歐美國家和日本自上世紀90年代便開始了污泥碳化的工程應用。總體來看，日本是污泥碳化工程應用開展最多的國家，歐美國家污泥碳化工程應用相對較少，主要在污泥熱解焚燒方面應用較多。

3.1 歐美污泥碳化技術及工程案例

3.1.1 涉及污泥碳化技術的公司

歐美國家參與污泥碳化技術開發的公司包括：

（1）德國的KOPF AG公司在德國曼海姆市污水處理廠建設了德國首個污泥熱解碳化示范工程，項目處理規模為100t/d（80%含水率污泥），采用“污泥厭氧消化-脫水-干化-熱解碳化”處理工藝，其中產生的熱解氣進入二燃室燃燒提供熱解干化所需要的能量。

（2）德國ELIQUO STULZ 公司研發了Pyreg® 污泥熱解技術，屬于高溫碳化。該技術通過污泥碳化的方式，達到污泥減量、穩定的目標，并從污泥中回收磷。

該污泥熱解工藝采用螺旋反應器，熱解氣燃燒后產生的高溫煙氣（可達1250°C）返回加熱，余熱進一步用于污泥帶式干燥。在Pyreg® 工藝中，碳化溫度在500-700℃之間，污泥碳中的磷以生物有效磷為主，磷濃度高達15 % （以P2O5計算），植物有效P > 80 %。

（3）澳大利亞ESI公司開發了ENERSLUDGE™熱解技術，屬于低溫碳化。該技術通過污泥熱解得到碳化物和粗油，但為了平衡系統的能量需求，碳化過程產生的碳化物和粗油被送到高溫煙氣發生爐中進行焚燒。其工藝流程如圖19所示。目前該技術在澳大利亞Perth的項目已經運行超過15年。

圖19 ENERSLUDGE™污泥熱解技術

（4）法國ETIA公司下屬的BIOGREEN®開發了Spirajoule®工藝，該設備的核心部件是由焦耳效應電加熱的無軸螺旋。該技術可用于有機廢棄物的碳化、熱解或氣化，產生碳化物、油和氣。由于采用和螺旋結合的電加熱圈，熱利用效率較高。產生的揮發分被冷凝后進行油、氣分離，油和氣可以分別進行利用。其工藝流程見圖12所示。

（5）荷蘭的Splainex Ecosystems Ltd公司開發了以回轉窯為核心設備的污泥中溫（450-500°C）碳化技術。該系統處理的對象是30%-35%含水率的半干污泥，經過碳化處理后，產生的生物碳可用作生物燃料（Bio-fuel），也可用于磷回收。過程產生熱解氣經燃燒用于發電、產熱。其設備見圖20所示。

圖20 Splainex工藝污泥碳化工程(200t/d)

（6）丹麥的AquaGreen公司開發了污泥高溫碳化（650°C左右）技術，包括污泥干化、碳化等單元，其目的是獲得可用于土壤改良的生物炭產品。其系統如圖21所示。

圖21 Aquagreen碳化系統

3.1.2 歐美工程案例

總體上，歐美國家污泥碳化技術的工程應用較少，根據有限資料，對相關工程案例統計如下：

表2 歐美碳化項目示例表

3.2 日本污泥碳化技術及工程案例

3.2.1 技術發展參與企業

日本污泥碳化技術是在國家宏觀發展政策的引導下開展起來的。上世紀90年代，在污染物減排和資源化利用的雙重壓力下，日本亟待研發新的污泥處理技術。

日本下水道協會在上世紀90年代末發起了由企業自主參與的污泥碳化工程技術研究，并建設了一批中試以上規模的污泥碳化設施及工程。

目前，日本已形成了完整的污泥碳化技術產業發展政策支撐體系。

在日本污泥碳化技術發展的過程中，主要的參與企業見表3。

表3 日本污泥碳化技術主要參與企業表

3.2.2 碳化技術工程應用情況

從上世紀90年代末開始，日本陸續建設了一批中小型污泥碳化項目，項目基本信息見表4。

表4 日本小規模污泥碳化裝置項目清單

其中，雙葉地方廣域市町圈組合和K社（兵庫縣高砂市）兩個項目為商業化運行項目，其他均為技術驗證性項目。

以上項目的建設和運行，為日后確定污泥碳化資源化利用方向、大規模裝置的工程設計打下了良好的基礎。

2004年，日本下水道新技術推進機構發布《污泥碳化系統技術資料》，對上述項目做了全面的總結，對“技術分類、工程設計、運行管理、政策法規”等方面做出要求。

2008年開始，日本相繼新建了一批較大規模的污泥碳化設施，見表5。

表5 日本大規模污泥碳化項目清單

2010年，日本下水道新技術推進機構發布了《污泥熱分解燃料化系統技術手冊》，對污泥熱解燃料化技術進行了專門的總結，并對相關的技術原理、工程規劃與設計、工程實施、運行管理、適用法規等做出了明確的規定。

