CN101708938A - 污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，具体步骤为：第一步：将污泥或有机垃圾送进低温干化裂解炉进行裂解；所得部分炭化的物料用作土壤有机肥的原料；第二步：将第一步中裂解产生的部分炭化的物料送入中温炭化炉进行炭化，所得生物有机炭用作土壤有机肥或者土壤改良剂的原料；第三步：将部分炭化的物料、生物有机炭以及污泥、秸秆或有机垃圾的一种或两种以上的混合物送入高温热解炉进行气化；第四步：将高温裂解炉中产气后剩余的固定碳送入高温亚熔融活化装置中，通入富氧空气，随后喷入调节液储箱中的液体进行调节，然后冷却得到复合生物炭。本发明效率高、步骤简单、产品多样化。
Description
技术领域
本发明涉及一种污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，属于市政垃圾处理和资源循环利用技术领域。
背景技术
城市污水处理厂处理废水过程中产生的大量污泥，河道清理产生的河底污泥等，均含有大量的水分(80～90％)和有机物，同时还含有重金属及病原菌等；另外城市垃圾中的有机组分水分含量高(≥70％)，热值低，填埋产生大量渗滤液，焚烧消耗辅助燃料或者降低吨垃圾发电量。随着我国污水处理网络的完善，污泥的产量日益增加，成为与城市垃圾并行的最紧迫、最急需处置的城市废弃物。现有的城市污泥处理方法主要是填埋、堆肥、焚烧，虽然有少量的热解报道，但是由于缺乏有经济、有效实施意义的目标产品和优化的设备和工艺，实施例非常局限。填埋占用宝贵的土地资源；而由于污泥含水量大，焚烧前需要干化，焚烧不能带来大量的热能收益，反而投资巨大，控制二次污染的成本和代价都很大，因此污泥的低成本无害化处置技术及其系统装置非常急需。污泥的中低温裂解可以产生生物炭、油和可燃气，可燃气回收燃烧作为裂解的热源，可以减少或者避免对外部热源的消耗；同时燃烧生成的烟气可以作为热源干燥污泥中的水分，实现能源的梯级化利用，最后烟气净化后排出，焦炭得以利用，对环境无污染，整个裂解过程实现了对污泥的无害化和资源化；污泥的高温气化可以将污泥中的有机成分转化为可燃气，同时可以促进重金属的挥发，使残渣中的重金属按照处置的需要加以控制。
另一方面，中国的广大中、西北部地区土壤贫瘠沙化，类似地区全世界还有很多，如中东、中亚等地，这类地区一方面地表水蒸发量大、降雨少，有限的地下水都高度矿物化、含盐量高，而当地速生林、植树造林、植被保护改良急需大量具有蓄水、益菌、保温、缓释肥效的生物质有机炭。如果能利用人们居住环境中每日产生的市政污泥、市政垃圾作为主原料来源生产生物质有机炭时同时回收大量的中性或微酸性自由水，则不仅解决了污泥的处置问题，也为当地的土壤改良和沙漠化防治提供了最好的原料。
现有的污泥热解技术无法实现上述生产生物有机炭的功能。现有污泥热解技术可以分为以下几种类型：1)只是单一的中低温裂解，并利用干馏气的回收燃烧和烟气对湿污泥的干燥来节约辅助燃料，如申请号为200710148172.3的发明专利申请“高含水有机物的炭化处理方法及其装置”就是描述了这样一个单一温度区的污泥炭化工艺及其装置，要实现炭化产物的资源化利用只能处理某些特定的污泥；当希望保持炭化物的肥效时则因炭化温度的限制难以实现；或者是单一的高温气化，如与秸秆等生物质类似的流化床气化或者固定床气化技术，以产气为目的；2)只是针对特定的污泥，如发明专利“一种含油污泥的资源化处理方法”(200610103671.6)主要针对油污泥描述了其炭化方法；3)实施可行性要求极高或者产品加工及其复杂，如发明专利“微波辐射污泥制生物柴油的方法”(200610200510.9)利用微波辐射加热从污泥中制油、发明专利“利用剩余污泥制备氮氧化物催化剂的方法”(200610032276.3)利用化学活化剂和稀盐酸进行复杂处理后获得NOx的催化剂；4)以制备活性碳或吸附剂为目的，如申请号为200810123383.6的发明专利申请描述了一种城市污泥与农业废弃物共热解制备活性炭工艺；申请号为200610117891.4的发明专利申请描述了一种利用湿污泥制备炭化吸附剂的方法。由于污泥的含灰量高，获得高品质的活性炭或吸附剂的代价通常很高，以致于其实施无法与市场上现有的活性碳或吸附剂生产技术相竞争；5)只是单一的高温气化以产煤气为目的，如日本的Tokyo Gas Co.Ltd报道的污泥的热解气化气发电和供煤气工艺，由于燃气中含有一定量的飞灰、焦油，需要经过严格净化后才能进入燃气轮机和管道输送系统。综合分析，现有技术中缺乏实施性强、适应污泥的热值和重金属含量变化的工艺、技术和设备。
