CN102206091A - 一种利用污泥制作陶粒的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种具有污泥掺和比例高、陶粒质量均一、成品率高、制作过程中陶粒不易破碎、热利用效率高、无固体废物排放等特点的利用污泥制作陶粒的方法。湿污泥预先在干燥器中干燥成半干污泥，半干污泥与其它物料均匀混合后在造粒机中制成料球。料球随后送入焙烧窑中进行焙烧。焙烧窑由两个部分组成：干燥预焙烧段和烧成段，焙烧窑出来的高温陶粒进入冷却筒，冷却过程中产生的热空气作为燃烧器的助燃风和烧成段的二次风。焙烧窑尾部烟气经过除尘器、污泥干燥器、净化塔后，由引风机通过烟囱排空。除尘器收集的粉尘送回搅拌机。冷却筒排出的陶粒经过筛分机分选后，Φ2mm以上的陶粒直接用作骨料，Φ2mm以下的陶粉送回搅拌机。

Description

一种利用污泥制作陶粒的方法

技术领域

本发明是一种利用污泥制作陶粒的方法，具有污泥掺和比例高、陶粒质量均一、成品率高、制作过程中陶粒不易破碎、热利用效率高、无固体废物排放等特点。

背景技术

截至2009年3月底，全国设市城市、县及部分重点建制镇共建成污水处理厂1590座，污水处理能力达9204万立方米/日。污泥是污水处理后的附属品，是一种由有机质、氮、磷、重金属、病原体以及灰分等组成的极其复杂的非均质体，如果处理不当，极易造成二次污染。污泥量通常占污水量的0.3％-0.5％(体积)，如果采用深度处理污水，污泥量还会增加0.5-1倍。国内对于污泥的处理方法主要有填埋、焚烧和堆肥，这些方法都存在明显的缺陷。污泥填埋对土地资源浪费较大，且填埋场渗滤液易污染地下水源。污泥焚烧虽然可最大限度的减容减量，但存在处理费用昂贵、焚烧后残留物难处理等问题。污泥堆肥具有能耗低、可回收利用污泥中养分等优点，但存在病原菌扩散和重金属污染的潜在危险。鉴于此，当前已有很多学者将污泥处理的研究热点集中于寻求一种经济合理、与环境发展相适应的新的污泥处理方法，其中热点之一是利用污泥中的灰分和可燃成分制作陶粒。

陶粒作为一种轻骨料，具有密度小、强度高、保温、隔热性能好等优点，是一种性能优良的新型建筑基础材料，市场需求量很大。传统的陶粒由粘土矿物制作，由于受粘土矿物价格的影响，生产成本较高，因而限制了粘土陶粒的产量，也制约了相关产业的蓬勃发展。将污泥作为原料制备陶粒，不仅可利用污泥中的有机质作为产气物使陶粒形成多孔性结构，减少其它燃料消耗量，而且污泥中无机成分也得到利用。同时还能通过高温固化污泥中有毒重金属和灭活病原体，其环境、经济和社会效益较为显著。但是污泥中SiO₂含量低、烧失量大，不具有烧胀性能，制作陶粒时必须添加一定量的辅料与添加剂，使其成分达到制作陶粒粘土成分标准。

