CN109593536A - 一种植物废弃物与污泥减量化处理方法 - Google Patents

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赖梦瑶
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Abstract

本发明涉及一种植物废弃物与污泥减量化处理方法，通过对植物废弃物和污泥分别进行破碎和干燥处理，然后对混合物进行磁选、筛分、混合等处理使得植物废弃物与污泥充分混合，并通过三段式热解、保温炭化、油气分离等工序实现将植物废弃物与污泥充分热解炭化，并制备热解炭、焦油和可燃气等可利用的工业产品，具备良好的应用前景。

Description

一种植物废弃物与污泥减量化处理方法
技术领域
本发明涉及废弃物处理领域，特别涉及一种植物废弃物与污泥减量化处理方法。
背景技术
随着人们环境意识的日益增强，对环境的要求越来越高，城市废弃树技、树叶的随意堆放及焚烧被逐渐禁止废弃树枝的处理及综合利用成了城市园林及环卫部门亟待解决的问题。
目前采用的主要技术方案是将树枝粉碎后堆肥，用作城市植被、盆栽花卉及树苗移栽的底肥，但是依然无法实现树枝、树叶原料的充分利用；在此形势下，全国各地都在积极探索和研究生物质资源综合利用的新方法，例如：气化技术、就地还田技术、饲料综合利用技术、热解技术等；其中热解技术因其设备投资较小，产物可利用性强，应用范围广泛，具备高效化转换、高值化应用而备受关注；逐渐成为植物废弃物资源综合利用的重要方法，通过热解技术处理后，可实现一废变四宝，生成热解炭、醋液、焦油和燃气；而其中的热解炭和燃气是两种清洁的可再生能源，醋液和焦油是两种天然的农用化学品替代物，四种基础产物在许多行业均具有广泛的用途。
污泥中含有各种病原微生物、高氮磷和有机污染物等，目前我国对于污泥的处理技术有：①填埋：②农用：③焚烧等；填埋处理操作简单、投资低、适用广泛，但易造成二次污染，且占用大量土地资源；农用处理，充分利用污泥中富含的氮磷等营养元素，将污泥通过堆肥处理后用于农业生产，然而污泥中累积的有毒元素（重金属、抗生素、病原体、难降解有机污染物等）会导致二次污染，不利于作物生长，甚至将污染转移到食物链中；焚烧处理，由于污泥具有一定的热值，可对其进行焚烧处理，或掺烧，实现污泥的无害化、减量化和资源化，但仍需关注和解决焚烧的烟气处理、重金属和二嗯英等污染物的控制。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术而提出的一种植物废弃物与污泥减量化处理方法，通过对植物废弃物和污泥分别进行破碎和干燥处理，然后对混合物进行磁选、筛分、混合等处理使得植物废弃物与污泥充分混合，并通过三段式热解、保温炭化、油气分离等工序实现将植物废弃物与污泥充分热解炭化，并制备热解炭、焦油和可燃气等可利用的工业产品，具备良好的应用前景。
由于污泥的含水率较高，并有一定比例的惰性组分（即，玻璃类、金属类和沙石等不可燃成分），因此在对污泥和植物废弃物混合之前需要对污泥进行相应的预处理，以提高污泥和植物废弃物混合物的理化性能。
同时，由于污泥含水率约为80%，挥发分（有机质）约为30%，低位热值约8.5MJkg，然而污泥与植物废弃物协同热解需要控制混合物料含水率在8%以下，因此需要在污泥与植物废弃物混合前进行干燥处理。
