生物質(zhì)燃料冷壓成型與污泥的資源和能源化利用

摘要：我國2011年產(chǎn)污水污泥已超過3500萬噸，每噸可排放400~600kgCO2當量的甲烷，焚燒需投資50~70萬元/t、運行費170~250元/t；“十一五”要求形成年生產(chǎn)5000萬噸生物質(zhì)成型燃料的產(chǎn)能，但只完成500萬噸。“十二五”減為2000萬噸/年，但實施規(guī)劃又改為1000萬噸/年。如果污泥用作生物質(zhì)成型燃料的粘結劑，產(chǎn)量可提高10倍，節(jié)電>95%?？裳杆俪^5000萬噸/年目標；可減少甲烷的碳排放每年1500萬噸，節(jié)約設備投資500億元、每年還可節(jié)約運行費30~40億元。 　　1、污水污泥的甲烷可年排放CO2當量超千萬噸 　　2011年我國的污水污泥（下簡稱污泥）已超過3500萬噸，污泥中含50~70%的以甲烷為主的揮發(fā)分，按IPCC溫室氣體清單所列，碳排放為400~600kg/t CO2當量，如果都未進行有效處置，可能年排放1400~2100萬噸CO2當量。 　　如以3000萬噸污泥計，采用熱干化焚燒處置，需設備投資500億元，每年還需運行費59.5~87.5億元。 　　2、生物質(zhì)成型燃料完不成五年計劃發(fā)展目標 　　2.1 “綠金”可能取代“黑金” 　　全球年產(chǎn)1700~2000億噸生物質(zhì)，相當于人類目前能源消費總量的10倍。我國目前可用于成型燃料的生物質(zhì)產(chǎn)量有約10億噸/年，特別是生物質(zhì)燃燒排放出的CO2可與其生長期吸收的CO2持平，被視為CO2零排放而更受各國的高度重視。許多國家將發(fā)展木柴和生物質(zhì)能作為減少碳排放的捷徑。專家們呼吁“以柴代煤”，預言“黑金”也許會被“綠金”取代。 　　2.2 問題出在成型工藝上 　　中國生物質(zhì)成型燃料技術攻關組組長、著名農(nóng)村能源專家張百良教授說：“要使秸桿成型有許多方法，一是加熱法，二是加粘合劑法。我采取了簡單的加熱法”。 　　要采用“粘結劑法”的關鍵是要找到：粘結力強、能很好潤濕燃料粒表面、無機物含量少、制備和加入工藝簡單、無二次污染、防水性好而又來源廣和價廉的粘結劑，確實是件難事。但加熱法也并不簡單。 　　正如張教授所說：“經(jīng)過了許多實驗，難度很大”?？偨Y20多年的歷史經(jīng)驗教訓“秸桿成型燃料加工主要問題是成型系統(tǒng)和喂入機構磨損太快，塊狀成型機產(chǎn)品質(zhì)量不高、密度較低、表面裂縫太多、運輸、儲存、；加料過程中機械粉碎率遠遠超過行業(yè)標準；棒狀燃料機構比較復雜，生產(chǎn)率較低，能耗較高。 　　筆者認為“粘結劑法”不應拋棄，正如國際能源署（IEA）生物質(zhì)協(xié)定任務32課題組所說：“必須改進顆粒壓縮成型技術，以滿足低成本和提高燃料質(zhì)量（正確選擇模型、評估和測試提高 質(zhì)量和減少成本的生物添加劑，開發(fā)試驗預處理技術）”。 　　3、污泥是一種可再生生物質(zhì)能源 　　污水污泥本身是一種生物質(zhì)腐敗后的殘渣，是法定的可再生生物質(zhì)能源，初沉污泥含50~70%的有機質(zhì)，熱值達15~18MJ/kg（以干污泥計），相當于一座年產(chǎn)700萬噸中質(zhì)煤炭的可再生能源礦。 　　