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        污泥掺混制备生物质燃料技术现状与发展前景

        2021-05-28 11:22:03

        为了减轻市政污泥对环境的污染,实现污泥的资源化利用,阐述了国内外污泥处置的现状,介绍了污泥与煤掺混制备污泥水煤浆、与煤(半焦)掺混制备成型燃料以及与植物秸秆掺混造粒制备燃料制备生物质燃料的研究现状。


        结果表明,污泥制备生物质燃料可以充分利用污泥中有效热值,既可以代替少量煤炭,还为污泥合理利用提供有效的技术途径。分析了污泥制备生物质燃料还存在规模小、能耗高、工艺复杂以及燃料热值低等问题,同时针对这些问题提出了应加强污泥深度改性制备高浓度燃料水煤浆、污泥与燃料秸秆造粒及污泥与煤(半焦)制备成型燃料所用高效黏结剂的开发、污泥在成型前的脱水干燥、成型燃料的防水处理以及污泥制备生物质燃料的工业化等方面的研究,以加速污泥制备生物质燃料的工业化应用。


        引言


        城市污泥是污水厂在处理城市生活污水和工业废水过程中产生的带有大量污染物的污水处理副产物。随着我国污水处理率快速增长及由此带来的污泥产量迅速增加,市政污泥已达年3000万t以上(含水率80%)。从外观上看,城市污泥是呈黑色或黑褐色的流体状、半流体状或泥饼状的絮凝体。


        特点是含水率很高,可达25%~98%,体积庞大,成分复杂。污泥中含有泥砂、纤维、动植物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物,含有大量的有机物质(主要为苯、氯酚等)、有毒有害重金属、病原微生物、寄生虫卵、盐类以及放射性核素等难降解物质,对环境造成严重污染。目前国内外对污泥的处理方法以填埋为主,但日益增长的污泥产量不仅占用土地,也对地下水质造成污染;焚烧减量明显,是国际上污泥处理的方向之一,但建设焚烧炉初次投资大、运行成本高。因此,如何对城市污泥进行有效处理与处置,是急需解决的问题。


        由于污泥含有的大量有机物具有一定热值(干基高位热值为8~10MJ/kg)和丰富的氮、磷、钾等营养物质,将污泥进行资源化利用,对实现污泥减量化、稳定化、无害化具有重要意义。目前开发的污泥资源化利用方式主要有作为土地利用、建材利用和制备生物质燃料3种,其中制备生物质燃料就是将污泥与工业、农业废弃物或清洁燃料掺混制成热值较高的燃料用于锅炉燃烧,是污泥资源化利用的主要方式。污泥制备生物质燃料主要是利用污泥具有较低的热值不能直接燃烧的特性,将其与可燃物混合制备生物质燃料作为能源使用,既充分利用了污泥的热值,又有效降低污泥处理的成本,是污泥无害化、资源化的有效途径。


        为此,国内外学者对污泥的制备生物质燃料进行了大量的研究。国外污泥主要用于土地利用、填埋和焚烧,资源化利用较少,国内对污泥的资源化利用刚刚起步研究。因此,本文综述了国内外污泥处置的现状,介绍了污泥制备生物质燃料的研究现状和存在问题,提出了污泥制备生物质燃料的发展方向。


        一、国内外污泥处置现状1.1国外污泥处置现状目前国外对污泥处理方法主要有农业利用(肥料、饲料)、填埋、干化焚烧和填埋投海等。西方发达国家经济雄厚,技术先进,污泥处理程度较高,例如,西欧主要以间接热干化为主,美、英以填埋、农用为主,而日本主要采用焚烧。欧洲如德国、荷兰等国建有大型污泥预干化厂,预干化的污泥含水量达60%后,进入电厂焚烧或堆肥农用,实现能源再利用。据统计,目前世界上7个发达国家的污泥处置中,土地利用占9%~54%,填埋占16%~55%,焚烧占15%~55%,其他占0~8%。日本在1999—2008年间,下水污泥产量以及相应的处理与处置方式所占比例的变化如图1所示。