目前污泥制作陶粒主要有以下几种方法：(1)污泥先焚烧成灰，然后将灰制成陶粒。此种方法中污泥灰的掺和比例可达80％，陶粒的综合性能好。但此种方法存在一些问题，如污泥必须先进行焚烧处理，需要建造和运行焚烧炉，能源消耗较大，成本较高。且在陶粒烧制过程中没有利用污泥自身的热值，造成能源浪费。(2)湿污泥先干化后制作陶粒。干化污泥和粘土的混合物被碾磨、成型后在焙烧窑内焙烧。充分利用干污泥中含有大量的可燃物质，可节省能源，干污泥掺和比例可达到70％。但此种方法存在一些问题，干污泥中有机质的含量通常在40％-70％，高含量的有机质在高温下燃烧时极易导致陶粒的表面粗糙、抗压强度低等缺点。同时干污泥呈疏水性，其可塑性很差，不易造粒。干污泥造粒时往往采用两种方法：①往干污泥中加水进行造粒，这样浪费能量，不符合资源化的初衷，难于工业化推广；②采用7.5MPa以上高压方法将干污泥压榨造粒，此种方法，很难降低陶粒的表观密度和堆积密度，无法生产出轻质陶粒。(3)湿污泥直接制陶粒。受湿污泥中高水分的限制，目前湿污泥的添加比例在10％左右，折算到干污泥，干污泥添加比例只有2％左右，所带来的环境效益差。如果湿污泥添加比例高于10％，由于水和有机物的释放，陶粒产品表现为多孔、松散的结构，达不到建材标准的要求，难以实现大规模的应用。并且湿污泥呈粥状，粘结性很强，湿污泥与其它原料很难混合均匀，从而在造粒过程中，物料分布不均，陶粒质量均一性较差。

污泥和其它原料经过造粒机生产出的料球在高温烟气传热下，随着水份逐渐蒸发，水的″粘结″作用逐渐减弱。温度达到100℃时，料球的保持力最差。在100℃至500℃之间，料球处于升温过程，料球的保持力基本上与干燥后料球的保持力一样，也极易破碎。在500℃至750℃之间，料球内物质开始反应，形成新的矿物质，料球的保持力增强，料球的耐磨性提高，当料球温度达到750℃左右时，料球的耐磨性才能抵御料球翻滚和彼此间的碰撞。因此，料球在焙烧过程中存在极易破碎的100℃至750℃危险区域。目前国内陶粒的生产设备大都采用两段式回转窑：预热段和烧结段。通过调节两段的转速，达到不同的停留时间。但此种方法中入窑的料球在转筒中翻滚和相互碰撞中极易引起破碎，产生过多粉料或破粒。破碎后的细颗粒在焙烧过程中，易在窑内结块或结窑，影响陶粒质量和运行安全稳定性。

发明内容

技术问题：针对以上污泥制作陶粒的不足，本发明提出了一种新的污泥制作陶粒的方法，一方面提高污泥在原料中的比例，减少粘土用量，解决污泥的二次污染问题，实现以废治废、节约资源的目的；另一方面提高污泥与其它物料混合均匀度，减少陶粒破碎量，从而提高陶粒质量和产量。

技术方案：本发明的具体技术方案如下：

a.湿污泥预先在干燥器中干燥成半干污泥，半干污泥与配料用搅拌机均匀混合后在造粒机中制成5mm-25mm、含水分15％-20％的料球；

b.将以上的料球送入焙烧窑中进行焙烧；

c.焙烧窑出来的1000℃高温陶粒进入冷却筒，冷却过程中产生的热空气一部分作为燃烧器的助燃风，一部分作为烧成段的二次风；焙烧窑尾部200℃左右的烟气经过除尘器后作为污泥干燥器的热源；污泥干燥器出来的烟气经过净化塔后，由引风机通过烟囱排空；除尘器收集的粉尘送回搅拌机；

d.冷却筒排出的陶粒经过筛分机分选后，直径大于或等于2mm的陶粒直接用作骨料，直径小于2mm的陶粒送回搅拌机。

所述的半干污泥采用预先干燥方法，先将污泥的含水量从80％降到25％-35％的半干污泥，一方面将污泥形态由粥状物变成粘土颗粒状，提高了污泥与其它物料的混合均匀度；另一方面大大提高污泥掺和比例，环境效益明显。

所述的焙烧窑由两个部分组成：干燥预焙烧段和烧成段。干燥预焙烧段采用网带窑结构，料球之间无碰撞，不易破碎，从而大大提高了陶粒成品率；干燥预焙烧段烟气进出口温度分别为800℃和200℃，球料在此段发生烘干和预焙烧过程，烘干时间为20min-40min，预焙烧时间为15min-20min；烧成段采用回转窑结构，最高温度为1150℃-1300℃，料球停留时间为15min-20min，陶粒排出焙烧窑的温度为1000℃。

