歐美國家和日本自上世紀(jì)90年代便開始了污泥碳化的工程應(yīng)用�？傮w來看，日本是污泥碳化工程應(yīng)用開展最多的國家，歐美國家污泥碳化工程應(yīng)用相對較少，主要在污泥熱解焚燒方面應(yīng)用較多。

3.1 歐美污泥碳化技術(shù)及工程案例

3.1.1 涉及污泥碳化技術(shù)的公司

歐美國家參與污泥碳化技術(shù)開發(fā)的公司包括：

（1）德國的KOPF AG公司在德國曼海姆市污水處理廠建設(shè)了德國首個污泥熱解碳化示范工程，項(xiàng)目處理規(guī)模為100t/d（80%含水率污泥），采用“污泥厭氧消化-脫水-干化-熱解碳化”處理工藝，其中產(chǎn)生的熱解氣進(jìn)入二燃室燃燒提供熱解干化所需要的能量。

（2）德國ELIQUO STULZ 公司研發(fā)了Pyreg® 污泥熱解技術(shù)，屬于高溫碳化。該技術(shù)通過污泥碳化的方式，達(dá)到污泥減量、穩(wěn)定的目標(biāo)，并從污泥中回收磷。

該污泥熱解工藝采用螺旋反應(yīng)器，熱解氣燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓�可達(dá)1250°C）返回加熱，余熱進(jìn)一步用于污泥帶式干燥。在Pyreg® 工藝中，碳化溫度在500-700℃之間，污泥碳中的磷以生物有效磷為主，磷濃度高達(dá)15 % （以P2O5計(jì)算），植物有效P > 80 %。

（3）澳大利亞ESI公司開發(fā)了ENERSLUDGE™熱解技術(shù)，屬于低溫碳化。該技術(shù)通過污泥熱解得到碳化物和粗油，但為了平衡系統(tǒng)的能量需求，碳化過程產(chǎn)生的碳化物和粗油被送到高溫?zé)煔獍l(fā)生爐中進(jìn)行焚燒。其工藝流程如圖19所示。目前該技術(shù)在澳大利亞Perth的項(xiàng)目已經(jīng)運(yùn)行超過15年。

圖19 ENERSLUDGE™污泥熱解技術(shù)

（4）法國ETIA公司下屬的BIOGREEN®開發(fā)了Spirajoule®工藝，該設(shè)備的核心部件是由焦耳效應(yīng)電加熱的無軸螺旋。該技術(shù)可用于有機(jī)廢棄物的碳化、熱解或氣化，產(chǎn)生碳化物、油和氣。由于采用和螺旋結(jié)合的電加熱圈，熱利用效率較高。產(chǎn)生的揮發(fā)分被冷凝后進(jìn)行油、氣分離，油和氣可以分別進(jìn)行利用。其工藝流程見圖12所示。

（5）荷蘭的Splainex Ecosystems Ltd公司開發(fā)了以回轉(zhuǎn)窯為核心設(shè)備的污泥中溫（450-500°C）碳化技術(shù)。該系統(tǒng)處理的對象是30%-35%含水率的半干污泥，經(jīng)過碳化處理后，產(chǎn)生的生物碳可用作生物燃料（Bio-fuel），也可用于磷回收。過程產(chǎn)生熱解氣經(jīng)燃燒用于發(fā)電、產(chǎn)熱。其設(shè)備見圖20所示。

圖20 Splainex工藝污泥碳化工程(200t/d)

（6）丹麥的AquaGreen公司開發(fā)了污泥高溫碳化（650°C左右）技術(shù)，包括污泥干化、碳化等單元，其目的是獲得可用于土壤改良的生物炭產(chǎn)品。其系統(tǒng)如圖21所示。

圖21 Aquagreen碳化系統(tǒng)

3.1.2 歐美工程案例

總體上，歐美國家污泥碳化技術(shù)的工程應(yīng)用較少，根據(jù)有限資料，對相關(guān)工程案例統(tǒng)計(jì)如下：

表2 歐美碳化項(xiàng)目示例表

3.2 日本污泥碳化技術(shù)及工程案例

3.2.1 技術(shù)發(fā)展參與企業(yè)

