煤助滤强化城市污泥脱水后的热值资源化利用.pdf

经 验 交 流 煤助滤强化城市污泥脱水后的热值资源化利用 孙承智叶舒帆胡筱敏 东北大学资源与土木工程学院， 沈阳110004 摘要 研究了以颗粒煤为助滤剂， 采用 “真空 － 加压” 二段式过滤强化城市污泥脱水的工艺效果。利用热值分析、 工业 分析和 TG-DTA 测试手段考察了泥煤混合物料热值资源化利用的前景。实验表明 按 m 泥 ∶ m 煤 分别为 1∶ 2和 1∶ 3， 向含水率为 96. 41 的消化污泥中添加粒度为 0. 15 ～ 0. 18 mm 颗粒煤， 经 0. 02 MPa 真空过滤 30 min， 0. 3 MPa 加压 过滤 30 min 后 分 别 可 获 得 含 水 率 为 43. 57 和 39. 36 的 泥 煤 混 合 滤 饼， 湿 基 低 位 热 值 达 到 9 409 kJ/kg 和 10 252 kJ/kg， 干基物料工业成分接近煤样。泥煤混合物料兼具了污泥和煤样的热解和燃烧特性， 具有较宽的反应温 度区间。 关键词 煤助滤; 城市污泥; 脱水; 热值; 资源化 CALORIFIC VALUE RESOURCE UTILIZATION OF DEWATERED SEWAGE SLUDGE ENHANCED BY COAL Sun ChengzhiYe ShufanHu Xiaomin School of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110004，China AbstractIn this work，technological effect of two stages vacuum filtering and pressure filteringsewage sludge dewatering enhanced via adding particle coal has been studied. In addition，the calorific value utilization of sludge-coal mixed materials has been prospected based on analysis of calorific value，industrial components and TG-DTA. It’ s shown that if adding coal granularity at 0. 15 ～ 0. 18 mm with ratio dry sludge ∶ coal1∶ 2 and 1∶ 3 to digest sludge，the water content could decrease to 43. 57 and 39. 36 respectively from the original 96. 41 after 30min vacuum filtering at 0. 02 MPa and 30min pressure filtering at 0. 3 MPa sequentially. The obtained wet basis materials have 9 409 kJ/kg and 10 252 kJ/kg low calorific value respectively，and both dry bases have similar industrial components with coal. Sludge-coal mixed materials have pyrolysis or combustion characteristics of sludge and coal， which extended reaction temperature range. Keywordscoal filter aid;sewage sludge;dewatering;calorific value;resource 0引言 根据中国环境统计年报2007 ， 全国共统计 1 258座 城 市 污 水 处 理 厂， 全 年 共 处 理 废 水 190. 4 亿 t［ 1］ 。 城市污水 处理厂 的污 泥 产量 大， 按 含 水 率 80 记约占处理水量的 0. 1 ［ 2］， 我国年排放污泥量 湿重 已高达约 1 900 万 t， 占全国年总固体废弃物 排放量的 3 以上。 