CN108862973A - 一种基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的装置及方法 - Google Patents

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装置，涉及市政污泥资源化利用技术领域。包括：初级热解炉、微波热解炉、混料器、盛料盘转轴、进料口、热解炭排出口及导向板、旋转盛料盘、底层炉体、外层炉体、热解炭冷却装置、热解炭外排口、内层炉体、密封层；所述初级热解炉和微波热解炉形成环形炉体结构，混料器、盛料盘转轴、热解炭排出口及导向板、旋转盛料盘、内层炉体、密封层设置在环形炉体内，进料口设置在外层炉体上，热解炭外排口设置在底层炉体上；本发明通过旋转盛料盘相对静止地、连续地转送至微波热解炉中，增大对高能位点的利用，提高了半程热解污泥在微波热解炉中的整体升温能力，实现了污泥热解制炭的连续化生产。

Description

一种基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的装置及方法

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装置及方法。

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，但现有污泥炭化研究存在困难。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；并且现有的微波热解大多采用间歇操作的固定床实验装置，批次处理物料少、能耗大、物料混合不均匀。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装置。

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装置及方法，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装置。

本发明第二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。

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装置，包括：初级热解炉、微波热解炉、混料器、盛料盘转轴、进料口、刮渣隔板、热解炭排出口及导向板、变频电动机、旋转盛料盘、底层炉体、外层炉体、热解气焚烧装置、热解气输送管道、热解炭冷却装置、分区隔板、烟气外排装置、热解炭外排口、内层炉体、密封层。

所述初级热解炉和微波热解炉形成环形炉体结构，初级热解炉和微波热解炉的周长比例可根据需要进行设置，所述初级热解炉指普通的具有加热功能的加热炉。

所述混料器设置在初级热解炉和微波热解炉的连接处，污泥在初级热解炉中完成初步热解后通过混料器混匀后进入微波热解炉。

优选的，所述混料器是为带有钉齿的混料器。

所述旋转盛料盘设置在初级热解炉和微波热解炉形成的环形炉体炉体内，且旋转盛料盘套设在盛料盘转轴上，盛料盘转轴、旋转盛料盘、环形炉体结构三者处于同一轴线，所述变频电动机安装在盛料盘转轴上，为旋转盛料盘的转动提供动力。

所述盛料盘转轴用于带动旋转盛料盘的转动，进而将污泥从初级热解炉中不间断地转移到微波热解炉中，使污泥的初级热解和微波诱导热解过程连续进行，并将制得的污泥炭运送至热解炭冷却装置中。

所述初级热解炉的上部设置有进料口，且进料口安装在外层炉体上，干燥、粉碎后的污泥通过进料口进入初级热解炉中。

所述进料口、刮渣隔板、热解炭排出口及导向板依次相邻设置，且刮渣隔板和热解炭排出口及导向板均设置在微波热解炉中。

刮渣隔板的主要作用是清理附着在旋转盛料盘表面的污泥炭，清理干净的旋转盛料盘开始运送下一批干污泥，进行新一轮的初步热解和微波热解过程，整体盛料盘连续式工作。

热解炭排出口及导向板的主要作用是将微波热解得到的污泥炭排到热解炭冷却装置中。

所述初级热解炉和微波热解炉形成环形炉体结构外部由底层炉体和外层炉体构成，内部设置有内层炉体，外层炉体和内层炉体构成了双层炉体结构，这种双层外壳有助于防止微波热解炉中的微波泄漏、减少初级热解炉中热量的散失，防止热解过程中产生的热解气的泄露，保证热解过程安全运行。

所述密封层设置在旋转盛料盘和内层炉体之间，且密封层的上端与内层炉体密封连接，密封层的下端与旋转盛料盘滑动连接，旋转盛料盘、内层炉体、密封层构成封闭的空间，从而为污泥的热解提供密封环境。

所述热解气焚烧装置设置在初级热解炉的下部，所述热解气输送管道的起始端设置在微波热解炉的上部，另一端位于热解气焚烧装置中，微波诱导热解过程中产生的热解气通过热解气输送管道输送到热解气焚烧装置进行焚烧，焚烧后产生的热量作为初级热解炉的辅助热源。

