CN108218160A - 一种高压水热及循环流化床热解辅助的污泥快速无害化处理工艺 - Google Patents

一种高压水热及循环流化床热解辅助的污泥快速无害化处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高压水热及循环流化床热解辅助的污泥快速无害化处理工艺，提出添加Ca(OH)2强化高压水热预处理污泥过程中的水解、脱羧反应，显著提高污泥脱水性能，降低污泥热解前处理成本；循环流化床热解处理效率高、能耗低，而Ca的添加有利于热解过程中焦油的二次分解，控制危险废弃物焦油的产生；同时热解过程可稳定污泥中的重金属，并有效分解有机污染物；热解炭pH在10.6‑12.4之间，可回收作为酸性污染土壤改良剂或吸附剂；本发明方法节能高效，实现了污泥的快速无害化处理和资源化利用。

Description

一种高压水热及循环流化床热解辅助的污泥快速无害化处理 工艺
技术领域
本发明涉及市政污泥的无害化处理及资源化利用技术领域，属于环境保护与资源综合利用领域的固体废弃物资源化利用新技术。
技术背景
随着城镇化建设快速推进、污水处理设施不断完善，城市污泥产量持续增加，仅2015年，污泥产量已达到3000万吨左右。污水污泥富集了污水中有机污染物、重金属、多种寄生虫卵、病原微生物、放射性核素等有毒有害物质，因此，未经处理的数量巨大的污泥不仅严重侵占土地、造成二次环境污染、破坏生态系统并对人类健康带来潜在风险。污泥传统处理方式中的好氧堆肥、土地填埋等由于处理效率低、存在二次污染等局限性无法实现污泥快速、安全、无害处理。因此寻求快速、高效、无害化的污泥处理方法已成为近年的研究热点。
污泥热解是在惰性气氛及高温条件下一种的污泥处理方式。与传统处理方式相比，热解具有下述优点：热解可以彻底杀死污泥中的病原体、分解有机污染物、稳定重金属，降低污泥的生物毒性；热解得到的热解炭富含氮、磷、钾等营养成分且表面多孔，因此，可作为土壤改良剂或经进一步改性为吸附剂，实现污泥的资源化利用。与传统固定床式热解相比，循环流化床热解传质传热更稳定均匀、处理效率更高，循环尾气进入热解炉可节省能耗，能实现对污泥的连续处理。由于污泥含水率通常高于80％，热解前必须进行干燥预处理，但由于污泥胶体性质导致的较低的脱水性能致使热解前的污泥干燥成本居高不下。同时，高水分含量的污泥在热解过程中会产生大量的焦油，而焦油因富含有毒重金属以及致癌、致畸的稠环有机物如多环芳烃等被列为危险废弃物，因此，开发污泥高效、低耗的除水干燥技术以及高效的热解技术迫在眉睫。
高压水热是指在150-350℃以及自生压力(1-15MPa)条件下的一种生物质热化学处理方法，尤其适合高含水量生物质的处理。该方法具有反应条件温和、容易操作、无需事前干燥、能耗低等优点。同时，高压水热过程中的缩合、碳化反应能明显改善生物质的燃料性能，甚至接近于褐煤的燃料性能。对于污泥而言，高压水热过程中能有效水解污泥细胞壁，大大提高污泥脱水性能，降低污泥的干燥成本，有利于污泥运输及后续热处理。同时高压水热过程能溶解、降低固相中碱金属钾和钠的含量，改善污泥水热炭热解过程中积灰结渣问题。
本发明提出了利用高压水热技术作为污泥热解前的预处理手段，通过添加Ca(OH)2进一步促进污泥水解、脱羧，强化污泥脱水性能，克服热解成本高的缺点；Ca的添加有利于热解过程中焦油的二次分解，降低危险废弃物焦油的产生；利用热解过程中的高温实现对污泥中重金属稳定的作用，并有效分解有机污染物；利用循环流化床热解具有处理效率高、能耗低等特点，本发明方法实现了污泥的快速无害化处理和资源化利用。
发明内容
本发明的目的是针对热解无害化处理污泥技术中高能耗的缺点，提供一种高压水热及循环流化床热解辅助的污泥快速无害化处理工艺，克服热解能耗高的缺点，并实现污泥的彻底无害化。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种高压水热及循环流化床热解辅助的污泥快速无害化处理工艺，包括以下步骤；
(1)将市政污泥置于水热反应装置内进行高压水热处理；
(2)将步骤(1)中得到水热炭化产物用离心机固液分离，得到固相产物进行机械脱水、干燥处理；
(3)将(2)中水热炭化固相产物置于循环流化床热解炉内炉热，回收热解焦油和热解炭。
可选地，在步骤(1)中，高压水热过程中Ca(OH)2的添加量为1-10％。
可选地，在步骤(1)中，高压水热炭化温度优选在160-300℃，炭化时间优选0.5-4h。低的炭化温度和短的炭化时间导致污泥炭化不充分，而过高的炭化温度和过长的炭化时间会增加处理的能耗，增加成本。
可选地，在步骤(2)中，水热炭化污泥机械脱水后，在50-110℃温度范围为干燥，并粉碎至50-100目。
可选地，在步骤(3)中，水热炭热解在循环流化床热解炉中进行；氮气作为保护氛围,流速为2-5L/min；升温速率5-20℃/min，热解温度优选在400-900℃,进样量为10-50g/min。
本发明提供了一种高压水热及循环流化床热解辅助的污泥快速无害化处理工艺，发明原理为：
本发明中Ca(OH)2的加入进一步强化了高压水热过程中的水解反应，显著提高污泥机械脱水性能、减少污泥体积，有利于降低污泥干燥及运输成本；水热过程中的水解、缩合、脱羧和脱水反应促进污泥中的有机质向固定碳转变，提高水热炭热值和燃料品位；此外，积灰结渣碱金属如钾和钠容易进入水热液中，能有效缓解在水热炭热解过程中积灰结渣所带来的设备腐蚀问题；Ca的添加降低了水热炭进一步热解过程中焦油的产生，并稳定固相中的重金属，分解固相有机物，最终实现污泥的快速低成本及无害化处置。
本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明的技术条件温和，设备要求低，处理污泥不受污泥处理方式、污泥含水量限制，具有广泛的推广性；
