CN101307244A - 双床交互循环式污泥热解制油方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种双床交互循环式污泥热解制油方法，属于能源环保技术领域。流化床热解反应器(1)和流化床燃烧反应器(2)双床间，采用惰性固体颗粒床料作为热载体进行交互循环，将热解残炭和不凝结气体在流化床燃烧反应器(2)中燃烧产生的热量传输给热解反应器中的污泥，作为污泥热解的热源；采用高温非机械阀(3)控制从燃烧反应器进入热解反应器的高温惰性固体颗粒床料的流量，进而控制热解反应器温度；流化床热解反应器(1)采用溢流方式自动排出多余固体颗粒物料，惰性固体颗粒床料、热解残炭和不凝结气体通过气力输送方式送入燃烧反应器；湿污泥采用内热式流化床干燥器(16)进行干燥；热解气在喷淋塔(7)内冷凝为油水混合物和不凝结气体。

Description

双床交互循环式污泥热解制油方法

技术领域

本发明涉及一种污泥热解制油方法，属于能源环保技术领域。

背景技术

随着污水处理的迅猛发展，污水处理的副产物污泥也巨量增长，传统的污泥处理方法越来越多的受到人们的质疑。污水污泥是一种由有机残片、微生物、无机颗粒、胶体等组成的非均质体，污泥含有有毒有机物、致病微生物和重金属，会对环境产生严重危害。

传统的污泥处理方法主要有填埋、倾倒入海、堆肥农用和直接农用等。把污泥直接倒入海中易引起海水大面积污染，这种方法已被许多国家禁用；填埋则由于可用陆地越来越少而无法满足污泥大量增长的需求以及易引起二次污染而逐渐被发达国家弃用；近年来，由于污泥农用造成重金属在农田中富集，发达国家对污泥农用也施加了越来越多的限制。因此，污泥焚烧逐渐成为主要的污泥处置方法。尽管焚烧的减量化、稳定化效果很好，但是焚烧造成重金属在飞灰中富集，且生成氯乙烯、二恶英等有害有机物。污泥焚烧时为了避免二次污染必须增加相关污染物处理设备，从而造成成本增加，同时污泥焚烧温度较高，能量消耗高，污泥焚烧的成本为一般处理方法的2倍以上。而污泥低温热解制油，则能有效地克服传统污泥处置方法的缺点，由于重金属富集于固体残渣中稳定性好，且反应温度低，避开了二恶英生成区，NOx和SOx生成也很少，足以满足苛刻的政策法规要求，而其经济性又显著优于焚烧。

污泥热解制油是国外八十年代中期开始发展的一项污泥资源化处理技术。它是污泥在无氧或缺氧条件下，加热到一定温度(高温：600-1000℃，低温：＜600℃)，使固体物质分解为油、不凝性气体和炭三种可燃物。部分产物作为前置干燥与热解的能源，其余能量回收利用。由于高温热解能耗大，目前研究重点放在低温热解上。因为多数不凝性气体热值较低，炭与固体残渣混杂在一起较难分离且含有大量重金属导致利用价值不高，所以油成为最有价值的能量回收产物。

污泥热解制油工艺由德国哥庭根大学B.Bayer在一项法国Shibata1939年专利的基础上改进后首先提出，Bayer和Kutubuddin对该工艺进行了较深入的研究，基本弄清了低温制油的转变机制。现已证明，该过程与自然界将固态有机物转变为液态碳氢化合物的过程相似。Bayer及其合作者已明确证实污泥中的硅酸铝和重金属对污泥热解具有催化作用，此后，众多学者对该工艺进行了大量的理论和实验研究。

在实验室规模研究中，许多学者采用固定床反应器或者旋转反应器，部分学者采用流化床对污泥进行低温热解。Lilly Shen和Dong-Ke Zhang利用流化床对污泥进行热解，得出当热解温度为525℃、气体停留时间为1.5s时，产油率最高(30％)。也有学者用微波诱导的方法进行热解，并把热解温度升高到900℃。

