CN106348561A - 一种循环利用浸渍污泥炭催化气化同时回用污泥炭二次转化焦油的方法 - Google Patents

一种循环利用浸渍污泥炭催化气化同时回用污泥炭二次转化焦油的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种循环利用浸渍污泥炭催化气化同时回用污泥炭二次转化焦油的方法。该方法是先将污泥热解，然后通过浸渍预处理得到浸渍污泥炭，再热解得到浸渍热解炭，在污泥热解反应系统下游添加以浸渍热解炭为催化剂的裂解反应器对一次污泥热解生成的焦油进行高温裂解，将焦油转变为具有较小分子量的气态化合物和其它产物。本发明所述工艺循环利用污泥热解炭做催化剂，通过焦油二次热解转化可明显降低焦油含量，可提高气体产量和品质，具有高效、低成本的优点。上述浸渍热解炭作为催化剂失活后，经蒸汽气化反应可再度恢复其活性，该回用工艺循环操作可达5次以上。

Description

一种循环利用浸渍污泥炭催化气化同时回用污泥炭二次转化 焦油的方法
技术领域
本发明属于有机固体废弃物高效资源化利用技术领域，具体来说，涉及一种循环利用污泥炭催化气化同时回用污泥炭二次转化焦油的方法。
背景技术
随着城镇化过程的加快，污水处理量大幅提升，污水处理的副产品——城市污泥产量也急剧增加。截止2015年9月底，全国设市城市、县累计建成污水处理厂3830座，污水处理能力达1.62亿立方米/日，处理废水而产生的污泥量达3500万吨左右。我国污泥的处理技术比较落后，主要以填埋、焚烧以及土地利用为主。填埋和农田利用不能完全处理污泥含有的病菌和重金属物质，易对自然环境和人体健康造成极大的威胁，且排放的CH4对环境产生严重的温室效应，这样的处理方法越来越不可行，也造成了资源浪费。污泥焚烧产生二噁英等有毒气体，对环境有很大危害。
污泥热解技术是在无氧环境条件下对污泥进行加热，使污泥中的有机物进行热裂解和热化学分解反应，生成热解气、热解液和热解炭，具有处理迅速、占地面积小、无害化处理彻底、处置后污泥稳定性好、并可回收能源等优点，在污泥处置方法中的地位已逐渐增强，被认为是很有发展前景的污泥处置方法，日益受到人们的重视。由于在封闭无氧条件下加热，无污染气体排放；大部分重金属颗粒残留在热解炭中，减轻了对环境的污染，热解液和热解气可作为热解本身的能源供应，热解炭可用作污水、废气处理的吸附剂，运行成本明显低于焚烧。
然而，热解过程中产生的可冷凝烃类物质的复杂混合物——焦油会对生产和人体健康产生巨大的危害。焦油作用在皮肤上会引起皮炎、毛囊炎、中毒性黑皮病、光毒性皮炎、痊疮及癌肿，还能引发鼻中隔损伤等；而且是有强烈的刺激作用，是致癌物。焦油与空气的混合物还能够形成爆炸性混合物，遇到明火、强热，容器内压力增大发生开裂和容易发生爆炸。焦油的存在降低了气化率，同时也降低了能量的传输效率；燃气在传输的过程中，焦油因为温度的降低而形成粘稠的液体，附着到管道和设备的表面，导致管道的堵塞和设备的腐蚀；再者，焦油在燃烧时容易产生炭黑，这会让使用燃气的设备受到严重的损坏。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明提供了一种高效、低成本的循环利用浸渍污泥炭催化气化同时回用污泥炭二次转化焦油的方法。该方法是先将污泥热解，然后通过浸渍预处理得到浸渍污泥炭，再热解得到浸渍热解炭，在污泥热解反应系统下游添加以浸渍热解炭为催化剂的裂解反应器对一次污泥热解生成的焦油进行高温裂解，将焦油转变为具有较小分子量的气态化合物和其它产物。本发明所述工艺循环利用污泥热解炭做催化剂，通过焦油二次热解转化可明显降低焦油含量，可提高气体产量和品质，具有高效、低成本的优点。上述浸渍热解炭作为催化剂失活后，经蒸汽气化反应可再度恢复其活性，该回用工艺循环操作可达5次以上。
本发明所述方法具体步骤如下：
1)将干燥粉碎的污泥粉末装入热解反应器，经N2排空空气后开始加热，以10-30℃/min的升温速率升温至600-900℃并保持90-120min；反应结束后取出，冷却至室温得到污泥热解炭；
2)将污泥热解炭浸渍于Ni2+或Fe3+盐溶液中，在摇床中浸渍1-3天后抽滤，105-120℃烘干至水分含量小于1wt％得到浸渍污泥炭；然后放入惰性气体氛围的管式炉内，以10-30℃/min的升温速率程序升温至600-900℃焙烧60-90min以去除自身挥发分，得到浸渍热解炭；
3)在污泥热解反应系统下游添加以浸渍热解炭为床料的裂解反应器对污泥热解反应系统中一次热解生成的焦油进行高温裂解。
步骤1)中，污泥粉末的水分含量低于1wt％，粒径小于2mm。
步骤2)中，浸渍反应中的固液比为1:50-1:10g/ml，所述的Ni2+或Fe3+盐溶液的浓度为0.1-1mol/L。
