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常风民:基于热解的有机固废(污泥)清洁资源化技术

来源:中国给水排水 作者:常风民 人气: 发布时间:2018-05-02

报告人:清华大学常风民博士

各位领导、专家、同行朋友们:大家上午好!

很高兴能参加中国给水排水杂志社主办的第九届城镇污泥处置技术研讨会,我今天报告的题目是“基于热解的有机固废(污泥)清洁热源化技术”,主要从两部分给大家介绍,第一部分是污泥喷雾干化焚烧技术的清洁化,第二部分是热解气化的清洁与资源化。

1、污泥喷雾干化焚烧技术的清洁化

上一个报告的老师提到,焚烧是未来主要的污泥处理技术。从污泥处置的演变历程来看,技术政策、技术指南也都提出此观点。在日本,因土地资源紧张,污泥处理以焚烧技术为主。但是近几年,日本逐渐向以热解为主体的更加清洁的方式进行转变。在我国,却仍是以填埋方式处理处置。而近几年,在污泥资源化方式中,特别是在人口密度大的地区,焚烧成为了主流技术。

与传统的间接干燥相比,喷雾干化焚烧的优势明显。首先,通过喷雾干化的处理方式,烟气有组织的排放,过程更加清洁。其次,近几年对喷雾干化的烟气净化方面做了一些研究,主要从四个方面,第一,对它的除尘、除臭、脱白以及设备的系列化与标准化。一是改变了除尘方式,用圆柱式的布袋除尘器代替传统的箱式布袋除尘器,圆形结构无死角,避免结露和壳体腐蚀。采用多根脉冲喷射管随机反吹,将箱式脉冲改为行脉冲,对每只滤袋进行反吹,提升反吹清灰效果。另外,采用纤维组织极为细密的PTFE覆膜滤袋,粉尘粒子很难穿越,烟气粉尘排放量小于10mg/m3;270度自上而下的进风形式,防止大颗粒撞击,增加布袋寿命。加上薄膜本身具有不粘尘,憎水和化学性能稳定等,清灰性能好,避免发生糊袋现象,过滤器的压差可小于2.0kpa;平底刮板设计,时时在线清灰,避免堆积、板结、结露及腐蚀等问题;采用10米的长布袋设计,增加寿命,减少了占地面积;还实现了智能控制,与锅炉载荷、排放数据以及压差相联动,根据烟气时时数据,调整在线清灰频率,达到排放要求,减少布袋无谓喷吹,延长使用寿命。二是增加了臭氧与紫外的协同除臭,同时臭氧与紫外的协同也具有脱硫脱氮功能。除臭或脱硫脱氮一般采用的是还原法,在这里臭氧和紫外协同是通过氧化的方法。对具有臭味的硫化物和氮化物,通过臭氧以及与紫外的协同产生羟基自由基氧化的方法转化为较高价态,实现去除臭味问题。同时,将不易溶于水的NO等氧化成易溶于水的高价态NO2、NO3,后续通过洗涤达到去除目的。

第三个烟气净化工艺是气-气原位“三除”工艺,即除湿、除白、除污。它的原理是含有余热的尾气与环境空气通过HINO-PILE板式换热器进行气-气交换,尾气中水蒸气凝结为水,尾气中的部分污染物进入水相并随之排出,尾气中的外排污染物含量减少;且在水蒸气凝结为水的过程中放出热量,环境空气温度升高,最后,在烟囱末端,降温脱水后的尾气再与升温后的环境空气混合,烟气露点温度降低,达到消除“白烟”、减少烟气湿度、去除烟气污染物的目的,减少雾霾污染。以下是“三除”工程案例,我们先来看一个视频。

2、热解气化的清洁与资源化

热解技术是指在无氧或缺氧环境下高温加热,利用复杂的吸热与放热反应,驱动有机物发生热裂解和热化学反应,改变原有分子结构,使之转变成不同相态碳氢化合物的过程,产物包括炭、油、水及小分子水溶性有机物和非冷凝性气体。它是一个复杂反应过程,包括初级裂解、二次裂解、炭与各种气态产物及气态之间的各种复杂反应过程。有机固废(污泥)高挥发分的物料适合于无氧热解技术,比如干化污泥、油泥、餐厨垃圾、生物质等。

热解气化过程清洁化特征表现在五个方面。一是排放的烟气量少。根据排放标准固体(煤)燃烧过量空气系数为1.8,燃油或燃气燃烧的过量系数为1.2,因此,热解气化产生的烟气量仅为固废直接燃烧烟气量的1/2-2/3,从而减少了烟气净化设备规模及运行费用;二是大气污染因子少。固废(污泥)热解气化燃烧的是过程中产生的可燃气气体为燃料,排放的大气雾霾危害因子烟尘、SO2、NOx、重金属等,比固废直接燃烧少1/2以上。三是抑制或分解二?英。固废(污泥)热解区,由于无氧环境抑制了二?英的合成;而在可燃气燃烧区,由于无金属催化媒介及高温(>850 ℃)等也能够抑制合成发生或高温分解原物料存在的二?英。四是固化重金属。在污泥热解过程中,重金属全部或80%以上固化在泥质炭中(除汞外),这说明热解气中重金属很少,且重金属在热解的还原环境中由可交换态等不稳定形态向残渣态等稳定形态转化。清洁化第五个特征是减少温室气体排放。生物炭具有高度的稳定性,可长时间停留土壤。通过热解,生物质的炭转化为生物炭,可使约50%的碳得到封存,减少二氧化碳、一氧化二氮等温室气体排放。

