CN106477837A - 一种利用污泥进行发电的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用污泥进行发电的系统及方法。该系统包括：干化装置，具有污泥入口、干化污泥出口、干燥水出口、蒸汽入口、冷却水出口；蓄热式旋转床，具有原料入口、热解水出口、热解油气出口、热解炭出口，原料入口与干化污泥出口相连；气化熔融反应室，具有热解油气入口、热解炭入口、热态合成气出口、熔渣出口，热解油气入口与热解油气出口相连，热解炭入口与热解炭出口相连；换热装置，具有热态合成气入口、冷态合成气出口、废水出口、冷却水入口和蒸汽出口，热态合成气入口与热态合成气出口相连；发电装置，具有蒸汽入口、乏汽出口和电量输出端，蒸汽入口与蒸汽出口相连。本发明实现了污泥的“无害化、减量化、资源化”。

Description

一种利用污泥进行发电的系统及方法
技术领域
本发明属于固体废弃物资源化处理领域，具体涉及一种利用污泥进行发电的系统及方法。
背景技术
随着环保水平的提高。城市污水的处理量在连年增加，作为城市污水处理的副产物，城市污泥的年产率也急剧增加。污泥是一种含水率很高(85％-95％)的絮状泥粒，含有大量的重金属、氮磷、病原菌、病毒和毒性有机物等。如果将其任意排放到水体中，会造成水体恶化，并影响水生物的生存；若将其利用到农业上会污染土壤，导致农作物产生病灾，甚至危害人体健康。因此，如何有效、无害地处理城市污泥，是国内外专家非常关注的问题。
热解技术是在无氧或绝氧的条件下，将有机物进行热裂解，生成以H2、CH4、CO为主的可燃气体、高热值的燃料油及部分固定碳。等离子气化技术是利用等离子体火炬对物料进行加热，局部温度可到5000℃以上，并能使反应室的温度维持在1200℃左右，能迅速分解热解油、二噁英等物质，并产生大量CO、H2等合成气。具有二次污染小、能源回收利用率高等特点。
现有技术中，一些污泥回转窑热解工艺的热解油产量较多，容易堵塞管道、腐蚀设备等，经常停车检修，并且后端需要复杂的油水分离及净化装置，导致投资大大增加。此外，一些污泥竖炉等离子气化技术，直接用等离子火炬对污泥进行气化，由于污泥含水率较高，在处理大规模污泥时，该工艺的功率极大、耗电率非常高，因此导致运行成本增大，难以实现工业化应用。
发明内容
本发明的目的是针对污泥热解工艺中热解油产量大、堵塞严重、腐蚀程度高、维修频率高、处理成本大等问题，以及污泥气化熔融工艺中处理规模小、功率极大、耗电率较高、运行成本高、难以工业化应用等问题，提供一种清洁、高效处理污泥的工艺，实现污泥的“无害化、减量化、资源化”。
本发明首先提供了一种利用污泥进行发电的系统，所述系统包括：
干化装置，具有污泥入口、干化污泥出口、干燥水出口、蒸汽入口、冷却水出口；
蓄热式旋转床，具有原料入口、热解水出口、热解油气出口、热解炭出口，所述原料入口与所述干化装置的干化污泥出口相连；
气化熔融反应室，具有热解油气入口、热解炭入口、热态合成气出口、熔渣出口，所述热解油气入口与所述蓄热式旋转床的热解油气出口相连，所述热解炭入口与所述蓄热式旋转床的热解炭出口相连；
换热装置，具有热态合成气入口、冷态合成气出口、废水出口、冷却水入口和蒸汽出口，所述热态合成气入口与所述气化熔融反应室的热态合成气出口相连；以及
发电装置，具有蒸汽入口、乏汽出口和电量输出端，所述蒸汽入口与所述换热装置的蒸汽出口相连。
在本发明的一些实施例中，所述干化装置的蒸汽入口与所述发电装置的乏汽出口相连。
在本发明的一些实施例中，所述系统还包括熄焦装置，所述熄焦装置具有熔渣入口、灰渣出口、熄焦水入口；所述熔渣入口与所述气化熔融反应室的熔渣出口相连。
在本发明的一些实施例中，所述熄焦水入口与所述干化装置的干燥水出口、所述干化装置的冷却水出口、所述蓄热式旋转床的热解水出口中的一个或多个出口相连。
在本发明的一些实施例中，所述蓄热式旋转床包括干燥区和热解区；所述热解水出口布置于所述干燥区末端的侧壁，所述热解油气出口布置于所述热解区末端的顶部，所述热解炭出口布置于所述热解区末端的底部。
