CN111875210A - 一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化系统，通过真空干燥压榨系统，大大提高生物炭的燃值，增强污泥焚烧的效能；增加磷回收装置，回收污水中的磷，开发其附加值。该集成系统包括进料系统、碳化系统、热交换系统、出料系统、脱水系统、加药系统、磷回收系统、自控系统等。其特征在于将剩余污泥转化为绿色燃料（生物炭），同时回收磷，使剩余污泥无害化、稳定化、减量化、资源化，经济高效。本发明技术提出城镇污泥低温水热碳化产煤资源化，污泥在绝氧环境下热解生产生物炭。经过水热炭化和真空干燥压榨后形成的生物炭燃值高而且环保，资源化利用率高，节能显著。
Description
技术领域
本发明涉及污泥碳化处理相关的领域，具体来讲涉及的是一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化集成系统。
背景技术
污水处理过程中约40%的污染物最终进入污泥，庞大的污泥产量加上没有经济、安全和高效的污泥处置方式使得每年产生的大量污泥给环境带来了巨大的影响，污泥中的大量有机物质的腐败变质会造成水体恶臭，其中包含的氮、磷元素也会导致水体富营养化，破坏生态环境。
污泥中含有大量的碳元素，源自大气中的二氧化碳，是生物圈碳循环的一个重要环节。因此，将污泥进行资源化很有必要。
磷是导致水体富营养化藻类(C106H263O110N16P)生长的一个限制因子，水体中磷的浓度达到0.015mg/L时，即会引起藻类快速增长，每向水体排放1g磷会导致950g(干重)藻类的生长。磷在生物圈中属于单项流动且难以再生，属于不可再生的稀缺资源。因此回收废水中含有“较丰富”的磷，具有较大的环境效益和经济效益。
通常状态下，因为水分和其它成分（非碳元素）比重大，污泥的整体热值不高。目前污泥资源化主要方式为干化焚烧，其主要特点是燃值低，对发电厂、垃圾发电厂的发电量有直接影响，同时需进行除臭和尾气处理，故直接干化后的污泥出路有一定的局限。
发明内容
为了解决上述不足，本发明在此提供一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化集成系统；采用磷回收系统回收滤液中的磷。真空干燥压滤机排出的滤液经磷回收系统将磷回收，滤液返回污水处理系统。
本发明是这样实现的，构造一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化集成系统，其特征在于；该系统包括污泥进入料仓、高压污泥螺杆泵、进料热交换器、反应釜、后热交换器、缓冲储罐、输送泵、真空干燥压滤机、导热油炉以及磷回收系统；污泥进入料仓通过高压污泥螺杆泵与进料热交换器连通，进料热交换器的输出端连通反应釜，反应釜的输出端连通后热交换器，后热交换器的输出连通缓冲储罐，缓冲储罐经输送泵连通真空干燥压滤机；导热油炉与反应釜连接；真空干燥压滤机排出的滤液经磷回收系统将磷回收，滤液返回污水处理系统。
根据本发明所述一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化集成系统，其特征在于；污泥进入料仓为含水率70%~80%的常温市政污泥进入料仓。
根据本发明所述一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化集成系统，其特征在于；反应釜外接加药装置，向反应釜内投加酸性催化剂。
根据本发明所述一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化集成系统，其特征在于；进料热交换器与后热交换器之间通过管路连通，该管路上设置热油循环。
根据本发明所述一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化集成系统，其特征在于；压滤系统采用真空干燥压滤机。
