CN111499404A - 一种采用原污泥制备多孔砖的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于固体废弃物资源化利用领域，涉及一种制备烧结多孔砖的方法和系统。该方法包括：将原污泥或污泥与餐厨沼渣混合物热水解得固液混合物；将固液混合物固液分离得固相和液相；将固相与成型剂混合均匀后压制成型得含水率为20～30％的成型胚料；将成型胚料进行无氧微波热解得预热胚料；将预热胚料进行富氧高温烧结，冷却，得多孔砖。本发明能够实现污泥中重金属的高效固化以及有机质的充分燃烧，有效避免了污泥直接烧结产生二噁英等有毒气体的不足，同时得到性能优异且用途广泛的烧结多孔砖，整个过程充分利用污泥中的有机物产生能源，实现了原污泥全流程的减量化、无害化和最终的资源化利用。
Description
技术领域
本发明属于固体废弃物资源化利用领域，具体涉及一种采用原污泥制备烧结多孔砖的方法和系统。
背景技术
随着社会经济的发展，城镇化的进程不断加快，从而使得城市污水的排放量逐年增加。人们对污水的治理已十分重视，城市污水处理厂不断新建，污水的处理量越来越大，使得污泥的产量不断地增长，预计2020年，我国污泥产量将达到6000万吨。然而，一直以来国内存在严重的重水轻泥现象，导致数量庞大的污泥未得到高效处理，污泥的快速有效处理已经刻不容缓。目前，对于污泥的处理途径主要有填埋、堆肥以及焚烧等，但是以上方法均存在二次污染、资源化利用不充分等问题。
中国发明专利申请CN200910111920.X公开了一种污泥处理方法及污泥建材资源化及制成肥料的方法，在二沉池排出的污泥沉降阶段加入一定量的粉煤灰搅拌混匀，静停，使得污泥迅速沉降，经过压滤机脱水使污泥含水率达到40％～50％，然后将脱水后的污泥用以烧制成建材制品砖以及作为农业用的肥料。上述专利申请主要通过加入大量粉煤灰促进污泥的脱水，脱水后的污泥加入粘结剂后直接成型烧结或经过堆肥后制备有机肥料。然而，粉煤灰加入后会大大增加脱水污泥的产量，增加脱水污泥处理负担；同时由于脱水污泥直接焙烧会产生二噁英等有毒污染物以及大量烟气，如果处理不当，对环境会造成污染；在堆肥后作为有机肥料利用方面，该专利申请没有考虑堆肥产品是否符合肥料的使用标准，堆肥产品中的有机污染物可能没有完全降解，同时污泥中的重金属仍然大量存在，在实际应用过程中存在二次污染问题。中国发明专利CN201510251960.X公开了一种市政污泥制备沼气并生产烧结砖的方法，该方法包括向市政污泥送入干式厌氧发酵罐，送入蒸汽进行干式厌氧发酵，发酵后产生的沼气作为污泥制砖系统的加热燃料；发酵污泥调理改性并脱水、干燥后与建筑渣土混合并挤压成型，经干燥、焙烧制得烧结砖；污泥制砖系统中的烟气同时作为蒸汽锅炉和干燥装置的热源。该专利申请虽然能够实现污泥的资源化利用以及能源综合利用，但是工艺比较复杂，发酵后的污泥还需要再次改性脱水，并且没有提出脱水液的处理方案，如果处理不当，会产生二次污染，同时也没有考虑到污泥成型直接烧结会产生二噁英等有毒污染物的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服采用现有的方法对原污泥进行处理时存在原污泥脱水困难、原污泥中重金属含量高、资源化利用不充分、处理过程存在二次污染的问题，而提供一种采用原污泥制备烧结多孔砖的方法和系统，其利用热水解的方式实现污泥的高效脱水，同时将脱水污泥成型后经过先微波热解造孔后富氧高温烧结的方式，实现污泥中重金属的高效固化以及有机质的充分燃烧，有效避免了污泥直接烧结产生二噁英等有毒气体的不足，同时得到质量好且用途广泛的烧结多孔砖。
具体地，本发明提供了一种采用原污泥制备多孔砖的方法，该方法包括以下步骤：
(1)热水解：将原污泥在温度为160～220℃、压力为1.5～3MPa的条件下热水解30～60min，得到固液混合物，同时产生水解余热；
(2)固液分离：将所述固液混合物固液分离，得到含水量为30～60％的固相和液相；
(3)成型：将所述固相与成型剂混合均匀，所述成型剂的添加量为10～40wt％，之后将所得混合料压制成型得到成型胚料，所述成型胚料的含水率控制在20～30％；