在日本,污泥热解清洁资源比例逐年增加。2010年,日本下水污泥再资源化率基本呈现稳步上升趋势。2011年开始,因福岛大地震影响,日本污泥填埋处理量增加,资源化率有所下降。但从2012年开始资源化率再次上升。近几年,再加上日本烟气排放更加严格,日本污泥主要以焚烧为主的处理处置形式逐渐向热解进行转变。

 我们在去日本调研时,参观了湖西净化中心,该厂经历了从填埋、堆肥、焚烧到热解的一个发展历程,各种污染物排放均远远达到当地的排放标准,特别是每吨污泥N2O排放量从大于0.2kg/t降低到小于0.04kg/t。

对于热解,我们课题组经过十年的研发历程,从小试到中试到示范工程,沿着外热式、内热式两条主线,做了一系列的基础研究。我们从热重曲线可以看到,不同的污泥,热解温度基本上是相同的。并开展了污泥与煤混合,污泥与秸秆混合等不同物料的混合热解,解决系统能量不足问题,也开展了餐厨垃圾等其他废物的热解。另外,如果污泥主要目的是减量化,温度在500℃左右比较适合,从能量的角度考虑这也是比较合适的热解温度,它能够把污泥中的大部分有机质转化出来。如果为了产气,减少焦油,温度应该至少在800摄氏度以上。

关于热解焦油的堵塞和利用问题,我们又做了两段的催化热解。通过第二段把热解油或者热解气全部转化成合成气。从污泥产生的合成气,氢气和一氧化碳的比例能够在产生气体的85%以上。在热解产生的生物碳的利用问题上,产生的泥质碳经过活化,碘值在500左右,大约为商业活性炭的2/3,在对工业园区废水及有机污染物的吸附实验中,处理效果接近商业活性炭的处理效果;泥质炭在土壤改良实验中,从看到,能增产,减少病虫害,且泥质炭热值可达3500大卡,当然与污泥中有机物含量有关。

对于外热式,做了几个示范工程案例,由于热解环境为还原气氛,建立了一个每天六吨的含铬污泥减量化的处理工程,减少毒性较大六价态的增加,还有用于化工企业以及含油污泥的处理工程。

由于外热式焦油问题,我们又研发了原位内热式工艺,达到固体先进行热解,产生的气体再进行燃烧,实现有机固废焚烧变气体燃烧,达到清洁化与资源化目的。

以下是内热式的工程案例

这是我们采用的中式示范工程。下面的物料在400度到500度进行热解,热解产生的可燃气进入燃烧区燃烧,产生的热量反馈到热解室,再为提供热量进行热解固体。这个过程是固体燃烧变固体热解和气体燃烧的一个过程,其特点是形成三室一体,比较简单,操作方便。如果有机物含量达到一定条件,整个过程不需要添加任何外部能源。

当前,热解技术进入到了一个新的领域――餐厨垃圾领域。餐厨垃圾以生物方法为主体,处理后会产生大量的剩余物如塑料、木质素等。塑料制品或木质素进行热解,产生的生物炭可进入到厌氧消化池,产生的合成气再进入到厌氧发酵罐里面,可提高甲烷产量。产生合成气氢气的含量和一氧化碳的含量越高,后续厌氧产生的甲烷量越高。为了提高合成气产量和品质,我们研发了不同的催化剂,提高两段催化的效果。对于餐厨垃圾,二段热解产生的气体产量能到97%,氢气的产量70%以上。在把合成气与厌氧实验中,产生的甲烷产量可达到90%以上。在热解炭与厌氧实验中,所产生的生物炭也能够促进甲烷的产量,我们做了一个添加泥质炭和不添加泥质炭的对比实验,发现不添加泥质炭很容易产酸,无法运行,添加生物炭不仅能稳定运行,甲烷产量也增加。

我们把热解引入到了油泥领域。在热解系统当中,我们把油泥的热解区、干燥区和燃烧区形成一体,把油泥产生的热解气进入到下面燃烧室,提供系统所需热量。建立了一套撬装式的20吨中试集成示范工程,热解后残渣含油率小于2%。

我们还将热解用于生物质秸秆领域。建了一个生物质热-电-炭联产项目,通过把玉米秸秆、稻壳等农村废弃物热解产生生物碳,并产生蒸汽或热水,蒸汽或热水外供,计划进一步用于发电,而生物炭用来种植植物如种植水稻等,去年已经将生物炭用于一部分的大米种植,提高大米产量。

图基于热解的生物质热-电-炭联产


以上是我的分享,谢谢大家。


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