中國的污泥碳化技術(shù)研究和工程應(yīng)用開始于2008年，在2017年以后工程化應(yīng)用開始較快發(fā)展。

4.1 發(fā)展歷程

4.1.1 產(chǎn)學(xué)研研究方面

國內(nèi)污泥碳化的研究相比歐美、日本發(fā)展較晚。根據(jù)中國知網(wǎng)2000-2020年公開發(fā)表的污泥碳化相關(guān)論文數(shù)量（圖31），可以看出院校及企業(yè)的產(chǎn)學(xué)研研究基本在2009年左右開始，在2015年以后呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。

圖31 國內(nèi)污泥碳化產(chǎn)學(xué)研研究趨勢圖

研究發(fā)展過程可大致分為三個階段：

（1）2008年之前（萌芽期）：有少許關(guān)于污泥碳化方面的研究。2008年湖北博實(shí)城鄉(xiāng)環(huán)境能源工程有限公司聯(lián)合華中科技大學(xué)國家煤燃燒重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，以武漢市各污水處理廠的污泥為研究對象，開展了城市污水處理廠污泥干化、碳化的實(shí)驗(yàn)室研究，研究內(nèi)容涉及干化、碳化過程特征、過程安全性等方面，得到了對于污泥干化碳化的較完整認(rèn)識。

（2）2009年~2015年（發(fā)展期）：院校及企業(yè)開始有一定數(shù)量的技術(shù)研究，該階段亦有部分工程化應(yīng)用及國家科技課題。

2012年由同濟(jì)大學(xué)牽頭、戴曉虎教授任首席的國家“863計(jì)劃”項(xiàng)目“污泥熱解能源化利用成套技術(shù)及工程示范”開展了污泥熱解技術(shù)及裝備的開發(fā)相關(guān)研究，并在重慶綦江區(qū)三角鎮(zhèn)建成30t/d以螺旋推進(jìn)反應(yīng)器、污泥熱解+可燃?xì)庵卣�、凈化為特點(diǎn)的示范工程。

湖北博實(shí)公司和華中科技大學(xué)國家煤燃燒實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開展了污泥碳化物重金屬穩(wěn)定性研究。聯(lián)合武漢市蔬菜科學(xué)研究所，對污泥碳化物農(nóng)用進(jìn)行了研究。聯(lián)合武漢市林業(yè)科學(xué)研究所，對污泥碳化物作為土壤改良劑開展了研究。

中節(jié)能博實(shí)（湖北）環(huán)境工程技術(shù)股份有限公司承擔(dān)了“十二五”水專項(xiàng)課題-城市污水處理廠污泥處理處置技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)化課題的子課題-大規(guī)模污泥碳化技術(shù)及裝備國產(chǎn)化的研究。

2015年中節(jié)能博實(shí)開展了污泥碳化物活化方面的研究。

（3）2016年~2020年（高速增長期）：隨著在國內(nèi)項(xiàng)目應(yīng)用案例的增多，結(jié)合碳減排、鄰避效應(yīng)等問題，該階段的研究及公開報(bào)道呈現(xiàn)高速增長趨勢。

4.1.2 國內(nèi)公司及技術(shù)來源

國內(nèi)污泥碳化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化起步較晚，從2008年以后，國內(nèi)公司通過技術(shù)引進(jìn)和自主研發(fā)，陸續(xù)形成了各自的污泥碳化技術(shù)，并從2009年開始實(shí)現(xiàn)污泥碳化的工程應(yīng)用。

（1）國內(nèi)參與技術(shù)研發(fā)并具有碳化技術(shù)工程業(yè)績的公司見表10。

 表10 國內(nèi)污泥碳化項(xiàng)目及技術(shù)公司統(tǒng)計(jì)表

（2）國內(nèi)公司的技術(shù)來源分布

國內(nèi)污泥碳化項(xiàng)目的技術(shù)來源大致分布情況如圖32所示。

圖32 國內(nèi)污泥碳化技術(shù)來源分布情況

各個公司的碳化系統(tǒng)都包括了熱干化和碳化兩個核心的單元。

中節(jié)能博實(shí)（湖北博實(shí)）和武漢普樂從日本巴工業(yè)株式會社完整引進(jìn)了連續(xù)高溫碳化工藝技術(shù)，包括了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)施建設(shè)管理、設(shè)施運(yùn)行維護(hù)管理。該技術(shù)已有近20年項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

