CN108164113B - 翅翼式污泥管式热解反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种翅翼式污泥管式热解反应器，该反应器由热解炉、燃烧室、烟气混合室组成，热解炉底部与燃烧室相连，热解炉顶部与烟气混合室相连，燃烧室设有天然气烧嘴，天然气量通过设在烟气混合室上的温度测量及控制仪调节，热解炉内设有至少2层热解管，每个热解管两端均伸出热解炉外且分别设有进泥端口和出泥端口，最上一层热解管的进泥端口作为所述反应器的进泥口，最下一层热解管的出泥端口作为所述反应器的生物炭出口，相邻热解管中的上层热解管的出泥端口与相邻热解管中的下层热解管的进泥端口连接，所述热解管包括管体，在管体内设有空心螺旋片。整个系统装置在实现超低污染排放的过程中产生有价值的生物炭。

Description

翅翼式污泥管式热解反应器

技术领域

本发明涉及一种在实现超低污染物排放下，经济高效地处理污泥并产生生物炭的热解反应器。

背景技术

污泥是污水处理中不可避免的副产物，随着经济的快速发展，在全球范围内形成了一个严峻的水环境及污泥围城形势。污泥中含有大量重金属、有机物等，具有很大的危害。而大量污泥的产生已变成污水处理厂亟待处理的问题。研究显示，中国每年产生30亿吨，欧盟每年产生54.8亿吨污泥。作为水处理配套领域的污泥处置及相关领域将承担着环境改善的重要任务。然而现实中我们对污泥的处置却没有达到相对应的要求。

现在污泥处置的主流技术路线有：厌氧消化、好氧发酵、干化焚烧、深度脱水+填埋这四个板块。美国能源署和环保署将热解-气化列为第三代生物质能源利用关键技术，发展污泥清洁焚烧技术路线是未来的主流。目前针对城市污泥热解处理主要有两种技术：低温热解(低于550℃)和中高温热解(550℃-950℃)。与直接焚烧相比，污泥热解具有明显的技术优势：

热解是一种清洁焚烧技术、绿色无污染的热化学处理技术；从根本上解决了烟气污染物排放的问题；缺氧热化学反应状态，杜绝了二恶英和呋喃的产生；气化后燃烧，不仅减少了焚烧烟气量，还减少了烟气中的灰量；污泥热解温度低，烟气中无低沸点重金属。污泥热解过程中，污泥中的重金属聚集并固化在生物炭中，极难释放，因此可解决污泥重金属污染问题。同时，污泥中含有大量的N、P和K，利用污泥热解制备的生物炭N、P和K总含量也比较高。污泥热解所得的生物炭可以回收利用污泥中的磷和钾，对于磷、钾资源匮乏的国家具有重要意义。此外，污泥热解制备得到的生物炭比表面积达35m²/g，大量微孔不仅可以补充土壤的有机物含量，还可以改善土壤的透气性和排水性，蓄留植物根部所需水分，有效地保存水分和养料，提高土壤肥力，是极佳的土壤改良剂。

然而现有的大部分污泥热解工艺着重关注其所产生的衍生油，以制备高价值的能源使得处理工艺路线长、装置投资高、运行费用大：热解产物经水洗塔、尾气冷凝分离器后，可燃气进燃烧炉燃烧放热，而焦油经隔油池分离后，再进行提质才可使用，工艺复杂，设备投资及运行费用都高，且系统焦油粘堵现象严重。

实践证明，现有滚筒热解制备生物炭装置及系统，仍存在以下问题：

(1)由于焦油、污泥、硅化物等物质的存在，滚筒热解炉内壁易结垢，最后成锅巴状，严重影响传热及热解处理量，一般半年需清理一次，清理环境差，工作量大。

(2)随着滚筒的旋转，干污泥不断向前推进。由于只存在一个较粗的滚筒，在其旋转过程中，干污泥抛落高度较大，大量的热解气及泄露气在一个端口排出产生气流，而微细的污泥粉尘则会被热解气带走，有些没有完全炭化的污泥会在出口分离进入生物炭中，增加生物炭资源化利用的环境风险；有些细污泥被焦油吸附着，增加焦油的提质处理难度，还有一些则会污染尾气冷凝换热面，或与热解气体一起进入燃烧炉焚烧，增加烟气污染物含量。

(3)热解产物在洗气塔、尾气冷凝分离器中，焦油不可避免地粘在或堵在连接管道和换热面上，严重影响系统正常运行，有时富集到一定程度，还会出现爆燃现象，降低运行安全性。

(4)对于滚筒式热解炉，大直径旋转的滚筒与固定的热烟气加热夹套和固定外筒之间的密封存在一定的技术难度，多个泄露点会增加烟气的处理量，更降低了热解气的热值。

(5)产生的焦油，需要提质才能进入市场利用。在能量平衡方面，该焦油热值没有在本系统燃烧释放，则将增加天然气耗量。因此，利用优质能源天然气产生出低品质能源-焦油，经济上是不合算的。