污泥处理的投资和运行费用相当大， 约占污水处 理厂总投资及运行费用的 20 ～ 60 。污泥资源化 技术已逐渐成为研究的热点， 国内外所采用的污泥资 源化技术主要有 污泥堆肥、 消化制沼气、 污泥燃料 化、 用于建材等 ［ 3- 4］。热解法是一种最具潜力的热化 学技术， 具有很多优点， 例如 体积大幅减小; 重金属 不易自然析出 ［ 5］; 热解产生的油份能成为潜在的燃 料; 热解法产生的有害物质相比焚烧要少很多 ［ 6］; 污 泥中高含量的无机成分也为其材料化利用提供了基 础。国外已将热解法应用于处理含油污泥， 而国内对 于热解法处理污泥还处于实验阶段。 在污泥处理流程中， 脱水是一个关键环节。目 前， 国内外关于污泥脱水的研究主要有 改进污泥脱 水机; 添加絮凝剂、 助滤剂改变污泥的过滤性能， 强化 污泥脱水效果 ［ 7］; 附加电场 电絮凝、 高渗透、 高压静 电等 、高 温 突 跃 法、超 声 波、磁 场 强 化 污 泥 脱 水等 ［ 8- 9］。 以颗粒煤作为助滤剂强化污泥脱水效果， 采用热 解法同步回收污泥和煤中的热值将是一条经济合理、 701 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 技术可行的城市污泥资源化处理途径。本文对颗粒 煤强化污泥脱水后形成煤泥混合物进行了热值和工 业分析， 并对其热解和燃烧特性进行了研究， 为城市 污泥热值资源化利用工程提供参考。 1方法和材料 1. 1实验设备 本文利用 “真空 － 加压” 的二段式过滤对城市污 泥进行颗粒煤助滤脱水， 脱水实验装置如图 1 所示。 对煤泥混合物的热解和燃烧特性分析采用 TG-DTA 法， 依托设备为 PYRIS DIAMOND TG/DTA 热 综合 分析仪。 1. 2实验材料 实验所用城市污泥为沈阳市北部污水处理厂消 图 1城市污泥二段式过滤装置示意 化污泥， 其基本性质参数如表 1 所示; 颗粒煤为内蒙 古包头神府东胜煤业有限公司所生产的面煤经筛分 获得， 其燃烧热值为 19 922 kJ/kg; 滤布为沈阳蓝光 无纺布有限公司生产的丙纶无纺布。 表 1城市污泥基本性质参数 指标pH含水率 / 干基热值 / kJ kg － 1 干基挥 发分 / 重金属含量 干污泥 / mg kg － 1 NiCuCdCrPbZnFeHg 参数7. 1296. 4114 58953. 540. 0250. 1300. 1000. 1550. 1505. 7003. 8150. 005 1. 3实验步骤 1 对 城 市 污 泥 进 行 二 段 式 煤 助 滤 脱 水 取 200 mL污泥样品， 按污泥样品固含量和煤质量比例 以下简称 “泥煤化” 为 2∶ 1、 1∶ 1、 1∶ 2和 1∶ 3添加粒 度为 0. 15 ～ 0. 18 mm 的颗粒煤， 并设置煤空白样。 搅拌 20 min 后在 0. 02 MPa 压力下真空过滤 30 min， 再在 0. 3 MPa 压力下压榨过滤 30 min， 获得脱水后的 泥煤混合滤饼。 2 将湿基泥煤混合滤饼低温烘干 60 ℃ 下烘干 24 h ， 对各个泥煤混合滤饼进行工业分析和热值测 定， 确定混合物料热值利用的基本性质。 3 将湿基泥煤混合滤饼低温烘干 60 ℃ 下烘干 24 h ， 获得干基泥煤混合物料， 研磨至颗粒粒径小于 0. 18 mm， 按 8 分法取样分别在氮气和空气氛围下进 行 TG-DTA 测试， 获得泥煤混合物料的热解和燃烧特 性。TG-DTA 测 试 的 基 本 参 数 设 置 为 试 样 粒 度 0. 18 mm; 实验气氛为 99. 999 高纯氮和空气， 流量 100 mL/min; 样品质量 5 mg; 升温速率为10 K/min; 温 度范围为室温至 900 ℃; 参比物质为高纯氧化铝坩埚。 1. 4测试分析方法 滤饼含水率 60 ℃ 烘干重量法; 滤饼热值 XRY- 1A 氧弹热量计测定法; 泥煤混合物料工业分析 参照 煤的相关工业分析方法 ［ 10］。 2结果和讨论 2. 1污泥二段脱水性能 按 1. 3 对城市污泥进行二段式煤助滤强化脱水， 其脱水效果如表 2 所示。 表 2煤助滤强化污泥脱水效果 泥煤比 泥煤混合物 含水率 / 一段过滤滤饼 含水率 / 二段过滤滤饼 含水率 / 煤空白96. 4188. 4281. 23 2∶ 194. 