CN104355519A - 基于水热碳化和微波快速热解的污泥综合处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于水热碳化和微波快速热解的污泥综合处理方法，包括污泥水热碳化和微波快速热解两大步骤。水热碳化用于污泥前期预处理，可以解决污泥高水分低热值的难点，在源头上提高污泥的能量品位；通过将水热碳化反应后的污泥碳进行微波快速热解，获得较好产率的液体燃料和可燃气体，固体残余焦炭可用于工业原料，从而实现污泥高效低污染能源资源化处置。本发明资源利用程度高，清洁环保，运行成本低，是一种快速处理污泥的方法，应用前景较广。

Description

基于水热碳化和微波快速热解的污泥综合处理方法
技术领域
本发明涉及一种污泥处理方法，尤其涉及一种基于水热碳化和微波快速热解的污泥综合处理方法。
 
背景技术
城市化进程加快、工业快速发展，带来了大量的城市污水污泥与工业污泥。污泥成分复杂，含重金属和病原微生物等，必须进行妥善地处理，才能防止对环境造成二次污染。因此，在可持续发展的新世纪，寻求污泥的无害化、减量化和资源化处置方法和技术已经成为研究的热点。
污泥现有的处理技术主要有填埋、堆肥和热处理三大技术。热处置技术主要分为直接焚烧和热解气化两种，与直接焚烧相比快速热解技术可以产生气态、液态和固态的燃料，并具有无害化彻底、资源化充分和二次污染小等特点。快速热解过程中，如何快速升温是实现快速热解的关键因素。微波加热方式的出现，为实现快速热解提供了技术基础。
微波的体加热方式广泛应用于电介质材料的加热。与传统加热相比，材料粒径不受约束，能量聚集在有限空间里面，均一的内部加热，具有加热均匀、时间短和效率高的特点。同时微波加热易于控制，快速启停、设备简单、技术成熟、成本低，有益于其大规模的工业使用。虽然微波快速热解技术在生物质热解取得了一些进展，然而由于污泥含水率过高、热值低以及灰分含量高的特点，使得微波热解技术在污泥热处置进展缓慢。
水热碳化技术是将物料与水按一定比例混合放入反应釜中，在一定的温度(180～300 ℃)、压力(1.400～27.6MPa)和反应时间(4～24h)条件下进行的水热反应，以固体产物炭为最终目标产物。从反应条件上而言，与水热气化和水热液化相比，水热碳化所需要的温度和压力都较低，反应条件相对较温和；从能量密度上而言，水热生物炭品质接近于褐煤和泥炭可作为复合固体燃料，可用于热解或直接燃烧。国内外研究学者认为，生物质水热碳化必将作为生物质资源向高能量密度燃料的转化技术之一。
水热碳化用于污泥前期预处理，可以解决污泥高水分低热值的难点；通过将污泥水热碳化转化为固体产物焦炭进行微波快速热解，获得较好的焦炭、焦油和可燃气体的产率，从而实现污泥高效低污染能源化利用。将水热碳化与微波快速热解联合能源化处理污泥的研究未见相关报道，因此本发明提出基于水热碳化和微波快速热解污泥综合处理方法。
 