优选的，所述热解气输送管道中安装有高温排烟风机，以便于将热解气输送至热解气焚烧装置中进行焚烧。

热解炭冷却装置设置在微波热解炉的下部，其主要作用是储存、冷却微波热解炉中制备的污泥炭，污泥炭制备完成后经过热解炭排出口及导向板，排放到热解炭冷却装置中，待冷却后运出热解炭冷却装置。

所述分区隔板设置在热解气焚烧装置和热解炭冷却装置之间，从而将初级热解炉和微波热解炉形成环形炉体的下层空间分为热解气焚烧装置和热解炭冷却装置两部分。

所述烟气外排装置设置在热解气焚烧装置中，热解气焚烧后的烟气经过烟气外排装置处理合格后再进行排放。

优选的，所述烟气外排装置中设置有换热器，热解气焚烧后的烟气经过换热器换热后在进行排放，以回收烟气中的余热。

所述热解炭外排口设置在热解炭冷却装置的底部，用于排放冷却后的污泥炭。

优选的，外层炉体外表面设置有隔热层，防止炉体烫伤工作人员。

其次，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)首先，将从污泥进行干燥，再输送至粉碎机粉碎到要求粒径后，转移至缓存料仓，备用；

(2)将步骤(1)中的污泥从进料口送入初级热解炉中，在旋转盛料盘的转动下进行连续初级热解，初级热解过程在惰性气氛中进行，初级热解完毕后得到半程热解污泥；

(3)将步骤(2)中的半程热解污泥经过混料器混匀后进入微波热解炉进行微波诱导热解，热解完成后得到污泥炭，同时，微波诱导热解过程中产生的热解气通过热解气输送管道输送到热解气焚烧装置进行焚烧，焚烧后产生的热量作为初级热解炉的辅助热源；

(4)将步骤(3)中的微波诱导热解后得到的污泥炭通过热解炭排出口及导向板排放到热解炭冷却装置中，待冷却后经过热解炭外排口运出热解炭冷却装置；

(5)刮渣隔板对清理附着在旋转盛料盘表面的污泥炭后，旋转盛料盘开始运送下一批干污泥，进行新一轮的初步热解和微波热解过程，整体盛料盘连续式工作。

步骤(3)中，所述初级热解采用短时、高温热解的方式，这样可以使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。

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(如污泥炭化部分，具有较强的吸收微波产热能力，在微波中其温度可迅速上升，成为一定范围内的高温位点)在半程热解污泥中的分散程度，提高半程热解污泥的微波吸收能力，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。

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)本发明的特点是首先采用半程热解污泥，污泥的实现部分炭化，并提高重金属的富集程度，以获得微波强化吸收和高性能热解炭的基体，然后将半程热解污泥通过旋转盛料盘相对静止地、连续地转送至微波热解炉中，增大对高能位点的利用，提高了半程热解污泥在微波热解炉中的整体升温能力；因为如果半程热解污泥动态落入微波热解段，部分高能位点会被气流冲离半程热解污泥，削弱了微域高温玻璃化固化重金属的程度，最终影响污泥炭的安全性。

(2)本发明通过旋转盛料盘相对静止地、连续地转送至微波热解炉中，增大对高能位点的利用，提高了半程热解污泥在微波热解炉中的整体升温能力，实现了污泥热解制炭的连续化生产。

(3)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。

(4)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是本发明基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的装置的顶层俯视图。

图2是本发明基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的装置的内层俯视图。

图3是本发明基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的装置的底层俯视图。

图4是本发明基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的装置的外部正视图。

图5是本发明基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的装置的左视A-A剖面图。

图6是本发明基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的装置的正视B-B剖面图。

附图中标记分别代表：1-初级热解炉、2-微波热解炉、3-混料器、4-盛料盘转轴、5-进料口、6-刮渣隔板、7-热解炭排出口及导向板、8-变频电动机、9-旋转盛料盘、10-底层炉体、11-外层炉体、12-热解气焚烧装置、13-热解气输送管道、14-热解炭冷却装置、15-分区隔板、16-烟气外排装置、17-热解炭外排口、18-内层炉体、19-密封层。

