CN112159683B - 煤与污泥混合气化的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤与污泥混合气化的方法及装置，污泥与煤经过(1)污泥脱挥发分：(2)气固分离；(3)挥发分气水分离；(4)污泥碳与煤共气化最终得到可燃气；装置包括上行床，在上行床内部的下行床，气固分离装置，气水分离装置。本发明适用于较高含水率的市政污水处理产生的污泥与煤的共气化资源化/能源化利用；相较于现有技术污泥与煤共利用过程稳定，掺混率可大幅提高，有助于解决目前污泥能源化利用困难的问题，实现污泥的减量化、稳定化、资源化、能源化。

Description

煤与污泥混合气化的方法及装置
技术领域
本发明涉及环境工程技术领域，尤其是一种污水处理过程产生的污泥与煤共同进行能源化利用的方法及其装置。
背景技术
据统计，截止2020年我国城镇污水处理能力约为2.1亿吨/日，实际运行负荷约70％，按污水处理过程中平均污泥产生率万分之三估算，2020年我国污泥产生量将超过6000万吨/年或者16万吨/日。《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918－2002)要求污水处理厂污泥出厂含水率应小于80％。目前我国污泥主流的处理方式是卫生填埋，《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质》(GB/T 23485-2009)要求进入生活垃圾卫生填埋场与生活垃圾进行共同处置的城镇污水处理厂污泥含水率低于60％。污泥填埋虽然具有投资稍少、工艺简单、处理量大等优点。但是，填埋的垃圾并没有进行无害化处理，残留着大量的细菌、病毒，还潜伏着沼气重金属污染等隐患，其垃圾渗漏液还会长久地污染地下水资源，所以，这种方法潜在着极大危害。目前许多发达国家明令禁止填埋污泥，我国政府的各级主管部门对这种处理技术存在的问题也逐步有了认识需要禁止、淘汰此类行为。以污泥焚烧/气化为代表的污泥高温能源化利用技术因可以使污泥的减量率提高、破坏有机微生污染物、节能发电等优点而具有广泛的应用前景。污泥的焚烧/气化能源化处置利用是目前污泥处置的重要发展方向。
但由于污泥本身热值较低，依靠传统的直接焚烧的方法难以实现污泥的高效稳定焚烧/气化，无法达到日益严格的大气排放标准。将污泥能源化利用过程(气化/焚烧过程)与传统大宗能源—“煤”的利用结合起来，利用高热值的煤来稳定污泥的热利用过程是一个极具前景的利用方向。但是由于污泥具有高水分、高挥发分、低热值的特点，与通常煤的相对低水分、低挥发分、高热值的特性相反，目前煤与污泥一起热利用时通常需要污泥的掺混比小于5％，掺混比较低。专利CN201810291135.6公开了一种燃煤耦合生物质、垃圾、污泥气化燃烧热电联产装置及工艺，它在现有火电锅炉、汽轮机和发电机的基础上，引入全新的旋风式流化床气化炉、旋风分离器和旋风式低热值气体燃烧机，获得的气化燃气直接高温燃烧，获得的高温烟气达到1200℃以上直接通入火电锅炉；可用于多种生物质、有机垃圾，污泥且能防止产生结焦，具有保证系统连续运行、热值利用充分、工艺流程较短、运行成本较低的优点，并能很好的与现役发电站耦合实现热电联产平衡。专利CN201811007523.3提供了一种污泥干化气化耦合燃煤发电系统，包括污泥间接干化单元，利用蒸汽对存储于污泥存储仓库的污泥原料进行间接干燥脱水，污泥存储仓库产生的废气及污泥原料进行间接干燥脱水产生的废气为乏气；污泥气化制燃单元，用于将间接干燥脱水后的污泥进行输送气化，产生可燃气；燃气焚烧单元，用于将污泥气化制燃单元产生的可燃气及乏气送燃煤锅炉燃烧。
但上述专利均未涉及如何使使燃料特性迥异的污泥及煤高效稳定热利用的问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术在污泥与煤共利用过程中掺混比低、利用稳定性差的技术问题，提供一种充分利用煤热值高、燃烧稳定的特点，可将污泥先脱挥发分转换为热值中等挥发分低的污泥碳及挥发分再将污泥碳及煤再共气化的方法及装置。
