CN109971508A - 一种连续气化处理污泥的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续气化处理污泥的方法，包括：将污泥干燥至恒重后筛分，选取100～200目的污泥颗粒作为气化对象；载气携带所述气化对象后与气化剂一并进入热等离子体反应器内进行气化，分别收集气体产物和固体产物，完成污泥连续气化处理。本发明还公开了一种实施上述方法的热等离子体反应器，包括阳极、阴极棒、进料器和等离子体电源，阳极包括内壁为石墨层的阳极套筒，底部设有排气口，阳极套筒下方接有熔融炉，熔融炉底部设有排渣口；阴极棒伸入阳极套筒内；进料器内盛有气化对象，载气经过进料器携带气化对象后和气化剂一并进入阳极套筒内；等离子体电源的正极与阳极连接，负极与阴极棒连接。

Description

一种连续气化处理污泥的方法及装置
技术领域
本发明涉及污泥处理技术领域，具体涉及一种连续气化处理污泥的方法及装置。
背景技术
污泥是一类数量较大又不易处理的固体废弃物，主要来自于各类废水处理，根据其废水来源的不同可以将污泥分为：造纸污泥、印染污泥、电镀污泥等。例如，印染废水占全国工业废水排放量的10％，经过处理后会产生1％～3％含水率为97％的污泥，因此全国印染污泥的产量达600～700万吨/年，且污泥产量以每年10％的速率增长。
传统的污泥处理技术包括填埋、直接倾倒和热处理等，存在着占用土地资源、污染地下水、处理费用高等缺点。由于气化方法处理固体废物具有显著减容和固定重金属于废弃物残渣的特性，同时能够产生如油或合成气等高附加值产品，近些年来气化方法引起了研究者的关注。
然而，由于传统气化方法处理污泥所得合成气中含有大量CO2和N2导致其的热值偏低。因此，要同时实现污泥减容、有机组分完全气化和无机组分无害化处理的目标仍旧非常具有挑战性。
热等离子气化技术是近年来日益受到重视的一项气化技术。热等离子体温度可达3000K以上，各种活性粒子和自由基丰富。因此，能快速高效地将污泥中的有机物裂解转化成气体。通过调控气化条件，还可以调节气体的组成，使之能够作为化工资源得到利用。此外，热等离子体气化技术能同时将无机物熔融，实现重金属的高效固化，从而得到无害的固体产物。
公开号为CN106630527A的专利说明书公开了一种污泥热解等离子气化发电的方法和系统，所述污泥热解等离子气化发电方法包括步骤：将污泥送入蓄热式旋转床内进行热解处理，得到热解气液混合物和热解炭；将热解气液混合物通入等离子气化反应室，得到合成气；将合成气通入热换装置进行换热处理，得到蒸汽和剩余合成气，蒸汽通入发电装置。污泥热解等离子气化发电方法的系统包括：蓄热式旋转床、等离子气化反应室、换热装置、发电装置、熄焦装置。
然而，上述专利说明书提供的方法仍需对污泥进行热解预处理，其本质仍是利用等离子体气化气态和/或液态物质，而非直接气化固态污泥，步骤繁琐、复杂。
目前，热等离子气化技术在聚合物和焦油等废弃物的无害化和资源化方面获得了较多研究，但未见有工业化应用等离子体直接处理污泥，特别是印染污泥的报道。
发明内容
针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种连续气化处理污泥的方法，一步法直接气化固体污泥颗粒，设备精简，占用土地资源少、不污染地下水、处理费用低、能连续稳定运行，实现了污泥的再生资源利用及无害化处理，适应和满足行业发展及环境保护的需要。
一种连续气化处理污泥的方法，包括：
(1)将污泥干燥至恒重后过筛作为气化对象；
(2)载气携带所述气化对象后与气化剂一并进入热等离子体反应器内进行气化，分别收集气体产物和固体产物，完成污泥连续气化处理；所述的固体产物经熔融、冷却后收集。
本发明采用上述方法连续气化处理污泥，碳收率可到99％以上，合成气能量转换效率可达60％以上，污泥减容比可达40％以上，所得固体残渣对重金属可以达到94％以上的固定效率，毒性浸出实验表明其不属于危险废物。