因此，在处理前需要对污泥进行一定的干燥处理，降低含水率，提高原料的热值是原料的分选，并将植物废弃物（树枝、树叶）进行一次破碎以减低植物废弃物的大小，提高热解炭化的效率，然后剔除不可燃的惰性组分（如金属、玻璃、陶土/砖瓦等），进而对污泥和植物废弃物混合物进行二次破碎处理，以利于物料混匀。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种植物废弃物与污泥减量化处理方法，包括对植物废弃物与污泥进行预处理的前处理工序和对植物废弃物与污泥混合物进行热解炭化的热解处理工序，控制污泥与植物废弃物的重量比为3：7；
前处理工序为：将植物废弃物通过破碎机进行一次破碎制得50目的植物废弃物颗粒，并将污泥送入干燥机中进行干燥处理，破碎后的植物废弃物与干燥后的污泥送入粉碎机中进行二次破碎处理，制得150目的混合颗粒，然后将混合物料送入磁选机中进行磁选，分选出混合物料中的金属材料，磁选后的混合物料通过振动筛分机筛选出玻璃、砖瓦，筛选后的混合物料送入螺旋混合机中进行混合后送入热解炭化系统进行热解处理；
热解处理工序为：通过螺旋混合机中进行混合后的物料通过密封输送装置送入三段式热解反应器中进行热解，热解处理后的物料保温炭化一段时间后进行油气分离，分离出的固体成分通过换热器进行冷却，冷却后通过螺旋出料机出料；分离出的气体成分通过滤网进行过滤除尘。
作为本发明更进一步的限定，热解处理工序还包括：将过滤除尘后的气体一部分依次通入列管冷凝器、套管冷凝器和三相分离器进行油气分离，利用焦油、水和轻质油液的不同分别在200℃和常温下实现逐级冷凝分离和收集，分离后的不可冷凝气体经过流量计后通至后端燃烧器进行燃烧排空，一部分热解气直接通入催化裂解炉进行二次催化裂解，在高温和催化剂的作用下将大分子焦油催化裂解成为小分子气或轻质油，裂解后的热解气再依次通入列管冷凝器、套管冷凝器和三相分离器进行下一步的油气分离和收集，经油气分离后的热解气进入燃烧器中燃烧为三段式热解反应器供热。
作为本发明更进一步的限定，三段式热解分为：干燥段、挥发段和炭化段三个过程，控制干燥段温度小于150℃，挥发段温度在150℃-300℃之间，炭化段温度在500℃-530℃之间，三段式热解通过形成三段式温度场，使生物质原料在热解过程中以可控的升温速率进行热解炭化。
作为本发明更进一步的限定，控制炭化段的升温速率在2℃/min-3℃/min，保温时间在170min-180min。
作为本发明更进一步的限定，二次催化裂解的温度在750℃-900℃之间，催化剂选择为三氧化二铝与二氧化硅的混合物。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过三段式热解、保温炭化、油气分离等工序实现将植物废弃物与污泥充分热解炭化，并制备热解炭、焦油和可燃气等可利用的工业产品。
2、采用三段式解热能够形成特定的温度场，使物料在热解过程中以可控的升温速率进行热解炭化，提高热解炭产率和品质。
附图说明
图1是本发明提出的一种植物废弃物与污泥减量化处理方法的示意图。
图2是本发明提出的一种植物废弃物与污泥减量化处理方法中热解处理的示意图。
图3中(a)至(d)是温度对热解炭产率、热解炭灰分、热解炭挥发分以及固定碳含量的影响曲线图。
图4中(a)至(d)是升温速率对热解炭产率、热解炭灰分、热解炭挥发分以及固定碳含量的影响曲线图。
图5中(a)至(d)是保温时间对热解炭产率、热解炭灰分、热解炭挥发分以及固定碳含量的影响曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进一步说明。
实施例一
参照图1-2，一种植物废弃物与污泥减量化处理方法，包括对植物废弃物与污泥进行预处理的前处理工序和对植物废弃物与污泥混合物进行热解炭化的热解处理工序，控制污泥与植物废弃物的重量比为3：7；
