CN105523555B - 一种污泥类泥质生物质的活性炭制取方法 - Google Patents

Abstract

一种污泥类泥质生物质的活性炭制取方法，包括微爆炸剂/骨料构建调理过程、太阳能夹层干化过程和活化二段热解过程；将污泥类泥质生物质脱水后的污泥、微爆炸剂和骨料以干基的质量比8.5：0.5：1.0～6：2：2进行混合均匀后进行布料，在太阳能夹层干化系统中进行干化，再进入热解炉进行二段热解，初期炭化阶段控制温度在230℃，停留20min，再以20～40℃/min的速率升温到400℃，停留30～60min，水蒸气活化阶段通入水蒸气，流速为0.1～1L/(min·g)，热解终温温度为550‑650℃，停留时间为20～60min，形成的活性炭BET为200～500m²/g，颗粒尺寸<20mm；微爆炸剂为硝酸铵、硝酸铵钾和硝酸铵钙中的一种或者几种，骨料为废旧电路板。本发明综合利用太阳能干化、微爆炸剂膨化造孔和废树脂构建骨架，提高了污泥太阳能干化效率和活性炭的品质。

Description

一种污泥类泥质生物质的活性炭制取方法

技术领域

本发明涉及一种固体废弃物实现资源化的方法，具体涉及一种用污泥类泥质生物质制取活性炭的方法，属于环保技术领域。

背景技术

随着我国城镇污水处理率的不断提高，城镇污水处理厂的污泥产量也急剧增加。截止2013年6月底，全国已建成城镇污水处理厂3479座，污水处理能力约1.2亿立方米/日。污水处理厂大规模建成投入运营最直接的结果，是污泥产出量的大幅提升。预测到2015年，城镇污水处理厂全年湿污泥(含水率80％)的产生量将达到3359万吨，即日产污泥9.2万吨。目前全国城镇污水处理厂的污泥只有小部分进行卫生填埋、土地利用、焚烧和建材利用等，而大部分未进行规范化的处理处置。污泥中含有病原体、重金属和持久性有机物等有毒有害物质，若不经有效的处理处置，则极易对地下水、土壤等造成二次污染，直接威胁环境安全和公众健康，大大降低污水处理设施的环境效益，因此必须大力发展污泥的处理处置。

污泥通常含有有机残体、菌体、无机颗粒、胶体等，其中活性污泥有机物的含量高达60％－70％，这些有机物能够用于后续的资源化利用。现有的污泥处理过程中，不管是填埋、焚烧还是堆肥，其总有部分物质不能得到有效处理或者利用，从而需要进行后续处置。

公开号CN 101423212 B的专利《利用污泥制备污泥活性炭的方法》，利用比例为100：10-30：1-5的污泥半焦：黏合剂：调孔剂进行均化混捏造粒，烘干后进行活化处理(880℃或900℃)，从而制得活性炭。但由于污泥具有高含水率的特性，其有机物中主要是以蛋白质、碳氢化合物等非木质素等为主，因此在污泥制取木质素过程中，需要完成脱水和热解活化来提升污泥制取的活性炭的特性。该制取过程具有特异性，其中最重要的是污泥含有大量的致密性物质，污泥首先进行脱水，而脱水本身导致了后续的缩水性，使得在污泥碳制备过程中，有机物被严重收缩，导致在热解制备碳过程中，有效孔道不能打开，从而使其最终的BET值偏低，基本只有50m²/g左右。因此有必要在干化过程中对污泥进行抗收缩处理，使抗收缩处理后的污泥在热解过程中，通过构建疏松结构来形成污泥内部孔道，利用外加活性剂，产生大量的有效微孔，从而提高污泥的活性炭性质。

