CN115477527B - 一种生物炭陶粒颗粒填料生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物炭陶粒颗粒填料生产方法，包括加热搅拌、机械脱水、压力成型造粒、颗粒预热、有氧热解、燃烧、湿养护等步骤。本发明利用低温有氧热解过程放热的技术特点，解决了传统无氧或缺氧热解技术热传导瓶颈问题；有效控制可燃气体产生量低于爆炸极限浓度提高系统的安全性；减少液体产物并利用瞬时燃烧技术去除液相产物，保障了产品质量。本发明形成空间多孔生物炭陶粒结构，不仅提高孔隙率和比表面积，还实现内部孔和外部孔的空间连通，大幅提升产品的环境除污能力。本发明利用压力成型技术形成湿基颗粒初始机械强度；废塑料残渣在低温热解中熔融作用形成干基颗粒的机械强度；利用工业废弃物火山灰活性及湿养护技术形成永久机械强度。

Description

一种生物炭陶粒颗粒填料生产方法
技术领域
本发明涉及环境工程污泥低温有氧热解技术领域，尤其涉及一种生物炭陶粒颗粒填料生产方法。
背景技术
污泥作为污水处理的副产物，其含水率高(脱水污泥含水率在80％左右)且成分复杂，除了生物固体占主导，还吸附或聚集多种有害物质如重金属、有机难降解物质等并伴有恶臭异味，处理不当就会造成二次污染。据统计，2019年我国污泥产量已超过6000万吨(以含水率80％计)，预计2025年我国污泥年产量将突破9000万吨。长期以来污水处理行业存在“重水轻泥”问题，污泥处理处置技术仍有很大发展空间。
目前我国主要的污泥处置处理技术包括卫生填埋、干化焚烧、好氧堆肥、厌氧消化、热解技术等。其中污泥热解技术由于其良好的环境效益和经济效益具有广泛的应用前景。污泥热解技术的原理是在无氧或缺氧条件下加热污泥至一定温度，使污泥中的有机物热分解转化成为热解气、生物油、和生物炭产物。因为热解是一个吸热反应，需要外部供热维持反应温度，因此其成为热解技术规模化商业应用的主要挑战之一；此外，液相产物的复杂性和难收集的特点也是限制热解技术资源化利用并对系统产生较多负面影响(比如结焦)的主要原因。因此，传统热解技术亟待解决规模扩大后传热瓶颈和液相有害产物问题。
目前，关于利用干燥污泥直接烧制陶粒的研究较多，由于原污泥组分复杂，将污泥干燥后在高温氧化气氛中直接焙烧制备陶粒，相当于污泥直接焚烧，其所带来的环境影响极易造成潜在二次污染，在实际应用中有较大的局限性。为解决这一问题，有研究对污泥热解碳化及污泥资源化利用进行了研究。
如申请号为ZL201610311361.7的中国发明专利公开了一种污泥热解生物炭制备陶粒的方法与装置，所述方法是将污泥热解生物炭经粉磨、调湿、造粒、低温干燥、中温预烧、高温烧结，最后冷却获得陶粒成品，该方法能够使得污泥热解生物炭中重金属进一步固化与钝化，但该制备方法传热效率低、能耗较高，且工艺操作复杂。
如申请号为ZL202110549751.9的中国发明专利公开了一种污泥基生物炭制备陶粒的方法，选用城镇污水处理厂80％的污泥经过热解炭化技术产生的污泥基生物炭和黄土作为原料，经过研磨成粉，筛分后烘干，再按比例经过圆盘造粒机造粒，最后烧制获得污泥基生物炭陶粒。但通过该方法制备的陶粒颗粒空隙有限且多处于封闭状态，孔与孔之间相互独立与外表面不连通，影响其内部有效成分持续发挥效用。