步骤(1)中，优选地，过筛后选取100～200目的污泥颗粒作为气化对象，传热速率快、成本低。
步骤(2)中，优选地，所述载气的流量为1～200Nm3/h，所述气化对象的进料速率为10～5000g/min，所述气化剂的流量为1～400Nm3/h。
更优选地，所述载气的流量为80～120Nm3/h，所述气化对象的进料速率为1000～1500g/min，所述气化剂的流量为120～180Nm3/h。500kW的等离子炬规模适中，处理量适中，比较容易实现，其实用性最好，可以实现与转窑等工艺设备的衔接。
优选地，所述的载气为CO2、空气和Ar中的一种或多种。
更优选地，所述的载气与气化剂为同种气体，使反应器内氛围比较稳定，同时可掺入1～2％氩气，方便取气体样品检测时进行定量分析。氩气在等离子体氛围内不发生反应，可以用作反应器前后气体内标。
优选地，所述的气化剂为CO2或空气。二氧化碳与空气均属于易得气化剂，降低处理成本，使用二氧化碳还可以减轻温室效应，实现碳捕集，对环境有更高的收益。
优选地，所述的热等离子体反应器的运行电流为60～2000A，运行电压为20～800V，功率为50～1000kW，规模适中，处理量适中，比较容易实现，实用性好，可以实现与转窑等工艺设备的衔接。更优选地，所述的热等离子体反应器的运行电流为80～600A。
所述熔融的温度应高于污泥熔点。优选地，所述熔融的温度不低于1600℃，以保证污泥完全熔融。
本发明还提供了一种实施所述的连续气化处理污泥的方法的热等离子体反应器，包括阳极、阴极棒、进料器和等离子体电源，所述阳极包括由阳极上法兰和阳极下法兰密封固定的阳极套筒，阳极套筒内壁为石墨层，底部设有排气口，阳极下法兰的底部接有与阳极套筒连通的熔融炉，熔融炉底部设有排渣口；
所述阴极棒穿过阳极上法兰伸入阳极套筒内，阴极棒和阳极上法兰之间留有空隙；
所述进料器内盛有气化对象，载气经过进料器携带气化对象后和气化剂一并通过阴极棒和阳极上法兰之间的空隙进入阳极套筒内；
所述等离子体电源的正极与阳极连接，负极与阴极棒连接。
上述热等离子体反应器的工作电压稳定后，载气经过进料器携带气化对象后和气化剂一并通过阴极棒和阳极上法兰之间的空隙进入阳极套筒内进行气化，气体产物从排气口收集，气化后的固体产物进入熔融炉后，在高温下熔融形成熔池，熔池积累到一定程度后打开排渣口进行排渣，避免熔池溢出的同时使固体产物在熔融池中有足够的停留时间，保证固体产物的熔融效果。排渣口的排渣速率与气化对象的进料速率相适应，保证熔融炉连续稳定运行。
优选地，所述的阳极套筒外侧设有励磁线圈，励磁线圈通有直流电产生磁场。阴极和阳极之间形成的电弧在磁场作用下旋转形成电弧面，产生磁旋转弧等离子体。磁旋转弧电弧旋转速度快，高温区域由普通线型弧的一条线变为一个弧面，气化对象可以直接穿过这个电弧面，热量利用效率极高，效率远高于普通等离子体。磁旋转弧等离子体具有高温度和高活性。
优选地，所述的阳极套筒设有夹层，夹层内通有循环冷却水。阳极套筒采取多层复合材料，同时设有循环冷却水，可以保证阳极材料的使用寿命
优选地，所述的进料器包括料仓和螺杆推进机构，所述料仓内设有搅拌桨，料仓底部与螺杆推进机构连通，载气从料仓顶部进入，从螺杆推进机构的出口流出；所述螺杆推进机构的出口与阴极棒和阳极上法兰之间的空隙连通。
在搅拌桨搅动和载气流动下，载气携带料仓中的气化对象进入螺杆推进机构中，进而在螺杆推进机构的螺杆推进下，载气携带气化对象从螺杆推进机构的出口流出，然后与气化剂一并通过阴极棒和阳极上法兰之间的空隙进入阳极套筒内进行气化。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
(1)克服了填埋、直接倾倒和热处理等传统的污泥处理技术存在的占用土地资源、污染地下水、处理费用高、对有机污染物处理不彻底、不能连续稳定运行等缺点，实现了污泥的再生资源利用及无害化处理，适应和满足行业发展及环境保护的需要。