发明内容
本发明针对现有污泥热处理快速升温的技术缺陷和污泥含水率过高的不足，提出一种基于水热碳化和微波快速热解的污泥综合处理方法，实现污泥无害化、减量化和资源化处置。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
基于水热碳化和微波快速热解污泥综合处理方法，包括如下步骤：
（1）将存储仓脱水污泥送至污泥预热系统；
（2）污泥预热后，利用浆液泵送入污泥水热碳化反应釜进行反应，得到水热碳化产物；
（3）将得到的水热碳化产物用过滤机进行固液分离，得到水热裂解过滤液和固体产物，水热裂解过滤液进入污泥预热系统管道，预热脱水污泥；分离的固体产物进行机械脱水，得到水热污泥碳；
（4）水热裂解过滤液预热脱水污泥后，进入降压降温罐，得到气态产物，随后送进燃气室燃烧，经过净化处理后排放到大气中；
（5）机械脱水后的水热污泥碳送至微波快速热解反应装置，经过快速热解得到气固液三相产物：焦油、可燃气体和热解固体残余焦炭。
热解固体残渣富含Na、Mg金属可用于制作土壤改良剂或者工业吸附剂原料；其他产物送入气液分离装置分离得到可燃气体焦油，可燃气体送至燃烧室燃烧，用于能量回收，发电或者供热；得到的焦油可用于工业使用。
脱水污泥经过水热碳化时，发生脱水、缩聚、芳构化等反应，使得污泥的脱水性能得到提升；碳化后的污泥中的挥发分含量降低，而固定碳增多，同时O/C和H/C分子比降低，使得水热污泥碳热值得到提升，在能量品位上接近褐煤。随后使用微波对水热污泥碳进行快速热解，制取焦油和可燃气体，实现污泥无害化彻底、资源化充分处置，并且二次污染小。
作为优选的，步骤(1)中的脱水污泥的含水率约为70~80wt%，污泥预热系统将污泥预热至80~140 ℃，预热系统的加热温度为130~160 ℃。
作为优选的，步骤(2)中所述反应的反应温度为180~300 ℃，反应压力为1.4~10MPa，反应时间为0.5-2h。
作为优选的，步骤(2)中水热碳化反应釜通入氮气，以保持反应在惰性气氛中进行。
作为优选的，步骤(2)中水热碳化反应釜的搅拌速度为100~300rpm。
作为优选的，步骤(3)中水热裂解过滤液温度为170~250 ℃，经过管道输送与污泥预热系统进行热交换，降低整个工艺流程的能耗，减少运行成本。
作为优选的，步骤(3)中经过机械脱水后的水热污泥碳的含水率为20~40wt%。
作为优选的，步骤(4)中的燃气室温度为650~850 ℃。
作为优选的，步骤(5)中的微波快速热解反应装置温度为600~800 ℃。步骤(5)中得到的焦油用于工业使用，可燃气体用于燃气室燃烧产生电能或热能，热解残渣用于工业吸附剂和土壤改良剂的原料
本发明采用上述技术方案，在污泥无害化、减量化和资源化处置上具有明显的效果：本发明基于水热碳化和微波快速热解污泥综合处理方法，在微波快速热解污泥处置之前增加了水热碳化反应的工序，可在源头上提高污泥的能量品位，因而克服了污泥含水率过高和热值低的缺点，减少了微波热解装置的能耗；再者，本发明充分利用水热反应后的过滤液加热污泥预热系统，同时经过燃烧室燃烧可燃气体可通过发电和供热等形式回收能量用于系统的运转，不需要外部的燃料或能量甚至可以对外提供电能或热量，产生的焦油和残余焦炭可用于工业使用原料，资源化程度高、运行成本低，最后，热解处理二次污染少，病原体微生物得到完全灭绝，重金属有效的固定的热解残渣中，无害化处理、清洁环保。
 
附图说明
图1是本发明的基于水热碳化和微波快速热解污泥综合处理方法的工艺流程图。
 
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步地具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
以下实施例的操作步骤如图1所示。
实施例1：
(1)将质量为100g，含水率约为76.2wt%的脱水污泥，送至污泥预热系统预热至90 ℃；
(2)预热后的污泥经过泵送入污泥水热碳化反应釜进行水热碳化反应，水热反应温度为180 ℃，自生压力2.2MPa，反应时间0.5h，转速120 rpm，并通入氮气以保证反应在惰性气氛中进行；
(3)将得到的水热碳化产物用过滤机进行固液分离。水热裂解过滤液(170 ℃)进入污泥预热系统管道，预热脱水污泥；分离的固体进行机械脱水，得到水热污泥碳36.9g，含水率为37.6 wt%；
(4)水热裂解过滤液预热脱水污泥后，进入降压降温罐(低于0.15Mpa，低于85 ℃)，得到气态产物。随后送进燃气室燃烧(675℃)，经过净化处理后排放到大气中；
(5)机械脱水后的水热污泥碳送至微波快速热解反应装置，微波热解温度为650 ℃，经过快速热解得到气固液三相产物:焦油、可燃气体和固体残余焦炭。三者的产率分别为16.3%、19.6%和64.1%。
实施例2：
(1) 将质量为100g，含水率约为76.2wt%的脱水污泥，送至污泥预热系统预热至110 ℃；
(2)预热后的污泥经过泵送入污泥水热碳化反应釜进行水热碳化反应，水热反应温度为220 ℃，自生压力4.5MPa，反应时间1.0h，转速150 rpm，并通入氮气以保证反应在惰性气氛中进行；
(3)将得到的水热碳化产物用过滤机进行固液分离。水热裂解过滤液(200 ℃)进入污泥预热系统管道，预热脱水污泥；分离的固体进行机械脱水，得到水热污泥碳33.2g，含水率31.2wt%；
(4)水热裂解过滤液预热脱水污泥后，进入降压降温罐(低于0.15Mpa，低于85 ℃)，得到气态产物。随后送进燃气室燃烧(700℃)，经过净化处理后排放到大气中；
(5)机械脱水后的水热污泥碳送至微波快速热解反应装置，微波热解温度为700 ℃，经过快速热解得到气固液三相产物:焦油、可燃气体和固体残余焦炭。三者的产率分别为18.1%、25.6%和56.3%。
实施例3：
(1) 将质量为100g，含水率约为76.2wt%的脱水污泥，送至污泥预热系统预热至125 ℃；
(2)预热后的污泥经过泵送入污泥水热碳化反应釜进行水热碳化反应，水热反应温度为250 ℃，自生压力7.5MPa，反应时间1.5h，转速200 rpm，并通入氮气以保证反应在惰性气氛中进行；
(3)将得到的水热碳化产物用过滤机进行固液分离。水热裂解过滤液(230 ℃)进入污泥预热系统管道，预热脱水污泥；分离的固体进行机械脱水，得到水热污泥碳31.3g，含水率27.5wt%,；
(4)水热裂解过滤液预热脱水污泥后，进入降压降温罐(低于0.15Mpa，低于85 ℃)，得到气态产物。随后送进燃气室燃烧(730℃)，经过净化处理后排放到大气中；
(5)机械脱水后的水热污泥碳送至微波快速热解反应装置，微波热解温度为750 ℃，经过快速热解得到气固液三相产物:焦油、可燃气体和固体残余焦炭。三者的产率分别为21.6%、32.7%和45.7%。
 