本发明是通过以下技术方案来实现的：一种煤与污泥混合气化的方法，包括如下步骤：
(1)污泥脱挥发分：含水率40％以下的干化污泥，经简单破碎处理的污泥形成较为均匀粉末状，经过破碎的污泥从上行床底部进入上行床，在上行床内与从下行床内循环过来的高温床料混合，在高温床料加热下污泥完成挥发分析出；脱挥发分产生的污泥碳及床料的混合物与挥发分在上行床扩展段自动分离，分离出来的污泥碳及床料的混合物进入下行床；
(2)气固分离：污泥产生的挥发分经气固分离装置进行气固分离，分离收集到的固体产物回收到下行床中；
(3)挥发分气水分离：经气固分离的挥发分经气水分离装置进行气水分离，分离产生的不凝气进入下行床作为下行床中污泥碳与煤共气化的部分气化剂；
(4)污泥碳与煤共气化：在下行床中，污泥碳与煤在供入的气化剂、不凝气作用下进行气化；气化产生的固体一部分作为床料循环到上行床中，一部分作为底灰排出下行床。
所脱除的挥发分中包括大量污泥里面的水分以及污泥中易挥发/裂解组分生成的可燃气组分；脱挥发分产生低挥发性的污泥碳主要由碳及污泥中含有的无机物组成；污泥碳及床料的混合物与挥发分在上行床扩展段因气体流速降低而大部分自动分离。污泥产生的挥发分夹带的少量固体分经气固分离装置进行气固分离。经过气水分离可以除去挥发分中的大部分水，从而减少污泥原料中水分进入下行床中的量，避免过多低热值气体对共气化过程的影响，提高系统稳定性。
所述下行床内污泥脱挥发分的脱除温度为250～400℃。在该温度范围内可以完全脱除污泥的湿存水及大部分内在水，并使污泥中的蛋白质、脂肪、糖类等有机物的不稳定键发生断裂，形成小分子可燃气。该部分小分子可燃气及水分我挥发分的主要成分。污泥进入上行床时在1～2S内即达到炉内温度，升温速率在100～300℃/s，较低的脱挥发分温度以及较高的升温速率避免了有机物与水蒸气的过分反应，减少有机物的分解，可有效降低冷凝水的处理难度。
所述污泥碳与煤共气化温度为1100～1300℃。经过高温碳化得到的污泥碳热化学性质与煤类似，可以与煤在高温下进行协同气化，同时高温可以有效的抑制气化焦油的产生，提高气化产气的品质。
所述气化剂为空气、水蒸气和氧气中的至少一种。
步骤(4)中气化所消耗的气化当量比为0.25～0.35。
一种实现煤与污泥混合气化的方法的装置，包括有上行床、下行床、气固分离装置和气水分离装置，所述下行床位于所述上行床内；所述上行床上端设有第一气体出口，所述上行床上部设有上行床扩展段，所述上行床下部设有第一返料口，所述上行床通过所述第一返料口与所述下行床连通；所述上行床底部分别设置有第二返料口、第一固体物料进口、第一气体进口；所述下行床内下部形成密相区，所述下行床内上部形成稀相区；所述下行床的上部设有第二气体出口，所述下行床中部设有第三返料口；所述下行床底部分别设有第四返料口、第二气体进口、第二固体物料进口和灰渣出口；所述第四返料口通过所述下行床与所述第一返料口连通；所述气固分离装置设有第三气体进口、固体出口和第三气体出口；所述气水分离装置设有第四气体进口和第四气体出口；所述第一气体出口与所述第三气体进口连通，所述固体出口与所述第一返料口连通，所述第三气体出口与所述第四气体进口连通；所述第四气体出口与所述第二气体进口、所述第一气体进口分别连通。
与现有技术对比，本发明的优点在于：本发明适用于较高含水率的市政污水处理产生的污泥与煤的共气化资源化/能源化利用。相较于现有技术污泥与煤共利用过程稳定，掺混率可大幅提高。有助于解决目前污泥能源化利用困难的问题，实现污泥的减量化、稳定化、资源化、能源化。
附图说明
图1为本发明实施例装置的主视图；
图2为本发明实施例装置运行其内部物料的状态示意图；
图3为本发明实施例装置的物流示意图。
图中附图标记含义：1、上行床；11、第一气体出口；12、上行床扩展段；13、第一返料口；14、第二返料口；15、第一固体物料进口；16、第一气体进口；2、下行床；21、第二气体出口；22、第三返料口；23、第四返料口；24、第二气体进口；25、第二固体物料进口；26、灰渣出口；3、气固分离装置；31、第三气体进口；32、固体出口；33、第三气体出口；4、气水分离装置；41、第四气体进口；42、第四气体出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例1