目前中国已经成为电路板的全球第一生产大国，电路板年产量超过15000万m²，且年均增长率在14.4％以上。电路板年产量增加以及年增长率的加大，意味着淘汰的废旧电路板的量也随之快速增加。目前废旧电路板约占电子电气产品数量的3％左右，而且呈现逐年增加的态势；其次，电路板生产中的残次品和边角料约占总量的3％-7％，同样呈现出逐年增加之势。电路板中除了含有较高回收价值的金属外，还含有塑料、惰性氧化物等物质，是现在处置的难点。因此，如何实现以废治废，利用电路板粉末本身具有的较强架构作用，再结合污泥的混合，通过引入电路板粉末作为其中的增碳剂，同时以其骨架作为污泥热解制碳的撑料，成为解决问题的关键所在。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有污泥制备碳过程中活性炭的质量较低，无法满足后续资源化利用的不足，提供一种污泥类泥质生物质的活性炭制取方法，利用微爆炸剂的膨化作用，使得污泥在干化过程中不过分减少体积，同时微爆炸剂在热解制碳过程中分解释放大量气体用于造孔，使得产生的气体与污泥中碳物质缩合，以增加后续的污泥碳得率，达到提高污泥炭的质量、价廉物美、工艺简单、碳质量高的效果，从而极大地提高社会效益和经济效益。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种污泥类泥质生物质的活性炭制取方法，其特征在于：包括所述污泥类泥质生物质的微爆炸剂/骨料构建调理过程、太阳能夹层干化过程和活化二段热解过程；将所述污泥类泥质生物质脱水后的污泥、微爆炸剂和骨料混合均匀后进行布料，在太阳能夹层干化系统中进行干化，干化后的污泥再进入热解炉进行二段热解，经过初期炭化阶段和水蒸气活化阶段，完成活性炭的制取。

进一步地，所述的污泥类泥质生物质是市政污水厂的剩余污泥，或者是湖泊、河道、排水管道或泵站中的清淤淤泥，或者是湖泊中富营养化产生的包括蓝藻在内的含水率较高的生物质，或者是畜禽粪便和人体粪便、沼渣、中药提炼渣；该污泥类泥质生物质的含水率为80～95％。

进一步地，所述的污泥、微爆炸剂和骨料的干基混合的质量比为8.5：0.5：1.0～6：2：2。

进一步地，所述的微爆炸剂为硝酸铵、硝酸铵钾和硝酸铵钙中的一种或者几种，所述的骨料为废旧电路板。

进一步地，所述的微爆炸剂/骨料构建调理过程中，添加微爆炸剂后的污泥的真密度为1.03～1.57g/cm³，所述废旧电路板去除重金属后经过破碎，其粒径<2mm。

进一步地，所述的太阳能夹层干化过程中，布料的污泥层的厚度为1～10cm，干化后污泥的含水率<30％。

进一步地，所述的初期炭化阶段中，控制温度在230℃，停留20min，之后以20～40℃/min的速率升温，升温到400℃后停留30～60min；所述的水蒸气活化阶段中，通入水蒸气，水蒸气流速为0.1～1L/(min·g)，热解终温温度为550-650℃，停留时间为20～60min。

进一步地，所述的活性炭为粉体活性炭，其BET为200～500m²/g，颗粒尺寸<20mm。

进一步地，所述的活性炭制取方法包括下列步骤：

步骤一，微爆炸剂/骨料构建调理过程，将脱水后的污泥、微爆炸剂和骨料的干基以8.5：0.5：1.0～6：2：2的质量比，采用调节池或者进料过程采用高压泵进行混合均匀；

步骤二，太阳能夹层干化过程，将步骤一混合成的由微爆炸剂和骨料构建的污泥，采用人工或者高压泵直接输入太阳能夹层干化系统进行布料，污泥层的厚度保持在1～10cm之间，晾干至污泥的含水率降到<30％；

步骤三，活化二段热解过程，将干化后的污泥进入热解炉进行热解，初期炭化阶段中，控制温度在230℃，停留20min，之后以20～40℃/min的速率升温，继续升温到400℃，停留30～60min；水蒸气活化阶段中，通入水蒸气，水蒸气流速0.1～1L/(min·g)，热解终温控制在550～650℃，停留时间为20～60min；在550～650℃的无氧或缺氧状态下，通过厌氧/缺氧热解过程获得所述活性炭，该活性炭的BET为200～500m²/g，颗粒尺寸<20mm。

与现有技术相比，本发明为抵抗污泥干化过程的收缩性能，添加了微爆炸剂，该微爆炸剂在热解过程中还释放出大量的气体用于造孔，从而有利于中孔的形成；热解过程中，污泥中的微量重金属，如Fe、Cu等，能够产生部分催化作用，有利于微孔的形成；采用水蒸气活化，则有利于去除和分离重油，防止其在热解过程中滞留在活性炭中，从而有利于污泥炭中微孔的形成，增加污泥活性炭的比表面积。

