CN101955778B - 污泥制炭设备及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种污泥制炭设备，由通过可燃气管道连接的炉体和可燃气处理部分组成，前者包括上层裂解室、中层半裂解半煅烧室、下层煅烧室及底层燃烧器等部件，后者则包括生物质气化炉、烟尘处理器、可燃气净化器、可燃气冷凝器及引风机等部件。本发明还涉及一种应用上述污泥制炭设备进行制炭的方法。本发明技术方案提供的污泥制炭设备及其应用方法针对污泥的处理彻底且速度快；制炭效果好，能量回收率高，经济性优于焚烧处理；在整个污泥处理过程中污泥处于密闭状态处理，不与外界接触，工作场所清洁卫生。

Description

污泥制炭设备及其应用方法

技术领域

本发明涉及污泥处理技术，尤其涉及一种高效、环保的污泥制炭设备及其应用方法。

背景技术

随着污水治理技术的飞速发展，曾经困扰经济发展水环境污染问题已得到改善，但在污水处理过程中所产生的污泥，如不经处置直接排放，会对环境产生严重的污染。目前污泥处理方法的种类繁多，但大都存在一些弊端，如处理不彻底、易产生新的二次污染等。据国家环保部门统计，到2015年，我国城镇污水处理率将达到60％，届时每年全国污泥产生量将达到3560万吨，污水处理厂将达到1800座。国内目前污泥处理的现状是83％以上弃置、10％焚烧、6％填埋，不到1％的污泥是通过堆肥等技术处理后回用于土地，污泥二次污染已经成为亟待解决的环境问题。纵观国内40年来污泥干化技术的发展历程，可以看出污泥干化采用的仍是几十年前的传统干燥技术，只不过经过一定的改造，以使之更适应污泥这种物料而已，技术壁垒并不高。另一方面，发达国家干化焚烧技术已经相当成熟，但是其设备复杂、造价高昂、运行费用较高、操作也比较困难，在国内一般的企业和城市难以大规模推广。因此，开发一种高效、环保并能够特别适应于中国国情的污泥处理工艺和设备迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是提供一种污泥制炭设备及其应用方法，以解决现有技术中污泥处理工艺存在的上述问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案提出一种污泥制炭设备，包括通过可燃气管道连接的炉体和可燃气处理部分；

所述炉体内由上到下依次设有上层裂解室、中层半裂解半煅烧室、下层煅烧室及底层燃烧器，且所述三室中相邻的两室之间相互连通，所述上层裂解室设有进料口，所述下层煅烧室设有出料口，所述中层半裂解半煅烧室与所述下层煅烧室之间设有可燃气出口，所述底层燃烧器设有可燃气入口；

所述可燃气处理部分包括依次连接的生物质气化炉、烟尘处理器、可燃气净化器及可燃气冷凝器，且所述烟尘处理器、可燃气净化器与可燃气冷凝器中相邻的两者之间通过可燃气管道连接，所述中层半裂解半煅烧室与所述下层煅烧室之间的可燃气出口通过可燃气管道连接至所述烟尘处理器的出口与所述可燃气净化器的入口之间的可燃气管道上，所述可燃气冷凝器的出口通过设有引风机的可燃气管道连接至所述底层燃烧器的可燃气入口；

所述下层煅烧室的出料口后依次连接有炭粉水淋冷却装置、炭粉无筛粉碎机及炭粉成形制棒机。

上述的污泥制炭设备中，所述上层裂解室还设有与用于烟气冷却回收的负压装置连接的负压连接口。

上述的污泥制炭设备中，所述上层裂解室还设有用于借助负压将炉体内的余热吸收进所述上层裂解室的余热进口。

上述的污泥制炭设备中，还包括进料部分，由上料斗与分料器组成，所述上料斗与分料器之间还设有与减速电机连接的上料绞笼，所述分料器中还设有用于旋转分料的分料叶片。

上述的污泥制炭设备中，所述可燃气出口连接至所述烟尘处理器的出口与所述可燃气净化器的入口之间的连接点与所述可燃气出口之间的可燃气管道上、所述烟尘处理器的出口与所述连接点之间的可燃气管道上以及所述可燃气冷凝器的出口与所述引风机之间的可燃气管道上均设有可燃气控制阀。