参阅图1至图3，为一种煤与污泥混合气化的方法及装置，方法包括如下步骤：
(1)污泥脱挥发分：含水率35％的干化污泥，经简单破碎处理的污泥形成较为均匀粉末状，经过破碎的污泥从上行床1底部进入上行床1，在上行床1内与从下行床2内循环过来的高温床料混合，在高温床料加热下污泥完成挥发分析出；脱挥发分产生的污泥碳及床料的混合物与挥发分在上行床扩展段12自动分离，分离出来的污泥碳及床料的混合物进入下行床2；
(2)气固分离：污泥产生的挥发分经气固分离装置3进行气固分离，分离收集到的固体产物回收到下行床2中；
(3)挥发分气水分离：经气固分离的挥发分经气水分离装置4进行气水分离，分离产生的不凝气进入下行床2作为下行床2中污泥碳与煤共气化的部分气化剂；
(4)污泥碳与煤共气化：在下行床2中，污泥碳与煤在供入的气化剂、不凝气作用下进行气化；气化产生的固体一部分作为床料循环到上行床1中，一部分作为底灰排出下行床2。
所脱除的挥发分中包括大量污泥里面的水分以及污泥中易挥发/裂解组分生成的可燃气组分；脱挥发分产生低挥发性的污泥碳主要由碳及污泥中含有的无机物组成；污泥碳及床料的混合物与挥发分在上行床扩展段12因气体流速降低而大部分自动分离。污泥产生的挥发分夹带的少量固体分经气固分离装置3进行气固分离。经过气水分离可以除去挥发分中的大部分水，从而减少污泥原料中水分进入下行床2中的量，避免过多低热值气体对共气化过程的影响，提高系统稳定性。
下行床2内污泥脱挥发分的脱除温度为250～400℃。在该温度范围内可以完全脱除污泥的湿存水及大部分内在水，并使污泥中的蛋白质、脂肪、糖类等有机物的不稳定键发生断裂，形成小分子可燃气。该部分小分子可燃气及水分我挥发分的主要成分。污泥进入上行床1时在1～2S内即达到炉内温度，升温速率在100～300℃/s，较低的脱挥发分温度以及较高的升温速率避免了有机物与水蒸气的过分反应，减少有机物的分解，可有效降低冷凝水的处理难度。
污泥碳与煤共气化温度为1100～1300℃。经过高温碳化得到的污泥碳热化学性质与煤类似，可以与煤在高温下进行协同气化，同时高温可以有效的抑制气化焦油的产生，提高气化产气的品质。
气化剂为空气、水蒸气和氧气中的一种以上。
步骤(4)中气化当量比为0.25～0.35。
本实施例中，方法步骤气化过程中污泥与煤的添加比为40:60。下行床2内污泥脱挥发分的脱除温度设定为300℃，在该温度下，污泥进入上行床1时在1～2S内即达到炉内温度，升温速率在200℃/s。污泥碳与煤共气化温度设定为1250℃。步骤(4)中气化当量比为0.28。
一种实现煤与污泥混合气化的方法的装置，包括有上行床1、下行床2、气固分离装置3和气水分离装置4，下行床2位于上行床1内；上行床1上端设有第一气体出口11，上行床1上部设有上行床扩展段12，上行床1下部设有第一返料口13，上行床1通过第一返料口13与下行床2连通；上行床1底部分别设置有第二返料口14、第一固体物料进口15、第一气体进口16；下行床2内下部形成密相区，下行床2内上部形成稀相区；下行床2的上部设有第二气体出口21，下行床2中部设有第三返料口22；下行床2底部分别设有第四返料口23、第二气体进口24、第二固体物料进口25和灰渣出口26；第四返料口23通过下行床2与第一返料口13连通；气固分离装置3设有第三气体进口31、固体出口32和第三气体出口33；气水分离装置4设有第四气体进口41和第四气体出口42；第一气体出口11与第三气体进口31连通，固体出口32与第一返料口13连通，第三气体出口33与第四气体进口41连通；第四气体出口42与第二气体进口24、第一气体进口16分别连通。
参阅图3，A为煤，B为污泥，C为灰渣，D为气化剂；实心箭头表示固体物质的循环路线，空心箭头表示气体的循环路线。
