CN103060044A - 一种污泥与生物质混合制备固体燃料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种污泥与生物质混合制备固体燃料的方法,包括以下步骤:(1)预处理:向污泥中加入占污泥干基质量1%~5%的添加剂,将所得混合物脱水干燥至含水率为10%~25%,粉碎过筛,形成污泥干化原料;将生物质脱水干燥至含水率为10%~25%,粉碎过筛,形成生物质干化原料;(2)混合与成型:将污泥干化原料与生物质干化原料混合并搅拌,得到原料混合物,其中污泥干化原料的质量分数为30%~70%,生物质干化原料的质量分数为70%~30%;将原料混合物挤压成型,得到固体燃料。本发明的方法成本低廉、节能环保、实现了固体废物与生物质的资源化利用,可有效解决固体废物与生物质的处理处置问题。

Description

一种污泥与生物质混合制备固体燃料的方法
技术领域
本发明属于固体废弃物再利用领域,具体涉及一种污泥与生物质先干化后混合成型制备固体燃料的方法。
背景技术
进入21世纪以来,能源和环境问题一直是当今世界各国都面临的关系到国家经济可持续发展的中心议题。为了缓解和逐步解决这个问题,世界各国都在积极开发可再生新能源。
伴随着全球经济的快速发展和人们对环境的日益关注,污水处理量快速上升,相应的污泥产量也迅速增加。污泥是指处理污水所产生的固体、半固体及液态的弃物,是一种由有机残片、细菌菌体、胶体、各种微生物和有机、无机颗粒组成的极其复杂的非均质体,其中的不稳定有机物易分解产生恶臭,更重要的是其中的有毒污染物、重金属、有害病原体和寄生虫等严重威胁人类的健康。污泥量的不断增加及成分的变化使现有的污泥处理技术逐渐不能满足环保要求,因此,寻找一种既能合理处理处置所有污泥,又能利用污泥中有效成分,实现污泥的稳定化、减量化、无害化和资源化利用,是当前污泥处理处置技术研究开发的主要方向。
国内外对污泥的处置多采用填埋、堆肥和焚烧。我国主要采用填埋的方法,但填埋需要占用大量的土地和大量资金,而且不能根本治理,容易带来地下水污染,在国际上已逐渐成为被淘汰的污泥处理方法。堆肥是污泥资源化利用的有效方式,堆肥产品用作农用肥料可以利用污泥中的N、P、K等营养元素以及植物中必需的微量元素Fe、Ca、Mg等。但由于污泥中含有致病菌、病原体等对环境有害的微生物和不同程度的重金属离子,用作农用肥料时可能导致土壤污染,致使污泥作为肥料利用受到一定的限制。焚烧不仅使污泥得到最大限度的减量化处理,而且充分利用了污泥的固有热值。在美国、欧洲、日本等发达国家,污泥焚烧技术日渐成熟且得到广泛的使用,污泥焚烧被认为是污泥处理中最具发展前景的实用技术之一。然而,尽管污泥焚烧在发达国家已经取得很大的进展,但由于污泥含水率高且不稳定、密度小、热值较低、挥发份含量高、固定碳含量低,导致污泥焚烧存在不易着火、燃烧不稳定等问题。另外,污泥焚烧还存在设备投资和运行费用高等问题,经济投入太大,更无效益可言。
我国每年排放干污泥约5×106t,且每年以10%的速度增长。污泥与其他废弃物的处理一样, 无害化、减量化、稳定化、资源化和能源化是污泥处理的发展趋势。污泥都具有高挥发份、低固定碳、高灰分、低热值的特点。污泥焚烧有诸多好处,但也有不少瓶颈。在焚烧污泥的过程中遇到的最大问题就是高昂的运行成本、燃烧效率低,伴随有二次污染。污泥燃料是一种具有较大发展潜力的绿色能源,但由于污泥特殊的燃烧特性,污泥燃烧的热效率是制约其利用的关键因素。成型后的燃料制品具有一定的抗成型压强度,不仅便于保存和运输,更有利于燃料在焚烧炉中保持稳定的骨架结构,得以充分燃烧。成型后的污泥能够缓解挥发份的析出以缓解燃烧速度,达到供氧量和需氧量的平衡,从而减少热损失和中间产物的产生,以提高燃烧效率。中国生物质资源量巨大,年产农林废弃物达10.3亿吨。通过污泥与生物质成型能够达到资源化处理污泥和综合利用生物质的目的。