上述的污泥制炭设备中，所述连接点与所述可燃气出口之间的可燃气管道上、以及所述可燃气净化器的出口与所述可燃气冷凝器的入口之间的可燃气管道上均设有用于泄压的安全片。

上述的污泥制炭设备中，所述连接点与所述可燃气出口之间的可燃气管道上还设有可燃气监视口。

上述的污泥制炭设备中，所述可燃气冷凝器上设有冷凝进水口及冷凝出水口，所述可燃气冷凝器的底部还设有焦油排出口。

上述的污泥制炭设备中，所述生物质气化炉的出口直接连接至所述烟尘处理器；所述烟尘处理器的顶部设有喷淋进水口，底部设有除尘喷水口；所述生物质气化炉侧面设有操作平台，下方设有密封水池，所述密封水池侧面设有出水口。

本发明的技术方案还提供一种应用上述污泥制炭设备进行污泥制炭的方法，包括以下步骤：

将污泥均匀地送到所述炉体内部的所述上层裂解室，对所述污泥进行裂解处理；再将污泥送入所述中层半裂解半煅烧室，使污泥半裂解半煅烧反应；反应后的污泥再输送到所述下层煅烧室进行煅烧；再经过所述炭粉水淋冷却装置进行喷淋冷却；之后再由所述炭粉无筛粉碎机进行无筛粉碎；粉碎后再送入所述炭粉成形制棒机制棒，从而得到成品炭粉和炭棒；

其中，所述中层半裂解半煅烧室和所述下层煅烧室在制棒过程中产生的可燃气经过所述可燃气净化器、所述可燃气冷凝器分别进行净化、冷凝处理后，再经过所述可燃气管道和所述引风机送到所述底层燃烧器，给所述下层煅烧室加热；

其中，在制棒过程的初始阶段以及在所述中层半裂解半煅烧室和下层煅烧室产生的可燃气不足时，通过所述生物质气化炉产生可燃气，也经过所述引风机输送到所述底层燃烧器，给所述下层煅烧室加热。

本发明技术方案提供的污泥制炭设备及其应用方法针对污泥的处理彻底且速度快；制炭效果好，能量回收率高，经济性优于焚烧处理；在整个污泥处理过程中污泥处于密闭状态处理，不与外界接触，工作场所清洁卫生。

附图说明

图1为本发明污泥制炭设备实施例的炉体部分外观主视图；

图2A～2B分别为图1所示实施例炉体部分的内部结构示意图及外部结构右视图；

图3为本发明污泥制炭设备实施例的可燃气处理部分的结构示意图。

图中附图标记如下所示：

101 炉体                      102 上层裂解室

103 中层半裂解半煅烧室        104 下层煅烧室

105 底层燃烧器                106 进料口

107 出料口                    108 可燃气出口

109 可燃气入口                110 生物质气化炉

111 烟尘处理器                112 可燃气净化器

113 可燃气冷凝器              114 可燃气管道

115 引风机                    116 负压连接口

117 电磁式调速电机            118 减速器

119 连接点                    120 可燃气控制阀

121 安全片                    122 可燃气监视口

123 冷凝进水口                124 冷凝出水口

125 焦油排放口                126 喷淋进水口

127 除尘喷水口                128 操作平台

129 密封水池                  130 出水口

131 室间连接处                132 余热入口

133 炉体保温层                134 物料行走装置

135 传动连接装置

具体实施方式

在说明本发明的实施例之前，以下先对提出本发明所基于的实验及其原理进行简单介绍。

通过实验，本发明提出了污泥制炭设备及其应用方法来处理污泥，此工艺(污泥受热发生化学反应使之稳定、减容)具有灭菌效果好、处理迅速、占地相对较少、处置后污泥稳定并可利用其所含有机物实施能源回收等优点，可达到使污泥处置减量化、无害化、资源化的目的。