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，现有污泥炭化及其设备存在以下困难：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；并且现有的微波热解大多采用间歇操作的固定床实验装置，批次处理物料少、能耗大、物料混合不均匀；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。

实施例1

如图1-6所示，一种基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的装置，包括：初级热解炉1、微波热解炉2、混料器3、盛料盘转轴4、进料口5、刮渣隔板6、热解炭排出口及导向板7、变频电动机8、旋转盛料盘9、底层炉体10、外层炉体11、热解气焚烧装置12、热解气输送管道13、热解炭冷却装置14、分区隔板15、烟气外排装置16、热解炭外排口17、内层炉体18、密封层19。

所述初级热解炉1和微波热解炉2形成环形炉体结构，初级热解炉1和微波热解炉2的周长比例可根据需要进行设置，所述初级热解炉指普通的具有加热功能的加热炉。

所述混料器3设置在初级热解炉1和微波热解炉2的连接处，污泥在初级热解炉1中完成初步热解后通过混料器3混匀后进入微波热解炉2；所述混料器为带有钉齿的混料器。

所述旋转盛料盘9设置在初级热解炉1和微波热解炉2形成的环形炉体炉体内，且旋转盛料盘9套设在盛料盘转轴4上，盛料盘转轴4、旋转盛料盘9、环形炉体结构三者处于同一轴线，所述变频电动机8安装在盛料盘转轴4上，为旋转盛料盘9的转动提供动力。

所述盛料盘转轴4用于带动旋转盛料盘9的转动，进而将污泥从初级热解炉1中不间断地转移到微波热解炉2中，使污泥的初级热解和微波诱导热解过程连续进行，并将制得的污泥炭运送至热解炭冷却装置14中。

所述初级热解炉1的上部设置有进料口5，且进料口5安装在外层炉体11上，干燥、粉碎后的污泥通过进料口5进入初级热解炉1中。所述进料口5、刮渣隔板6、热解炭排出口及导向板7依次相邻设置，且刮渣隔板6和热解炭排出口及导向板7均设置在微波热解炉2中。

刮渣隔板6的主要作用是清理附着在旋转盛料盘9表面的污泥炭，清理干净的旋转盛料盘9开始运送下一批干污泥，进行新一轮的初步热解和微波热解过程，整体盛料盘连续式工作。

所述初级热解炉1和微波热解炉2形成环形炉体结构外部由底层炉体10和外层炉体11构成，内部设置有内层炉体18，外层炉体11和内层炉体18构成了双层炉体结构。

所述密封层19设置在旋转盛料盘9和内层炉体18之间，且密封层19的上端与内层炉体18密封连接，密封层19的下端与旋转盛料盘9滑动连接，旋转盛料盘9、内层炉体18、密封层19构成封闭的空间，从而为污泥的热解提供密封环境。

所述热解气焚烧装置12设置在初级热解炉1的下部，所述热解气输送管道13的起始端设置在微波热解炉2的上部，另一端位于热解气焚烧装置12中，微波诱导热解过程中产生的热解气通过热解气输送管道13输送到热解气焚烧装置12进行焚烧，焚烧后产生的热量作为初级热解炉1的辅助热源。所述热解气输送管道13中安装有高温排烟风机。

热解炭冷却装置14设置在微波热解炉2的下部，其主要作用是储存、冷却微波热解炉2中制备的污泥炭，污泥炭制备完成后经过热解炭排出口及导向板7，排放到热解炭冷却装置14中，待冷却后运出热解炭冷却装置14。

所述分区隔板15设置在热解气焚烧装置12和热解炭冷却装置14之间，从而将初级热解炉1和微波热解炉2形成环形炉体的下层空间分为热解气焚烧装置12和热解炭冷却装置14两部分。

所述烟气外排装置16设置在热解气焚烧装置12中，热解气焚烧后的烟气经过烟气外排装置16处理合格后再进行排放。

所述烟气外排装置16中设置有换热器，热解气焚烧后的烟气经过换热器换热后在进行排放，以回收烟气中的余热。所述热解炭外排口17设置在热解炭冷却装置14的底部，用于排放冷却后的污泥炭。外层炉体11外表面设置有隔热层。

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 (10)