4、污泥是優(yōu)良的復合型粘結劑 　　污水污泥含有細胞外聚合物，主要是多糖、蛋白質(zhì)等，有機物中微生物形成的菌團與其吸附的有機物和無機物（少量粘土，相當于植物中的灰分）顆粒都很細小，由平均粒徑<0.1μm的膠體顆粒和1~100μm之間的超膠體顆粒組成。而且其顆粒富含水分，擁有巨大的表面積和高度的親水性。表面附著一層或幾層水，從而形成了一個穩(wěn)定的膠體絮狀分散系統(tǒng)。.確實是一種踏破鐵鞋無覓處的優(yōu)良復合型粘結劑: 　　4.1 粘結性很強 　　所謂污水污泥指含水率高達80%的塊狀稀泥。干燥到含水率為60%時極易結塊，表面堅硬而難以粉碎，但內(nèi)部還是稀泥。證明其易粘結而且很結實。 　　4.2 能很好地潤濕燃料顆粒的表面 　　污泥雖呈軟泥狀，本身不易流動，但當它與生物質(zhì)顆粒接觸后其外層水流動性好，很容易被燃料顆粒表面吸收。而且污泥本身是一個膠狀絮體分散系統(tǒng)，能均勻地與燃料混合。 　　4.3 無機物含量少 　　干污泥含灰分30~50%，濕污泥扣除80%的水分后實際灰分僅6~10%，若污泥以30%加入生物質(zhì)粉料時，僅帶入無機物1.8~3%，對成型燃料的熱值影響不大 　　4.4 制備和加入工藝簡單   　　污泥可直接與燃料粉拌勻不需要再制備，而攪拌和成型采用國內(nèi)外常規(guī)的型煤冷壓工藝和設備即可。 　　4.5 無二次污染 　　只需修建能密封的污泥儲備池，用引風機抽取其含臭氣體，用作干燥窯的燃料助燃空氣；成型時不加熱又迅速外包防水、防腐層，不會產(chǎn)生熱干化時的空氣污染。 　　4.6 防水性容易塑造 　　污泥唯一不足之處是不防水，但成型后可在表面撒一層水泥或石灰粉，即可造成防水層。亦可干燥后浸一層廢油。 　　4.7 來源廣、價廉 　　凡是圾污水處理廠（甚至農(nóng)村沼氣池）都要不斷產(chǎn)生污泥，不僅可以免費獲得，還可得到一些處理費。 　　5、污泥生物質(zhì)成型燃料巧解兩大難題 污泥與生物質(zhì)配合生物生物質(zhì)成型燃料，巧妙地低價高效解決了污泥處理處置和生物質(zhì)成型兩大難題。該工藝筆者已于2010年申請了發(fā)明專利。目前韓國、日本和我國膠南、重慶、蘇州等地已成功生產(chǎn)和應用了污泥生物質(zhì)成型燃料。但筆者不贊成硬加入“污泥熱干化”工藝，直接用濕污泥即可。 　　6、污泥生物質(zhì)成型燃料燃燒特點 　　6.1 易點燃易燃盡 　　污泥生物質(zhì)成型燃料有很高的揮發(fā)分和氧，而且揮發(fā)分析出溫度較低，所以很容易點燃；揮發(fā)分析出后使燃料孔隙增加，外面的氧氣也很容易進入燃料塊的中部參與燃燒，所以燃速快易燃盡。 　　6.2 結渣性和沉積性可調(diào) 　　生物質(zhì)灰分軟化溫度較低燃燒時容易發(fā)生爐膛結渣和低溫沉積腐蝕問題。可以通過提高灰分軟化溫度、控制適當?shù)臓t溫，即可較好地解決結渣問題；沉積問題可用減少相應物質(zhì)來解決。 　　7、污泥生物質(zhì)成型燃料的綜合評價 　　按照國家住建部和發(fā)改委2011年發(fā)布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處理處置技術指南（試行）》規(guī)定的基本原則逐一評價。 　　7.1 安全環(huán)保 　　生物質(zhì)粉碎按常規(guī)方式進行，污泥無粉塵產(chǎn)生，暫儲池呈密封狀態(tài)，臭氣又被用作助燃空氣；成型后可作防水防腐層或干燥能防腐。可避免二次污染。 　　