(2)污泥固化为玻璃体，或掺入部分二氧化硅辅助污泥固化形成玻璃体。重金属等主要污染物固化在玻璃体中，玻璃体残渣可以作为建筑材料等使用，实现了污泥的资源化利用，污泥裂解更彻底，气体产物无害化、资源化，而且经后续分离步骤可得合成气。
附图说明
图1为本发明的热等离子体反应器的结构示意图；
图2为本发明的热等离子体反应器的进料器的结构示意图；
图3为实施例2的连续气化处理污泥后的固体产物照片；
图中：1-气化对象；2-进料器；3-阴极棒；4-等离子体电源；5-阳极；6-反应段；7-石墨层；8-换热器；9-排气口；10-排渣口；11-冷却水泵；12-熔融炉；13-冷却段；14-夹层；15-励磁线圈；16-搅拌桨电机；17-螺杆；18-料仓；19-搅拌桨。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
下述实施例均采用如图1、2所示的热等离子体反应器，使用的污泥均经过前处理，即在鼓风干燥箱中、105℃条件下干燥至恒重，经过研磨、筛分后，选用100～200目的污泥颗粒作为气化对象1。
如图1所示，本发明的热等离子体反应器包括阳极5、阴极棒3、进料器2和等离子体电源4。
阳极5包括由阳极上法兰和阳极下法兰密封固定的阳极套筒。
阳极套筒采用金属材质制成，设有夹层14，夹层14被隔板隔断分为上、下两部分，分别通有循环冷却水。阳极套筒内与夹层14上部分对应的区间为反应段6，阳极套筒内与夹层14下部分对应的区间为冷却段13。
循环冷却水通过冷却水泵11控制流量，在换热器8处进行换热，被阳极套筒加热后的冷却水经过换热器8后重新降温成为低温的冷却水。
阳极套筒内壁为石墨层7，保护金属不被电弧高温烧蚀，并形成气化反应区。
阳极套筒底部设有排气口9，阳极下法兰的底部接有与阳极套筒连通的熔融炉12，熔融炉12底部设有排渣口10。
阴极棒3为耐高温的复合材料棒状电极。阴极棒3穿过阳极上法兰伸入阳极套筒内，阴极棒3和阳极上法兰之间留有空隙。阴极棒3和阳极上法兰之间的空隙结构类似于文丘里管结构，有利于携带气化对象1的气体喷射。
如图2所示，进料器2包括料仓18和螺杆推进机构，螺杆推进机构水平设置，料仓18内设有通过搅拌桨电机16控制的搅拌桨19，料仓18底部与螺杆推进机构连通，载气从料仓18顶部进入，在搅拌桨19搅动和载气流动下，载气携带料仓18中的气化对象1进入螺杆推进机构中，在螺杆推进机构的螺杆17推进下，载气携带气化对象1从螺杆推进机构的出口流出。
热等离子体反应器的起弧气和气化剂在螺杆推进机构的出口与携带气化对象1的载气交汇，进入同一主气管后通过阴极棒3和阳极上法兰之间的空隙进入阳极套筒内进行气化。
等离子体电源4的正极与阳极5的阳极上法兰连接，负极与阴极棒3连接。
实施例1CO2处理电镀污泥，50kW等离子炬
(1)检查电路、水路连接及冷却水泵11液位；测量阴极棒3、阳极5之间的电阻，确保其不小于10MΩ，以确保反应器阴极棒3、阳极5之间不会发生短路；
(2)开启仪表开关，打开载气Ar减压阀，调节载气量至1.5Nm3/h，调节合适的螺杆电机频率，开启螺杆电机、搅拌桨电机16，进行气化对象1进料速率的冷模调整，使气化对象1进料速率保持在25g/min，完成后关闭进料器2；
(3)通入另一路起弧气Ar并调节到合适的流量1Nm3/h，充分置换反应器内的气体；
(4)打开冷却水泵11，调节各路去离子水流量至实验值；
(5)设置电弧运行电流为80A，打开励磁电流，调节励磁电流至8A；
(6)手动起弧；
(7)待反应器电压稳定在25～30V，打开气化剂二氧化碳阀门，调节流量至3Nm3/h；关闭起弧气Ar，开启载气Ar并调节至1.5Nm3/h，开启进料器2，输送气化对象1进入反应器；
(8)各参数相对稳定后，使用气体采样袋在排气口9收集适量产物气待测，同时监测各个实验数据：各路去离子冷却水流量及进出口温度，气化剂气体、载气Ar的流量及压力；
