CN104031687B - 利用污泥气化生成可燃气体的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用污泥气化生成可燃气体的工艺,其工艺步骤是:一、将污泥脱水；二、将脱水后的污泥造粒、凉晒干化；三、将干化后的污泥颗料送入一个一体化密闭热解气化装置,污泥颗料在一体化密闭热解气化装置内至上而下逐步经过干化、干馏、碳化、气化和燃烧过程；最后使装置内产生的气体通过管道排出收集，有机物残渣和无机物经过高温燃烧后变成无害的熔渣通过排渣口排出；本发明单体气化装置可日处理200吨含水率小于60%的污泥；实现污泥处理的减量化、无害化、能源化；有效地避开了产生二噁英的条件；运行费用低：自动化运行和管理可节约大量人力成本；一吨含水率小于30%的污泥平均可气化生成1600Nm3的可燃气体。
Description
技术领域
本发明属于环保领域，尤其涉及一种利用城市污泥，制药厂污泥，皮革污泥，纸类和印染类等含有有机组分的污泥进行气化生成可燃气体的工艺。
背景技术
随着我国水环境污染的加剧，以及污水处理厂建设工程的提速，污水处理厂污泥的处理处置已经成为一个全国性的问题。大量的污泥没有得到安全的处理处置，从而造成对环境的二次污染，在很大程度上影响了建设污水处理厂的效果。
处理污泥需要遵循“三化”原则,即减量化、无害化、资源化。首先，污泥中的污染物很多，尤其是国内，太多的工业废水进入市政污水处理厂，产生的污泥重金属含量很高，再加上一些抗生素、持久性有机污染物、环境技术等等，实际上在国内很多污泥都可以称之为危险废弃物，这种情况下寻求一种妥善的处理方法是显得尤为重要；
填埋法是将污泥经过简单灭菌处理后直接倾倒于低地或谷地，它投资少、见效快、容量大，通常是污水厂建设立项中的首选方式，但填埋方式也存在着自身无法弥补的缺陷，一方面填埋本身并不能最终消除污染，而只是延缓了污染产生的时间，因此存在着二次污染的隐患；另一方面填埋场占用了大量的土地资源，成为城市发展的掣肘。
堆肥法是将污泥通过堆肥的方式进行无害化、稳定化处理后作肥料、园林植土、生活垃圾填埋覆土等。表面看来，堆放方式可以有效处理污泥中的病菌、病毒、虫卵等有害物质，实现污泥的资源化利用。
实际上，由于污泥中含有一定量的重金属、有机污染物和病原菌等，在堆肥农用上具有一定环境风险，施用后需对施用污泥的土壤、底下水及作物等进行长期定点监测，且需控制其最大施用量及连续施用年限。静态堆肥工艺，生产周期长，占用土地多，臭气与蚊蝇对周围环境的影响严重，通常只能选址在远离市区的偏远地方，因而交通运输问题仍无法解决，运输成本较高，也存在运输环境问题。若采用工业化、自动化程度高的动态发酵仓工艺，一次性投资及运行费将大大增加。同时因为污泥成分复杂，由于重金属在土壤中具有累积效应，会对土壤造成重金属污染等环境问题。
焚烧法是污泥处置中最彻底的处理的一种手段，可使污泥得到了最大限度的无害化和减量化。但是污泥焚烧需要在高温下运行，工艺技术复杂，装置一次性投资以及运转维护费用过大，同时焚烧过程中会产生含有二噁英的烟气污染大气，加剧了城市雾霾污染的程度。另外，焚烧费用比较高，燃烧过程中还需要喷煤粉或柴油等一类能源，一般地区没有办法接受，再次，焚烧过程中产生的二噁英消除是个很大的难题。
发明内容：
为解决各类污泥处理过程中存在着的各种缺陷或产生的二次污染问题，本发明的目的是提供一种切实可行、达到污泥处理的减量化、无害化、资源化的利用污泥气化生成可燃气体的工艺；该工艺技术操作管理方便，自动化运行监控易于实现，工程投资和运行费用低廉，能够完全消化掉污泥，生大量的可燃气体，杜绝或避免污泥处理中产生二噁英等有害气体，它易于在全行业推广应用。
本发明的技术方案是以下述方式实现的：
一种利用污泥气化生成可燃气体的工艺,其工艺步骤是:一、将污泥脱水；二、将脱水后的污泥造粒；三、将干化后的污泥颗料送入一个一体化密闭热解气化装置,污泥颗料在一体化密闭热解气化装置内至上而下逐步经过干化、干馏、碳化、气化和燃烧过程；最后使装置内产生的气体通过管道排出收集，有机物残渣和无机物经过高温燃烧后变成无害的熔渣通过排渣口排出；其中：
