CN113072982A - 一种污泥低温热解耦合生物质催化气化的处置系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污泥低温热解耦合生物质催化气化的处置系统及方法，包括低温热解单元、催化气化单元和产物处理回收单元，污泥进入一级热解炉进行低温热解得到焦炭和蒸汽的混合产物后，送入二级热解炉进行二次热解，热解后的焦炭被输送至气化炉作为气化的催化剂以减少焦油的产生，提高合成气的产量。热解蒸汽进入气化炉充当一部分气化剂以减少空气的过量使用给合成气品质带来的负面影响。对生物质进行催化气化后，产生的焦炭被回收，气相产物经冷凝后进入旋风分离器除去飞灰。剩余的气体正在经过洗涤器洗涤，过滤器过滤后被气体收集装置收集。整个系统产生的二次污染小，在废物处置的过程，最大程度地保证多样产物的回收利用。

Description

一种污泥低温热解耦合生物质催化气化的处置系统及方法

技术领域

本发明属于能源化工，环境治理以及废物利用等技术领域，具体涉及一种污泥低温热解耦合生物质催化气化的处置系统及方法。

背景技术

污水污泥，尤其是城市污水污泥是废水处理的副产品，废水中通常存在大量的悬浮物，通过一系列的处理会大量沉积，离心分离后即产生处理后的污泥。城市污泥的绝大部分成分及来源均比较复杂，其中含有大量的氮，磷，钾等多种营养元素和有机质。也可能含有有毒有害物质(二噁英)，难降解的有机物，重金属，病菌等。由于产量之大，含有病原微生物和重金属，在安全处理城市污泥方面，面临着巨大挑战。此外，在农耕过程中，还会产生大量的农业生物质废弃物，以秸秆为主。生物质废物作为固体废物的一种，若处理处置不当，同样会污染水源、破坏土壤环境，导致严重的环境污染。

对污泥和生物质进行热化学处置不仅能够取得明显的减量化效果，而且还能获取附加产物回收利用。目前，在废物处置的热化学处置方法中，焚烧处理占有绝对优势，燃烧简单粗暴，减量化效果快速而明显，而且一些燃煤锅炉能直接用于污泥和生物质废弃物的焚烧而不需要再建造单独的系统。但是，由于污染(重金属，二噁英等)治理成本以及反应设备表面的灰分沉积问题，焚烧处理并不是一种长期可行的方法。

因此，亟需一种新型热化学处置系统及方法，在注重原料减量化的同时，减少二次污染的产生，并进行资源回收，实现环境保护和经济利益的双赢。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种污泥低温热解耦合生物质催化气化的处置系统及方法，该装置结构设计合理，操作方便，在注重原料减量化的同时，能够减少二次污染的产生，并进行资源回收，实现环境保护和经济利益的双赢。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种污泥低温热解耦合生物质催化气化的处置系统，包括污泥低温热解单元、生物质催化气化单元及产物处理回收单元；

所述污泥低温热解单元，包括一级热解炉、二级热解炉、气液分离器、固液分离器和固体收集装置；所述一级热解炉的出口通过阀门三连接至二级热解炉的入口，二级热解炉的出口通过阀门四与气液分离器相连，气液分离器的一个出口通过阀门五连接至固液分离器的入口，固液分离器的出口与固体收集装置相连；

所述生物质催化气化单元包括生物质料斗、螺旋进料器、空气压缩机、气化炉、焦炭收集装置和冷凝器；所述气化炉设有四个进料口和两个出料口，第一进料口与固体收集装置的固体出口相连，第二进料口通过阀门六与气液分离器的气体出口连接，第三进料口连接空气压缩机，第四进料口与生物质进料斗相连，气化炉的第一出料口通过阀门七与冷凝器相连，第二出料口与焦炭收集装置相连；

所述产物处理回收单元，包括旋风分离器、湿式洗涤器、过滤器和气体收集装置；所述旋风分离器的进口通过阀门八与冷凝器的出口相连接，旋风分离器的出口通过阀门九与湿式洗涤器的入口相连，湿式洗涤器的出口通过阀门十与过滤器的入口相连，过滤器的出口通过阀门十一连接至气体收集装置。

优选地，还包括设置在污泥低温热解单元前端的污泥预处理单元，所述污泥预处理单元包括污泥储料罐、脱水机、干燥机和破碎机；污泥储料罐的出口与脱水机入口之间通过阀门一相连，脱水机的出口与干燥机的入口通过阀门二相连，干燥机的出口与破碎机的入口相连，破碎机的出口与一级热解炉的进口端相连。

