（中国建筑东北设计研究院有限公司污泥碳化技术研究院 劳余力 ）
“污泥改性碳化及资源利用技术简介”报告速记
主持人 王涛 (机械科学研究总院环保技术与装备研究所 副总工 研究员级高工)：下一个报告题目是《污泥改性碳化及资源利用技术简介》，报告人是来自中国建筑东北设计研究院有限公司污泥碳化技术研究院劳余力高级工程师。大家欢迎！
劳余力：尊敬的各位前辈、各位专家、各位同仁和在座的各位朋友，大家下午好！我叫劳余力，来自于中国建筑东北设计研究院有限公司，今天我谨代表我们设计院跟在座的各位共同分享一下，我们这些年在污泥碳化道路上摸索的一些心得体会。今天我跟在座各位分享的题目是《污泥改性碳化及资源利用技术简介》，汇报的基本内容大概分八个部分。
一、公司简介
很多人会问，为什么建筑设计院也在做相关污泥的事情？中建东北院隶属于中建总公司，在现在建筑行业不景气情况下，建筑院开始大力转型做市政。我们公司，从2014年的时候开始引进并且组建污泥碳化技术的研发团队，并且在2016年年底专门成立了目前国内唯一的一家污泥碳化技术研究院。
我们整个团队专业致力于污泥改性碳化及资源利用的研发、设计、装备制造、EPC总包以及整个市场的开拓。
我们给自己定了一个小目标，力争在5-10年把我们公司打造成为污泥碳化领域中的一流品牌。
目前污泥改性碳化研究的团队组建和传统的设计院组建不太一样，传统设计院可以有工艺、建筑、结构等，目前我们认为要把污泥碳化这个事情做好，以下的专业是非常重要的。（详见PPT）
我们整个团队的领导团队是从污水跨界到污泥，突破传统，大胆创新，这个想法非常独特。
我们认为热能专业应该是污泥碳化领域中的主专业。而且要把污泥碳化做好，机械、材料和化学专业一定是污泥碳化里面的核心专业。昨天张司长说到，一定要跨界，我们整个团队里的成员全部都是跨界的，我们认为一专多能的团队成员才是污泥团队跨界的主力军。我们相信在环保行业里面把水或者是污泥行业做好，我们抱着一种情怀来做这样一个事情，我们这个团队未来十年就做这样一件事情。
二、碳化技术对比
根据中国的国情，我们这个团队在几年前就思考这样两个问题：第一，为什么选择碳化技术作为我们的研发方向？第二，碳化所需要的能源到底如何来解决？也就是碳化这条道路上如何解决它成本问题？这些年我们一直在解决这两个问题。
碳化，在座的各位都很清楚，主要是指污泥在隔绝空气的条件下加热反应的一个反应过程。传统的碳化无非就是干化、碳化，最后再加一个资源化利用。
我们之所以选择碳化，作为设计院来说，前些年把国内外的各种各样的工艺技术都进行了比较，我们认为碳化相对于其他的工艺路线来说，优点相对比较多一些，比如说占地比较小，减量比较明显，对于重金属的固化是比较明显的，最后出来的碳化颗粒没有异味，资源化途径相对来说多一些。
为什么这些年碳化在国内没有推的特别好？原因就是制约碳化在国内推广的一个重要瓶颈，就是碳化从国外进口的技术相对成本比较高。基于以上这些原因，所以我们在想，怎么来解决这个能源的问题，解决成本的问题？所以这些年我们研发了污泥碳化技术，并且我们给它的名字叫污泥改性碳化技术。污泥改性碳化技术，实际上是相当于把改性技术和碳化技术结合在一块的一种新型的处理技术。今天第一次在这样一个大会上亮相，接下来和在座的各位着重介绍一下我们这个技术里几个很重要的地方。
这个技术我通俗给大家解释一下，就是我利用一种改性剂把污泥里里面的蛋白质和糖类等有机质转化成油脂，这个油脂在碳化的过程中变成的油气，油气从碳化炉内导出后在燃烧室里面燃烧，从而给碳化炉提供了一个主要的能量来源。当有机质含量大于50%，整个污泥改性碳化系统就可以实现能量的自给自足。当然，如果有机质含量没有50%，我们在整个系统里面需要添加外面的辅助能源来解决整个能量的平衡。