干化段温度为90～150℃；
干馏段温度为200℃～450℃；
碳化段温度为450℃～1000℃；
气化段温度为1000℃～1200℃；
燃烧段温度为1200℃～1300℃。
所述一体化密闭热解气化装置主体是一密闭直筒壳体、壳体上端连接一钟罩结构的进料口，壳体下端位于熔渣盘上，熔渣盘与壳体之间用水密封；熔渣盘上设有排渣口，进风道设在熔渣盘的底部并与壳体下端相通；壳体内壁为凹凸槽形状，在壳体内部中心安装一实心的导流柱，导流柱刻有锯齿状的导流槽，这些导流槽的作用是确保燃烧段所产生的热能能快速在装置内扩散；壳体内腔至上而下形成干化段、干馏段、碳化段、气化段和燃烧段；在燃烧段的内壁设一水冷腔用于降低燃烧段的温度；在干馏段、碳化段、气化段和燃烧段的壳体外部分别安装有测温传感器；通过其检测值来控制热解气化装置的运行状态；
在干馏段的壳体上设置有气体逸出上端口、气化段的壳体上设置有气体逸出下端口；上端口和下端口连通直通气体收集装置。
所述污泥包括热值大于800kcal/kg的所有污泥。
所述污泥脱水至按重量含水率小于60％。
所述造粒后的污泥经干燥，干燥后的污泥颗粒按重量含水率＜30％。
所述产生的气体通过旋风除尘、电捕焦和喷淋设备除去灰尘、水蒸气和焦油。
所述密闭直筒壳体的高度为20—30米，直径为2—10米。
所述钟罩结构进料口上下两端分别设有单向上封门、单向下封门避免进料时空气进入气化装置，在燃烧段的壳体外壁设与燃烧段相通的观火孔。
本发明的积极效果是：
1)大规模连续化生产：单体气化装置可日处理200吨含水率小于60％的污泥。并在全封闭状态下运行，不产生二次污染因子。
2)减量化显著：污泥采用气化工艺处理后，可一次性减量60％以上甚至达到90％减量。
3)无害化彻底：原生污泥经过高温气化处理，即可完成100％杀灭各种有害菌，完全去除臭味。有机物残渣和无机物经高温燃烧后成为了熔渣，微量的重金属由离子态变化为固相状态。
4)无二次污染：不产生二噁英有害气体，由于是在贫氧状态下进行热解气化，有效地避开了产生二噁英的条件。
5)运行费用低：污泥热解气化不需要外界一次辅助能源，如煤、；自动化运行和管理可节约大量人力成本。
6)产生大量可燃气体：一吨含水率小于30％的污泥平均可气化生成1600Nm3左右的可燃气体。可以节约大量的煤炭、石油、天然气等一次能源，其节约的一次能源当量碳排放可以在国际市场上进行碳汇交易，获得可观的收益。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中的壳体内壁的结构示意图；
图3为图1中的导流柱的结构示意图；
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对对本发明作进一步说明：
实施例一：
由图1、图2、图3可以看出：本发明所述的经过脱水、造粒的污泥颗粒在一体化密闭热解气化装置内至上而下逐步经过干化、干馏、碳化、气化和燃烧过程；最后使装置内产生的气体通过管道排出收集，有机物残渣和无机物经过高温燃烧后变成无害的熔渣通过排渣口排出；所述一体化密闭热解气化装置主体是一密闭直筒壳体、壳体上端连接一钟罩结构的进料口2，壳体下端位于熔渣盘12上，熔渣盘与壳体之间用水密封；熔渣盘12上设有排渣口13，进风道14设在熔渣盘的底部并与壳体下端相通；壳体内壁17为凹凸槽形状，在壳体内部中心安装一实心的导流柱18，导流柱刻有锯齿状的导流槽，这些导流槽的作用是确保燃烧段所产生的热能能快速在装置内扩散；壳体内腔至上而下形成干化段4、干馏段5、碳化段7、气化段8和燃烧段11；在燃烧段的内壁设一水冷腔10用于降低燃烧段的温度；在干馏段5、碳化段7、气化段8和燃烧段11的壳体外部分别安装有测温传感器6；通过其检测值来控制热解气化装置的运行状态；