近年来,国内外也有一些文献和专利报道了污泥与生物质或是原煤混合直接作为燃料,或经过成型加工成固体燃料,《一种复合型污泥燃料及其制备方法》(申请号:201010221587.0)的专利中采用了重量百分比20%~50%的煤粉,《污泥合成燃料及其合成方法》(申请号:200910019860.9)的专利中采用了重量百分比20%~40%的煤粉;也有一些专利采用了污泥与生物质在较高含水率下先成型后干化的工艺,如《一种制备污泥成型燃料的方法及装置》(申请号:201110123139.1)的专利中将含水率70%~85%的污泥与秸秆混合,加入化学调质剂后脱水,经造粒机造粒,自然干燥得到含水率35%左右的固体燃料;还有一些专利采用了污泥与生物质先混合,再脱水干燥至较低含水率,然后将混合物成型得到固体燃料,如《一种固型燃料的生产方法》(申请号:201010119602.0)的专利中将含水80%以上的城市污泥与生物质粉混合,脱水至含水率20%以下,然后低压成型得固体燃料。上述这些方法都有各自的缺点:添加煤粉不利于节能环保;在较高含水率下先成型后干化生产固体燃料,一般需要添加粘结剂,成本高,且成型燃料在干化过程中易出现开裂,强度不高的现象;将污泥与生物质先混合再干化,不利于两者的充分混合均匀,造成生产出的燃料性质不均一,对锅炉损害大,且成型在低压下进行,固体燃料强度不够。通过实验,我们发现含水率30%~50%的污泥与生物质在没有粘结剂的条件下难以成型。因此,寻求更好的污泥资源化处理处置方法受到广泛关注与重视。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种节能环保、可实现固体废物与生物质的资源化利用、最大限度地实现污泥的稳定化、减量化、无害化和资源化的污泥与生物质混合制备固体燃料的方法。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为一种污泥与生物质混合制备固体燃料的方法,包括以下步骤:
(1)预处理:向污泥中加入占污泥干基质量1%~5%的添加剂,加入该添加剂的目的是为了固硫固氯和降低污泥的含水率,防止霉变与二次污染,将所得混合物脱水干燥至含水率为10%~25%,粉碎过筛,形成污泥干化原料;将生物质脱水干燥至含水率为10%~25%,粉碎过筛,形成生物质干化原料;
(2)混合与成型:将上述污泥干化原料与生物质干化原料混合并搅拌,得到原料混合物,其中污泥干化原料在原料混合物中的质量分数为30%~70%,生物质干化原料在原料混合物中的质量分数为70%~30%;将原料混合物进行挤压成型,得到固体燃料。
上述方法中,优选的,所述污泥的含水率为45%~80%,所述污泥干基的热值范围为1200kcal/kg~3500kcal/kg。
上述方法中,所述添加剂优选生石灰。
上述方法中,所述生物质优选棕榈壳、棕榈须、菌渣、巨菌草、木屑、秸秆中的一种或多种。
上述方法中,优选的,所述污泥干化原料与所述生物质干化原料的粒径不超过2.0mm(优选不超过0.45mm)。
上述方法中,所述步骤(2)中原料混合物的挤压成型条件为:成型压强优选50MPa~80MPa,成型温度优选90℃~130℃。
经检测,本发明方法制备的固体燃料热值为1900kcal/kg~4200kcal/kg。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1. 本发明采用先将污泥干化至含水率为10%~25%,再与生物质混合成型,该方法不需要添加额外的粘结剂,不仅节约了成本,而且克服了高含水率成型燃料在干化过程中易出现开裂和强度不高等缺点;
2. 本发明将污泥与生物质混合成型制备固体燃料,将生物质加入污泥中可明显提高固体燃料的热值,提高燃烧效率;本发明同时利用了污泥自身的粘结性、固有热值和生物质的高热值,实现了固体废物与生物质的资源化利用,解决了固体废物与生物质的处理处置问题,为日益增量的污泥与农林废物提供了深层次综合利用的途径; 
3. 本发明的方法有助于减少污泥的填埋,不仅节约了土地资源,降低了污泥处理成本,还将污泥资源化利用,变废为宝,减少了污泥对环境的污染,最大限度地实现了污泥的稳定化、减量化、无害化和资源化;
4. 本发明制备的固体燃料性质均一、强度高、节能环保,不仅可以减少固体燃料燃烧过程中SO2的排放,减少二次污染,还可防止燃料在运输与存储过程中发生霉变。