步骤3)中，所述污泥热解反应系统中以惰性气体作为载气，温度设置为600-900℃。
步骤3)中，所述裂解反应器的温度设置为600-900℃。
所述的载气为氩气、氮气、氦气中的一种。
上述各步骤热解得到的气体产物燃烧后作为干化和热解反应器的热源。
上述浸渍热解炭作为催化剂失活后，600-900℃下经蒸汽气化反应30min-90min可再度恢复其活性。直至与蒸汽反应完全转化为H2，CO等可燃气体。
与现有的技术相比，本发明的创新是：
1.采用污泥热解产生的副产品污泥炭，通过浸渍预处理将金属离子负载到污泥炭内，不仅可以使催化剂高度分散于污泥炭之中，并且可以使污泥炭中的催化剂具有很高的催化活性，克服催化剂因积炭和烧结而容易失活的缺点，从而降低催化剂的使用成本；
2.构建污泥炭床对污泥产生的焦油进行高效二次转化，在反应过程中，不仅可以利用污泥炭的吸附作用吸附过程中产生的焦油；也可以利用污泥炭燃烧产生的灰分中含有的碱金属元素成分对焦油起催化裂解作用。这些共同作用使焦油的转化效率大大提高。
3.利用污泥炭负载镍或铁构成新型催化剂对污泥进行高效热解转化，可以实现污泥的能源化和资源化利用。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明所述的制备方法做进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
首先，将城市污水处理厂污泥70g烘干并粉碎至1-2mm粒径左右，水分含量低于1wt％，装入热解反应器，经N2排空空气后开始加热，以20℃/min的升温速率升温至800℃并保持90min。热解得到热解气、热解液和污泥热解炭；气体产物用气柜收集；热解液经静置分离后得到木醋液和焦油产物；污泥热解炭约占原料的44wt％，可作为催化剂回用。将污泥热解炭以固液比1:20(g:ml)浸渍于事先配制好的0.5mol/L的Ni(NO3)2溶液中，在摇床中(180r/min)浸渍3天后抽滤，放入烘箱(105℃)烘干(24h)，水分含量小于1wt％。在实验前将浸渍污泥炭放入氮气氛围的管式炉内，以20℃/min的升温速率程序升温至800℃焙烧60min以去除自身挥发分得到浸渍热解炭。在一级热解反应器中装入70g污泥，温度设置为900℃，以氮气作为载气，二级催化床放入浸渍热解炭，炭床长度24cm，二级催化床温度设置为900℃。采用此工艺热解产气76.90L，平均每克原料产气达到1.098L，相比于未加二级热解的工艺的产气率(0.330L/g)提高了232.73％。气体品质由原来的可燃组分(主要有H2、CO、CH4等)78.5％提高到了94.89％(H2+CH4+CO2+CO＝100％)。此外，液体产量由20.09g减少为0.12g，减幅达99.40％。固体含量基本保持不变，并略有增加，由30.84g增加到32.72g。
将上述热解得到的气体产物燃烧后作为干化和热解炉的热源。热解炉加热过程的烟道气也可回用作为干化过程中的热源。
实施例2
首先，将城市污水处理厂污泥70g烘干并粉碎至1-2mm粒径左右，装入热解反应器，经N2排空空气后开始加热，以20℃/min的升温速率升温至800℃并保持90min。热解得到热解气、热解液和污泥热解炭；气体产物用气柜收集；热解液经静置分离后得到木醋液和焦油产物；污泥热解炭约占原料的44％，可作为催化剂回用。将污泥热解炭以固液比1:20(g:ml)浸渍于事先配制好的0.5mol/L的Fe(NO3)3溶液中，在摇床中(180r/min)浸渍3天后抽滤，放入烘箱(105℃)烘干(24h)。在实验前将浸渍污泥炭放入惰性气体氛围的管式炉内，以20℃/min的升温速率程序升温至800℃焙烧60min以去除自身挥发分得到浸渍热解炭。在一级热解反应器中装入70g污泥，二级催化床放入浸渍热解炭，炭床长度6cm，二级催化床温度设置为800℃。采用此工艺热解产气37.43L，平均每克原料产气达到0.535L，相比于未加二级热解的工艺的产气率(0.330L/g)提高了62.12％。气体品质由原来的可燃组分(主要有H2、CO、CH4等)78.5％提高到了87.6％(H2+CH4+CO2+CO＝100％)。此外，液体产量由20.09g减少为4.63g，减幅达76.95％。固体含量基本保持不变，并略有增加，由30.84g增加到31.80g。
上述浸渍热解炭作为催化剂失活后，800℃下经蒸汽气化反应60min可再度恢复其活性。该回用工艺循环操作5次后仍保持好的催化效果。
将上述热解得到的气体产物燃烧后作为干化和热解炉的热源。热解炉加热过程的烟道气也可回用作为干化过程中的热源。

