浅谈微波辅助污水厂污泥热解制油技术_污水厂污泥价格

　　摘要：文章指出了污泥热化学制油技术是今后污泥处置的重要方向之一，是实现循环经济和节能减排的重要手段，重点论述了微波辅助技术在污泥热解制油过程中的作用。　　关键词：微波辅助技术；污泥热解制油技术；能源回收；微波能
　　中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）28-0061-04
　　能源回收应该是今后污泥处置的重要方向之一。近年发展起来的污泥制油技术，污泥制作燃料技术以及污泥消化沼气利用技术等，已成为世界性共同研究与广泛应用的课题。污泥热化学制油技术的环境效益和资源化效益均很可观，主要表现为：能有效控制重金属的排放，特别是对污泥中的重金属Hg、Ti起到钝化作用；可回收易利用、易储藏的液体燃油，回收的液体燃油可提供700kW/t的净能量；可破坏有机氯化物的生成，反应器中燃烧温度应尽量控制在800℃以下，可减少蒸汽中金属的排放量，气体净化过程简单且经济，占地面积小，运行成本较低。
　　污泥热解（干馏）制油技术是将污泥在常压（或高压）和无氧（或缺氧）状态下，将污泥加热到一定温度（低温：<600℃，高温：600℃～1000℃），借助污泥中所含硅酸铝和重金属（尤其是铜）的催化作用将污泥中的脂类和蛋白质转变成碳氢化合物，其最终产物为水、油、不凝性气体（NGG）和炭四种物质。污泥热解产生的油与石油提炼厂生产出来的石油低级馏出液相似，因此具有较强的资源化前景。分解后产物的主要成分为：以氢气、一氧化碳、甲烷等低分子碳氢化合物为主的可燃性气体；包括在常温下为液态的乙酸、丙酮、甲醇等化合物在内的燃料油类；纯碳、金属物、土、砂等混合形成的炭黑等。其优点是操作系统封闭，减容效率高，无污染气体排放，几乎所有重金属颗粒都残留在固体剩余物中。更为重要的是，在热解过程的同时还可以制得宝贵的气体、液体燃料，实现能量的自给和资源再回收。因此，污泥热解是一种非常有前途的污泥处理方法和资源化技术。
　　微波能作为一个替代能量源，克服了传统方法的加热周期长、具有表面温度梯度以及对系统环境的能量损失等缺点，因而获得大量应用领域研究者的广泛关注。微波能的应用在过去几十年已经被扩展到一个广泛的工业领域，使得它在工业应用中替代传统工艺方法具有极强的吸引力原因主要有：微波的穿透能力使得能量直接传输到物料快速而整体加热，材料吸收微波能能力的差异使得物料能够选择加热，而这些都可以改善能量在系统中的传递效果，进一步增强减少系统热损失的能力。它的不同于传统加热的原理提供给传统反应许多好处，如加快反应速率和增加产量，在较低的温度下完成反应，获得较好的结构特性。此外，微波能的使用能够大大地降低生产成本和避免传统方法使用的毒性物质的情况，其经济性和环保性提供了工业系统极具竞争性的生产方法。当前许多传统落后的工艺技术需要微波能应用这一新技术来改造和更新，而微波能应用这一崭新技术也将会在改造许多传统落后的产业工艺技术中发挥巨大的作用而形成自己崭新的产业。因此，工业微波能应用技术具有显著“高效、节能、环保”的特征，在我国已被列入“中华人民共和国节能技术政策大纲”重点推广技术。污泥资源的回收是一个具有潜力的领域，它能够大大地减少污泥处理和回收的费用。目前，对于污泥制作能源和提取化工原料要求较高的温度，但通常只达到较低的回收率。而微波由于它的热效率和选择加热特性，能够提供减少能量要求而达到较高温度的潜能。
　　污泥像大多数有机废物一样富含挥发性物质，通过适当的处理可以作为有价值的资源转换成有用的产品。通过热解的方法可以获得如燃气、燃油及炭黑等有用的能源产品，但是在热解之前必须去除污泥中所含的大量水分。传统的热解方法耗时较长，如果用微波加热替代，污泥的干燥、热解及气化过程就可以在一个单一的步骤完成，其具有省时节能的优点。
　　1 微波热解污泥过程特点分析
　　由于污泥原料的复杂性，各种因素对污泥热解的影响也存在着很大的区别。污泥热解是一个非常复杂的物理化学反应过程，其影响因素主要包括污泥特性、污泥热解条件和污泥热解设备等。在污泥条件确定的前提下，影响污泥热解制油效果的重要因素是污泥热解条件和污泥热解设备。因此，我们这里重点分析微波对污泥热解条件和污泥热解设备的影响效果。
　　1.1 污泥热解条件的影响
　　影响污泥热解制油效果的反应条件主要有热解温度、停留时间、加热速率与最终热解温度、热解压力、含水率、催化剂等。
　　1.1.1 热解温度。不同学者针对不同来源的污泥，在不同温度条件下展开广泛研究，以最大的产油率为目的，在275℃～550℃范围内对生污泥和厌氧发酵污泥进行了研究，得出最佳反应条件，即温度为450℃，停留时间为0.5h。认为在一定的温度范围内，有机质转化率与温度基本呈直线形正相关，但高温阶段相关系数趋小；炭得率与温度基本呈明显负相关性，油得率与温度呈正相关，较高温度有利于有机质向气相的转化。