根据本发明所述一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化集成系统，其特征在于；将滤液中的磷采用磷回收系统回收。真空干燥压滤机排出的滤液经磷回收系统（10）将磷回收，滤液返回污水处理系统。
本发明优点：本发明技术提供了一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化集成技术，包括进料系统、碳化系统、热交换系统、出料系统、脱水系统、加药系统、磷回收系统、自控系统等。其特征在于将剩余污泥转化为绿色燃料（生物煤），同时回收滤液中的磷。该技术可以彻底杀灭细菌、病原体等，使剩余污泥无害化、稳定化、减量化、资源化，经济高效。本发明具有如下优点：
1、污泥在绝氧环境下热解碳化，经水热碳化形成的生物炭燃值高而且环保，焚烧产生的尾气对电厂的烟气净化装置的正常运转无不利影响，本发明尤其在降低尾气排放量、减少二噁英产生以及稳定重金属等方面，具有显著效果。
2、污泥水热碳化产生的炭水混合液通过后热交换器降温后，温度仍然在70℃左右，采用常规板框压滤机压榨，生物煤含水率在30%左右，而且由于高温，导致板框压滤机的滤板（PE材质）使用寿命较短。本发明采用真空干燥压滤机对炭水混合液进行压榨脱水、干燥一体，可利用余热直接干燥无需额外加热，使生物炭的含水率降到15%以下，污泥热值显著提高，达到资源化的目的；
3、污泥中的病毒、细菌等被高温彻底灭活，确保稳定化、无害化。
4、产生的滤液可生化性好，可回流到污水处理厂的生化段，用作碳源。
5、采用导热油循环换热，利用余热来预热进口污泥，节能增效，降低运行成本，能耗为常规污泥干燥技术的20%左右。
6、污泥经过水热碳化后，其所含磷元素成溶解态释放到脱水浓液里，回收磷非常方便，通过回收磷，提升污泥资源价值，同时降低过多的磷进入水体，防止富营养化。
本技术创新点：磷回收；真空干燥。
磷是导致水体富营养化的重要因子，水体富营养化已经出现多年，污水污泥是氮磷元素的主要来源之一。污泥经过水热碳化后，其所含磷元素成溶解态释放到脱水滤液里，可以很好回收磷元素，开发其附加值，真正解决地表水质量控制中的“焚琴煮鹤”角色。
常规工艺采用板框压滤机对水热碳化后的混合液脱水，形成的生物煤含水率为30%左右。生物煤中的水分在焚烧过程中将转化为水蒸汽，并以气化潜热形式带走部分热量，导致部分热量无法利用。本发明采用真空干燥压榨系统进行脱水，使生物煤的含水率降至15%以下，污泥热值显著提高；同时，提高热量利用率。
附图说明
图1是本发明系统模块框图。
其中：污泥进入料仓1，高压污泥螺杆泵2，进料热交换器3，反应釜4，后热交换器5，缓冲储罐6，输送泵7，真空干燥压滤机8，导热油炉9、磷回收系统10。
具体实施方式
下面将结合附图1对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例如下；本发明通过改进在此提供一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化集成系统，如图1所示，可以按照如下方式予以实施；该系统包括污泥进入料仓1、高压污泥螺杆泵2、进料热交换器3、反应釜4、后热交换器5、缓冲储罐6、输送泵7、真空干燥压滤机8、导热油炉9以及磷回收系统（10）；污泥进入料仓1通过高压污泥螺杆泵2与进料热交换器3连通，进料热交换器3的输出端连通反应釜4，反应釜4的输出端连通后热交换器5，后热交换器5的输出连通缓冲储罐6，缓冲储罐6经输送泵7连通真空干燥压滤机8；导热油炉9与反应釜4连接；真空干燥压滤机8排出的滤液经磷回收系统10将磷回收，滤液返回污水处理系统。
实施时；污泥进入料仓1为含水率70%~80%的常温市政污泥进入料仓。
实施时；反应釜4外接加药装置，向反应釜4内投加酸性催化剂。
实施时；进料热交换器3与后热交换器5之间通过管路连通，该管路上设置热油循环。
