【摘 要】本文介绍了国内外典型的内热式炭化技术并结合污泥炭化的需要提出了一些改进建议。
【关键词】污泥；内热；炭化；控氧燃烧
一、前言
目前国内外主流污泥炭化技术都是外热式的，即通过间接加热的方式将污泥炭化，而内热式炭化则是通过直接加热的方式将污泥炭化。与内热式炭化相比，外热式炭化具有所产可燃气热值较高、炭的纯度高的优点，但传热效率较低、设备投资较大。本文将探讨国内外各种内热式炭化技术并提出改进建议（由于污泥炭化大都采用卧式炭化炉，所以本文只介绍采用卧式炭化炉的技术），以使其适应污泥炭化的特殊需要。
二、国内外内热式炭化技术介绍
1、内热式回转炉炭化技术
（1）炭化主要作用：①逐出造粒料中的挥发物及水分；②将煤焦油中的沥青转化成骨架，提高炭颗粒强度；③使炭颗粒形成初步孔隙。
（2）该炭化工艺流程图：
①原料路线：造粒后的原料（如煤）由输送设备送入回转炉的进料室，靠自重流入回转炉内，被炉内螺旋布置的抄板扬起，回转炉向出料方向倾斜，原料颗粒靠坡度由进料端向出料端移动。原料颗粒先经过预热干燥阶段（200℃），再进入炭化阶段（350～550℃），在此过程中，原料颗粒与高温烟气接触而炭化，逐出挥发物、水分，最后由出料端排出。
②气体路线：回转炉排出的气体在焚烧炉中彻底焚烧后形成高温烟气，一部分送回到回转炉的出料端，用于原料颗粒的直接加热炭化，另外一部分用于加热锅炉生产水蒸汽用于炭粒活化；降温后的烟气经处理达标后排放。
原料颗粒在回转炉内的炭化过程分为三个步骤：
（3）炭化过程：
1.烘干 温度<150℃ 主要特征 逐出水分
2.预碳化 温度150℃-600℃ 化学组分开始发挥
3.炭化 温度 600-850℃ 发生热分解和热缩聚
（4）炭化热解气处理：
原料颗粒在炭化过程会产生热解气，其成分主要为：①高温烟气，主要成分为二氧化碳、水、氮气、二氧化硫、一氧化碳；②挥发物，如氢气、一氧化碳、烃类、煤焦油。其中有毒有害物质，必须进行处理。该技术采用高温焚烧处理法：在氧气过量的条件下使热解气充分燃烧，达到850～950℃，即可将可燃物转变为二氧化碳和水，实现无害化和能源化。
2、日本株式会社前川制作所专利技术——通过内热式自燃方式进行的连续炭化处理方法
该技术可以大规模应用于生活污泥炭化领域，投资和运行成本都较低。可对含水率高、粘稠的生活污泥进行连续炭化处理。处理步骤是：（1）将原污泥制成一定规格的颗粒（可先经脱水），然后定量送入回转炭化炉；（2）在回转炭化炉的出料端设置补充燃料燃烧器，向回转炭化炉内喷入火焰，与逆流而来的污泥颗粒进行直接接触进行烘干、炭化，当污泥颗粒燃烧后即停止喷入火焰；（3）从回转炭化炉的出料端吹入污泥颗粒自燃所需的空气使污泥自燃以满足污泥烘干、炭化所需的热量，从而实现系统的能量自给，降低了运行成本；（4）从回转炭化炉进料端抽吸其内部产生的热解气送入无害化处理装置；⑸经过上述步骤，从回转炭化炉的出料端排出污泥炭化产物并经冷却。
三、对现有内热式炭化技术的改进建议
1、现有内热式炭化技术所用的回转炭化炉都不具有粉碎功能，而污泥炭化希望得到粒度较细的炭粉以利于后续资源化利用。现有回转炭化炉还会因为炉壁结焦而形成“结圈”，导致产量下降，需定期清理。为解决上述问题，作者建议研发一种“具有粉碎功能的内热式回转炭化炉”，具体实施方案如下：
参照陶瓷球磨机的结构对现有内热式回转炭化炉进行改制以适合污泥炭化的需要。球磨机是物料制粉设备，由水平筒体、位于两个端盖上的进出料口等部分组成，内部盛有不同直径和比例的研磨体（多为钢球）。物料由进料口进入球磨机内，当筒体旋转时，内部的研磨体和物料在离心力和摩擦力作用下随筒体旋起到达一定高度，当自身重力大于离心力时，便抛下或滚下，对物料进行冲击和研磨，同时研磨体之间的滑动也对物料起研磨作用。陶瓷球磨机的筒体衬板是由陶瓷制成的。为了耐受炭化所需要的高温，将陶瓷球磨机的衬板改为刚玉砖，研磨体也采用刚玉球。
2、利用风扇磨煤机对污泥进行内热式炭化：风扇磨煤机是发电厂褐煤粉碎设备，具有原煤烘干、制粉、输送一体化功能；其工作原理是：原煤与高温烟气一起送入机内，煤在冲击轮的高速沖击和摩擦作用下被瞬间粉碎，同时与高温烟气充分接触使其水分迅速蒸发完成烘干；高温烟气和煤粉在蜗壳区内高速运动，最后进入出口的选粉机中进行粗细分离，该选粉机具有调节出料细度的功能。风扇磨煤机的冲击轮同时起着粉碎煤和高温风机的作用。依据上述原理，利用旋风除尘器将炭粉与热解气分离，炭粉经冷却即成成品，热解气送入焚烧炉彻底燃烧实现无害化，产生的高温烟气一部分用于污泥烘干，另一部分用于污泥炭化。这将会是一种效率非常高的污泥内热式炭化技术。
3、由于刚出炉的炭温度仍然很高，遇到空气就会自燃，所以必须进行冷却，现有技术是采用水冷换热器进行冷却，将炭的余热转化为利用价值较低的热水，作者建议采用粉体流板式换热器将其换热成热风用于炭化所产可燃气焚烧的助燃空气，可提高焚烧温度，节省外加燃料。粉体流板式换热器是一种新兴换热设备，利用Pillowplate传热板片对固体颗粒、粉末进行冷却或加热的换热器，其特点1：密相输送设计——粉体出料温度和速度均匀可控，品质稳定可靠；其特点2：间壁式换热——换热介质通过高效枕型换热板与粉体换热，不直接接触粉体。设备优点：全密闭运行，零排放，节能90%，结构紧凑，安装简单。
4、鉴于立式内热炭化炉大都采用底部物料控氧燃烧来提供炭化所需的热量，不需要外加燃料，从而降低了运行成本，作者建议在内热式回转炭化炉的出料端设置控氧阀，允许一定量的空气进入炉内，使出料端内的一部分炭粉迅速燃烧，释放出热量，提供炭化所需热源。
5、由于污泥含水率高，导致热值很低，很难实现其烘干、炭化的能量自给，需要补充外部燃料，增加了运行成本。作者建议将污泥与生物质废弃物进行联合炭化以解决污泥热值低的问题，生物质废弃物很蓬松，如果将两者混合均匀就可以增加其透气性，大幅提高烘干效率。
四、结语
综上所述可见，污泥内热式炭化技术是一种很有发展潜力的技术，应该得到更多的关注。本文作者也将继续投入精力进行深入研发，争取早日实现工程验证，为消除污泥污染做出自己的贡献。
【参考文献】
[1]韩洪波. 直接加热型污泥烘干炭化机构[P]. 中国发明专利，201811003891.0 .
[2]韩洪波. 一种高效污泥炭粉的生产装置及其生产方法[P]. 中国发明专利，201710903173.8.