CN103333716A

CN103333716A - 一种以污泥为原料制备富氢燃气的方法和产品

Info

Publication number: CN103333716A
Application number: CN2013102650669A
Authority: CN
Inventors: 郑明涛; 刘应亮; 刘向荣; 雷炳富; 肖勇; 董汉武; 张浩然; 冯濠彬
Original assignee: South China Agricultural University
Current assignee: South China Agricultural University
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2013-10-02

Abstract

本发明提供一种以污泥为原料制备富氢燃气的方法和产品，其特征在于将剩余污泥输送至隔绝空气的密闭反应器中，密闭反应器保持在水热条件下（温度为200-500℃、压力为8-30MPa），反应一段时间，产生的富氢燃气（氢气含量30%-70%）连通气液分离器，将富氢燃气输入储气罐储存。通过开启反应器输入阀与输出阀，将反应器中反应后的无机盐、污泥碳、有机液排入脱盐器，实现固液分离，固体组分输入碳化室进行碳化得到无污染、有肥效的污泥碳。相比现有工艺如堆肥、厌氧消化、干化、焚烧等工艺，本发明具有工艺简单、无需对污泥进行成本高的干化脱水处理，去除臭味，杀死寄生虫卵，同时能得到富氢燃气，实现了污泥资源化、能源化的综合利用等优点。

Description

一种以污泥为原料制备富氢燃气的方法和产品

技术领域

本发明涉及环境科学领域，更具体地，涉及一种以污泥为原料制备富氢燃气的方法和产品。

背景技术

污泥是污水处理过程中的伴生物。它具有含水率高、易腐烂、有恶臭、含有重金属和大量寄生虫卵及病原微生物等特性。随着污水处理设施的普及和污水处理率的提高，污水处理厂产生的污泥量大大增加。根据住建部资料，截至2010年底全国城镇污泥产量接近2200万吨，估计到2015年，污泥产生总量将在达到3560万吨，目前全国的大多数中小型城镇污水处理厂和部分大中型城市污水处理厂采用的还是“浓缩一脱水一外运填埋”的传统办法，有的厂污泥没有正常出路干脆在厂区或租地临时堆放。污水处理厂没有污泥稳定化和无害化处理设施是普遍情况，显然无法对污泥进行稳定和无害处理。大量生污泥直接外运填理或堆放，不仅不符合国家颁布实施的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB，8918-2002)要求，而且占用大量土地，导致产生臭气、蚊蝇、渗滤液等，并严重污染周围环境和地下水。将生污泥外运直接作肥料使用，直接施入农田，污泥中的重金属(尤其是重金属超标的污泥)、寄生虫卵和病原微生物，都有潜在的毒害危险，可能导致农作物和土壤严重污染和毒害，甚至影响人类的健康。因此，在城市水污染治理的同时迫切需要解决污泥带来的问题。

从目前国际上已建成运行的污泥处理处置项目来看，常见的污泥处理方式有：好氧发酵（堆肥）、厌氧消化、干化、焚烧。污泥处置方式有土地利用、填埋、综合利用。好氧发酵技术是利用污泥中的微生物进行发酵，可以达到“无害化”、“减量化”、“资源化”的效果，并且具有经济、实用、不需外加能源、不产生二次污染等特点。但在技术理论和工艺上还存在一些瓶颈，如需要大量辅料、臭气控制难、存在人畜健康安全风险等，好氧发酵技术仍有很大的提高潜力。厌氧消化是指在无氧条件下，由兼性菌和厌氧菌将污泥中可生物降解的有机物分解成二氧化碳、甲烷和水等稳定的物质，同时减小污泥体积，去除臭味，杀死寄生虫卵等优点，但我国尚未取得突破性进展，关键技术和设备主要依靠进口，投资相对较高，运行效果较差，沼气利用环节存在障碍。焚烧是指在空气供给过量的条件下，将污泥加热，并高温（850-1100℃）氧化、热解并彻底破坏其中的有机物和病原体等物质的方式。但投资高、能耗高、气污染控制难等问题。

为了克服污泥产量大，处理难等问题，开发新的工艺技术是污泥实现资源化、能源化的利用是必由之路。采用水热法，将污泥加热到一定温度和压力下，使污泥中的粘性有机物分解、气化，破坏污泥的胶体结构，改善脱水性能，同时又产生富氢燃气进行能源化利用。经过水热处理后的污泥在不添加絮凝剂的情况下，机械脱水可使含水率大幅度降低到35％以下，大大提高了污泥的脱水性能。目前还没有利用水热法处理污泥制备富氢燃气的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种以污泥为原料制备富氢燃气的方法和产品。与现有方法、技术相比，本发明提供的方法工艺简单、无需对污泥进行能耗高的干化脱水处理，去除臭味，杀死寄生虫卵，同时能得到富氢燃气，实现了污泥资源化、能源化的综合利用。