因此，如何进一步提高热解过程中的传热效率，减少有害物质的溶出，以及扩大生物炭陶粒颗粒填料的比表面积和孔隙率，同时形成内外连通的多孔空间结构，充分利用颗粒内部结构和活性成分是亟需解决的问题。
发明内容
现有技术中亟待解决的问题如下：(1)无氧或缺氧热解技术传热瓶颈和液相有害产物问题；(2)现有高温熔融技术生产的生物炭陶粒内部空隙有限，内部孔道与外部环境连通性差，内部孔隙之间连通少，影响其内部有效成分持续发挥效用。
为了解决上述问题，本发明提供一种生物炭陶粒颗粒填料生产方法，该方法利用高含水率生物质废物(如污水厂脱水污泥、湖泊水库打捞并进行藻水分离得到的藻泥等)和工业废弃物(废塑料残渣、粉煤灰、磷石膏、石灰等)生产新型生物炭陶粒。
本发明的技术方案如下：
一种生物炭陶粒颗粒填料生产方法，包括：
步骤1)：将高含水率生物质废物的脱水泥饼进行加热搅拌预处理；
步骤2)：将预处理后的物料进行机械脱水后作为主料；将来自工业废弃物的粉煤灰、磷石膏和石灰作为辅料，主料和辅料充分混合搅拌均匀；
步骤3)：采用压力成型技术将上述混合料加工成颗粒；
步骤4)：上述湿基柱状颗粒送至水平回转有氧热解炉入口，湿基柱状颗粒分别经过余热尾气预热干化段升温、低温有氧热解段回转、瞬时燃烧段短时处理，得到干基颗粒；
步骤5)：干基颗粒在湿养护槽中通过水雾增湿以及电加热控温养护，得到所述生物炭陶粒颗粒。
进一步地，所述步骤4)：余热尾气预热干化段的升温温度为100-200℃，湿基柱状颗粒的含水率降低至20-30％；低温有氧热解段的温度为250-350℃，颗粒缓慢回转停留时间在30-50分钟；瞬时燃烧处理的温度为250-350℃。
进一步地，所述主料的含水率为40-60％，主料的总质量占比在40％-60％；辅料中的粉煤灰、磷石膏和石灰按质量比约为8:1:(1-1.5)配比，辅料的总质量占比约40-60％；主辅料分别利用螺旋输送加入间歇运行的卧式搅拌罐再充分搅拌均匀。
进一步地，混合料通过压力成型加工成5-10mm直径、5-10mm长度的湿基柱状颗粒，湿基柱状颗粒的含水率30-40％。
进一步地，所述步骤5)：电加热控温在45-55℃，养护时间4-6天。
进一步地，所述高含水率生物质废物为污水厂的脱水污泥或湖泊水库打捞并进行藻水分离得到的藻泥，脱水泥饼的含水率在70-90％；加热搅拌预处理：温度为50-70℃；投加的石灰的总质量占比在5％-10％。
进一步地，所述步骤4)：该步骤产生尾气余热循环利用，并根据尾气中的氧浓度定期排放尾气并补充空气，从而恢复并确保循环气体氧浓度；
排出的尾气先利用风冷换热器降温并同时预热补进的空气，尾气经降温后利用腐殖土固定床去除其中挥发性污染组分，达标后高空排放。
进一步地，根据尾气中氧浓度定期排放40％-60％尾气并补充40％-60％空气，确保尾气中的氧浓度不低于5％-20％。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明利用低温有氧热解过程放热的技术特点，解决了传统无氧或缺氧热解技术热传导瓶颈问题；有效控制可燃气体产生量低于爆炸极限浓度提高系统的安全性；减少液体产物并利用瞬时燃烧技术去除液相产物，保障了产品质量。
(2)本发明利用压力成型技术形成湿基颗粒初始机械强度；废塑料残渣在低温热解过程中熔融作用形成干基颗粒的机械强度；最后利用工业废弃物火山灰活性及湿养护技术形成最终产品的永久机械强度。
(3)本发明制备形成空间多孔生物炭陶粒结构，不仅提高孔隙率和比表面积，而且实现内部孔和外部孔的空间连通，大幅提升产品的环境除污能力。