生物有机炭的市场很好，例如它可以用在城市市政绿化中，可以用于花卉、速生林的培育，在节能减排方面优于现有的焚烧和堆肥技术。特别是我国广大的西北部地区缺水、少肥、土壤盐碱化，林地和草地退化，沙漠逐渐扩大。干污泥含有近50％左右的有机物，干污泥和干化后的有机垃圾热裂解时产生气体和生物油逃逸后，留下的生物有机炭很合适生产土壤改良剂，由于炭的多孔性，可以蓄水、益菌、保温和固肥，对改善我国西部沙漠化的生态现状、盐碱土壤的改良、生态林(坡)的培育和过度放牧、贫瘠化的草地上促进草场植被的生长具有重要的意义。秸秆返田曾是广为提倡并大量实施的方法，但是在西北部需要大量农作物秸秆的地方秸秆却大量用作饲料，由此在西北部将污泥热解制成土壤改良剂实施意义更大。由于不同土壤需要的土壤改良剂成分和孔隙结构，单一的高温气化或低温裂解不能生产满足不同需求的生物有机炭；此外单一的高温气化和低温裂解也不能经济有效地同时处理不同性质和重金属含量的污泥以及有机生活垃圾。
发明内容
本发明的目的在于提供一种污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，针对不同的废物来流如污泥或有机垃圾的不同特征，生产多种类、多功能的复合生物有机炭，用于土壤改良、增肥等。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，具体步骤为：
第一步：将含水量为35-80wt％的污泥或有机垃圾送进低温干化裂解炉进行裂解得到部分炭化的生物肥料，裂解温度为150℃～450℃，时间为20min～90min；裂解产生的气体送入第一冷凝器冷凝，凝结的焦油送入调节液储箱，未凝结的气体送入多段平衡燃烧室进行燃烧或经由除臭装置送到烟囱排放；所得部分炭化的物料用作土壤有机肥的原料或进入第二步或第三步进一步处理；
第二步：将第一步中裂解产生的部分炭化的物料送入中温炭化炉进行炭化得到生物有机炭，炭化温度为400℃～650℃，时间为10min～60min；炭化产生的气体送入第二冷凝器，凝结的焦油送入调节液储箱，未凝结的气体送入多段平衡燃烧室进行燃烧；所得生物有机炭用作土壤改良剂的原料或进入第三步进一步处理；
第三步：将第一步中裂解产生的部分炭化的物料、第二步得到的生物有机炭以及含水量为10～35wt％的污泥、含水率为20％以下的秸秆或有机垃圾的一种或两种以上的混合物送入高温热解炉进行气化，气化温度为800℃～1100℃，气化时间为5min～20min，空气的供给量为理论燃烧需求量的0.15～0.55，产生的热值为7000～15000KJ/m3的可燃气送入多段平衡燃烧室进行燃烧，多段平衡燃烧室中过量空气系数为1.05～1.3，燃烧产生的烟气作为热源分别送入中温炭化炉和低温干化裂解炉，中温炭化炉排出的烟气作为热源送入低温干化裂解炉，低温干化裂解炉排出的烟气用石灰粉中和，再依次经由布袋收尘器和选择性地通过冷凝水回收装置送到烟囱排放；
第四步：将营养调节剂和酸碱调节剂加入到调节液储箱，将高温裂解炉中产气后剩余的固定碳送入高温亚熔融活化装置中，通入含氧量在30～95vol％的富氧空气，活化温度为800～1200℃，活化时间为0.5～5min，按比例(180～300)g/kg炭喷入调节液储箱中的液体，然后冷却得到复合生物炭用作土壤有机肥或者土壤改良剂的原料。
进一步地，所述具体步骤还包括：
第五步：将秸秆、风化煤、煤矸石或劣质燃料投入高温气化炉中进行气化，高温气化炉中空气的供给量为理论燃烧需要量的0.2～0.6，产生的热值为7000～15000KJ/m3的可燃气送入多段平衡燃烧室进行燃烧；气化后剩余的残炭作为土壤改良剂的原料或者作为建材原料。
进一步地，所述的污泥为城市污水污泥或河道淤泥。
所述有机垃圾为城乡生活垃圾中的有机成分或者含水率在80％以下的禽畜粪便。
所述第一步中将含水量为35-80wt％的污泥与有机垃圾混合后再送进低温干化裂解炉。
所述第二步中将第一步中裂解产生的部分炭化的物料先按重量比100％∶0％～50％∶50％与成分调节剂混合后再送入中温炭化炉。
所述的成分调节剂为含水率为20％以下的秸秆或者含水率为20％以下的禽畜粪便。
所述第一步中将所得部分炭化的物料用作土壤有机肥的原料前，先将低温干化裂解炉的物料排出端壁升温到460～600℃，物料在此温度下与壁面翻滚接触5～10min后，得到部分炭化后再排出。