为实现以上发明目的，本发明提供一种以污泥为原料制备富氢燃气的方法，将污泥输送至隔绝空气的密闭反应器中，进行水热反应，所述的水热反应的条件，温度为200-500℃、压力为10-30MPa，反应5-15分钟，产生的可燃气和固体组分，将可燃气通过气液分离器，得富氢燃气；将固体组分通过脱盐器，再经过碳化，即得污泥碳。

所述得的水热反应的热能由得到富氢燃气燃烧提供。

所述的水热的条件的温度为250-450℃、压力为15-25MPa。

在进行所述的水热反应前，加入催化剂，所述的催化剂为碳素类催化剂、金属及金属氧化物类催化剂或碱性无机催化剂中的一种或多种。

所述的催化剂为碳、镍、二氧化钛、氢氧化钠、碳酸钠、白云石中的一种或几种。

所述的密闭反应器和气液分离器通过背压阀连接，并控制所述的可燃气的流通和流量。

所述的富氢燃气中氢气含量为30-70%。

所述的污泥为工业污泥、下水道污泥、家禽排泄物、农林废弃物或污水处理厂的剩余污泥。

根据需求再提供一种上述方法制得的富氢燃气，其特征在于，所述的氢气含量为30-70%。

本发明具有以下优点：

本发明提供一种水热条件下，处理污泥及其他含水率高的废弃生物质，实现资源化、能源化综合利用的途径。与现有方法和工艺相比，本发明的优点在于：相比于厌氧消化方法，本发明提供的方法产生的燃气具有很高的热值，并且大幅提高了产量与产率；相比于干化、焚烧方法，本发明的能耗更低、投资少，二次污染明显降低；并且生产工艺简单、易于规模化生产。本发明制备富氢燃气在发电、天然气、氢气制备等领域，以及在处理污染大、产量高的污泥等废弃生物质方面具有十分广阔的前景。

附图说明

图1为本发明水热反应处理污泥制备富氢燃气的方法和工艺。

图中：1、加料斗，2、输送机构，3、反应器，4、燃烧尾气，5、脱盐器，6、气液分离器，7、直排水，8、废液，9、输送机构，10、燃烧室，11、污泥碳，12、储气罐。

图2为实施案例7产生的富氢燃气与标准气体组分的气相色谱谱图。

图3为实施案例7产生的富氢燃气与标准气体组分的含量对比图。

具体实施方式

将含水率为40-80%的污泥等生物质原料加热物料斗，经过高压泵或者螺旋进料器输入反应器，反应器为内置燃烧室，采用天然气或者本发明产生的富氢燃气进行加热反应器。污泥原料在反应器内进行反应，反应器保持隔绝空气的水热条件，反应的温度为250-450 ℃，压力为10-25 MPa，反应时间为5-30 Min。反应后产生了气体、液体、固体三部分成分，气体产物为氢气、一氧化碳、甲烷、二氧化碳、烃类气体从反应器顶部连通的气液分离器将气体成分分离开来。液体和固体组分经背压阀连接脱盐器实现固液分离。

为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。以下以具体实施例说明本发明的效果，但本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1：

以城市污水处理厂污泥为原料，原料含水率约为75%，反应器温度为350 ℃，反应器压力为16 MPa，原料停留时间为5分钟，不使用催化剂。得到的富氢燃气组分（体积含量）为：氢气为40.4%、一氧化碳为11.6%、甲烷为14.7%、二氧化碳为30.2%、其他为烃类气体。固体含水率约为37%。

实施例2：

以造纸厂废液污泥为原料，原料含水率约为80%，反应器温度为350 ℃，反应器压力为16 MPa，原料停留时间为15分钟，不使用催化剂。得到的富氢燃气组分（体积含量）为：氢气为43.5%、一氧化碳为12.8%、甲烷为18.7%、二氧化碳为20.9%、其他为烃类气体。固体含水率约为34%。

实施例3：

以养猪厂粪便为原料，原料含水率约为48%，反应器温度为350 ℃，反应器压力为16 MPa，原料停留时间为15分钟，不使用催化剂。得到的富氢燃气组分（体积含量）为：氢气为34.9%、一氧化碳为14.6%、甲烷为12.7%、二氧化碳为25.4%、其他为烃类气体。固体含水率约为28%。

实施例4：

以城市污水处理厂污泥为原料，原料含水率约为75%，反应器温度为350 ℃，反应器压力为16 MPa，原料停留时间为30分钟，使用KOH为催化剂将原料pH调节为9。得到的富氢燃气组分（体积含量）为：氢气为41.1%、一氧化碳为12.2%、甲烷为10.8%、二氧化碳为32.5%、其他为烃类气体。固体含水率约为38%。