(4)本发明工艺简单实用，成本低，利用高含水率生物质废物(如污水厂脱水污泥、湖泊水库打捞并进行藻水分离得到的藻泥等)和工业废弃物(废塑料残渣、粉煤灰、磷石膏、石灰等)生产新型生物炭陶粒，建厂条件简单灵活，设备投资少，污泥运输成本低，不易造成二次污染，对环境影响小，具有很好的经济效益与环境效益。
(5)本发明与污泥干燥直接烧制陶粒的方法相比，不仅实现了干含水率生物质废物的减量化、稳定化和无害化，而且也减少了在处理处置过程中对生态环境的二次污染。相比于申请号为ZL201610311361.7的中国发明专利公开的一种污泥热解生物炭制备陶粒的方法与装置，本发明能源消耗低，操作简易，对环境友好。
附图说明
图1为本发明的生物炭陶粒颗粒填料生产方法的工艺流程图；
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步的说明。
本发明的生物炭陶粒颗粒填料生产方法包括如下：
步骤1)：在高含水率生物质废物的脱水泥饼中，投加少量石灰进行加热搅拌预处理，实现结合水释放；
优选地，所述步骤1)中，高含水率生物质废物为污水厂脱水污泥、湖泊水库打捞并进行藻水分离得到的藻泥等，脱水泥饼的含水率在70-90％，加热搅拌的温度为50-70℃；石灰的总质量占比在5％-10％。
步骤2)：利用机械脱水技术(如板框压滤或叠螺机)进一步降低物料含水率作为主料；将来自工业废弃物的粉煤灰、磷石膏和石灰按一定质量比配比准备作为辅料，破碎废塑料残渣，按照主辅混合料一定质量比例投加，主辅料分别利用螺旋输送加入间歇运行的卧式搅拌罐充分拌和均匀；
优选地，所述步骤2)中，主料含水率为40-60％，主料的总质量占比在40％-60％；辅料均来自工业废弃物，其中粉煤灰、磷石膏和石灰为较低含水率的干粉末物料，按质量比约为8:1:(1-1.5)配比准备，总质量占比约40-60％；废塑料残渣破碎至2mm以下，按照主辅混合料的质量的5-7％比例投加，主辅料分别利用螺旋输送加入间歇运行的卧式搅拌罐充分拌和均匀。
步骤3)采用各种压力成型技术将混合料加工成颗粒，以便后期在热解焚烧过程中受热均匀，固化以后不易分散；
优选地，所述步骤3)中将搅拌均匀的混合料均匀投入双螺杆挤出机入口，挤出机模头采用5mm孔板并配自动刮刀，混合物料通过压力成型加工成5-10mm直径、5-10mm长度的湿基柱状颗粒到(含水率30-40％)，颗粒规格为5-10mm。
步骤4)湿基柱状颗粒通过皮带输送机送至水平回转有氧热解炉入口，湿基柱状颗粒经过余热尾气预热干化段升温并降低含水率；再进入低温有氧热解段，接着颗粒缓慢回转，其间有氧热解会放出热量，同时配置电加热和温度控制，精确控制有氧热解温度，从而减少可燃气体产生量使之低于其爆炸极限浓度，同时降低液相产物产生量；颗粒最后进入瞬时燃烧段，利用天然气或其他可燃气体作燃料，环状多孔燃烧器技术，对颗粒进行短时燃烧处理，用于烧失液相产物；最后干基颗粒产品从热解炉出口排出，经过风冷段自然冷却后进入湿养护槽。风冷却段吸入空气冷却干基颗粒，形成的余热尾气回流至入口预热干化段，形成余热的循环利用。
