CN108862972B

CN108862972B - 一种基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的方法

Info

Publication number: CN108862972B
Application number: CN201810649747.8A
Authority: CN
Inventors: 王文龙; 王超前; 张汝宁; 蒋稳; 孙静; 毛岩鹏; 赵希强; 宋占龙
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2018-06-22
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2038-06-22
Also published as: CN108862972A

Abstract

本发明涉及一种基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的方法，涉及市政污泥资源化利用技术领域。所述方法包括如下步骤：1)将污泥干燥后粉碎，然后送入热解炉中进行初级热解，得到半程热解污泥；2)对步骤2)中的半程热解污泥进行微波诱导热解，冷却后得污泥炭。本发明先通过初级热解获得微波强化吸收和高性能的半程热解污泥，再利用基体的高能位点原位热解强化和玻璃化固化重金属，达到低能耗制备高性能污泥炭的目的，从而在不添加其他额外的物理/化学活化添加剂的基础上，同时实现了污泥中重金属的安全固化和污泥制炭节能高效制备。

Description

一种基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的方法

技术领域

本发明涉及市政污泥资源化利用技术领域，具体涉及一种基于微波诱导定向加热的协同热解原理热解污泥制炭的方法。

背景技术

市政污泥是污水处理的产物，其成分复杂、产量大，具有资源与污染的双重属性。污泥含有有机质及氮、磷等资源，却又浓缩了污水中约50-80％的重金属、大量多种寄生虫与病原体等污染物。随着我国城镇化及污水处理标准的逐渐提高，2016年我国产出的市政污泥(含水率约80％)即达2300万吨～4500万吨。因此对巨量且逐年递增的市政污泥进行安全环保、经济高效地处置，是我国在城市发展中所面临的重要能源与环境问题，也是难题。

当前，国内外对污泥的传统处理处置技术主要有厌氧消化、填埋、堆肥和焚烧，但均存在一定的局限。已有污泥处置技术中，重金属等污染物有效管控、降低成本和产物增值没有很好解决，因此更加绿色、高效且产品具有高附加值的增值利用途径有待开发。

污泥热解炭化技术，因有害气体排放少、能量可回收、热解炭产物可利用等特点，近年来受到越来越多关注。特别是污泥高温热解炭具有玻璃化固化重金属、固碳减少温室气体排放及稳定性好等特点，可作为廉价吸附剂、土壤改良剂，而逐步成为研究热点。但为实现以玻璃化方式稳定固化重金属，污泥常规高温直接炭化存在耗时耗能、重金属易挥发等问题。在降低能耗获得更高性能热解炭的探索方法中，物理/化学活化与掺混生物质共热解的方法对改善炭品质有一定效果，但大量添加剂不仅增大工艺系统的复杂程度与能耗，也可能强化重金属的污染问题。

因微波加热的选择性、快速性、整体性优势，利用微波热解污泥可明显快速提高重金属固化的安全性及炭品质，且具备节能潜力而备受关注。但污泥是弱吸波介质，湿污泥消耗高品质的微波能用于低效率干燥，干污泥直接在微波场中很难短时达到高温。但是添加强吸波剂又存在与热解炭分离能耗成本高、不分离则因循环利用污泥炭中玻璃体的粉末化而增大重金属二次污染的风险等原因，阻碍其未来的连续化大规模工业生产，因此相关工作多停留于研究阶段。

综上可见，在安全固化重金属的基础上，同时节能高效地制备污泥炭，才有助于实现污泥的高附加值资源化利用，但现有污泥炭化存在以下困难：1)为减少污泥中的重金属挥发需要缩短热解时间，而要以玻璃化方式稳定固化重金属，又需要适当延长高温热解时间，同时还要提升炭品质，仅利用常规热解难以在低能耗下高效实现。2)微波热解虽可快速加热，但必须额外添加强吸波介质，否则不能短时升高温并难保证重金属的安全固化。因此，亟需一种在安全固化重金属的基础上，能够节能高效地利用污泥制炭的工艺。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的方法，本发明先通过常规初级热解获得微波强化吸收和高性能热解炭的基体(半程热解污泥)，再利用基体的高能位点原位热解强化和玻璃化固化重金属，达到低能耗制备高性能污泥炭地目的，从而在不添加其他任何额外的物理/化学活化添加剂的基础上，同时实现了污泥中重金属的安全固化和污泥制炭节能高效制备。

本发明第一目的是提供一种基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的方法。

本发明第二目的是提供基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的方法的应用。

为实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明提供一种基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的方法，包括如下步骤：