所述第四步中的营养调节剂为炭化过程产生的生物油或者化肥，其在调节液储箱中的体积浓度为0.5～20％。
所述第四步中的酸碱调节剂为磷酸二氢钾、碳酸钾或者石灰，其加入量控制使营养调节溶液的pH控制在6～8。
作为本发明的特点，利用高温热解气化炉，可以直接用当地可取用的高热值废物或低价煤生产气体燃料供系统使用，同时热解产气的再循环利用也充分节约了能源，除启动外不需要额外的一次能源。作为本发明的特点，污泥或者有机垃圾按照性质的不同可以同时分别在高、中、低炭化炉中热解炭化，高温热解炉和中、低温炭化炉各段的炭化产品既可以是中间产品、也可以串联，最终在高温亚熔融活化装置中生产复合生物有机炭，将高、中、低温各段有机结合在一起。作为本发明的关键技术特征，高、中、低温各段的温控与高温产气炉的产气量是关联控制的，根据中、低温炭化炉各段的温度要求自动反馈来控制高温气化炉的燃气供应量，以物料所设定的界面来控制高温热解炉和气化炉的反应时间和速度，实施中依赖精密的自动控制维持动态平衡。作为本发明的附加特点，本系统还可以用于特殊污泥的稳定和无害化。
本发明的实际效果是，与污泥制油、气化后回收燃气或者油品的其它过程相比，能够以更为简单的工艺直接实现资源化，获得多种高附加值的产品。与单一温度段的炭化炉相比，可以更灵活地适应物流的性质变化，并保证产品的品质。
本发明与现有废物气化热解技术相比，具有以下优点：
1.利用不同温度段的热解耦合，适应不同性质的污泥或有机垃圾处理的需求，充分利用现有资源，同时获得多种功能和用途的有机复合炭产品，提高系统的效率和产品的品质；并适应不同的污泥和废弃物种类。
2.步骤简单，与污泥、垃圾气化后发电等资源化方式相比，大大减轻了对气体净化的要求，简化了气体的净化环节，节省了气体的净化费用。与污泥裂解炭化获得以油制品为目的产品的工艺相比，简化了对油的分离和精炼步骤，节省了相应的设备投资。
3.环境效果好，高低温耦合热解制取生物有机炭的所有步骤均没有对环境排放有害物质，避免了现有技术中污泥和垃圾焚烧、填埋潜在的二次污染的危险。产品是良好的有机肥或者土壤改良剂原料，可以用于市政绿化、沙漠地区生态林的养护等和退化草场的改良。
4.节省能源，中、低温热裂解所需的热量可以由高温热解气和中温裂解气的燃烧所提供，也可以由其它废弃物源热解产生的燃气提供，避免了对油和天然气等一次能源的需求；燃气在多段平衡燃烧室内燃烧后再通过阀门分别分配到各个温度段的裂解炭化炉，通过中温裂解炉后还可以再排入低温干化裂解炉，不仅进行了热能的多级利用，而且系统的控制稳定性能提高。
附图说明
图1为污泥或有机垃圾高低温耦合热解装置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明工艺和装置的实施做进一步说明。如图1所示，为污泥或有机垃圾高低温耦合热解装置示意图，低温干化裂解炉3的裂解气体出口连接第一冷凝器6，第一冷凝器6的液体出口连接调节液储箱7，气体出口连接多段平衡燃烧室11的入口或除臭装置10，除臭装置10的出口连接引风机12，最后排入烟囱14，低温干化裂解炉3的生物肥料出口连接中温炭化炉2，炭化过程所产气体出口连接第二冷凝器13，第二冷凝器13的液体出口连接调节液储箱7，气体出口连接多段平衡燃烧室11的入口；低温干化裂解炉3的物料出口、中温炭化炉2的生物有机炭出口连接高温热解炉1，高温热解炉1的可燃气出口连接多段平衡燃烧室11，多段平衡燃烧室11的烟气出口分别连接中温炭化炉2和低温干化裂解炉3，中温炭化炉2的烟气出口连接低温干化裂解炉3，低温干化裂解炉3的烟气出口设有石灰粉喷嘴并连接布袋收尘器8，布袋收尘器8选择性地连接冷凝水回收装置9，冷凝水回收装置9连接引风机12，引风机连接烟囱14；高温热解炉1下侧连通设有高温亚熔融活化装置4，高温亚熔融活化装置4连接调节液储箱7。高温气化炉5的可燃气出口连接多段平衡燃烧室11。
高温热解炉1的推荐型式为固定多级床产气炉，产气干净无需净化就可以直接送入邻接的多段平衡燃烧室燃烧11；中温炭化炉2采用带多点温度控制的炭化炉，对该炭化炉产气的经济、优化净化工艺是采用喷淋冷却冷凝，冷凝下来的液体冷却后循环返回喷淋，多余的液体量送调节液储箱。不凝性气体通过液气分离装置除去水雾，即可送入邻接的多段平衡燃烧室11的烧嘴；低温干化裂解炉3采用带多点温度监控的回转式裂解炉，所产气体的经济、优化净化工艺是采用喷淋冷却冷凝，冷凝下来的液体通过冷却后循环返回喷淋，多余的液体量送调节液储箱；不凝性气体通过除臭装置，即可送入烟囱。中、低温冷凝下来的液体包括焦油(生物油)，和从气体中冷凝下来的水份一起，用作高温亚熔融活化装置4内生物有机炭的活化剂，也可以作为土壤改良剂的粘结剂和营养调整剂，在西北部缺水地区可输入林木的滴灌系统。
