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污水污泥气化技术的研究进展

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第42卷第6期 2014年3月 广州化工 Vo1.42 No.6 Mat.2014 Guangzhou Chemical Industry 污水污泥气 水 、尼气 化技术的研究进展 乔芳清,申春苗,杨明沁,岳俊楠 (天津工业大学环境与化学工程学院,天津300387) 摘 要:气化技术作为一种新兴热化学处理技术,能将废弃物转化为稳定多用途可利用能源,二次污染小,近年来在污泥 处理领域得到国内外的关注。本文介绍了污泥气化处理技术的优势,并从燃气特性和污染控制等方面对国内外理论研究的发展概 况进行了综述,同时探讨了气化技术在城市污泥处理领域下一步可能的发展方向。 关键词:污水污泥;气化;燃气;污染控制 中图分类号:X705 文献标志码:A 文章编号:1001—9677(2014)06—0031—03 Research Advance in Technology of Sewage Sludge by Gasiication fQIAO Fang—qing,SHEN Chun—miao,YANG ng—qin,YUE Jun—nan (School of Environmental and Chemical Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China) Abstract:Gasification,as a new kind of thermochemical treatment in the field of waste treatment,can convert the material into stable and transportable form of energy.The advantage of sewage sludge gasification was introduced.The development of gas characteristics and pollution control of gasiifcation of sewage sludge at home and abroad in recent years were summarized.Additionally,the future trends of gasification process in sewage sludge treatment were discussed. Key words:sewage sludge;gasiication;gas;pollutifon control 随着我国社会经济的发展和城市化水平的加快,城市污水 处理率不断提高,污水污泥数量逐年攀升,如若不加处理而任 意排放势必会造成严重的环境问题。污泥处置的最终目标是实 现污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化。目前,常见的污 泥处置方式主要包括卫生填埋、土地利用和热处理。污泥中含 有大量的有机质和可燃组分,具有较高的能源开发和利用价 值,采取措施将这些能量予以回收并转化成易于储存和运输的 液体或气体燃料,对于优化能源结构、促进环境保护具有重大 意义…。污泥热处理即是充分利用了污泥具有一定热值的特 点,从而不仅使污泥在热处理过程中达到能源化综合利用的目 的,同时实现污泥的无害化和减量化。传统的焚烧处理尽管可 以最大限度地实现污泥减容,但由于焚烧过程会产生严重的烟 气二次污染,是一种备受争议的方法 ,而污泥的热解、气化 可以有效克服此类问题,同时还将污泥中的潜在能量转化为焦 油或者可燃气体。 特别地,污泥气化技术作为一种高效清洁、技术和经济上 均可行且在一定程度上可以实现能量自持的污泥处理方 法 ,近年来得到国内外广泛的关注。与焚烧相比,污泥气 化产生的燃气可以直接用来发电,能量利用效率较高,同时不 需外加燃料,SO:和NO 等有害气体排放量少,大部分重金属 被固定在灰渣中,浸出毒性低,处理成本相对较低 J。另外, 年的历史,而污泥气化技术起步较晚,现在还处于试验研究阶 段,但也出现了工业化的成功案例。2005年,德国的B ̄ingen 污水处理厂将污泥干化、气化与热电联用工艺组合,充分利用 污泥中的能量,使得能源损失降到最低,满足了当地5万居民 的用电需求 。 