申请日2015.09.25
公开(公告)日2015.12.09
IPC分类号C02F11/10; C10B27/00; C10B47/00; C10B53/00
摘要
本发明公开了一种污泥快速热解的系统和方法，该系统包括：烘干单元、快速热解反应器和喷淋塔，其中，快速热解反应器包括反应器本体、多层蓄热式辐射管、污泥入口、布料器、布料气入口、多个热解气出口、半焦出口，所述烘干单元适于对污泥进行干燥处理，以便得到干燥的污泥;所述喷淋塔与所述多个热解气出口相连，且适于采用冷却液对所述热解气进行喷淋处理，以便得到生物油和燃气。该系统可以实现污泥的快速热解，并且可以得到具有高利用价值的均相生物油。
摘要附图
权利要求书
1.一种污泥快速热解的系统，其特征在于，包括：
烘干单元，所述烘干单元适于对污泥进行干燥处理，以便得到干燥的污泥;
快速热解反应器，
所述快速热解反应器包括：
反应器本体，所述反应器本体内限定出反应空间，所述反应空间自上而下形成分 散区、热解区和出料区;
所述分散区包括：
布料器;
污泥入口，所述污泥入口位于所述布料器的上方;
布料气入口，所述布料气入口与所述布料器相连通，以便采用布料气将所述布料 器中的污泥吹出进入分散区，均匀地落入热解区;
所述热解区包括：
多层蓄热式辐射管，所述多层蓄热式辐射管在所述热解区中沿所述反应器本体高 度方向间隔分布，并且每层所述蓄热式辐射管包括多个沿水平方向间隔分布的蓄热式辐射 管;
所述出料区包括：半焦出口;
多个热解气出口，所述多个热解气出口分别设置在所述分散区和/或所述热解区;
其中，所述污泥入口与所述烘干单元相连，所述快速热解反应器适于采用所述蓄 热式辐射管对所述干燥的污泥进行快速热解处理，以便得到高温半焦和热解气;以及
喷淋塔，所述喷淋塔与所述热解气出口相连，且适于采用冷却液对所述热解气进行喷 淋处理，以便得到生物油和燃气。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述烘干单元包括：
热烟炉，所述热烟炉适于燃烧含碳物料，以便得到燃烧烟气;
烘干机，所述烘干机与所述热烟炉相连，且适于采用所述燃烧烟气对所述污泥进行第 一干燥处理，以便得到第一污泥;
烘干提升机，所述烘干提升机分别与所述烘干机和所述污泥入口相连，且适于采用热 烟气对所述第一污泥进行第二干燥处理，并将所得到的干燥的污泥供给至所述快速热解反 应器中;
输送机，所述输送机分别与所述半焦出口和所述热烟炉相连，且适于将所述高温半焦 供给至所述热烟炉;以及
第一风机，所述第一风机分别与所述蓄热式辐射管和所述烘干提升机相连，且适于将 所述蓄热式辐射管产生的高温烟气供给至所述烘干提升管作为所述热烟气使用。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，进一步包括：
油泵，所述油泵与所述喷淋塔相连，且适于将所述生物油的一部分返回至所述喷淋塔 作为所述冷却液使用;
储油罐，所述储油罐与所述油泵相连，且适于储存另一部分所述生物油;
燃气储罐，所述燃气储罐与所述喷淋塔相连，且适于储存所述燃气;
第二风机，所述第二风机分别与所述燃气储罐和所述蓄热式辐射管相连，且适于将所 述燃气的一部分供给至所述蓄热式辐射管;以及