江蘇碧諾在日本專家的協(xié)助下，參照日本標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)了污泥碳化技術(shù)，采用了與日本月島機(jī)械相似的系統(tǒng)工藝方案。

其他公司的系統(tǒng)大多采用了以回轉(zhuǎn)窯碳化爐為核心的碳化工藝系統(tǒng)，與日本的技術(shù)相似。但在系統(tǒng)熱能回收利用、裝備開發(fā)等方面，仍有一定的差距。

4.2 國內(nèi)污泥碳化工程技術(shù)的發(fā)展

2009年國內(nèi)開始污泥碳化技術(shù)的首例工程化應(yīng)用，主要發(fā)展歷程如圖33。

圖33 中國污泥碳化技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展過程

4.3 國內(nèi)污泥碳化工程技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)目前收集到的資料，我國污泥碳化代表性工程案例如表11。由于各項(xiàng)目進(jìn)入干化碳化系統(tǒng)的污泥含水率差異較大，因此，不能用簡單比較的方式判斷工程能耗的水平。

表11 國內(nèi)污泥碳化代表性工程案例表

4.3.1 工藝技術(shù)介紹

（1）武漢普樂環(huán)境技術(shù)有限公司

 表12 武漢普樂技術(shù)信息表

工藝流程和工程案例如圖34和圖35。

圖34 工藝流程圖

圖35 外熱多段式污泥碳化工程

（2）青島即墨污泥碳化項(xiàng)目

 表13 青島即墨污泥碳化項(xiàng)目

工藝流程和工程案例如圖36和圖37：

圖36 工藝流程圖

 圖37 污泥低溫碳化工程

（3）江蘇碧諾環(huán)�？萍加邢薰�司

表14 江蘇碧諾技術(shù)信息表

工藝流程見圖38：

圖38 工藝流程圖

（4）湖南鼎玖能源環(huán)境科技股份有限公司

表15 湖南鼎玖技術(shù)信息表

工藝流程和工程案例如圖39和圖40所示：

圖39 工藝流程圖

圖40 一體化污泥連續(xù)碳化工程

（5）安徽省通源環(huán)境節(jié)能股份有限公司

表16 安徽通源技術(shù)信息表

總體上，除普樂公司引進(jìn)的日本技術(shù)采用以特殊螺旋管為特色的反應(yīng)器外，其他公司主要是回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器。

4.3.2 工程技術(shù)現(xiàn)狀及問題

目前，國內(nèi)已建成十余個污泥碳化項(xiàng)目，從建成項(xiàng)目的運(yùn)行情況看，除部分案例因各種原因處于停產(chǎn)或低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，總體情況如下：

• 絕大部分項(xiàng)目都能運(yùn)行，且未發(fā)生較大運(yùn)營安全事故；

• 自主研發(fā)技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整性、合理性方面存在較大的完善提升空間；

• 項(xiàng)目實(shí)際處理能力普遍未達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)模，處理能力冗余有待完善；

• 通過改善工藝設(shè)計(jì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)化運(yùn)行管理，處理過程的能耗仍有進(jìn)一步降低的空間；

• 國產(chǎn)裝備在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、關(guān)鍵材料選用、加工制造、可靠性、預(yù)期使用壽命等方面，與進(jìn)口裝備相比，有進(jìn)一步提升的空間；

• 運(yùn)營管理的制度和方法有待完善；

• 專業(yè)化運(yùn)營人員的培訓(xùn)有待加強(qiáng)；

• 排放標(biāo)準(zhǔn)及地方監(jiān)管強(qiáng)度參差不齊；

• 污泥碳化產(chǎn)品出路存在地方性差異，碳化物出路依然是共性的問題。多數(shù)項(xiàng)目在污泥碳化物產(chǎn)品化方面仍在持續(xù)探索中。

• 項(xiàng)目投資及運(yùn)行成本存在較大差異，因設(shè)備質(zhì)量、泥質(zhì)等差異使污泥碳化項(xiàng)目投資及運(yùn)行成本存在橫向差異，亦存在成本控制的縱向差異。

• 因無統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范、排放標(biāo)準(zhǔn)等，工藝設(shè)計(jì)存在差異，有待研究和形成普適性標(biāo)準(zhǔn)。

5.1 日本相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)

