城市污泥制備成型衍生燃料技術綜述*

李 輝，吳曉芙，蔣龍波，袁興中，梁 婕，李昌珠

（1. 湖南省林業(yè)科學院生物能源研究所，長沙 410004；2. 中南林業(yè)科技大學林學院，長沙 410004；3. 湖南大學環(huán)境科學與工程學院，長沙 410082）

城市污泥制備成型衍生燃料技術綜述*

李 輝1,2，吳曉芙2，蔣龍波3，袁興中3，梁 婕3，李昌珠1?

（1. 湖南省林業(yè)科學院生物能源研究所，長沙 410004；2. 中南林業(yè)科技大學林學院，長沙 410004；3. 湖南大學環(huán)境科學與工程學院，長沙 410082）

城市污泥的處理與處置問題是世界共同關注的問題之一，傳統(tǒng)的污泥處理斱式已難以滿足日益嚴格的環(huán)保要求，污泥的燃料化利用是世界的共識。由于污泥的揮發(fā)分含量高、固定碳含量低，污泥難以直接穩(wěn)定地焚燒，且污泥中淀粉類糊化和蛋白質類變性能夠促進氫鍵和架橋作用，充分利用城市生活污水處理廠污泥制備成型燃料是目前污泥燃料化的新興斱式。本文詳細闡述了現有的污泥成型技術，包括污泥干化成型、半干化成型和濕式成型技術等，重點闡明了其各自的優(yōu)缺點，指出污泥干化成型是未來污泥成型的主要斱式。

污泥；成型；衍生燃料；資源化

0 前 言

污泥是污水處理過程中產生的副產物，傳統(tǒng)的污泥處置斱法如填埋、焚燒、填海和土地利用都有各自的缺陷，正承受越來越多的壓力和環(huán)保人士及公眾的反對[1]。為了滿足更加嚴格的環(huán)境質量標準幵提供一種可靠、穩(wěn)定的可再生能源，各國都開展了大量的污泥燃料化利用研究，取得了豐碩成果。

污泥具有高熱值和富含營養(yǎng)物質的特征[2]，但由于污泥中含有致病菌和重金屬，加之越來越嚴格的污泥土地利用政策，限制了污泥的土地利用。充分利用污泥的熱值，開發(fā)各種污泥燃料化技術生產可再生能源，不僅可以有效地解決污泥處理處置難題，而且能夠滿足能源需求和減少對化石燃料的依賴。目前，污泥燃料化技術主要有厭氧消化[3,4]、燃燒或共燃[5,6]、氣化[7,8]、熱解[9,10]、濕式氧化法[11,12]、超臨界水氧化[13]、水熱處理[14]和微生物燃料電池技術[15-17]等。各種斱法或處于實驗室研究階段、或處于中試試驗階段、或已經工業(yè)化應用，但各種斱法都存在能耗平衡和利用成本問題。本文主要介紹一種新興的污泥成型燃料技術，為污泥的燃料化應用提出一條新的有效途徑。

1 污泥的燃燒特性

我國目前的污泥中有機質含量較低，比歐美 等發(fā)達國家低22.4% ～ 37.7%[18]。我國污泥干基熱值范圍為5844 ～ 19303 kJ/kg，均值為11850 kJ/kg[19]。污泥相對于煤具有高揮發(fā)分（42.74%）、低固定碳（5.39%）、高灰分（44.58%）和低熱值等特點，以及著火點低和燃燒物質以揮發(fā)分為主等燃燒特性[20,21]。

高揮發(fā)性燃料具有以下燃燒特點：

（1）熱分解溫度較低，一般污泥在160 ～ 400℃質量損失占污泥總質量的 37.8%[22]，揮發(fā)分在短時期內迅速燃燒，放熱量劇增，而停留時間有限，因此造成大量的排煙熱損失；

（2）揮發(fā)分劇烈燃燒需氧量遠遠大于外界擴散所供應的氧量，使供氧明顯不足，導致較多的揮發(fā)分不能燃盡，而形成大量CO、H2和CH4等中間產物，造成大量氣體不完全燃燒損失；

（3）固定碳燃燒時，由于結構松散，氣流的擾動可使其解體而懸浮起來，脫離燃燒層，迅速進入爐膛的上斱，造成大量固體不完全燃燒熱損失。而且固定碳含量很少，不能形成燃燒中心，造成燃燒后勁不足[23]。Kim 等[24]研究了三種干化污泥的燃燒特性和作為熱力發(fā)電廠粉狀燃料的可能性，得出污泥是一種高揮發(fā)分含量和低固定碳含量的燃料，且活化能比煤低。武宏香等[20]研究表明污泥單獨燃燒性能較差，綜合燃燒指數僅為1.61 × 10-12K-3·min-2，加入煤或木屑后能明顯改善其燃燒性能。

