CN102557361A - 一种污泥气化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种污泥气化方法，所述污泥包含絮凝物和纤维素，所述絮凝物是在污水处理过程中向污水中加入的絮凝剂与污水中的悬浮固体物质和水结合在一起所形成的，所述方法包括以下步骤：a.将污泥与水混合制成泥浆；b.在150～350℃的温度和表压10～30MPa的压力下以及在酸的存在下处理所述泥浆以使所述絮凝物脱水并使所述纤维素至少部分水解，与此同时所述泥浆发生分层作用，得到含相对较少固体物质的上层和含相对较多固体物质的下层；然后，c.将所述含相对较多固体物质的下层送入气化反应器中，在那里所述泥浆中的含碳物质与超临界水发生气化反应，得到包括可燃气体在内的气体产物。

Description

一种污泥气化方法

发明领域

本发明涉及污泥气化领域。

背景技术

近年来，随着经济的快速发展带动了城市化进程的加快，城市污水处理量也越来越大，污水在絮凝处理后产生的污泥数量随之增加，仅以一个中小城市为例，一个污水处理厂产生的活性污泥每天达到100吨以上，而且这个数量还在不断增长，大城市的水处理污泥数量就更多了。因城市污泥的急剧增加而又无法处理掉，给城市的环境带来了严重的污染，也给城市建设设置了很大的障碍，污水处理过程中所产生的污泥成为城市发展的瓶颈之一。经测试，城市污水处理后的污泥的热值达5～15MJ/kg左右，这是因为污泥中富含含碳物质，例如废油、植物秸秆碎片(主要化学成份是纤维素)、微生物等。若能从污泥当中回收这些含碳物质所对应的能量，不仅解决了环境污染、垃圾减容等问题，回收的热量还可以发电或生产低压蒸汽，将污泥变废为宝。

传统的污泥焚烧处理方案，大都是先将污泥收集和脱水干燥处理后再加入大量的可燃物引燃，放入焚烧炉中进行焚烧。这种焚烧方式一方面因污泥热值较低，且水分含量大，致使炉膛温度低，燃烧不充分可回收的热量也少，所以通常还与煤、石油焦等热值更高的燃料掺混燃烧，燃烧后还会有较多燃烧不充分的固体残渣，同时尾气当中含有大量硫氧化物、氮氧化物以及二噁英类有毒有害气体，对大气、人体健康均产生不良影响。

污泥等有机质的超临界水气化技术是利用水在超临界状态下所具有的特殊性质，使有机物在超临界水介质中迅速发生反应来彻底分解有机物，最终生成CH₄、H₂、CO等可燃气体，这些气体经进一步分离可作化工原料或燃料。

通常，污水处理厂在处理污水的过程中要向污水中添加絮凝剂来使污水中的悬浮固体物质絮凝，这种絮凝作用使得絮凝剂和悬浮固体物质和水结合在一起形成絮凝物，这些絮凝物与从污水中的其它固体物质一起因沉淀作用而与废水分离开，得到污泥，这些污泥呈膏状，其中固体物质的总浓度为20％左右，不具有稳定流动性，为了使其能顺利进出反应器及其上下游设备，往往需要将污泥与水和任选的复合剂等混合在一起制成具有流动性的泥浆，该泥浆中固体物质的浓度可降低至5-8％，虽具备了稳定流动性，但这又降低了泥浆中的含碳物质的浓度，进而降低了能量密度。鉴于絮凝剂中的水为结合水，难以通过常规方法脱除，例如，这些絮凝物在空气中放置数天也很难脱除这些结合水，甚至在100℃的烘箱中烘烤，要完全脱除结合水仍需要5小时以上的时间。故在保证流动性的前提下进一步提高污泥浓度变得很困难，为了既使泥浆具有必不可少的稳定流动性，又要尽可能使泥浆中固体物质的浓度高，以提高气化反应器的效率。为此，提出了本发明。

发明概述

本发明提供了一种污泥气化方法，所述污泥包含絮凝物和纤维素，所述絮凝物是在污水处理过程中向污水中加入的絮凝剂与污水中的悬浮固体物质和水结合在一起所形成的，所述方法包括以下步骤：

a.将污泥与水混合制成泥浆；

b.在150～350℃的温度和表压10～30MPa的压力下以及在酸的存在下处理所述泥浆以使所述絮凝物脱水并使所述纤维素至少部分水解，与此同时所述泥浆发生分层作用，得到含相对较少固体物质的上层和含相对较多固体物质的下层；然后，