(2)本发明利用了高压水热处理，不仅能显著提高污泥的脱水性能，大幅度降低污泥前处理成本，得到的水热炭具有明显优于原污泥的燃料性能，可作为固体燃料；
(3)本发明提出进一步用循环流化床热解技术稳定水热炭中重金属、分解有机污染物，得到的固体残渣可作为土壤改良剂；
(4)本发明可在低能耗的前提下实现对污泥快速、无害、资源化的综合处理处置。
附图说明
图1、图2是本发明的一种高压水热及循环流化床热解辅助的污泥快速无害化处理工艺得到的热解炭SEM图像。
具体实施方式
本发明提供了一种高压水热及循环流化床热解辅助的污泥快速无害化处理工艺。下面结合具体制备步骤，对本发明做进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。凡采用等同替换方式或等效交换方式所获得的替代方案，均处于本发明的保护范围之内。
实施例1：
(1)将1500g、含水率80％的北京市清河污水处理厂所产污泥置于水热反应釜内，加入2％Ca(OH)2后密封，通入氮气保证釜内惰性气氛，在180℃、自生压力1.8MPa水热处理60min，150rpm搅拌保证热量均匀分布；
(2)将步骤(1)中得到的混合水热产物机械脱水、固液分离，固相部分含水率为52％，将固相产物也称水热炭于烘箱80℃烘干，干燥后的固体样品用粉碎机粉碎至50-150目，与原污泥相比水热炭中K和Na的含量分别降低了4％和30％；
(3)将步骤(2)中水热炭颗粒置于流化床螺旋进料器中，在400℃下进行热解反应，进料速度10g/min，氮气流量为2L/min，热解残渣也称热解炭进入流化床底部收集器内，产生的焦油被冷却收集。热解炭产率为78％，焦油产率为12.5％。热解后，原污泥中Hg被完全去除，且Cd、Cr、Mn、Ni和Pb残渣态的百分比分别提高了12.7％、28.6％、10.1％、31.4％和14.4％；与原污泥相比，热解炭中多环芳烃BaP的含量降低到0.03mg/kg；热解炭pH值为10.67，可作为酸性污染土壤改良剂。
实施例2：
(1)将1500g、含水率80％的清河污泥置于水热反应釜内加入5％Ca(OH)2密封，通入氮气保证釜内惰性气氛，在200℃、自生压力2.2MPa水热处理60min，120rpm搅拌保证热量均匀分布；
(2)将步骤(1)中得到的混合水热产物机械脱水、固液分离，固相部分含水率为42％，将固相产物于烘箱80℃烘干，干燥后的固体样品用粉碎机粉碎至50-150目，与原污泥相比水热炭中K和Na的含量分别降低了6％和33％；
(3)将步骤(2)中水热炭颗粒置于流化床螺旋进料器中，在500℃下进行热解反应，进料速度10g/min，氮气流量为2L/min，热解残渣进入流化床底部收集器内，产生的焦油被冷却收集。热解炭产率为74％，焦油产率为10.2％；热解炭中没有检测到Hg的存在，而Cd、Cr、Mn、Ni和Pb残渣态的百分比分别提高了15.2％、38.3％、30.6％、47.3％和16.4％；热解炭中多环芳烃BaP的含量仅为0.0024mg/kg；热解炭pH值为11.74，可作为酸性污染土壤改良剂。
实施例3：
(1)将1500g、含水率82％的山东污泥置于水热反应釜内加入5％Ca(OH)2密封，通入氮气保证釜内惰性气氛，在220℃、自生压力2.4MPa水热处理30min，150rpm搅拌保证热量均匀分布；
(2)将步骤(1)中得到的混合水热产物机械脱水、固液分离，固相部分含水率为44％，将固相产物在80℃下烘干，并粉碎至50-150目；
(3)将步骤(2)中水热炭颗粒置于流化床螺旋进料器中，在600℃下进行热解反应，进料速度20g/min，氮气流量为3L/min，升温速率为20℃/min，热解炭进入流化床底部收集器内，产生的焦油被冷却收集。热解炭产率为68％，焦油产率为8.5％；与原污泥相比，热解炭中没有检测到Hg的存在，且Cd、Cr、Mn、Ni和Pb残渣态的百分比分别提高了14.19％、29.5％、10.7％、36.5％和12.0％；此外热解炭中多环芳烃BaP的含量为0.0015mg/kg；热解炭pH值为10.67，可作为酸性污染土壤改良剂。
实施例4：
(1)将1500g、含水率82％的山东污泥置于水热反应釜内加入8％Ca(OH)2密封，通入氮气保证釜内惰性气氛，在200℃、自生压力2.0MPa水热处理60min，150rpm搅拌保证热量均匀分布；
(2)将步骤(1)中得到的混合水热产物，机械脱水、固液分离，固相部分含水率为48％，将固相产物于烘箱80℃烘干，干燥后的固体样品用粉碎机粉碎至50-150目；
(3)将步骤(2)中水热炭颗粒置于流化床螺旋进料器中，在700℃下进行热解反应，进料速度30g/min，氮气流量为4L/min，升温速率为20℃/min，热解炭进入流化床底部收集器内，产生的焦油被冷却收集；热解炭产率为63％，焦油产率为6.2％；与原污泥相比，热解炭中没有检测到Hg的存在，且Cd、Cr、Mn、Ni和Pb残渣态的百分比分别提高了16.4％、44.0％、17.0％、38.9％和15.2％；热解炭中多环芳烃BaP的含量为0.002mg/kg；热解炭pH值为12.39，可作为酸性污染土壤改良剂。
上述实施案例表明，水热炭化预处理后污泥含水率下降到45-50％左右，明显降低了污泥干燥及运输成本。
图1和图2分别是实施例2和实施例3的得到的热解炭的SEM图，不仅证明热解过程中无明显烧结现象，且热解炭表面具有丰富的孔结构，可作为吸附剂回收利用。
水热炭热解过程中，危险废弃物焦油的产率明显降低，仅为8.5-12.5％。
热解能完全去除污泥中的Hg，并对其他重金属起到固定作用。
热解过程中有机污染物如优先控制多环芳烃BaP被有效去除，远低于GB18918-2002中BaP的限制浓度3mg/kg，同时热解炭pH在10.6-12.4，因此可回收并作为酸性污染土壤改良剂。