本发明中，多段平衡燃烧室11通过多组安装有阀门的烟管和中温炭化炉2及低温干化裂解炉3相连，根据温度的需求调节阀门的开合程度；多段平衡燃烧室的温度在850～1150℃内可调，通过关联高温热解炉1和高温气化炉5的产气量来达到调节的目的。
离开低温干化裂解炉3的烟气温度降低到200℃～160℃，进入除尘器，低温干化裂解炉3和布袋收尘器8之间用烟道连接，烟道上设有石灰喷口。除尘器的合适的形式为袋滤式，采用PTFE覆膜滤袋，布袋收尘器8后可选择性连接冷凝水回收装置9，该装置可以采用喷淋塔形式，喷入循环水(包括从烟气中冷却下来的水)，该水分可以收集用于干旱地区的滴灌或者浇树、养花。最后烟气在喷淋塔的上部脱除水雾后由引风机12导入烟囱14。不缺水的地区，布袋收尘器8后直接连接引风机12导入烟囱14。自低温干化裂解炉3污泥和垃圾侧蒸出的气体经过冷凝后残余的不凝性气体进入除臭装置10，该除臭装置10较佳的实施方式为直流高压等离子体自由基除臭设备，也可以采用生物滤池除臭。第一冷凝器6和第二冷凝器13为多喷嘴式雾化喷淋塔，顶部设有除雾器。
实例一：
某南方城市市政污泥厂的日产量300t/d，干基热值为18200KJ/kg，初始含水量80％，干基含灰量45％，干基含碳量36％，其有害物和重金属含量符合城镇污水处理厂污泥处置-农用泥质(CJ/T309-2009)的要求，矿物油和苯并(α)芘未检测到。当地有丰富的秸秆等待处理，当地最常用的肥料为钾肥和氮肥。
第一步，先将含水率为80％的湿污泥送进低温干化裂解炉3进行裂解得到部分炭化的生物肥料，干化裂解开始的温度为150℃，时间为20min，随后在460℃下停留6min；裂解产生的气体送入第一冷凝器6冷凝，凝结的焦油送入调节液储箱7，未凝结的气体送入多段平衡燃烧室11进行燃烧或经由除臭装置10通过引风机12送到烟囱14排放；所得部分炭化的物料用作土壤有机肥的原料或进入第二步或第三步进一步处理；第二步：将第一步中裂解产生的、已经成为颗粒状的部分炭化的物料先按重量比50％∶50％与成分调节剂-事先粉碎好、水分在20％以下的秸秆混合，送入中温炭化炉2进行炭化得到生物有机炭，炭化温度为400℃，时间为50～60min，并在排出前在炉子的端部将温度升高至800℃，使生物有机炭在800℃下停留1min；炭化产生的气体送入第二冷凝器13，凝结的焦油送入调节液储箱7，未凝结的气体送入多段平衡燃烧室11进行燃烧；所得生物有机炭用作土壤改良剂的原料；第三步：将第一步中裂解产生的部分炭化的物料、当地丰富的且含水量为20wt％以下的秸秆按质量比50％∶50％混合送入高温热解炉1进行气化，气化温度为800～850℃，气化时间为10～15min，空气的供给量为理论燃烧需求量的0.4，产生的热值为11000～12000KJ/m3的可燃气送入多段平衡燃烧室11进行燃烧，多段平衡燃烧室11中过量空气系数为1.2，燃烧产生的烟气作为热源分别送入中温炭化炉2和低温干化裂解炉3，中温炭化炉2排出的烟气作为热源送入低温干化裂解炉3，低温干化裂解炉3排出的烟气用石灰粉中和，再依次经由布袋收尘器8和引风机12送到烟囱14排放(冷凝水回收装置9不设置或旁通)；第四步：将营养调节剂化肥，如碳酸氢铵、尿素、硝铵、硫酸铵等氮肥，普通过磷酸钙、钙镁磷肥等磷肥，硫酸钾、硝酸钾、氯化钾等钾肥，磷酸氢二铵、磷酸二氢钾等复合肥，硼砂、硫酸锌、硫酸锰、钼酸铵、硫酸铜、硫酸亚铁及三硝酸六尿素合铁等微量元素肥，加入到调节液储箱7，其浓度为2vol％，并加入酸碱调节剂石灰使pH值为6～8，将高温热解炉1中产气后剩余的炭送入高温亚熔融活化装置4中，通入含氧量在50vol％的富氧空气，活化温度为1200℃～800℃，活化时间为0.5min，按260g液体/kg生物炭的比例喷入调节液储箱7中的液体，然后冷却，如图1所示，冷却喷雾水仍来自调节液储箱7，得到复合生物炭用作土壤改良剂的原料，该复合生物炭还可以为化肥的载体。
本系统中有二种产品：1)从亚熔融炉排出的复合生物炭，湿重产量为117公斤/吨污泥；2)从中温裂解炉排出的生物有机炭的产量为115公斤/吨污泥，其中碳元素的含量为17％。每处置吨污泥的同时，消耗255kg自然含水率在16％左右的秸秆。上述两种产品在使用中可以按需要进一步加工，它们作为化肥的载体时比直接施肥效果更好。