7184. 8972. 71 1∶ 193. 0777. 2560. 19 1∶ 289. 9565. 4458. 52 1∶ 387. 0458. 5239. 36 由表 2 可见， 以颗粒煤为助滤剂能显著改善污泥 过滤性能， 提升污泥过滤的效果。分析原因， 城市污 泥富含有机质、 黏度大、 可压缩性强。在过滤脱水过 程中， 滤饼结构往往会变得致密， 孔隙率迅速下降， 使 得滤饼过滤阻力增大， 不利于过滤， 导致最终滤饼含 水率很高。添加颗粒煤作为助滤剂， 由于其刚性结构 的可压缩性较差， 在过滤过程中形成骨架， 可提高污 泥滤饼的抗压缩性， 使得滤饼具体较高的孔隙率和渗 透性， 减小滤饼过滤阻力， 从而强化污泥过滤脱水 效果。 2. 2泥煤混合滤饼的热值分析 对各个干基泥煤混合滤饼进行热值分析， 获得实 验结果如图 2 所示。 利用干基热值数据， 对煤泥混合物料的热量平衡 进行分析， 可得热量平衡如表 3 所示。其中水分蒸发 801 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 吸热量约等于水分从 20 ℃ 升至 100 ℃ 所需的热量 水热容按 4. 2 103J/ Kkg 加上气化所需热量 气化潜热按常压下 2 257. 6 J/g 计 。 图 2干基泥煤混合滤饼的热值 污泥与煤的发热量受含水率、 灰分含量和变质程 度等因素影响。从表 3 中数据看出， 污泥湿基发热量 极低， 仅为 358. 6 kJ/kg， 不可能单独燃烧。污泥干燥 基发热量 14 589 kJ/kg， 但与标准煤 29 270 kJ/kg 相 比仍有较大差异， 其主要原因是 在元素构成上， 污泥 和煤相比氧含量较高而碳含量较低; 在成分组成上， 实验用污泥主要由纤维素和脂肪类、 蛋白质类及糖类 化合物等组成， 发热量较低， 而煤主要由缩聚的芳香 结构组成， 发热量较高。随着泥煤比的增加， 湿基滤 饼的热值逐步上升， 在泥煤比为 1∶ 2和 1∶ 3时， 湿基滤 饼热值分别达到了 9 409 kJ/kg 和 10 252 kJ/kg， 做简 单烘干或晾干处理， 基本可作为燃料来使用。 表 3泥煤混合物料热量平衡分析表 泥煤比 含水 率 / 污泥干重 / g kg － 1 煤粉质量 / g kg － 1 水分蒸发吸 热 / J kg － 1 污泥燃烧放 热 / J kg － 1 剩余热值 / J kg － 1 污泥热值 / kJ kg － 1 煤粉热值 / kJ kg － 1 湿基滤饼热 值 / kJ kg － 1 煤空白81. 23187. 7021067812738355358642358. 60358. 6 2∶ 172. 21185. 292. 618728392703341830503830. 518452675. 5 1∶ 160. 19199. 1199. 1156108829046701343582134439665310 1∶ 243. 57188. 1376. 2113003227441911914159191474959409 1∶ 339. 36151. 6454. 81020841221169211908511191906110252 2. 3泥煤混合滤饼的工业分析 对干基泥煤混合物料进行工业分析， 获得实验结 果如表 4 所示。 表 4污泥、 颗粒煤和滤饼的工业分析 物料灰分 /固定碳 /挥发分 / 干污泥40. 485. 9853. 54 颗粒煤22. 1264. 2813. 60 泥煤 2∶ 132. 83 29. 1438. 02 泥煤 1∶ 129. 41 37. 8532. 73 泥煤 1∶ 226. 45 49. 4324. 12 泥煤 1∶ 324. 75 52. 8222. 43 污泥干燥基的挥发分较高， 达到了 53. 54 ， 是 颗粒煤的 4 倍左右; 污泥干燥基的固定碳很低， 仅为 5. 98 ， 是颗粒煤的 1 /10 左右， 污泥的灰分也较颗粒 煤相比多了近一倍。随着污泥中掺添的颗粒煤的比 例增加， 污泥滤饼的工业组成越接近于煤的工业组 成， 具有可行的工业应用基础。 2. 4泥煤混合物料的热解特性 按 2. 3 中条件， 在高纯氮气氛围下对干污泥、 泥 煤混合物料和煤样进行 TG-DTA 测试， 所得实验结果 如图 3 ～ 图 8 所示。 