该步骤分为三步对湿基柱状颗粒进行热处理的优点在于，首先通过燃烧中的余热尾气对湿基柱状颗粒进行预热处理，起到升温并降低含水率的作用，此外燃烧所剩余的余热尾气也被很好的利用起来；其次预热后的颗粒进行有氧热解，对有氧热解温度精确控制，从而减少可燃气体产生量使之低于其爆炸极限浓度，同时降低液相产物产生量；最后颗粒进入瞬时燃烧处理阶段，用于烧失液相产物。三个阶段的热处理能够进一步固化生物炭中的有害物质并增强颗粒的机械强度。
优选地，所述步骤4)中湿基柱状颗粒经过余热尾气预热干化段升温温度达到100-200℃，含水率降低至20-30％；低温有氧热解段温度为250-350℃，颗粒缓慢回转停留时间在30-50分钟。瞬时燃烧处理的温度为250-350℃。
步骤5)干基颗粒在湿养护槽中通过水雾增湿以及电加热控温养护一段时间，即可得到环保材料生物炭陶粒产品。
优选地，所述步骤5)中电加热控温在45-55℃，养护时间4-6天；
步骤6)尾气余热循环利用中因为氧气消耗，需要根据尾气中氧浓度定期排放循环气体(尾气)并补充空气，从而恢复并确保循环气体氧浓度，保障有氧热解对氧气的需求。排出的循环气体先利用风冷换热器降温并预热补进的空气，再利用腐殖土固定床去除其中挥发性污染组分，达标后高空排放。
优选地，所述步骤6)中根据尾气中氧浓度定期排放40％-60％循环气体(尾气)并补充40％-60％空气，从而恢复并确保循环气体氧浓度不低于5％-20％。
实施例1
(1)将少量石灰投加至含水率为80％的生物质废物的脱水泥饼中，在60℃温度下进行加热搅拌预处理；
(2)将预处理的物料放入板框压滤中，进一步降低物料含水率到50％作为主料，占比在50％，将粉煤灰、磷石膏和石灰按质量比约为8:1:1配比准备，废塑料残渣破碎至2mm以下，按照主辅混合料质量6％比例分别利用螺旋输送加入间歇运行的卧式搅拌罐充分拌和均匀。
(3)将混合均匀的物料均匀投入双螺杆挤出机入口，挤出机模头采用5mm孔板并配自动刮刀，混合物料通过压力成型加工成5mm直径、5-10mm长度的湿基柱状颗粒到(含水率30-40％)。
(4)将湿基柱状颗粒通过皮带输送机送至水平回转有氧热解炉入口，湿基柱状颗粒经过余热尾气预热干化段升温至150℃，并降低含水率至25％；再进入低温有氧热解段，温度逐步升到300℃，颗粒缓慢回转停留时间在40分钟；颗粒最后进入瞬时燃烧段，在250-350℃下，利用天然气或其他可燃气体作燃料，环状多孔燃烧器技术，在250-350℃下，对颗粒进行短时燃烧处理，用于烧失液相产物；最后干基颗粒产品从热解炉出口排出，经过风冷段自然冷却后进入湿养护槽；
(5)将干基颗粒在湿养护槽中通过水雾增湿以及电加热控温在50℃，养护时间5天，得到良好机械强度的环保材料生物炭陶粒产品。
(6)尾气余热循环利用中因为氧气消耗，需要根据尾气中氧浓度定期排放50％循环气体(尾气)并补充50％空气，从而恢复并确保循环气体氧浓度不低于10％，保障有氧热解对氧气的需求。排出的循环气先利用风冷换热器降温并预热补进的空气，再利用腐殖土固定床去除其中挥发性污染组分，达标后高空排放。
最终获得具有一定机械强度的生物炭陶粒颗粒填料。生物炭陶粒表观密度：1.097g/cm3，吸附容量：12.26mg/g，抗压强度：16.76N，BET测比表面积：13.9053m2/g，总孔孔容：0.028698cm3/g，介孔孔容：0.027715cm3/g，平均孔径：8.2552nm(主要为介孔)，孔平均孔径：18.2545nm。
实施例2
(1)将少量石灰投加至含水率为80％的生物质废物的脱水泥饼中，在60℃温度下进行加热搅拌预处理；