如果有实际需求的话，从低温干化裂解炉排出的部分碳化的物料全部可以作为有机肥销售，并且按使用需求还可以加入其它营养成分如碳酸氢铵，过磷酸钙，硫酸钾等化肥。
本系统除启动外不消耗外部热源。
实例二：
某西北城市市政污泥的日产量250t/d，分析数据如下表：
上表数据显示重金属Cu的含量不符合城镇污水处理厂污泥处置-农用泥质(CJ/T309-2009)A级污泥的要求，但是符合B级污泥的要求，此外矿物油和苯并(α)芘未检测到。
第一步，将含水率79％的污泥送进低温干化裂解炉3进行干化裂解得到部分炭化的生物肥料，干化裂解温度为150℃，时间约为90min；裂解产生的气体送入第一冷凝器6冷凝，凝结的焦油送入调节液储箱7，未凝结的气体送入除臭装置10通过引风机12送到烟囱14排放；所得部分炭化的物料用作符合标准CJ/T309-2009规定场合的土壤有机肥的原料或进入第二步或第三步进一步处理，将所得部分炭化的物料用作土壤有机肥的原料前，先将低温干化裂解炉的物料排出端壁升温到600℃，物料在此温度下与壁面翻滚接触10min后，得到部分炭化后再排出；第二步：将第一步中干化裂解产生的部分炭化的物料送入中温炭化炉2进行炭化得到生物有机炭，此时不需要加成分调节剂秸秆，炭化温度为650℃，时间为10min，并在850℃下停留2min；炭化产生的气体送入第二冷凝器13，凝结的焦油送入调节液储箱7，未凝结的气体送入多段平衡燃烧室11进行燃烧；所得生物有机炭用作土壤改良剂的原料或进入第三步进一步处理；第三步：将第一步中裂解产生的部分炭化的物料、第二步得到的生物有机炭的混合物送入高温裂解炉1进行气化，气化温度为1100℃，气化时间为5min，空气的供给量为理论燃烧需求量的0.55，产生的热值为7000～8000KJ/m3的可燃气送入多段平衡燃烧室11进行燃烧，多段平衡燃烧室11中的过量空气系数为1.05，燃烧产生的烟气作为热源分别送入中温炭化炉2和低温干化裂解炉3，中温炭化炉2排出的烟气作为热源送入低温干化裂解炉3，低温干化裂解炉3排出的烟气用石灰粉中和，再依次经由布袋收尘器8和冷凝水回收装置9通过引风机12送到烟囱14排放；第四步：将营养调节剂和酸碱调节剂加入到调节液储箱7，营养调节剂为化肥，其浓度为0.5vol％，磷酸二氢钾为酸碱调节剂，最后pH值为7～8％，将高温热解炉1中产气后剩余的炭送入高温亚熔融活化装置4中，通入含氧量在95vol％的富氧空气，活化温度为800℃～1200℃，活化时间为5min，再按比例300g/kg碳喷入调节液储箱7中的液体，然后冷却，冷却喷雾水仍来自调节液储箱7，得到复合生物炭用作土壤改良剂的原料或者有机肥的载体。
本系统的推荐产品是自高温亚熔融活化装置4中排出的复合生物炭，其湿重产量为85公斤/吨污泥；还可以得到自中温裂解炉排出的生物有机炭产品，产量约为50公斤/吨污泥，其中碳元素的含量为12％。在实际使用中这两种产品均可按使用需求加入其它营养成分如碳酸氢铵，尿素、重过磷酸钙，硝酸钾等化肥，使用这种生物有机炭做土壤改良剂时效果比直接施用化肥更好。本系统除启动外不消耗外部热源。
实例三：
某西北城市市政污泥的日产量200t/d，污泥性质同实施例2.同时当地居民收集牛羊马粪随意堆积，干燥后施肥或者当作燃料。
利用本发明方法处理时，第一步，将含水率79％的污泥和新收集的含水率在80％以下的牛羊马粪送进低温干化裂解炉3进行干化裂解得到部分炭化的生物肥料，干化裂解温度为150℃，时间约为90min；裂解产生的气体送入第一冷凝器6冷凝，凝结的焦油送入调节液储箱7，未凝结的气体送入除臭装置10通过引风机12送到烟囱14排放；所得部分炭化的物料用作符合标准CJ/T309-2009规定场合的土壤有机肥的原料或进入第二步或第三步进一步处理，将所得部分炭化的物料用作土壤有机肥的原料前，先将低温干化裂解炉的物料排出端壁升温到600℃，物料在此温度下与壁面翻滚接触10min后，得到部分炭化后再排出；第二步：将第一步中干化裂解产生的部分炭化的物料送入中温炭化炉2进行炭化得到生物有机炭，此时加入含水率为20％以下的成分调节剂-晾干的牛马粪，炭化的物料与牛马粪的质量比为80％∶20％；炭化温度为450℃，时间为45min，并在850℃下停留2min；炭化产生的气体送入第二冷凝器13，凝结的焦油送入调节液储箱7，未凝结的气体送入多段平衡燃烧室11进行燃烧；所得生物有机炭用作土壤改良剂的原料；第三步：将第一步中裂解