实施时；缓冲储罐6经输送泵7连通真空干燥压滤机8；将滤液中的磷采用磷回收系统10回收，滤液返回污水处理系统。
本发明对应的工艺流程为：
（1）含水率70%~80%的常温市政污泥进入料仓1，通过高压污泥螺杆泵2，进入进料热交换器3；（2）通过前热交换3将污泥预热，升温至150~180（℃），预热污泥后进入反应釜4；（3）污泥在反应釜4内进行碳化。通过加药装置，向反应釜4内投加酸性催化剂，通过导热油炉9的热油对反应釜4内的污泥进行加热，保持釜内高温（200℃~230℃）高压（20bar~30bar）、酸性环境下碳化2h ~4h。（4）在反应釜4内碳化后的炭水物在后热交换器5内降温，通过导热油的循环，将热能带回前换热器3对污泥进行预热，达到热回收目的。（5）在后热交换器5内将污泥降温至70~80℃左右后，进入缓冲储罐6，经输送泵7输送至真空干燥压滤机8内进行固液分离，将产物含固率提升至80%以上，形成生物煤。（6）真空干燥压滤机（8）排出的滤液经磷回收系统（10）将磷回收，滤液返回污水处理系统。
本发明采用水热碳化技术，在碳化过程中从生物质到生物煤炭的转化主要基于三种化学应：
1、水解：主要是生物质通过水解反应被消化，生物质的物理结构被破坏。
2、脱水和脱羧：水解产物经脱水和脱羧二次反应，进一步分解。在酸的催化作用下，水解产物有机质进一步分离水（脱水）、分离CO 2（脱羧）和CO分离（脱羰基），也会生成有机酸，生物质被进一步分解。
3、聚合和生物炭的生成：中间产物通过聚合和缩合反应溶解或开始形成固体颗粒，最终形成生物炭。
因此水热碳化是一个浓缩碳元素的过程，也是一个成倍提高热值的过程，产生高碳含量和低氮含量的生物炭（生物煤），成为一种比较清洁的、能量致密的固体燃料。其形成机理和天然煤炭相同，因此物化性能稳定，不会散发异味或腐烂发臭。
水热碳化后的混合液一般采用板框压滤机进行脱水，形成的生物煤含水率为30%左右。
生物煤中的水分在焚烧过程中将转化为水蒸汽，并以气化潜热形式带走部分热量，导致部分热量无法利用。
因此本发明采用真空干燥压榨系统进行脱水，使生物煤的含水率降至15%以下，污泥热值显著提高；同时，提高热量利用率。
常规污水处理厂的污泥热值情况如下表
使用该发明后的生物煤热值可达4000大卡以上，对发电厂的燃烧装置不产生任何不利影响。
本系统具有如下特征：
（1）污水处理厂的脱水污泥不经调配，预热后，直接进入反应釜碳化，然后降温、压滤干燥即可形成生物煤，流程简短；
（2）水热碳化温度为200℃~230℃，压力20bar~30bar，碳化时间2h ~4h；
（3）碳化后的生物煤表面氧含量减少，具有憎水性，有利于后期脱水，简单调理，使混合液接近中性，便于脱水。
（4）真空干燥压滤机对水热碳化后的泥浆进行处理处置，滤室内保持负压状态，此时水的相对沸点约在70℃，使滤饼中所含无法通过压榨去除的水分汽化，同时利用真空泵浦将汽化的水分及含在污泥饼中的自由水完全抽取，经热交换器使水汽还原成水排放，泥饼即可达到干燥效果。显著提高生物煤的含固率，生物煤较硬，呈块状，不需要干化处理，产物含固率达85%以上，形成生物煤。同时不凝气通过管道直接进入除臭系统，不对空气产生二次污染。
（5）产生的生物煤碳含量高，碳元素保留近90%，高位热值可达生污泥热值的 98%~103%，其氢碳原子比基本与煤类似，散发的气味如同坚果，无臭味。该生物煤可作为绿色能源，用于电厂、垃圾焚烧厂、砖厂、水泥厂等。
（6）采用导热油进行冷热交换，将碳化后（高温）的余热回收用于预热前段污泥（低温），达到节能目的。
（7）采用具有多孔结构的水化硅酸钙材料，通过释放钙离子和氢氧根离子，吸附溶液中磷酸盐，促进高品质磷回收。这种酥松的孔隙结构既能使材料具有较强的溶钙供碱特性，又使材料具有一定的强度，不至于塌陷，可作为富集磷酸盐的载体。