日本在污泥碳化項(xiàng)目建設(shè)及運(yùn)行管理中，通常應(yīng)遵循以下相關(guān)法規(guī)，見表16：

表17 日本碳化項(xiàng)目相關(guān)法規(guī)

5.2 中國相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)

目前，國內(nèi)污泥碳化沒有專門針對性的法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)，尚無統(tǒng)一的指導(dǎo)性技術(shù)規(guī)范。各碳化項(xiàng)目依據(jù)環(huán)評的要求執(zhí)行了不同的排放控制標(biāo)準(zhǔn)，所執(zhí)行指標(biāo)差別較大，實(shí)際運(yùn)行中污染物排放均能滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的限值。

5.2.1 相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、導(dǎo)則

國內(nèi)目前污泥碳化相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及導(dǎo)則如下：

(1)   2017年，住建部頒布了《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）》，其中部分提及污泥碳化技術(shù)，對一般碳化系統(tǒng)組成、碳化系統(tǒng)燃料、基本的儀表配置、碳化類型及各自的技術(shù)參數(shù)控制做了簡單介紹。

(2)   2018年，由安徽省住建廳、安徽省通源環(huán)境、合肥學(xué)院編制了地標(biāo)《安徽省城鎮(zhèn)污水處理廠污泥高干脫水碳化處置技術(shù)導(dǎo)則》，依托于安徽當(dāng)?shù)靥蓟��?xiàng)目，對工藝組成、各系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)要求、設(shè)備要求、運(yùn)營管理要求等做了相對細(xì)化的要求。

(3)   2019年，由安徽省市場監(jiān)督管理局編制了《污泥高效節(jié)能碳化工藝技術(shù)規(guī)范》，依托于安徽當(dāng)?shù)匚勰嗵蓟��?xiàng)目，對污泥碳化的工藝組成、主要技術(shù)參數(shù)、取樣檢測及過程控制進(jìn)行了要求。

(4)   2020年，由湖南省住建廳、湖南鼎玖公司等編制了《湖南省城鎮(zhèn)市政污泥運(yùn)輸和處置標(biāo)準(zhǔn)》，其中污泥碳化部分主要對含水率、粒徑、無氧條件、煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)等作出要求。

表18 國內(nèi)目前與污泥碳化相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

5.2.2 項(xiàng)目應(yīng)用中執(zhí)行排放標(biāo)準(zhǔn)

（1）針對常規(guī)的顆粒物、SO2、NOx

根據(jù)項(xiàng)目地環(huán)保敏感程度，分別執(zhí)行《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》GB16297-1996和當(dāng)?shù)氐貥?biāo)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。

（2）針對HCl、重金屬、二噁英

一般參照《生活垃圾焚燒污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》GB18485-2014執(zhí)行。

（3）其他地方大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。

表19 國內(nèi)現(xiàn)有污泥碳化項(xiàng)目執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)

通過對國內(nèi)外污泥碳化技術(shù)發(fā)展的梳理和總結(jié)發(fā)現(xiàn)，污泥碳化作為一項(xiàng)替代污泥焚燒的熱化學(xué)處理方式，在污泥能源利用、資源回收、污染物控制、溫室氣體減排等方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

目前污泥碳化技術(shù)已經(jīng)在日本實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的工程應(yīng)用，并建立了完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。我國在污泥碳化技術(shù)引進(jìn)吸收、工程示范等方面已經(jīng)具有一定的基礎(chǔ)，同時開展了相關(guān)產(chǎn)學(xué)研研究，但在關(guān)鍵技術(shù)裝備開發(fā)和工程推廣應(yīng)用等方面還存在較大的發(fā)展空間，污泥碳化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚需進(jìn)一步完善。

在本報(bào)告總結(jié)的基礎(chǔ)上，下一步將重點(diǎn)完成《污泥碳化技術(shù)導(dǎo)則》、《污泥碳化工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》等指導(dǎo)文件的編制。同時，還將開展污泥碳化分報(bào)告的編制工作，主要內(nèi)容包括熱解碳化、碳化過程污染物以及碳化處理處置碳排放評價等方面。

