生物质燃料冷压成型与污泥的资源和能源化利用

摘要：我国2011年产污水污泥已超过3500万吨，每吨可排放400~600kgCO2当量的甲烷，焚烧需投资50~70万元/t、运行费170~250元/t；“十一五”要求形成年生产5000万吨生物质成型燃料的产能，但只完成500万吨。“十二五”减为2000万吨/年，但实施规划又改为1000万吨/年。如果污泥用作生物质成型燃料的粘结剂，产量可提高10倍，节电>95%。可迅速超过5000万吨/年目标；可减少甲烷的碳排放每年1500万吨，节约设备投资500亿元、每年还可节约运行费30~40亿元。 　　1、污水污泥的甲烷可年排放CO2当量超千万吨 　　2011年我国的污水污泥（下简称污泥）已超过3500万吨，污泥中含50~70%的以甲烷为主的挥发分，按IPCC温室气体清单所列，碳排放为400~600kg/t CO2当量，如果都未进行有效处置，可能年排放1400~2100万吨CO2当量。 　　如以3000万吨污泥计，采用热干化焚烧处置，需设备投资500亿元，每年还需运行费59.5~87.5亿元。 　　2、生物质成型燃料完不成五年计划发展目标 　　2.1 “绿金”可能取代“黑金” 　　全球年产1700~2000亿吨生物质，相当于人类目前能源消费总量的10倍。我国目前可用于成型燃料的生物质产量有约10亿吨/年，特别是生物质燃烧排放出的CO2可与其生长期吸收的CO2持平，被视为CO2零排放而更受各国的高度重视。许多国家将发展木柴和生物质能作为减少碳排放的捷径。专家们呼吁“以柴代煤”，预言“黑金”也许会被“绿金”取代。 　　2.2 问题出在成型工艺上 　　中国生物质成型燃料技术攻关组组长、著名农村能源专家张百良教授说：“要使秸杆成型有许多方法，一是加热法，二是加粘合剂法。我采取了简单的加热法”。 　　要采用“粘结剂法”的关键是要找到：粘结力强、能很好润湿燃料粒表面、无机物含量少、制备和加入工艺简单、无二次污染、防水性好而又来源广和价廉的粘结剂，确实是件难事。但加热法也并不简单。 　　正如张教授所说：“经过了许多实验，难度很大”。总结20多年的历史经验教训“秸杆成型燃料加工主要问题是成型系统和喂入机构磨损太快，块状成型机产品质量不高、密度较低、表面裂缝太多、运输、储存、；加料过程中机械粉碎率远远超过行业标准；棒状燃料机构比较复杂，生产率较低，能耗较高。 　　笔者认为“粘结剂法”不应抛弃，正如国际能源署（IEA）生物质协定任务32课题组所说：“必须改进颗粒压缩成型技术，以满足低成本和提高燃料质量（正确选择模型、评估和测试提高 质量和减少成本的生物添加剂，开发试验预处理技术）”。 　　3、污泥是一种可再生生物质能源 　　污水污泥本身是一种生物质腐败后的残渣，是法定的可再生生物质能源，初沉污泥含50~70%的有机质，热值达15~18MJ/kg（以干污泥计），相当于一座年产700万吨中质煤炭的可再生能源矿。 　　4、污泥是优良的复合型粘结剂 　　污水污泥含有细胞外聚合物，主要是多糖、蛋白质等，有机物中微生物形成的菌团与其吸附的有机物和无机物（少量粘土，相当于植物中的灰分）颗粒都很细小，由平均粒径<0.1μm的胶体颗粒和1~100μm之间的超胶体颗粒组成。而且其颗粒富含水分，拥有巨大的表面积和高度的亲水性。表面附着一层或几层水，从而形成了一个稳定的胶体絮状分散系统。.确实是一种踏破铁鞋无觅处的优良复合型粘结剂: 　　4.1 粘结性很强 　　所谓污水污泥指含水率高达80%的块状稀泥。干燥到含水率为60%时极易结块，表面坚硬而难以粉碎，但内部还是稀泥。证明其易粘结而且很结实。 　　4.2 能很好地润湿燃料颗粒的表面 　　污泥虽呈软泥状，本身不易流动，但当它与生物质颗粒接触后其外层水流动性好，很容易被燃料颗粒表面吸收。而且污泥本身是一个胶状絮体分散系统，能均匀地与燃料混合。 　　4.3 无机物含量少 　　干污泥含灰分30~50%，湿污泥扣除80%的水分后实际灰分仅6~10%，若污泥以30%加入生物质粉料时，仅带入无机物1.8~3%，对成型燃料的热值影响不大 　　4.4 制备和加入工艺简单   　　污泥可直接与燃料粉拌匀不需要再制备，而搅拌和成型采用国内外常规的型煤冷压工艺和设备即可。 　　4.5 无二次污染 　　只需修建能密封的污泥储备池，用引风机抽取其含臭气体，用作干燥窑的燃料助燃空气；成型时不加热又迅速外包防水、防腐层，不会产生热干化时的空气污染。 　　