图 3干污泥热解 TG-DTA 曲线 图 4泥煤 2∶ 1混合物料的热解 TG-DTA 曲线 比较分析图 3 和图 8 可以看出， 干污泥和煤样的 热解特性明显不同。干污泥的热解呈现明显的三个 失重阶段， 即水分析出阶段、 挥发份析出阶段和固定 901 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 图 5泥煤 1∶ 1混合物料的热解 TG-DTA 曲线 图 6泥煤比 1∶ 2混合物料的热解 TG-DTA 曲线 图 7泥煤比 1∶ 3混合物料的热解 TG-DTA 曲线 图 8煤样热解 TG-DTA 曲线 碳燃烧阶段。由于污泥中有机物含量高， 其化学键强 度差异大， 从 180 ～ 630 ℃ 之间均有挥发性有机物析 出。煤样热解过程中挥发份开始析出的温度较高， 需 要 360 ℃ 左右， 而挥发份析出和固定碳燃烧的失重阶 段之间没有明显的界线。在室温 ～ 900 ℃ 的温度区 间内， 煤样并没有完全热解， 900 ℃ 后仍有一定的失 重空间。由图 4 ～ 图 7 可以看出， 在干污泥和煤样热 解特性的共同作用下， 泥煤混合物料呈现在升温区间 内连续热解失重的特点。泥煤比为 1∶ 2和 1∶ 3时， 混 合物料从 180 ℃ 开始热解析出挥发份， 至 680 ℃ 左右 出现一个热解主要物质交换点， 之后继续失重。 2. 5泥煤混合物料的燃烧特性 按 1. 3 中条件， 在空气氛围下对干污泥、 泥煤混 合物料和煤样进行 TG-DTA 测试， 所得实验结果如 图 9 ～ 图 14所示。 图 9干污泥燃烧 TG-DTA 曲线 图 10泥煤比 2∶ 1混合物料的燃烧 TG-DTA 曲线 图 11泥煤比 1∶ 1混合物料的燃烧 TG-DTA 曲线 比较分析图 9 和图 14 可以看出， 干污泥和煤样 的燃烧特性主要的区别在于总失重率大小和燃烧温 度不同。污泥中易挥发的有机物含量高， 在 300 ℃ 左 右剧烈燃烧， 释放热量; 由于其成分复杂， 从 200 ～ 011 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 图 12泥煤 1∶ 2混合物料的燃烧 TG-DTA 曲线 图 13泥煤 1∶ 3混合物料的燃烧 TG-DTA 曲线 图 14煤样的燃烧 TG-DTA 曲线 700 ℃ 之间均有燃烧失重; 污泥灰分高， 燃尽总失重 率约为 60 。煤样在 400 ～ 500 ℃ 之间出现了两个 燃烧 峰; 燃 烧 失 重 区 间 较 窄， 燃 尽 总 失 重 率 约 为 80 。由图 10 ～ 图 13 可见， 泥煤混合物料的燃烧特 性是污泥和煤样燃烧特性的一个综合表现。混合物 料的燃尽总失重率和泥煤比例相关， 在室温至 900 ℃ 的温度区间内出现了三次燃烧峰。 2. 6泥煤混合物料的热值利用讨论 由二段脱水实验结果可见， 在城市污泥中添加颗 粒煤作为助滤剂可以有效地强化污泥脱水性能， 获得 含水率较低的泥煤混合滤饼。水分的脱除在污泥热 值资源化利用中尤为重要， 直接关系到湿基滤饼的热 值大小。当泥煤比为 1∶ 2和 1∶ 3时， 二段脱水后滤饼 含水率可降至 43. 57 和 39. 36 ， 基本可满足工业 应用的要求。 通过对干污泥、 干基泥煤混合物料和煤样的热值 分析、 工业分析和热平衡分析可知， 污泥富含的有机质 具有一定的热能， 通过化学转化可获得热量用于工业 行业。污泥和煤样的组成差异较大， 其可利用热值主 要来源于挥发分， 且污泥灰分含量较高。经过煤助滤 二段脱水的湿基泥煤滤饼的热值和泥煤比例相关。一 定范围内， 污泥脱水过程中添加较多的颗粒煤作为助 滤剂不仅可以降低滤饼的含水率， 还可以通过颗粒煤 提高湿基滤饼的热值。泥煤比为 1∶ 2时， 湿基滤饼热值 达到了 9 409 kJ/kg 工业计量为 2 254. 7 kcal/kg ， 基 本可满足工业炉窑的利用要求。 TG-DTA 分析显示， 泥煤混合物料兼具了污泥和 煤样的热解和燃烧特性。由于污泥中含有大量的易 挥发的有机物质， 从而导致了泥煤混合物料从较低的 温度便进入热解的挥发分析出阶段或到达剧烈的燃 烧点。而由于煤的灰分低， 固定碳含量高， 由此保证 泥煤混合物在热值资源化利用过程中具有相对较低 的灰分， 能产生较多可利用的热量。 3结论 1 利用颗粒煤助滤二段式脱水可以有效地强化 城市污泥的脱水效果。