(4)微波热解造孔：将所述成型胚料在300～500℃下无氧微波热解40～80min，得到具有丰富孔洞的预热胚料，同时产生热解气；
(5)富氧高温烧结：将所述预热胚料在1000～1300℃下富氧高温烧结60～90min，冷却，得到烧结多孔砖，同时产生烧结余热。
在本发明中，所述压力均指表压。
进一步地，所述原污泥为高有机质污泥或低有机质污泥。
进一步地，当所述原污泥为低有机质污泥时，需要将低有机质污泥与10～50％的餐厨沼渣混合后再进行热水解，以提高后续固相和液相中有机质含量以获得性能更好的多孔砖。
在本发明中，术语“高有机质污泥”是指有机质含量不低于50％、优选为50-70％的污泥。术语“低有机质污泥”是指有机质含量不高于50％、优选为30-50％的污泥。
进一步地，步骤(3)中，所述成型剂选自粘土、粉煤灰、飞灰和建筑垃圾中的至少一种。
进一步地，步骤(3)中，所述混合的方式为搅拌混合且混合条件包括转速为200～500r/min，时间为30～60min。
进一步地，当所述富氧高温烧结的温度为1000～1150℃时，得到开孔的烧结多孔砖，用于透水路面的铺设以及海绵城市的建设。
进一步地，当所述富氧高温烧结的温度为1150～1300℃时，得到闭孔的轻质烧结多孔砖，用于保温、隔热、隔音墙体的建设。
进一步地，本发明提供的采用原污泥制备多孔砖的方法还包括将所述热水解过程产生的水解余热用于预热原污泥；和/或，将所述固液分离得到的液相通过发酵处理得到可燃气，所述可燃气用于为富氧高温烧结提供能源补充；和/或，将所述无氧微波热解产生的热解气作为燃料，所述燃料为富氧高温烧结过程提供能源补充。
进一步地，所述富氧高温烧结产生的烧结余热温度为500～800℃，用于为热水解过程提供能源补充，富氧高温烧结过程通入充足的空气以保证完全燃烧，烧结完成后继续通入空气冷却。
本发明还提供了一种采用原污泥制备多孔砖的系统，其中，该系统包括热水解装置、固液分离装置、成型装置、微波热解装置和高温烧结装置，所述热水解装置的出料口与固液分离装置的进料口连通，所述固液分离装置的固体出口与成型装置的进料口连通，所述成型装置的出料口与微波热解装置的入口连通，所述微波热解装置的出口与所述高温烧结装置的入口连通。
进一步地，所述采用原污泥制备多孔砖的系统还包括发酵装置，所述固液分离装置的液体出口与发酵装置的入口连通。
进一步地，所述热水解装置为夹套式水热反应釜。
进一步地，所述固液分离装置为板框压滤机、高速离心机或螺压式脱水机。
进一步地，所述成型装置由破碎搅拌机和制砖机组成，所述破碎搅拌机的出料口和制砖机的进料口连通。其中，所述破碎搅拌机和制砖机的具体结构为本领域技术人员公知，在此不作赘述。所述破碎搅拌机用于将固相与成型剂搅拌混合均匀。所述制砖机用于将源自破碎搅拌机的混合料压制成型以得到成型胚料。
进一步地，所述微波热解装置为微波热解炉。
进一步地，所述高温烧结装置为燃气高温烧结炉。
进一步地，所述发酵装置为厌氧发酵反应器。
进一步地，所述微波热解装置设有热解气出口，所述热解气出口与燃气高温烧结炉的燃气进口连通。
进一步地，所述发酵装置的排气口与燃气高温烧结炉的燃气进口连通。
进一步地，所述燃气高温烧结炉附带有保温烟气输送管道，其与夹套式水热反应釜的夹套气体入口连通。
本发明的关键在于将热水解、固液分离、成型、微波热解造孔以及富氧高温烧结这几个步骤相互配合作用。其中，针对原污泥脱水难的问题，利用热水解能够破坏污泥中的胶体与细胞壁结构，促进细胞内的水破壁流出，实现高效脱水，降低能耗。成型胚料先通过微波热解造孔以释放热解气后再富氧高温烧结，能够实现污泥中重金属的高效固化以及有机质的充分燃烧，从而有效避免直接烧结因污泥中有机质含量过高导致烧结砖因受热不均产生大量裂缝；微波热解能够快速使得胚料内部有机物发生分解，成型胚料产生大量孔隙，有助于烧结多孔砖的制备，并且可以避免污泥直接燃烧产生二噁英等有毒气体，同时得到质量好且用途广泛的烧结多孔砖。
