CN109055729B - 一种污泥生物炭资源化利用的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种污泥生物炭资源化利用的方法。包括如下步骤:将污泥生物炭、水和辅料混合均匀并造粒后,得到颗粒料;再与原有烧结基准配料进行混合,得到烧结混合料;再在传统冶金烧结机上进行烧结,得到烧结矿,作为炼铁原料送入高炉冶炼。该方法可有效利用污泥生物炭中的有价组分,调整烧结矿的成分与性能,降低烧结原料成本;且生物炭中含有的3‑8%的碳可作为烧结的补充能源,降低燃料成本。该方法为污泥热解终端产物规模化利用提供新的途径,将污泥生物炭作为高炉冶炼的原料,完全避免了污泥生物炭在土地利用过程中潜在的重金属累积污染,尤其适于重金属含量超标的污泥热解炭的资源化利用;简单实用,投资少,成本低,环保。

Description

一种污泥生物炭资源化利用的方法
技术领域
本发明涉及冶金烧结领域,尤其是涉及一种污泥生物炭资源化利用的方法。
背景技术
作为高炉生产的主要原料,烧结矿在高炉生产中占有重要地位,尤其在我国钢铁企业近些年迅速发展的背景下,烧结矿的年产量数以亿吨计。铁矿粉烧结是一种造块方法,其原理是将细粒含铁原料与燃料、熔剂按一定比例配合,加水润湿、混匀而制成烧结混合料,然后布于烧结机上,通过点火、抽风,并借助烧结料中燃料燃烧产生高温,进而发生一系列的物理化学变化,生成部分低熔点物质,并软化熔融产生一定数量的液相,将铁矿物颗粒润湿粘结起来,冷却后形成具有一定强度的多孔块状产品-烧结矿。其中,熔剂的主要作用是使矿物中的脉石造渣,常用的熔剂包括生石灰、石灰石、白云石、蛇纹石;固体燃料一般包括焦炭和煤粉。烧结在整个冶金体系中的能耗仅次于炼铁及轧钢而居于第三位,降低烧结工序固体原料与燃料消耗对于提高钢铁企业的经济效益具有重要意义。
另一方面,随着我国社会经济和城镇化进程的快速发展,城市污水处理厂的规模和污泥产生量不断增加,据统计全国的污泥产量已经超过4000万吨(含水率为97%左右),污泥处置压力越来越大。污泥热解炭化技术能去除污泥中病毒、寄生生物和有毒污染物,高效实现减量化与无害化而得到广泛关注,并已在我国得到广泛应用。但是,污泥热解重点工作大都集中在污泥处理前端脱水、降低成本,减少能源消耗以及实现减量化等目标,对于污泥热解后得到的污泥生物炭资源化利用研究不多,实现其规模化利用的工艺方案较少。有部分研究者认为污泥生物炭适用于土壤改良,对土壤水分的富集、微生物的生长条件有利,同时对Cd、Zn、Cu、Pb、Ni、As等重金属有固化作用,但是由于目前我国还没有针对污泥生物炭在土地利用方面的安全风险性评价,出于对污泥生物炭中含有的重金属对土壤造成二次累积污染的担忧,污泥生物炭的土地利用尚未得到大规模的推广,这使得污泥热解炭化工艺仅实现污泥规模减量处置的目标,无法大规模实现污泥全流程资源化利用;而且,我国城市污水处理系统复杂,部分污泥重金属超标导致所产生热解生物炭中部分重金属超标,土地利用的方式显然并不能满足其要求,尚未有规模化普适性应用的合理途径。开发污泥生物炭安全使用新途径,实现污泥全流程无害化与资源化利用的目标,是污泥热解技术得到广泛应用的前提条件。