表1污泥制炭处理数据表

从以上实验表1可看出，相同条件下，不同性质污泥制炭处理后，产物率是不相同的。从所进行的污泥制炭处理实验看，一般污泥加热到200℃以上就开始明显分解，释放出相当数量的强烈臭气，其中含有甲烷、一氧化碳、氢气等；这类气体属可燃性气体，可通过热交换器交换，变成热能作为补充能源用，但要增加相关设备；产气热值高，收集起来后作为能源贮存。温度上升至250～450℃时产气量达到最高值；此时产的炭为具有稳定性好和一定热值的燃料；炭能量约占污泥原能量30％～45％，可作为中质煤替代品；气可回收能量为原污泥能量的35％～50％；气和炭均可用作锅炉燃料。如温度在1000℃左右，可使各类废气分解，不形成二次污染；但气和水分离效果不很理想，反应水含杂质较多，如焦油、灰等。

从实验看，气在污泥制炭处理过程中以蒸气相出现，经气水冷凝分离冷却后，可被明火点燃，性质稳定。从表1资料看，污泥在250℃时，温度上升，产气率上升。而且经微生物处理程度越浅的污泥，有机物含量越高，其产气率也越高。产物热值与反应温度基本呈反比。污泥制炭处理制成的炭为黑色炭粉。炭体积约为原有污泥体积1/3。污泥炭产率随温度上升而下降。为取得较高产炭率，将污泥制炭温度控制在450℃以下，可得到燃烧性能较好的污泥炭粉。污泥炭性质稳定，可代煤或直接作为污泥制炭补充能源。

在实验时，污泥制炭会产生水、不凝性气体、油和炭，其组成及分布主要由污泥性质决定，但也与污泥制炭工艺有关。由于现今进行的污泥制炭处理试验多限于试验室规模，因此提出了不同的作用机理。试验结果为：在300℃以下发生的热化学转化反应，主要是污泥中脂肪族化合物的转化，此类化合物沸点较低，其转化形式主要为蒸汽；300℃以上蛋白质转化与390℃以上开始的糖类化合物转化，主要转化反应是肽键的断裂，基因转移变性及支链断裂等；含炭物质在200～450℃发生转化，至450℃基本完毕。

由上述实验可知，污泥制炭处理是一种新兴的污泥热处理工艺。污泥中有大量的病原菌、寄生虫卵、生物纤维腐烂发臭危害环境的物质。经污泥制炭设备转化为高热值炭，提高污泥的经济价值，炭燃烧时会产生高温可将炭中的重金属离子还原成低价态或金属原子态，固定在灰中(此灰是电镀厂的污泥生产炭，产生的灰)，除此之外其它炭产生的灰可以用于制砖、建材中和农田松土中。将污泥在无氧或低于理论氧气量的条件下，加热到一定温度(高温：500～1000℃，低温：小于450℃，使固体物质分解为油、不凝性气体和炭三种可燃物。部分产物作为污泥制炭的能源，其余能源回收销售。

鉴于以上实验及其原理的阐述，本发明提出一种污泥制炭设备及其应用方法，其实施例将详述如下。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明污泥制炭设备实施例的炉体部分外观主视图；图2A～2B分别为图1所示实施例炉体部分的内部结构示意图及外部结构右视图；图3为本发明污泥制炭设备实施例的可燃气处理部分的结构示意图。参照以上三图所示，本实施例的污泥制炭设备包括通过可燃气管道连接的炉体和可燃气处理部分。

如图1及图2A～2B所示，炉体(优选为保温炉体，如图2B的保温层133所示)101内由上到下依次设有四根加热管道及底层燃烧器105，其中最上面两根加热管道为上层裂解室102，中间一根加热管道为中层半裂解半煅烧室103，最下面一根加热管道为下层煅烧室104；并且，上层裂解室102、中层半裂解半煅烧室103与下层煅烧室104三室中相邻的两室之间相互连通，如图2A中各室间连接处131所示。进一步，上层裂解室102设有进料口106，下层煅烧室104设有出料口107，中层半裂解半煅烧室103与下层煅烧室104之间设有可燃气出口108，底层燃烧器105设有可燃气入口109。下层煅烧室104的出料口107后依次连接有用于制备碳棒成品的炭粉水淋冷却装置、炭粉无筛粉碎机及炭粉成形制棒机(图中均未显示)。