(9)熔融炉12温度不低于1600℃，打开排渣口10，稳定、连续排渣，得到玻璃态残渣；
(10)气化完成后，关闭进料器2的电机，停止进料；关闭载气Ar，利用电源控制软件断弧，关闭励磁电流，适当时间后关闭气化剂气体；
(11)待各路冷却水的进出口温度相差不超过1℃后关闭各冷却水路和冷却水泵11；
(12)关闭实各仪表开关，拆开并清理反应器以备下次实验使用。
本实施例CO2处理电镀污泥得到的玻璃态残渣浸出实验结果如表1所示，使用的方法为国标方法HJ/T 299-2007和HJ/T 300-2007。
表1 HJ/T299-2007和HJ/T300-2007浸出试验结果
dGB 5085.3-2007是危险废物鉴别标准，它是以HJ/T299方法所制备的固体废物浸出液中成分浓度为限值。
实施例2 CO2处理印染污泥，500kW等离子炬
(1)检查电路、水路连接及冷却水泵11液位；测量阴极棒3、阳极5之间的电阻，确保其不小于10MΩ，以确保反应器阴极棒3、阳极5之间不会发生短路；
(2)开启仪表开关，打开载气Ar减压阀，调节载气量至100Nm3/h，调节合适的螺杆电机频率，开启螺杆电机、搅拌桨电机16，进行气化对象1进料速率的冷模调整，使气化对象1进料速率保持在1.5kg/min，完成后关闭进料器2；
(3)通入另一路起弧气Ar并调节到合适的流量50Nm3/h，充分置换反应器内的气体；
(4)打开冷却水泵11，调节各路去离子水流量至实验值；
(5)设置电弧运行电流为1000A，打开励磁电流，调节励磁电流至400A；
(6)手动起弧；
(7)待反应器电压稳定在约100V，打开气化剂空气阀门，调节流量至150Nm3/h，电压稳定在400V左右；关闭起弧气Ar，开启载气Ar并调节至100Nm3/h，开启进料器2，输送气化对象1进入反应器；
(8)各参数相对稳定后，使用气体采样袋在排气口9收集适量产物气待测，同时监测各个实验数据：各路去离子冷却水流量及进出口温度，气化剂气体、载气Ar的流量及压力；
(9)熔融炉12温度不低于1600℃，打开排渣口，稳定排渣，得到玻璃态残渣；
(10)气化完成后，关闭进料器2的电机，停止进料；关闭载气Ar，利用电源控制软件断弧，关闭励磁电流，适当时间后关闭气化剂气体；
(11)待各路冷却水的进出口温度相差不超过5℃后关闭各冷却水路和冷却水泵11；
(12)关闭实各仪表开关，拆开并清理反应器以备下次实验使用。
本实施例CO2处理印染污泥得到的玻璃态残渣如图3所示，浸出实验结果如表2所示，使用的方法为国标方法HJ/T 299-2007和HJ/T 300-2007。
表2不同酸碱度条件下浸出试验结果
CO2热等离子体气化印染污泥所得固体产物是黑色的，形状不规则，略光滑的表面呈现金属光泽，比较坚硬。利用阿基米德方法测得固体产物密度为1.566g/cm3。气化后的固体产物由于密度变化而导致的污泥减容比可达40％。通过固体废弃物浸出国标法测得固体产物中重金属的浸出浓度远低于危险废物鉴别标准，证明了二氧化碳热等离子体气化可有效实现印染污泥的无害化。金属浸出浓度低于Ar等离子体处理的污泥毒性浸出试验。不同酸碱度条件下固体产物中重金属的最大浸出浓度始终远低于危险废物鉴别标准，说明固体产物在不同的环境条件下可以得到安全的处理。浸出实验结果表明，金属Cr、Cd、Pb、Cu、Zn、Mn的固定效率达到99％以上，金属Ni的固定效率达到95％以上，优于微波辅助的印染污泥热解所得固体产物中金属固定效率，大部分金属的固定效率<90％。以上结果表明，采用CO2热等离子体气化印染污泥能有效地固定固体产品中的重金属，使污泥无害化。
实施例3空气处理印染污泥，1MW等离子炬
(1)检查电路、水路连接及冷却水泵11液位；测量阴极棒3、阳极5之间的电阻，确保其不小于10MΩ，以确保反应器阴极棒3、阳极5之间不会发生短路；
(2)开启仪表开关，打开载气Ar减压阀，调节载气量至200Nm3/h，调节合适的螺杆电机频率，开启螺杆电机、搅拌桨电机16，进行气化对象1进料速率的冷模调整，使气化对象1进料速率保持在4kg/min，完成后关闭进料器2；