　　Qunhui Lin等将微波加热过程分为干燥阶段（从环境温度到120℃）、低温热解阶段（约120℃～290℃）、高温热解阶段（约290℃以上）三个阶段。在干燥阶段，污泥的温度快速升高，在105℃～120℃趋于平缓，此时的挥发分主要是水蒸气，且在115℃存在明显的吸热峰值。在低温热解阶段，污泥温度几乎以一个稳定速率升高，此时是污泥中有机物质的分解阶段，大部分生物油在此阶段产生，且挥发分在220℃～250℃存在又一峰值。在高温热解阶段，污泥温度快速上升，此时是污泥中有机物质进一步分解，挥发分数量逐步下降，且主要变为不凝性气体。
　　1.1.2 停留时间。热解反应停留时间在污泥热解工艺中也是重要的影响因素。污泥固体颗粒因化学键断裂而分解形成油类产物：在分解的初始阶段，形成的产物应以非挥发分为主，随着化学键的进一步附加断裂可形成挥发产物，经冷凝后形成热解油。随着时间的延长，上述挥发性产物在颗粒内部以均匀气相或不均匀气相与焦炭进一步反应，这种二次反应将对热解产物的产量及分布产生一定的影响。因此，反应停留时间是污泥热解工艺中需要控制的重要因素，随着停留时间的增加，油类产物产量会降低。而微波是内部选择性加热，具有快速、均匀加热的特点，从而可以大大缩短污泥热解停留时间，提高生物油的产量。 　　1.1.3 加热速率与最终热解温度。加热速率的影响具有阶段性，加热速率对低温段的热解影响较大，通常在450℃以下产生的作用较大，在450℃时，更高的加热速率会使热解效率更高，产生更多的液态成分和气态成分的量，而降低了固态剩余物的量。而在较高的热解温度条件下（如600℃以上），其加热速率的影响可以忽略不计。
　　微波具有较高的加热速率且易于自动控制，Qunhui Lin等比较了污泥样本在6个不同的微波加热速率条件下生物油的产率显示，随着微波加热速率的增加，生物油产率会明显增加。其研究表明，在300℃～500℃最终热解温度时，污泥的快速热解能够缩短生物油在固相的时间，减少分解，从而有利于生物油的产生。研究结果也表明，生物油主要形成在200℃～400℃的热解温度，500℃的最终热解温度已达到生物油产量的最大值，大部分的生物油是在温度提升阶段形成的，过高的最终热解温度没有必要。
　　1.2 污泥热解设备的影响
　　热解设备的技术关键是要有很高的加热和热传导速率、严格控制终温以及热解蒸汽快速冷却。
　　武伟男的研究结果表明：污泥热解温度达到900℃的高温时，与电炉热解过程相比，微波热解污泥具有达到最终温度的时间短、污泥热解彻底的优势。对微波热解污泥油类产物的族组分进行进一步分析可以确定：微波热解污泥制得的油中脂肪族化合物含量高达33%～56%，热值达到32～37MJ/kg，具有资源化用作燃料的前景，可一定程度上代替石油低级馏出物燃料的使用；尽管微波热解生成了多环芳烃，但是其中有害的物质仅占0.42%，较传统热解污泥过程减少1%，油类的安全性很好；热解油中的许多单环芳烃如甲苯、二甲苯、苯乙烯和苯酚类化合物都是重要的化工原料。电炉热解污泥制得的油类产物虽然热值也比较高，但是油中脂肪族的化合物的含量很低，只有8%，且芳香族化合物的含量高达50.3%，较微波热解过程增加将近一倍，在燃烧的过程中可能进一步生成有害的PAHs，影响使用过程中的安全性。研究将微波热解污泥的固体剩余物——焦炭循环用作微波热解污泥的添加物质，减少了微波热解污泥过程固体剩余物的产生量以及微波能吸收物质的添加量。而且由于每次循环焦炭中都浓缩了Si、Al和Ca等元素，因而随着循环次数的增多，焦炭中的这些元素含量也越来越多，热解油类产物中小分子物质越多，越有利于用作燃料油。
　　A.Domínguez等研究了微波热解污泥制油特性，分析了多模与单模微波炉的热解过程以及用碳精与木炭做微波吸收体的热解效果。两种吸收体在几分钟内达到1000℃以上高温使污泥快速热解。两类微波炉及吸收体热解产物油在品质上是相同的，但在数量上是有差别的。如用碳精替代木炭做微波吸收体，可以更多地裂解大的脂肪族链，产生更高比例的烯烃和单一芳香族。多模微波炉也比单模微波炉更有利于裂解和脱氢反应。与传统污泥高温热解方法相比，微波热解油含有更多的脂肪族类化合物和含氧化合物，而不包含如重PAHs等有害环境的化合物。
　　2 典型微波热解污泥工艺流程
　　典型微波热解污泥工艺流程包括污泥脱水、干燥、热解、炭灰分离、油气冷凝、热量回收以及二次污染防治等过程。图1表示了建于废水处理厂中的联合微波热解污泥制油的技术路线。尽管热解剩余污泥比热解消化污泥的产油率高，但是考虑到废水处理厂整体污泥处理和能源利用效率，我们这里还是对消化污泥进行热解制油。
　　3 结语
　　微波辅助污泥热解制油技术能够在较低热解温度阶段产生最大的生物油产量；快速均匀内部加热特性缩短了反应停留时间，有效地阻止影响生物油产量的二次反应；适当加热速率和最终热解温度不仅能够促成最大的生物油产量，而且也是控制生物油产品品质的重要因素。采用污水厂联合微波热解污泥制油的技术路线，能够更有效地利用和回收资源，有必要对此技术进一步开发研究。
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　　（责任编辑：周加转）

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