第三风机，所述第三风机分别与所述燃气储罐和所述布料气入口相连，且适于将所述 燃气的另一部分供给至所述布料气入口作为布料气使用。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每层所述蓄热式辐射管包括多个平行并 且均匀分布的蓄热式辐射管且每个所述蓄热式辐射管与相邻上下两层蓄热式辐射管中的每 一个蓄热式辐射管平行并且沿反应器本体高度方向错开分布。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反应器本体的高度为2～20m，所述 蓄热式辐射管的管径为100～500mm，相邻所述蓄热式辐射管外壁间的水平距离和竖直距离 分别独立地为100～500mm。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述蓄热式辐射管上设置有燃气调节阀。
7.一种利用权利要求1-6任一项所述的污泥快速热解的系统进行污泥快速热解的方法， 其特征在于，包括：
(1)采用所述烘干单元对污泥进行干燥处理，以便得到干燥的污泥;
(2)将干燥污泥从所述污泥入口供给至所述反应空间中，将可燃气和空气分别供给至 所述蓄热式辐射管中，使得所述可燃气在所述蓄热式辐射管中燃烧产生热量对所述干燥的 污泥进行快速热解处理，以便得到高温半焦和热解气;以及
(3)在喷淋塔中，采用冷却液对经所述热解气出口排出的所述热解气进行喷淋处理， 以便得到生物油和燃气，
任选的，单根所述蓄热式辐射管上的温度差不大于30℃，所述热解区自上而下形成预 热段、快速热解段和完全热解段，所述预热段的蓄热式辐射管温度为550～900℃，所述快速 热解段的蓄热式辐射管温度为500～800℃，所述完全热解段的蓄热式辐射管温度为 500～800℃。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(1)是采用下列步骤进行的：
(1-1)在所述热烟炉燃烧含碳物料，以便得到燃烧烟气;
(1-2)在所述烘干机中采用所述燃烧烟气对所述污泥进行第一干燥处理，以便得到第 一污泥;
(1-3)在所述烘干提升管中采用热烟气对所述第一污泥进行干燥和提升，并将所得到 的干燥的污泥经所述污泥入口供给至所述快速热解反应器中;
(1-4)采用所述第一风机将所述蓄热式辐射管产生的高温烟气经供给至所述烘干提升 管中;
(1-5)采用所述输送机将所述高温半焦供给至所述热烟炉。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括：
(4)将所述燃气储存在所述燃气储罐中;
(5)采用所述第二风机将所述燃气的一部分供给至所述蓄热式辐射管作为燃料;以及
(6)采用所述第三风机将所述燃气的另一部分供给至所述布料气入口作为布料气使 用。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述快速热解处理的时间为1～10秒，
所述污泥的含水量为50～80wt%，
所述第一污泥的含水量低于20wt%，
所述干燥污泥的含水量低于6wt%。
说明书
污泥快速热解的系统和方法
技术领域
本发明属于化工领域，具体而言，本发明涉及一种污泥快速热解的系统和方法。
背景技术
污泥是一种由有机残片、微生物、无机颗粒、胶体等组成的非均质体，并且其中含有 有毒的有机物、致病微生物和重金属，对环境产生严重危险。但污泥中含有大量的有机质， 可以对其进行能源化利用处理，目前主要采用三种方法：直接燃烧、气化和热解。其中热 解方法是采取隔绝氧气对污泥进行受热分解产生油、气、炭资源的过程，由于热解方法处 理污泥不仅可以减少二恶英，而且还可以对污泥中的重金属进行固化，从而减少污泥的二 次污染，同时能够得到高价值的油气资源，因此热解法被公认为对污泥减量化、无害化、 资源化处理的最佳路径。