污泥气化技术是指在一定的温度和压力条件下,以空气、 氧气或水蒸气作为气化剂,在还原性气氛下,通过一系列的热 化学反应,将污泥中的有机物转化为含有H 、CH 、CO、CO 等可燃性气体、焦油和灰渣的过程。 污泥气化的影响因素众多,主要有气化温度、反应时间、 气化剂、空气当量比、催化剂、污水处理工艺和气化床类型 等。根据气化剂类型的不同污泥气化可分为CO 气化、H O气 化、空气气化、O,气化和混合气体气化。相比传统的污泥气化 工艺,污泥的超临界水气化、等离子气化和催化气化以及与煤 或生物质的共气化,由于对污泥的能量利用率更高亦引起研究 人员的兴趣。 2燃气特性 污泥气化的主要目的之一是获得热值更高、产率更大的可 燃气体,因此国内外学者对污泥气化过程产生气化气的析出特 性和组成进行了大量研究。 相比污泥热解,污泥气化能量利用率更高,固体残渣中有机物 和重金属的浸出较低,后续处理简单 J。 Manya等 采用鼓泡流化床研究了床层高度和空气当量比 对污泥气化的影响,研究发现,H:、CO、CH 、C H 和C2H6 1 污泥气化技术 气化技术最早用于生产城市煤气,应用至今已经有200多 的浓度均随床层高度的增加而增加,随空气当量比的增加而减 小,而N:的浓度随床层高度和空气当量比的变化规律则正好 作者简介:乔芳清(1988一),男,硕士研究生,主要从事固体废弃物处理与资源化研究。 32 广州化工 2014年3月 相反;空气当量比对产气成分的影响要大于床层高度,产气量 和产气中碳回收率随空气当量比和床层高度的增加而增加。 Petersen等 考察了空气当量比、气化温度、给料高度和流化 速度对污泥在循环流化床中气化特性的影响,研究认为,影响 产气的主要因素是空气当量比,其最佳值为0.3,尽管气化温 焦气化反应相一致。 3污染控制 污泥气化的污染物控制主要涉及含N化合物和重金属等, 掌握这些物质在污泥气化过程的形成分布规律及影响因素,从 而减少或避免造成的二次污染,这对于保证污泥的无害化处理 具有重要的理论和现实意义。 Paterson等 研究了污泥气化时HCN和NH 释放特性, 度越高气体热值越大,但温度过高可能使灰分发生熔融、团聚 和烧结;给料高度越低,颗粒混合越均匀,同时气体流速越 大,对气化气产量和品质的提高越有利。 Xie等_ 利用外热式下吸固定床气化实验装置研究了污泥 】结果显示,HCN浓度随气化温度的升高而增加,表明HCN是 水分含量对3种不同性质污泥空气气化特性的影响,结果表 含氮化合物分解的初级产物,而随气化时间的延长而降低,这 明,气化气中CO 、CH 和H 含量、气化气热值以及水相生 是由于HCN分解成了NH ;气化剂中水蒸气的存在可以促进 成量均随着污泥水分含量的增加而增加,而CO含量和焦油生 成量则呈下降趋势;污泥厌氧消化降低了CO、CH 、H:、 C H 含量以及气化气品质,而污水处理工艺中的厌氧过程可 改善气化气品质;随污泥水分含量的增加,两种不同性质消化 污泥气化气中CO、CO:和H:含量的差距逐渐变大,而消化与 未消化污泥气化气中CO含量的差距则趋于接近。他们还指 出 ,升高气化温度可有效提高气化气中可燃组分的含量,减 小空气流量有利于气化气品质的提高;污泥厌氧消化使气化气 品质降低,不同污水处理工艺亦会对污泥气化气品质和热值产 生影响。 Nimit Nipattummakul等 认为污泥的水蒸汽气化可以提高 氢气含量,考察了不同水碳比对污泥水蒸汽气化时合成气产率 及组成、氢气产率、能量利用率和表观热效率的影响,结果表 明,污泥气化时的表观热效率与工业冷煤气效率相当,最优水 碳比为5.62,与热解相比,气化对污泥的能量利用率可提高 25%;气化温度越高,氢气产量越大,水蒸汽氛围时的氢气产 率是空气氛围下的3倍,对比纸张、餐厨垃圾和塑料,污泥气 化持续时间更长,且其产氢量高于纸张和餐厨垃圾。Juan M A 等¨ 发现水蒸汽和催化剂的加入可显著提升H 的产量,同时 催化剂的存在可提高燃气的产量和热值;氧化铝和白云石可以 增加H,和CO的含量,降低CO 和烃类气体的含量。 M.Seggiani等 的研究结果表明当污泥与传统的木质生物 质进行共气化时,由于污泥灰分含量高且灰融温度较低,致使 污泥含量过高共气化反应变得不稳定,同时随着污泥含量的升 高,气化气的产率、低位热值和冷煤气效率均有所降低。