所述的配料为粉煤灰、粘土或高岭土，其配比有：

①干污泥∶粉煤灰∶粘土＝2∶3∶1，折算到含水量80％湿污泥时，湿污泥∶粉煤灰∶粘土＝10∶3∶1；

②高岭土∶干污泥∶粘土＝4∶2∶1，折算到含水量80％湿污泥时，高岭土∶湿污泥∶粘土＝4∶10∶1。

所述的配料为烧制陶粒时，原料的化学成分按其作用分为三类：①成陶成分，在烧制陶粒时起支撑骨架作用，主要化学成分为SiO₂和Al₂O₃，在原料中占3/4左右；②助熔剂，起调节原料熔点的作用，主要化学成分为K₂O、Na₂O、Fe₂O₃、CaO、MgO；③产气物，高温时产生CO₂、CO和H₂O气体，起造孔作用。欲烧制出优质的陶粒产品，原料的化学组成必须满足以下要求：SiO₂：53％-79％，Al₂O₃：10％-25％，K₂O、Na₂O、Fe₂O₃、CaO和MgO助熔剂之和13％-26％。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点有：

(1)采用湿污泥部分干燥方法，将污泥形态由粥状物变成粘土颗粒状，以便与其它物料之间能均匀混合，从而生产出来的陶粒质量均一。湿污泥掺和比例大于65％，大大提高了污泥处理量，提高了环境效益。

(2)陶粒焙烧过程采用两段焙烧模式：干燥预焙烧段和烧成段，可有效的减少料球在陶过程中破碎率，提高陶粒成品率。

(3)整个系统热利用效率高，无固体废物排放。

附图说明

图1是本发明系统流程图。

具体实施方式

(1)烧制陶粒时，原料的化学成分按其作用分为三类：①成陶成分，在烧制陶粒时起支撑骨架作用，主要化学成分为SiO₂和Al₂O₃，在原料中占3/4左右；②助熔剂，起调节原料熔点的作用，主要化学成分为K₂O、Na₂O、Fe₂O₃、CaO、MgO等；③产气物，高温时产生气体，如CO₂、CO、H₂O等，起造孔作用。欲烧制出优质的陶粒产品，原料的化学组成必须满足以下要求：SiO₂：53％-79％，Al₂O₃：10％-25％，K₂O、Na₂O、Fe₂O₃、CaO、MgO等助熔剂之和13％-26％。干污泥的挥发分、TOC和热值均较高，因此，它具有较高的再利用价值，同时，较高的碳含量提供了充足的产气物，但干污泥的SiO₂含量只有15-20％，且烧失量很大，焙烧时易收缩，不具有烧胀性能，因此干污泥不能直接用来生产陶粒。为了能够烧制出优质陶粒，必须添加一定的粘土类物质，如燃煤灰渣、高岭土、粘土等物料，使得混合物料的化学组成满足成陶要求。本发明为了满足混合原料的化学组成满足制取陶粒的要求，并尽可能增加污泥添加量，减少粘土用量，根据污泥、粘土、粉煤灰、高岭土等原料的矿物质组成，可按照如下配比处理湿污泥：①干污泥∶粉煤灰∶粘土＝2∶3∶1，折算到含水量80％湿污泥时，湿污泥∶粉煤灰∶粘土＝10∶3∶1；②高岭土∶干污泥∶粘土＝4∶2∶1，折算到含水量80％湿污泥时，高岭土∶湿污泥∶粘土＝4∶10∶1。湿污泥添加比例大于65％，环境效益明显。

(2)含水量80％湿污泥是一种胶粘性很强的特殊物料，为粥状物。当污泥中含水量低于45％时，污泥呈粘土颗粒状。如果含水量80％湿污泥直接与其它物料混合，湿污泥起到如珍珠核的作用，其它干物料包裹在其外层，由此湿污泥与其它物料在混合器中很难混合均匀。在影响陶粒质量的诸多工艺参数中，污泥和其它物料之间的混合均匀度是影响陶粒质量的一个重要因素。如混合较差，势必会带来部分陶粒中污泥含量偏大，不具备成陶所需的化学组成，从而导致陶粒质量下降。提高污泥的分散性，有利于减少粘土的用量，增加污泥的用量，降低生产成本，提高陶粒生产企业的经济效益。为此，为了增加污泥添加量和改善污泥与其它原料的混合均匀性，本发明采用湿污泥预先部分干燥的方法，先将80％左右的湿污泥干燥到含水量25％-35％的半干污泥，将污泥形态由粥状物变成粘土颗粒状，以便与其它物料之间能均匀混合。为了防止干燥过程中干污泥发生燃烧和挥发分析出，湿污泥干燥器操作温度控制在90℃左右。