如图3所示，可燃气处理部分包括依次连接的生物质气化炉110、烟尘处理器111、可燃气净化器112及可燃气冷凝器113，且烟尘处理器111、可燃气净化器112与可燃气冷凝器113中相邻的两者之间通过可燃气管道114连接，中层半裂解半煅烧室103与下层煅烧室104之间的可燃气出口108通过可燃气管道114连接至烟尘处理器111的出口与可燃气净化器112的入口之间的可燃气管道114上，可燃气冷凝器113的出口通过设有引风机115的可燃气管道114连接至底层燃烧器105的可燃气入口109。

进一步如图1、图2A～2B的上方所示，本实施例的污泥制炭设备在上层裂解室102还设有与用于烟气冷却回收的负压装置(图中未显示)连接的负压连接口116。再如图2A所示，上面第二根加热管道对应的上层裂解室102还设有余热进口132，其利用负压连接口116借助外接的负压将炉体内的余热吸入上层裂解室102中，从而使上层裂解室102快速达到裂解效果。

另外，本实施例的污泥制炭设备还应包括进料部分，其由上料斗与分料器组成，上料斗与分料器之间还设有与减速电机连接的上料绞笼，分料器中还设有用于旋转分料的分料叶片。具体在本实施例中，物料传动部分包括图1中所示的电磁式调速电机117、减速器118、传动连接装置(例如带轮)135以及图2B中所示的物料行走装置134。

如图3所示，可燃气出口108连接至烟尘处理器111的出口与可燃气净化器112的入口之间的连接点119与可燃气出口108之间的可燃气管道114上、烟尘处理器111的出口与连接点119之间的可燃气管道114上以及可燃气冷凝器113的出口与引风机115之间的可燃气管道114上均设有可燃气控制阀120。另外，连接点119与可燃气出口108之间的可燃气管道114上、以及可燃气净化器112的出口与可燃气冷凝器113的入口之间的可燃气管道114上均设有用于泄压的安全片121。连接点110与可燃气出口108之间的可燃气管道114上还设有可燃气监视口122。并且，可燃气冷凝器113上设有冷凝进水口123及冷凝出水口124，可燃气冷凝器113的底部还设有焦油排出口125。

继续如图3所示，生物质气化炉110的出口直接连接至烟尘处理器111；烟尘处理器111的顶部设有喷淋进水口126，底部设有除尘喷水口127；生物质气化炉110侧面设有操作平台128，下方设有密封水池129，密封水池129侧面设有出水口130。另外，为了安全起见，本实施例中可燃气净化器112没有设置底板，而是同样直接用水密封，如图3所示在可燃气冷凝器113的下方也设有密封水池129，可燃气净化器112的出口与可燃气冷凝器113的入口之间的可燃气管道114上也设有喷淋进水口126。上述设置密封水池129的目的都是在可燃气管路中发生压力异变时可直接通过水密封自动卸压。

本发明还提供一种应用上述污泥制炭设备进行污泥制炭的方法，具体包括以下步骤：将污泥均匀地送到炉体内部的上层裂解室，对污泥进行裂解处理；再将污泥送入中层半裂解半煅烧室，使污泥半裂解半煅烧反应；反应后的污泥再输送到下层煅烧室；再经过炭粉水淋冷却装置；之后再由炭粉无筛粉碎机进行无筛粉碎；粉碎后再送入炭粉成形制棒机制棒，从而得到成品炭粉和炭棒；其中，中层半裂解半煅烧室和下层煅烧室在制棒过程中产生的可燃气经过可燃气净化器、可燃气冷凝器分别进行净化、冷凝处理后，再经过可燃气管道和引风机送到底层燃烧器，给下层煅烧室加热；其中，在制棒过程的初始阶段以及在中层半裂解半煅烧室和下层煅烧室产生的可燃气不足时，通过生物质气化炉产生可燃气，也经过引风机输送到底层燃烧器，给下层煅烧室加热。