进一步优选地，在污泥储料罐与脱水机相连的管路上设有输送设备一，在脱水机与干燥机相连的管路上设有输送设备二，在干燥机与破碎机相连的管路上设有输送设备三，在破碎机的出口与一级热解炉的进口相连的管路上设有输送设备四，在固体收集装置的固体出口与气化炉的第一进料口相连的管路上设有输送设备五。

进一步优选地，所述脱水机采用卧螺离心机或带式压滤机；破碎机采用双级破碎机。

进一步优选地，气化炉的第四进料口通过螺旋进料器与生物质进料斗相连。

进一步优选地，旋风分离器采用湿式分离器，过滤器采用填充床过滤器。

本发明还公开了基于上述的污泥低温热解耦合生物质催化气化的处置系统的污泥处理方法，包括：

在污泥低温热解单元进行的低温热解采用低温两段式热解：污泥被送入一级热解炉进行初级热解，一级热解产物再次进入二级热解炉中进行二次热解以提炼粗煤气中的化合物，得到烃类；二次热解后的产物流入气液分离器进行气液分离，分离后的气体输送至催化气化单元，分离后得到的固液混合物流入固液分离器进行固液分离，分离后的焦炭由固体装置收集；

在低温两段式热解产生的焦炭和蒸汽作为原料参与在生物质催化气化单元进行的催化气化反应，固体收集装置中的焦炭被输送至气化炉作为气化反应的催化剂，由气液分离器分离的热解蒸汽进入气化炉，空气由气化炉的第三进料口输入，热解蒸汽与空气共同作为气化反应的气化剂，气化反应的原料由气化炉的第四进料口供应，气化产生的合成气进入冷凝器，气化产生的焦炭通过焦炭收集装置被资源化回收。

优选地，还包括对气化产生的合成气进行清洁处理的操作，包括：

气化产生的合成气在冷凝器中冷凝后，进入旋风分离器除去飞灰，剩余气相产物经湿式洗涤器洗涤、过滤器过滤后，作为清洁合成气被气体收集装置收集。

优选地，一次热解和二次热解均在450～500℃、1～3Mpa的条件下进行。

优选地，在低温热解之前还包括对污泥进行预处理的操作，包括：对污泥进行脱水和干燥处理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的污泥低温热解耦合生物质催化气化的处置系统及方法，包括污泥低温热解单元、生物质催化气化单元及产物处理回收单元，通过将低温热解以及气化技术相结合，对污泥和生物质废弃物进行减量化处置并同时得到资源化利用，二次污染小，而且能或者高能量密度的附加产物。污泥进入一级热解炉进行低温热解得到焦炭和蒸汽的混合产物后，送入二级热解炉，在同样的温度压力下进行二次热解，热解后的焦炭被输送至气化炉作为气化的催化剂以减少焦油的产生，提高合成气的产量，两级热解炉的设置使一级热解炉产生的热解炭和蒸汽在二级热解炉中再次反应，用于提炼粗煤气中的化合物，得到烃类。热解蒸汽进入气化炉充当一部分气化剂以减少空气的过量使用给合成气品质带来的负面影响，热解产生的生物炭可用作气化段的催化剂，同时热解蒸汽用于气化能减轻空气作为气化剂过量时，氮气对合成气品质的影响，还通过重整反应提高了合成气中H₂浓度。对生物质进行催化气化后，产生的焦炭被回收，气相产物经冷凝后进入旋风分离器除去飞灰。剩余的气体正在经过洗涤器洗涤，过滤器过滤后被气体收集装置收集。整个系统产生的二次污染小，在废物处置的过程，最大程度地保证多样产物的回收利用，降低系统能耗和运行成本，保证系统的经济性和稳定性，为废物处置以及资源化利用提供了可靠支撑。

进一步地，存放有生物质的生物质料斗配有螺旋进料器，保证进料的均匀性，螺旋输送机在输送物料中运行平稳，上料均匀。具有封闭性，与气化炉进料口连接后，冷空气不易进入，与气化炉连接处是金属制成，不怕火烤。