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。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的提升，污水產(chǎn)生和處理量日益增加，我國污水處理規(guī)模已經(jīng)躍居世界首位。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部最新數(shù)據(jù)，截止到2020年，我國已建成城鎮(zhèn)污水處理廠4326座，污水處理量達(dá)到2.2億立方米/日，由此產(chǎn)生的污泥量已突破6500萬噸/年（以含水率80%計(jì)）。污泥作為污水處理的過程產(chǎn)物，濃縮匯集了污水中的30%~50%污染物，具有“污染”和“資源”的雙重屬性，污泥的安全處理處置與資源化一直是污水處理領(lǐng)域的國際研究熱點(diǎn)。由于我國污泥處理起步較晚，長期以來以填埋處置方式為主，造成嚴(yán)重的二次污染和資源浪費(fèi)。污泥處理處置是我國水污染防治中面臨的重大瓶頸問題，也是我國污水處理的短板之一。

近年來，隨著我國對污泥問題的重視，投入了大量的資金及研發(fā)力量，在生物穩(wěn)定、脫水減量、熱化學(xué)處理處置等方面突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)與重大裝備，相關(guān)國家政策相繼發(fā)布，逐步明確了污泥處理的要求和目標(biāo)，污泥處理處置行業(yè)快速發(fā)展。目前，常用的處置方式主要包括土地利用、建材利用、衛(wèi)生填埋等，相應(yīng)的處理技術(shù)主要包括污泥厭氧消化、好氧發(fā)酵、干化焚燒、深度脫水等，逐漸呈現(xiàn)多元化的處理處置方式。

污泥碳化技術(shù)是上世紀(jì)90年代在日本和歐美發(fā)展而來的污泥處理新技術(shù)，2008年以后中國也逐步開展了污泥碳化的技術(shù)研究和工程應(yīng)用。國內(nèi)外工程應(yīng)用的結(jié)果表明，和傳統(tǒng)的堆肥、焚燒等污泥處理技術(shù)相比，污泥碳化在能源有效利用、資源化、溫室氣體減排等方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。因此，污泥碳化技術(shù)逐漸成為國際上污泥處理的研究熱點(diǎn)和新的發(fā)展方向。

污泥碳化技術(shù)雖然在中國已有十幾年的發(fā)展，但依然未能得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。為了更好地了解該技術(shù)的適用性和發(fā)展?jié)摿�，本研究將從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、工程和政策法規(guī)等方面對國內(nèi)外污泥碳化技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)回顧，以期為我國污泥碳化技術(shù)的發(fā)展提供參考和指導(dǎo)。

1.1 污泥碳化技術(shù)原理

污泥碳化是在無氧或缺氧條件下進(jìn)行熱解處理，以獲得含碳固體產(chǎn)物為主要目標(biāo)產(chǎn)物的污泥穩(wěn)定化過程。有機(jī)物在碳化過程會發(fā)生分解，產(chǎn)物包括由低分子有機(jī)物、水蒸氣等組成的熱解氣、焦油、以及由固定碳和無機(jī)物為主的固體碳化物（日本、德國均將污泥碳化物歸類到生物炭（Biochar）（圖1）。由于水分的蒸發(fā)和熱解氣體的揮發(fā)，逐漸形成表面和內(nèi)部孔隙發(fā)達(dá)、且富含固定碳的污泥碳化物（圖2）。污泥碳化物在生物、化學(xué)、物理等方面具有良好的穩(wěn)定性，在多個領(lǐng)域均有較好的資源化利用前景。

圖1 污泥碳化處理過程示意圖

圖2 污泥處理狀態(tài)與單位質(zhì)量熱值分布圖

1.2 技術(shù)發(fā)展背景

歐美國家和日本在發(fā)展過程中都經(jīng)歷過污水廠污泥處理處置的環(huán)境問題，對中國具有一定的借鑒意義。早期污泥處理處置方法簡單，以填埋、投海為主，由此帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和公眾環(huán)保意識的增強(qiáng)，各國政府對污泥處理處置的要求也逐步提高，并制定了相應(yīng)的法規(guī)。

以日本為例，污泥處理處置的主要方式經(jīng)歷如下變遷：

• 上世紀(jì)60年代以前：自然干化、直接填埋；

• 60年代：脫水、衛(wèi)生填埋；

• 70年代：堆肥、土地利用；

• 80年代：開始焚燒，最大限度減量，焚燒灰填埋；

• 90年代：推廣厭氧消化，以回收污泥的能源；

• 90年代后期：提出污泥碳化技術(shù)方向，深度資源化利用。

目前，污泥焚燒仍然是日本污泥的主要處理方式，占70%以上，如圖3所示。

圖3 日本污泥處理處置現(xiàn)狀

在歐洲一些國家，如德國、荷蘭、瑞典、瑞士、奧地利等，焚燒也是污泥的主要處理方法，而部分國家則以污泥農(nóng)用為主要處置方式，如圖4所示。

圖4 歐洲污水廠污泥處置情況(Eurostat, 2015)