        日本污泥的处理与处置方式分为处置(填埋露天堆放、其他处置方式)和资源化利用(建材、农田、绿地、燃料)2类。日本资源和能源缺乏,非常重视污泥的资源化和能源化利用,因此,近年来资源化利用的比例上升较快,到2008年达到了77.9%。主要是将污泥中的有机成分用于农业绿地(肥料和土壤改良剂)和能源化(生物质气体、固体燃料化等)利用,无机成分则用于建材利用。


        于2010年建成了5t/d的低成本污泥发电技术[1]。1.2国内污泥处置现状在我国,由于经费和技术的原因,目前污泥尚无合理的出路,还是以填埋、堆放为主。据统计,中国污泥处置现状是:农用占44.8%,填埋占31%,其他占10.5%,未处置占13.7%。有资料表明,建成的污水处理厂中90%以上没有污泥处理的配套设施。在一些地方,由于滥用污泥,致使重金属、有机物以及病虫害等直接危及人体健康,造成对环境的二次污染。


        由于填埋不仅造成土地紧张,还对土地、海洋资源造成污染,因此污泥填埋所占的比例正逐年下降。焚烧减量明显,是国际上污泥处理的方向之一,但污泥自身热值较低,通常不能直接燃烧,目前存在投资、运营成本高以及污染环境等问题[2],仍处于起步阶段。随着环保政策的日益严格,国内也在尝试污泥的资源化利用,包括将污泥适当处理后作为土壤改良剂和堆肥等土地利用,作为制砖、水泥和新型材料等建材利用以及作为燃料、发电、造气等能源化利用。利用污泥的超细颗粒和有一定热值的特性,将污泥与农业废弃物如秸秆、煤炭等掺混制备生物成型燃料或燃料水煤浆,是污泥燃料化的有效利用方式。


        二、国内污泥燃料化技术现状随着污泥产量的迅速增加及对环境产生的恶劣影响,污泥资源化利用日益受到关注。近年来国内相关学者对污泥制备生物质燃料进行研究,主要有污泥与煤、农业废弃物秸秆混合制备成型燃料、污泥与煤混合制备燃料水煤浆等。由于这方面的研究刚刚起步,因此,大多停留在实验室研究阶段。


        2.1污泥与煤、农业秸秆混合制备成型燃料技术污泥自身水分高、热值低,直接燃烧困难,将污泥与煤、农业废弃物混合直接燃烧或成型燃烧是改善污泥燃烧特性的行之有效的方法。为了解污泥与农业废弃物的燃烧特性,武宏香等[3]采用热天平反应装置,研究了煤、木屑和污泥混合物的着火温度、燃烬温度等燃烧特性,结果表明,污泥单独燃烧性能较差,加入煤或者木屑共同燃烧时,其综合燃烧特性指数增加,燃点提高,燃烬温度下降,燃烧性能得到改善,证明污泥与生物质废弃物混合燃烧是污泥资源化利用的好方式。


        张长飞等[4]将含水率为80%左右的2种污泥与煤和木屑混合用压滤机在一定压力下制备成具有一定强度和热值的污泥成型燃料,并对成型燃料进行热重试验。结果表明,2种污泥成型燃料热解过程均为干燥阶段、挥发分析出阶段、燃烧阶段及燃烬阶段。木屑与污泥制备的成型燃料燃烧速率最大温度比污泥与煤粉制备的成型燃料低约100K。污泥与秸秆、适量添加剂混合后制备成型燃料的目的是提高燃烧热值及热能。成型时需要添加多种添加剂,主要由使成型燃料易于着火的引燃剂、改善成型燃料孔隙率的疏松剂、促进碳粒完全燃烧的催化剂、保证成型燃料固化效果的固化剂以及减少成型燃料燃烧中臭味污染的除臭剂等[5]。

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