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            污泥摻混制備生物質燃料技術現狀與發展前景

            2021-05-28 11:22:03

            為了減輕市政污泥對環境的污染,實現污泥的資源化利用,闡述了國內外污泥處置的現狀,介紹了污泥與煤摻混制備污泥水煤漿、與煤(半焦)摻混制備成型燃料以及與植物秸稈摻混造粒制備燃料制備生物質燃料的研究現狀。


            結果表明,污泥制備生物質燃料可以充分利用污泥中有效熱值,既可以代替少量煤炭,還為污泥合理利用提供有效的技術途徑。分析了污泥制備生物質燃料還存在規模小、能耗高、工藝復雜以及燃料熱值低等問題,同時針對這些問題提出了應加強污泥深度改性制備高濃度燃料水煤漿、污泥與燃料秸稈造粒及污泥與煤(半焦)制備成型燃料所用高效黏結劑的開發、污泥在成型前的脫水干燥、成型燃料的防水處理以及污泥制備生物質燃料的工業化等方面的研究,以加速污泥制備生物質燃料的工業化應用。


            引言


            城市污泥是污水廠在處理城市生活污水和工業廢水過程中產生的帶有大量污染物的污水處理副產物。隨著我國污水處理率快速增長及由此帶來的污泥產量迅速增加,市政污泥已達年3000萬t以上(含水率80%)。從外觀上看,城市污泥是呈黑色或黑褐色的流體狀、半流體狀或泥餅狀的絮凝體。


            特點是含水率很高,可達25%~98%,體積龐大,成分復雜。污泥中含有泥砂、纖維、動植物殘體等固體顆粒及其凝結的絮狀物,含有大量的有機物質(主要為苯、氯酚等)、有毒有害重金屬、病原微生物、寄生蟲卵、鹽類以及放射性核素等難降解物質,對環境造成嚴重污染。目前國內外對污泥的處理方法以填埋為主,但日益增長的污泥產量不僅占用土地,也對地下水質造成污染;焚燒減量明顯,是國際上污泥處理的方向之一,但建設焚燒爐初次投資大、運行成本高。因此,如何對城市污泥進行有效處理與處置,是急需解決的問題。


            由于污泥含有的大量有機物具有一定熱值(干基高位熱值為8~10MJ/kg)和豐富的氮、磷、鉀等營養物質,將污泥進行資源化利用,對實現污泥減量化、穩定化、無害化具有重要意義。目前開發的污泥資源化利用方式主要有作為土地利用、建材利用和制備生物質燃料3種,其中制備生物質燃料就是將污泥與工業、農業廢棄物或清潔燃料摻混制成熱值較高的燃料用于鍋爐燃燒,是污泥資源化利用的主要方式。污泥制備生物質燃料主要是利用污泥具有較低的熱值不能直接燃燒的特性,將其與可燃物混合制備生物質燃料作為能源使用,既充分利用了污泥的熱值,又有效降低污泥處理的成本,是污泥無害化、資源化的有效途徑。


            為此,國內外學者對污泥的制備生物質燃料進行了大量的研究。國外污泥主要用于土地利用、填埋和焚燒,資源化利用較少,國內對污泥的資源化利用剛剛起步研究。因此,本文綜述了國內外污泥處置的現狀,介紹了污泥制備生物質燃料的研究現狀和存在問題,提出了污泥制備生物質燃料的發展方向。


            一、國內外污泥處置現狀1.1國外污泥處置現狀目前國外對污泥處理方法主要有農業利用(肥料、飼料)、填埋、干化焚燒和填埋投海等。西方發達國家經濟雄厚,技術先進,污泥處理程度較高,例如,西歐主要以間接熱干化為主,美、英以填埋、農用為主,而日本主要采用焚燒。歐洲如德國、荷蘭等國建有大型污泥預干化廠,預干化的污泥含水量達60%后,進入電廠焚燒或堆肥農用,實現能源再利用。據統計,目前世界上7個發達國家的污泥處置中,土地利用占9%~54%,填埋占16%~55%,焚燒占15%~55%,其他占0~8%。日本在1999—2008年間,下水污泥產量以及相應的處理與處置方式所占比例的變化如圖1所示。