歐盟28國污泥處理處置的情況見表1。

表1 歐盟28國污水廠污泥處置情況(2012–2015)

世界各國對污泥處置的方法各有不同的側(cè)重點(diǎn)，目前污泥的處理處置方式主要包含穩(wěn)定化土地利用、焚燒建材利用、以及衛(wèi)生填埋，其中美國、英國等主要采用土地利用的處置方式，日本土地面積較小，主要采用焚燒建材利用的方式，德國近年來重視污泥磷回收，焚燒比例有所增加�？傮w上，國際污泥處理處置以土地利用和焚燒為主，其中土地利用呈逐漸增加的趨勢，焚燒呈穩(wěn)步發(fā)展趨勢，而衛(wèi)生填埋由于環(huán)境負(fù)面影響較大，呈下降趨勢。

隨著環(huán)境管理政策的加強(qiáng)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，到本世紀(jì)初，日本及歐美國家在污泥穩(wěn)定化、無害化處理方面已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，污泥處理處置技術(shù)發(fā)展水平已經(jīng)能夠滿足社會及環(huán)境的基本要求。隨著污泥熱化學(xué)處理技術(shù)的發(fā)展，日本和歐美國家率先提出了污泥碳化再利用的概念，以達(dá)到更好的減排和資源化利用的目標(biāo)。在這樣的需求驅(qū)動下，污泥碳化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1.2.1 日本碳化技術(shù)的發(fā)展

上世紀(jì)90年代末，隨著污水處理量的增加，日本市政污泥的產(chǎn)量也隨之增加，對污泥的處理處置方式提出了更高的要求。各種綜合因素促使日本開始尋求開發(fā)新的污泥處理處置技術(shù)，污泥碳化技術(shù)迎來發(fā)展機(jī)遇。本世紀(jì)初，污泥碳化技術(shù)在日本得到開發(fā)應(yīng)用，主要驅(qū)動力如下：

（1）土地及填埋場容量限制

廢棄物最終處置（包括焚燒灰）所涉及的填埋場新開發(fā)用地難等因素，使得填埋場（包括焚燒灰填埋場）的剩余容量變得極為有限。

（2）溫室氣體減排

隨著《京都議定書》的簽訂和生效，溫室氣體減排需求日益突出，因此需要尋找污泥處理領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳減排的新路徑。

（3）消除二噁英污染隱患

焚燒是日本污泥的主要處理方式，而二噁英排放主要來自于廢棄物焚燒（包括污泥焚燒）和鋼鐵冶煉，因此，對污泥焚燒二噁英排放也開始強(qiáng)制管理。實(shí)際上，80年代以來固體廢棄物（包括污泥）焚燒迅速發(fā)展所帶來的二噁英排放已成為大氣污染的重要隱患，亟需尋找二噁英排放量低的污泥處理技術(shù)。

（4）資源化利用的目標(biāo)

日本在污泥碳化資源化利用方面，關(guān)注的重點(diǎn)不是熱解氣而是碳化處理得到的污泥碳化物。其目標(biāo)是推進(jìn)污泥碳化物在燃料、土地利用、建材利用等各方面得到應(yīng)用。

1.2.2 歐洲碳化技術(shù)的發(fā)展

歐洲發(fā)展污泥碳化技術(shù)的驅(qū)動力來源于尋找比焚燒更清潔的處理技術(shù)以及對污泥中磷的有效回收利用。

早在上世紀(jì)90年代，德國投入了大量的科研力量，持續(xù)開展污泥碳化方面的研究與工程示范。德國發(fā)展碳化技術(shù)的主要原因在于：

（1）污泥焚燒產(chǎn)生的復(fù)雜污染物處理難，環(huán)境健康效應(yīng)不明確。而污泥熱解技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)氣相產(chǎn)物燃燒，降低持久性污染物的排放；

（2）德國要求污泥焚燒后灰渣中磷回收率大于80%，但目前從污泥焚燒灰渣中提取磷經(jīng)濟(jì)性較差，而污泥碳化除了比焚燒過程更清潔之外，還能為污泥中磷資源的回收利用提供有利條件。