在本发明的一些实施例中，所述气化熔融反应室安装有两个以上的等离子体火炬。
此外，本发明还提供了一种利用上述系统用污泥进行发电的方法，所述方法包括如下步骤：
将污泥送入所述干化装置进行干化处理，蒸出污泥中的大部分水分，制得干化污泥；
将所述干化污泥送入所述蓄热式旋转床内进行热解处理，制得热解油气和热解炭；
将所述热解油气及所述热解炭送入所述气化熔融反应室，制得包括CO、H2的热态合成气，并将所述热解炭熔融成玻璃态熔渣；
将所述热态合成气送入所述换热装置与水进行换热处理，制得370℃-440℃的蒸汽；以及
将所述蒸汽送入所述发电装置进行发电。
在本发明的一些实施例中，述污泥进行干化处理时还会产生干燥水和冷却水，所述污泥热解时还会产生热解水；用所述干燥水、所述冷却水、所述热解水中的一种或多种水对所述玻璃态熔渣进行熄焦处理。
在本发明的一些实施例中，所述热态合成气与水换热后变成冷态合成气，将所述冷态合成气送入所述蓄热式旋转床用于热解污泥。
在本发明的一些实施例中，1100℃-1400℃的温度下对所述热解油气及所述热解炭进行气化熔融处理，在600℃-900℃的温度下热解所述污泥。
本发明采用蓄热式旋转床对干化处理后的污泥进行热解，并利用气化熔融反应室对热解油气进行气化，干燥水、冷却水和热解水可作为热解炭的熄焦用水，获得的合成气产率高、热值高，可作为蓄热式辐射管的燃料气使用，通过换热处理合成气得到的蒸汽可用于发电出售，实现了污泥的“无害化、减量化、资源化”。
此外，本发明的运行成本低、资源化水平高、二次污染小，且易于实现工业化和规模化。
本发明将热解油气和热解炭同时进行气化熔融处理，热解炭的存在有助于热解油气转变合成气，因此，本发明制得的合成气的产率很高。
本发明利用热态合成气与水换热，制备发电用蒸汽，充分利用了热态合成气的余热，增加了产品的经济效益。
本发明提供的工艺中，热解油的产率低，而合成气的产率很高，不会发生管道堵塞、设备被腐蚀等现象，减少了生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种利用污泥进行发电的系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中的一种利用上述系统用污泥进行发电的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
参见图1，本发明提供的利用污泥进行发电的系统包括：干化装置1、蓄热式旋转床2、气化熔融反应室3、换热装置4、发电装置5和熄焦装置6。
干化装置1具有污泥入口、干化污泥出口、干燥水出口、蒸汽入口、冷却水出口。干化装置1为间接干燥装置，本发明采用蒸汽作为介质，对污泥进行间接干燥。
蓄热式旋转床2，用于对污泥进行热解处理，制备热解油气和热解炭。蓄热式旋转床2具有原料入口、热解水出口、热解油气出口、热解炭出口，原料入口与干化装置的干化污泥出口相连。
蓄热式旋转床2包括干燥区和热解区。热解水出口布置于干燥区末端的侧壁，以便在热解水刚产生时就进行收集，降低系统能耗；热解油气出口布置于热解区末端的顶部，以便得到高品质的热解油气；热解炭出口布置于热解区末端的底部，以便出料。
污泥含水量高，若直接进入蓄热式旋转床2，不仅会降低热解的效率，还会增加系统能耗，导致运行成本增加。此外，经过热解，这些水分会变成水蒸气，随着热解油气进入后续设备中，会影响后续工艺的进行。本发明在蓄热式旋转床2前设置了干化装置1，并将热解水出口设置在蓄热式旋转床2的干燥区末端的炉膛侧壁，有效地解决了这一问题。
蓄热式旋转床2具体包括：壳体，壳体形成环状炉腔，炉膛操作条件为微正压；环形炉底，物料布在环形炉底上，呈连续转动状态；蓄热式辐射管，多个所述蓄热式辐射管设置在所述壳体的内周壁上。
气化熔融反应室3利用等离子火炬的高温气化作用，使热解油、烃类气体等发生气化、重组，以便得到CO、H2等合成气，并将热解炭熔融成玻璃态熔渣。