日本污泥碳化技術(shù)是在國家宏觀發(fā)展政策的引導(dǎo)下開展起來的。上世紀(jì)90年代，在污染物減排和資源化利用的雙重壓力下，日本亟待研發(fā)新的污泥處理技術(shù)。

日本下水道協(xié)會在上世紀(jì)90年代末發(fā)起了由企業(yè)自主參與的污泥碳化工程技術(shù)研究，并建設(shè)了一批中試以上規(guī)模的污泥碳化設(shè)施及工程。

目前，日本已形成了完整的污泥碳化技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策支撐體系。

在日本污泥碳化技術(shù)發(fā)展的過程中，主要的參與企業(yè)見表3。

表3 日本污泥碳化技術(shù)主要參與企業(yè)表

3.2.2 碳化技術(shù)工程應(yīng)用情況

從上世紀(jì)90年代末開始，日本陸續(xù)建設(shè)了一批中小型污泥碳化項(xiàng)目，項(xiàng)目基本信息見表4。

表4 日本小規(guī)模污泥碳化裝置項(xiàng)目清單

其中，雙葉地方廣域市町圈組合和K社（兵庫縣高砂市）兩個項(xiàng)目為商業(yè)化運(yùn)行項(xiàng)目，其他均為技術(shù)驗(yàn)證性項(xiàng)目。

以上項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)行，為日后確定污泥碳化資源化利用方向、大規(guī)模裝置的工程設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。

2004年，日本下水道新技術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)發(fā)布《污泥碳化系統(tǒng)技術(shù)資料》，對上述項(xiàng)目做了全面的總結(jié)，對“技術(shù)分類、工程設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理、政策法規(guī)”等方面做出要求。

2008年開始，日本相繼新建了一批較大規(guī)模的污泥碳化設(shè)施，見表5。

表5 日本大規(guī)模污泥碳化項(xiàng)目清單

2010年，日本下水道新技術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)發(fā)布了《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術(shù)手冊》，對污泥熱解燃料化技術(shù)進(jìn)行了專門的總結(jié)，并對相關(guān)的技術(shù)原理、工程規(guī)劃與設(shè)計(jì)、工程實(shí)施、運(yùn)行管理、適用法規(guī)等做出了明確的規(guī)定。

同時，通過引進(jìn)日本技術(shù)，韓國、中國也建設(shè)了一批污泥碳化處理項(xiàng)目，如表6所列。

表6 早期韓國、中國污泥碳化項(xiàng)目清單

3.2.3 日本碳化工程技術(shù)分類

按照碳化溫度劃分，污泥碳化分為低溫、中溫、高溫碳化三個大類，各類的主要特征見表7。

 表7 日本污泥碳化技術(shù)分類

（1）高溫碳化

高溫碳化技術(shù)的代表性公司為日本巴工業(yè)株式會社，采用立式多段外熱螺旋推進(jìn)碳化爐，工藝系統(tǒng)包括污泥熱干化、污泥碳化、尾氣處理和熱量回收等核心單元。代表項(xiàng)目為2003年投產(chǎn)的雙葉地方廣域市町圈組合項(xiàng)目，見圖22。

圖22 雙葉地方廣域市町圈組合項(xiàng)目

（2）中溫碳化

中溫碳化技術(shù)的代表性公司包括三菱環(huán)境化學(xué)工程株式會社和美得華水務(wù)株式會社，代表性項(xiàng)目有東京都東部污泥處理中心和愛知縣衣浦東部中心。

中溫碳化裝置均采用外熱回轉(zhuǎn)窯碳化爐。碳化裝置包括污泥熱干化、污泥碳化、尾氣處理和熱量回收等核心單元，如圖23、24所示。

東京都東部污泥碳化二期工程采用了氣流干燥工藝，進(jìn)一步提高了熱利用效率。

圖23 愛知縣中溫碳化工藝流程圖

圖24 東京都東部污泥碳化二期工藝流程圖

（3）低溫碳化

低溫碳化技術(shù)的代表性公司有月島機(jī)械株式會社，代表性項(xiàng)目有大阪平野污水處理廠項(xiàng)目和廣島西部污水處理廠項(xiàng)目，如圖25、圖26、圖27所示。