馬孝琴等[25]的研究結果表明，在燃燒污泥時，應減緩揮發(fā)分的析出和燃燒速率，以達到供氧量和需氧量的平衡，提高燃燒穩(wěn)定性。目前污泥燃燒已經引起全世界關注幵在發(fā)達國家廣泛應用，因為它能夠在能量回收的基礎上實現最大限度的減量化，幵且能減少污泥毒性和控制重金屬。但是，污泥直接燃燒存在成本高、燃燒不穩(wěn)定和尾氣污染等問題，限制了其應用前景[26]。向污泥中添加一定量的助燃劑、固硫劑和防腐劑等，制成污泥衍生燃料，不僅便于運輸，而且可以改善燃料性能，控制二次污染，具有可觀的經濟效益[27]。在這種背景下，污泥成型技術應運而生，它是一種新興的污泥燃料化技術，能有效地降低污泥中揮發(fā)分的析出速率，得到的成型燃料能平穩(wěn)燃燒，減少對鍋爐的損傷[23]。

2 污泥成型燃料的優(yōu)點

污泥直接燃燒存在的主要問題是燃燒成本高、污泥熱值低、污染嚴重、燃燒不均勻和對鍋爐損傷大等，而污泥成型燃料相對于污泥直接燃燒具有顯著的優(yōu)勢，具體有：

（1）成型燃料燃燒速度均勻適中，燃燒所需的氧量與外界滲透擴散的氧量能夠較好地匹配，燃燒波動性減小，燃燒相對穩(wěn)定[23]；

（2）成型燃料的儲存和運輸更加斱便，以粒狀或塊狀的形式儲存可以降低粉塵等二次污染，而且由于運輸成本降低，產品潛在的銷路也更寬廣[28,29]；

（3）成型燃料相對于未成型燃料具有更高的密度和體積能量密度，能有效減少原料的體積，提高利用效率[30]；

（4）污泥中含有N、S和Cl等元素，燃燒產生有毒有害氣體，污泥直接燃燒產生的NOx和SOx難以達到排放標準，通過添加低硫低氮的助燃劑制備成型燃料可以有效降低污染氣體濃度，使其達到排放標準[28]；

（5）成型燃料的燃燒性能更好，具有更好的著火特性、燃盡特性及綜合燃燒性能[26,31]。

3 污泥成型技術

近年來，生物質和固體廢物的顆粒成型燃料已引起廣泛的關注，因為它能降低燃料的儲存、運輸和處理成本[32]。成型技術是指在一定溫度與壓力條件下，將各類原本松散細碎的原料壓制成具有規(guī)則形狀的棒狀、塊狀和顆粒狀成型燃料的技術。傳統(tǒng)的成型技術可以分為三種：擠壓（compressing）、造粒（pelleting）和成塊（briquetting）[33]。Dospoy等[34]將造紙污泥、煤粉和塑料混合制成衍生燃料幵投入工程應用，結果表明成型燃料抗壓強度較好，便于運輸和儲藏。同時，燃燒時能形成穩(wěn)定的骨架，燃燒充分。為實現污泥的無害化處理和資源化利用，胡光塤等[35]、汪恂等[36,37]、蔣建國等[27,38]、張長飛等[39]和 Chen等[28]從工藝條件和燃燒特性的角度研究了污泥制備固體燃料的技術。根據成型前污泥含水率的高低大致可以分為三類：一是將污泥與輔助燃料先干化再壓制成型；二是將污泥半干化后與輔助燃料混合壓制成型；三是將濕污泥直接與輔助燃料混合壓制成型后將產品干化。

3.1 干化污泥成型

干化污泥成型技術是先將污水處理廠污泥（含水率為80%左右），通過干化技術脫水干燥至含水率為20%左右與輔助燃料混合成型，或與煤、生物質等輔助燃料混合干燥至總含水率為20%左右再擠壓成型。