泥煤比为 1∶ 2和 1∶ 3时， 二段 脱水后滤饼含水率可降至 43. 57 和 39. 36 ， 基本 可满足工业应用的要求。 2 掺煤脱水后的污泥滤饼具有一定的热值， 泥 煤比为 1 ∶ 2 和 1 ∶ 3 时， 湿基滤饼热值分 别 达 到 了 9 409 J/kg和 10 252 kJ/kg， 只需再做简单烘干或晾干 处理， 基本可作为燃料来使用。 3 工业分析显示， 污泥中掺添颗粒煤的比例越 高， 污泥滤饼的工业组成越接近于煤的工业组成， 具 有可行的工业应用价值。 4 TG-DTA 分析显示， 泥煤混合物料兼具了污泥 和煤样的热解和燃烧特性， 具有较宽的反应温度区 间， 且在泥煤比为 1∶ 2和 1∶ 3时， 混合物燃尽总失重率 较高， 具有较好的热值资源化前景。 参考文献 ［1 ］ 中华人民共和国环境保护部. 中国环境统计年报 2007［M］ . 北京 中国环境科学出版社，2008. ［2 ］ 张忠祥， 钱易. 废水生物处理新技术［M］ . 北京 清华大学出 版社， 2004. ［3 ］ Borowski S，S Szopa J. Experiences with the dual digestion of municipal sewage sludge［J］ . Bioresource Technology， 2007， 98 1199- 1207. 下转第 126 页 111 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 续表 3 省份 2007 年企业类型比例 / 小型中型较大型大型 2020 年 熟料产量 / 万 t 2020 年能耗 /万 tce 基准情 景能耗 节能 潜力 天津市26. 3673. 640. 000. 00370. 1750. 156. 48 西藏自治区 100. 000. 000. 000. 00166. 78 26. 756. 47 新疆维吾 尔自治区 81. 8918. 110. 000. 001 500. 61319. 45125. 58 云南省70. 6129. 390. 000. 003 953. 34557. 0887. 59 重庆市62. 7837. 220. 000. 002 911. 96401. 9657. 36 广西壮族 自治区 41. 7614. 4043. 840. 005 222. 73633. 0017. 91 浙江省14. 0959. 4726. 440. 009 113. 731 056. 173. 38 山东省36. 1740. 9022. 930. 00 12 493. 751 291. 77136. 23 湖北省45. 1513. 0941. 760. 004 921. 93708. 25112. 82 河北省53. 5929. 6416. 780. 008 216. 23970. 2515. 81 吉林省23. 0137. 9339. 050. 002 257. 75313. 0541. 90 河南省30. 9350. 8518. 220. 005 469. 89630. 213. 26 陕西省46. 2541. 2312. 520. 003 585. 18451. 6831. 75 内蒙古 自治区 48. 2030. 5021. 300. 002 088. 56586. 43294. 14 注未计台湾省。 4结论 2007 年我国熟料生产企业的特征是规模小和高 度分散， 全国有 4 305 家熟料生产企业， 企业规模水 平只有 15. 12 万 t/a， 单位熟料能耗为 0. 14 tce/t， 熟 料能耗水平低于全球平均水平。通过聚类分析， 全国 熟料企业可以分为 4 种类型， 其中小型企业最多， 占 企业 个 数 比 例 88. 18 ，其 生 产 规 模 小 10. 21 万 t/a ， 单位熟料能耗高 0. 152 tce/t ， 是今后节能 降耗工作重组、 整合和淘汰的目标。通过对我国水泥 企业全口径统计分析， 清楚地把握我国水泥生产的能 耗特征和今后节能的潜力空间， 为我国实现节能减排 目标和各省指标分解工作奠定了坚实的基础。 参考文献 ［1 ］ USGS. Cement Statistics and Ination［R］ ， USGS， 2010. ［2 ］ 中国水泥协会. 中国水泥年鉴 2008 ［M］ . 