1)将污泥干燥后粉碎，然后送入热解炉中进行初级热解，得到半程热解污泥；从而使污泥中的部分有机质得到快速降解，实现污泥的部分炭化与重金属富集程度的提高；

2)对步骤1)中的半程热解污泥进行微波诱导热解，冷却后即得污泥炭。

优选的，所述基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的方法，包括如下步骤：

(1)首先，将从污泥在污泥接收装置中进行污泥基本理化参数检测记录，同时经过灭菌除臭处理后，将污泥储存待用；

(2)将步骤(1)中污泥输送至干燥装置进行干燥，再输送至粉碎机粉碎到要求粒径后，转移至缓存料仓，备用；

(3)将步骤(2)中的污泥通过封闭式传输系统送入热解炉中进行初级热解，热解过程在惰性气氛中进行，热解完毕后得到半程热解污泥，同时，将初级热解产生的油气直接燃烧，燃烧产生的烟气与烟气换热设备中的工质换热后，烟气经过烟气除尘净化装置滤除飞灰后，通过烟囱排放，换热后的工质则作为干燥装置的热源，飞灰经过水泥固化、熔融固化等处理，达到浸出毒性标准的要求，可填埋或做建材等利用；

(4)将半程热解污泥混匀后进行指标检测，确保其介电特性满足后续微波加热的快速升高温要求；

(5)将步骤(4)中指标合格的半程热解污泥送入微波热解炉进行微波诱导热解，得到污泥炭，同时，将微波诱导热解产生的高温热解气通过辅助加热系统燃烧，先将燃烧产生的热量作为初级热解炉的辅助热源，然后将燃烧产生的烟气通过烟气换热设备，与其中的工质换热，换热后的工质继续作为步骤(3)中初级热解的辅助的热源，从而达到对污泥热解气的多级利用。

步骤(2)中，所述干燥指：将污泥脱水至含水率25％以下。

步骤(3)中，所述初级热解采用短时、高温的热解方式，优选的，所述温度在800℃及以下，所述时间在30min及以下；这种方式有助于污泥快速地部分炭化的同时减少重金属挥发，提高重金属富的集程度。

优选的，所述初级热解温度为500～800℃、时间为10～30min，优选为700℃，10min。

步骤(4)中，所述微波诱导热解的功率和频率分别为：600W及以上、915MHz及以上，优选为900W、2450MHz或优选为900W、915MHz。

步骤(4)中，所述将半程热解污泥进行混匀的目的是：使半程热解污泥中炭化与未炭化部分进行混匀，增大高能位点(污泥部分炭化后，这部分炭会使得污泥具备更好的吸收微波产热能力，是污泥在微波中可迅速上升至预定的温度范围内)在半程热解污泥中的分散程度，提高半程热解污泥的的微波吸收能力，进而提高对微波的利用率，使半程热解污泥在微波热解阶段能够快速达到玻璃化温度。

步骤(5)中，所述微波热解时，利用半程热解污泥中的高能位点在微波中的热效应与放电等多效应耦合作用，短时内升高到1000-2000℃的高温，改善污泥炭的孔隙结构，也促使污泥灰分中的SiO₂、Al₂O₃等快速熔融形成玻璃体达到安全固化重金属的目的。

其次，本发明公开了基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭方法制备的污泥炭在吸附剂、土壤改良剂中的应用。

本发明的基本构思是：在不添加其他任何额外的物理/化学活化添加剂的基础上，将粉碎后的干污泥先通过在普通加热炉中进行短时高温热解，实现部分炭化，并提高重金属的富集程度，即获得微波强化吸收和高性能热解炭的基体(半程热解污泥)；接着把半程热解污泥送入微波炉内，通过控制微波功率和辐照时间，利用半程热解污泥中的高能位点在微波中的热效应与放电等多效应耦合作用，可在短时内升高到1000-2000℃的高温，促使污泥灰分中的SiO₂、Al₂O₃等快速熔融形成玻璃体以安全固化重金属，同时，热解过程中产生的热解气与碳酸盐等矿物的裂解气外逸又改善污泥炭的孔隙结构，可以使本发明制备的污泥炭作为良好的吸附剂、土壤改良剂。另外，由于整个热解过程处于高温，除了热解炭以外，主要为高温热解气，因此，如果将其作为辅助热源进行污泥的干燥和辅助初级热解，又可以实现热解余热的再利用，而且由于整个热解过程用时短、微波利用效率高，能够进一步降低能耗。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：