1.一种基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的装置，其特征在于：所述装置包括：初级热解炉、微波热解炉、混料器、盛料盘转轴、进料口、热解炭排出口及导向板、旋转盛料盘、热解炭冷却装置、热解炭外排口、底层炉体、外层炉体、内层炉体、密封层；

所述初级热解炉和微波热解炉形成环形炉体结构，所述混料器设置在初级热解炉和微波热解炉的连接处，污泥在初级热解炉中完成初步热解后通过混料器混匀后进入微波热解炉；

所述旋转盛料盘设置在初级热解炉和微波热解炉形成的环形炉体炉体内，且旋转盛料盘套设在盛料盘转轴上，盛料盘转轴、旋转盛料盘、环形炉体结构三者处于同一轴线；

所述初级热解炉的上部设置有进料口，且进料口安装在外层炉体上，所述热解炭排出口及导向板与进料口相邻设置，且热解炭排出口及导向板设置在微波热解炉中；

所述初级热解炉和微波热解炉形成环形炉体结构外部由底层炉体和外层炉体构成，环形炉体结构内部设置有内层炉体，外层炉体和内层炉体构成了双层炉体结构；所述密封层设置在旋转盛料盘和内层炉体之间，且密封层的上端与内层炉体密封连接，密封层的下端与旋转盛料盘滑动连接，旋转盛料盘、内层炉体、密封层构成封闭的空间；

热解炭冷却装置设置在微波热解炉的下部；所述热解炭外排口设置在热解炭冷却装置的底部。

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装置，其特征在于：所述装置还包括刮渣隔板，所述进料口、刮渣隔板、热解炭排出口及导向板依次相邻设置，且刮渣隔板和热解炭排出口及导向板均设置在微波热解炉中。

3.如权利要求2所述的基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的装置，其特征在于：所述装置还包括热解气焚烧装置，所述热解气焚烧装置设置在初级热解炉的下部。

4.如权利要求3所述的基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的装置，其特征在于：所述装置还包括热解气输送管道，所述热解气输送管道的起始端设置在微波热解炉的上部，另一端位于热解气焚烧装置中。

5.如权利要求4所述的基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的装置，其特征在于：所述装置还包括分区隔板，所述分区隔板设置在热解气焚烧装置和热解炭冷却装置之间，从而将初级热解炉和微波热解炉形成环形炉体的下层空间分为热解气焚烧装置和热解炭冷却装置两部分。

6.如权利要求5所述的基于微波诱导定向加热技术热解污泥制炭的装置，其特征在于：所述装置还包括烟气外排装置，所述烟气外排装置设置在热解气焚烧装置中。

7.如权利要求1-6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装置，其特征在于：所述装置还包括变频电动机，所述变频电动机安装在盛料盘转轴上。

8.如权利要求1-6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装置，其特征在于：所述热解气输送管道中安装有高温排烟风机。

9.如权利要求1-6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装置，其特征在于：所述烟气外排装置中设置有换热器；优选的，外层炉体外表面设置有隔热层；优选的，所述混料器是为带有钉齿的混料器。

10.利用权利要求9所述设备制备污泥炭的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)首先，将从污泥进行干燥，再输送至粉碎机粉碎到要求粒径后，转移至缓存料仓，备用；

(2)将步骤(1)中的污泥从进料口送入初级热解炉中，在旋转盛料盘的转动下进行连续初级热解，初级热解过程在惰性气氛中进行，初级热解完毕后得到半程热解污泥；

(3)将步骤(2)中的半程热解污泥经过混料器混匀后进入微波热解炉进行微波诱导热解，热解完成后得到污泥炭，同时，微波诱导热解过程中产生的热解气通过热解气输送管道输送到热解气焚烧装置进行焚烧，焚烧后产生的热量作为初级热解炉的辅助热源；

(4)将步骤(3)中的微波诱导热解后得到的污泥炭通过热解炭排出口及导向板排放到热解炭冷却装置中，待冷却后经过热解炭外排口运出热解炭冷却装置；

(5)刮渣隔板对清理附着在旋转盛料盘表面的污泥炭后，旋转盛料盘开始运送下一批干污泥，进行新一轮的初步热解和微波热解过程，整体盛料盘连续式工作。