产生的部分炭化的物料、当地可得到的含水率20％以下的秸秆混合送入高温裂解炉1进行气化，气化温度为1100℃，气化时间为5min，空气的供给量为理论燃烧需求量的0.45，产生的热值为9000～10000KJ/m3的可燃气送入多段平衡燃烧室11进行燃烧，多段平衡燃烧室11中的过量空气系数为1.15，燃烧产生的烟气作为热源分别送入中温炭化炉2和低温干化裂解炉3，中温炭化炉2排出的烟气作为热源送入低温干化裂解炉3，低温干化裂解炉3排出的烟气用石灰粉中和，再依次经由布袋收尘器8和冷凝水回收装置9通过引风机12送到烟囱14排放；第四步：将营养调节剂和酸碱调节剂加入到调节液储箱7，营养调节剂为化肥，其浓度为1.5vol％，磷酸二氢钾为酸碱调节剂，最后pH值为7～8％，将高温热解炉1中产气后剩余的炭送入高温亚熔融活化装置4中，通入含氧量在95vol％的富氧空气，活化温度为800℃～1200℃，活化时间为5min，再按比例300g/kg碳喷入调节液储箱7中的液体，然后冷却，冷却喷雾水仍来自调节液储箱7，得到复合生物炭用作土壤改良剂的原料或者有机肥的载体。
本系统的产品有自中温裂解炉排出的生物有机炭产品，产量约为75公斤/吨污泥，其中碳元素的含量为12.5％。还可以得到自高温亚熔融活化装置4中排出的复合生物炭和自低温干化裂解炉排出的生物有机肥，产量分别为79公斤/吨污泥和85公斤/吨污泥。在实际使用中这三种产品均可按使用需求加入其它营养成分如碳酸氢铵，尿素、重过磷酸钙，硝酸钾等化肥，使用这种生物有机炭做土壤改良剂时效果比直接施用化肥更好。本系统除启动外不消耗外部热源。
实施例四：
某市政污水污泥的污染物含量同实施例1，产量仍为300天/d，完全符合城镇污水处理厂污泥处置-农用泥质(CJ/T309-2009)A级污泥的要求。另有有机生活垃圾40吨/日，含水69.7％，尚未有妥善处理途径。
第一步，将湿的市政污泥与有机生活垃圾混合，分2条线送进低温干化裂解炉3进行干化裂解得到部分炭化的生物肥料，干化裂解温度为300℃，时间为45min；裂解产生的气体送入第一冷凝器6冷凝，凝结的焦油送入调节液储箱7，未凝结的气体送入多段平衡燃烧室11进行燃烧；所得部分炭化的物料用作土壤有机肥的原料或进入第二步或第三步进一步处理，将所得部分炭化的物料用作土壤有机肥的原料前，先将低温干化裂解炉的物料排出端壁升温到460℃，物料在此温度下与壁面翻滚接触10min后，得到部分炭化后再排出；第二步：将第一步中裂解产生的部分炭化的生物肥料按90％∶10％的质量比与当地能收集到的干牛马粪(含水率低于20wt％)混合送入中温炭化炉2进行炭化得到生物有机炭，炭化温度为500℃，时间为35min；炭化过程产生的气体送入第二冷凝器13，凝结的焦油送入调节液储箱7，未凝结的气体送入多段平衡燃烧室11进行燃烧；所得生物有机炭用作土壤有机肥的原料或进入第三步进一步处理；第三步：将第一步裂解产生的部分炭化的物料、第二步得到的生物有机炭的一种或两种以上的混合物送入高温热解炉1进行气化，气化温度为800℃，气化时间为20min，空气的供给量为理论燃烧需求量的0.15，产生的热值为13000～14800KJ/m3的可燃气送入多段平衡燃烧室11进行燃烧，多段平衡燃烧室11中过量空气系数为1.3，燃烧产生的烟气作为热源分别送入中温炭化炉2和低温干化裂解炉3，中温炭化炉2排出的烟气作为热源送入低温干化裂解炉3，低温干化裂解炉3排出的烟气用石灰粉中和，再依次经由布袋收尘器8和冷凝水回收装置9通过引风机12送到烟囱14排放；第四步：将营养调节剂和酸碱调节剂加入到调节液储箱7，营养调节剂为化肥，K2CO3作酸碱调节剂，使pH为7～8，将高温热解炉1中产气后剩余的固定碳送入高温亚熔融活化装置4中，通入含氧量在50vol％的富氧空气，活化温度为1150℃～800℃，活化时间为3min，按比例220g/kg炭，加入调节液储箱7中的液体，冷却喷雾水仍来自调节液储箱7，然后冷却得到复合生物炭用作土壤改良剂的原料。第五步：将秸秆、风化煤、煤矸石或劣质燃料投入高温气化炉5中进行气化，高温气化炉5中空气的供给量为燃烧时理论需要量的0.6，产生的热值为8500～15000KJ/m3的可燃气送入多段平衡燃烧室11进行燃烧；气化后剩余的残炭可以与中温炭化炉2产出的生物有机炭混合用做土壤改良剂或建材原料。
本实施例的产物是产量为111kg/吨污泥的生物炭土壤改良剂，有机垃圾得以无害化处理的同时最后获得复合生物炭的产量为114kg/吨污泥。
实例五：