(2)将预处理的物料放入板框压滤中，进一步降低物料含水率到50％作为主料，占比在50％，将粉煤灰、磷石膏和石灰按质量比约为8:1:1配比准备，废塑料残渣破碎至2mm以下，按照主辅混合料质量6％比例分别利用螺旋输送加入间歇运行的卧式搅拌罐充分拌和均匀。
(3)将混合均匀的物料均匀投入双螺杆挤出机入口，挤出机模头采用5mm孔板并配自动刮刀，混合物料通过压力成型加工成5mm直径、5-10mm长度的湿基柱状颗粒到(含水率30-40％)。
(4)将湿基柱状颗粒通过皮带输送机送至水平回转有氧热解炉入口，湿基柱状颗粒经过余热尾气预热干化段升温至150℃，并降低含水率至25％；再进入低温有氧热解段，温度逐步升到250℃，颗粒缓慢回转停留时间在35分钟；颗粒最后进入瞬时燃烧段，在250-350℃下，利用天然气或其他可燃气体作燃料，环状多孔燃烧器技术，对颗粒进行短时燃烧处理，用于烧失液相产物；最后干基颗粒产品从热解炉出口排出，经过风冷段自然冷却后进入湿养护槽；
(5)将干基颗粒在湿养护槽中通过水雾增湿以及电加热控温在50℃，养护时间5天，得到良好机械强度的环保材料生物炭陶粒产品。
(6)尾气余热循环利用中因为氧气消耗，需要根据尾气中氧浓度定期排放50％循环气体(尾气)并补充50％空气，从而恢复并确保循环气体氧浓度不低于10％，保障有氧热解对氧气的需求。排出的循环气先利用风冷换热器降温并预热补进的空气，再利用腐殖土固定床去除其中挥发性污染组分，达标后高空排放。
最终获得具有一定机械强度的生物炭陶粒颗粒填料。生物炭陶粒表观密度：0.885g/cm3，吸附容量：10.21mg/g，抗压强度：14.63N，BET测比表面积：10.9021m2/g，总孔孔容：0.027538cm3/g，介孔孔容：0.026725cm3/g，平均孔径：7.3225nm(主要为介孔)，孔平均孔径：16.1153nm。
实施例3
(1)将少量石灰投加至含水率为80％的生物质废物的脱水泥饼中，在60℃温度下进行加热搅拌预处理；
(2)将预处理的物料放入板框压滤中，进一步降低物料含水率到50％作为主料，占比在50％，将粉煤灰、磷石膏和石灰按质量比约为8:1:1配比准备，废塑料残渣破碎至2mm以下，按照主辅混合料质量6％比例分别利用螺旋输送加入间歇运行的卧式搅拌罐充分拌和均匀。
(3)将混合均匀的物料均匀投入双螺杆挤出机入口，挤出机模头采用5mm孔板并配自动刮刀，混合物料通过压力成型加工成5mm直径、5-10mm长度的湿基柱状颗粒到(含水率30-40％)。
(4)将湿基柱状颗粒通过皮带输送机送至水平回转有氧热解炉入口，湿基柱状颗粒经过余热尾气预热干化段升温至150℃，并降低含水率至25％；再进入低温有氧热解段，温度逐步升到350℃，颗粒缓慢回转停留时间在50分钟；颗粒最后进入瞬时燃烧段，在250-350℃下，利用天然气或其他可燃气体作燃料，环状多孔燃烧器技术，对颗粒进行短时燃烧处理，用于烧失液相产物；最后干基颗粒产品从热解炉出口排出，经过风冷段自然冷却后进入湿养护槽；
(5)将干基颗粒在湿养护槽中通过水雾增湿以及电加热控温在50℃，养护时间5天，得到良好机械强度的环保材料生物炭陶粒产品。
(6)尾气余热循环利用中因为氧气消耗，需要根据尾气中氧浓度定期排放50％循环气体(尾气)并补充50％空气，从而恢复并确保循环气体氧浓度不低于10％，保障有氧热解对氧气的需求。排出的循环气先利用风冷换热器降温并预热补进的空气，再利用腐殖土固定床去除其中挥发性污染组分，达标后高空排放。