前处理工序为：将植物废弃物通过破碎机进行一次破碎制得50目的植物废弃物颗粒，并将污泥送入干燥机中进行干燥处理，破碎后的植物废弃物与干燥后的污泥送入粉碎机中进行二次破碎处理，制得150目的混合颗粒，然后将混合物料送入磁选机中进行磁选，分选出混合物料中的金属材料，磁选后的混合物料通过振动筛分机筛选出玻璃、砖瓦，筛选后的混合物料送入螺旋混合机中进行混合后送入热解炭化系统进行热解处理；
热解处理工序为：通过螺旋混合机中进行混合后的物料通过密封输送装置送入三段式热解反应器中进行热解，热解处理后的物料保温炭化一段时间后进行油气分离，分离出的固体成分通过换热器进行冷却，冷却后通过螺旋出料机出料；分离出的气体成分通过滤网进行过滤除尘。
其中，热解处理工序还包括：将过滤除尘后的气体一部分依次通入列管冷凝器、套管冷凝器和三相分离器进行油气分离，利用焦油、水和轻质油液的不同分别在200℃和常温下实现逐级冷凝分离和收集，分离后的不可冷凝气体经过流量计后通至后端燃烧器进行燃烧排空，一部分热解气直接通入催化裂解炉进行二次催化裂解，在高温和催化剂的作用下将大分子焦油催化裂解成为小分子气或轻质油，裂解后的热解气再依次通入列管冷凝器、套管冷凝器和三相分离器进行下一步的油气分离和收集，经油气分离后的热解气进入燃烧器中燃烧为三段式热解反应器供热。
其中，热解气、热解油分别通过供油泵和供气泵通过控制系统输入燃烧系统，控制系统控制燃烧系统点火加热，裂解反应釜由传动系统带动旋转使传送带由低温区向高温区进行裂解反应。
实施例二
热解炭化是一个十分复杂的热化学反应过程，主要包括纤维素、半纤维素、木质素的分解，热解炭主要来自木质素的热解炭化。
影响热解炭化的因素主要有温度、升温速率和保温时间，其中，随着温度的升高有利于热解气和焦油的转化而使炭的产量减少，当温度达到500℃-550℃使得生物油产率最佳；慢加热速率会延长物料在低温区的停留时间，促进纤维素和木质素的脱水和炭化反应，导致炭产率增加，一般控制其升温速率在30℃/min之内；保温时间对热解炭产量的影响效果远小于热解温度，反应时间越长，热解炭的灰分含量越大，一般控制反应时间在2h到几天不等。
图3中(a)至(d)是温度对热解炭产率、热解炭灰分、热解炭挥发分以及固定碳含量的影响曲线图。
从图3中(a)可以看出，温度由300℃升高至550℃，热解炭的产率随着温度的升高而逐渐下降，其中，温度由300℃升高至450℃时，原料中大量的挥发分和低沸点物质急剧析出，热解炭产率快速降低；温度由450℃升高至550℃时，高沸点物质和难挥发性物质缓慢分解，热解炭产率缓慢降低；随着温度的升高，550℃时炭产率比300℃时炭产率降低了近15%，说明温度对热解炭产率有着极其显著的影响。
从图3中(b)可以看出，温度由300℃升高至550℃，热解炭的灰分随着温度的升高而逐渐上升，其中，温度由300℃升高至500℃时，灰分含量由5.5%升高至10.5%，温度由500℃升高至550℃时，灰分含量明显上升，由10.5%升高14.8%；随着温度的升高，550℃时灰分含量比300℃时灰分含量高，说明温度对热解炭灰分含量存在明显影响，这是因为温度达到550℃时，提供了生物质中碱金属及化合物熔融并明显生成灰分的有利温度条件。
从图3中(c)可以看出，温度由300℃升高至550℃，热解炭的挥发分随着温度的升高而逐渐下降，其中，温度由300℃升高至550℃时，挥发分含量由31.6%持续下降，温度超过500℃后，下降趋势有了较大缓和；这是因为热解过程中生物质不断脱除挥发分，300℃-500℃时，纤维素和半纤维素容易热解释放大量挥发分，而木质素热稳定性较好，其热解温度区间相对较宽，所以在500℃后木质素还可以保留一定量的挥发分.