4.6 防水性容易塑造 　　污泥唯一不足之处是不防水，但成型后可在表面撒一层水泥或石灰粉，即可造成防水层。亦可干燥后浸一层废油。 　　4.7 来源广、价廉 　　凡是圾污水处理厂（甚至农村沼气池）都要不断产生污泥，不仅可以免费获得，还可得到一些处理费。 　　5、污泥生物质成型燃料巧解两大难题 污泥与生物质配合生物生物质成型燃料，巧妙地低价高效解决了污泥处理处置和生物质成型两大难题。该工艺笔者已于2010年申请了发明专利。目前韩国、日本和我国胶南、重庆、苏州等地已成功生产和应用了污泥生物质成型燃料。但笔者不赞成硬加入“污泥热干化”工艺，直接用湿污泥即可。 　　6、污泥生物质成型燃料燃烧特点 　　6.1 易点燃易燃尽 　　污泥生物质成型燃料有很高的挥发分和氧，而且挥发分析出温度较低，所以很容易点燃；挥发分析出后使燃料孔隙增加，外面的氧气也很容易进入燃料块的中部参与燃烧，所以燃速快易燃尽。 　　6.2 结渣性和沉积性可调 　　生物质灰分软化温度较低燃烧时容易发生炉膛结渣和低温沉积腐蚀问题。可以通过提高灰分软化温度、控制适当的炉温，即可较好地解决结渣问题；沉积问题可用减少相应物质来解决。 　　7、污泥生物质成型燃料的综合评价 　　按照国家住建部和发改委2011年发布的《城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南（试行）》规定的基本原则逐一评价。 　　7.1 安全环保 　　生物质粉碎按常规方式进行，污泥无粉尘产生，暂储池呈密封状态，臭气又被用作助燃空气；成型后可作防水防腐层或干燥能防腐。可避免二次污染。 　　7.2 循环利用 　　污泥和生物质的热能都得已利用，污泥还首先作为粘结剂和成型水都进行了资源化利用。燃烧灰 中的磷、钾物质可作农肥，重金属含量高的可作绿化专用肥。全面实现了循环利用。 　　7.3 节能降耗 　　现行热压成型机平均单位产品能耗为40~70kwh/t，冷压成型仅平均1.5kwh/t，虽然增加了搅拌机但能耗<0.5kwh/t，合计为2kwh/t，节电95~97%。 　　冷压成型常用的对辊单机生产率为3~15T/h为热压成型的10倍左右，单位电耗产量约为30倍左右。 　　型球干燥耗热应由污泥生产单位提供处理费中开支，而且不消耗常规能源，就用污泥生物质成型燃料即可。 　　7.4 因地制宜 　　我国年耗煤30亿吨左右，约为世界煤耗的一半。仅层燃炉就要耗煤15亿吨左右和生物质秸杆5亿吨。有生产生物质成型燃料，年消纳污泥7.8亿吨的能力，且不用建焚烧设备。这在发达国家是完全不可能的。 　　7.5 稳妥可靠 　　冷压成型工艺和设备是国内外成熟的技术和设备；焚烧处理污泥是世界公认无害化最快、最彻底的技术。 　　7.6 无害化、资源化与低碳节能分析 　　7.6.1 无害化  本工艺核心技术是焚烧，是无害化最彻底的技术；生物质燃烧温度一般在1000℃左右，NOx生成量少；生物质很少含硫，即使有，可在成型时加入石灰既可脱硫又可脱氟、脱氯，烟尘浓度也可按常规办法达标；甲烷及其它挥发性有机物、CO2、黑烟、二恶英等笔者均有配套技术实现完全燃烧而避免污染。 　　7.6.2 资源化  污泥的热值实现了能源利用，其粘结性、水分和磷钾等物质等都可以资源化利用，是全面利用而非顾此失彼。 　　7.6.3 低碳节能  CO2零排放、成型电耗比热压法节电95~97%。实现了无害化、资源化、低碳和节能的多赢效果。 　　8、经济性和环境影响及碳排放 　　8.1 生物质成型的经济性分析 　　本工艺比现行热压成型，平均吨产品节电53度；产量提高10倍以上，生产成本节支约50%。 　　8.2 污泥处理的经济性分析 　　每吨污泥处理设备可节约50~70万元；运行费（仅需适当补助成型燃料生产单位）节支50%左右。 　　8.3 环境影响和碳排放 　　CO2零排放，NOx、SO4、HF、HCI和二恶英均可达标排放；黑烟、甲烷、CO及其他挥发性有机物均可消除；除机械送风需要安装除尘器外，自然通风都可实现烟尘浓度达标；重金属除工业废水外都可以达标；吨污泥可减少甲烷的碳排放约0.5吨CO2当量，节电又可减少CO2当量排放0.95吨/吨污泥。 　　所以污泥生物质成型燃料生产技术是低价高效的甲烷资源和能源化回收利用，温室气体及污染物双减排的最优化技术。史君洁　夹江节煤科研所