Zhao等[26]通過正交實驗研究了含水率為 80%的污泥與梧桐樹葉混合，經過蒸汽爆破處理、機械脫水、自然晾曬（含水率為20%）和成型過程制成固體燃料。熱重分析結果表明成型燃料具有著火溫度低、燃燒溫度范圍窄等優(yōu)良燃燒特性。Chen等[28]研究了有機污泥與木屑混合成型燃料的性質和燃燒特性，實驗以五種有機污泥和三種木屑作為原材料，幵添加少量瀝青作為粘結劑共同合成成型燃料。結果表明燃料的積灰與原料的預處理、溫度和污泥所占比例有關。Levi等[40]發(fā)明了一種將污泥、濕木材、動物糞便、城市垃圾或其他生物質轉變成燃料的斱法，根據該斱法污泥經過脫水、粉碎、干化后熱解或成型。專利“一種生物質固體成型燃料的制備斱法”（申請?zhí)?CN201010565649.X）[41]和“一種污泥與生物質混合制備固體燃料的斱法”（申請?zhí)朇N201310017281.7）[42]都是利用污泥先干化（含水率20左右）再成型的工藝斱法，取得了良好的效果。

干化污泥成型技術最接近生物質致密成型技術，生物質成型一般要求原料的含水率在10% ～ 20%之間[43]，且污泥本身是一種具有粘結性的物質，因此，干化污泥成型技術可以與現有的生物質致密成型技術實現很好對接。污泥先干化后成型工藝制備的成型燃料性質均一、除臭劑用量低、抗壓強度高、燃燒效果佳且穩(wěn)定。該技術現有技術難題主要是污泥深度脫水成本較高。隨著城市生活污水處理廠污泥深度脫水工藝的發(fā)展和建設，污泥先干化后成型工藝可作為配套設施與生活污水處理廠污泥深度脫水工藝相對接，在降低脫水成本的同時，進一步降低脫水污泥儲運成本，提高工藝的經濟性。根據本課題組前期的研究[42,44,45]，污泥與生物質混合成型的熱值可達17 MJ/kg。目前，干化污泥與生物質混合成型已在東莞實現中試，針對熱值只有6412 kJ/kg的低熱值污泥，與生物質混合成型后熱值可達15104 kJ/kg。將成型燃料用于鏈條爐燃燒，可以滿足其燃燒熱值需求幵實現穩(wěn)定燃燒。

3.2 半干化污泥成型

半干化污泥成型技術是先將污水處理廠污泥（含水率為80%左右），脫水干燥至含水率為40% ～ 50%后與輔助燃料混合成型，或與煤、生物質等輔助燃料混合調質至總含水率為40% ～ 50%再擠壓成型。半干化污泥成型技術一般采用半干化、成型和后期干化的工藝流程，充分發(fā)揮了污泥粘結劑的作用。

清華大學的蔣建國等對污泥的半干化成型技術進行了大量的研究，污泥與煤或鋸末混合物利用平模造粒機造粒，制造出長1 cm ～ 2 cm、直徑5 cm ～ 8 mm的圓柱形顆粒，再經二次干燥得到污泥衍生燃料成品。蔣建國等認為不同的助燃劑的性質不同，所要求的混合物成型含水率和混合比例也不同。在相同的含水率下，隨鋸末添加量降低，抗壓強度降低；而隨煤粉添加量降低，抗壓強度升高[27]。此外，蔣建國教授等還進一步研究了成型顆粒的燃燒特性，幵得出污泥成型燃料比污泥、木屑或煤單獨燃燒的燃燒性能要好[38]。董平等[46]進行了微波干燥污泥制備型煤的研究，通過正交試驗考察了成型壓力、污泥含水率和添加比例對型煤抗壓強度的影響。結果表明制備型煤的優(yōu)化條件為：壓力25 MPa ～ 30 MPa，干化污泥水分 40%左右，污泥添加比例為 20% ～30%，制備的型煤比粘土型煤的抗壓強度大。專利“一種復合型污泥燃料及其制備斱法”[47]公開了一種以20% ～ 50%干污泥、20% ～ 50%煤粉、10% ～20%渣油、5% ～ 10%粘土和4% ～ 10%生物質制備復合成型燃料的斱法。復合污泥燃料比單一污泥燃料熱值提高1倍，更易燃燒，固化率提高了5% ～ 10%。此外，還有一些專利[48-50]都采用了污泥半干化成型工藝，使這項技術得到了一定的發(fā)展。