关于利用冶金烧结工艺处理污泥的技术已有相关报道,但对于烧结工艺处理污泥生物炭的技术尚未有相关报道。中国专利申请CN201410783006.0公开了一种利用冶金烧结高炉无害化处理电镀污泥的工艺系统,利用二次物料复合造球技术,在犁刀混匀造核系统中,电镀污泥与还原性冶金废料重力除尘灰形成合适粒度的球核;在预覆裹工艺中,以除尘灰为预覆裹料的目的是确保电镀污泥不产生二次污染;预覆裹后进入到常规造球设备中进行电镀污泥二次复合造球,再运输到冶金烧结和高炉进行彻底解毒及资源综合利用。中国专利申请CN201110136873.1公开了一种用于烧结配矿含油石墨污泥的处理方法,烧结返矿与含油石墨污泥的重量百分比为:烧结返矿60~80%,含油石墨污泥20~40%;选择二次料场端部作为含油石墨污泥和烧结返矿的混匀地点,先将烧结返矿平铺在二次料场端部,再将含油石墨污泥倒在上面,然后用铲车将烧结返矿和含油石墨污泥混和均匀,堆存3天以上,待两种物料自然渗透后,再用装载机取到皮带运输机料斗上,同其它铁料一起堆入中和料。中国专利申请CN201010502999.1公开了一种城市污泥作为钢铁工业烧结矿原料的利用方法,将城市污泥与生石灰按比例混合,经干燥、脱水处理后得到钙化污泥,再将钙化污泥按一定比例和一定方式,配入成分相应调整的烧结原料之中,并随其他烧结原料一起进入烧结工序处理,最终生产烧结矿产品,用作炼铁原料。中国专利申请CN201410447353.6一种利用冶金烧结高炉无害化处理电镀污泥的方法,先用经过预处理后的电镀污泥和还原性冶金废料为原料生产出球核,然后对球核进行预覆裹,再用二次物料复合技术与硫酸渣、冶金废料制成复合球团,最后进入烧结高炉系统,实现电镀污泥的无害化处理和冶金废料的再生利用,同时改善烧结混匀料的冶金性能。中国专利申请CN200910241914.6一种以城市污泥和钢铁冶金含铁尘泥制备烧结配料的方法,按重量百含量城市污泥5-50wt%、钢铁冶金尘泥50-95wt%配置原料,再将原料中加入0-20wt%水,然后进行混合、造粒,生产烧结颗粒料,作为配料配入烧结工序中使用,配入烧结工序的比例为烧结总原料质量的0.5-10wt%。中国专利申请CN201110057411.0公开了一种剩余污泥的处理方法,利用冶金烧结工艺中排放的具有较高温度的烧结烟气干化剩余污泥,该方法具体包括以下:将待处理含水率为80%-90%的剩余污泥送入板框压滤水机,在25MPa-45MPa的压力下进行脱水,得到的含水率为40%-55%的压滤脱水污泥饼,将泥饼造粒后利用烟气干燥,干化后的污泥颗粒作为燃料进入烧结工处理。上述专利均是将污泥进行预处理后直接作为烧结原料,虽然实现利用冶金烧结工艺处理污泥的目标,但由于污泥含水率高,有机质含量高,成份复杂,使污泥在转运及高温烧结过程中处置工艺复杂,必须进行预处理,而且在烧结过程中容易因不完全燃烧形成恶臭、有机挥发物、二恶英等二次污染,操作环境差,尾气净化系统投资高,运营成本增加。因此,上述技术仅涉及污泥的处理并未涉及污泥生物炭的资源化利用,目前仍大都停留在小试与中试实验阶段,工业应用的实用性较差,尚未得到推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种克服现有污泥生物炭无法规模化利用、土地利用环境风险高等不足的一种污泥生物炭资源化利用的方法。
为实现上述目的,本发明提供一种污泥生物炭资源化利用的方法,包括以下步骤:
颗粒料的制备:将污泥生物炭、水和辅料混合均匀并造粒后,得到颗粒料;
烧结混合料的制备:将所述颗粒料与现有烧结基准配料进行混合,得到烧结混合料;
烧结矿的制备:将所述烧结混合料在传统冶金烧结机上进行烧结,得到烧结矿,最终作为炼铁原料送入高炉冶炼。
进一步,所述污泥生物炭为污水处理厂的污泥在绝氧气氛下进行热解处理得到的污泥生物炭,热解处理的温度为300~900℃。