污泥热解是利用污泥中有机物的热不稳定性，在无氧条件下加热使有机物产生热裂解， 形成利用价值较高的气、液、固三种产物。目前污泥的热解处理工艺主要包括旋转窑、固 定床、流化床等工艺，根据加热方式分为直接加热和间接加热，由于直接加热一般采取热 载体，因此过程会涉及热载体的加热、分离等，工艺流程复杂;而采取间接加热方式的干 馏方式，热效率不高，处理能力小。同时污泥水分含量高，污泥的烘干也是污泥热解工艺 需要特别考虑的。另外污泥的主要成分为木质素、纤维素，非常接近生物质，一般的热解 系统得到的生物油可以分层为木醋液和木生物油，市场应用不大。
因此，现有的污泥热解技术有待进一步改善。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个 目的在于提出一种污泥快速热解的系统和方法，该系统可以实现污泥的快速热解，并且可 以得到具有高利用价值的均相生物油。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种污泥快速热解的系统。根据本发明的实施例， 该系统包括：
烘干单元，所述烘干单元适于对污泥进行干燥处理，以便得到干燥的污泥;
快速热解反应器，
所述快速热解反应器包括：
反应器本体，所述反应器本体内限定出反应空间，所述反应空间自上而下形成分 散区、热解区和出料区;
多层蓄热式辐射管，所述多层蓄热式辐射管在所述热解区中沿所述反应器本体高 度方向间隔分布，并且每层所述蓄热式辐射管包括多个沿水平方向间隔分布的蓄热式辐射 管;
布料器;
污泥入口，所述污泥入口位于所述分散区且位于所述布料器的上方;
布料气入口，所述布料气入口位于所述分散区且与所述布料器相连通，以便采用 布料气将所述布料器中的污泥吹出进入分散区，均匀地落入热解区;
多个热解气出口，所述多个热解气出口分别设置在所述分散区和/或所述热解区;
半焦出口，所述半焦出口设置在所述出料区;
其中，所述污泥入口与所述烘干单元相连，所述快速热解反应器适于采用所述蓄热式 辐射管对所述干燥的污泥进行快速热解处理，以便得到高温半焦和热解气;以及
喷淋塔，所述喷淋塔与所述热解气出口相连，且适于采用冷却液对所述热解气进行喷 淋处理，以便得到生物油和燃气。
在本发明的污泥快速热解反应系统中，蓄热式辐射管以多层的方式布置。相邻的两个 蓄热式辐射管在水平方向上和竖直方向上以一定的间距隔开。
温度场
根据本发明的一个实施例，多层蓄热式辐射管用于提供热源，使得在热解区形成一个 或多个温度场，并且每个温度场的温度是均匀的，由此，在热解区形成温度梯度。
例如，在本发明的一个实施例中，所述热解区自上而下形成预热段、快速热解段和完 全热解段。(即，形成了3个温度场)
温度场的个数以及温度梯度可根据需要设置。
温度场的温度可通过多种方式调节，例如，调整蓄热式辐射管在水平方向和/或竖直方 向上的个数;蓄热式辐射管的层数;蓄热式辐射管彼此之间的间距(竖直方向和/或水平方 向);各蓄热式辐射管本身的温度;等等。
在本发明的一个实施例中，蓄热式辐射管上设置有燃气调节阀，用于调整通入蓄热式 辐射管的燃气的流量，从而能够精确控制蓄热式辐射管的温度。
蓄热式辐射管
蓄热式辐射管在管体的两端分别具有燃烧器，在一端燃烧器燃烧产生的火焰在喷出时 形成温度梯度，即，从燃烧器向外温度逐渐降低。类似的是，在另一端燃烧器燃烧产生的 火焰在喷出时也形成温度梯度。当两端的燃烧器交替进行燃烧时，所形成的两个温度梯度 叠加，使得温度互补，导致整个蓄热式辐射管整体的温度均匀。例如，单根所述蓄热式辐 射管上的温度差不大于30℃。
本发明的污泥快速热解反应系统使用本发明的蓄热式辐射管的布置方式，由于蓄热式 辐射管本身固有的属性(如上所述，在蓄热式辐射管两端的燃烧器能够快速交替燃烧，实 现蓄热式燃烧)，允许根据需要在反应器布置一个或多个不同的温度场，实现温度梯度并且 确保每个温度场具有均匀的温度。