发明内容

本发明提供一种能够提高更新与换热管面接触的污泥频次、强化传热并有利于热解气脱离污泥颗粒的翅翼式污泥管式热解反应器，在实现超低污染排放的过程中产生有价值的生物炭。

本发明采用如下技术方案：

一种翅翼式污泥管式热解反应器，该反应器由热解炉、燃烧室、烟气混合室组成，热解炉底部与燃烧室相连，热解炉顶部与烟气混合室相连，燃烧室设有天然气烧嘴，天然气量通过设在烟气混合室上的温度测量及控制仪调节，热解炉内设有至少2层热解管，每个热解管两端均伸出热解炉外且分别设有进泥端口和出泥端口，最上一层热解管的进泥端口作为所述反应器的进泥口，最下一层热解管的出泥端口作为所述反应器的生物炭出口，相邻热解管中的上层热解管的出泥端口与相邻热解管中的下层热解管的进泥端口连接，所述热解管包括管体，在管体内设有空心螺旋片。

有益效果：与已有的管式热解炉相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明的结构使其能够采用一组小直径的热解管，热解管直径越小，热解管单位体积的表面积越大，污泥热解速率越高。污泥颗粒是通过小直径的热解管传热而得到热解的，在相同的污泥推进速度下(即污泥热解时间相同)，本发明所采用的空心螺旋片相比于实心螺旋片，转速提高一倍多，与换热管面接触的污泥更新频次相应增加一倍多，强化了污泥与热解管间的传热，并且，污泥在空心螺旋的作用下，污泥在管中既有螺旋前进又有垂直跌落的运动，进一步强化传热及热解效果，同时形成污泥垂直的跌落运动，特别有利于热解气脱离污泥颗粒，排到逸气口，而低速的实心螺旋片，使污泥颗粒处于堆积状态，不利于热解气的排出。

(2)现有污泥热解技术，热解气没有立即燃烧，而是热解完成后收集起来一起采用燃烧器燃烧，而收集、提质过程会使热解气冷却，这样，某些低沸点的挥发性有机物形成焦油，因此在收集、提质等的连接管道上会形成焦油，严重的时候会堵塞管道。相比之下，本发明中的污泥在空心螺旋片的推动过程中热解并产生热解产物，热解产物则从热解管管体顶部的多个逸气口进入高温有氧环境(在热空气母管约850℃的有氧环境)迅速燃烧，因此，在本发明中，热解产物一旦产生，就会被及时烧掉，热解气逸出即燃，不经过收集、提质过程，热解气没有被冷却而产生焦油，从根本上解决了焦油粘堵在连接管道和换热面上的问题。热解气在热解炉内立即燃烧，还为热解提供能量，减少优质能源的消耗量，简化了工艺，处理费用低，运行稳定。

(3)本发明中采用多层热解管直径小，减小了干污泥抛落高度，干污泥不易飞扬。此外，热解气在热解管顶端及时逸出从而不会在热解管内产生气流，并不像现有滚筒式热解炉，由风机强制抽走，干污泥不会受气流影响而随气流飞出，仅在空心螺旋片的作用下匀速向前推进，污泥得到全部炭化，因此本发明可以减少干污泥细粉进入热解产物中。

(4)新型管式热解炉，污泥的推动及搅拌由设在内壁的空心螺旋片完成。热解管内，干污泥通过空心螺旋片向前推进，利用机械力克服了污泥热解过程中结垢问题，使得热解炉能够长期稳定运行，不需要清理。污泥在热解的过程中会由大颗粒变成不同粒径的小颗粒，传统热解反应器中的不同粒径污泥在风机强制抽吸下前进，大颗粒前进速度慢，小颗粒前进速度快，从而导致不同粒径污泥在热解反应器中停留的时间不同、热解时间不同的缺点。而本发明中，干污泥在螺旋片的作用下匀速前进，使得不同粒径大小的污泥在热解管内的前进速度保持一致，总热解时间相差不大，有利于污泥混合、炭化。

(5)新型管式热解炉，总工艺为干污泥通过多层热解管的热解，同时热解气在热解过程中及时排出燃烧到达顶部的烟气混合室。相比传统的热解反应器需要在顶部设置二燃室来燃烧没有及时燃尽的热解气，本发明中的烟气混合室无须再对热解气进行燃烧。此外，热烟气经过烟气导热油换热器放热后，温度一般为200℃左右，通过设置空气预热器，可以回收烟气废热，提高整个系统热效率，还提高了热解管逸气口的空气温度，确保焦油充分燃烧。