进一步地，采用低温热解工艺，工作温度为450-500℃，在这个温度下，热解炉可以采用常规的耐用材料而不需要特别的防腐处理。

附图说明

图1为本发明的城市污泥低温热解耦合生物质催化气化的处置系统的结构示意图；

其中：1为污泥储料罐；2为输送设备一；3为阀门一；4为脱水机；5为输送设备二；6为阀门二；7为干燥机；8为输送设备三；9为破碎机；10为输送设备四；11为一级热解炉；12阀门三；13为二级热解炉；14为阀门四；15为气液分离器；16为阀门五；17为固液分离器；18固体收集装置；19为输送设备五；20为阀门六；21为生物质料斗；22为螺旋进料器；23为空气压缩机；24为气化炉；25为焦炭收集装置；26为阀门七；27为冷凝器；28为阀门八；29为旋风分离器；30为阀门九；31为湿式洗涤器；32为阀门十；33为过滤器；34为阀门十一；35为气体收集装置。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明公开的一种低温热解耦合生物质催化气化的污泥热化学处置系统，包括污泥低温热解单元、生物质催化气化单元、产物回收单元。

所述污泥低温热解单元包括一级热解炉11、二级热解炉13、气液分离器15、固液分离器17、固体收集装置18、输送设备四10、阀门三12、阀门四14、阀门五16。污泥预处理单元通过输送设备四10与污泥低温热解单元的一级热解炉11相连，一级热解炉11的出口通过阀门三12连接至二级热解炉13的入口，二级热解炉13的出口通过阀门四14与气液分离器15相连，气液分离器15的一个出口通过阀门五16连接至固液分离器17的入口，固液分离器17的出口与固体收集装置18相连。

所述生物质催化气化单元包括生物质料斗21、螺旋进料器22、空气压缩机23、气化炉24、焦炭收集装置25、冷凝器27、输送设备五19、阀门六20、阀门七26。生物质催化气化单元的气化炉24分别通过输送设备五19、阀门六20与污泥低温热解单元相连接，气化炉24的另外两个进料口分别连接至空气压缩机23，以及通过螺旋进料器22与生物质进料斗21相连，气化炉24的一个出料口与焦炭收集装置25相连，另一出料口通过阀门七26与冷凝器27相连接。

所述产物处理回收单元包括旋风分离器29、湿式洗涤器31、过滤器33、气体收集装置35、阀门八28、阀门九30、阀门十32、阀门十一34。产物处理单元的旋风分离器29通过阀门八28与催化气化单元的冷凝器27相连接，旋风分离器29的出口通过阀门九30与湿式洗涤器31的入口相连，湿式洗涤器31的出口通过阀门十32与过滤器33的入口相连，过滤器33的出口通过阀门十一34连接至气体收集装置35。

在所述污泥低温热解单元前端还设置污泥预处理单元，包括污泥储料罐1、脱水机4、干燥机7、破碎机9、输送设备一2、输送设备二5、输送设备三8、阀门一3、阀门二6。污泥储料罐1的出口与脱水机4的入口之间通过输送设备一2、阀门一3和管路相连，脱水机4的出口与干燥机7的入口通过输送设备二5、阀门二6和管路相连，干燥机7的出口与破碎机之间的入口通过输送设备三8相连接。

优选地，热解部分为低温两段式热解。破碎机9与一级热解炉11通过输送设备四10相连，破碎后的污泥经输送设备四10送入一级热解炉11进行初级热解，一级热解炉11通过阀门三12和管路与二级热解炉13连接，一级热解产物再次进入二级热解炉13中进行二次热解以提炼粗煤气中的化合物，得到烃类。

优选地，低温两段式热解产生的焦炭和蒸汽作为原料参与催化气化反应。二级热解炉13进行二次热解后的产物经过通过阀门四14与管路流入气液分离器15进行气液分离，分离后的气体通过阀门六20以及管路连接至催化气化单元，分离后得到的固液混合物通过阀门五16以及管路流入固液分离器17进行固液分离，分离后的焦炭由固体收集装置18收集。

优选地，催化气化所用的生物质采用螺旋进料，生物质料斗21配有螺旋进料器22以保证进料的均匀性。

优选地，气化炉24设有4个进料口和2个出料口。固体收集装置18中的焦炭由输送设备五19通过第一进料口进入气化炉24以充当气化反应的催化剂，气液分离器15出来的热解蒸汽通过阀门六20由第二进料口进入气化炉24，空气压缩机23与气化炉24的第三进料口相连，热解蒸汽与空气共同作为气化反应的气化剂，生物质料斗21与气化炉24的第四进料口相连，以供应气化反应的原料。气化产生的合成气从第一出料口通过阀门七26进入冷凝器27，第二出料口连接至焦炭收集装置25以资源化回收气化产生的焦炭。