同時，通過引進日本技術，韓國、中國也建設了一批污泥碳化處理項目，如表6所列。

表6 早期韓國、中國污泥碳化項目清單

3.2.3 日本碳化工程技術分類

按照碳化溫度劃分，污泥碳化分為低溫、中溫、高溫碳化三個大類，各類的主要特征見表7。

 表7 日本污泥碳化技術分類

（1）高溫碳化

高溫碳化技術的代表性公司為日本巴工業株式會社，采用立式多段外熱螺旋推進碳化爐，工藝系統包括污泥熱干化、污泥碳化、尾氣處理和熱量回收等核心單元。代表項目為2003年投產的雙葉地方廣域市町圈組合項目，見圖22。

圖22 雙葉地方廣域市町圈組合項目

（2）中溫碳化

中溫碳化技術的代表性公司包括三菱環境化學工程株式會社和美得華水務株式會社，代表性項目有東京都東部污泥處理中心和愛知縣衣浦東部中心。

中溫碳化裝置均采用外熱回轉窯碳化爐。碳化裝置包括污泥熱干化、污泥碳化、尾氣處理和熱量回收等核心單元，如圖23、24所示。

東京都東部污泥碳化二期工程采用了氣流干燥工藝，進一步提高了熱利用效率。

圖23 愛知縣中溫碳化工藝流程圖

圖24 東京都東部污泥碳化二期工藝流程圖

（3）低溫碳化

低溫碳化技術的代表性公司有月島機械株式會社，代表性項目有大阪平野污水處理廠項目和廣島西部污水處理廠項目，如圖25、圖26、圖27所示。

低溫碳化裝置均采用外熱回轉窯碳化爐。碳化裝置包括污泥熱干化、污泥碳化、尾氣處理和熱量回收等核心單元。

圖25 低溫碳化系統工藝

圖26 污泥干燥機、加熱爐

圖27 碳化爐及碳化產品顆粒

（4）污泥氣化碳化

污泥氣化碳化技術近年來也在日本得到工程化應用。氣化碳化技術的代表性公司為美得華水務株式會社，代表性項目為清瀨市水資源再生中心項目（100噸/日），如圖28、圖29、圖30所示。

該項目采用了流化床氣化爐，在產生熱解氣的同時，也得到碳化物。熱解氣被重整改質之后，用于內燃機發電，獲得電力。

圖28 污泥氣化工藝原理

圖29 污泥氣化碳化裝置

圖30 車間全景碳化爐設備圖

3.2.4 典型項目技術經濟指標

日本已建設近30余個污泥碳化項目，典型項目的技術經濟指標見表8。

表8 日本典型碳化項目主要技術經濟指標

注：由于各項目受設計冗余、維護作業安排、運行管理的不同考慮，設計處理規模和年處理總量不能簡單折算而達到對應一致。

3.2.5 日本碳化技術發展總結

（1）宏觀技術總結

2004年、2010年、2015年日本下水道協會新技術推進機構組織相關方，共同對已建成的污泥碳化、熱解項目進行了三次總結，得出的主要結論包括：

污泥碳化在污染物排放方面，與焚燒相比有明顯的減排優勢；

污泥碳化物在資源化利用方面有良好的前景；

污泥碳化處理技術是替代污泥焚燒的重要技術之一。

1） 2004年下水道新技術推進機構和14家碳化技術企業共同整理、匯總建成項目的情況，發布了《碳化系統技術資料》，主要是針對以市政污泥為對象的碳化裝置，在總結其技術概要、特點以及構造等基礎上，指明在進行碳化裝置的實施時所涉及的技術事項、注意事項：