Claims (8)

1.一种循环利用浸渍污泥炭催化气化同时回用污泥炭二次转化焦油的方法，其特征在于，其具体步骤如下：
1)将干燥粉碎的污泥粉末装入热解反应器，经N2排空空气后开始加热，以10-30℃/min的升温速率升温至600-900℃并保持90-120min；反应结束后取出，冷却至室温得到污泥热解炭；
2)将污泥热解炭浸渍于Ni2+或Fe3+盐溶液中，在摇床中浸渍1-3天后抽滤，105-120℃烘干至水分含量小于1wt％得到浸渍污泥炭；然后放入惰性气体氛围的管式炉内，以10-30℃/min的升温速率程序升温至600-900℃焙烧60-90min以去除自身挥发分，得到浸渍热解炭；
3)在污泥热解反应系统下游添加以浸渍热解炭为床料的裂解反应器对污泥热解反应系统中一次热解生成的焦油进行高温裂解。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，污泥粉末的水分含量低于1wt％，粒径小于2mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，浸渍反应中的固液比为1:50-1:10g/mL，所述的Ni2+或Fe3+盐溶液的浓度为0.1-1mol/L。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述污泥热解反应系统中以惰性气体作为载气，温度设置为600-900℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，所述裂解反应器的温度设置为600-900℃。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的载气为氩气、氮气、氦气中的一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各步骤热解得到的气体产物燃烧后作为干化和热解反应器的热源。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浸渍热解炭作为催化剂失活后，600-900℃下经蒸汽气化反应30min-90min可再度恢复其活性。
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