由图1还可以看出：在干馏段的壳体上设置有气体逸出上端口16、气化段的壳体上设置有气体逸出下端口15；上端口16和下端口15连通直通气体收集装置。
由图1还可以看出：所述钟罩结构进料口2上下两端分别设有单向上封门1、单向下封门3避免进料时空气进入气化装置，在燃烧段的壳体外壁设与燃烧段相通的观火孔9。
利用污泥气化生成可燃气体的工艺路线具体操作步骤如下:
第一步：在一体化密闭热解气化装置底部，使用煤或其他燃料进行初始化点火使装置内部温度达到至少1100度形成气化环境，然后将预先晾干的一部分含水率＜30％、重量为200kg污泥颗粒推入装置内，通过鼓风机向燃烧段输送氧气，在此状态下，污泥颗粒被碳化和气化，碳化产生的游离碳和气化产生的气体其中一部分发生燃烧，通过燃烧掉一部分污泥被碳化生成的游离碳和气化生成的气体使装置产生一定的温度并形成热解气化环境，能够维持整个热解气化过程连续运行。
第二步：用输送带将造粒后污泥源源不断通过钟罩送入装置，钟罩的初始状态是单向上封门和单向下封门关闭，当直至装满整个装置，通过污泥颗粒间的缝隙，装置内壁的导流槽和导流柱的导流槽，在燃烧段所产生热量向气化段，碳化段，干馏段和干化段进行扩散。热量每经过一段都会消耗，在达到各段相应的温度下，会发生相应的反应。热量到达干化段时，温度为90～150℃，在此温度下不断烘干脱去污泥颗粒的部分水份，污泥逐步变干化，为发生干馏反应做准备。
第三步，逐步变干化后的污泥在温度200℃～450℃的的烘烤下，由于大分子的有机物具有热不稳定性，发生干馏反应，大分子有机物发生裂解生成大量烷类气体(CmHn)和少量焦油可燃气体及水蒸气(H2O)，这些气体从上出气端口逸出。从二噁英的分子结构可知，氧和氯元素存在是二恶英生成的基本条件。污泥干馏过程中，完全处于缺氧状态，经干馏产生可燃气体后的污泥又被碳化，然后在高温状态下与氧气和水蒸汽进行氧化与还原反应生成一氧化碳，不属污泥直接焚烧，因此避开了产生二恶英的环境，能有效遏制了二恶英类物质的生成。
第四步，经过干馏后的污泥，在450℃-1000℃和无氧状态下有机质发生碳化反应，形成了游离碳。
第五步，经过干馏和碳化后污泥主要残留物是游离炭和少量粘土等物质，在1000℃-1200℃温度和水蒸气的作用下，发生氧化还原反应产生一氧化碳(CO)、氢(H2)等可燃气体，这些气体从下出气端口逸出通向收集器，少量气体通过导流通道也会从上出气端口逸出一同通向收集器。发生氧化还原反应为：
C+O2＝CO2+408840kJ/kmol
C+1/2O2＝CO+123217kJ/kmol
CO2+C＝2CO-162405kJ/kmol
C+H2O＝CO+H2-118821kJ/kmol
C+2H2O＝CO2+2H2-75237kJ/kmol
第六步污泥的有机物经过干馏、碳化和气化后，部分游离碳和可燃气体被燃烧生成二氧化碳(CO2)和无机熔渣，为污泥热解气化整个过程持续不断地提供热量。此段温度可达1200℃～1300℃。经过上述过程后，污泥中各类细菌病原菌被彻底杀灭，剩下的无机物被烧成熔渣了。
第七步当干馏段或碳化段或气化段的温度超过燃烧段温度，调节富氧装置降低进风道中空气的氧含量，启动水冷腔的水循环，并向进风道中导入一定量的水蒸气进入燃烧段来降低该段的温度，从而调节装置内的温度。如果干馏段或碳化段或气化段的温度低于该段设置的温度，通过提高送氧量和启动熔渣盘和排渣口排出一些灰渣，来控制燃烧段的温度，从而保证整个装置的热解气化温度。
第八步通过观火孔人工观察燃烧段的燃烧情况或者通过测温系统测得燃烧段的温度低于900℃后启动排渣设备进行排渣，随着装置底部熔渣的排出，底部就会腾出部分空间，装置内部的污泥就会因自身重力作用下移，依次进入不同的反应段进行反应。然后，启动污泥输送设备，工艺过程从第二步开始，周而复始进行处理，实现连续化生产。
本发明应用实施例如下：
应用例一