歐盟國家中德國的污泥產(chǎn)量最大，2015年為180萬噸(干量)，占28個歐盟國家污泥產(chǎn)量的 20.4%。2017年10月修訂的“德國污泥條例”正式頒布，其重要的規(guī)定是：在規(guī)定的過渡期(12年或15年)之后，所有規(guī)模超過5萬人口當(dāng)量的污水廠都必須從污泥或者污泥灰進(jìn)行磷回收，同時對今后過渡時期內(nèi)還進(jìn)行“土地利用”的污泥處置提出了更嚴(yán)格的要求。因此，必須找到有效的污泥磷回收技術(shù)。

磷可以從污泥中直接回收（要求回收率不得低于50%）或者在污泥熱處理（如焚燒）后回收。如果在污泥焚燒后回收灰渣中的磷, 要求回收率大于80%。目前從污泥焚燒灰渣中回收磷成本要高于從磷礦石中提取磷，所以從污泥焚燒灰渣中提取磷經(jīng)濟(jì)性較差。而污泥碳化物中的含磷水平明顯高于歐盟對于磷肥中含磷水平的規(guī)定，且含有N、 K、 Ca 等營養(yǎng)元素，并具有多孔、吸附性等特征，可以用作肥料或者土壤改良劑。同時碳化對污泥重金屬具有一定的穩(wěn)定固化作用，有利于降低后續(xù)利用過程的環(huán)境風(fēng)險。

此外，歐洲已經(jīng)頒布生物炭的標(biāo)準(zhǔn)。The European Biochar Certifcate (EBC)是歐洲和瑞士生物炭的推薦性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（Voluntary industry standard），它規(guī)定了生物炭的含碳量必須超過50%，含碳量小于50%的含碳固體被認(rèn)為是熱解含碳材料(PCM)。

1.2.3 中國碳化技術(shù)的發(fā)展

中國污泥碳化技術(shù)的出現(xiàn)，源于中國企業(yè)對于國外技術(shù)的引進(jìn)，在引進(jìn)之初并沒有明確的社會發(fā)展政策導(dǎo)向、行業(yè)技術(shù)政策導(dǎo)向或明確的資源化利用目標(biāo)的驅(qū)使。2006-2008年，湖北博實(shí)城鄉(xiāng)環(huán)境能源工程公司從日本引入污泥碳化技術(shù)；同期，密西西比國際水務(wù)(中國)公司從美國引入污泥碳化技術(shù)。但由于缺乏技術(shù)發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)，中國污泥碳化技術(shù)發(fā)展較為緩慢。

污泥碳化技術(shù)最早來源于生物質(zhì)熱解碳化。世界范圍內(nèi)，日本污泥碳化技術(shù)發(fā)展較快，已得到了較多的工程應(yīng)用，目前最大的污泥碳化裝置處理能力為150噸/日。

2.1 污泥碳化技術(shù)

2.1.1污泥碳化系統(tǒng)組成

污泥碳化工藝主要由污泥干化、污泥碳化、尾氣處理和能源回收利用等單元組成。其中，干化是碳化的預(yù)處理單元，碳化是核心單元。

由于污泥干化過程會釋放臭氣，同時在熱解過程中也會產(chǎn)生多種氣體成分，因此，尾氣處理單元不可或缺。尾氣處理技術(shù)措施與污泥的組成性質(zhì)以及整個系統(tǒng)過程的技術(shù)參數(shù)密切相關(guān)。能源回收系統(tǒng)是降低系統(tǒng)能耗的保障。在日本的實(shí)際工程中，能源回收和尾氣處理兩個部分的設(shè)備投資占到設(shè)備總投資的30%-40%。

2.1.2 污泥碳化反應(yīng)條件

污泥碳化是采用熱解的方法處理污泥。在以下四個條件同時具備的情況下，碳化過程才能發(fā)生或技術(shù)可行：

（1）有機(jī)物含量

污泥碳化的熱解反應(yīng)對象是污泥中有機(jī)物，有機(jī)物含量會直接影響污泥碳化過程能耗水平、碳化物成分等。日本市政污泥的有機(jī)物含量通常達(dá)到70%-85%，而目前中國市政污泥的有機(jī)物含量通常只有40%-60%。當(dāng)污泥有機(jī)物含量過低時，污泥碳化過程經(jīng)濟(jì)性較差，且污泥碳化物可利用性差，不宜采用碳化工藝進(jìn)行處理。

