干化需要的能量為：2679 × 70％＝ 1875千焦
（3）污泥碳化能耗
在10MPa壓力下，污泥中的水份不會汽化，將1公斤水從160℃升高至240℃所需要的能量為80大卡（SlurryCarb工藝的能量回收可將初始污泥的溫度提高至160℃），折合400千焦。（水在10MPa下的比熱約為5.0×kJ/(kg ℃)。）加壓能量很小，可以忽略不計。
假設污泥中干物質(zhì)的比熱與水相同，將0.25公斤干物質(zhì)從160℃升高至240℃需要100千焦。
碳化部分需要的總能量為：400 ＋ 100 ＝ 500千焦
由于碳化剩余物中還有50％的水分，不考慮干物質(zhì)減量，其總量為0.5公斤，用干化方法蒸發(fā)，需要能量應為：84 ＋ 565 ＋ 84 ＝ 733千焦
同樣考慮30％的能量回收，干化所需能量為：733× 70％＝ 513 千焦
整個碳化過程需要的能量：500 ＋ 513 ＝ 1013 千焦
純干化工藝需要的熱量為1875千焦，碳化后再干化工藝需要的熱量為1013千焦，后者是前者的54％，節(jié)省能源約46％。
2. SlurryCarbTM工藝的投資
在美國，建設一座處理700噸/天污泥（含水率80％）污泥干化處理廠的總投資約為7500萬美元，包括全部土建，設備、安裝和技術(shù)使用費等。其中直接費（設備，土建）為4000萬美元，工程費為1850萬美元，其他資金籌集，保險等1650萬美元。合到處理100噸/天污泥（含水率80％）的總投資為8500萬人民幣。
按同樣的水平和數(shù)量，如果在中國建設，直接費約2000萬美元，工程費約380萬美元，資金費用約550萬美元，總投資約2930萬美元，合人民幣23440萬人民幣。合到處理100噸/天污泥（含水率80％）的總投資為3400萬人民幣。
由于SlurryCarbTM采用了大量的常規(guī)設備，總造價比干化設備的投資要小很多。目前，即使在美國，SlurryCarbTM也是處于起步階段，技術(shù)使用費，設計費等相對收取的較高，一旦批量推廣，整體造價還會大幅度降低。
3. SlurryCarbTM工藝運行成本估算
3.1計算依據(jù)
通常 1000立方米天然氣的價格與1噸原油的價格相當。1噸原油＝7.3桶原油，按國際市場價格60美元/桶計算，天然氣的最高價格應為3.42元人民幣。如果按照50美元/桶計算，天然氣的最高價格應為2.85元人民幣。目前，天津地區(qū)天然氣的售價為2.40元人民幣（2006年3月1日起實行）。
計算的基本依據(jù)： 1大卡＝3.968 BTU = 4 BTU
1 Btu ＝ 1055.6 焦耳＝1 KJ
1立方米天然氣熱量＝8600 大卡
天然氣燃燒的熱效率一般按65％計算（最高可達 75％）
煤炭的熱效率一般按50％（最高可達60％）
1度電＝860 大卡
1kg 標準煤＝7000 大卡
1kg 水從0℃加熱到100℃需要100大卡
1kg水變成蒸汽約為500大卡
3.2污泥碳化的運行成本
（1）Enertech計算的運行成本（炭化物銷售）
污泥碳化工藝中的換熱器出口溫度為160度，加熱至260度，不氣化，即可將污泥中的水分脫至50％以下。
1公斤水加熱需要天然氣量＝100 / 65% /8600 = 0.018 立方米
1噸污泥碳化需要天然氣量＝0.018 * 1000 = 18 立方米
假設污泥中的含水率為80％，當含水率降至50％時，75％的水分已經(jīng)被機械脫出，1噸污泥中只有200公斤的水需要氣化。
1公斤水干化需要天然氣量＝600 / 65% /8600 = 0.107 立方米
200公斤的水氣化需要天然氣量＝21.4立方米
采用直接干化，通過污泥干混，最大可節(jié)省20％的能量，即需要17.1立方米天然氣。碳化＋干化，共需要天然氣35.1立方米。按當前天然氣價格計算為84.24元人民幣。污水處理費根據(jù)實際濾出水BOD和COD的值約為12－20元人民幣不等。電費和藥劑費等15元人民幣/噸左右。 人工費5元/噸左右。
