CN108587631B - 污泥水热碳化制备土壤修复剂的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及废弃物资源化利用技术领域，公开了污泥水热碳化制备土壤修复剂的装置，包括依次连通的混合搅拌罐(1)、初段预热器(2)、末段预热器(3)和水热碳化反应釜(4)，水热碳化反应釜(4)上设有排气口(41)和排液口(42)，排气口(41)与初段预热器(2)连通，排液口(42)与末段预热器(3)连通，还包括脱水装置(5)和澄清装置(6)，还公开了污泥水热碳化制备土壤修复剂的方法，包括混合与搅拌、预热与水热碳化反应、固液分离和制备土壤修复剂。本发明添加的硅铝添加剂可以钝化污泥中的重金属，降低潜在的环境风险；采用两段预热工艺，充分利用了水热碳化反应中产生的热量，降低了能耗。

Description

污泥水热碳化制备土壤修复剂的装置和方法
技术领域
本发明涉及废弃物资源化利用技术领域，尤其涉及了污泥水热碳化制备土壤修复剂的装置和方法。
背景技术
市政污泥为城市污水处理厂产生的二次污染物，含有重金属、有机污染物以及病原生物等物质。2016年我国市政污泥产量已达到1300万吨，已经开始威胁生态环境安全。市政污泥含有有机质和氮、磷、钾等营养元素，可作为潜在的土壤肥料，但市政污泥中含有的溶解性有机质会导致市政污泥中不稳定重金属在土壤中迁移，引起土壤二次污染。
粉煤灰、硅藻土、高岭土为常见的含硅铝物质，其中，粉煤灰为燃煤发电企业产生的大宗工业废弃物，其利用价值仍主要以建筑材料为主，受建筑市场影响较大，大量的粉煤灰仍被废弃处理，会造成环境污染。
因此，解决市政污泥再利用问题，首先应杀灭市政污泥中的病原生物，控制重金属溶出。采用水热碳化技术处理市政污泥，能在较低的温度区间和较短的时间内将市政污泥中的有机物转化成污泥基生物炭，同时杀灭市政污泥中病原生物。但传统的污泥水热碳化工艺并不能降低重金属溶出风险。此外，传统污泥水热碳化工艺仅利用污泥碳化过程中产生的蒸汽进行预热，实际上污泥水热碳化产生的热蒸汽量少，不足以产生较好的预热效果。
发明内容
本发明针对现有技术中预热效果不好、重金属溶出风险较大的缺点，提供了污泥水热碳化制备土壤修复剂的装置和方法。本发明的污泥水热碳化制备土壤修复剂的方法在传统水热碳化工艺的基础上，通过添加硅铝添加剂钝化污泥中的重金属，避免重金属在土壤中迁移产生环境风险，增加了污泥基生物炭作为土壤修复剂的应用价值；本发明利用两段预热工艺，充分利用了水热碳化反应产生的热量，降低了水热碳化反应的能耗。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
污泥水热碳化制备土壤修复剂的装置，包括依次连通的混合搅拌罐、初段预热器、末段预热器和水热碳化反应釜，水热碳化反应釜上设有排气口和排液口，排气口与初段预热器连通，排液口与末段预热器连通，还包括脱水装置和澄清装置，脱水装置与末段预热器连通，澄清装置一端与脱水装置连通，澄清装置另一端与混合搅拌罐连通。
作为优选，还包括净化装置，净化装置与初段预热器连通，净化装置可以净化初段预热器中的蒸汽，使蒸汽能直接排放到大气环境中。
污泥水热碳化制备土壤修复剂的方法，包括以下步骤：
(1)混合与搅拌：将污泥输送至混合搅拌罐，混合搅拌罐中加入硅铝添加剂和水，用碱液调节污泥的pH为9.5～12，污泥、硅铝添加剂、水和碱液在混合搅拌罐中搅拌后得到混合浆液；