从图3中(d)可以看出，温度由300℃升高至550℃，热解炭的固定碳含量随着温度的升高先增大后减少，这是因为随着温度升高，生物质发生脱挥发分过程中，氢和氧因化学键的断裂而分离出来，碳相对富集所致；其中，温度由300℃升高至500℃时，固定碳含量快速升高至80%，温度由500℃升高至550℃时，固定碳含量缓慢降低，固定碳含量的下降是因为高温下大量灰分的生成所导致的。
图4中(a)至(d)是升温速率对热解炭产率、热解炭灰分、热解炭挥发分以及固定碳含量的影响曲线图。
从图4中(a)可以看出，升温速率由1℃/min增加至6℃/min，热解炭的产率随着升温速率的增加而逐渐下降，这是因为升温速率会影响生物质脱除挥发性物质的速率，尤其是温度在400℃以上时会加剧这种速率，分子快速破坏和易挥发物质急剧释放会导致主反应的连续调整和平衡，从而降低炭的生成，因此，较低的升温速率有利于提高热解炭的产率，升温速率与温度相比较，温度对热解炭产率的影响更加显著。
从图4中(b)可以看出，升温速率由1℃/min增加至6℃/min，热解炭的灰分随着升温速率的升高而逐渐下降，其中，升温速率由1℃/min增加至4℃/min，灰分含量下降明显，升温速率由4℃/min增加至6℃/min，灰分含量变化缓慢；这是因为升温速率较低时，生物质在低温区的停留时间延长，低热值有机挥发分有足够的时间进行二次分解，有利于挥发分的进一步析出，从而增加了灰分的比例含量。
从图4中(c)可以看出，升温速率由1℃/min增加至6℃/min，热解炭的挥发分随着升温速率的升高而逐渐上升，其中，升温速率为6℃/min时挥发分含量达到近14%，升温速率为1℃/min时挥发分含量最少，这是因为随着升温速率的提高，样品达到热解所需温度的响应时间变短，同时，颗粒内外部的温差变大，从而导致传热热阻也变大，颗粒内部形成的气体来不及析出，传质传热受阻导致热解炭的挥发分含量增大。
从图4中(d)可以看出，升温速率由1℃/min增加至6℃/min，热解炭的固定碳含量随着升温速率的升高而降低；随着升温速率的升高，固定碳含量逐渐降低，这是由于在较低升温速率下，造成生物质热解在低温区的停留时间延长，有机大分子有足够的时间充分热分解，并重新结合为热稳定性较好的固体，该固体很难被进一步分解，所以，较低的升温速率有利于提高固定碳含量。
以4℃/min的加热速率，将原料从室温匀速加热至500℃，分别保温60min、120min、180min、240min、300min和360min后自然冷却至室温后测定计算热解炭的产率、灰分、挥发分及固定碳，获得保温时间对热解炭主要性能的影响曲线，即图5中(a)至(d)所示——保温时间对热解炭产率、热解炭灰分、热解炭挥发分以及固定碳含量的影响曲线图。
从图5中(a)可以看出，保温时间由60min延长360min，热解炭的产率随着保温时间的延长而逐渐下降，这是由于随着保温时间的延长，热解反应继续进行，炭化更加完全，所以热解炭产率也随之下降，其中，保温时间由60min延长至120min时，热解炭产率下降极其缓慢，保温时间由120min延长至180min时，热解炭产率有个小幅下降趋势，保温时间由180min延长至360min时，热解炭产率下降几乎可以忽略。
从图5中(b)可以看出，保温时间由60min延长至360min，热解炭的灰分随着保温时间的延长而逐渐上升，其中，保温时间由60min延长至180min，灰分含量缓慢上升，保温时间由180min延长至240min，灰分含量有了较明显的小幅上升，保温时间由240min延长至360min，灰分含量再次缓慢上升。
从图5中(c)可以看出，保温时间由60min延长至360min，热解炭的挥发分随着保温时间的延长而逐渐下降，其中，保温时间由60min延长至180min，挥发分含量缓慢下降，保温时间由180min延长至240min，挥发分含量有了较明显的小幅下降，保温时间由240min延长至360min，挥发分含量再次缓慢下降。
从图5中(d)可以看出，保温时间由60min延长至360min，热解炭的固定碳随着保温时间的延长而逐渐升高，其中，保温时间由60min延长至120min，固定碳含量小幅上升，保温时间由120min延长至360min，固定碳含量逐步缓慢上升，随着保温时间的延长，固定碳含量逐步升高，这是因为反应时间的延长，热解炭得到持续热裂解，挥发分析出更加彻底，并且挥发分有足够时间进行二次分解，炭化程度更高，导致了固定碳含量的升高。