本发明的优点主要体现在以下几个方面：

(1)充分利用太阳能，将污泥等泥质有机质均匀晾铺在夹层区内，既实现了太阳能直接利用，又利用了微小空间对其进行有效保温，大幅度提高了干化速率。

(2)通过添加微爆炸剂，提高了污泥的内部空间，抵消了污泥在干化过程中的体积收缩，为后续的污泥碳热解和活化过程提供了良好的物理空间。

(3)通过利用外置水蒸气，协同微爆炸剂在低温段的快速分解作用，提高了泥质有机物的BET值。

(4)利用外加废树脂类骨料，为泥质垃圾的提升准备了骨架，有利于污泥碳的生成。

附图说明

图1本发明的工艺示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种利用污泥类泥质生物质制备高品位活性炭的方法，其利用太阳能干化节能、微爆炸剂膨化污泥体积、废树脂构建污泥骨架等方式，加速了污泥的太阳能干化速率，大幅度提高了所制备的活性炭的获碳品质，充分利用了污泥有机质含量，实现了碳固存和废物综合利用，达到了垃圾再生利用、以废治废、降低填埋场垃圾容积占有率和提高环保的效果，从而极大地提高了社会效益和经济效益。

本发明所述污泥类泥质生物质的活性炭制取方法，其包括所述污泥类泥质生物质的微爆炸剂/骨料构建调理过程、太阳能夹层干化过程和活化二段热解过程；将所述污泥类泥质生物质脱水后的污泥、微爆炸剂和骨料混合均匀后进行布料，在太阳能夹层干化系统中进行干化，干化后的污泥再进入热解炉进行二段热解，经过初期炭化阶段和水蒸气活化阶段，完成活性炭的制取。

所述的太阳能夹层干化系统包括用于污泥布料的黑色钢制传输带或HDPE膜，污泥的上部布设能够透射太阳光的玻璃，该玻璃与污泥薄层距离在1～20cm，所述玻璃与钢制传输带或HDPE膜之间形成一保温的夹层空间。

所述的夹层空间的四周设置8cm双层PC等保温层材料或者其他保温材料(如石英棉)，用于减少夹层内热量逸散。

所述的玻璃下方安装有冷凝水的去除装置，通过自动或者手动，不定时将玻璃上在污泥干化过程导出的水蒸气有序汇集到水蒸气储水槽中，从而减少玻璃上冷凝水阻挡太阳入射光，以及减少夹层内的湿度。

所述的热解炉可以是回转窑。

所述的污泥类泥质生物质，可以是市政污水厂的剩余污泥，或者是湖泊、河道、排水管道或泵站中的清淤淤泥，或者是湖泊中富营养化产生的蓝藻等含水率较高的生物质，或者是畜禽粪便和人体粪便、沼渣、中药提炼渣，含水率为80～95％，极易形成混合的泥质状态。

所述的污泥类泥质生物质是经过常规带式压滤或者板框压滤脱水到含水率80-95％。

所述的微爆炸剂/骨料构建调理过程，将脱水后污泥：微爆炸剂：骨料，以8.5：0.5：1.0～6：2：2的质量比(干基)混合，其中，微爆炸剂为硝酸铵、硝酸铵钾和硝酸铵钙中的一种或者几种，骨料为废旧电路板；采用调节池或者进料过程采用高压泵进行混合，混合均匀后进行布料。

所述的微爆炸剂/骨料构建调理过程中，所述废旧电路板为去除重金属后，经过破碎，其粒径<2mm。

所述的太阳能夹层干化过程采用太阳能薄层干化，污泥薄层在1～10cm，均匀铺设在黑色的钢制传输带或HDPE膜上，污泥上部布设玻璃，玻璃与污泥薄层距离在1～20cm，污泥干化过程导出的水蒸气有序进入到水蒸气储水槽中。

太阳能干化后污泥含水率<30％之间，添加微爆炸剂后的污泥的真密度约在1.03～1.57g/cm³之间。

所述的活化二段热解过程，按两段过程进行，初期炭化阶段，控制温度在230℃，停留20min，后以20～40℃/min速率升温，继续升温到400℃，停留30～60min；水蒸气活化阶段通入水蒸气，水蒸气流速0.1～1L/(min·g)，升温速率在10～30℃/min，热解终温控制在550～650℃，停留时间20～60min。