(6)新型管式热解炉外设翅片，提高热解管强度和热解处理量：热解反应器能量供应是由管壁将外部的热烟气热量传导给内部的干污泥，强化外部传热，可以提高管壁温度，从而增加热解处理量。

附图说明

图1为本发明翅翼式污泥管式热解反应器的结构示意图。

图2为热解管的结构原理图

图3为可调节逸气口结构图

图中：1-热解管，2-空心螺旋片，3-翅片，4-逸气口，5-热空气出口，6-热空气母管，7-热空气入口，8-空气供给调控器，9-燃烧室，10-烟气混合室，11-进泥口，12-天然气烧嘴，13-天然气入口，14-燃烧空气，15-生物炭出口，16-温度测量及控制仪，17-氧含量测量及控制仪，181-天然气量调节阀门，182-热空气总量调节阀门，183-热空气母管调节阀门，19-热解炉，20-上下层热解管连接管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明介绍具体实施方式和具有的收益效果，旨在帮助阅读者更好的理解本发明的实质和精神所在，但不能构成对本发明实施范围的限定。

实施例1

一种翅翼式污泥管式热解反应器，该反应器由热解炉19、燃烧室9、烟气混合室10组成，热解炉19底部与燃烧室9相连，热解炉21顶部与烟气混合室10相连，燃烧室9设有天然气烧嘴12，天然气量通过设在烟气混合室10上的温度测量及控制仪16调节，热解炉19内设有至少2层热解管1，每个热解管1两端均伸出热解炉19外且分别设有进泥端口和出泥端口，最上一层热解管的进泥端口作为所述反应器的进泥口11，最下一层热解管1的出泥端口作为所述反应器的生物炭出口15，相邻热解管中的上层热解管的出泥端口与相邻热解管中的下层热解管的进泥端口连接，所述热解管1包括管体，在管体内设有空心螺旋片。参照图1，热解管1的具体层数可以是具体情况而定，图1所示为3层，当然也可以是4层、5层或更多；参照图1，相邻热解管中的上层热解管的出泥端口与相邻热解管中的下层热解管的进泥端口可以通过上下层热解管连接管20连通；是指中空无轴螺旋片，端面投影呈现圆环形状，中空也就是螺旋片的轴线上有一条轴向通道或轴向通孔。在本实施例中，

在热解管1的管体顶部设有一排逸气口4；所述反应器包括热空气母管6且热空气母管6与所述逸气口4连通；在热空气母管6上设有热空气出口5，所述热空气出口5位于逸气口4的上方；在逸气口4上设有空气供给调控器8，所述空气供给调控器8为一空心螺管且空心螺管与逸气口4螺纹连接，通过转动空心螺管改变空心螺管与逸气口4之间的间隙，以增加或减少热解气燃烧的氧气供应量；在热解管1的管体外部设有翅片3，翅片短而稀，翅片比为1.2-2.5。

实施例2

一种翅翼式污泥管式热解反应器，由热解炉19、燃烧室9、烟气混合室10组成，热解炉19底部与燃烧室9相连，热解炉21顶部与烟气混合室10相连，燃烧室9设有天然气烧嘴12，天然气量通过设在烟气混合室10上的温度测量及控制仪16调节，热解炉19内设有多层热解管1，每个热解管1两端均伸出热解炉19外，在热解炉19外，最上一层热解管1一端上方设有进泥口11，另一端下方通过上下层热解管连接管20与下层热解管1一端的上方连接，以此类推，最后一层热解管1的另一端设有生物炭出口15，在热解炉19内，每层热解管1上部均设有多个逸气口4，逸气口4与热空气母管6相通，热空气母管6另一端伸出热解炉19外，并接有热空气入口7，热空气入口7的热空气流量，通过设在烟气混合室10上的氧含量测量及控制仪17调节。

热解管1上端设置的逸气口4穿过热空气母管6，与热空气出口5间留有一定的间隙，该间隙通过出口螺帽调节槽8调节，逸气口4释放的热解产物，仅在热空气出口5处与热空气接触燃烧。

热解管1内设置空心螺旋片2，空心螺旋片2与电机减速机相连，热解管1外设置短而稀的翅片，翅片比为1.2-2.5。

实施例3

一种用于市政污泥处置的新型翅翼式污泥管式热解反应器，烟气混合室10后设有导热油或蒸汽换热器，以及空气预热器，烟气处理后排放，导热油或蒸汽换热器的热量用于含水80％湿污泥的干燥，使进泥口11污泥含水率20％以下，空气预热器的热量用于加热燃烧空气14，以及进入热空气入口7的空气。燃烧室9设有柴油或重油烧嘴，确保烟气混合室10的温度为850℃，热空气入口温度取200℃，烟气混合室10的氧含量控制在6％左右，翅片比为1.5时，与光管相比，热解处理量高出15％左右。