在工业化试验研究中，发现上述反应器均有不同的问题和缺陷，比如固定床反应器适合间歇操作，而污泥制油是一个连续过程，只有将多台固定床反应器并列才能实现污泥制油的连续过程；旋转反应器可以实现间接传热，从而提高油品得率，但是由于壁面间接传热的限制，反应器难以大型化；常规流化床反应器具有混合均匀、传热传质速率高、可实现大型化等诸多优点，但是需要消耗较多的污泥中的可燃质以提供热解所需的能量，因此油品得率低。

发明内容

技术问题：本发明针对目前日益严峻的污泥处理问题，提出一种双床交互循环式污泥热解制油方法，该方法可以解决污水厂、城市湖泊和河道的污泥处理所带来的环境问题，而且可以获得高附加值的油品，实现资源的有效循环利用。

技术方案：本发明的双床交互循环式污泥热解制油方法为：

湿污泥在内热式流化床干燥器干燥为含水率5-10％的干污泥，干污泥在流化床热解反应器中发生热解反应，热解产生的热解残炭和部分不凝结气体通过气力输送装置送到流化床燃烧反应器中燃烧，燃烧产生的热量加热惰性床料，高温惰性床料经高温非机械阀进入流化床热解反应器加热污泥；经旋风分离器和陶瓷过滤器净化后的热解气在喷林塔中冷凝，冷凝产生的油水混合物进入储油罐储存，不凝结气体作为流化床热解反应器的流化气、流化床燃烧反应器的燃料和气力输送装置的气源；流化床燃烧反应器排出的高温烟气用来加热水和空气，热空气作为内热式流化床干燥器和流化床燃烧反应器的流化气，饱和蒸汽通过内热式流化床干燥器的换热管加热湿污泥；设置辅助燃料加料器，当进入污泥干燥器的湿污泥含水率很高、热值很低时，将适量的煤送入流化床燃烧反应器燃烧，以保证系统所需的热能，使系统运行稳定。

热解反应器和燃烧反应器都采用流化床形式，流化床热解反应器的热解温度为450-550℃；流化床燃烧反应器燃烧温度为850～900℃。

热解残炭和部分不凝结气体通过气力输送装置送到流化床燃烧反应器中燃烧的方法为：流化床热解反应器采用溢流方式自动排出多余固体颗粒物料，采用底饲回燃技术，把流化床热解反应器的溢流物料和被陶瓷过滤器收集的细微残炭以不凝结气体为气源通过气力输送方式送到流化床燃烧反应器，保证流化床燃烧反应器和流化床热解反应器中的床料均处于动态平衡。

高温惰性床料经高温非机械阀进入流化床热解反应器加热污泥的方法：从流化床燃烧反应器密相区的溢流管排出的高温惰性固体颗粒床料经过高温非机械阀进入流化床热解反应器，通过高温非机械阀控制从流化床燃烧反应器进入流化床热解反应器的高温惰性固体颗粒床料的流量，进而控制流化床热解反应器温度。

进入内热式污泥干燥器的热空气的温度为120℃-150℃，进入内热式污泥干燥器换热管的饱和蒸汽压力为1.5-4.0Mpa。

热解气在喷林塔中冷凝为油水混合物和不凝结气体，冷却介质为储油罐内的油水混合物。

有益效果：与现有技术相比，本发明的特点有：

(1)采用双床反应系统。两个流化床分别作为污泥热解反应器和污泥残炭、低热值不凝结热解气燃烧反应器，双床间采用惰性固体颗粒床料作为热载体交互循环。燃烧反应器的燃料为热解反应器排出的污泥残炭和低热值不凝结热解气，在污泥热值高时不需要外加燃料。燃烧反应器在燃烬污泥残炭和低热值不凝结热解气的同时，将热量传递给惰性固体颗粒床料；高温惰性固体颗粒床料进入热解反应器将热量传递给污泥，提供其热解所需的全部热能，热解反应器中不需要氧化放热反应，污泥中可燃物质全部转化为碳氢化合物和固定碳，因此通过控制热解反应温度可获得高的油品得率。由此构建的系统结构简单，易于大规模连续生产。