(2)预热与水热碳化反应：混合浆液输送至初段预热器和末段预热器中进行预热，然后进入水热碳化反应釜进行水热碳化反应，得到蒸汽和固液混合物，蒸汽输送至初段预热器进行初段换热，固液混合物输送至末段预热器进行末段换热；
(3)固液分离：经末段换热后的固液混合物进入脱水装置中脱水得到污泥基生物炭和液相产物，液相产物经澄清装置澄清后输送至混合搅拌罐中，澄清装置的作用在于澄清固液混合物脱水后得到的液相产物中残留的生物炭等物质，液相产物输送至混合搅拌罐中时，利用自动计量设备称量其质量，根据液相产物的质量补充水；
(4)土壤修复剂制备：经脱水装置脱水得到的污泥基生物炭造粒成球，得到土壤修复剂。
作为优选，碱液为氢氧化钠水溶液或氢氧化钾水溶液。
作为优选，污泥、硅铝添加剂、水和碱液在混合搅拌罐中搅拌10～20min，固液混合物的脱水时间为2～3h。
作为优选，硅铝添加剂为粉煤灰、高岭土和硅藻土中的一种，硅铝添加剂的添加量为污泥和硅铝添加剂总质量的5％～30％。
作为优选，步骤(1)中，水的质量与污泥和硅铝添加剂的总质量之比为2～3:1。
作为优选，步骤(3)中，液相产物和水的总质量与污泥和硅铝添加剂的总质量之比为2～3:1。
作为优选，初段预热器的预热温度为45～90℃，初段预热器的预热时间为10～30min，末段预热器的预热温度为90～130℃，末段预热器的预热时间为20～30min。
作为优选，水热碳化反应的时间为1.5～2h，水热碳化反应温度为200～280℃，不需要进行加压操作，减少操作费用，节约成本。
作为优选，污泥为市政污泥。
本发明由于采用了以上技术方案，具有以下显著的技术效果：
(1)本发明添加的硅铝添加剂可以钝化污泥中的重金属，避免了水热碳化反应产生的污泥基生物炭在用作土壤修复剂时带来的潜在环境风险，扩大本发明的土壤修复剂的应用范围；
(2)本发明的污泥采用两段预热工艺，水热碳化反应产生的蒸汽进入初段预热器进行初段预热，水热碳化反应产生的固液混合物进入末段预热器进行末段换热，对水热碳化反应产物的热量进行回收利用，作为预热工序的热源，充分利用了水热碳化反应中产生的热量，降低了能耗；
(3)本发明水热碳化反应得到的液相产物输送至混合搅拌罐中重复利用，避免了液相产物外排带来的环境污染，同时减少了水的使用量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的流程示意图。
附图中各数字标号所指代的部位名称如下：1—混合搅拌罐、2—初段预热器、3—末段预热器、4—水热碳化反应釜、41—排气口、42—排液口、5—脱水装置、6—澄清装置、7—净化装置。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
污泥水热碳化制备土壤修复剂的装置，如图1所示，包括依次连通的混合搅拌罐1、初段预热器2、末段预热器3和水热碳化反应釜4，水热碳化反应釜4上设有排气口41和排液口42，排气口41与初段预热器2连通，排液口42与末段预热器3连通，还包括脱水装置5和澄清装置6，脱水装置5与末段预热器3连通，澄清装置6一端与脱水装置5连通，澄清装置6另一端与混合搅拌罐1连通。
还包括净化装置7，净化装置7与初段预热器2连通，净化装置7可以净化初段预热器2中的蒸汽，使蒸汽能直接排放到大气环境中。
实施例2
污泥水热碳化制备土壤修复剂的方法，如图2所示，包括以下步骤：
(1)混合与搅拌：以质量份计，将80份市政污泥输送至混合搅拌罐1，混合搅拌罐1中加入20份硅铝添加剂和300份水，用碱液调节市政污泥的pH为9.5，市政污泥、硅铝添加剂、水和碱液在混合搅拌罐1中搅拌15min后得到混合浆液；