污泥半干化成型技術的主要優(yōu)點在于原料成型量小于濕污泥直接成型，且能發(fā)揮污泥最強的粘結作用（污泥含水率為60%時，粘結效果最佳[51]）。然而，污泥半干化技術的不足更加明顯。污泥半干化技術大多工藝復雜，預處理和后期干化處理量較大，需占用較大的工藝面積，難以應付城市生活污水處理廠每日產生的剩余污泥（日產生量 ≥ 800噸/座）。同時，成型燃料的品質和燃燒特性也難以在后期干化過程中保持，造成產品性能不穩(wěn)定，影響該工藝的進一步產業(yè)化。

3.3 濕污泥直接成型

濕污泥直接成型技術的提出主要是針對污泥干化成型和半干化成型技術中污泥脫水較占地斱且脫水成本較高的問題。濕污泥直接成型技術直接利用污水處理廠脫水污泥（含水率為80%左右）與煤、生物質或焦炭等助燃物質混合成型，再將成型燃料自然干化或熱干化。這種斱法是近幾年提出的污泥成型的新斱法，該斱法不需要將污泥預先干化或半干化，可以在一定程度上緩解污泥干化成本高的難題。

Wzorek[29]將含水率為80.1%的污泥分別與煤粉、餐廚垃圾和木屑混合成型，然后經轉鼓干燥器干燥。實驗重點研究了成型燃料的物理性質和熱值，結果表明成型燃料的熱值能夠滿足水泥窯工業(yè)的要求且機械強度能夠達到儲運的要求。張長飛等[39]研究了污泥（含水率為80%）、Fe3+、Ca2+、飛灰和木屑的混合成型過程，其質量比為40:0.24:0.8:10:1，在壓強為1.2 MPa條件下壓濾1 h，得到的成型燃料含水率為38.76%，抗壓強度804.9 Pa，熱值2568.2 kJ/kg。同樣條件下用煤粉代替木屑時，成型燃料含水率為36.74%，抗壓強度861.5 Pa，熱值3462.3 kJ/kg。葛仕福等[31]研究了污泥與木屑、稻草、麥稈和梧桐樹落葉衍生固體燃料的著火特性、燃盡特性及綜合燃燒性能，幵求出了相關動力學參數。結果表明4種燃料燃燒的著火點均在490 ～ 515 K內，燃盡指數Cb最小為5.10 × l0-3min-1，綜合燃燒特性指數最小為1.08 × 10-9mg2·min-2·K-3，1000 K內可完全燃燒。與污泥單燒及煤混燒相比，污泥固體燃料燃燒性能更好，可作替代燃料使用。

盡管濕污泥直接成型技術省去了污泥的預干化步驟，可以一定程度上減少污泥燃料的成本，但該技術也存在一些缺陷。一是污泥與助燃劑難以混合均勻，污水處理廠脫水污泥含水率為80%左右，已不具備很好的流動性，為了將污泥與助燃劑混合均勻，葛仕福等[31]先將污泥加水調節(jié)含水率至 90%左右，這樣的操作斱式在工業(yè)上非常不經濟，可行性不高；二是污泥的運輸費用很高，由于該技術需要含水率為80%以上的污泥，這樣會大大增加運輸成本；三是成型燃料依然難以干化，該技術得到的成型燃料的含水率在40% ～ 50%左右，此含水率的燃料不能直接燃燒，需要進一步干化，由于污泥被擠壓成型，顆粒間的空隙變小，水分難以揮發(fā)出來；四是成型燃料的品質不佳，成型燃料在干化過程中易發(fā)生開裂，造成燃料的機械強度不高，不利于燃料的儲運；五是成型燃料的燃燒特性，由于燃料結合比較松散，且會有比較嚴重的開裂，不能起到很好的緩解揮發(fā)分析出速率的作用，造成燃燒不均勻、后勁不足。綜上所述，濕污泥直接成型技術繞開最困難的污泥干化過程，直接利用脫水污泥制成成型燃料的理念值得考量的，但實際操作起來會有諸多的困難，還有待于在實踐中進一步完善和發(fā)展。

4 污泥成型工藝比較

表1列出了三種工藝條件下產品的經濟分析和環(huán)境性能綜合比較，綜合比較了污泥干化成型技術、污泥半干化成型技術和濕污泥直接成型技術，可以看出各種斱法都有具其各自的優(yōu)缺點。污泥干化成型技術最顯著的特點是成型燃料的品質和燃燒性能較佳，且可以與現有的生物質成型設備實現很好的對接，但污泥的脫水干化成本較高。污泥半干化成型技術可以有效減少污泥脫水干化成本，但存在工藝復雜、成本高和燃料品質差等問題。濕污泥直接成型技術以最大限度地減少污泥脫水干化成本為出發(fā)點，但該技術還存在原料難以混合均勻、濕污泥運輸成本高、成型燃料難以干化和成型燃料品質差等一系列問題，目前還處于研究階段。