1、本发明充分利用碳在微波中的热效应与放电等多效应耦合作用，不仅可快速达到1000-2000℃的高温，而且使微波能的利用效率提高了70-80％；同时，本发明将热解炉与微波炉组合运行，省去了物理/化学活化添加剂带来的成本。

2、本发明在不添加其他任何额外的物理/化学活化添加剂的基础上，将热解过程中产生的热解气作为辅助热源进行污泥的干燥和辅助初级热解，不仅实现了余热的多级利用，而且同时实现了污泥中重金属的安全固化和污泥制炭节能高效制备，为节能、高效管控污泥中重金属等污染物和污泥的高附加值资源化利用提供了新的途径。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明1热解污泥制炭的工艺流程图。

图2为实施例1和对比例1制备的CT和XT两种污泥碳的SEM(EDS)测试。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有污泥炭化存在以下困难：1)为减少污泥中的重金属挥发需要缩短热解时间，而要以玻璃化方式稳定固化重金属，又需要适当延长高温热解时间，同时还要提升炭品质，仅利用常规热解难以在低能耗下高效实现。2)微波热解虽可快速加热，但必须额外添加强吸波介质，否则不能短时升高温并难保证重金属的安全固化；因此，本发明提供一种基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

本发明具体实施方式中采用的污泥样品取自山东建筑大学污水处理站的污泥脱水间，主要处理生活污水与厨余污水，其含水率约85％，干基热值Q_ad约16MJ/Kg，干污泥样品的成分如表1所示，样品经过紫外线灭菌除臭处理后备用。

表1

实施例1

如图1所示，一种基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的方法，包括如下步骤：

(1)将污泥样品在鼓风干燥箱内经过105℃干燥24h后得到的干污泥样品(标记为SS)的含水率为3.16％(如表2所示)，粉碎过筛20目后装袋密封储存，备用；

(2)取500g干污泥样品通过封闭式传输系统送入电炉中，设置电炉升温时间为30min，当炉内温度达到700℃时，进行初级热解10min，热解过程在氮气气氛中进行，然后停止加热，待炉膛冷却至室温后再打开炉门取出热解炭，并标记为BC，即为半程热解污泥，同时，将初级热解产生的油气在燃油燃气余热锅炉中直接燃烧，燃烧产生的烟气与烟气换热设备中的工质换热后，烟气经过烟气除尘净化装置滤除飞灰后，通过烟囱排放，换热后的工质则作为鼓风干燥箱的热源，用于干燥污泥样品；

(3)将半程热解污泥混匀后送入微波电解炉进行微波诱导热解5min(功率900W，频率2450MHz)，得到污泥炭，并标记为XT，同时，将微波诱导热解产生的高温热解气及其燃烧热作为步骤(2)中初级热解的辅助热源，燃烧后与烟气换热设备中的工质换热后，换热后的工质也作为鼓风干燥箱的热源，用于干燥污泥样品；

对比例1

样品的采集、灭菌除臭以及干燥过程同实施例1，区别在于：在加热炉中对干污泥样品进行高温长时热解，具体为：将干污泥样品在700℃热解60min后，取出冷却，即得常规热解炭，标记为CT。

实施例2

同实施例1，区别在于：所述初级热解的温度和时间为500℃、30min，：微波诱导热解的频率915MHz。

实施例3

同实施例1，区别在于：所述初级热解的温度和时间为：800℃、10min。

实施例1和对比例1制备的污泥碳样品CT、BC、XT性能检测：

为定量分析污泥在热解过程中介电特性的变化，进行复介电常数测试。将实施例1和对比例1制备的污泥样品CT、BC、XT分别与石蜡以1:9的质量比混合，采用的网络矢量分析仪(设备型号为AV3656A)进行测试。

为定量分析污泥在热解过程中固定碳含量的变化，本发明采用的工业分析设备型号为SDTGA5000。

为对比污泥炭的理化结构特性，进行比表面积(BET)测试，本发明采用的BET设备型号分别为Quantachrome，USA。

为检测重金属的固化效果，本发明对对污泥中的主要重金属(Cu、Zn)进行毒性浸出试验(TCLP)，采用的设备型号为ICP-MS。

测试结果：

污泥样品CT、BC、XT的介电特性测试结果如表2所示：

表2

从表2可以看出：半程热解后得到热解炭BC的介电特性(tanδ)与固定碳含量比原污泥有了明显提升，其中，tanδ提升了22％，固定碳提升了1.95倍；本发明的协同热解炭XT和常规高温热解后得到的CT相比，固定碳提升了10.9％。可以看出，污泥在通过短时初级热解后提高了微波吸收能力，且微波热解更利于提高热解炭的固碳能力。