低溫碳化裝置均采用外熱回轉(zhuǎn)窯碳化爐。碳化裝置包括污泥熱干化、污泥碳化、尾氣處理和熱量回收等核心單元。

圖25 低溫碳化系統(tǒng)工藝

圖26 污泥干燥機(jī)、加熱爐

圖27 碳化爐及碳化產(chǎn)品顆粒

（4）污泥氣化碳化

污泥氣化碳化技術(shù)近年來也在日本得到工程化應(yīng)用。氣化碳化技術(shù)的代表性公司為美得華水務(wù)株式會社，代表性項(xiàng)目為清瀨市水資源再生中心項(xiàng)目（100噸/日），如圖28、圖29、圖30所示。

該項(xiàng)目采用了流化床氣化爐，在產(chǎn)生熱解氣的同時，也得到碳化物。熱解氣被重整改質(zhì)之后，用于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，獲得電力。

圖28 污泥氣化工藝原理

圖29 污泥氣化碳化裝置

圖30 車間全景碳化爐設(shè)備圖

3.2.4 典型項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

日本已建設(shè)近30余個污泥碳化項(xiàng)目，典型項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表8。

表8 日本典型碳化項(xiàng)目主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

注：由于各項(xiàng)目受設(shè)計(jì)冗余、維護(hù)作業(yè)安排、運(yùn)行管理的不同考慮，設(shè)計(jì)處理規(guī)模和年處理總量不能簡單折算而達(dá)到對應(yīng)一致。

3.2.5 日本碳化技術(shù)發(fā)展總結(jié)

（1）宏觀技術(shù)總結(jié)

2004年、2010年、2015年日本下水道協(xié)會新技術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)組織相關(guān)方，共同對已建成的污泥碳化、熱解項(xiàng)目進(jìn)行了三次總結(jié)，得出的主要結(jié)論包括：

污泥碳化在污染物排放方面，與焚燒相比有明顯的減排優(yōu)勢；

污泥碳化物在資源化利用方面有良好的前景；

污泥碳化處理技術(shù)是替代污泥焚燒的重要技術(shù)之一。

1） 2004年下水道新技術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)和14家碳化技術(shù)企業(yè)共同整理、匯總建成項(xiàng)目的情況，發(fā)布了《碳化系統(tǒng)技術(shù)資料》，主要是針對以市政污泥為對象的碳化裝置，在總結(jié)其技術(shù)概要、特點(diǎn)以及構(gòu)造等基礎(chǔ)上，指明在進(jìn)行碳化裝置的實(shí)施時所涉及的技術(shù)事項(xiàng)、注意事項(xiàng)：

① 對污泥碳化進(jìn)行了明確的定義，包括碳化過程參數(shù)、碳化物評價等；

② 對污泥碳化的溫度劃分給出了明確的定義，劃分為低溫、中溫、高溫碳化；

③ 對碳化裝置進(jìn)行了分類，分類準(zhǔn)則包括有無干燥裝置、碳化爐的熱傳導(dǎo)方式、碳化爐內(nèi)輸送方式等；

④ 對碳化物利用進(jìn)行了總結(jié)，提出污泥碳化物有良好的資源化利用潛力，包括燃料化、土壤改良、建材利用、吸附材料、融雪劑等，并提出了不同利用方向的技術(shù)性指導(dǎo)意見；

⑤ 提出了碳化裝置設(shè)計(jì)流程的指導(dǎo)意見；

⑥ 對碳化裝置實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了總結(jié)，實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用低于焚燒和堆肥；

⑦ 總結(jié)了碳化過程溫室氣體排放特征。將碳化裝置與污泥焚燒爐的每單位處理量所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)氣體排放量進(jìn)行比較，碳化裝置比污泥焚燒爐產(chǎn)生的溫室氣體排放量少；

⑧對于資源化利用而產(chǎn)生的減排，提出了評估值的參考標(biāo)準(zhǔn)，見表9；

表9  基于碳化產(chǎn)品有效利用的能源削減效果

⑨ 對污泥碳化設(shè)施的建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)及適用性法規(guī)等提出了指導(dǎo)性意見。