某中型城市的两处市政污水处理厂污泥产量分别为150t/d(1号)和200t/d(2号)，分析数据如下：其中2号厂还设有一片太阳能干燥房，可以将部分污泥干燥到含水率35％左右。
上表数据显示1号厂污泥重金属含量不符合城镇污水处理厂污泥处置-农用泥质(CJ/T309-2009)中A级污泥的要求。但是2号厂污泥重金属含量符合城镇污水处理厂污泥处置-农用泥质(CJ/T309-2009)的要求。两处污泥其它污染物均不超标。
第一步，将1号厂污泥送进低温干化裂解炉3进行干化裂解，干化温度为150℃，时间为90min；同时将2号厂污泥送进另一低温干化裂解炉3进行裂解得到部分炭化的生物肥料，裂解温度为300℃，时间为50min；两个干化裂解炉产生的气体送入第一冷凝器6冷凝，凝结的焦油送入调节液储箱7，未凝结的气体送入多段平衡燃烧室11进行燃烧；所得部分炭化的物料用作土壤有机肥的原料或进入第二步或第三步进一步处理；第二步：将由2号厂污泥在第一步中裂解产生的颗粒状的部分炭化的物料送入中温炭化炉进行炭化得到生物有机炭，此时也可以加入2号厂利用太阳能干燥过的、含水率在35％的污泥，炭化温度为500℃，时间为45min；炭化产生的气体送入第二冷凝器13，凝结的焦油送入调节液储箱7，未凝结的气体送入多段平衡燃烧室11进行燃烧；所得生物有机炭用作土壤改良剂的原料或进入第三步进一步处理；第三步：将由1号厂污泥在第一步中裂解产生的部分炭化的物料送入高温热解炉1进行气化，气化温度为1050℃，气化时间为10min，空气的供给量为理论燃烧需求量的0.50，产生的热值为8000～9000KJ/m3的可燃气送入多段平衡燃烧室11进行燃烧，多段平衡燃烧室11中空气的过量系数为1.2，燃烧产生的烟气作为热源分别送入中温炭化炉2和低温干化裂解炉3，中温炭化炉2排出的烟气作为热源送入低温干化裂解炉3，低温干化裂解炉3排出的烟气用石灰粉中和，再依次经由布袋收尘器8和冷凝水回收装置9通过引风机12送到烟囱14排放；第四步：将营养调节剂和酸碱调节剂加入到调节液储箱7，营养调节剂为化肥，浓度为20vol％，磷酸二氢钾作酸碱调节剂，pH为6-8，将高温裂解炉1中产气后剩余的炭送入高温亚熔融活化装置4中，通入含氧量在50vol％的富氧空气，活化温度为800℃～1150℃，活化时间为2min，按比例180g/kg生物炭喷入调节液储箱7中的液体，然后冷却，冷却喷雾水仍来自调节液储箱7，得到复合生物炭用作土壤肥的载体原料。第五步：将秸秆、风化煤、煤矸石或劣质燃料投入高温气化炉5中进行气化，高温气化炉5中空气的供给量为燃烧时理论需要量的0.2，产生的热值为7000～10500KJ/m3的可燃气送入多段平衡燃烧室11进行燃烧；气化后剩余的残炭可以与中温炭化炉2产出的生物有机炭混合用做土壤改良剂或建材原料。
最终本实施例按需要可以获得如下产品：1)自低温干化裂解炉排出的部分炭化的有机肥原料176kg/吨湿泥(按2号厂泥计)；2)需要土壤改良剂时获得自中温裂解炉排出的生物有机碳90kg/吨湿泥(按2号厂泥计)；3)需要复合生物炭时获得产品107kg/吨湿泥(按1号厂泥计)，其中重金属均已经稳定，三种产品可以按需要选择性生产。不安全的1号污泥全部被有效利用，整个过程除启动外不需要外部供热。
本发明实施的好处是：
基于热解技术的高中低温耦合，可适应不同性质的污泥或有机垃圾处理要求，按需获得灵活多样的产品，尤其是对重金属含量低的污泥处理获得多种品质和功能的复合生物有机炭具有以下效果：1)保水，由于炭的孔隙对水的吸附，减少蒸发，降低了灌溉水的用量；2)益菌、保暖，由于炭的孔隙具有保温效果，利于有机物的降解、肥效的形成；3)使肥效缓释，由于炭的孔隙对肥料成分的吸附，控制肥料的有效性和长效性，降低施肥频率；这些复合生物有机炭产品作为土壤改良剂和有机肥原料，可以用于生态林(坡)的培育、改善我国西部沙漠化的生态现状；还可以用于盐碱土壤的改良，市政的美化工程、培育花卉和用于过度放牧、贫瘠化的草植被上，促进草植被的生长等。是一种灵活、多重环境效益的污泥资源化处置技术。
Claims (10)
1.一种污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，具体步骤为：
第一步：将含水量为35-80wt％的污泥或有机垃圾送进低温干化裂解炉(3)进行裂解得到部分炭化的生物肥料，裂解温度为150℃～450℃，时间为20min～90min；裂解产生的气体送入第一冷凝器(6)冷凝，凝结的焦油送入调节液储箱(7)，未凝结的气体送入多段平衡燃烧室进行燃烧或经由除臭装置(10)通过引风机(12)送到烟囱(14)排放；所得部分炭化的物料用作土壤有机肥的原料或进入第二步或第三步进一步处理；