（2）絕氧（或缺氧）環(huán)境

有機(jī)物的熱解反應(yīng)只有在絕氧（或缺氧）的條件下才會發(fā)生。

（3）熱解反應(yīng)溫度

污泥有機(jī)物受熱達(dá)到一定的溫度之后，熱解反應(yīng)才開始發(fā)生。熱解所需要的溫度通常根據(jù)污泥有機(jī)物含量、成分以及資源化利用途徑而確定。通常污泥熱解的溫度范圍為250-700°C。

2010年日本下水道新技術(shù)推進(jìn)機(jī)構(gòu)發(fā)布的《污泥熱分解燃料化系統(tǒng)技術(shù)手冊》提出污泥碳化過程發(fā)生的基本溫度為250℃（污泥顆粒應(yīng)達(dá)到的溫度）。同時提出，當(dāng)脫水污泥的熱值高、有足夠熱值殘留在碳化污泥中時，碳化溫度設(shè)為500℃，促進(jìn)裂解氣生成以降低碳化過程運(yùn)營成本。當(dāng)脫水污泥熱值低、沒有足夠熱值殘留在碳化污泥中時，碳化溫度控制在500℃以下，以盡量將熱值保留在碳化污泥中。

（4）足夠的反應(yīng)停留時間

污泥碳化處理反應(yīng)停留時間，需根據(jù)污泥有機(jī)物含量、揮發(fā)份特性以及熱解溫度等確定。在相同的碳化溫度條件下，如果保持碳化物中碳、氫、氧等元素的最終殘留率一致，污泥有機(jī)物含量越高，所需要的熱解反應(yīng)停留時間越長。

2.1.3 污泥碳化工藝分類

1、按資源化產(chǎn)物分類

污泥碳化過程以獲得含碳固體產(chǎn)物為主要目的。根據(jù)污泥碳化的資源化產(chǎn)物種類，可將污泥碳化工藝分為污泥碳化基礎(chǔ)工藝和污泥碳化產(chǎn)油（氣）工藝。

（1）污泥碳化基礎(chǔ)工藝

污泥碳化基礎(chǔ)工藝是以污泥碳化物為唯一產(chǎn)物，是污泥碳化技術(shù)工程應(yīng)用的主流工藝。碳化過程中產(chǎn)生的干餾氣被燃燒利用釋放熱量，以減少整個過程的能量補(bǔ)充，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

基礎(chǔ)工藝通常由污泥干化、污泥碳化、尾氣處理等主要單元組成，如圖5所示。

圖5 污泥碳化基礎(chǔ)工藝

（2）污泥碳化產(chǎn)油（氣）工藝

污泥碳化產(chǎn)油（氣）工藝是污泥碳化基礎(chǔ)工藝的衍生工藝，過程的目標(biāo)產(chǎn)物包括污泥碳化物和油（氣）兩種可回收利用的產(chǎn)物。衍生工藝是通過對污泥的熱解碳化處理，最大限度回收污泥中可資源化利用的物質(zhì)，而達(dá)到這個目標(biāo)的首要條件是污泥的有機(jī)物含量足夠高。目前，污泥碳化衍生工藝應(yīng)用的案例很少，但是未來的發(fā)展方向之一。

污泥碳化產(chǎn)油（氣）工藝通常由污泥干化、污泥碳化、尾氣處理、油（氣）改質(zhì)等主要單元組成，如圖6所示。

圖6 污泥碳化衍生工藝

2、按碳化處理過程溫度分類

根據(jù)碳化的操作溫度，將污泥碳化技術(shù)劃分為低溫、中溫和高溫碳化，如圖7所示。

圖7 不同溫度范圍污泥碳化分類

該分類主要是基于碳化物資源化利用方向的差別：

（1）高溫碳化的產(chǎn)物主要應(yīng)用于土壤改良、建材利用等方面，為了資源化利用的安全，污泥必須得到最大限度的穩(wěn)定化和無害化，因此采用高溫的熱解條件；

（2）低溫、中溫碳化產(chǎn)物主要的資源化利用方向?yàn)槿剂匣�，將碳化物作為替代煤的輔助燃料。在保證污泥碳化物的性質(zhì)得到基本穩(wěn)定的前提下，盡量保存碳化物熱值，因此采用低溫、中溫的熱解條件，保留一部分揮發(fā)分。