每噸污泥生產(chǎn)的碳化物為140公斤，在美國的銷售價格為10美元/噸，折合人民幣11.7元。
合計＝84.24 ＋ 16 ＋ 15 ＋ 5 － 11.7 ＝ 108.54元人民幣
以上計算是按照美國Enertech公司在加州Railto項目中的計算得出的。
（2）中國計算運行成本（按照碳化物自行利用后填埋計算）
在中國項目中，碳化物的銷售前景不能確定，另外，中國目前絕大多數(shù)地區(qū)允許填埋，應該考慮自行利用。
1公斤炭化物（消化后污泥的碳化物）在美國，相當于1/3立方米的天然氣。在中國，只能相當于1/4立方米的天然氣，加之，煤的燃燒效率要比天然氣的燃燒效率低10％－15％，計算時應按照1公斤炭化物＝1/5立方米天然氣比較合理。
每噸污泥的碳化物相當于天然氣＝ 140 × 1/5 ＝ 28 立方米＝ 67.2元人民幣
碳化物燃燒后需要填埋，按每立方米50元計算，剩余渣的填埋費和運輸費約10元左右。
按中國實際的情況，污泥碳化的成本可以進一步減少為：
合計＝ 84.24 ＋ 16 ＋ 15 ＋ 5 － 67.2 ＋ 10 ＝ 63.04元人民幣
3.3污泥碳化的BOT成本
以設備折舊20年計算，每噸濕污泥需要考慮折舊費50元左右。
按照Enertech美國的計算方法（即碳化物廉價賣給水泥廠），每噸污泥的最終成本為158.54元人民幣。
按照中國的計算方法（即碳化物自行利用后填埋），每噸污泥的最終成本為113.04元人民幣。
3.4純干化工藝的成本分析
1公斤水干化需要天然氣量＝600 / 65% /8600 = 0.107 立方米
800公斤的水氣化需要天然氣量＝85立方米
采用直接干化技術(shù)，通過污泥干混，最大可節(jié)省20％的能量，即需要68立方米天然氣。按當前天然氣價格計算為163.20元人民幣。
電費和藥劑費等15元人民幣/噸左右。
人工費5元/噸左右。
每噸污泥生產(chǎn)的干化物為140公斤，全部填埋（按每立方米填埋費50元，運費10元計算），折合人民幣8.4元。
純干化運行成本合計＝ 163.20 ＋ 15 ＋ 5 ＋ 8.4 ＝ 191.6元人民幣
建設100噸濕污泥處理能力的純干化廠目前為3000－5000萬元人民幣不等。取最低限3000萬元，以設備折舊20年計算，每噸濕污泥需要考慮折舊費50元左右。
純干化BOT的成本 = 191.6 + 50 = 241.6 元人民幣
3.5干化＋焚燒工藝的成本分析
干化＋焚燒實際上就是將污泥中原有的熱值全部利用，產(chǎn)生的熱值直接提供給干化系統(tǒng)使用，不足部分按照添加天然氣考慮。按照上面的計算，這種能源利用在碳化系統(tǒng)中可以減少67.2元人民幣的運行費用，即：
干化＋焚燒運行成本合計＝ 191.6 － 67.2 ＝ 124.4 元人民幣
建設100噸濕污泥處理能力的干化＋焚燒廠需要在純干化廠的基礎上再增加2000萬元人民幣，每噸濕污泥需要比純干化工藝再多考慮折舊費33元人民幣，折舊總成本為83元。
干化＋焚燒BOT的成本 = 124.4 + 83 = 207.4 元人民幣
4.SlurryCarbTM炭化產(chǎn)品的銷售
在美國，目前SlurryCarbTM生產(chǎn)出來的炭化物的售價為10美元/噸，每噸污泥能生產(chǎn)0.14噸的炭化物，如果能夠銷售，可以回收1.4美元，合11.2元人民幣。SlurryCarbTM生產(chǎn)出來的炭化物的燃值與褐煤相當，而且燃燒時的污染物排放比煤要少的多，但褐煤在美國約15美元1噸，炭化物只售10美元，這與炭化物剛剛進入市場有關。中國天津的褐煤約200元人民幣左右，如果炭化物也可以售200元/噸，則可以回收28元左右。也許有人認為，以運行成本180元/噸濕泥得出20－28元的產(chǎn)品收益并不明顯，但如果考慮到在北方目前填埋約需要50－100元/噸，干化物質(zhì)如果不能銷售則需要填埋，還需要增加成本14－20元/噸濕泥。這兩種情況比較，就會有34－48元人民幣的差距，就會對成本有很大的影響。(來源：谷騰水網(wǎng))
