王凱軍：重大共性技術——熱解在污水污泥處理方面的應用

時間： 2024-11-18 10:31

來源：未來新水務

作者：王凱軍

在2024青島國際水大會中，清華大學環境學院教授王凱軍詳細介紹了熱解技術在污水污泥處理方面的應用前景。

他認為，對于焚燒的觀點也導致對于熱解工藝的諸多誤解、誤讀，使得熱解在環境領域的重要性和應用潛力都被大大低估了。而熱解工藝當前受到的“待遇”，其根源是很多從業者自己的偏見。在十余年前，他曾經引用孟子的話說明這一現象—— “夫人必自侮，而后人侮之；家必自毀，而后人毀之；國必自伐，而后人伐之。” 現階段，他希望通過對熱解技術的重新講解，為其正名。

37_2_1730684484.jpeg?wx_fmt=jpeg&from=appmsg

本文根據發言內容整理。

01熱解是新一代清潔技術

關于熱解的誤解，在其名稱、定義方面就有集中體現：很多人將熱解、氣化、碳化、焦化等概念混淆，而實際上，它們的過程條件、產物及排放情況相差甚遠。

根據科學定義區分：碳化是不完全熱解的過程，產物以炭為主；氣化的產物是可燃氣體，熱解氣熱值800-1200大卡/m3，過程會有污染氣體的產生。而熱解技術是指在隔絕空氣的條件下，利用熱能切斷生物質大分子中的化學鍵，使之成為低分子的物質，熱解氣熱值3000大卡/m3以上。

37_3_1730684484.png?wx_fmt=png&from=appmsg&tp=wxpic&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1

因此，“清潔”是熱解技術的重要特征，主要體現在三個方面：

首先，排放的煙氣量少。根據排放標準，固體（煤）燃燒過量空氣系數為1.8，燃油或燃氣燃燒的過量系數為1.2，熱解產生的氣體為燃料產生的煙氣量僅為固廢直接燃燒煙氣量的1/2～2/3。

其次，大氣污染因子少。熱解氣化產生的氣體為燃料排放的大氣霧霾煙塵、SO2、NOx、重金屬等危害因子比固廢直接燃燒少1/2以上。

另外，抑制或分解二噁英。熱解區的無氧環境抑制二噁英的合成，可燃氣燃燒區無金屬催化媒介及高溫（>850 ℃）抑制產生或分解原物料存在的二噁英。

最后，減少溫室氣體排放，將生物質碳轉為生物炭中的碳，50%的碳可被封存。

因上述特點，熱解技術被美國EPA認為是第三代廢物處理技術。

但在實際應用中，從上世紀末到本世紀初，大城市由于大氣污染的壓力，一方面開始減少煤的焚燒，在城區大氣污染控制區域，出現了逢燒必限的局面。另一方面，受焚燒的牽連，熱解工藝被誤認為也存在二噁英的排放，從而大多受到限批的待遇。

實際上，這一問題也有其解決方案：可將煤粉（或生物質）與污泥混合，先熱解再燃燒熱解氣的清潔燃氣焚燒，可以避免直接燃煤焚燒。

02熱解是重大共性技術

熱解工藝作為一項重大共性技術，在工業化領域已具有悠長的發展應用歷史，最早應用于煤的干餾，所得到的焦炭產品主要用于冶煉鋼鐵的燃料。隨著現代化工業的發展，該技術的應用范圍逐漸得到擴大，被用于重油和煤炭的氣化。由于世界性石油危機對工業化國家經濟的沖擊，20世紀70年代起，全球開始探索熱解在固度處理領域的應用，包括污泥熱解、小型生活垃圾熱解、油泥等危廢的無害化處理處置、生物發酵菌渣資源化、高鹽高濃度廢水（危廢）處理、餐廚垃圾分選輕物質處理、醫廢（危廢）處理等。

可以說，熱解技術在環境領域有著較為廣闊的應用范圍，是覆蓋多個領域的重大共性技術。

自2008年開始，我們專門成立一個團隊，針對熱解氣化在環境領域的應用開展不斷研究與探索。十幾年來，團隊沿著內熱、外熱兩條技術路線，在多個細分領域推廣應用熱解技術，包括污泥熱解、油泥等危廢的無害化處理處置、高鹽高濃度廢水（危廢）處理、餐廚垃圾分選輕物質處理、農業生物質多聯產等。處理規模跨度較大，從小型焚燒爐到上百噸的大型項目兼而有之。

03污泥熱解面臨問題及解決方案

目前，國內也有一些污泥處理項目中用到熱解工藝。國內也有應用包括武漢湯遜湖污泥項目、青島即墨污泥處置中心項目等。其中，部分項目運行過程出現一些問題，導致外界對于熱解工藝評價降低，進而影響工藝的產業化推廣。

實際上，大多項目中出現的運營問題，原因在于對熱解工藝原理、過程控制、細節參數等了解不足。以最常見的兩個問題——焦油及規模放大為例，我們來探討下問題的正確解決方法。

中溫熱解焦油問題

熱解過程的產液最佳溫度是500℃左右，產氣最佳溫度則在800℃以上。引出氣體過程溫度控制不當，就容易在管道產生液體焦油，造成設備堵塞。因此，焦油問題一直是熱解技術的重大瓶頸。我們專門去日本考察了相關設備，當時日本廠家的工程師認為：“熱解后的管道一定要短，長了容易堵塞。”