进一步,所述颗粒料的制备步骤中,辅料为轧钢铁鳞或精矿粉,含铁品位>55%;水的添加质量为污泥生物炭与辅料干基总质量的15~30%;
任选的,所述污泥生物炭与辅料的重量用量比为(60-80):(40-20);
任选的,所述造粒的方式为圆盘造粒或滚筒造粒;
任选的,颗粒料的粒径为0.5~3mm。
进一步,所述颗粒料的添加量为现有烧结基准配料的干基质量的3-8%;优选的,为5-8%。
进一步,所述现有烧结基准配料由铁矿粉、熔剂、燃料、返矿组成,干基百分含量分别为60~85%,3~15%,2~5%和10~25%。
进一步,所述铁矿粉为精矿粉,所述熔剂为生石灰、石灰石、白云石、蛇纹石中的一种或多种混合,所述燃料为煤粉或焦粉,所述返矿为热返矿或冷返矿。
进一步,所述烧结矿的制备步骤中,烧结为厚料层烧结,铺料料层厚度为550mm~890mm,烧结温度为1050~1450℃,烧结矿二元碱度为1.8~2.0。
进一步,所述烧结的工艺为现有冶金传统烧结工艺及套配系统。
本发明将污泥生物作为冶金烧结工艺的原料,不但实现污泥生物炭的高效资源化利用,而且降低冶金烧结工艺原料与燃料成本,为优质、高产、低耗创造条件。其基本原理就是充分发挥污泥生物炭中含有的CaO,MgO,Fe2O3或Fe3O4,SiO2,Al2O3,C等组分的作用,在烧结过程中替代部分含铁物料、熔剂和燃料,实现在较低燃耗下,使粘附粉产生适宜液相包裹起骨架作用的核矿石,从而避免了核矿石过熔或液相量不足而对烧结过程及烧结矿质量产生的不利影响。本发明的方法一方面可以利用生物炭中有价组分降低烧结原料与燃料成本,实现有价元素低成本回收利用;另一方面,通过高温烧结工艺实现其中生物炭中重金属的进一步高度稳定化,并进入后续高炉炼铁使用,完全实现污泥生物炭的资源化利用与无害化处理,可为污泥热解炭化工艺提供终端产品规模化处置方案。
有益效果:
(1)可有效利用污泥生物炭中的有价组分,包括CaO,MgO,Fe2O3或Fe3O4,SiO2,Al2O3等,调整烧结矿的成分与性能,降低原料成本;而且,生物炭中含有的3-8%的碳可作为烧结的补充能源,从而减少煤粉与焦粉配入,降低燃料成本。该方法结合传统冶金烧结特点,充分利用现有冶金企业烧结工艺及配套系统,将污泥生物炭作为烧结原料,对烧结和后续高炉环保、顺产不造成负面影响;烧结矿性能指标不恶化,烧结指标有所提高,并且降低了固体燃耗;方法操作过程简单、实用性强、能适应多元化原料结构,在当前优质铁矿资源紧缺条件下,为实现资源的合理利用、降低固体燃耗、提高烧结矿质量、确保生产的稳定顺行提供了一种新方法。
(2)该方法为污泥热解终端产物污泥生物炭的规模化利用提供新的途径,避免了污泥生物炭在土地利用过程中潜在的重金属累积污染,尤其适用于重金属含量超标的污泥生物炭的资源化利用,为污泥热解处理技术的广泛应用奠定基础。
(3)本发明法简单实用,处理过程不改变烧结原有技术参数;污泥生物炭较原污泥减量化90%以上,不涉及湿污泥的大规模转运与输送,避免湿污泥处理过程的恶臭等各种环境问题,不影响烧结矿质量的同时不会给现有烧结尾气净化系统带来负面影响,具有良好的普适性,有利于该项技术的推广实施;投资少,成本低,有利于促进冶金行业与城市固废处理行业的协调可持续发展,有利于节能减排与资源综合利用,有望为冶金企业的城市化功能提新思路,具有良好的经济效益与环境效益。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者,按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1:
现有烧结基准配料情况如表1所示。表2为烧结含铁原料主要化学成分表,污泥生物炭的化学组成如表3所示。
表1现有烧结基准配料的成分表(质量百分比)
表2烧结含铁原料主要组分含量表(质量百分比)
TFe FeO SiO<sub>2</sub> CaO Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> MgO 烧失量(LOI)
精矿 65.52 27.21 5.62 0.36 1.22 0.63 0.54
巴西矿 63.52 0.32 4.53 0.04 1.03 0.08 0.67
南非矿 65.45 0.22 3.89 0.07 0.74 0.02 0.39
褐铁矿 57.34 0.38 6.88 0.08 2.17 0.05 9.87
轧钢铁鳞 71.12 53.35 2.62 1.63 0.12 0.83 --
表3污泥生物炭的化学成分表(质量百分比)
组成 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> MgO CaO Na<sub>2</sub>O K<sub>2</sub>O C 其它
BC 23.57 15.94 19.86 8.55 6.87 1.59 1.05 5.22 17.35
颗粒料的制备:将污泥生物炭与轧钢铁鳞按照重量百分数比为60%:40%混合均匀,加水调整至水份含量为18%,并采用圆盘造粒,制备0.5~3mm颗粒料;
烧结混合料的制备:上述所得颗粒料添加量为现有烧结基准配料的干基质量的8%,开展厚料层(650mm)烧结杯试验,得到烧结混合料,结果如表4所示。
表4烧结杯试验结果表
烧结矿的制备:将所述烧结混合料在传统冶金烧结机上进行烧结,得到烧结矿,最终作为炼铁原料送入高炉冶炼。
配加8%的颗粒料,采用厚料层烧结后,垂直烧结速度有所降低,烧结成品率影响不大,烧结利用系数有所提高,烧结矿转鼓强度有所提高,烧结矿粒度组成变好,烧结固体燃耗下降。
本方法利用污泥生物炭直接作为厚料层烧结配料,一方面,充分利用污泥生物炭中铁、钙、炭等有效元素,提高了烧结利用系数,降低了烧结固体燃耗,从而节约资源与能源,降低烧结生产成本;另一方面,实现污泥生物炭的大规模利用,为污泥热解工艺解决后顾之忧,为其终端产品应用提供良好解决方案,也避免了烧结工艺直接利用污泥,相当于污泥不完全燃烧易造成二次污染问题。
实施例2
根据本发明中的方案,将污泥生物炭与轧钢铁鳞按照重量百分数比为80%:20%混合,并采用圆盘造粒,制备0.5~3mm颗粒料;将颗粒料以质量比5%比例配入实施例1中涉及的现有烧结料中制备烧结混合料,而后进行650mm厚料层烧结。烧结试验结果表明:同不配入颗粒料、采用550mm非厚料层烧结方式相比,烧结利用系数增大了6.1%,固体燃耗降低了1.3kg/T。
实施例3
根据本发明中的方案,将污泥生物炭与轧钢铁鳞按照重量百分数比为70%:30%混合,并采用圆盘造粒,制备0.5~3mm颗粒料;将颗粒料以质量比3%比例配入混合料,而后700mm厚料层烧结试验。烧结试验结果表明:同不配入颗粒料、采用550mm非厚料层烧结方式相比,烧结利用系数增大了6.5%,固体燃耗降低了1.8kg/T。
实施例4