结合如上所述污泥制炭设备的实施例，下面将进一步详细介绍应用污泥制炭设备进行污泥制炭的方法工艺流程。

本实施例的污泥制炭方法在制炭时将上述污泥制炭设备与污水处理厂在线污泥出口处衔接，接收污泥处理或在各园区建办污泥制炭处理厂。本实施例的污泥制炭方法是对污泥制炭设备采用直接加热式，方法具体包括：

污泥经过装载机或输送带送到上料斗，后经过减速电机带动上料绞笼将污泥送到分料器，再经过分料叶片从分料器中均匀地将污泥送到炉体101内部的上层裂解室102；借下层煅烧室104的余热和中层半裂解半煅烧室103烟气的余热，以及与用于烟气冷却回收的负压装置连接的负压连接口116处的负压，在经过上层裂解室102途中，可对污泥80％的含水率进行裂解处理；脱去60％左右的水分后，再通过分料叶片送入中层半裂解半煅烧室103，其中温度为300℃左右，使污泥半裂解半煅烧反应；反应后的污泥再通过分料叶片输送到下层煅烧室104反应，在温度为450℃左右反应；反应30分钟后，再经过炭粉水淋冷却装置，并控制冷却后的炭粉温度为150℃左右时，水分为15％；之后再进行无筛粉碎；粉碎后再经过输送带送入制棒机制棒，将可得到热值约4000大卡左右的无味、无烟、无毒的炭粉和炭棒，炭粉的挥发份13％、固定炭52％、灰份39％、全水份4.8％、硫份0.18％(此数据出自媒炭质检部门化验分析报告)。上述污泥制炭设备制炭棒期间的多余烟气处理是经过烟气冷却回收的负压装置处理并和炭粉水淋冷却装置的水遁环使用，冷却水被耗部分应补充自来水或河水，此污泥制炭设备的可燃气体回收处理是将中层半裂解半煅烧室103和下层煅烧室104的可燃气(氢气、一氧化碳、甲烷等)经过可燃气净化器112、可燃气冷凝器113处理后，经过可燃气管道114和引风机115送到底层燃烧器105，给下层煅烧室104加热；根据污泥性质如果可燃气体不足时，可通过生物质气化炉110产生可燃气，也经过引风机115输送到燃烧器105，给下层煅烧室104加热；本设备会利用污泥裂解后产生的可燃气体和生物质气化炉110确保污泥制炭设备所需的热量，生物质气化炉110还有另一个作用是在整个设备初始工作没有产生可燃气时，便需要用少量的生物质材料，放入生物质气化炉110中点燃，点燃后立即会产生可燃气体，再经过烟尘处理器111、可燃气净化器112、可燃气冷凝器113、引风机115，通过可燃气管道114送到底层燃烧器105，给下层煅烧室104加热。

综上所述，本发明技术方案提供的污泥制炭设备及其应用方法针对污泥的处理彻底且速度快；制炭效果好，能量回收率高，经济性优于焚烧处理；在整个污泥处理过程中污泥处于密闭状态处理，不与外界接触，工作场所清洁卫生。与现有技术的污泥焚烧技术比较具有以下优点：

从构造看，污泥制炭设备比污泥焚烧设备要额外增加装置，但污泥制炭所需温度(≤450℃)远比污泥焚烧所需温度(800～1000℃)低，因此前者运行费用远低于后者；并且，污泥制炭后生成的可燃气和炭，还可出售或辅助燃烧室加热获得一部分收益；二项相抵，污泥制炭处理成本要低于焚烧成本的60％左右；

从效果看，虽然污泥焚烧效果好，国外已有较成熟经验和工艺，可以直接借鉴使用，但其缺点在于能耗太高、造价高昂、运行费用较高、操作也比较困难，且有二次污染；相比较，本发明提供的污泥制炭设备及其应用方法能耗较小、造价低、运行费用较低、操作简单且处理效果彻底、快速，设备内处于常压，没有危险因素，整个设备可完全实现自动化生产。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种污泥制炭设备，其特征在于，包括通过可燃气管道连接的炉体和可燃气处理部分；