具体实施方式
以下结合优选的实施例对本发明作进一步描述,但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1:                                 
一种本发明的污泥与棕榈壳混合制备固体燃料的方法,包括以下步骤:
(1)预处理:向污泥中加入占污泥干基质量5%的生石灰,将所得混合物脱水干燥至含水率为13%,粉碎过0.45mm标准筛,得到污泥干化原料;将棕榈壳脱水干燥至含水率为13%,粉碎过0.45mm标准筛,形成棕榈壳干化原料;
(2)混合与成型:将上述污泥干化原料与棕榈壳干化原料按照2∶1的质量比混合并充分搅拌,得到原料混合物;将原料混合物在成型压强为63.2MPa,成型温度为90℃的条件下挤压成型,即得混合成型固体燃料(1#混合成型固体燃料)。
采用氧弹燃烧法测定固体燃料的热值,用DWD-10型电子式万能试验机测定固体燃料的Meyer强度(Meyer强度的定义是作用力除以投影的压痕面积,Meyer强度的计算公式如下:Hm=F/[π(Dh-h2)],其中,Hm为Meyer强度(N/mm2);F为压制棒的最大压力(N);D为压制棒的直径(mm);h为压制棒运行的距离(mm))。结果分别见表1和表2。表1是不同固体燃料热值表,表2是不同固体燃料的Meyer强度表。
实施例2:
一种本发明的污泥与棕榈须混合制备固体燃料的方法,包括以下步骤:
(1)预处理:向污泥中加入占污泥干基质量5%的生石灰,将所得混合物脱水干燥至含水率为15%,粉碎过0.45mm标准筛,得到污泥干化原料;将棕榈须脱水干燥至含水率为15%,粉碎过0.45mm标准筛,形成棕榈须干化原料;
(2)混合与成型:将上述污泥干化原料与棕榈须干化原料按照1∶1的质量比混合并充分搅拌,得到原料混合物;将原料混合物在成型压强为63.2MPa,成型温度为130℃的条件下挤压成型,即得混合成型固体燃料(2#混合成型固体燃料)。该固体燃料的热值和Meyer强度检测结果分别见表1和表2。
实施例3:
一种本发明的污泥与菌渣混合制备固体燃料的方法,包括以下步骤:
(1)预处理:向污泥中加入占污泥干基质量5%的生石灰,将所得混合物脱水干燥至含水率为15%,粉碎过0.45mm标准筛,得到污泥干化原料;将菌渣脱水干燥至含水率为15%,粉碎过0.45mm标准筛,形成菌渣干化原料;
(2)混合与成型:将上述污泥干化原料与菌渣干化原料按照1∶2的质量比混合并充分搅拌,得到原料混合物;将原料混合物在成型压强为63.2MPa,成型温度为110℃的条件下挤压成型,即得混合成型固体燃料(3#混合成型固体燃料)。该固体燃料的热值和Meyer强度检测结果分别见表1和表2。
实施例4:
一种本发明的污泥与巨菌草混合制备固体燃料的方法,包括以下步骤:
(1)预处理:向污泥中加入占污泥干基质量5%的生石灰,将所得混合物脱水干燥至含水率为10%,粉碎过0.45mm标准筛,得到污泥干化原料;将巨菌草脱水干燥至含水率为10%,粉碎过0.45mm标准筛,形成巨菌草干化原料;
(2)混合与成型:将上述污泥干化原料与巨菌草干化原料按照2∶1的质量比混合并充分搅拌,得到原料混合物;将原料混合物在成型压强为75.8MPa,成型温度为130℃的条件下挤压成型,即得混合成型固体燃料(4#混合成型固体燃料)。该固体燃料的热值和Meyer强度检测结果分别见表1和表2。
实施例5:
一种本发明的污泥与木屑混合制备固体燃料的方法,包括以下步骤:
(1)预处理:向污泥中加入占污泥干基质量5%的生石灰,将所得混合物脱水干燥至含水率为15%,粉碎过0.45mm标准筛,得到污泥干化原料;将木屑脱水干燥至含水率为15%,粉碎过0.45mm标准筛,形成木屑干化原料;
(2)混合与成型:将上述污泥干化原料与木屑干化原料按照1∶1的质量比混合并充分搅拌,得到原料混合物;将原料混合物在成型压强为75.8MPa,成型温度为110℃的条件下挤压成型,即得混合成型固体燃料(5#混合成型固体燃料)。该固体燃料的热值和Meyer强度检测结果分别见表1和表2。