南京 江苏人民出 版社， 2009. ［3 ］ 蒋明麟. 我国能源形势与水泥工业的节能任务［J］ . 建材发展 导向， 2007， 6 6 1- 7. ［4 ］ 韦保仁，八木田浩史. 中国水泥业能源需求和 CO2排放量情景 分析［J］ . 中国水泥， 2007 6 31- 34. ［5 ］ 曾学敏，俞为民，胡芝娟， 等. 水泥企业能效对标指南综述 ［J］ . 水泥， 2009 6 1- 9. ［6 ］ USGS. 2007 Minerals Yearbook CEMENT［R］ . USGS， 2009. ［7 ］ 曾学敏. 水泥行业全面启动能效对标［J］ . 中国水泥， 2010 4 25- 27. ［8 ］ DevelopmentWorldBusinessCouncilforSustainable.GNR PROJECTReportingCO2［ OL ］ .2010.http / /www. wbcsdcement. org ［9 ］ Muller Nicolas，Harnisch Jochen. A blueprint for a climate friendly cement industry［R］ . WWF， 2008. ［ 10］IEA＆WBCSD. Cement technology roadmap 2009-carbon emissions reductions up to 2050［R］ . IEA＆WBCSD， 2009. 作者通信处蔡博峰100012北京市朝阳区北苑路大羊坊 8 号 环境保护部环境规划院 电话 010 84947796- 662 E- mailcaibf caep. org. cn 2010 － 09 － 14 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 111 页 ［4 ］ Chen L Q，Zhao J F，Li J F，et al. Rapid and high-efficient composting process of municipal sewage sludge［J］ . Environmental Science，2005， 26 5 192- 195. ［5 ］ Kaminsky W， Kummer A B. Fluidized bed pyrolysis of digested sewage sludge［J］ . Journal of Analytical and Applied Pyrolysis， 1989， 16 1 27- 35. ［6 ］ Werther J， Ogada T. Sewage sludge combustion［J］ . Progress in Energy and Combustion Science， 1999， 25 1 55- 116. ［7 ］ Vaxelaire J，Olivier J. Conditioning for municipal sludge dewatering from filtration compression cell tests to belt press［J］ .Drying Technology， 2006， 24 1225- 1233. ［8 ］ Jun L. Studyonthemunicipalsewagesludgedisposalby temperature-jump process ［J ］ . ActaScientiaeCircumstantiae， 2000，20 6 751- 754. ［9 ］ Mingzhong F.Applicationofthesupercriticalwateroxidation technique to municipal sludge treatment［J］ . Water Resources Protection， 2008， 24 3 66- 68. ［ 10］ GB /T 2122001. 煤的工业分析方法［S］ . 作者通信处胡筱敏110004辽宁省沈阳市和平区文化路三巷 11 号东北大学 265 信箱 E- mailneuyeshufan yahoo. cn 2010 － 09 － 29 收稿 621 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期