7.2 循環(huán)利用 　　污泥和生物質(zhì)的熱能都得已利用，污泥還首先作為粘結劑和成型水都進行了資源化利用。燃燒灰 中的磷、鉀物質(zhì)可作農(nóng)肥，重金屬含量高的可作綠化專用肥。全面實現(xiàn)了循環(huán)利用。 　　7.3 節(jié)能降耗 　　現(xiàn)行熱壓成型機平均單位產(chǎn)品能耗為40~70kwh/t，冷壓成型僅平均1.5kwh/t，雖然增加了攪拌機但能耗<0.5kwh/t，合計為2kwh/t，節(jié)電95~97%。 　　冷壓成型常用的對輥單機生產(chǎn)率為3~15T/h為熱壓成型的10倍左右，單位電耗產(chǎn)量約為30倍左右。 　　型球干燥耗熱應由污泥生產(chǎn)單位提供處理費中開支，而且不消耗常規(guī)能源，就用污泥生物質(zhì)成型燃料即可。 　　7.4 因地制宜 　　我國年耗煤30億噸左右，約為世界煤耗的一半。僅層燃爐就要耗煤15億噸左右和生物質(zhì)秸桿5億噸。有生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料，年消納污泥7.8億噸的能力，且不用建焚燒設備。這在發(fā)達國家是完全不可能的。 　　7.5 穩(wěn)妥可靠 　　冷壓成型工藝和設備是國內(nèi)外成熟的技術和設備；焚燒處理污泥是世界公認無害化最快、最徹底的技術。 　　7.6 無害化、資源化與低碳節(jié)能分析 　　7.6.1 無害化  本工藝核心技術是焚燒，是無害化最徹底的技術；生物質(zhì)燃燒溫度一般在1000℃左右，NOx生成量少；生物質(zhì)很少含硫，即使有，可在成型時加入石灰既可脫硫又可脫氟、脫氯，煙塵濃度也可按常規(guī)辦法達標；甲烷及其它揮發(fā)性有機物、CO2、黑煙、二惡英等筆者均有配套技術實現(xiàn)完全燃燒而避免污染。 　　7.6.2 資源化  污泥的熱值實現(xiàn)了能源利用，其粘結性、水分和磷鉀等物質(zhì)等都可以資源化利用，是全面利用而非顧此失彼。 　　7.6.3 低碳節(jié)能  CO2零排放、成型電耗比熱壓法節(jié)電95~97%。實現(xiàn)了無害化、資源化、低碳和節(jié)能的多贏效果。 　　8、經(jīng)濟性和環(huán)境影響及碳排放 　　8.1 生物質(zhì)成型的經(jīng)濟性分析 　　本工藝比現(xiàn)行熱壓成型，平均噸產(chǎn)品節(jié)電53度；產(chǎn)量提高10倍以上，生產(chǎn)成本節(jié)支約50%。 　　8.2 污泥處理的經(jīng)濟性分析 　　每噸污泥處理設備可節(jié)約50~70萬元；運行費（僅需適當補助成型燃料生產(chǎn)單位）節(jié)支50%左右。 　　8.3 環(huán)境影響和碳排放 　　CO2零排放，NOx、SO4、HF、HCI和二惡英均可達標排放；黑煙、甲烷、CO及其他揮發(fā)性有機物均可消除；除機械送風需要安裝除塵器外，自然通風都可實現(xiàn)煙塵濃度達標；重金屬除工業(yè)廢水外都可以達標；噸污泥可減少甲烷的碳排放約0.5噸CO2當量，節(jié)電又可減少CO2當量排放0.95噸/噸污泥。 　　所以污泥生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)技術是低價高效的甲烷資源和能源化回收利用，溫室氣體及污染物雙減排的最優(yōu)化技術。史君潔　夾江節(jié)煤科研所