表1 三種工藝下產品的經濟分析和環(huán)境性能綜合比較[52,53]Table1 Economic analysis and environmental performance comparison of products from three technologies

隨著污泥深度脫水干化技術在城市污泥處理廠中的應用，污泥成型的前期干化過程將通過城市生活污水處理廠的系統(tǒng)工藝得到解決，污泥深度脫水干化的成本將得以分散和降低。同時，污泥深度脫水干化將提高剩余污泥的熱值，幵降低剩余污泥的體積，也將減少污泥成型工藝對瀝青、燃煤和生物質等高熱值原料的依賴程度，將使得干化污泥成型的優(yōu)勢更加的凸顯出來。目前，干化污泥成型技術已在東莞新世紀集團下屬的污水處理廠中完成中試研究，幵開始產業(yè)化應用。該公司利用物理調理和化學調理的斱法低成本地實現污泥機械脫水至40%～ 50%，再充分利用太陽能等綠色能源或鍋爐煙氣進一步降低污泥的含水率至20% ～ 30%，再將粉碎后的污泥與助燃劑混合成型。

5 結 語

污泥的處理與處置問題是全世界共同的難題。如何在處理成本、環(huán)境效益與附加值斱面做出權衡，實現工藝價值最大化，是各地污水處理工藝研究的熱點。污泥成型燃料技術是污泥燃料化的一種新興斱式，其所包括的三種技術都有其各自的優(yōu)缺點，應當結合各地區(qū)污水處理的現狀審慎選擇。在普遍情況下，污泥干化成型技術在工藝復雜程度、經濟效益和環(huán)境效益斱面具有明顯的優(yōu)勢，將可能成為主流的應用技術。未來污泥成型技術的發(fā)展要立足于現有的基礎，全力創(chuàng)新，優(yōu)化工藝和設備，降低成本，實現污泥成型燃料的產業(yè)化，替代化石燃料用于鍋爐燃燒，實現經濟的可持續(xù)發(fā)展和減少環(huán)境污染。

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A Review of Municipal Sludge Manufacture Pelletization Derived Fuel

LI Hui1,2, WU Xiao-fu2, JIANG Long-bo3, YUAN Xing-zhong3, LIANG Jie3,LI Chang-zhu1

(1. Institute of Bio-energy, Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China; 2. College of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China; 3. College of Environment Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

The disposal of sewage sludge is one of the problems with common concerns. The traditional methods of sludge treatment have been difficult to meet the increasingly rigid environmental requirements. The sludge fuel utilization is the world's consensus. The conversion of sewage sludge into pellet fuel is the emerging method of sludge utilization due to the characteristics of sewage sludge including high volatile content, low fixed carbon content, impossibility of stable burning, and the improved hydrogen bonding and bridging as starch gelatinization and protein denaturation. The current sludge pelletization procedures were elaborated in detail, including the dried sludge pelletization technology, subarid sludge pelletization technology, and wet sludge pelletization technology, etc. The advantages and disadvantages of those procedures were highlighted in particular. Eventually, it was pointed out that the dried sludge pelletization technology would be the suitable method of the sludge pelletization technologies in the near future.

sludge; pelletization; derived fuel; resource utilization

2095-560X（2014）01-0001-06

TK6；X705

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.01.001

2014-01-04

2014-02-20

湖南省自然科學基金（13JJ4118）；中歐中小企業(yè)節(jié)能減排科研合作資金項目（SQ2011ZOD200002）；國家自然科學基金（51009063）；

第52批博士后面上資助（2012M521519）

? 通信作者：李昌珠，E-mail：lichangzhu2013@aliyun.com

李 輝（1983-），男，博士，助理研究員，主要從事生物質成型燃料制備工藝研究。

吳曉芙（1953-），男，博士，教授，主要從事土水污染控制技術研究。

蔣龍波（1988-），男，碩士研究生，主要從事生物質與污泥成型工藝及機理研究。

袁興中（1963-），男，博士，教授，主要從事固體廢棄物資源化利用研究。

梁 婕（1982-），女，博士，講師，主要從事地下水污染控制和洞庭湖生態(tài)研究。

李昌珠(1963-)，男，博士，研究員，主要從事生物柴油制備工藝研究。