最终获得具有一定机械强度的生物炭陶粒颗粒填料。生物炭陶粒表观密度：0.783g/cm3，吸附容量：11.41mg/g，抗压强度：13.98N，BET测比表面积：11.2145m2/g，总孔孔容：0.025621cm3/g，介孔孔容：0.025863cm3/g，平均孔径：6.9668nm(主要为介孔)，孔平均孔径：15.9128nm。
以上所述仅为本发明的优选例实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种生物炭陶粒颗粒填料生产方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1)：将高含水率生物质废物的脱水泥饼进行加热搅拌预处理；
步骤2)：将预处理后的物料进行机械脱水后作为主料；将来自工业废弃物的粉煤灰、磷石膏和石灰作为辅料，主料和辅料充分混合搅拌均匀；
步骤3)：采用压力成型技术将所述主料和辅料混合后的混合料加工成颗粒；
步骤4)：所述加工成颗粒的湿基柱状颗粒送至水平回转有氧热解炉入口，湿基柱状颗粒分别经过余热尾气预热干化段升温、低温有氧热解段回转、瞬时燃烧段短时处理，得到干基颗粒；所述余热尾气预热干化段的升温温度为100-200℃，湿基柱状颗粒的含水率降低至20-30％；所述低温有氧热解段的温度为250-350℃，颗粒缓慢回转停留时间在30-50分钟；所述瞬时燃烧处理250-350℃；
步骤5)：干基颗粒在湿养护槽中通过水雾增湿以及电加热控温养护，得到所述生物炭陶粒颗粒。
2.如权利要求1所述的一种生物炭陶粒颗粒填料生产方法，其特征在于，所述步骤2)：所述主料的含水率为40-60％，主料的总质量占比在40％-60％；辅料中的粉煤灰、磷石膏和石灰按质量比为8:1:(1-1.5)配比，辅料的总质量占比为40-60％；主辅料分别利用螺旋输送加入间歇运行的卧式搅拌罐再充分搅拌均匀。
3.如权利要求1所述的一种生物炭陶粒颗粒填料生产方法，其特征在于，所述步骤3)：混合料通过压力成型加工成5-10mm直径、5-10mm长度的湿基柱状颗粒，湿基柱状颗粒的含水率30-40％。
4.如权利要求1所述的一种生物炭陶粒颗粒填料生产方法，其特征在于，所述步骤5)：电加热控温在45-55℃，养护时间4-6天。
5.如权利要求1所述的一种生物炭陶粒颗粒填料生产方法，其特征在于，所述高含水率生物质废物为污水厂的脱水污泥或湖泊水库打捞并进行藻水分离得到的藻泥，脱水泥饼的含水率在70-90％；加热搅拌预处理：温度为50-70℃；投加的石灰的总质量占比在5％-10％。
6.如权利要求1所述的一种生物炭陶粒颗粒填料生产方法，其特征在于，所述步骤4)：该步骤产生尾气余热循环利用，并根据尾气中的氧浓度定期排放尾气并补充空气，从而恢复并确保循环气体氧浓度；
排出的尾气先利用风冷换热器降温并同时预热补进的空气，尾气经降温后利用腐殖土固定床去除其中挥发性污染组分，达标后高空排放。
7.如权利要求6所述的一种生物炭陶粒颗粒填料生产方法，其特征在于，根据尾气中氧浓度定期排放40％-60％尾气并补充40％-60％空气，确保尾气中的氧浓度不低于5％-20％。
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