Woei Saw等 对木材与污泥的共气化进行了研究,发现随着污泥含 量的增加, 与CO的比值由0.6增至0.9,而合成气产量和冷 煤气效率却各自急剧降低了53%和43%,污泥单独气化时,用 H,O作为气化剂CO和H,的产量比其他气化剂高40%。 污泥气化过程经历污泥热解和污泥热解产物的气化两个阶 段,因此亦有对污泥热解半焦的气化特性进行研究的。Susanna Nilsson等 对污泥热解半焦的流化床气化性进行了研究,表 明H 0氛围下半焦的气化反应性约是CO 氛围下的3倍。张艳 丽等¨1 对污泥热解半焦的水蒸汽气化进行了实验研究,指出随 着气化温度的增加,气体产率和燃气中H:含量均有所增高; 最佳固相停留时间和水蒸汽流量分别为15 min、1.19 g/min; 添加催化剂可提高H 的产量。Lech等 利用热天平对污泥热 解半焦在氧气、水蒸汽和二氧化碳氛围下的气化特性进行对比 分析表明,最有效气化剂是含有O:的气态混合物,其反应温 度在400~500 cC,而CO 和H O条件下完成碳转化的温度更 高,为700—900 oC;采用容积模型和收缩核模型描述了半焦 碳转化率对气化反应速率的影响,发现收缩核模型能够有效预 测CO,和0,氛围下半焦的气化速率,而容积模型最适合与半 焦的 0气化;由实验数据估算的动力学参数与文献中木质半 HCN的生成;NH 浓度随气化温度的升高而不断下降,系由 NH,分解为N:和H:所致。王宗华等 对污泥热解和气化过 程中NO 前驱物的释放特性进行了对比分析发现,与热解条件 对比,气化条件下NO开始快速生成的温度较高,NH 的温度 则基本相同,而HCN生成完成时的温度则较低。李爱民等 研究认为,污泥经气化一焚烧两段处理后烟气中NO 和SO 的 最高排放浓度均远低于国家规定的排放标准。Maria Aznar 等 亦对污泥气化时氮化物的形成过程进行了研究,发现大部 分氮元素形成了气态产物,且主要以氮气形式存在,随着气化 温度的升高,NH 和含氮焦油的产量降低而氮气含量增加。 Ferrasse J等 还对污泥水蒸汽气化时氮化物中的行为特征建 立了模型,用于预测NH,的排放。Qiang Zhang等 对污泥和 煤共气化时磷的行为进行了研究,结果表明,磷的挥发程度随 气化温度的升高而增大,且挥发过程主要发生在热解阶段,当 热解温度低于1 100℃时,主要是有机磷化物的挥发,即使温 度高达1 200℃,无机磷仍未明显挥发;经过气化后,大部分 的磷则以玻璃化形态存在于灰渣中。 LI Lei等 发现,经过超临界水气化处理后,污泥中重金 属的环境风险降低。Reed等 研究了污泥气化时痕量元素的 分布规律,表明固体残渣不含汞,钴、铜、锰和钒既未在床体 残渣中损耗也未富集于带人气体净化设备中的细料中,床体残 渣中钡、铅和锌的损耗因污泥类型的不同而异,当气化温度大 于900'E时,铅在细料中的富集似乎会增加。Marrero等 的研 究结果表明,镉、锶、铯全部滞留在焦炭中,少量的砷发生了 迁移,其在烟气中的检测量稍微高于1%。 4 结语 污泥气化技术是一种理想的污泥处理工艺,可获得丰富的 可燃气体,具有广阔的发展前景,国内外众多学者做了许多有 益工作,研究系统日臻成熟。然而,为了早日实现该技术大规 模工业化应用,还存在一些问题亟待解决:掌握污泥气化机理 对于控制其气化过程具有重要意义,但目前这方面的文献报道 十分缺乏;关于污泥气化焦油性质的研究不够深入,且研究时 基本只采用单一污泥,缺乏不同污泥产生焦油的比较,应进行 此类研究为焦油的后续处理提供理论依据;由于污泥灰分含量 相对较高,气化最终会产生大量灰渣,因而需进一步挖掘污泥 气化残渣的利用价值,减少处理成本;设计高效廉价、操作简 单的气化炉,并建立污泥气化评价指标体系,确定具有一定适 用范围的最佳气化条件。 参考文献 [1]郑师梅,韩少勋,解立平.污水污泥处置技术综述[J].应用化工 2008,37(7):819—821. 第42卷第6期 乔芳清,等:污水污泥气化技术的研究进展 33 [2]方平,岑超平,唐子君,等.污泥焚烧大气污染物排放及其控制研究 from steam gasiifcation of blend of biosolids and wood using a dual 进展[J].环境科学与技术,2012,35(1O):70—80. fluidised bed gasiifer[J].Fuel,2012,93:473—478. 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