第二步：将第一步中裂解产生的部分炭化的物料送入中温炭化炉(2)进行炭化得到生物有机炭，炭化温度为400～650℃，时间为10min～60min；炭化产生的气体送入第二冷凝器(13)，凝结的焦油送入调节液储箱(7)，未凝结的气体送入多段平衡燃烧室进行燃烧；所得生物有机炭用作土壤改良剂的原料或进入第三步进一步处理；
第三步：将第一步中裂解产生的部分炭化的物料、第二步得到的生物有机炭以及含水量为10～35wt％的污泥、含水率为20％以下的秸秆或有机垃圾的一种或两种以上的混合物送入高温热解炉(1)进行气化，气化温度为800℃～1100℃，气化时间为5min～20min，空气的供给量为理论燃烧需求量的0.15～0.55，产生的热值为7000～15000KJ/m3的可燃气送入多段平衡燃烧室(11)进行燃烧，多段平衡燃烧室(11)中过量空气系数为1.05～1.3，燃烧产生的烟气作为热源分别送入中温炭化炉(2)和低温干化裂解炉(3)，中温炭化炉(2)排出的烟气作为热源送入低温干化裂解炉(3)，低温干化裂解炉(3)排出的烟气用石灰粉中和，再依次经由布袋收尘器(8)和选择性地通过冷凝水回收装置(9)送到烟囱(14)排放；
第四步：将营养调节剂和酸碱调节剂加入到调节液储箱(7)，将高温热解炉(1)中产气后剩余的固定碳送入高温亚熔融活化装置(4)中，通入含氧量在30～95vol％的富氧空气，活化温度为800～1200℃，活化时间为0.5～5min，按比例(180～300)g/kg炭喷入调节液储箱(7)中的液体，然后冷却得到复合生物炭用作土壤有机肥或者土壤改良剂的原料。
2.如权利要求1所述的污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，所述具体步骤还包括：
第五步：将秸秆、风化煤、煤矸石或劣质燃料投入高温气化炉(5)中进行气化，高温气化炉(5)中空气的供给量为理论燃烧需要量的0.2～0.6，产生的热值为7000～15000KJ/m3的可燃气送入多段平衡燃烧室进行燃烧；气化后剩余的残炭作为土壤改良剂的原料或者作为建材原料。
3.如权利要求1所述的污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，所述的污泥为城市污水污泥或河道淤泥。
4.如权利要求1所述的污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，所述有机垃圾为城乡生活垃圾中的有机成分或者含水率在80％以下的禽畜粪便。
5.如权利要求1所述的污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，所述第一步中将含水量为35-80wt％的污泥与有机垃圾混合后再送进低温干化裂解炉(3)。
6.如权利要求1所述的污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，所述第二步中将第一步中裂解产生的部分炭化的物料先按重量比100％∶0％～50％∶50％与成分调节剂混合后再送入中温炭化炉(2)。
7.如权利要求1所述的污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，所述的成分调节剂为秸秆或者含水率为20％以下的禽畜粪便。
8.如权利要求1所述的污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，所述第一步中将所得部分炭化的物料用作土壤有机肥的原料前，先将低温干化裂解炉(3)的物料排出端壁升温到460～600℃，物料在此温度下与壁面翻滚接触5～10min后，得到部分炭化后再排出。
9.如权利要求1所述的污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，所述第四步中的营养调节剂为炭化过程产生的生物油或者化肥，其在调节液储箱(7)中的体积浓度为0.5～20％。
10.所述第四步中的酸碱调节剂为磷酸二氢钾、碳酸钾或者石灰，其加入量控制使营养调节溶液的pH控制在6～8。
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