(3)通入另一路起弧气Ar并调节到合适的流量100Nm3/h，充分置换反应器内的气体；
(4)打开冷却水泵11，调节各路去离子水流量至实验值；
(5)设置电弧运行电流为2000A，打开励磁电流，调节励磁电流至500A；
(6)手动起弧；
(7)待反应器电压稳定在约200V，打开气化剂空气阀门，调节流量至300Nm3/h，电压稳定在800V左右；关闭起弧气Ar，开启载气Ar并调节至200Nm3/h，开启进料器2，输送气化对象1进入反应器；
(8)各参数相对稳定后，使用气体采样袋在排气口9收集适量产物气待测，同时监测各个实验数据：各路去离子冷却水流量及进出口温度，气化剂气体、载气Ar的流量及压力；
(9)熔融炉12温度不低于1600℃，打开排渣口，稳定排渣，得到玻璃态残渣；
(10)气化完成后，关闭进料器2的电机，停止进料；关闭载气Ar，利用电源控制软件断弧，关闭励磁电流，适当时间后关闭气化剂气体；
(11)待各路冷却水的进出口温度相差不超过5℃后关闭各冷却水路和冷却水泵11；
(12)关闭实各仪表开关，拆开并清理反应器以备下次实验使用。
本实施例空气处理印染污泥得到的玻璃态残渣浸出实验结果如表3所示，使用的方法为国标方法HJ/T 300-2007。
表3空气热等离子体气化过程中重金属的固定效率
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种连续气化处理污泥的方法，包括：
(1)将污泥干燥至恒重后过筛作为气化对象；
(2)载气携带所述气化对象后与气化剂一并进入热等离子体反应器内进行气化，分别收集气体产物和固体产物，完成污泥连续气化处理；
所述的固体产物经熔融、冷却后收集。
2.根据权利要求1所述的连续气化处理污泥的方法，其特征在于，步骤(1)中，过筛后选取100～200目的污泥颗粒作为气化对象。
3.根据权利要求1所述的连续气化处理污泥的方法，其特征在于，所述载气的流量为1～200Nm3/h，所述气化对象的进料速率为10～5000g/min，所述气化剂的流量为1～400Nm3/h。
4.根据权利要求1所述的连续气化处理污泥的方法，其特征在于，所述的载气为CO2、空气和Ar中的一种或多种，所述的气化剂为CO2或空气。
5.根据权利要求1所述的连续气化处理污泥的方法，其特征在于，所述的热等离子体反应器的运行电流为60～2000A，运行电压为20～800V，功率为50～1000kW。
6.根据权利要求1所述的连续气化处理污泥的方法，其特征在于，所述熔融的温度不低于1600℃。
7.一种实施权利要求1～6任一权利要求所述的连续气化处理污泥的方法的热等离子体反应器，包括阳极、阴极棒、进料器和等离子体电源，其特征在于，所述阳极包括由阳极上法兰和阳极下法兰密封固定的阳极套筒，阳极套筒内壁为石墨层，底部设有排气口，阳极下法兰的底部接有与阳极套筒连通的熔融炉，熔融炉底部设有排渣口；
所述阴极棒穿过阳极上法兰伸入阳极套筒内，阴极棒和阳极上法兰之间留有空隙；
所述进料器内盛有气化对象，载气经过进料器携带气化对象后和气化剂一并通过阴极棒和阳极上法兰之间的空隙进入阳极套筒内；
所述等离子体电源的正极与阳极连接，负极与阴极棒连接。
8.根据权利要求7所述的热等离子体反应器，其特征在于，所述的阳极套筒外侧设有励磁线圈，励磁线圈通有直流电产生磁场。
9.根据权利要求7所述的热等离子体反应器，其特征在于，所述的阳极套筒设有夹层，夹层内通有循环冷却水。
10.根据权利要求7所述的热等离子体反应器，其特征在于，所述的进料器包括料仓和螺杆推进机构，所述料仓内设有搅拌桨，料仓底部与螺杆推进机构连通，载气从料仓顶部进入，从螺杆推进机构的出口流出；
所述螺杆推进机构的出口与阴极棒和阳极上法兰之间的空隙连通。
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