① 對污泥碳化進行了明確的定義，包括碳化過程參數、碳化物評價等；

② 對污泥碳化的溫度劃分給出了明確的定義，劃分為低溫、中溫、高溫碳化；

③ 對碳化裝置進行了分類，分類準則包括有無干燥裝置、碳化爐的熱傳導方式、碳化爐內輸送方式等；

④ 對碳化物利用進行了總結，提出污泥碳化物有良好的資源化利用潛力，包括燃料化、土壤改良、建材利用、吸附材料、融雪劑等，并提出了不同利用方向的技術性指導意見；

⑤ 提出了碳化裝置設計流程的指導意見；

⑥ 對碳化裝置實際運行費用進行了總結，實際運行費用低于焚燒和堆肥；

⑦ 總結了碳化過程溫室氣體排放特征。將碳化裝置與污泥焚燒爐的每單位處理量所產生的溫室效應氣體排放量進行比較，碳化裝置比污泥焚燒爐產生的溫室氣體排放量少；

⑧對于資源化利用而產生的減排，提出了評估值的參考標準，見表9；

表9  基于碳化產品有效利用的能源削減效果

⑨ 對污泥碳化設施的建設、運行維護及適用性法規等提出了指導性意見。

2）2010年《污泥熱分解燃料化系統技術手冊》

由于日本污泥有機物普遍很高，燃料化方向的碳減排效益明顯。2008年之后，燃料化利用成為日本污泥碳化資源化利用的主要方向。

2008年11月至2010年3月，下水道新技術推進機構基金會和東芝股份有限公司共同研究污泥熱分解燃料化系統的性能評價等成果，并總結成《污泥熱分解燃料化系統技術手冊》。

《污泥熱分解燃料化系統技術手冊》明確了“與高溫焚燒方式相比，熱分解燃料化系統能將污泥作為煤炭替代燃料進行利用，減少綜合能量收支，減少溫室氣體排放量，作為碳中和的燃料進行有效利用”。

①污泥碳化以污水廠污泥為原料，因此將污泥碳化物歸類到生物質資源，作為碳中和的燃料進行有效利用；

② 碳化物作為煤炭替代燃料進行有效利用的情況下，和直接進行焚燒處理相比，可削減綜合能耗。

（2）設施運行情況總結

日本的碳化技術從開始應用（在日本、韓國、中國）到現在已經有18年，初步統計建成的項目超過30個，涵蓋了低溫、中溫及高溫碳化的工藝，目前最大的單體項目的處理能力達到150噸/天。最早的單體處理能力超過100噸/天的裝置（東京都東部）已經運行17年。從已建成項目運行的實際情況看，總體情況如下：

①處理量普遍能達到設計能力；

②運營管理措施完善，設備狀況良好；

③未出現運行安全重大事故；

④未出現因排放超標導致的停產；

⑤污泥碳化物均得到妥善的資源化利用；

⑥項目投資及運行成本均得到很好的控制。

（3）環保對策總結

為保證碳化設施滿足環保要求，在與有關部門協商的基礎上，采取相應的污染物防治措施及安全對策。已建成運行項目在環保治理方面，均達到了相關標準的要求。

1）排放氣體對策

從碳化裝置中產生的大氣污染物，因裝置的型號規模、運行方式、燃料、污泥泥質等因素不同而異。

尾氣對策要遵守大氣污染防治法和二噁英類對策特別措施法等相關法令的五項標準。在大氣污染防治法規定對象內的設施，大氣污染防治法施行令第二條及二噁英類對策特別措施法中對其種類和規模進行了規定。在法令規定對象內的碳化裝置的排出物涉及SOx、粉塵、HCl、NOx及二噁英類。

2）臭氣對策

一般來說，污泥中產生的臭氣主要有硫化氫、甲硫醇、硫化醇、二硫化醇及氨等5種惡臭物質。臭氣對策須遵守惡臭防治法等有關法令。惡臭防治法根據每種特定的惡臭物質(政令規定)制定了控制標準。根據惡臭氣體成分及量級、產生場所及周邊環境的敏感度，設計符合《惡臭防治法》標準的設施。

3）噪音及防振對策

噪音及防振對策，需遵守噪音控制法和振動控制法等相關法令。

噪音控制法及振動控制法所規定的對象為工廠及作業場的設施中在發生明顯噪音或振動的設施中產生明顯的噪音或振動的作業，并由噪音控制法施行令及振動控制法施行令限定。

4）碳化物土地利用

碳化物如果作為土地利用原料，必須遵守日本肥料管理條例、土壤污染法和土壤生產力法等相關法令。