三、工艺流程
（详见PPT）这是污泥改性碳化工艺流程图，双实线部分是污泥流向，虚线部分是水蒸汽烟气的走向，波浪线是在水的走向。
在整个系统里面，目前我们包含了这样几部分：混合工段、一次干化工段、脂化工段、二次干化工段、碳化工段，以及后端的除尘冷却工段、烟气合成工段。大家可以看到，污泥从前面进去以后，最后进到碳化工段，碳化工段的碳化颗粒最后回到一次干化工段，碳化颗粒最后是从干化炉里面出来的。这是和其他的碳化工艺不太一样的地方。接下来我挨个介绍一下。
混合工段，目的是在这个地方要添加一个改性剂，进行一个掺混，这个地方的原泥有一个缓存的功能，改性剂的添加量非常小，千分之一。混合工段添加了改性剂保持它的含水率不变，80%的含水率。
接下来污泥进入一次干化工段，一次干化工段的一次干化炉其实是没有外来能源，它的能量从哪里来？它的能源主要都是从后面碳化工段碳化炉里来的热源，第一部分能源，碳化炉里面有一部分热循环水，一次干化炉利用了碳化炉的热循环水的余热。第二部分碳化工段出来的高温碳化颗粒，我们叫做碳化热载体，这部分热载体刚出炉的温度是500℃，这部分热量也回到干化炉进行了余热回收。第三部分是碳化工段最后油气燃烧后烟气是500℃左右的高温烟气，这部分烟气我们同样也回到一次干化炉进行了余热回收。这三部分能源我们把碳化炉能够利用的能源都回到前面一次干化炉进行余热回收。其中，烟气进行了是直接热交换，碳化颗粒进行的是间接热交换，热循环水同样也进行的是间接热交换。这个时候，们的污泥含水率由80%降到60%-65%左右。
一次干化炉的污泥进到脂化工段，这个地方是需要我们从一次干化炉提供一个热环境，刚才说了一次干化炉直接交换的烟气是从碳化当中过来，交换完以后换了烟气的温度大概小于100℃左右，这个烟气就进入我的脂化工段，为脂化工段提供一个良好的热环境。在脂化工段就实现了把污泥的有机质中的糖类、蛋白质转化为油脂，这里需要一个时间段，这个时间段最重要的功能就是在这个地方这实现了这样一个功能。
热的过程，这个目前我们在很多反应物当中是很少见到的，污泥和改性剂反应自己放热，自己水分蒸发降低含水率，通过脂化工段含水率可以从60%-65%降到30%-35%。后面我还会介绍脂化工段的其他几个功能。
脂化工段的污泥进入二次干化工段，二次干化工段相当于是一个保险的工段，这个工段可有可无，对于一些有机质含量好的，或者是前面进泥的含水率好，二次干化工段在平时运行的过程当中是不需要的。这部分是利用外部的能源进一步对整个系统进行一个保障，保障我的污泥进入碳化工段的时候，它的含水率必须要在35%以下。含水率的变化是根据泥质的不同有所变化。刚才我说了，如果说整个系统的进泥含水率和有机质条件好，这个地方满足要求就不需要二次干化系统了。
二次干化的泥进入碳化工段，目前的碳化炉和传统碳化炉有点不太一样，里面要实现几个功能：第一要保证碳化过程一定是一个无氧和缺氧的环境。第二就是碳化过程中导出来的油气要在炉子里面作为一个碳化炉的热源。第三要提前把碳化炉的里面的水蒸气导出来，避免消耗后端碳化所需要的热源。第四碳化工段要将高温的烟气、碳化热载体和和热循环水导到前面的一次干化炉进行余热回收。经过我们的碳化炉含水率从30%-35%降到0%-5%，通常来说碳化出来的碳化颗粒含水率基本是等于0，介于平时空气中的水分，所以我们经过大量的检测，碳化后的碳化颗粒含水率基本在5%以下。
（详见PPT）这部分是整个污泥流的流向。除尘冷工段，这个部分相当于产生烟气、臭气、水蒸汽，经过除尘器的除尘，然后分离塔的冷却。最后将所有的烟气通入我们所产生的烟气合成工段，这个设备叫烟气合成隧道进行处理，最后一个达标排放。在这个烟气合成工段里，这是我们最新的技术，将二氧化硫和氮氧化物在这里面进行一个反应，转化成肥料。通过我们半年的运行，目前这个肥料是实实在在已经生成的，对于二氧化硫和氮氧化物的去除效率达到95%以上。