实施例4：
(1)将存储仓脱水污泥将质量为100g，含水率约为76.2wt%的脱水污泥，送至污泥预热系统预热至140 ℃；
(2)预热后的污泥经过泵送入污泥水热碳化反应釜进行水热碳化反应，水热反应温度为300 ℃，自生压力9.5MPa，反应时间2.0h，转速250 rpm，并通入氮气以保证反应在惰性气氛中进行；
(3)将得到的水热碳化产物用过滤机进行固液分离。水热裂解过滤液(270 ℃)进入污泥预热系统管道，预热脱水污泥；分离的固体进行机械脱水，得到水热污泥碳29.1g，含水率22.3wt%；
(4)水热裂解过滤液预热脱水污泥后，进入降压降温罐(低于0.15Mpa，低于85 ℃)，得到气态产物。随后送进燃气室燃烧(800℃)，经过净化处理后排放到大气中；
(5)机械脱水后的水热污泥碳送至微波快速热解反应装置，微波热解温度为800 ℃，经过快速热解得到气固液三相产物:焦油、可燃气体和固体残余焦炭。三者的产率分别为24.2%、34.6%和41.2%。
从上述实施例可知，本发明制备焦油的油产率约为：15~25%。
气体产率约为：20~35%，富含CO、H2、CH4、C2H4、C2H6和CxHy等可燃气体。
固体残余焦炭产率约为：40~65%，含有Si、Ca、Al、Mg和Na等金属，可用于工业吸附剂和土壤改良剂的原料。
本发明中，气体产率=100%-焦油产率-残余焦炭产率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (10)

1.基于水热碳化和微波快速热解的污泥综合处理方法，其特征在与，包括以下步骤：
（1）将存储仓脱水污泥送至污泥预热系统；
（2）污泥预热后，利用浆液泵送入污泥水热碳化反应釜进行反应，得到水热碳化产物；
（3）将得到的水热碳化产物用过滤机进行固液分离，得到水热裂解过滤液和固体产物，水热裂解过滤液进入污泥预热系统管道，预热脱水污泥；分离的固体产物进行机械脱水，得到水热污泥碳；
（4）所述水热裂解过滤液预热脱水污泥后，进入降压降温罐，得到气态产物，随后送进燃气室燃烧，经过净化处理后排放到大气中；
（5）机械脱水后的水热污泥碳送至微波快速热解反应装置，经过快速热解得到气固液三相产物：焦油、可燃气体和热解固体残余焦炭。
2.根据权利要求1所述的基于水热碳化和微波快速热解的污泥综合处理方法，其特征在于步骤(1)中的脱水污泥的含水率约为70~80wt%，污泥预热系统将污泥预热至80~140 ℃，预热系统的加热温度为130~160 ℃。
3.根据权利要求1所述的基于水热碳化和微波快速热解的污泥综合处理方法，其特征在于，步骤(2)中所述反应的反应温度为180~300 ℃，反应压力为1.4~10MPa，反应时间为0.5-2h。
4.根据权利要求1所述的基于水热碳化和微波快速热解的污泥综合处理方法，其特征在于，步骤(2)中水热碳化反应釜通入氮气，以保持反应在惰性气氛中进行。
5.根据权利要求1所述的基于水热碳化和微波快速热解的污泥综合处理方法，其特征在于，步骤(2)中水热碳化反应釜的搅拌速度为100~300rpm。
6.根据权利要求1所述的基于水热碳化和微波快速热解的污泥综合处理方法，其特征在于，步骤(3)中水热裂解过滤液温度为170~250 ℃，经过管道输送与污泥预热系统进行热交换。
7.根据权利要求1所述的基于水热碳化和微波快速热解的污泥综合处理方法，其特征在于，步骤(3)中经过机械脱水后的水热污泥碳的含水率为20~40wt%。
8.根据权利要求1所述的基于水热碳化和微波快速热解的污泥综合处理方法，其特征在于步骤(4)中的燃气室温度为650~850℃。
9.根据权利要求1所述的基于水热碳化和微波快速热解的污泥综合处理方法，其特征在于步骤(5)中的微波快速热解反应装置温度为600~800℃。
10.根据权利要求1所述的基于水热碳化和微波快速热解的污泥综合处理方法，其特征在于步骤(5)中得到的焦油用于工业使用，可燃气体用于燃气室燃烧产生电能或热能，热解残渣用于工业吸附剂和土壤改良剂的原料。
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