在热解热解炭特性单因素试验研究的基础上，利用二维分析法，以温度（A）、升温速率（B）和保温时间（C）为因素，以热解炭的产率（Y1）和固定碳（Y2）为输出值，选取温度范围为450℃-550℃，升温速率范围为2℃/min-6℃/min，保温时间为60min-180min，对不同因素采取正交实验。
实验表明，温度、升温速率、保温时间对热解炭产率影响显著，温度与保温时间对热解炭产率有相互作用的影响，影响的主次顺序为：首先是温度，其次是保温时间，最后是升温速率；同时，温度、升温速率、保温时间对热解炭固定碳影响显著，温度与保温时间对固定碳有相互作用的影响，影响因子的主次顺序为：温度>升温速率>保温时间。
此外，在因素水平范围内的交互作用中，温度最低、升温速率最小，温度最低、保温时间最短，升温速率最小、保温时间最短，这三种情况下，热解炭产率可达到最大值；因此，选择热解炭化温度在500℃-530℃、升温速率在2℃/min-3℃/min、保温时间在170min-180min，热解炭固定碳含量可达到最大值。
因此，作为实施例一的进一步改进，设置三段式热解分为：干燥段、挥发段和炭化段三个过程，控制干燥段温度小于150℃，挥发段温度在150℃-300℃之间，炭化段温度在500℃-530℃之间，三段式热解通过形成三段式温度场，使生物质原料在热解过程中以可控的升温速率进行热解炭化。
并且，设置控制炭化段的升温速率在2℃/min-3℃/min，保温时间在170min-180min；二次催化裂解的温度在750℃-900℃之间，催化剂选择为三氧化二铝与二氧化硅的混合物。
本发明通过对植物废弃物和污泥分别进行破碎和干燥处理，然后对混合物进行磁选、筛分、混合等处理使得植物废弃物与污泥充分混合，并通过三段式热解、保温炭化、油气分离等工序实现将植物废弃物与污泥充分热解炭化，并制备热解炭、焦油和可燃气等可利用的工业产品，具备良好的应用前景。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种植物废弃物与污泥减量化处理方法，包括对植物废弃物与污泥进行预处理的前处理工序和对植物废弃物与污泥混合物进行热解炭化的热解处理工序，控制污泥与植物废弃物的重量比为3：7；其特征在于：
所述前处理工序为：将植物废弃物通过破碎机进行一次破碎制得50目的植物废弃物颗粒，并将污泥送入干燥机中进行干燥处理，破碎后的植物废弃物与干燥后的污泥送入粉碎机中进行二次破碎处理，制得150目的混合颗粒，然后将混合物料送入磁选机中进行磁选，分选出混合物料中的金属材料，磁选后的混合物料通过振动筛分机筛选出玻璃、砖瓦，筛选后的混合物料送入螺旋混合机中进行混合后送入热解炭化系统进行热解处理；
所述热解处理工序为：通过螺旋混合机中进行混合后的物料通过密封输送装置送入三段式热解反应器中进行三段式热解，热解处理后的物料保温炭化一段时间后进行油气分离，分离出的固体成分通过换热器进行冷却，冷却后通过螺旋出料机出料；分离出的气体成分通过滤网进行过滤除尘。
2.根据权利要求1所述的一种植物废弃物与污泥减量化处理方法，其特征在于：所述热解处理工序还包括：将过滤除尘后的气体一部分依次通入列管冷凝器、套管冷凝器和三相分离器进行油气分离，利用焦油、水和轻质油液的不同分别在200℃和常温下实现逐级冷凝分离和收集，分离后的不可冷凝气体经过流量计后通至后端燃烧器进行燃烧排空，一部分热解气直接通入催化裂解炉进行二次催化裂解，在高温和催化剂的作用下将大分子焦油催化裂解成为小分子气或轻质油，裂解后的热解气再依次通入列管冷凝器、套管冷凝器和三相分离器进行下一步的油气分离和收集，经油气分离后的热解气进入燃烧器中燃烧为三段式热解反应器供热。
3.根据权利要求2所述的一种植物废弃物与污泥减量化处理方法，其特征在于：所述三段式热解分为：干燥段、挥发段和炭化段三个过程，控制干燥段温度小于150℃，挥发段温度在150℃-300℃之间，炭化段温度在500℃-530℃之间，三段式热解通过形成三段式温度场，使生物质原料在热解过程中以可控的升温速率进行热解炭化。
4.根据权利要求3所述的一种植物废弃物与污泥减量化处理方法，其特征在于：控制炭化段的升温速率在2℃/min-3℃/min，保温时间在170min-180min。
5.根据权利要求2所述的一种植物废弃物与污泥减量化处理方法，其特征在于：所述二次催化裂解的温度在750℃-900℃之间，催化剂选择为三氧化二铝与二氧化硅的混合物。
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