实施例6:
一种本发明的污泥与稻草混合制备固体燃料的方法,包括以下步骤:
(1)预处理:向污泥中加入占污泥干基质量5%的生石灰,将所得混合物脱水干燥至含水率为17%,粉碎过0.45mm标准筛,得到污泥干化原料;将稻草脱水干燥至含水率为17%,粉碎过0.45mm标准筛,形成稻草干化原料;
(2)混合与成型:将上述污泥干化原料与稻草干化原料按照1∶1的质量比混合并充分搅拌,得到原料混合物;将原料混合物在成型压强为63.2MPa,成型温度为90℃的条件下挤压成型,即得混合成型固体燃料(6#混合成型固体燃料)。该固体燃料的热值和Meyer强度检测结果分别见表1和表2。
对比例:
一种单一污泥固体燃料的制备方法,包括以下步骤:
向污泥中加入占污泥干基质量5%的生石灰,将所得混合物脱水干燥至含水率为15%,粉碎过0.45mm标准筛,得到污泥干化原料;将污泥干化原料在成型压强为50.5MPa,成型温度为90℃的条件下挤压成型,即得单一污泥固体燃料。采用氧弹燃烧法测定单一污泥固体燃料的热值,用DWD-10型电子式万能试验机测定单一污泥固体燃料的Meyer强度,结果分别见表1和表2。
表1:不同固体燃料热值表
固体燃料 单一污泥固体燃料 1#混合成型固体燃料 2#混合成型固体燃料 3#混合成型固体燃料 4#混合成型固体燃料 5#混合成型固体燃料 6#混合成型固体燃料
热值(kcal/kg) 1553 2614 3236 3294 2631 3093 2748
表2:不同固体燃料的Meyer强度表
固体燃料 单一污泥固体燃料 1#混合成型固体燃料 2#混合成型固体燃料 3#混合成型固体燃料 4#混合成型固体燃料 5#混合成型固体燃料 6#混合成型固体燃料
Meyer强度(N/mm2) 11.8 6.0 10.2 10.8 8.1 8.5 9.2
由表1可知,与单一污泥固体燃料相比,本发明方法制备的混合成型固体燃料的热值提高了大约1倍,使燃料的热值达到普通锅炉的要求。由表2可知,与单一污泥固体燃料相比,本发明方法制备的混合成型固体燃料仍具有较高的Meyer强度。有研究表明固体燃料的Meyer强度在6.0以上就能保证燃料在储运过程中不会发生碎裂,且在锅炉燃烧过程中能够保持骨架结构,提高燃烧效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种污泥与生物质混合制备固体燃料的方法,包括以下步骤:
(1)预处理:向污泥中加入占污泥干基质量1%~5%的添加剂,将所得混合物脱水干燥至含水率为10%~25%,粉碎过筛,形成污泥干化原料;将生物质脱水干燥至含水率为10%~25%,粉碎过筛,形成生物质干化原料;
(2)混合与成型:将上述污泥干化原料与生物质干化原料混合并搅拌,得到原料混合物,其中污泥干化原料在原料混合物中的质量分数为30%~70%,生物质干化原料在原料混合物中的质量分数为70%~30%;将原料混合物进行挤压成型,得到固体燃料。
2.根据权利要求1所述的污泥与生物质混合制备固体燃料的方法,其特征在于,所述污泥的含水率为45%~80%,所述污泥干基的热值范围为1200kcal/kg~3500kcal/kg。
3.根据权利要求1所述的污泥与生物质混合制备固体燃料的方法,其特征在于,所述添加剂为生石灰。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的污泥与生物质混合制备固体燃料的方法,其特征在于,所述生物质为棕榈壳、棕榈须、菌渣、巨菌草、木屑、秸秆中的一种或多种。
5.根据权利要求1~3中任一项所述的污泥与生物质混合制备固体燃料的方法,其特征在于,所述污泥干化原料与所述生物质干化原料的粒径不超过2.0mm。
6.根据权利要求1~3中任一项所述的污泥与生物质混合制备固体燃料的方法,其特征在于,所述步骤(2)中原料混合物的成型条件为:成型压强为50MPa~80MPa,成型温度为90℃~130℃。
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