硅铝添加剂为煤粉灰，碱液为氢氧化钠水溶液；
(2)预热与水热碳化反应：混合浆液输送至初段预热器2和末段预热器3中进行预热，然后进入水热碳化反应釜4进行水热碳化反应，得到蒸汽和固液混合物，蒸汽输送至初段预热器2进行初段换热，固液混合物输送至末段预热器3进行末段换热；
初段预热器2的预热温度为70℃，初段预热器2的预热时间为20min，末段预热器3的预热温度为130℃，末段预热器3的预热时间为25min；
水热碳化反应的时间为2h，水热碳化反应温度为240℃，不需要进行加压操作；
(3)固液分离：经末段换热后的固液混合物进入脱水装置5中脱水2h得到污泥基生物炭和液相产物，液相产物经澄清装置6澄清后输送至混合搅拌罐1中，液相产物输送至混合搅拌罐1中时，利用自动计量设备称量其质量，补充适量水，使液相产物和水的总质量与市政污泥和硅铝添加剂的总质量之比为3:1；
(4)土壤修复剂制备：经脱水装置脱水得到的污泥基生物炭造粒成球，得到土壤修复剂。
本实施例得到的土壤修复剂可以使环境风险值降低8.2倍，达到低风险水平。
实施例3
污泥水热碳化制备土壤修复剂的方法，如图2所示，包括以下步骤：
(1)混合与搅拌：以质量份计，将95份市政污泥输送至混合搅拌罐1，混合搅拌罐1中加入5份硅铝添加剂和200份水，用碱液调节市政污泥的pH为12，市政污泥、硅铝添加剂、水和碱液在混合搅拌罐1中搅拌15min后得到混合浆液；
硅铝添加剂为高岭土，碱液为氢氧化钠水溶液；
(2)预热与水热碳化反应：混合浆液输送至初段预热器2和末段预热器3中进行预热，然后进入水热碳化反应釜4进行水热碳化反应，得到蒸汽和固液混合物，蒸汽输送至初段预热器2进行初段换热，固液混合物输送至末段预热器3进行末段换热；
初段预热器2的预热温度为45℃，初段预热器2的预热时间为10min，末段预热器3的预热温度为110℃，末段预热器3的预热时间为20min；
水热碳化反应的时间为2h，水热碳化反应温度为220℃，不需要进行加压操作；
(3)固液分离：经末段换热后的固液混合物进入脱水装置5中脱水2.5h得到污泥基生物炭和液相产物，液相产物经澄清装置6澄清后输送至混合搅拌罐1中，液相产物输送至混合搅拌罐1中时，利用自动计量设备称量其质量，补充适量水，使液相产物和水的总质量与市政污泥和硅铝添加剂的总质量之比为2:1；
(4)土壤修复剂制备：经脱水装置脱水得到的污泥基生物炭造粒成球，得到土壤修复剂。
本实施例得到的土壤修复剂可以使环境风险值降低7.0倍，达到低风险水平。
实施例4
污泥水热碳化制备土壤修复剂的方法，如图2所示，包括以下步骤：
(1)混合与搅拌：以质量份计，将70份市政污泥输送至混合搅拌罐1，混合搅拌罐1中加入30份硅铝添加剂和250份水，用碱液调节市政污泥的pH为11，市政污泥、硅铝添加剂、水和碱液在混合搅拌罐1中搅拌20min后得到混合浆液；
硅铝添加剂为硅藻土，碱液为氢氧化钾水溶液；
(2)预热与水热碳化反应：混合浆液输送至初段预热器2和末段预热器3中进行预热，然后进入水热碳化反应釜4进行水热碳化反应，得到蒸汽和固液混合物，蒸汽输送至初段预热器2进行初段换热，固液混合物输送至末段预热器3进行末段换热；
初段预热器2的预热温度为90℃，初段预热器2的预热时间为30min，末段预热器3的预热温度为90℃，末段预热器3的预热时间为30min；
水热碳化反应的时间为1.5h，水热碳化反应温度为280℃，不需要进行加压操作；