实施例5：

以造纸厂废液污泥为原料，原料含水率约为80%，反应器温度为350 ℃，反应器压力为16 MPa，原料停留时间为15分钟，使用KOH为催化剂将原料pH调节为9。得到的富氢燃气组分（体积含量）为：氢气为48.7%、一氧化碳为8.4%、甲烷为10.7%、二氧化碳为29.6%、其他为烃类气体。固体含水率约为34%。

实施例6：

以养猪厂粪便为原料，原料含水率约为48%，反应器温度为350 ℃，反应器压力为16 MPa，原料停留时间为15分钟，使用KOH为催化剂将原料pH调节为9。得到的富氢燃气组分（体积含量）为：氢气为39.2%、一氧化碳为10.3%、甲烷为13.6%、二氧化碳为25.4%、其他为烃类气体。固体含水率约为28%。

实施例7：

以城市污水处理厂污泥为原料，原料含水率约为75%，反应器温度为350 ℃，反应器压力为18 MPa，原料停留时间为15分钟，使用KOH为催化剂将原料pH调节为9，在结合镍金属催化剂。得到的富氢燃气组分（体积含量）为：氢气为59.8%、一氧化碳为4.2%、甲烷为9.6%、二氧化碳为20.2%、其他为烃类气体。固体含水率约为36%。

实施例8：

以城市污水处理厂污泥为原料，原料含水率约为75%，反应器温度为200 ℃，反应器压力为10 MPa，原料停留时间为15分钟，使用KOH为催化剂将原料pH调节为9，在结合镍金属催化剂。得到的富氢燃气组分（体积含量）为：氢气为41.4%、一氧化碳为10.1%、甲烷为18.6%、二氧化碳为23.2%、其他为烃类气体。固体含水率约为38%。

实施例9：

以城市污水处理厂污泥为原料，原料含水率约为75%，反应器温度为500 ℃，反应器压力为30 MPa，原料停留时间为15分钟，使用KOH为催化剂将原料pH调节为9，在结合镍金属催化剂。得到的富氢燃气组分（体积含量）为：氢气为63.4%、一氧化碳为3.7%、甲烷为8.2%、二氧化碳为18.2%、其他为烃类气体。固体含水率约为36%。

实施例10：

以造纸厂废液污泥为原料，原料含水率约为80%，反应器温度为400 ℃，反应器压力为24 MPa，原料停留时间为15分钟，使用KOH为催化剂将原料pH调节为9，在结合镍金属催化剂。得到的富氢燃气组分（体积含量）为：氢气为65.3%、一氧化碳为5.8%、甲烷为10.7%、二氧化碳为16.9%、其他为烃类气体。固体含水率约为34%。

Claims

1. 一种以污泥为原料制备富氢燃气的方法，其特征在于，将污泥输送至隔绝空气的密闭反应器中，进行水热反应，所述的水热反应的条件，温度为200-500℃、压力为10-30MPa，反应5-15分钟，产生的可燃气和固体组分，将可燃气通过气液分离器，得富氢燃气；将固体组分通过脱盐器，再经过碳化，即得污泥碳。

2. 根据权利要求1所述的以污泥为原料制备富氢燃气的方法，其特征在于，所述得的水热反应的热能由得到富氢燃气燃烧提供。

3. 根据权利要求1所述的以污泥为原料制备富氢燃气的方法，其特征在于，所述的水热的条件的温度为250-450℃、压力为15-25MPa。

4. 根据权利要求1所述的以污泥为原料制备富氢燃气的方法，其特征在于，在进行所述的水热反应前，加入催化剂，所述的催化剂为碳素类催化剂、金属及金属氧化物类催化剂或碱性无机催化剂中的一种或多种。

5. 根据权利要求4所述的以污泥为原料制备富氢燃气的方法，其特征在于，所述的催化剂为碳、镍、二氧化钛、氢氧化钠、碳酸钠、白云石中的一种或几种。

6. 权利要求1所述的以污泥为原料制备富氢燃气的方法，其特征在于，所述的密闭反应器和气液分离器通过背压阀连接，并控制所述的可燃气的流通和流量。

7. 权利要求1所述的以污泥为原料制备富氢燃气的方法，其特征在于，所述的富氢燃气中氢气含量为30-70%。

8. 权利要求1所述的以污泥为原料制备富氢燃气的方法，其特征在于，所述的污泥为工业污泥、下水道污泥、家禽排泄物、农林废弃物或污水处理厂的剩余污泥。

9. 根据权利要求1所述方法制得的富氢燃气，其特征在于，所述的氢气含量为30-70%。