（详见PPT）这是我们目前在中国建筑东北院的申请的一个工艺流程。
我们觉得碳化要做两件特别重要的事情，第一要把工艺流程打通，工艺流程如果不打通的话，这个设备再好整个系统也是没办法能够实现热平衡的。第二是实现热平衡以后就解决我刚才说的第二个问题，能量的平衡的解决，能量平衡的解决要从污泥自身来解决这个问题。第三是设备本身要把系统能够利用的能量起来尽可能的都利用起来。
简单介绍一下我们工艺流程图里面的两个关键点：
第一个脂化过程。脂化过程我们在三、四年前就开始做这部分的工作。改性一开始是改性来制油的，后面会讲到碳化炉，一开始做碳化炉做出来的油是想卖油，当时油的价格非常高，后来发现油是制出来的，结果发现油后端工艺特别复杂，包括油的分类，最后我们把油直接用到碳化炉做能量是再好不过。脂化工段有四个非常非常重要的作用，这四个作用都是通过我们长年累月的实验得出来的。
1.脂转化产油，刚才已经介绍过了。
2.脂转化的过程是一个放热的反应，通过自己的反应可以不断的放热，这对蒸发水分，降低含水率的作用是非常大的。
3.还原重金属，关于还原重金属整个反应过程在专利里面是有的，在这个地方不做介绍了。后面我会简单说一句话。
4.脂转化的过程，我们知道脂化工段里面的污泥堆在里面非常臭，改性剂里面有一些相关的材料可以让脂转化过程作用起到一个固硫固氮的作用，固硫固氮的作用就是起到一个除臭的作用。整个改性室里面的味道其实并不是那么大的。
第二是碳化工段。大家可以想象一下，碳化炉里面有四种东西，污泥、水蒸气、油气和挥发部分、还有燃烧完以后的烟气。这四种东西要在一个炉子里面实现分段分级是非常难道一个过程，我们这些年在碳化炉的研究上就是要解决，既要保证让污泥在缺氧的情况下进行一个碳化，还要保证这四种东西在里面要实现分段分级的碳化。
（详见PPT）这是我们的一些专利技术，刚才我说了，在几年前开始做改性剂的研究，慢慢再改性剂里面解决重金属的问题，最后慢慢开始做碳化炉、干化炉，对于把整个工艺链打通，通过不断的生产性实验把工艺链打通，最后我们申请了污泥改性碳化处理系统。我们是给它取了这样的名称，叫污泥改性碳化工艺。
四、工艺布置
这是在两个城市里面，在污水处理厂里面我们做的三维平面图，因为场地比较有限，都是大的污水处理厂，原有的污泥堆场，在那样的情况我们做了一个布置。在里面大家会发现，整个改性工段是放在了第二层。当然，我们更加提倡如果场地面积足够的情况下，尽可能放在一层来解决整个碳化的过程。不管是放在一层，还是放在二层，整个占地面积都非常小。以100吨规模为例，整个污泥处理车间里面的占地面积在3500-4000平方米之内。
简单看一下工艺平面图（详见PPT）这是我们目前的混合工段，前面是原泥料仓、混合器，以及后面的缓存料仓，根据不同的规模缓存料仓和原泥料仓这些都不太一样。根据规模分别要配上多少套的碳化设备，也是在设计上需要另外需要考虑的。
（详见PPT）这是干化和碳化工段，我们基本上放在一块，可以看到混合原泥就进入一次干化炉进行干化，干化后的污泥我们进入改性室进行改性，改性完的污泥进入到二次干化炉，刚才说二次干化炉可有可无，这是一个保障性的炉子。二次干化过的污泥进入碳化炉，碳化炉的烟气供一次干余热利用，碳化炉碳化颗粒供一次干化炉余热回收利用。
（详见PPT）这是我们的脂化工段，目前脂化炉大家可以想象，有点类似于堆肥改性沟的形式。跟它不太一样的地方大概有几点：第一我们改性沟热环境类似于地暖的形式，是我们从一次干化炉换热完以后的烟气给这个改性沟提供一个比较良好的热环境。第二整个系统我们有全自动的布料、放料和出料的。