(2)采用底饲回燃技术。污泥热解残炭绝大多数呈细微颗粒状态，采用申请者研发的“飞灰底饲循环流化床的回料控制器(ZL 03221013.2)”和“难燃燃料用飞灰底饲循环流化床燃烧方法及装置(ZL 200310106047.8)”可以解决细微热解残炭颗粒的回送和有效燃烬两个难题。

(3)设置辅助燃料加料器。针对污泥发热量和含水率的变化，在系统中设置煤加料器，当进入污泥干燥器的湿污泥含水率很高、热值很低时，将适量的煤送入流化床燃烧反应器燃烧，以保证系统所需的热能，使系统运行稳定。

(4)有效控制二次污染物排放。由于流化床热解反应器的运行温度低且床内温度均匀，没有达到二恶英的合成反应温度，重金属富集于固体残渣中比较稳定，因此无二恶英生成和重金属排放问题。流化床燃烧反应器的运行温度高、烟气停留时间(2秒以上)长、反应器内扰动强烈可以完全分解在燃烧过程中生成的二恶英类物质；在燃烧反应器中加入高岭土和活性矾土等添加剂可以有效吸附从污泥热解残炭中释放出来的重金属；此外，在燃烧反应器中加入石灰石可有效脱除硫、氯、氟等酸性气体，控制燃烧温度和空气分级供应可减少氮氧化物生成；通过以上措施可有效控制二次污染物排放，将其对环境的污染降至最低。

(5)热解油收集采用喷淋塔。以热解产生的油水混合物作为冷却介质，通过喷雾冷凝方式在喷淋塔中对热解气进行冷凝，增强冷凝效果，有效解决油水混合物在冷凝器中流动不畅的问题。

附图说明

图1是本发明的双床交互循环式污泥热解制油技术示意图，其中有：流化床热解反应器1、流化床燃烧反应器2、高温非机械阀3、旋风分离器4、床料回收器5、陶瓷过滤器6、喷淋塔7、循环泵8、油冷却器9、增压风机10、启动燃烧室11、循环泵12、煤加料器13、蒸汽发生器14、空气预热器15、内热式流化床干燥器16、喷淋塔17、循环泵18、废液循环池19、储油罐20、除尘器21、引风机22、烟囱23、污泥加料器24、换热管25、增压风机26、27、湿污泥a、干污泥b、溢流物料c、冷却水d、热解气e、油水混合物f、不凝结气体g、高温床料h、床料i、炉渣j、煤k、烟气l、饱和水或不饱和水m、饱和蒸汽n、废液o、冷空气p、热空气q。

具体实施方式

(1)经过机械压滤脱水的湿污泥在内热式流化床干燥器16内干燥成含水率5-10％的干污泥，然后送入流化床热解反应器1，在450-550℃温度条件下发生热解反应，转化为热解气和残炭。流化床热解反应器1内存有大量的惰性床料，能够迅速加热新进入反应器的污泥使其达到热解反应温度，其蓄热功能还可减小由于加料不均匀、污泥种类和水分变化引起的反应器内温度波动。由于流化床热解反应器1的运行温度低且床内温度均匀，没有达到二恶英的合成反应温度，重金属富集于固体残渣中比较稳定。流化床热解反应器1出口设置旋风分离器4，将随热解气带出炉外的细颗粒惰性床料和细微热解残炭分离下来，经过回料器重新送回流化床热解反应器1。

(2)旋风分离器4出来的热解气经陶瓷过滤器6净化后进入喷淋塔7，冷凝出的油水混合物经过油冷却器9冷却后进入储油罐20储存；从喷淋塔7出来的不凝结气体经过增压风机10分成三路：一路从流化床热解反应器1底部作为流化介质进入流化床热解反应器；一路从流化床燃烧反应器2上部稀相区进入流化床燃烧反应器2，在炉内燃烧放热的同时，增加炉内扰动；一路通过气力输送装置把被陶瓷过滤器收集的颗粒和从流化床热解反应器1中溢流出的颗粒输送到流化床燃烧反应器2。