2）2010年《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術(shù)手冊》

由于日本污泥有機(jī)物普遍很高，燃料化方向的碳減排效益明顯。2008年之后，燃料化利用成為日本污泥碳化資源化利用的主要方向。

2008年11月至2010年3月，下水道新技術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)基金會和東芝股份有限公司共同研究污泥熱分解燃料化系統(tǒng)的性能評價等成果，并總結(jié)成《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術(shù)手冊》。

《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術(shù)手冊》明確了“與高溫焚燒方式相比，熱分解燃料化系統(tǒng)能將污泥作為煤炭替代燃料進(jìn)行利用，減少綜合能量收支，減少溫室氣體排放量，作為碳中和的燃料進(jìn)行有效利用”。

①污泥碳化以污水廠污泥為原料，因此將污泥碳化物歸類到生物質(zhì)資源，作為碳中和的燃料進(jìn)行有效利用；

② 碳化物作為煤炭替代燃料進(jìn)行有效利用的情況下，和直接進(jìn)行焚燒處理相比，可削減綜合能耗。

（2）設(shè)施運(yùn)行情況總結(jié)

日本的碳化技術(shù)從開始應(yīng)用（在日本、韓國、中國）到現(xiàn)在已經(jīng)有18年，初步統(tǒng)計(jì)建成的項(xiàng)目超過30個，涵蓋了低溫、中溫及高溫碳化的工藝，目前最大的單體項(xiàng)目的處理能力達(dá)到150噸/天。最早的單體處理能力超過100噸/天的裝置（東京都東部）已經(jīng)運(yùn)行17年。從已建成項(xiàng)目運(yùn)行的實(shí)際情況看，總體情況如下：

①處理量普遍能達(dá)到設(shè)計(jì)能力；

②運(yùn)營管理措施完善，設(shè)備狀況良好；

③未出現(xiàn)運(yùn)行安全重大事故；

④未出現(xiàn)因排放超標(biāo)導(dǎo)致的停產(chǎn)；

⑤污泥碳化物均得到妥善的資源化利用；

⑥項(xiàng)目投資及運(yùn)行成本均得到很好的控制。

（3）環(huán)保對策總結(jié)

為保證碳化設(shè)施滿足環(huán)保要求，在與有關(guān)部門協(xié)商的基礎(chǔ)上，采取相應(yīng)的污染物防治措施及安全對策。已建成運(yùn)行項(xiàng)目在環(huán)保治理方面，均達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1）排放氣體對策

從碳化裝置中產(chǎn)生的大氣污染物，因裝置的型號規(guī)模、運(yùn)行方式、燃料、污泥泥質(zhì)等因素不同而異。

尾氣對策要遵守大氣污染防治法和二噁英類對策特別措施法等相關(guān)法令的五項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。在大氣污染防治法規(guī)定對象內(nèi)的設(shè)施，大氣污染防治法施行令第二條及二噁英類對策特別措施法中對其種類和規(guī)模進(jìn)行了規(guī)定。在法令規(guī)定對象內(nèi)的碳化裝置的排出物涉及SOx、粉塵、HCl、NOx及二噁英類。

2）臭氣對策

一般來說，污泥中產(chǎn)生的臭氣主要有硫化氫、甲硫醇、硫化醇、二硫化醇及氨等5種惡臭物質(zhì)。臭氣對策須遵守惡臭防治法等有關(guān)法令。惡臭防治法根據(jù)每種特定的惡臭物質(zhì)(政令規(guī)定)制定了控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)惡臭氣體成分及量級、產(chǎn)生場所及周邊環(huán)境的敏感度，設(shè)計(jì)符合《惡臭防治法》標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)施。

3）噪音及防振對策

噪音及防振對策，需遵守噪音控制法和振動控制法等相關(guān)法令。

噪音控制法及振動控制法所規(guī)定的對象為工廠及作業(yè)場的設(shè)施中在發(fā)生明顯噪音或振動的設(shè)施中產(chǎn)生明顯的噪音或振動的作業(yè)，并由噪音控制法施行令及振動控制法施行令限定。

4）碳化物土地利用

碳化物如果作為土地利用原料，必須遵守日本肥料管理?xiàng)l例、土壤污染法和土壤生產(chǎn)力法等相關(guān)法令。