c.将所述含相对较多固体物质的下层送入气化反应器中，在那里所述泥浆中的含碳物质与超临界水发生气化反应，得到包括可燃气体在内的气体产物。

附图简述

图1是本发明的实施方案的示意性工艺流程图。

附图仅仅是示例性的，而非限制性的。

发明详述

本发明中的污泥包含水、絮凝物和纤维素，其中所述絮凝物是在污水处理过程中向污水中加入的絮凝剂与污水中的悬浮固体物质和水结合在一起所形成的。其中，所述絮凝剂选自聚丙烯酰胺、聚硅酸絮凝剂、聚硅酸硫酸铁、聚磷氯化铁、聚磷氯化铝、聚硅酸铁、聚合硫酸氯化铁铝、聚胺型有机高分子絮凝剂或季铵型有机高分子絮凝剂或它们的任意混合物，所述悬浮固体物质包含含碳物质和无机矿物质等，所述含碳物质例如生物质、微生物质，所述生物质例如但不限于油、纤维素等。其中所述纤维素构成或直接或间接地来自于于污泥中所包含的例如植物秸秆、木屑、藻类残骸等的生物质。本发明中，污泥不可稳定流动。污泥中水含量一般在80％以上。其中所述絮凝物中的水以结合水的形式存在，通常通过常规方法难以脱除。

本发明中的泥浆是指污泥与水混合形成的可稳定流动的混合物，其还可任选地包含其它添加剂例如稳定剂、分散剂等。通常的泥浆中固体物质的浓度为5-8％，本文中将泥浆浓度定义为泥浆干重占泥浆总重的百分比，其中泥浆干重是指将该泥浆干燥至无水状态后所剩余的干物质的重量。

在本发明的步骤a中，将污泥与水混合制成泥浆。其中二者的混合比例不限，只要能够使泥浆具有稳定流动性即可。在通常的实施方案中，混合后的泥浆中固体物质的浓度为5-8％。这样的混合步骤可以在混合罐中进行，并优选在搅拌作用下进行混合。在优选的实施方案中，在步骤a中还向所述泥浆中加入气化催化剂和/或复合剂，其中所述气化催化剂选自碱金属盐或碱土金属盐，所述复合剂由以下两部分组成：

第一部分，其选自木质素磺酸盐、腐植酸盐、聚羟基羧酸盐、甲基萘磺酸盐甲醛缩合物或萘磺酸盐中的至少一种；

第二部分，其选自硬脂酸盐、十二烷基苯磺酸盐、十六烷基三甲基溴化铵、脂肪酸甘油酯、脂肪酸山梨坦、聚山梨酯、烷基醇酰胺、卵磷脂、氨基酸型或甜菜碱型表面活性剂中的至少一种；

其中第一部分与第二部分的质量比为1∶1至1∶5。

以上复合剂中的各组分都是本领域技术人员知晓的常规物质且均可商购得到，在此不再赘述。加入复合剂的作用是提高泥浆中固体物质的浓度并延长沉降时间以提高泥浆的稳定性。

在步骤a之后和下文所述的步骤b之前，可以根据需要向工艺中引入对泥浆进行胶磨、过筛等步骤。胶磨的作用是进一步磨细泥浆中的固体物质以提高后续气化反应的效率，过筛的作用是除去泥浆中可能含有的难以磨细的大颗粒。这些胶磨、过筛等步骤不是实现本发明所必需的，它们只根据需要应用在本发明的优选的实施方案中。

在本发明的步骤b中，在150～350℃的温度和表压10～30MPa的压力下以及在酸的存在下处理所述泥浆以使所述絮凝物脱水并使所述纤维素至少部分水解，与此同时所述泥浆发生分层作用，得到含相对较少固体物质的上层和含相对较多固体物质的下层。其中所述酸为无机酸或有机酸，例如，所述无机酸为盐酸、硫酸，所述有机酸选自甲酸、乙酸或苯甲酸。优选使用有机酸，因为其对设备和管路腐蚀性小且有机酸本身可在后续气化步骤中作为有机物质而气化，免去了产生含酸废水的麻烦。其中在150～350℃的温度和表压10～30MPa的压力和酸的存在下，污泥中有机质大分子被水解成相对较小的有机物分子，例如，纤维素会发生水解反应，这将使长链的纤维素分子变为短链的纤维素分子或甚至变成葡萄糖或果糖等单糖类物质，有利于提高其在下一步的气化过程中的气化效率；在表压10～30MPa的压力下，构成生物质的细胞的细胞壁也会发生破裂，还可以有效脱除用通常方法难以除去的胞内水。最为重要的是，本发明人惊讶地发现，在这样的温度和压力下，絮凝物中所含的结合水也能被脱除出来，不受限于任何理论，推测这可能是因为在本发明的温度和压力下絮凝剂发生了某种变性，造成原本与之相结合的结合水脱离出来成为游离水。上述三种作用的组合使得泥浆中游离水的数量大大增加，致使泥浆中固体物质与水的原本的稳定平衡比例被打破，泥浆将不能蓄存更多的游离水，故泥浆发生了分层作用，得到含相对较少固体物质的上层和含相对较多固体物质的下层，在一个实施方案中，所述下层中固体物质的浓度可提高到45-55％，且仍具有良好的稳定流动性，这是用常规方法难以做到的。步骤b可在任何能够提供本发明所述的温度和压力的容器中进行，泥浆在该容器中的停留时间可为0.5-30分钟，优选10-20分钟。其中所述含相对较少固体物质的上层被引出作为它用，而所述含相对较多固体物质的下层则进入本发明的步骤c中。