(3)在流化床燃烧反应器2和流化床热解反应器1双床间，采用惰性固体颗粒床料作为热载体进行交互循环。从流化床热解反应器1中过来的热解残炭和不凝结气体在流化床燃烧反应器2中燃烬的同时，将热量传递给流化床燃烧反应器2中的惰性固体颗粒床料，被加热的高温惰性固体颗粒床料通过高温非机械阀3进入流化床热解反应器，提供污泥热解所需能量。

(4)从流化床燃烧反应器2排出的高温烟气依次蒸汽发生器14、空气预热器15、除尘器21后，由引风机22送入烟囱23排出；蒸汽发生器15产生的饱和蒸汽在污泥干燥器换热管25放热冷凝后，变成饱和水或不饱和水，饱和水或不饱和水由循环泵12重新送入蒸汽发生器14；由空气预热器15出来的热空气一部分从底部和稀相区送入流化床燃烧反应器2，一部分进入内热式流化床干燥器16；在内热式流化床干燥器内，热空气对污泥进行干燥后与污泥中蒸发出的水分、污泥中析出的微量挥发性气体一同进入喷淋塔17，未被冷凝下来的气体送入流化床燃烧反应器2中燃烧，废液则被送入污水厂进行处理；流化床燃烧反应器底部排出的灰渣进入惰性颗粒床料回收器5，分选出大块炉渣和惰性床料，惰性床料被回送到流化床燃烧反应器2中。

(5)流化床燃烧反应器2的运行温度高、烟气停留时间长(2秒以上)、反应器内扰动强烈可以完全分解在燃烧过程中生成的二恶英类物质；在流化床燃烧反应器2中加入高岭土和活性矾土等添加剂可以有效吸附从污泥热解残渣中释放出来的重金属；在流化床燃烧反应器2中加入石灰石可有效脱除硫、氯、氟等酸性气体；此外，控制燃烧温度和采用空气分级供应可减少氮氧化物生成。

(6)当进入内热式流化床干燥器的湿污泥含水率很高、热值很低时，通过向流化床燃烧反应器2添加辅助燃料，保证系统所需的热能，使系统运行稳定。

具体实例如下：

经过机械压滤脱水的湿污泥a在内热式流化床干燥器16内干燥为含水率5-10％的干污泥b，然后被送入流化床热解反应器1，在450-550℃温度条件下发生热解反应，转化为热解气和残炭，细微热解残炭随同热解气进入旋风分离器4和陶瓷过滤器6，净化后的热解气进入喷淋塔7冷凝，得到的油水混合物进入储油罐20储存，不凝结气体g经过增压风机10分为三路，一路从流化床热解反应器1底部作为流化介质加入流化床热解反应器1，一路从流化床燃烧反应器2上部稀相区加入，在炉内燃烧放热的同时，增加炉内扰动，一路通过气力输送装置把被陶瓷过滤器6收集的细微热解残炭和从热解反应器中溢流出的低温(450-550℃)溢流物料c输送到流化床燃烧反应器2，在850-900℃温度条件下高温燃烧。被旋风分离器4收集的细颗粒惰性床料和细微热解残炭经过回料器重新送回热解反应器。热解残炭和不凝结气体在流化床燃烧反应器2中燃烬的同时，将热量传递给其中的惰性固体颗粒床料，高温惰性固体颗粒床料通过高温非机械阀3进入流化床热解反应器1，提供污泥热解所需能量；从流化床燃烧反应器2排出的高温烟气1依次通过蒸汽发生器14、空气预热器15，经除尘器21除尘后经引风机22送入烟囱23排出；在空气预热器15中预热的空气q一部分从底部和稀相区送入流化床燃烧反应器中2作为流化和燃烧介质，其余进入内热式流化床干燥器16作为流化介质，空气、湿污泥蒸发出的水分以及污泥中析出的微量挥发性气体组成的气汽混合物一同进入喷淋塔17，未被冷凝下来的气体送入流化床燃烧反应器2中燃烧，废液o则被送入污水厂进行处理。在蒸汽发生器14中产生的饱和蒸汽n进入内热式流化床干燥器16中的换热管25对湿污泥进行干燥，饱和蒸汽冷凝产生的饱和水或不饱和水m返回蒸汽发生器14。流化床燃烧反应器2排出的灰渣进入惰性颗粒床料回收器5，从惰性颗粒床料回收器5中排出大块炉渣j，同时回收惰性固体颗粒床料i，回收的床料i送入到流化床燃烧反应器2中。考虑到污泥发热量和含水率的变化，在系统中设置煤加料器26，当进入污泥干燥器的湿污泥含水量很高、热值很低时，将适量的煤k送入流化床燃烧反应器2燃烧，以保证系统所需的热能，使系统运行稳定。