在本发明的一个实施方案中，各蓄热式辐射管的温度相同或不同，只要确保温度场的 温度均匀即可。
在本发明的一个实施方案中，介于相邻蓄热式辐射管之间的间距可以相同或不同，只 要确保温度场的温度均匀即可。例如，相邻所述蓄热式辐射管外壁间的水平距离和竖直距 离分别独立地为100～500mm，例如200～300mm，例如200mm，例如300mm。
在所述热解区自上而下形成预热段、快速热解段和完全热解段的实施例中，在预热段 中的各蓄热式辐射管的温度相同或不同，优选相同，只要确保预热段的温度均匀即可。
在所述热解区自上而下形成预热段、快速热解段和完全热解段的实施例中，在快速热 解段中的各蓄热式辐射管的温度相同或不同，优选相同，只要确保快速热解段的温度均匀 即可。
在所述热解区自上而下形成预热段、快速热解段和完全热解段的实施例中，在完全热 解段中的各蓄热式辐射管的温度相同或不同，优选相同，只要确保完全热解段的温度均匀 即可。
虽然并不限于理论，但据信，如果污泥在热解区不能均匀受热，局部温度过高则导致 热解过程中局部污泥发生高温裂解，使热解产物中部分能产生物油的高分子物质直接生成 了燃气和半焦，或者局部温度过低则导致热解过程中局部污泥热解不充分，致使污泥中的 挥发分不能释放出来，从而降低了生物油产率。
在本发明中，当蓄热式辐射管被布置成形成一个或多个温度场时，由于温度场各自的 温度是大致均匀的，因此，污泥在落入各温度场时均匀受热，发生反应的程度大体相同。 由此，顺而避免生物油产率下降。
热解气的快速导出
利用本发明的污泥快速热解反应系统，能够在污泥热解之后实现热解气的快速导出。 具体而言，在本发明的一个实施方案中，污泥快速热解反应系统的反应器在热解区的侧壁 和/或分散区的顶壁上设有一个或多个热解气出口。在热解反应过程中，产生热解气，使得 该反应器内部的压力升高。产生的热解气在升高的压力的驱使下快速从热解气出口导出。
在本发明的一个优选实施方案中，在反应器外部设有与热解气出口连通的抽气装置， 有利于将热解气从该反应器中快速导出。
热解过程中产生的热解气从反应器侧部导出，而位于热解气出口处、反应器内侧的热 解气与上方落下来的物料接触，把进入反应器侧部的热解气中的细尘在所述物料重力作用 下被携带下落，使得导出的热解气中含尘率低，从而冷却后得到的生物油中含尘率低。
热解气出口是至少2个，例如2-100个，3-80个，5-70个，10-50，20-40，30-40个。 更具体而言，热解气出口是8个、15个、22个或28个。本发明并不限于此。
热解气的快速冷却
从热解气出口导出的热解气通过冷却装置被快速冷却，由此将不可凝气体与生物油分 离。
布料
另外本发明通过使用布料器，可以使得污泥在热解区中均匀分散，进而显著提高装置 的运行稳定性。
污泥
通过设置的布料系统使小颗粒污泥分散的、均匀的进入热解反应器，小颗粒污泥在均 匀的温度场中经换热，每个污泥颗粒都受热均匀，避免了污泥团聚造成升温速率不均匀和 降低进而导致油气产率下降的问题。
效果
由于采用本发明的蓄热式辐射管布置方式，污泥在热解过程中在反应器内能够被快速 升温。同时产生的热解气能够被快速导出反应器并且被快速冷却。由此减少了在热解过程、 导出过程和冷却过程中可能发生的二次反应(该反应会降低生物油产率)，因此，所得的生 物油产率被显著提高。
同时较传统的使用气体热载体或固体热载体作为热解热源的热解反应装置相比，本发 明的快速热解的系统不需要设置预热单元和载体分离单元，从而可以极大简化快速热解反 应工艺流程，进而显著降低装置的故障率。
本发明通过采用特定的蓄热式辐射管布置方式，可以在反应器中形成一个或多个温度 场并能够确保每个温度场的温度均匀，同时允许反应器各个温度场的温度是可控的。由此， 使污泥在反应器中能够均匀受热，实现快速烘干和更充分的热解，进而提高了生物油产率， 提高了污泥的快速热解效率。