所述炉体内由上到下依次设有四根加热管道及底层燃烧器，其中最上面两根加热管道为上层裂解室，中间一根加热管道为中层半裂解半煅烧室，最下面一根加热管道为下层煅烧室；且所述三室中相邻的两室之间相互连通，所述上层裂解室设有进料口，所述下层煅烧室设有出料口，所述中层半裂解半煅烧室与所述下层煅烧室之间设有可燃气出口，所述底层燃烧器设有可燃气入口；

所述可燃气处理部分包括依次连接的生物质气化炉、烟尘处理器、可燃气净化器及可燃气冷凝器，且所述烟尘处理器、可燃气净化器与可燃气冷凝器中相邻的两者之间通过可燃气管道连接，所述中层半裂解半煅烧室与所述下层煅烧室之间的可燃气出口通过可燃气管道连接至所述烟尘处理器的出口与所述可燃气净化器的入口之间的可燃气管道上，所述可燃气冷凝器的出口通过设有引风机的可燃气管道连接至所述底层燃烧器的可燃气入口；

所述下层煅烧室的出料口后依次连接有炭粉水淋冷却装置、炭粉无筛粉碎机及炭粉成形制棒机。

2.如权利要求1所述的污泥制炭设备，其特征在于，所述上层裂解室还设有与用于烟气冷却回收的负压装置连接的负压连接口。

3.如权利要求2所述的污泥制炭设备，其特征在于，所述上层裂解室还设有用于借助负压将炉体内的余热吸收进所述上层裂解室的余热进口。

4.如权利要求1所述的污泥制炭设备，其特征在于，该设备还包括进料部分，由上料斗与分料器组成，所述上料斗与分料器之间还设有与减速电机连接的上料绞笼，所述分料器中还设有用于旋转分料的分料叶片。

5.如权利要求1～4任一项所述的污泥制炭设备，其特征在于，所述可燃气出口连接至所述烟尘处理器的出口与所述可燃气净化器的入口之间的连接点与所述可燃气出口之间的可燃气管道上、所述烟尘处理器的出口与所述连接点之间的可燃气管道上以及所述可燃气冷凝器的出口与所述引风机之间的可燃气管道上均设有可燃气控制阀。

6.如权利要求5所述的污泥制炭设备，其特征在于，所述连接点与所述可燃气出口之间的可燃气管道上、以及所述可燃气净化器的出口与所述可燃气冷凝器的入口之间的可燃气管道上均设有用于泄压的安全片。

7.权利要求6所述的污泥制炭设备，其特征在于，所述连接点与所述可燃气出口之间的可燃气管道上还设有可燃气监视口。

8.如权利要求1～4任一项所述的污泥制炭设备，其特征在于，所述可燃气冷凝器上设有冷凝进水口及冷凝出水口，所述可燃气冷凝器的底部还设有焦油排出口。

9.如权利要求1～4任一项所述的污泥制炭设备，其特征在于，所述生物质气化炉的出口直接连接至所述烟尘处理器；所述烟尘处理器的顶部设有喷淋进水口，底部设有除尘喷水口；所述生物质气化炉侧面设有操作平台，下方设有密封水池，所述密封水池侧面设有出水口。

10.一种应用如权利要求1所述污泥制炭设备进行污泥制炭的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将污泥均匀地送到所述炉体内部的所述上层裂解室，对所述污泥进行裂解处理；再将污泥送入所述中层半裂解半煅烧室，使污泥半裂解半煅烧反应；反应后的污泥再输送到所述下层煅烧室进行煅烧；再经过所述炭粉水淋冷却装置进行喷淋冷却；之后再由所述炭粉无筛粉碎机进行无筛粉碎；粉碎后再送入所述炭粉成形制棒机制棒，从而得到成品炭粉和炭棒；

其中，所述中层半裂解半煅烧室和所述下层煅烧室在制棒过程中产生的可燃气经过所述可燃气净化器、所述可燃气冷凝器分别进行净化、冷凝处理后，再经过所述可燃气管道和所述引风机送到所述底层燃烧器，给所述下层煅烧室加热；

其中，在制棒过程的初始阶段以及在所述中层半裂解半煅烧室和下层煅烧室产生的可燃气不足时，通过所述生物质气化炉产生可燃气，也经过所述引风机输送到所述底层燃烧器，给所述下层煅烧室加热。

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