另外，从表2可以看出，尽管半程热解炭比干污泥的介电损耗能力提升了约22％，但半程热解炭比干污泥的固定碳含量显著提高了近2倍，从而大幅度增大了C放电快速升高温的概率，最终使得半程热解炭具有显著的吸波升温能力。

污泥样品CT、XT的SEM(EDS)测试结果图2所示：从图中可以看出，协同热解得到的热解炭XT具有显著球形颗粒存在，这表明无机成分Si、Al等在短时高温热解作用下，经历了快速玻璃化过程，因重金属短时内挥发量较小，进而有助于重金属更好的固化稳定效果。

污泥样品CT、XT的表面积(BET)测试结果表3所示，从表3可以看出，热解炭孔隙结构优，协同热解炭的比表面积59m²/g比常规热解炭的47m²/g提升了26％，这主要与经过短时高温热解后，污泥中分布着大量高能位点有关。

同时，从表3可以看出，协同热解XT的重金属浸出量相比于高温长时CT大幅度下降，污泥炭固化重金属量得到了显著提升，说明协同热解对污泥中重金属的固化能力相对于单纯的高温长时间热解对污泥中重金属的固化能力有了大幅度提高。

表3

协同热解和高温长时的节能率测试结果显示：和高温长时热解工艺的总时间60min相比，所述协同热解的总时间为15min(10min为初级热解中的时间，5min为微波诱导热解的时间)，使得散热节能率提升了75％，最终总节能率提升了69.4％，节能效果显著，因此，通过微波诱导协同热解，可以在很低的能耗下实现污泥制备较高稳定性的热解炭。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的方法，其特征在于：

包括如下步骤：

1）将污泥干燥后粉碎，然后送入热解炉中进行初级热解，得到半程热解污泥；从而使污泥中的部分有机质得到快速降解，实现污泥的部分炭化与重金属富集程度的提高；

2）将半程热解污泥进行混匀后进行指标检测，确保其介电特性满足后续微波加热的快速升高温要求；

3）对步骤 2）中指标合格的半程热解污泥进行微波诱导热解，冷却后即得污泥炭；

步骤1）中，所述初级热解采用短时、高温的热解方式；所述高温为700℃，所述短时为10min；

步骤 3）中，所述微波诱导热解的功率和频率分别为 600W及以上、915MHz 及以上；

所述方法具体为：

（1）首先，将从污泥在污泥接收装置中进行污泥含水率、干基热值、干污泥样品的成分的理化参数检测记录，同时经过灭菌除臭处理后，将污泥储存待用；

（2）将步骤（1）中污泥输送至干燥装置进行干燥，再输送至粉碎机粉碎到要求粒径后，转移至缓存料仓，备用；

（3）将步骤（2）中的污泥通过封闭式传输系统送入热解炉中进行初级热解，热解过程在惰性气氛中进行，热解完毕后得到半程热解污泥，同时，将初级热解产生的油气直接燃烧，燃烧产生的烟气与烟气换热设备中的工质换热后，烟气经过烟气除尘净化装置滤除飞灰后，通过烟囱排放，换热后的工质则作为干燥装置的热源；

（4）将半程热解污泥混匀后进行指标检测，确保其介电特性满足后续微波加热的快速升高温要求；

（5）将步骤（4）中指标合格的半程热解污泥送入微波热解炉进行微波诱导热解，得到污泥炭，同时，将微波诱导热解产生的高温热解气通过辅助加热系统燃烧，先将燃烧产生的热量作为初级热解炉的辅助热源，然后将燃烧产生的烟气通过烟气换热设备，与其中的工质换热，换热后的工质继续作为步骤（3）中初级热解的辅助热源。

2.如权利要求1 所述的基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的方法，其特征在于：步骤（2）中，所述干燥指：将污泥脱水至含水率 25%以下。

3.如权利要求1所述的基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的方法，特征在于：步骤3）中，所述微波诱导热解的功率和频率分别为：900 W、2450MHz 。

4.如权利要求1所述的基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的方法，特征在于：步骤3）中，所述微波诱导热解的功率和频率分别为：900 W、915MHz。

5.如权利要求 1-4任一项所述的基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的方法制备的污泥炭。

6.如权利要求5 所述的污泥炭在吸附剂、土壤改良剂中的应用。