所述的活性炭为粉体活性炭，是由污泥处在550～650℃的无氧或缺氧状态下，通过厌氧/缺氧热解过程获得，其BET在200～500m²/g，颗粒尺寸<20mm。

本发明适用于污泥类的泥质生物质，如市政污泥、河道淤泥、畜禽粪便和人体粪便、藻类、沼渣、中药提炼渣等，为通过热解生成活性炭的一种资源化利用模式，其应用方法包括下列步骤：

步骤一，微爆炸剂/骨料构建调理过程，根据污泥性质，选择一种或者多种，将脱水后污泥：微爆炸剂：骨料，微爆炸剂为硝酸铵，或者硝酸铵钾，或者硝酸铵钙，骨料为废旧电路板，以8.5：0.5：1.0～6：2：2的质量比(干基)混合，采用调节池或者进料过程采用高压泵进行混合，其混合均匀后进行布料。

步骤二，太阳能夹层干化过程，将步骤一制成的混合有微爆炸剂和骨料构建的污泥采用人工或者高压泵直接输送模式，进入太阳能夹层干化系统，进行均匀布泥，泥层厚度保持在1～10cm之间，根据含水率需求，均匀晾干至污泥含水率<30％。

步骤三，活化二段热解过程，将干化后污泥进入二段式热解炉进行热解，按两段过程进行，初期炭化阶段，控制温度在230℃，停留20min，后以20～40℃/min速率升温，继续升温到400℃，停留30～60min；水蒸气活化阶段通入水蒸气，水蒸气流速0.1～1L/(min·g)，升温速率在10～30℃/min，热解终温控制在550～650℃，停留时间20～60min。通过厌氧/缺氧热解过程获得活性炭，其BET在200～500m²/g，颗粒尺寸为<20mm。

下述实施例以本发明的技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明技术方案前提下所做的任何显而易见的改动，都属于本发明权利要求的保护范围。

实施例1

脱水后污泥的含水率在95％，脱水后污泥：微爆炸剂：骨料为6:2:2(干基)，太阳能夹层干化系统中铺设厚度1cm，干化4天，含水率达到5％，后以20℃/min速率升温。初期炭化阶段，控制温度在230℃，停留20min，后以20℃/min速率升温到400℃，停留30min；水蒸气活化阶段通入水蒸气，水蒸气流速0.1L/(min·g)，终温温度为600℃，停留时间20min，其制备得到的污泥基活性炭BET达到500m²/g。

实施例2

脱水后污泥的含水率在80％，脱水后污泥：微爆炸剂：骨料为7:1:2(干基)，太阳能夹层干化系统中铺设厚度10cm，干化3天，含水率达到25％。初期炭化阶段，控制温度在230℃，停留20min，后以30℃/min速率升温到400℃，停留60min；水蒸气活化阶段通入水蒸气，水蒸气流速1L/(min·g)，终温温度为550℃，停留0.5h，其制备得到的污泥基活性炭BET达到200m²/g。

实施例3

脱水后污泥的含水率在85％，脱水后污泥：微爆炸剂：骨料为8.5:0.5:1(干基)，太阳能夹层干化系统中铺设厚度5cm，干化4天，含水率达到20％。初期炭化阶段，控制温度在230℃，停留20min，后以20℃/min速率升温到400℃，停留40min；水蒸气活化阶段通入水蒸气，水蒸气流速0.5L/(min·g)，终温温度为650℃，，停留时间60min，其制备得到的污泥基活性炭BET达到350m²/g。

实施例4

脱水后污泥的含水率在88％，脱水后污泥：微爆炸剂：骨料为8.5:0.5:1(干基)，太阳能夹层干化系统中铺设厚度3cm，干化4天，含水率达到15％。初期炭化阶段，控制温度在230℃，停留20min，后以40℃/min升温到400℃，停留30min；水蒸气活化阶段通入水蒸气，水蒸气流速0.8L/(min·g)，终温温度为650℃，停留0.5h，其制备得到的污泥基活性炭BET达到432m²/g。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对该实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，在不脱离本发明的范畴内，所做出的改进和修改都应该属于本发明的保护范围。