根据本发明中的方案,将污泥生物炭与轧钢铁鳞按照重量百分数比为60%:40%混合,并采用圆盘造粒,制备0.5~3mm颗粒料;将颗粒料按6%的比例添加到现有烧结混合料中,现有烧结基准配料组成为铁矿粉73%、生石灰3%、石灰石3%,焦粉4%以及返矿17%。将添加污泥生物炭颗粒料的混合烧结料铺于烧结机台车上进行烧结,检测烧结矿的各项性能指标。其中,铺料料层厚度为650mm,烧结温度为1200℃。结果表明,与现有烧结基准配料烧结矿相比,添加颗粒料后的烧结矿转鼓强度指数提高0.1个百分点,成品率提高0.8个百分点,烧结矿低温还原粉化率下降1.0个百分点,还原度提高1.2个百分点。上述结果表明:污泥生物炭可以作为冶金烧结工艺的配料原料,充分利用传统冶金烧结工艺实现污泥生物炭中有效组份的资源化利用,所得烧结矿进入高炉冶炼,可进一步解决污泥生物炭中重金属的潜在污染问题,良好实现污泥生物炭的大规模利用,避免了污泥生物炭在土地利用过程中潜在的重金属累积污染。该方法尤其适用于重金属含量超标的污泥热解炭的资源化利用,简单实用,设备投资少,成本低,不易造成二次污染,无臭气与臭味产生,对环境影响小,具有很好的经济效益与环境效益。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种污泥生物炭资源化利用的方法,其特征在于,包括以下步骤:
颗粒料的制备:将污泥生物炭、水和辅料混合均匀并造粒后,得到颗粒料;所述辅料为轧钢铁鳞或精矿粉,含铁品位>55%;
烧结混合料的制备:将所述颗粒料与现有烧结基准配料进行混合,得到烧结混合料;所述颗粒料的添加量为现有烧结基准配料的干基质量的3-8%;
烧结矿的制备:将所述烧结混合料在传统冶金烧结机上进行烧结,得到烧结矿,最终作为炼铁原料送入高炉冶炼;所述烧结为厚料层烧结,铺料料层厚度为550mm~890mm,烧结温度为1050~1450℃,烧结矿二元碱度为1.8~2. 0。
2.根据权利要求1所述污泥生物炭资源化利用的方法,其特征在于,所述污泥生物炭为污水处理厂的污泥在绝氧气氛下进行热解处理得到的污泥生物炭,热解处理的温度为300~900℃。
3.根据权利要求1所述污泥生物炭资源化利用的方法,其特征在于,所述颗粒料的制备步骤中,水的添加质量为污泥生物炭与辅料干基总质量的15~30%;
任选的,所述污泥生物炭与辅料的重量用量比为(60-80):(40-20);
任选的,所述造粒的方式为圆盘造粒或滚筒造粒;
任选的,颗粒料的粒径为0.5~3mm。
4.根据权利要求1所述污泥生物炭资源化利用的方法,其特征在于,所述颗粒料的添加量为现有烧结基准配料的干基质量的5-8%。
5.根据权利要求1所述污泥生物炭资源化利用的方法,其特征在于,所述现有烧结基准配料由铁矿粉、熔剂、燃料、返矿组成,干基百分含量分别为60~85%,3~15%,2~5%和10~25%。
6.根据权利要求5所述污泥生物炭资源化利用的方法,其特征在于,所述铁矿粉为精矿粉,所述熔剂为生石灰、石灰石、白云石、蛇纹石中的一种或多种混合,所述燃料为煤粉或焦粉,所述返矿为热返矿或冷返矿。
7.根据权利要求1所述污泥生物炭资源化利用的方法,其特征在于,所述烧结的工艺为现有冶金传统烧结工艺及套配系统。
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污泥基生物炭的研究进展;吴来荣 等;《现代食品》;20161031;第13-16页 *

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