五、核心技术
介绍一下我们整个工艺里面的5个核心技术：
污泥改性技术，刚才说了就是向污泥添加改性剂，将污泥中的糖类、蛋白质等有机质转换为油脂，为后续的碳化过程提供能源。
改性剂有四个作用：第一可以提高污泥的产油。第二脂化放热，蒸发水分，降低含水率。在脂化放热的过程周，如果其他外界热量都不考虑的情况下，它自己的热量可以60-70度。污泥改性产油里比较可以达到10%左右。
（详见PPT）这是山东淄博皮革污泥进行一个冬季室外的破坏性实验，大家可以看到室外温度1度污泥可以达到53-56.5度，负4度的时候能达到43-47.9度，实打实在下雪的天气做了这个改性技术的实验。
干化炉技术，（详见PPT）刚才提到我们能把碳化过程中利用的能量都利用了。可以看到，我们的干化炉技术经过四代产品的优化，历经几年的时间，其实做碳化是非常辛苦的过程。
碳化炉的过程，刚才也说到是多套筒的结构，实现无氧缺氧的环境，并且是分级分段的处理。（详见PPT）
刚才也提到碳化炉为一次干化炉提供能量。我们的碳化炉走的最艰辛，前后历经了十代产品的优化，光生产型试验设备就做了十台，因为碳化炉里面需要解决的问题非常非常多。（详见PPT）
重金属还原及固化技术，我用一句话来介绍，就是通过重金属改性把重金属的高价态变成了低价态，或者说还原成单质，最后在没有还原的部分在碳化炉过程中进行进一步的还原，最后把进重金属固化在碳化颗粒当中。其他详见专利技术里面去看。
烟气合成技术，刚才提到把二氧化硫、氮氧化物去除率在95%以上。
六、资源化利用
我们第一次提出烟气是可以资源化利用的，我们利用一个反应环境是催化剂和光电磁场的反应，最后把二氧化硫和氮氧化物反应成肥料，这个肥料可以作为资源化的方向，也就是我们第一次提出烟气是可以资源化的。
碳化产物的资源化，我们做了非常非常多的实验，这里我们既做了重金属成分分析，同样也做了重金属毒性溶出实验，也做了碘吸附值的试验，等等实验我们做完了以后，我们得出这样一个结论：对于市政污泥来说，土壤改良肯定没有问题，我们在烟台做的生产性实验，大概两年的时间，农民在种植大棚的时候都会把我们的颗粒拉过去做一个土壤改良，效果是非常好的。
建材不说了，刚才有同行说过了。
低热质燃料，我们在做柠檬酸污泥或者是皮革污泥的情况下，最后出来的碳化颗粒回到企业的炉子里面进行燃烧，这个热值如果对优质的污泥来说热值是1500达卡，非常好。如果把烟气的产物和碳化颗粒产物结合在一块，相当于它对土壤改良里面既对土壤进行了改良，又相当于土壤提供了一个肥效，达到了事半功倍的一个效果。
（详见PPT）这是我们生产性实验的效果图（详见PPT），我们做了很多生产性试验，有烟台的市政污泥、淄博的柠檬酸污泥、淄博皮革污泥、霸州混合污泥等等，对于我们整个工艺来说，我们认为40%-60%目前的市政污泥或者是工业污泥工艺的整体效果是非常好的。
七、投资及运营成本
经过我们那么多的生产性实验，我们认为这个工艺的投资相当于传统工艺的80%左右，运营成本为传统碳化工艺运营成本的60%-70%左右。总而言之一句话，如果有机质含量能够达到50%可以实现整个系统的自给自足。
最后特别感谢我的合作伙伴：山东蓝宇环保科技有限公司、山东绿色合众谷节能环保科技有限公司。目前我们还有一个比较大的生产性的示范项目，在山东淄博正在安装，大概一个月左右就安装调试结束了，到时候欢迎在座的各位专家莅临淄博，我和我的合作伙伴共同欢迎各位。大家如果需要相关的资料可以扫一下我们的微信号，都可以跟大家进行分享。非常感谢！
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