本发明提供了一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化集成技术，包括进料系统、碳化系统、热交换系统、出料系统、脱水系统、加药系统、磷回收系统、自控系统等。其特征在于将剩余污泥转化为绿色燃料（生物煤），彻底杀灭细菌、病原体等，使剩余污泥无害化、稳定化、减量化、资源化，经济高效。本实用型技术提出城镇污泥低温水热碳化产煤资源化，污泥在绝氧环境下热解生产生物炭，生物炭可作为绿色燃料，送至电厂、垃圾焚烧厂等工厂焚烧。经过水热炭化的生物炭燃值高而且环保，尤其在降低尾气排放量、减少二噁英产生以及稳定重金属等方面，具有显著效果。
1、污泥被转化成具有热值的生物煤，燃值可达4000大卡以上，达到资源化的目的。
2、污泥中的病毒、细菌等被高温彻底灭活，确保稳定化、无害化。
3、生物煤焚烧产生的尾气对电厂的烟气净化装置的正常运转无不利影响，该发明实用技术尤其在降低尾气排放量、减少二噁英产生以及稳定重金属等方面，具有显著效果。
4、产生的滤液可生化性好，可回流到污水处理厂的生化段，用作碳源。
5、采用导热油循环换热，利用余热来预热进口污泥，节能增效，降低运行成本，能耗为常规污泥干燥技术的20%。
6、产物可用作土壤改良剂：产出的生物炭孔隙发达，蓄肥保水能力强，可用作土壤改良剂。
7、通过回收磷，提升污泥资源价值，同时降低过多的磷进入水体，防止富营养化。
本技术创新点：磷回收；真空干燥。
磷是导致水体富营养化的重要因子，水体富营养化已经出现多年，污水污泥是氮磷元素的主要来源之一。污泥经过水热碳化后，其所含磷元素成溶解态释放到脱水滤液里，可以很好回收磷元素，开发其附加值，真正解决地表水质量控制中的“焚琴煮鹤”角色。
常规工艺采用板框压滤机对水热碳化后的混合液脱水，形成的生物煤含水率为30%左右。生物煤中的水分在焚烧过程中将转化为水蒸汽，并以气化潜热形式带走部分热量，导致部分热量无法利用。本发明采用真空干燥压榨系统进行脱水，使生物煤的含水率降至15%以下，污泥热值显著提高；同时，提高热量利用率。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化集成系统，其特征在于；该系统包括污泥进入料仓（1）、高压污泥螺杆泵（2）、进料热交换器（3）、反应釜（4）、后热交换器（5）、缓冲储罐（6）、输送泵（7）、真空干燥压滤机（8）以及导热油炉（9）；污泥进入料仓（1）通过高压污泥螺杆泵（2）与进料热交换器（3）连通，进料热交换器（3）的输出端连通反应釜（4），反应釜（4）的输出端连通后热交换器（5），后热交换器（5）的输出连通缓冲储罐（6），缓冲储罐（6）经输送泵（7）连通真空干燥压滤机（8）；导热油炉（9）与反应釜（4）连接；真空干燥压滤机（8）排出的滤液经磷回收系统（10）将磷回收，滤液返回污水处理系统。
2.根据权利要求1所述一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化集成系统，其特征在于；污泥进入料仓（1）为含水率70%~80%的常温市政污泥进入料仓。
3.根据权利要求1所述一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化集成系统，其特征在于；反应釜（4）外接加药装置，向反应釜（4）内投加酸性催化剂。
4.根据权利要求1所述一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化集成系统，其特征在于；进料热交换器（3）与后热交换器（5）之间通过管路连通，该管路上设置热油循环。
5.根据权利要求1所述一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化集成系统，其特征在于；压滤系统采用真空干燥压滤机（8）。
6.根据权利要求1所述一种城镇污泥低温水热碳化产煤资源化集成系统，其特征在于；采用磷回收系统（10）回收滤液中的磷。
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