設備單體規模放大問題

熱解技術適用于中小型應用場景。國際上，幾十噸的項目即是大型項目。而在我國，幾乎任何一個城市都是幾百噸的污泥產量，相關項目動輒上千噸，在廣東甚至有了4000噸/日的污泥處理項目。因此，很多國內的中小型場景對于國際來說都稱得上“大型”。設備的最大單體規模，決定了其應用定位。

外熱式反應器以筒狀為主，放大的受限因素是換熱面積，要想將其單體規模放大，要么增加直徑、要么增加軸長以增加污泥的接觸面積。然而，直徑過大會導致設備內的物料受熱不充分，達不到氣化溫度要求；若增加軸長，高溫又會使軸受熱變形。而若采用多級形式，設備又會太高。因此，目前外熱式反應器的最大單體規模僅有100噸，難以突破。

微信圖片_20241104102610.png

解決方案

我們將反應器設計思路從外熱式轉向內熱式。內熱式反應器的單體規模由邊長決定，且污泥發生熱解是通過熱解氣燃燒輻射加熱，因而矩形斷面沒有放大限制。

37_5_1730684484.png?wx_fmt=png&from=appmsg&tp=wxpic&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1

綜合以上思路，我們與日本開展了技術合作，通過開發內熱式熱解新設備，一舉解決了多項問題：

· 污泥區溫度400-500℃，氣體區溫度850-950℃，沒有液體焦油產生；

· 污泥發生熱解是通過熱解氣燃燒輻射加熱，矩形斷面沒有放大限制。

37_6_1730684484.png?wx_fmt=png&from=appmsg&tp=wxpic&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1

04熱解產品的應用場景（以活性炭在污水處理中應用為例）

在清潔處理各類固體廢物之外，熱解技術更有其資源化屬性：可將有機質變為清潔燃氣；可用于稻殼、玉米秸稈等生物質的生物炭制備，以及活性炭的再生利用等領域。

熱解產物之一——活性炭，鏈接著一個隱性廣袤市場。近幾年我國活性炭平均價格整體呈現上漲態勢，每年有150—160億噸產能，其中有60億噸銷往國外，單價約8000-10000元/噸。其中，活性炭50%以上用在環保市場。污水、飲用水、大氣除臭等。因此，將熱解用于生物質碳化以制備活性炭，有其天然優勢。

利用熱解，還可實現活性炭再生。比如，用于活性炭再生的多段爐工藝分為干燥、熱解、活化三個階段，通過多段再生工藝，原是危廢屬性的廢棄活性炭可實現再生，并徹底解決衍生危廢問題，每噸飽和活性炭吸附的有機物再生過程還可產生0.1噸蒸汽。

37_7_1730684484.png?wx_fmt=png&from=appmsg&tp=wxpic&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1

活性炭在污水處理中也有著廣泛應用空間。在水處理領域，至少有四大污種的處理工藝與活性炭密切相關：一是高濃度污水中難降解有機物的吸附；二是采用芬頓塔的中高濃度廢水處理中，會產生大量化工廢水污泥（危廢），需要用熱解技術來解決；三是投料活性污泥工藝中，需要在PACT生化池中投加活性炭，起到加強生化系統處理效果的作用；四是新興污染物的處理，吸附其中的污染物。這四種工藝，衍生出很多應用場景，為熱解工藝及其主要產品的應用打開了空間。

37_8_1730684484.png?wx_fmt=png&from=appmsg&tp=wxpic&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1

如在環興機械與清控公司合作的某個高鹽高濃度廢水（危廢）處理項目中，廢水來自染料化工企業，高鹽、高COD，B/C比極低，污水的可生化性差，幾乎無法采用傳統物化和生化的方法，因此采用活性炭吸附的方法去除COD，活性炭可以在吸附后再生。目前，該項目中的活性炭再生系統處理量為30噸/天（以進料折干計），從最終效果來看，活性炭再生的炭損率控制在6.6%左右，低于設計要求（8%）。此外，如果不進行再生，使用后的活性炭將作為危廢處理，僅危廢處理費一項，該系統就節約了1.5億/年。

在中低濃度難降解廢水污泥處理方面也有著成功案例。在某個難降解染料行業廢水處理系統中，剩余污泥及芬頓污泥脫水后，泥餅干化儲存，該種污泥屬于化工企業固體危險廢物，采用回轉窯工藝會帶來結垢、腐蝕等問題。北京聯合環境采用內熱式熱解工藝解決了該問題，污泥經過熱解后形成了還原為單質鐵、四氧化三鐵等磁性物質，易分離和實現資源化，能夠有效降低芬頓工藝成本。該工藝還在江蘇、浙江多個危廢污泥中得到了應用。

綜合來看，對于固廢行業來說，熱解技術是覆蓋多個細分領域的重大共性技術，具有清潔、資源化等諸多屬性。盡管當前存在諸多誤解、誤讀、誤用，但其應用效果及潛能正在被不斷驗證，增強了我們對技術未來的信心。期待熱解能夠進一步突破現有局限，實現更廣泛的產業化應用。

編輯：李丹

贊