2.2 污泥碳化設(shè)備

污泥碳化爐（反應(yīng)器）主要包括以下幾種形式：

外加熱螺旋推進(jìn)碳化爐、直接加熱螺旋推進(jìn)碳化爐、外加熱回轉(zhuǎn)窯碳化爐、直接加熱回轉(zhuǎn)窯碳化爐和多膛爐。

2.2.1 外加熱螺旋推進(jìn)碳化爐

采用間接加熱和螺旋驅(qū)動物料前進(jìn)的管式熱解爐，裂解產(chǎn)生的揮發(fā)份在裂解管上開口噴出后立即燃燒，高溫?zé)煔獬�供熱解能耗外還能干燥污泥。

該類碳化爐能適用于高溫、中溫和低溫碳化，代表性公司為日本巴工業(yè)株式會社（TOMOE）。其系統(tǒng)概念和工藝如圖8和圖9所示。

圖8 日本TOMOE外加熱螺旋推進(jìn)碳化爐

圖9 日本TOMOE高溫碳化系統(tǒng)

德國ELIQUO STULZ公司提供的Pyreg®碳化工藝也采用了外熱螺旋推進(jìn)碳化反應(yīng)器，如圖10所示。

圖10  PYREC®污泥熱解工藝

2.2.2 直接加熱螺旋推進(jìn)碳化反應(yīng)器

該類設(shè)備采用導(dǎo)電螺旋直接加熱污泥，使污泥產(chǎn)生熱解反應(yīng)。

該類設(shè)備的代表公司是法國的ETIA，其下屬公司BIOGREEN®開發(fā)了Spirajoule®碳化工藝，該設(shè)備的核心部件是由焦耳效應(yīng)電加熱的無軸螺旋。原理上該技術(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。其反應(yīng)器及系統(tǒng)如圖11、圖12所示。

目前，尚未見該技術(shù)在污泥碳化工程應(yīng)用方面的報(bào)道。

圖11 Spirajoule®反應(yīng)器

圖12 Spirajoule®碳化系統(tǒng)

2.2.3 外加熱回轉(zhuǎn)窯碳化爐

該類設(shè)備的主體為回轉(zhuǎn)窯，外部設(shè)有利用高溫?zé)煔庾鳛榧訜峤橘|(zhì)的夾套。該類設(shè)備通常用于低溫或中溫碳化，當(dāng)用于高溫碳化時，只能應(yīng)對小規(guī)模的處理。

該類設(shè)備的代表性公司為日本月島機(jī)械、三菱重工，主要在日本污泥碳化燃料化工程中得到應(yīng)用。其設(shè)備及工藝如圖13、圖14所示。

圖13 TSK碳化爐

圖14 外熱回轉(zhuǎn)窯污泥碳化系統(tǒng)

2.2.4 直接加熱回轉(zhuǎn)（窯）碳化爐

直接加熱回轉(zhuǎn)（窯）碳化爐是從回轉(zhuǎn)焚燒爐發(fā)展而來的。通過控制供氧使部分揮發(fā)分燃燒，直接給污泥提供碳化過程所需的熱量，達(dá)到污泥碳化的目標(biāo)。該類設(shè)備的代表性公司是日本臟器制藥株式會社，其設(shè)備及工藝如圖15、圖16所示。

圖15 日本臟器制藥株式會社直接加熱回轉(zhuǎn)碳化爐

圖16 直接加熱回轉(zhuǎn)碳化系統(tǒng)

2.2.5 多膛爐

傳統(tǒng)的多膛爐主要用于廢棄物的熱解焚燒。通過改變反應(yīng)條件，多膛爐可以用于污泥碳化。污泥經(jīng)過預(yù)先干燥或者不干燥，從上部進(jìn)入逐層降落，在爐內(nèi)隔層裝有燃燒器對污泥進(jìn)行加熱實(shí)現(xiàn)碳化或者氣化�？刂乒┤氲娘L(fēng)量即可調(diào)整污泥碳化和氣化的程度。其設(shè)備形式及系統(tǒng)如圖17、圖18所示。

圖17 多膛爐結(jié)構(gòu)示意圖

圖18 TSK多膛爐碳化系統(tǒng)