气化熔融反应室3具有热解油气入口、热解炭入口、热态合成气出口、熔渣出口，热解油气入口与蓄热式旋转床2的热解油气出口相连，热解炭入口与所述蓄热式旋转床2的热解炭出口相连。
本发明由于在气化熔融前，先对污泥进行了热解，因此，气化熔融反应室3所需的等离子体火炬数量少，处理效率高，运行成本低。优选地，两个以上即可。
换热装置4具有热态合成气入口、冷态合成气出口、废水出口、冷却水入口和蒸汽出口，热态合成气入口与气化熔融反应室3的热态合成气出口相连。换热装置4为间接换热，利用热态合成气与水进行换热，制备水蒸气。
发电装置5具有蒸汽入口、乏汽出口和电量输出端，蒸汽入口与换热装置4的蒸汽出口相连。
熄焦装置6具有熔渣入口、灰渣出口、熄焦水入口，熔渣入口与气化熔融反应室3的熔渣出口相连。
熄焦装置6用于冷却从气化熔融反应室3排出的玻璃态熔渣，图1所示的系统中，熄焦装置6的熄焦水入口与干化装置1的干燥水出口、冷却水出口及蓄热式旋转床2的热解水出口相连。这样布置能有效降低整个工艺的生产成本。
需要说明的是，熄焦水入口可以与干化装置1的干燥水出口、冷却水出口及蓄热式旋转床2的热解水出口中的一个或多个相连，并不局限于图1所示的情况。此外，系统也可不包括熄焦装置6，可采用其他方式对玻璃态熔渣进行冷却。
图1所示的干化装置1的蒸汽入口与发电装置5的乏汽出口相连。干化装置1采用发电装置5排出的乏汽对污泥进行干燥，对余热进行了有效利用，降低了整个工艺的运行成本。
图2为本发明实施例中的一种利用上述系统用污泥进行发电的工艺流程图，包括如下步骤：
将污泥送入干化装置1进行干化处理，蒸出污泥中的大部分水分，制得干化污泥；
将干化污泥送入蓄热式旋转床2内进行热解处理，制得热解油气和热解炭；
将热解油气及热解炭送入气化熔融反应室3，制得包括CO、H2的热态合成气，并将热解炭熔融成玻璃态熔渣；
将热态合成气送入换热装置4与水进行换热处理，制得370℃-440℃的蒸汽；以及
将蒸汽送入发电装置5进行发电。
同前所述，污泥干化处理时还会产生干燥水和冷却水，污泥在热解时还会产生热解水，可采用干燥水、冷却水、热解水中的一种或多种水对玻璃态熔渣进行熄焦处理。
气化熔融反应室3得到的合成气温度较高，超过800℃，因此，可以利用所述合成气的这部分热量进行换热产蒸汽，最后再利用蒸汽轮机发电。由于余热进行了有效利用，所以整个工艺的热利用率较高。
本发明将热解油气和热解炭同时进行气化熔融处理，热解炭的存在有助于热解油气转变合成气，因此，本发明制得的合成气的产率很高。
合成气中含有较多CO、H2等可燃气，而蓄热式辐射管又需要为污泥热解提供热量，因此可以将所述合成气用于蓄热式辐射管燃烧供热，降低工艺运行成本，减少污染物排放。当然，蓄热式辐射管也使用电能进行产热，这个并不需要特别限定。
优选地，将蓄热式旋转床2干燥区的蓄热式辐射管的温度设置为300℃-500℃，在此温度下既能保证污泥中残余的水分能完全被蒸发出来，又不会使污泥被热解。当然，也可根据污泥的含水率及干化装置的干燥效果，适当调整干燥区的温度。
优选地，将蓄热式旋转床2热解区的蓄热式辐射管的温度设置为600℃-900℃。在此温度下，污泥既能被完全热解，又不会造成能源的浪费。当然，也可根据污泥的原料成分，适当地调整热解温度。
本发明中，污泥热解产生的热解油气及热解炭，不经任何处理，直接从蓄热式旋转床2送入气化熔融反应室3中，热利用率高、运行成本低。发明人发现，将气化熔融室3与蓄热式旋转床2相邻布置，或采用保温运输的方式将热解油气和热解炭送入气化熔融反应室3中，能更好的减少热量的流失，提高热利用率。同样地，整个系统物料间的运输都可采用保温运输的方式，可降低工艺运行成本。
同前所述，由于在气化熔融前，先对污泥进行了热解，因此，气化熔融反应的温度不需要太高。经过大量实验发现，在1100℃-1400℃的温度下对热解油气及热解炭进行气化熔融处理即可。温度太高，浪费能源。
上述工艺中的热解油的产率低，而合成气的产率很高，不会发生管道堵塞、设备被腐蚀等现象，减少了生产成本。