本发明的工作过程如下：

将污泥经过导热式干燥机干燥至含水20％以下，干燥机热源为导热油或蒸汽，由热解炉19上部的烟气混合室10出口烟气导热油换热器提供热量，干污泥送入顶层热解管1的进泥口11，在空心螺旋片的作用下推动向前，在多层热解管1中高温热解。空心螺旋片2搅动速度快、推进速度慢，以利于污泥混合、炭化，同时使热解管1内储存更多的污泥，延长停留时间，污泥热解管1处于温度大于850℃高温环境，经过热解管逸气口4结构的特殊设计，每个逸气口4均配有可调流量的热空气出口5，一旦热解产物从热解管1内逸出到管外，立即燃烧分解，为热解提供能量。随着干污泥在热解管1内推进，每个逸气口4的热解产物及热解量因污泥热解特性不同而不同。此时根据不同层热解管以及不同逸气口的需求配备合适的热空气量以确保热解产物在逸气口4充分燃烧。从进泥口11进入的污泥经过多层热解管1热解后已炭化，由最后一层热解管1的生物炭出口15排出反应器外。

如图2所示，每个逸气口4均与热解管1采用螺纹连接，通过图3的出口螺帽调节槽8，可改变逸气口4与热空气母管上热空气出口5的间隙，即改变热空气出口5截面积，通过观火视镜，实现了调节每个逸气口4燃烧的热空气流量，如果逸气口4与热空气母管6上部接触时，热空气出口完全堵塞，无热空气排出，如刚进热解管的污泥，只有水汽释放，无需空气。调整好每个逸气口4后，在运行过程中，通过观火视镜了解每一排热解管1上逸气口4的火焰燃烧情况，可通过设在热解炉19外的调节阀调节每一排热解管1的热空气量。

实时监控热解炉19顶部的烟气混合室10的氧含量，自动控制总空气供给量，确保烟气氧含量在一定范围内。热解炉底部的天然气燃烧室9为热解提供高温环境，热解炉19顶部也可以设置燃烧器，在非正常工况下运行，以控制烟气混合室10出口烟气污染物。热烟气通过烟气导热油换热器、空气预热器降温、处理后，达标排放。

热解炉19最上端烟气混合室的温度控制底部燃烧室9的天然气入口13的天然气量，确保所有热解管1均处于高于高温环境。设置空气预热器回收烟气废热，提高整个系统热效率和热空气出口5的空气温度，确保焦油充分燃烧。

管式热解管外设置短而稀的翅片，强化热解管与外部低速烟气的传热效果，同时，翅片还增加了热解管的强度。

本发明翅翼式污泥管式热解反应器，设备投资及运行成本低，生物炭品质好，无任何焦油结壁现象，运行稳定可靠。

以上对本发明创造进行了详细说明，所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所做的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明创造的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种翅翼式污泥管式热解反应器，该反应器由热解炉(19)、燃烧室(9)、烟气混合室(10)组成，热解炉(19)底部与燃烧室(9)相连，热解炉(21)顶部与烟气混合室(10)相连，燃烧室(9)设有天然气烧嘴(12)，天然气量通过设在烟气混合室(10)上的温度测量及控制仪(16)调节，其特征在于，热解炉(19)内设有至少2层热解管(1)，每个热解管(1)两端均伸出热解炉(19)外且分别设有进泥端口和出泥端口，最上一层热解管的进泥端口作为所述反应器的进泥口(11)，最下一层热解管(1)的出泥端口作为所述反应器的生物炭出口(15)，相邻热解管中的上层热解管的出泥端口与相邻热解管中的下层热解管的进泥端口连接，所述热解管(1)包括管体，在管体内设有空心螺旋片，在热解管(1)的管体外部设有翅片(3)。

2.根据权利要求1所述的翅翼式污泥管式热解反应器，其特征在于，在热解管(1)的管体顶部设有一排逸气口(4)。

3.根据权利要求2所述的翅翼式污泥管式热解反应器，其特征在于，所述反应器包括热空气母管(6)且热空气母管(6)与所述逸气口(4)连通。

4.根据权利要求3所述的翅翼式污泥管式热解反应器，其特征在于，在热空气母管(6)上设有热空气出口(5)，所述热空气出口(5)位于逸气口(4)的上方。

5.根据权利要求4所述的翅翼式污泥管式热解反应器，其特征在于，在逸气口(4)上设有空气供给调控器(8)，所述空气供给调控器(8)为一空心螺管且空心螺管与逸气口(4)螺纹连接，通过转动空心螺管改变空心螺管与逸气口(4)之间的间隙，以增加或减少热解气燃烧的氧气供应量。

6.根据权利要求1所述的翅翼式污泥管式热解反应器，其特征在于：翅片短而稀，翅片比为1.2-2.5。

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