Claims (9)

1.一种高压水热及循环流化床热解辅助的污泥快速无害化处理工艺，其特征在于包括如下步骤：
(1)将市政污泥置于水热反应装置内进行水热炭化处理；
(2)将步骤(1)中得到水热炭化产物离心固液分离，得到水热炭化固相产物进行机械脱水、成型、干燥处理；
(3)将(2)中水热碳化固相产物置于热解炉内热解，回收热解焦油和热解碳。
2.根据权利要求1中一种高压水热及循环流化床热解辅助的污泥快速无害化处理工艺，其特征在于，在步骤(1)中所述污泥为一般城市污水污泥。
3.根据权利要求1中一种高压水热及循环流化床热解辅助的污泥快速无害化处理工艺，其特征在于，在步骤(1)中所述Ca(OH)2的添加量为1％-10％，污泥高压水热温度在160-300℃,炭化时间为0.5-4h。
4.根据权利要求1中一种高压水热及循环流化床热解辅助的污泥快速无害化处理工艺，其特征在于，在步骤(2)中所述，水热炭化后机械脱水分离固液产物。
5.根据权利要求1中一种高压水热及循环流化床热解辅助的污泥快速无害化处理工艺，其特征在于，在步骤(2)中所述机械脱水后的干燥条件为50-110℃。
6.根据权利要求1中一种高压水热及循环流化床热解辅助的污泥快速无害化处理工艺，其特征在于，在步骤(2)中所述的干燥后的水热炭粉碎至50-100目。
7.根据权利要求1中一种高压水热及循环流化床热解辅助的污泥快速无害化处理工艺，其特征在于，在步骤(3)中所述的水热炭热解在循环流化床中进行。
8.根据权利要求1中一种高压水热及循环流化床热解辅助的污泥快速无害化处理工艺，其特征在于，在步骤(3)中所述的热解条件为升温速率5-20℃/min，热解温度优选在400-900℃，氮气流量2-5L/min，进样量为10-50g/min。
9.根据权利要求1中一种高压水热及循环流化床热解辅助的污泥快速无害化处理工艺，其特征在于，在步骤(3)中收集的热解炭可作为土壤改良剂或吸附剂进行利用。
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