上述系统中各装置的有益效果和上述利用该系统用污泥进行发电的方法的有益效果有部分重叠，为了更加简洁，并未过多叙述。
本发明实现了污泥热解和气化熔融的高效结合，不仅降低了运行成本，还提高了合成气的产率和热值，余热回收利用率高、资源化水平高、产品经济效益好、不产生二噁英、二次污染小。
下面参考具体实施例，对本发明进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述发明内容中所示。下述实施例所用的检测方法均为本行业常规的检测方法。
实施例1
本实施例采用图1所示的系统及图2所示的工艺路线用污泥进行发电。所用污泥为某城市污水处理厂的污泥，其工业分析、元素分析如表1所示，具体处理流程如下：
将含水率88％的污泥送入干化装置1，产生48％的干燥水，将剩下40％含水率的污泥送入蓄热式旋转床2，在干燥区的蓄热式辐射管的温度为400℃，热解区的蓄热式辐射管的温度为600℃。污泥在蓄热式旋转床2中依次经过干燥、热解等过程，最后得到的热解水从热解水出口流出，与干化产生的干燥水、冷却水一并进入熄焦装置6中，热解油气在蓄热式旋转床2的热解区末端顶部(热解油气出口)排出，热解炭在蓄热式旋转床2的热解区末端底部(热解炭出口)排出，一同进入气化熔融反应室3，其中，气化熔融反应室3的温度为1400℃。在气化熔融反应室3获得的合成气经过换热装置4后，产生的440℃蒸汽送入蒸汽轮机(即发电装置5)中进行发电，冷却后的CO、H2等合成旗送入蓄热式辐射管中对污泥进行加热，热解炭经过气化熔融成玻璃态熔渣，利用干燥水、冷却水和热解水熄焦处理后，形成固化无机物残渣，直接运至填埋场进行处置。
利用上述系统对污泥(干基)进行热解及气化熔融处理，最终制得的合成气的产率为44％，热解炭的产率为21％。蒸汽轮机的进汽温度为380℃，乏汽温度为140℃，将乏汽送至干化装置1中干燥污泥。
实施例2
本实施例采用图1所示的系统及图2所示的工艺路线用污泥进行发电。所用污泥为某城市污水处理厂的污泥，其工业分析、元素分析如表1所示，具体处理流程如下：
将含水率85％的污泥送入干化装置1，产生45％的干燥水，将剩下40％含水率的污泥送入蓄热式旋转床2，在干燥区的蓄热式辐射管的温度为500℃，热解区的蓄热式辐射管的温度为900℃。污泥在蓄热式旋转床2中依次经过干燥、热解等过程，最后得到的热解水从热解水出口流出，与干化产生的干燥水、冷却水一并进入熄焦装置6中，热解油气在蓄热式旋转床2的热解区末端顶部(热解油气出口)排出，热解炭在蓄热式旋转床2的热解区末端底部(热解炭出口)排出，一同进入气化熔融反应室3，其中，气化熔融反应室3的温度为1100℃。在气化熔融反应室3获得的合成气经过换热装置4后，产生的370℃蒸汽送入蒸汽轮机(即发电装置5)中进行发电，冷却后的CO、H2等合成旗送入蓄热式辐射管中对污泥进行加热，热解炭经过气化熔融成玻璃态熔渣，利用干燥水、冷却水和热解水熄焦处理后，形成固化无机物残渣，直接运至填埋场进行处置。
利用上述系统对污泥(干基)进行热解及气化熔融处理，最终制得的合成气的产率为40％，热解炭的产率为26％。蒸汽轮机的进汽温度为390℃，乏汽温度为120℃，将乏汽送至干化装置1中干燥污泥。
表1污泥工业分析及元素分析
从上述实施例可以看出，采用本发明提供的工艺能有效的利用污泥进行发电。
实施例1和实施例2的制得的合成气的产率大于40％，热解炭的产率大于20％，而热解油的产率小于35％，远小于一些污泥回转窑热解工艺的热解油产率。
综上，本发明采用蓄热式旋转床对干化处理后的污泥进行热解，并利用气化熔融反应室对热解油气进行气化，干燥水、冷却水和热解水可作为热解炭的熄焦用水，获得的合成气产率高、热值高，可作为蓄热式辐射管的燃料气使用，通过换热处理合成气得到的蒸汽可用于发电出售，实现了污泥的“无害化、减量化、资源化”。
此外，本发明的运行成本低、资源化水平高、二次污染小，且易于实现工业化和规模化。