Claims (7)

1.一种双床交互循环式污泥热解制油方法，其特征在于该方法为：湿污泥在内热式流化床干燥器(16)干燥为含水率5-10％的干污泥，该干污泥在流化床热解反应器(1)中发生热解反应，热解产生的热解残炭和部分不凝结气体通过气力输送装置送到流化床燃烧反应器(2)中燃烧，燃烧产生的热量加热惰性床料，高温惰性床料经高温非机械阀(3)进入流化床热解反应器(1)加热污泥；经旋风分离器(4)和陶瓷过滤器(6)净化后的热解气在喷林塔(7)中冷凝，冷凝产生的油水混合物进入储油罐(20)储存，不凝结气体作为流化床热解反应器(1)的流化气、流化床燃烧反应器(2)的燃料和气力输送装置的气源；流化床燃烧反应器(2)排出的高温烟气用来加热水和空气，热空气作为内热式流化床干燥器(16)和流化床燃烧反应器(2)的流化气，饱和蒸汽通过内热式流化床干燥器的换热管加热湿污泥；设置辅助燃料加料器(13)，当进入污泥干燥器的湿污泥含水率很高、热值很低时，将适量的煤送入流化床燃烧反应器(2)燃烧，以保证系统所需的热能，使系统运行稳定。

2.根据权利要求1所述的双床交互循环式污泥热解制油方法，其特征在于流化床热解反应器(1)的热解温度为450-550℃。

3.根据权利要求1所述的双床交互循环式污泥热解制油方法，其特征在于流化床燃烧反应器(2)燃烧温度为850～900℃。

4.根据权利要求1所述的双床交互循环式污泥热解制油方法，其特征在于热解残炭和部分不凝结气体通过气力输送装置送到流化床燃烧反应器(2)中燃烧的方法为：流化床热解反应器(1)采用溢流方式自动排出多余固体颗粒物料，采用底饲回燃技术，把流化床热解反应器(1)的溢流物料和被陶瓷过滤器收集的细微残炭以不凝结气体为气源通过气力输送方式送到流化床燃烧反应器(2)，使流化床燃烧反应器(2)和流化床热解反应器(1)中的床料均处于动态平衡。

5.根据权利要求1所述的双床交互循环式污泥热解制油方法，其特征在于高温惰性床料经高温非机械阀(3)进入流化床热解反应器(1)加热污泥的方法为：从流化床燃烧反应器(2)密相区的溢流管排出的高温惰性固体颗粒床料经过高温非机械阀(3)进入流化床热解反应器(1)，通过高温非机械阀(3)控制从流化床燃烧反应器(2)进入流化床热解反应器(1)的高温惰性固体颗粒床料的流量，进而控制流化床热解反应器(1)温度。

6.根据权利要求1所述的双床交互循环式污泥热解制油方法，其特征在于进入内热式流化床干燥器(16)的热空气的温度为120℃-150℃，进入内热式污泥干燥器换热管(25)的饱和蒸汽压力为1.5-4.0Mpa。

7.根据权利要求1所述的双床交互循环式污泥热解制油方法，其特征在于热解气在喷林塔(7)中冷凝时，采用储油罐(20)内的油水混合物作为冷却介质对热解气进行直接冷凝。

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