污泥B从下行床2底部的第二固体物料进口25进入下行床2，气化剂D从第一气体进口16进入，污泥在下行床2内与从上行床1循环过来的高温床料混合，在高温床料加热下污泥B完成挥发分析出。脱挥发分产生的污泥碳及床料的混合物与挥发分在上行床扩展段12自动分离，分离出来的污泥B及床料的混合物进入下行床2。污泥B产生的挥发分经气固分离装置3进行气固分离，分离收集到的固体产物回收到下行床2中。在下行床2中，污泥碳与煤A在供入的气化剂D(空气)、不凝气作用下进行气化；气化产生的固体一部分作为床料循环到上行床1中，一部分作为底灰排出下行床2。气化产生的一部分固体作为床料循环到上行床1后，仍产生的一小部分固体则从第一返料口13进入下行床2中继续循环；气化产生的另一部分固体作为底灰(灰渣C)，从灰渣出口26排出。上行床1产生的挥发分从第一气体出口11进入气固分离装置3进行气固分离，气体从第三气体出口33经第四气体进口41进入气水分离装置4内进行气水分离，分离的气体从第二气体进口24、第一气体进口16进入上行床1内循环。
第二气体出口21设有两个，分别位于装置的一组对侧边上，两个第二气体出口21设有管路，可进行补气或排气。
实施例2
参考实施例1，实施例2与实施例1的区别之处在于：共气化过程中污泥与煤的添加比为20：80。上行床1内污泥脱挥发分脱除温度设定为400℃。污泥进入上行床1时在1～2S内即达到炉内温度，升温速率约为300℃/s。污泥碳与煤共气化温度设定为1300℃。步骤(4)中气化所消耗的气化当量比设定在0.35。所供入的气化剂为空气。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (6)

1.一种煤与污泥混合气化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)污泥脱挥发分：经简单破碎处理的污泥从上行床底部进入上行床，在上行床内与从下行床内循环过来的高温床料混合，在高温床料加热下污泥完成挥发分析出；脱挥发分产生的污泥碳及床料的混合物与挥发分在上行床扩展段自动分离，分离出来的污泥碳及床料的混合物进入下行床；
(2)气固分离：污泥产生的挥发分经气固分离装置进行气固分离，分离收集到的固体产物回收到下行床中；
(3)挥发分气水分离：经气固分离的挥发分经气水分离装置进行气水分离，分离产生的不凝气进入下行床作为下行床中污泥碳与煤共气化的部分气化剂；
(4)污泥碳与煤共气化：在下行床中，污泥碳与煤在供入的气化剂、不凝气作用下进行气化；气化产生的固体一部分作为床料循环到上行床中，一部分作为底灰排出下行床。
2.根据权利要求1所述的煤与污泥混合气化的方法，其特征在于：所述下行床内污泥脱挥发分的脱除温度为250～400℃。
3.根据权利要求1所述的煤与污泥混合气化的方法，其特征在于：所述污泥碳与煤共气化温度为1100～1300℃。
4.根据权利要求1所述的煤与污泥混合气化的方法，其特征在于：所述气化剂为空气、水蒸气和氧气中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的煤与污泥混合气化的方法，其特征在于：步骤(4)中气化所消耗的气化当量比为0.25～0.35。
6.一种实现权利要求1所述的煤与污泥混合气化的方法的装置，其特征在于：包括有上行床、下行床、气固分离装置和气水分离装置，所述下行床位于所述上行床内；所述上行床上端设有第一气体出口，所述上行床上部设有上行床扩展段，所述上行床下部设有第一返料口，所述上行床通过所述第一返料口与所述下行床连通；所述上行床底部分别设置有第二返料口、第一固体物料进口、第一气体进口；所述下行床的上部设有第二气体出口，所述下行床中部设有第三返料口；所述下行床底部分别设有第四返料口、第二气体进口、第二固体物料进口和灰渣出口；所述第四返料口通过所述下行床与所述第一返料口连通；所述气固分离装置设有第三气体进口、固体出口和第三气体出口；所述气水分离装置设有第四气体进口和第四气体出口；所述第一气体出口与所述第三气体进口连通，所述固体出口与所述第一返料口连通，所述第三气体出口与所述第四气体进口连通；所述第四气体出口与所述第二气体进口、所述第一气体进口分别连通。
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