在本发明的步骤c中，将所述含相对较多固体物质的下层送入气化反应器中，在那里所述泥浆中的含碳物质与超临界水发生气化反应，得到包括可燃气体在内的气体产物。其中所述超临界水是指温度高于374℃且绝对压力大于22MPa的水，所述可燃气体包含氢气、甲烷或一氧化碳中的至少一种。其中所述超临界水可以是泥浆中的水被加热到超临界状态而得到的，也可以是另行通入的超临界水，优选前者。所述步骤c中，气化催化剂可以靠在泥浆制备过程中任选加入的碱金属盐或碱土金属盐作为催化剂，也可以仅靠污泥本身含有的无机盐作为气化催化剂，后者是优选方案。该气化步骤在气化反应器中进行，泥浆在该气化反应器中的停留时间一般为10-300秒，优选20-200秒。气化后的气体和泥浆进入各自的后续处理工艺，这些后续处理工艺可根据需要由本领域技术人员采用且均为已知技术，在本发明中不再赘述。

实施例

结合图1，通过以下实施例具体说明本发明的实施方案，这些实施例仅仅是出于举例说明的目的而提供的。实施例不打算以任何方式限制本发明的范围，本发明的真实范围仅由权利要求确定。

实施例中使用的原料污泥的性质如表1所示：

表1  原料污泥的基本性质

实施例1-4

采用图1所示工艺对污泥进行气化，其中污泥a和水b的混合在混合罐1中进行，混合后的泥浆c进入水分离器2，泥浆在水分离器2中在预定温度和压力下进行处理后分层，得到的含相对较少固体物质的上层e被引走作为它用，得到的含相对较多固体物质的下层d进入气化反应器3中进行气化反应，气化产物g进入后续的气体产物提纯工艺，反应后的泥浆f进入后续处理工艺继续处理。具体实验条件和结果如表2所示。

对比例

取消掉图1中所示的水分离器2，使混合后的泥浆c直接进入气化反应器3中进行气化。具体实验条件和结果也示于表2中。

表2  实施例1-4

可见，经过本发明的方法处理后，进入气化反应器的泥浆中固体物质的浓度得到大大提高，这有利于提高气化反应器的气化效率，即使得气化反应器在单位时间内所处理的污泥量大大提高。另外，由于本发明中在水分离器中将含相对较少固体物质的上层从泥浆中分离出去，故可省去将该上层中水含的那部分水在气化反应器中加热到水的超临界状态所需的能量，这可提高能量效率。另，该被分离出去的上层中的水处于高压状态，该高压水还可用于洗脱本发明中的气体产物中所含的二氧化碳气体，可节省大量的洗脱二氧化碳用的水，为气体产物的分离提供了帮助。

Claims (7)

1.一种污泥气化方法，所述污泥包含絮凝物和纤维素，所述絮凝物是在污水处理过程中向污水中加入的絮凝剂与污水中的悬浮固体物质和水结合在一起所形成的，所述方法包括以下步骤：

a.将污泥与水混合制成泥浆；

b.在150～350℃的温度和表压10～30MPa的压力下以及在酸的存在下处理所述泥浆以使所述絮凝物脱水并使所述纤维素至少部分水解，与此同时所述泥浆发生分层作用，得到含相对较少固体物质的上层和含相对较多固体物质的下层；然后，

c.将所述含相对较多固体物质的下层送入气化反应器中，在那里所述泥浆中的含碳物质与超临界水发生气化反应，得到包括可燃气体在内的气体产物。

2.权利要求1的方法，其中所述絮凝剂选自聚丙烯酰胺、聚硅酸絮凝剂、聚硅酸硫酸铁、聚磷氯化铁、聚磷氯化铝、聚硅酸铁、聚合硫酸氯化铁铝、聚胺型有机高分子絮凝剂或季铵型有机高分子絮凝剂或它们的任意混合物。

3.权利要求1的方法，其中所述超临界水是指温度高于374℃且绝对压力大于22MPa的水，所述可燃气体包含氢气、甲烷或一氧化碳中的至少一种。

4.权利要求1的方法，其中所述步骤c中仅靠污泥本身含有的无机盐作为气化催化剂。

5.权利要求1的方法，其中所述酸为无机酸或有机酸。

6.权利要求5的方法，其中所述有机酸选自甲酸、乙酸或苯甲酸。

7.权利要求1的方法，其中在步骤a中还向所述泥浆中加入复合剂，所述复合剂由以下两部分组成：

第一部分，其选自木质素磺酸盐、腐植酸盐、聚羟基羧酸盐、甲基萘磺酸盐甲醛缩合物或萘磺酸盐中的至少一种；

第二部分，其选自硬脂酸盐、十二烷基苯磺酸盐、十六烷基三甲基溴化铵、脂肪酸甘油酯、脂肪酸山梨坦、聚山梨酯、烷基醇酰胺、卵磷脂、氨基酸型或甜菜碱型表面活性剂中的至少一种；

其中第一部分与第二部分的质量比为1∶1至1∶5。

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