优选地，多种清洁设备串联工作以保证合成气的清洁效率。冷凝器27通过阀门八28以及管路与旋风分离器29相连，冷凝后的产物进入旋风分离器29将飞灰分离出来，旋风分离器29通过阀门九30和管路连接至湿式洗涤器31，湿式洗涤器31通过阀门十32和管路与过滤器33相连，过滤器33通过阀门十一34和管路连接至气体收集装置35，除去飞灰后的气相产物进入湿式洗涤器31进行洗涤后，流入过滤器33进行过滤，经过清洁后的合成气被气体收集装置35收集后储存备用。

优选地，脱水机4可选择卧螺离心机或带式压滤机。

优选地，所述的输送设备可选择普通潜污泵、螺杆泵等化学能源处理领域常规使用的设备。

优选地，破碎机9可选择双级破碎机。

优选地，旋风分离器29可以为湿式分离器，过滤器可为填充床过滤器。

基于上述系统的低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置方法，包括以下步骤：

1)污泥储料罐1中的污泥经输送设备一2输送至脱水机4中进行机械脱水，脱水污泥经输送设备二5送至干燥机7中进行干燥；

2)经步骤1)干燥后的污泥通过输送设备三8进入破碎机9，破碎后的污泥由输送设备四10送入一级热解炉11中进行初级热解，热解后得到的焦炭和蒸汽混合物流入同样温度压力的二级热解炉13中进行二次热解；

3)经步骤2)低温热解后产物通过气液分离器15以及固液分离器17得到焦炭和热解蒸汽，焦炭由固体收集装置18收集，热解蒸汽则由管路流入气化炉24；

4)经步骤3)得到的焦炭由输送设备五19进入气化炉24，同时空气压缩机23将空气送入气化炉24与蒸汽一起组成气化剂，配有螺旋进料器22的生物质料斗21连续输送生物质至气化炉24作为气化原料；

5)经步骤4)气化后的固体产物由焦炭收集装置25收集，气相经过冷凝器27冷凝后，进入旋风分离器29除去飞灰，剩余气相产物经湿式洗涤器31洗涤，过滤器33过滤后，作为清洁合成气被气体收集装置35收集。

综上所述，本发明的污泥低温热解耦合生物质催化气化的处置系统具有以下优势效果：

1)本发明公开的处置系统包括污泥预处理单元、污泥低温热解单元、生物质催化气化单元、产物处理回收单元；将污泥低温热解技术与生物质催化气化技术相结合，在对废物处置的同时，二次污染小，且能获得高能量密度的附加产物。

2)本发明采用低温热解工艺，工作温度为450～500℃，在这个温度下，热解炉可以采用常规的耐用材料而不需要特别的防腐处理。

3)本发明的处置系统设有二个热解炉，一级热解炉产生的热解炭和蒸汽在二级热解炉中再次反应，用于提炼粗煤气中的化合物，得到烃类。

4)本发明热解产生的生物炭可用作气化段的催化剂，同时热解蒸汽用于气化能减轻空气作为气化剂过量时，氮气对合成气品质的影响，还通过重整反应提高了合成气中H₂浓度。

5)本发明运行过程中所用到的生物质采用螺旋进料，螺旋输送机在输送物料中运行平稳，上料均匀。具有封闭性，与气化炉进料口连接后，冷空气不易进入，与气化炉连接处是金属制成，不怕火烤。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种污泥低温热解耦合生物质催化气化的处置系统，其特征在于，包括污泥低温热解单元、生物质催化气化单元及产物处理回收单元；

所述污泥低温热解单元，包括一级热解炉(11)、二级热解炉(13)、气液分离器(15)、固液分离器(17)和固体收集装置(18)；所述一级热解炉(11)的出口通过阀门三(12)连接至二级热解炉(13)的入口，二级热解炉(13)的出口通过阀门四(14)与气液分离器(15)相连，气液分离器(15)的一个出口通过阀门五(16)连接至固液分离器(17)的入口，固液分离器(17)的出口与固体收集装置(18)相连；

所述生物质催化气化单元包括生物质料斗(21)、螺旋进料器(22)、空气压缩机(23)、气化炉(24)、焦炭收集装置(25)和冷凝器(27)；所述气化炉(24)设有四个进料口和两个出料口，第一进料口与固体收集装置(18)的固体出口相连，第二进料口通过阀门六(20)与气液分离器(15)的气体出口连接，第三进料口连接空气压缩机(23)，第四进料口与生物质进料斗(21)相连，气化炉(24)的第一出料口通过阀门七(26)与冷凝器(27)相连，第二出料口与焦炭收集装置(25)相连；