本发明将热解油气和热解炭同时进行气化熔融处理，热解炭的存在有助于热解油气转变合成气，因此，本发明制得的合成气的产率很高。
本发明利用热态合成气与水换热，制备发电用蒸汽，充分利用了热态合成气的余热，增加了产品的经济效益。
本发明提供的工艺中，热解油的产率低，而合成气的产率很高，不会发生管道堵塞、设备被腐蚀等现象，减少了生产成本。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种利用污泥进行发电的系统，其特征在于，所述系统包括：
干化装置，具有污泥入口、干化污泥出口、干燥水出口、蒸汽入口、冷却水出口；
蓄热式旋转床，具有原料入口、热解水出口、热解油气出口、热解炭出口，所述原料入口与所述干化装置的干化污泥出口相连；
气化熔融反应室，具有热解油气入口、热解炭入口、热态合成气出口、熔渣出口，所述热解油气入口与所述蓄热式旋转床的热解油气出口相连，所述热解炭入口与所述蓄热式旋转床的热解炭出口相连；
换热装置，具有热态合成气入口、冷态合成气出口、废水出口、冷却水入口和蒸汽出口，所述热态合成气入口与所述气化熔融反应室的热态合成气出口相连；以及
发电装置，具有蒸汽入口、乏汽出口和电量输出端，所述蒸汽入口与所述换热装置的蒸汽出口相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述干化装置的蒸汽入口与所述发电装置的乏汽出口相连。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括熄焦装置，所述熄焦装置具有熔渣入口、灰渣出口、熄焦水入口；所述熔渣入口与所述气化熔融反应室的熔渣出口相连。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述熄焦水入口与所述干化装置的干燥水出口、所述干化装置的冷却水出口、所述蓄热式旋转床的热解水出口中的一个或多个出口相连。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述蓄热式旋转床包括干燥区和热解区；所述热解水出口布置于所述干燥区末端的侧壁，所述热解油气出口布置于所述热解区末端的顶部，所述热解炭出口布置于所述热解区末端的底部。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气化熔融反应室安装有两个以上的等离子体火炬。
7.一种利用权利要求1-6中任一所述系统用污泥进行发电的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
将污泥送入所述干化装置进行干化处理，蒸出污泥中的大部分水分，制得干化污泥；
将所述干化污泥送入所述蓄热式旋转床内进行热解处理，制得热解油气和热解炭；
将所述热解油气及所述热解炭送入所述气化熔融反应室，制得包括CO、H2的热态合成气，并将所述热解炭熔融成玻璃态熔渣；
将所述热态合成气送入所述换热装置与水进行换热处理，制得370℃-440℃的蒸汽；以及
将所述蒸汽送入所述发电装置进行发电。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述污泥进行干化处理时还会产生干燥水和冷却水，所述污泥热解时还会产生热解水；用所述干燥水、所述冷却水、所述热解水中的一种或多种水对所述玻璃态熔渣进行熄焦处理。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述热态合成气与水换热后变成冷态合成气，将所述冷态合成气送入所述蓄热式旋转床用于热解污泥。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在1100℃-1400℃的温度下对所述热解油气及所述热解炭进行气化熔融处理，在600℃-900℃的温度下热解所述污泥。
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