本发明的难点在于热水解温度的调控、成型剂添加量的控制、微波热解造孔温度以及富氧高温烧结温度的调控。其中，当热水解温度低于160℃时，会导致后续固液分离难度大，脱水效果不明显，从而影响最终成型烧结工艺；当热水解温度高于220℃时，污泥中的细胞壁及胞外聚合物结构已基本破坏，温度再提供对后续固液分离无促进作用，反而浪费能源，因此本发明中热水解温度必须控制在160～220℃。当成型剂的添加量低于10％时，一方面会影响成型效果，另一方面会导致高温烧结过程因成型剂太少而出现坍塌的现象；当成型剂的添加量高于40％时，会导致微波热解造孔过程生成的孔隙率降低，影响烧结多孔砖的孔隙结构，同时会导致富氧高温烧结难度加大，需要更高的烧结温度，因此本发明中成型剂的添加量必须控制在10～40％。当微波热解造孔温度低于300℃时，成型胚料中有机质释放不充分，会导致孔隙率降低；当微波热解造孔温度高于500℃时，由于成型胚料中可挥发性有基质已基本分解，温度进一步提高不仅不会起到进一步造孔的作用，而且还会浪费能源，因此本发明中微波热解造孔温度需要控制在300～500℃。当富氧高温烧结温度低于1000℃时，未达到成型胚料中无机组分的熔流点，导致多孔砖无法烧成；当富氧高温烧结温度高于1300℃时，由于温度过高，无机组分熔流玻璃化程度过大，会导致孔隙堵塞，坍塌，影响烧结多孔砖的质量，因此本发明中富氧高温烧结温度必须控制在1000～1300℃。
采用本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：(1)针对原污泥脱水难的问题，利用热水解反应，破坏污泥中的胶体与细胞壁结构，促进细胞内的水破壁流出，提高脱水效率，降低能耗。(2)热水解处理、微波热解以及富氧高温烧结等热处理工艺能够有效去除污泥中的病原菌、有机物污染物，同时高效固化重金属，具有良好的环境效益。(3)充分利用污泥中的有机质获得可燃气和热解气，有效弥补工艺过程中的能源消耗；而且整个工艺过程充分利用烧结余热和水解余热，实现了能源的高效利用；工艺连续，原污泥通过固液分离后直接成型，不用将污泥完全干燥再利用，降低了能耗。(4)成型胚料先通过微波热解，充分释放热解气后再进行烧结，避免直接烧结因污泥中有机质含量过高导致烧结砖因受热不均产生大量裂缝；微波热解能够快速使得胚料内部有机物发生分解，成型胚料产生大量孔隙，有助于烧结多孔砖的制备；同时可以避免污泥直接燃烧产生二噁英等有毒气体。综上，本发明利用原污泥制备烧结多孔砖，实现了污泥的减量化、无害化和资源化，并且所得烧结多孔砖质量好且用途广泛。
附图说明
图1为本发明提供的采用原污泥制备多孔砖的系统的示意图；
图2为本发明提供的采用原污泥制备多孔砖的方法的示意图。
附图标记说明
1-热水解装置；2-固液分离装置；3-成型装置；4-微波热解装置；5-高温烧结装置；6-发酵装置。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明技术方案作进一步阐述。
如图1所示，以下实施例所采用的原污泥制备多孔砖的系统包括热水解装置1、固液分离装置2、成型装置3、微波热解装置4、高温烧结装置5和发酵装置6，所述热水解装置1的出料口与固液分离装置2的进料口连通，所述固液分离装置2的固体出口与成型装置3的进料口连通，所述固液分离装置2的液体出口与发酵装置6的入口连通，所述成型装置3的出料口与微波热解装置4的入口连通，所述微波热解装置4的出口与所述高温烧结装置5的入口连通。
实施例1
该实施例中，所述热水解装置1为夹套水热反应釜，所述固液分离装置2为板框压滤机，所述成型装置3由破碎搅拌机和制砖机组成，所述微波热解装置4为微波热解炉，所述高温烧结装置5为燃气高温烧结炉，所述发酵装置6为厌氧发酵反应器。