(3)固液分离：经末段换热后的固液混合物进入脱水装置5中脱水3h得到污泥基生物炭和液相产物，液相产物经澄清装置6澄清后输送至混合搅拌罐1中，液相产物输送至混合搅拌罐1中时，利用自动计量设备称量其质量，补充适量水，使液相产物和水的总质量与市政污泥和硅铝添加剂的总质量之比为2.5:1；
(4)土壤修复剂制备：经脱水装置脱水得到的污泥基生物炭造粒成球，得到土壤修复剂。
本实施例得到的土壤修复剂可以使环境风险值降低7.4倍，达到低风险水平。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (8)

1.基于污泥水热碳化制备土壤修复剂的装置的污泥水热碳化制备土壤修复剂的方法，其特征在于，装置包括依次连通的混合搅 拌罐（1）、初段预热器（2）、末段预热器（3）和水热碳化反应釜（4），水热碳 化反应釜（4）上设有排气口（41）和排液口（42），排气口（41）与初段预热 器（2）连通，排液口（42）与末段预热器（3）连通，还包括脱水装置（5）和 澄清装置（6），脱水装置（5）与末段预热器（3）连通，澄清装置（6）一端与脱水装置（5）连通，澄清装置（6）另一端与混合搅拌罐（1）连通，包括净化装置（7），净化装置（7）与初段预热器（2）连通；还包括以下步骤：
（1）混合与搅拌：将污泥输送至混合搅拌罐（1），混合搅拌罐（1）中加 入硅铝添加剂和水，用碱液调节污泥的 pH 为 9.5~12，污泥、硅铝添加剂、水和 碱液在混合搅拌罐（1）中搅拌后得到混合浆液；
（2）预热与水热碳化反应：混合浆液输送至初段预热器（2）和末段预热 器（3）中进行预热，然后进入水热碳化反应釜（4）进行水热碳化反应，得到 蒸汽和固液混合物，蒸汽输送至初段预热器（2）进行初段换热，固液混合物输 送至末段预热器（3）进行末段换热；
（3）固液分离：经末段换热后的固液混合物进入脱水装置（5）中脱水得 到污泥基生物炭和液相产物，液相产物经澄清装置（6）澄清后输送至混合搅拌 罐（1）中，液相产物输送至混合搅拌罐（1）中时，根据液相产物的质量补充 水；
（4）土壤修复剂制备：经脱水装置（5）脱水得到的污泥基生物炭造粒成 球，得到土壤修复剂。
2.根据权利要求 1所述的污泥水热碳化制备土壤修复剂的方法，其特征在于： 污泥、硅铝添加剂、水和碱液在混合搅拌罐中搅拌 10~20 min，固液混合物的脱 水时间为 2~3h。
3.根据权利要求 1所述的污泥水热碳化制备土壤修复剂的方法，其特征在于： 硅铝添加剂为粉煤灰、高岭土和硅藻土中的一种，硅铝添加剂的添加量为污泥 和硅铝添加剂总质量的 5%~30%。
4.根据权利要求 1 所述的污泥水热碳化制备土壤修复剂的方法，其特征在于： 步骤（1）中，水的质量与污泥和硅铝添加剂的总质量之比为 2~3:1。
5.根据权利要求 1所述的污泥水热碳化制备土壤修复剂的方法，其特征在于： 步骤（3）中，液相产物和水的总质量与污泥和硅铝添加剂的总质量之比为 2~3:1。
6.根据权利要求 1所述的污泥水热碳化制备土壤修复剂的方法，其特征在于： 初段预热器的预热温度为 45~90℃，初段预热器的预热时间为 10~30 min，末段 预热器的预热温度为 90~130℃，末段预热器的预热时间为 20~30 min。
7.根据权利要求 1所述的污泥水热碳化制备土壤修复剂的方法，其特征在于： 水热碳化反应的时间为 1.5~2 h，水热碳化反应温度为 200~280℃。
8.根据权利要求 1 所述的污泥水热碳化制备土壤修复剂的方法，其特征在于： 污泥为市政污泥。
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