所述产物处理回收单元，包括旋风分离器(29)、湿式洗涤器(31)、过滤器(33)和气体收集装置(35)；所述旋风分离器(29)的进口通过阀门八(28)与冷凝器(27)的出口相连接，旋风分离器(29)的出口通过阀门九(30)与湿式洗涤器(31)的入口相连，湿式洗涤器(31)的出口通过阀门十(32)与过滤器(33)的入口相连，过滤器(33)的出口通过阀门十一(34)连接至气体收集装置(35)。

2.根据权利要求1所述的污泥低温热解耦合生物质催化气化的处置系统，其特征在于，还包括设置在污泥低温热解单元前端的污泥预处理单元，所述污泥预处理单元包括污泥储料罐(1)、脱水机(4)、干燥机(7)和破碎机(9)；污泥储料罐(1)的出口与脱水机(4)入口之间通过阀门一(3)相连，脱水机(4)的出口与干燥机(7)的入口通过阀门二(6)相连，干燥机(7)的出口与破碎机(9)的入口相连，破碎机(9)的出口与一级热解炉(11)的进口端相连。

3.根据权利要求2所述的污泥低温热解耦合生物质催化气化的处置系统，其特征在于，在污泥储料罐(1)与脱水机(4)相连的管路上设有输送设备一(2)，在脱水机(4)与干燥机(7)相连的管路上设有输送设备二(5)，在干燥机(7)与破碎机(9)相连的管路上设有输送设备三(8)，在破碎机(9)的出口与一级热解炉(11)的进口相连的管路上设有输送设备四(10)，在固体收集装置(18)的固体出口与气化炉(24)的第一进料口相连的管路上设有输送设备五(19)。

4.根据权利要求3所述的污泥低温热解耦合生物质催化气化的处置系统，其特征在于，所述脱水机(4)采用卧螺离心机或带式压滤机；破碎机(9)采用双级破碎机。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的污泥低温热解耦合生物质催化气化的处置系统，其特征在于，气化炉(24)的第四进料口通过螺旋进料器(22)与生物质进料斗(21)相连。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的污泥低温热解耦合生物质催化气化的处置系统，其特征在于，旋风分离器(29)采用湿式分离器，过滤器(33)采用填充床过滤器。

7.基于权利要求1～6中任意一项所述的污泥低温热解耦合生物质催化气化的处置系统的污泥处理方法，其特征在于，包括：

在污泥低温热解单元进行的低温热解采用低温两段式热解：污泥被送入一级热解炉(11)进行初级热解，一级热解产物再次进入二级热解炉(13)中进行二次热解以提炼粗煤气中的化合物，得到烃类；二次热解后的产物流入气液分离器(15)进行气液分离，分离后的气体输送至催化气化单元，分离后得到的固液混合物流入固液分离器(17)进行固液分离，分离后的焦炭由固体装置(18)收集；

在低温两段式热解产生的焦炭和蒸汽作为原料参与在生物质催化气化单元进行的催化气化反应，固体收集装置(18)中的焦炭被输送至气化炉(24)作为气化反应的催化剂，由气液分离器(15)分离的热解蒸汽进入气化炉(24)，空气由气化炉(24)的第三进料口输入，热解蒸汽与空气共同作为气化反应的气化剂，气化反应的原料由气化炉(24)的第四进料口供应，气化产生的合成气进入冷凝器(27)，气化产生的焦炭通过焦炭收集装置(23)被资源化回收。

8.根据权利要求7所述的污泥处理方法，其特征在于，还包括对气化产生的合成气进行清洁处理的操作，包括：

气化产生的合成气在冷凝器(27)中冷凝后，进入旋风分离器(29)除去飞灰，剩余气相产物经湿式洗涤器(31)洗涤、过滤器(33)过滤后，作为清洁合成气被气体收集装置(35)收集。

9.根据权利要求7所述的污泥处理方法，其特征在于，一次热解和二次热解均在450～500℃、1～3Mpa的条件下进行。

10.根据权利要求7所述的污泥处理方法，其特征在于，在低温热解之前还包括对污泥进行预处理的操作，包括：对污泥进行脱水和干燥处理。

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