如图2所示，首先将原污泥(有机质含量为60％)通过输料管送入夹套水热反应釜中，加热原污泥至170℃，保证夹套水热反应釜的压力为1.8MPa，使得原污泥发生热水解，热水解50min后得到固液混合物；将固液混合物经冷却后通过输料管送入板框压滤机进行固液分离得到液相和含水量为50％的固相；液相通过厌氧发酵反应器发酵得到可燃气为后续高温烧结提供能源补充，固相送入破碎搅拌机中，添加20％的粘土作为成型剂与固相混合，搅拌混合转速为300r/min，搅拌时间为40min，搅拌混合均匀后，再利用制砖机对混合料进行压缩成型得到成型胚料，成型胚料的含水率为30％；然后将成型胚料送入微波热解炉，排出空气，在300℃下进行无氧微波热解70min得到具有丰富孔洞的预热胚料，同时产生热解气；将预热胚料送入燃气高温烧结炉中，通入天然气、可燃气、热解气以及空气，在1200℃下进行富氧高温烧结60min，冷却后得到闭孔的轻质烧结多孔砖，该轻质烧结多孔砖无裂缝，具有保温、隔热、隔音的性能，其导热系数小于0.3w/(m·k)，单层砖可降低噪音20分贝以上，可用于建筑保温、隔热、隔音墙体的建设，同时产生温度为700℃的烧结余热通过保温烟气输送管道送入夹套水热反应釜，用于为热水解过程提供能源补充，热水解余热进一步用于预热原污泥，整个过程不会产生二噁英等有毒气体。
实施例2
该实施例中，所述热水解装置1为夹套水热反应釜，所述固液分离装置2为高速离心机，所述成型装置3由破碎搅拌机和制砖机组成，所述微波热解装置4为微波热解炉，所述高温烧结装置5为燃气高温烧结炉，所述发酵装置6为厌氧发酵反应器。
如图2所示，首先将原污泥(有机质含量为45％)与20％的餐厨沼渣混合后，通过输料管送入夹套水热反应釜中，加热原污泥至190℃，保证夹套水热反应釜的压力为2.3MPa，使得原污泥发生热水解，热水解40min后得到固液混合物；将固液混合物经冷却后通过输料管送入高速离心机进行固液分离得到液相和含水量为40％的固相；液相通过厌氧发酵反应器发酵得到可燃气为后续高温烧结提供能源补充，固相送入破碎搅拌机中，添加25％的建筑垃圾作为成型剂与固相混合，搅拌混合转速为400r/min，搅拌时间为30min，搅拌混合均匀后，再利用制砖机对混合料进行压缩成型得到成型胚料，成型胚料的含水率为25％；然后将成型胚料送入微波热解炉，排出空气，在400℃下进行无氧微波热解60min得到具有丰富孔洞的预热胚料，同时产生热解气；将预热胚料送入燃气高温烧结炉中，通入天然气、可燃气、热解气以及空气，在1100℃下进行富氧高温烧结70min，冷却后得到开孔的烧结多孔砖，该烧结多孔砖无裂缝，具有优异的透水性能，每平方米每小时可透过水量为0.45吨，可用于透水路面的铺设，同时产生温度为600℃的烧结余热通过保温烟气输送管道送入夹套水热反应釜，用于为热水解过程提供能源补充，热水解余热进一步用于预热原污泥，整个过程不会产生二噁英等有毒气体。
实施例3
该实施例中，所述热水解装置1为夹套水热反应釜，所述固液分离装置2为螺压式脱水机，所述成型装置3由破碎搅拌机和制砖机组成，所述微波热解装置4为微波热解炉，所述高温烧结装置5为燃气高温烧结炉，所述发酵装置6为厌氧发酵反应器。
如图2所示，首先将原污泥(有机质含量为35％)与30％的餐厨沼渣混合后通过输料管送入夹套水热反应釜中，加热原污泥至210℃，保证夹套水热反应釜的压力为2.8MPa，使得原污泥发生热水解，热水解30min后得到固液混合物；将固液混合物经冷却后通过输料管送入螺压式脱水机进行固液分离得到液相和含水量为30％的固相；液相通过厌氧发酵反应器发酵得到可燃气为后续高温烧结提供能源补充，固相送入破碎搅拌机中，添加20％的粉煤灰作为成型剂与固相混合，搅拌混合转速为500r/min，搅拌时间为50min，搅拌混合均匀后，再利用制砖机对混合料进行压缩成型得到成型胚料，成型胚料的含水率为20％；然后将成型胚料送入微波热解炉，排出空气，在500℃下进行无氧微波热解40min得到具有丰富孔洞的预热胚料，同时产生热解气；将预热胚料送入燃气高温烧结炉中，通入天然气、可燃气、热解气以及空气，在1000℃下进行富氧高温烧结80min，冷却后得到开孔的烧结多孔砖，该烧结多孔砖无裂缝，具有较强的吸水保水能力，吸水率高达0.65kg/kg，可用于海绵城市的建设，同时产生温度为500℃的烧结余热通过保温烟气输送管道送入夹套水热反应釜，用于为热水解过程提供能源补充，热水解余热进一步用于预热原污泥，整个过程不会产生二噁英等有毒气体。
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 (10)