本发明提出了太阳能晾晒过程中预先添加微爆炸剂，用于热解前期预炭化过程的造孔，同时添加废物骨料来构建骨料，同时活化过程采用中温进行，终温控制在550～650℃进行，使得前段生成的孔道不容易坍塌和堵塞，为后续的高性能活性炭提供基础。充分利用了污泥组分中有机质将其制备为活性炭。本发明提供了利用污泥制备成本低廉的活性炭吸附剂的方法，可以系统地利用污泥中的有机物和无机物，无需考虑后续的专业化处置过程，对解决污泥的出路与资源化问题具有重要意义。

Claims (9)

1.一种污泥类泥质生物质的活性炭制取方法，其特征在于：包括所述污泥类泥质生物质的微爆炸剂/骨料构建调理过程、太阳能夹层干化过程和活化二段热解过程；将所述污泥类泥质生物质脱水后的污泥、微爆炸剂和骨料混合均匀后进行布料，在太阳能夹层干化系统中进行干化，干化后的污泥再进入热解炉进行二段热解，经过初期炭化阶段和水蒸气活化阶段，完成活性炭的制取。

2.根据权利要求1所述的污泥类泥质生物质的活性炭制取方法，其特征在于：所述的污泥类泥质生物质是市政污水厂的剩余污泥，或者是湖泊、河道、排水管道或泵站中的清淤淤泥，或者是湖泊中富营养化产生的包括蓝藻在内的含水率较高的生物质，或者是畜禽粪便和人体粪便、沼渣、中药提炼渣；该污泥类泥质生物质的含水率为80～95％。

3.根据权利要求1所述的污泥类泥质生物质的活性炭制取方法，其特征在于：所述的污泥、微爆炸剂和骨料的干基混合的质量比为8.5：0.5：1.0～6：2：2。

4.根据权利要求1所述的污泥类泥质生物质的活性炭制取方法，其特征在于：所述的微爆炸剂为硝酸铵、硝酸铵钾和硝酸铵钙中的一种或者几种，所述的骨料为废旧电路板。

5.根据权利要求4所述的污泥类泥质生物质的活性炭制取方法，其特征在于：所述的微爆炸剂/骨料构建调理过程中，添加微爆炸剂后的污泥的真密度为1.03～1.57g/cm³，所述废旧电路板去除重金属后经过破碎，其粒径<2mm。

6.根据权利要求1所述的污泥类泥质生物质的活性炭制取方法，其特征在于：所述的太阳能夹层干化过程中，布料的污泥层的厚度为1～10cm，干化后污泥的含水率<30％。

7.根据权利要求1所述的污泥类泥质生物质的活性炭制取方法，其特征在于：所述的初期炭化阶段中，控制温度在230℃，停留20min，之后以20～40℃/min的速率升温，升温到400℃后停留30～60min；所述的水蒸气活化阶段中，通入水蒸气，水蒸气流速为0.1～1L/(min·g)，热解终温温度为550-650℃，停留时间为20～60min。

8.根据权利要求1所述的污泥类泥质生物质的活性炭制取方法，其特征在于：所述的活性炭为粉体活性炭，其BET为200～500m²/g，颗粒尺寸<20mm。

9.根据权利要求1所述的污泥类泥质生物质的活性炭制取方法，其特征在于：所述的活性炭制取方法包括下列步骤：

步骤一，微爆炸剂/骨料构建调理过程，将脱水后的污泥、微爆炸剂和骨料的干基以8.5：0.5：1.0～6：2：2的质量比，采用调节池或者进料过程采用高压泵进行混合均匀；

步骤二，太阳能夹层干化过程，将步骤一混合成的由微爆炸剂和骨料构建的污泥，采用人工或者高压泵直接输入太阳能夹层干化系统进行布料，污泥层的厚度保持在1～10cm之间，晾干至污泥的含水率降到<30％；

步骤三，活化二段热解过程，将干化后的污泥进入热解炉进行热解，初期炭化阶段中，控制温度在230℃，停留20min，之后以20～40℃/min的速率升温，继续升温到400℃，停留30～60min；水蒸气活化阶段中，通入水蒸气，水蒸气流速0.1～1L/(min·g)，热解终温控制在550～650℃，停留时间为20～60min；在550～650℃的无氧或缺氧状态下，通过厌氧/缺氧热解过程获得所述活性炭，该活性炭的BET为200～500m²/g，颗粒尺寸<20mm。