(3)污泥与其它物料的混合物料在造粒机中成型过程中，混合物料的水分是成球质量好坏的关键。水分适合时，造粒机产生的料球光亮而不互相粘结，在生料球运输过程不致破碎，烧结出的陶粒强度也高。若水分过高，颗粒间的毛细管力增大，料球容易二次团聚。且在后续干燥和焙烧过程中有大量水蒸气涌出，造成产品开裂。而且进入焙烧窑的水分越大，在焙烧窑中吸收热量越大，产生的烟气量也越大，为了防止高低温腐蚀，尾部排烟温度也越大，势必会增加排烟热损失。若水分过低，不仅会降低造粒效果，而且在混合和造粒过程中易起粉尘，造成环境污染与原料损失。本发明中混合物料的含水量控制在15％-20％。

(4)为了降低料球在100℃至750℃危险区域内破损率，本发明的焙烧窑采用二段焙烧模式：干燥预焙烧段和烧成段。干燥预焙烧段进出口烟气温度分别为800℃和200℃，烧成段的最高温度根据陶粒原料的不同而不同，一般为1150℃-1300℃，陶粒出窑温度约为1000℃。干燥预焙烧段采用网带窑结构，沿窑长度方向布置一系列的不锈钢托辊，上面承托金属网带，通过调速电机带动网带运行。料球置于网带上，料球与网带相对静止，在干燥、预焙烧过程中料球不作翻滚运动，从而避免了料球在干燥后至750℃前极易磨损和破碎的危险区域。料球从室温干燥到100℃的时间控制在20min-40min，从100℃到750℃的预焙烧时间控制在15min-20min。烧成段采用回转窑结构。圆筒形窑体与水平呈3°左右的倾角。干燥预焙烧段出来的料球从烧成段的高的一端进入，在窑体做回转运动的作用下，料球从高处滚落至低处。料球在烧成段停留时间控制在15min-20min。煤粉、生物质、油等燃料在烧成段燃烧产生高温烟气，使料球发生物理和化学变化，形成以莫来石和石英为主的晶体矿物以及铁镁氧化硅化合物和玻璃体。污泥中的有机物在焙烧过程中彻底分解燃烧，重金属被固结在陶粒中，焙烧得到的污泥陶粒无菌、无臭。

(5)烧成段出来的1000℃陶粒，经过冷却筒冷却成40℃左右的陶粒。冷却筒采用回转窑结构，冷却时间为25min-50min。冷却筒产生的热风一部分作为燃烧器所需的助燃风，一部分作为烧成段的二次风。污泥干燥所需的热量由干燥预焙烧段尾部烟气提供。从而整个系统热利用效率高、燃料消耗量低、经济性能优越。

储罐中的含水量80％左右的湿污泥称重后由喂料机送入污泥干燥器，干燥成含水量25％-35％的半干污泥，半干污泥由斗提机运至中间储罐，供后续工艺使用。

储罐中的粘土、粉煤灰、高岭土等其它原料称重后由皮带输送机送至破碎机，破碎机出口颗粒细度控制在0.1mm、筛余10％-15％以内，合格粉料由斗提机运至中间储罐。中间储罐内的半干污泥、粘土、粉煤灰等物料由喂料机送入搅拌机。半干污泥和其它原料在搅拌机中均匀混合，混合物料含水量控制在15％-20％。混合物料在造粒机中制成直径5mm-25mm的料球。