1.一种采用原污泥制备多孔砖的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)热水解：将原污泥在温度为160～220℃、压力为1.5～3MPa的条件下热水解30～60min，得到固液混合物，同时产生水解余热；
(2)固液分离：将所述固液混合物固液分离，得到含水量为30～60％的固相和液相；
(3)成型：将所述固相与成型剂混合均匀，所述成型剂的添加量为10～40wt％，之后将所得混合料压制成型得到成型胚料，所述成型胚料的含水率控制在20～30％；
(4)微波热解造孔：将所述成型胚料在300～500℃下无氧微波热解40～80min，得到具有丰富孔洞的预热胚料，同时产生热解气；
(5)富氧高温烧结：将所述预热胚料在1000～1300℃下富氧高温烧结60～90min，冷却，得到烧结多孔砖，同时产生烧结余热。
2.根据权利要求1所述的采用原污泥制备多孔砖的方法，其特征在于，所述原污泥为高有机质污泥或低有机质污泥；当所述原污泥为低有机质污泥时，需要将低有机质污泥与10～50％的餐厨沼渣混合后再进行热水解，以提高后续固相和液相中有机质含量。
3.根据权利要求1所述的采用原污泥制备多孔砖的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述成型剂选自粘土、粉煤灰、飞灰和建筑垃圾中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的采用原污泥制备多孔砖的方法，其特征在于，当所述富氧高温烧结的温度为1000～1150℃时，得到开孔的烧结多孔砖，用于透水路面的铺设以及海绵城市的建设；当所述富氧高温烧结的温度为1150～1300℃时，得到闭孔的轻质烧结多孔砖，用于保温、隔热、隔音墙体的建设。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的采用原污泥制备多孔砖的方法，其特征在于，该方法还包括将所述热水解过程产生的水解余热用于预热原污泥；和/或，将所述固液分离得到的液相通过发酵处理得到可燃气，所述可燃气用于为富氧高温烧结提供能源补充；和/或，将所述无氧微波热解产生的热解气作为燃料，所述燃料为富氧高温烧结过程提供能源补充。
6.根据权利要求1～4中任意一项所述的采用原污泥制备多孔砖的方法，其特征在于，所述富氧高温烧结产生的烧结余热温度为500～800℃，用于为热水解过程提供能源补充，富氧高温烧结过程通入充足的空气以保证完全燃烧，烧结完成后继续通入空气冷却。
7.一种采用原污泥制备多孔砖的系统，其特征在于，该系统包括热水解装置、固液分离装置、成型装置、微波热解装置和高温烧结装置，所述热水解装置的出料口与固液分离装置的进料口连通，所述固液分离装置的固体出口与成型装置的进料口连通，所述成型装置的出料口与微波热解装置的入口连通，所述微波热解装置的出口与所述高温烧结装置的入口连通。
8.根据权利要求7所述的采用原污泥制备多孔砖的系统，其特征在于，所述采用原污泥制备多孔砖的系统还包括发酵装置，所述固液分离装置的液体出口与发酵装置的入口连通。
9.根据权利要求8所述的采用原污泥制备多孔砖的系统，其特征在于，
所述热水解装置为夹套式水热反应釜；
所述固液分离装置为板框压滤机、高速离心机或螺压式脱水机；
所述成型装置由破碎搅拌机和制砖机组成，所述破碎搅拌机的出料口和制砖机的进料口连通；
所述微波热解装置为微波热解炉；
所述高温烧结装置为燃气高温烧结炉；
所述发酵装置为厌氧发酵反应器。
10.根据权利要求9所述的采用原污泥制备多孔砖的系统，其特征在于，所述微波热解装置设有热解气出口，所述热解气出口与燃气高温烧结炉的燃气进口连通；所述发酵装置的排气口与燃气高温烧结炉的燃气进口连通；所述燃气高温烧结炉附带有保温烟气输送管道，其与夹套式水热反应釜的夹套气体入口连通。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200807 |
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