            日本污泥的處理與處置方式分為處置(填埋露天堆放、其他處置方式)和資源化利用(建材、農田、綠地、燃料)2類。日本資源和能源缺乏,非常重視污泥的資源化和能源化利用,因此,近年來資源化利用的比例上升較快,到2008年達到了77.9%。主要是將污泥中的有機成分用于農業綠地(肥料和土壤改良劑)和能源化(生物質氣體、固體燃料化等)利用,無機成分則用于建材利用。


            于2010年建成了5t/d的低成本污泥發電技術[1]。1.2國內污泥處置現狀在我國,由于經費和技術的原因,目前污泥尚無合理的出路,還是以填埋、堆放為主。據統計,中國污泥處置現狀是:農用占44.8%,填埋占31%,其他占10.5%,未處置占13.7%。有資料表明,建成的污水處理廠中90%以上沒有污泥處理的配套設施。在一些地方,由于濫用污泥,致使重金屬、有機物以及病蟲害等直接危及人體健康,造成對環境的二次污染。


            由于填埋不僅造成土地緊張,還對土地、海洋資源造成污染,因此污泥填埋所占的比例正逐年下降。焚燒減量明顯,是國際上污泥處理的方向之一,但污泥自身熱值較低,通常不能直接燃燒,目前存在投資、運營成本高以及污染環境等問題[2],仍處于起步階段。隨著環保政策的日益嚴格,國內也在嘗試污泥的資源化利用,包括將污泥適當處理后作為土壤改良劑和堆肥等土地利用,作為制磚、水泥和新型材料等建材利用以及作為燃料、發電、造氣等能源化利用。利用污泥的超細顆粒和有一定熱值的特性,將污泥與農業廢棄物如秸稈、煤炭等摻混制備生物成型燃料或燃料水煤漿,是污泥燃料化的有效利用方式。


            二、國內污泥燃料化技術現狀隨著污泥產量的迅速增加及對環境產生的惡劣影響,污泥資源化利用日益受到關注。近年來國內相關學者對污泥制備生物質燃料進行研究,主要有污泥與煤、農業廢棄物秸稈混合制備成型燃料、污泥與煤混合制備燃料水煤漿等。由于這方面的研究剛剛起步,因此,大多停留在實驗室研究階段。


            2.1污泥與煤、農業秸稈混合制備成型燃料技術污泥自身水分高、熱值低,直接燃燒困難,將污泥與煤、農業廢棄物混合直接燃燒或成型燃燒是改善污泥燃燒特性的行之有效的方法。為了解污泥與農業廢棄物的燃燒特性,武宏香等[3]采用熱天平反應裝置,研究了煤、木屑和污泥混合物的著火溫度、燃燼溫度等燃燒特性,結果表明,污泥單獨燃燒性能較差,加入煤或者木屑共同燃燒時,其綜合燃燒特性指數增加,燃點提高,燃燼溫度下降,燃燒性能得到改善,證明污泥與生物質廢棄物混合燃燒是污泥資源化利用的好方式。


            張長飛等[4]將含水率為80%左右的2種污泥與煤和木屑混合用壓濾機在一定壓力下制備成具有一定強度和熱值的污泥成型燃料,并對成型燃料進行熱重試驗。結果表明,2種污泥成型燃料熱解過程均為干燥階段、揮發分析出階段、燃燒階段及燃燼階段。木屑與污泥制備的成型燃料燃燒速率最大溫度比污泥與煤粉制備的成型燃料低約100K。污泥與秸稈、適量添加劑混合后制備成型燃料的目的是提高燃燒熱值及熱能。成型時需要添加多種添加劑,主要由使成型燃料易于著火的引燃劑、改善成型燃料孔隙率的疏松劑、促進碳粒完全燃燒的催化劑、保證成型燃料固化效果的固化劑以及減少成型燃料燃燒中臭味污染的除臭劑等[5]。

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