料球通过皮带输送机送入焙烧窑的干燥预焙烧段，干燥预焙烧段采用网带窑结构，球料置于网带上。烟气流向与球料流向相反，烟气通过料球表面时与料球进行热交换，球料在此段发生烘干和预焙烧过程，烘干时间为20min-40min，料球温度从100℃升高到750℃的预焙烧时间为15min-20min。

干燥预焙烧段出来的料球随后进入焙烧窑的烧成段，烧成段采用回转窑结构，窑体与水平呈3°左右。烧成段的最高温度为1150℃-1300℃，料球在烧成段停留时间为15min-20min。

1000℃的高温陶粒从焙烧窑的烧成段排出，随后进入冷却筒，冷却筒采用回转窑结构。在旋转和坡度的作用下高温陶粒向前运动冷却成40℃左右的陶粒，冷却时间为25min-50min。冷却筒所用冷却风由送风机提供，产生的热风一部分作为燃烧器所需的助燃风，一部分作为烧成段的二次风。冷却筒排出的陶粒随后送入筛分机。Φ2mm以上的陶粒直接用作骨料，运入库房堆放，Φ2mmm以下的陶粉送回搅拌机，重新利用。

烧成段热源由燃烧器供给，燃烧器的燃料可以是煤、生物质、重油等，助燃风量和燃料量由计算机联合控制，确保烧成段温度稳定。烧成段出口温度为800℃左右，干燥预焙烧段出口温度为200℃。干燥预焙烧段出口烟气经过除尘器除尘后进入污泥干燥器，充分利用烟气中余热对湿污泥进行干燥，污泥干燥器操作温度为90℃。污泥干燥器出来的烟气进入净化塔后，由引风机通过烟囱排空。除尘器收集的粉尘重新送回搅拌机，整个系统做到无固体废物排放。

Claims (4)

1.一种利用污泥制作陶粒的方法，其特征在于该方法具体包括以下步骤：

a.湿污泥预先在干燥器中干燥成半干污泥，半干污泥与配料用搅拌机均匀混合后在造粒机中制成5mm-25mm、含水分15％-20％的料球；

b.将以上的料球送入焙烧窑中进行焙烧；

c.焙烧窑出来的1000℃高温陶粒进入冷却筒，冷却过程中产生的热空气一部分作为燃烧器的助燃风，一部分作为烧成段的二次风；焙烧窑尾部200℃左右的烟气经过除尘器后作为污泥干燥器的热源；污泥干燥器出来的烟气经过净化塔后，由引风机通过烟囱排空；除尘器收集的粉尘送回搅拌机；

d.冷却筒排出的陶粒经过筛分机分选后，直径大于或等于2mm的陶粒直接用作骨料，直径小于2mm的陶粒送回搅拌机。

2.根据权利要求1所述的利用污泥制作陶粒方法，其特征在于所述的半干污泥采用预先干燥方法，先将污泥的含水量从80％降到25％-35％的半干污泥，一方面将污泥形态由粥状物变成粘土颗粒状，提高了污泥与其它物料的混合均匀度；另一方面大大提高污泥掺和比例，环境效益明显。

3.根据权利要求1所述的利用污泥制作陶粒方法，其特征在于所述的焙烧窑由两个部分组成：干燥预焙烧段和烧成段。干燥预焙烧段采用网带窑结构，料球之间无碰撞，不易破碎，从而大大提高了陶粒成品率；干燥预焙烧段烟气进出口温度分别为800℃和200℃，球料在此段发生烘干和预焙烧过程，烘干时间为20min-40min，预焙烧时间为15min-20min；烧成段采用回转窑结构，最高温度为1150℃-1300℃，料球停留时间为15min-20min，陶粒排出焙烧窑的温度为1000℃。

4.根据权利要求1所述的利用污泥制作陶粒方法，其特征在于所述的配料为粉煤灰、粘土或高岭土，其配比有：

①干污泥∶粉煤灰∶粘土＝2∶3∶1，折算到含水量80％湿污泥时，湿污泥∶粉煤灰∶粘土＝10∶3∶1；

②高岭土∶干污泥∶粘土＝4∶2∶1，折算到含水量80％湿污泥时，高岭土∶湿污泥∶粘土＝4∶10∶1。

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