某污水处理厂，每天产生200吨含水率为80％的污泥，通过污泥脱水处理后至含水率为59％，经过检测其污泥热值为2700kcal/kg，经过日处理200吨、含水率为60％的本发明工艺和设备进行处理，设置进风道的氧气含量为25％，在此基础上进行控制装置的处理过程，每天处理污泥的实际重量为200吨。其产生的气体热值经测试为1000kcal/kg。经检测所产生的气体中不含二噁英气体成分，其气体主要成分见表一
表一
应用例二
某污水处理厂，污泥脱水处理后含水率为55％，污泥热值为1650kcal/kg，经过日处理100吨(含水率60％)的本发明工艺和设备进行处理，设置进风道的氧气含量为25％，在此基础上进行控制装置的处理过程，每天处理污泥实际数量为110(含水率60％)吨，其产生的气体热值经测试为820kcal/kg。经检测所产生的气体中不含二噁英气体成分，其气体主要成分见表二:
表二
应用例三
某制药厂每天产生污泥150吨(含水率80％)，其污泥脱水处理后含水率为57％，污泥热值为3200kcal/kg，经过日处理100吨含水率为60％的本发明工艺和设备进行处理，设置进风道的氧气含量为25％，在此基础上进行控制装置的处理过程，每天处理污泥实际数量为120吨(含水率60％)其产生的气体热值经测试为1900kcal/kg。经检测所产生的气体中不含二噁英气体成分，其气体主要成分见表三:
表三
Claims (8)
1.一种利用污泥气化生成可燃气体的工艺,其工艺步骤是:一、将污泥脱水；二、将脱水后的污泥造粒；三、将干燥后的污泥颗料送入一个一体化密闭热解气化装置,污泥颗料在一体化密闭热解气化装置内至上而下逐步经过干化、干馏、碳化、气化和燃烧过程；最后使装置内产生的气体通过管道排出收集，有机物残渣和无机物经过高温燃烧后变成无害的熔渣通过排渣口排出；其特征在于：
干化段温度为90～150℃；
干馏段温度为200℃～450℃
碳化段温度为450℃～1000℃；
气化段温度为1000℃～1200℃；
燃烧段温度为1200℃～1300℃。
2.根据权利要求1所述的利用污泥气化生成可燃气体的工艺，其特征在于：一体化密闭热解气化装置主体是一密闭直筒壳体、壳体上端连接一钟罩结构的进料口（2），壳体下端位于熔渣盘（12）上，熔渣盘与壳体之间用水密封；熔渣盘(12)上设有排渣口(13)，进风道（14）设在熔渣盘的底部并与壳体下端相通；壳体内壁（17）为凹凸槽形状，在壳体内部中心安装一实心的导流柱（18），导流柱刻有锯齿状的导流槽，壳体内腔至上而下形成干化段（4）、干馏段（5）、碳化段（7）、气化段（8）和燃烧段（11）；在燃烧段的内壁设一水冷腔（10），在干馏段（5）、碳化段（7）、气化段（8）和燃烧段（11）的壳体外部分别安装有测温传感器（6）：在干馏段的壳体上设置有气体逸出上端口（16）、气化段的壳体上设置有气体逸出下端口（15）；上端口（16）和下端口（15）连通。
3.根据权利要求2所述的利用污泥气化生成可燃气体的工艺，其特征在于：污泥包括热值大于800kcal/kg的所有污泥。
4.根据权利要求3所述的利用污泥气化生成可燃气体的工艺，其特征在于：按重量污泥脱水至含水率小于60%。
5.根据权利要求4所述的利用污泥气化生成可燃气体的工艺，其特征在于：造粒后的污泥经干燥，干燥后的污泥颗粒按重量含水率＜30%。
6.根据权利要求5所述的利用污泥气化生成可燃气体的工艺，其特征在于：所产生的气体通过旋风除尘、电捕焦和喷淋设备除去灰尘、水蒸气和焦油。
7.根据权利要求2、3、4、5、或6所述的利用污泥气化生成可燃气体的工艺，其特征在于：壳体的高度为20—30米，直径为2—10米。
8.根据权利要求7所述的利用污泥气化生成可燃气体的工艺，其特征在于：钟罩结构进料口（2）上下两端分别设有单向上封门（1）、单向下封门（3），在燃烧段的壳体外壁设有与燃烧段相通的观火孔（9）。
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