污泥碳化处理工艺探析

多年前初次听说污泥碳化概念，从直觉上判断，这类高温处理技术无论如何先要跨越干化的门槛，其处理能耗可能会很高。今年以来，污泥碳化这个词越来越热，笔者闲来无事对它做一番了解和探究。

一、原理

其实，碳化就是对有机废弃物进行热分解处理的一类工艺。根据工艺流程以及产品特征，这类工艺可能有不同的名称，如碳化、炭化、热解、裂解、干馏、焦化、气化、热裂、热裂解、高温裂解等。不管这些名称是多么不一样，其基本原理都是在可控条件下使有机质受热分解，工艺所具有的共同特征可以总结为三句话：

1、高温：在高温作用下，部分有机质发生解聚，形成可燃气体;

2、低氧：在高温处理过程中，通过限制供氧量，实现有限燃烧;

3、低水分：废弃物(如污泥)应首先降低水分(前置干燥)，才能进行热解处理;

这种有机质的热分解过程在原理上与工业炼焦有极端相似之处。炼焦反应分为以下几个阶段：

(1)干燥和预热(20-200度)：析出水分;

(2)开始热分解(200-350度)：产生化合水、二氧化碳、一氧化碳、甲烷等气体和少量焦油蒸气和液体;

(3)胶质体产生和固化(350-500度)：产生焦油和沥青等液体，呈胶质状态;伴随聚缩和合成反应，析出挥发物，形成固体物质和半焦;

(4)半焦收缩和焦炭形成(500-950度)：产生大量挥发物，主要是氢气和甲烷，继续析出氢气焦质逐渐变硬;

炼焦以获得焦炭(固体部分)和煤化工产品(来自气体的进一步提纯处理)为目标，这一点与废弃物的处理是有很大不同的。污泥热解也产生固体和气体两部分，当强调固体是具有热值的产品时，可能会以“碳化”、“炭化”称之。当强调污泥热解的气体作为产品时(用于燃气轮机)，可能会以“气化”称之。作为一种废弃物处理工艺，热解所产生的气体均是被燃烧掉的，作为整个热解系统能量来源的一部分，以降低对外来补充能源的需求

二、主要工艺流程及其分析

此系统相对复杂些，有4个热工装置(预热炉、再燃炉、备用炉、脱臭炉)，一个以污泥为燃料的热工装置(碳化炉)，一个干化装置(干燥器)，2个间接气-气换热器(空预器和臭气预热器)，1个冷凝器。

此工艺解题的关键，在于燃烧所产生的烟气量及其含湿量。烟气量和烟气含水量与燃料和过剩空气系数的取值相关。通过计算重油和污泥有机质、过剩空气系数，最终计算得到的干烟气量与水分值，应与干燥器入出口的烟气量和水分相关。即，由于预热炉、碳化炉、再燃炉和备用炉产生的烟气均进入干燥器，干燥器入出口的高温气体应该与由4个热工装置产生的干烟气及其水分的产生量相等。

三、点评

如前所述，对污泥进行热分解是一类技术，有不同的名称，但总的原理是类似的，都首先要干化，然后是热解，热解的能量被利用。能量不足的部分需要补充。在能量平衡的性质上，它与干化+焚烧其实是类似的。

从有机质利用的角度看，热解后最终气化的气体仍然是被焚烧的，因此存在焚烧烟气的处理问题。当然，这种利用形式与典型的富氧燃烧有所不同。

从整个系统平衡的角度看，污泥碳化工艺是相对合理的，终归干燥器升水蒸发量的干空气用量才4.3kg/kg.H2O，当然，需要有足够高的温度，否则干化是无法完成的。