另外，根据本发明上述实施例的污泥快速热解的系统还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述烘干单元包括：热烟炉，所述热烟炉适于燃烧含碳物 料，以便得到燃烧烟气;烘干机，所述烘干机与所述热烟炉相连，且适于采用所述燃烧烟 气对所述污泥进行第一干燥处理，以便得到第一污泥;烘干提升机，所述烘干提升机分别 与所述烘干机和所述污泥入口相连，且适于采用热烟气对所述第一污泥进行第二干燥处理， 并将所得到的干燥的污泥供给至所述快速热解反应器中;输送机，所述输送机分别与所述 半焦出口和所述热烟炉相连，且适于将所述高温半焦供给至所述热烟炉;以及第一风机， 所述第一风机分别与所述蓄热式辐射管和所述烘干提升机相连，且适于将所述蓄热式辐射 管产生的高温烟气供给至所述烘干提升管作为所述热烟气使用。由此，可以实现物料的循 环利用，从而降低处理成本。
在本发明的一些实施例中，所述污泥快速热解的系统进一步包括：油泵，所述油泵与 所述喷淋塔相连，且适于将所述生物油的一部分返回至所述喷淋塔作为所述冷却液使用; 储油罐，所述储油罐与所述油泵相连，且适于储存另一部分所述生物油;燃气储罐，所述 燃气储罐与所述喷淋塔相连，且适于储存所述燃气;第二风机，所述第二风机分别与所述 燃气储罐和所述蓄热式辐射管相连，且适于将所述燃气的一部分供给至所述蓄热式辐射管; 以及第三风机，所述第三风机分别与所述燃气储罐和所述布料气入口相连，且适于将所述 燃气的另一部分供给至所述布料气入口作为布料气使用。由此，不需要额外设置冷却液补 给装置，从而显著降低设备成本投入。
在本发明的一些实施例中，每层所述蓄热式辐射管包括多个平行并且均匀分布的蓄热 式辐射管且每个所述蓄热式辐射管与相邻上下两层蓄热式辐射管中的每一个蓄热式辐射管 平行并且沿反应器本体高度方向错开分布。由此，使得污泥物料进入反应器能够均匀通过 温度场，从而进一步提高污泥的快速热解效率。
在本发明的一些实施例中，所述反应器本体的高度为2～20m，所述蓄热式辐射管的管 径为100～500mm，相邻所述蓄热式辐射管外壁间的水平距离和竖直距离分别独立地为 100～500mm。由此，可以保障污泥热解需要的停留时间，从而进一步提高污泥的快速热解 效率。
在本发明的一些实施例中，蓄热式辐射管为蓄热式燃气辐射管，即通过辐射管管体将 燃烧燃气产生的热量以辐射的方式进行供热。
在本发明的一些实施例中，所述蓄热式辐射管上设置有燃气调节阀，使用多层蓄热式 辐射管提供热解过程所需的热源，能够调整通入蓄热式辐射管的燃气的流量，从而能够精 确控制热解过程的温度。
在本发明的一些实施例中，单根所述蓄热式辐射管上的温度差不大于30℃，所述热解 区自上而下形成预热段、快速热解段和完全热解段，所述预热段的蓄热式辐射管温度为 550～900℃，所述快速热解段的蓄热式辐射管温度为500～800℃，所述完全热解段的蓄热式 辐射管温度为500～800℃。由此，使得反应器同一区域温度场非常均匀，并且实现反应器 上中下区域温度场灵活调整，从而进一步提高污泥的快速热解效率。
在本发明的一些实施例中，多层蓄热式辐射管的层数可以为4-30层。发明人发现，该 种结构布置可以使得热解区中温度场分布均匀，从而可以显著提高污泥的快速热解效率， 进而提高生物油的产率。
在本发明的第二个方面，本发明提出了一种采用上述所述污泥快速热解的系统进行污 泥快速热解的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：
(1)采用所述烘干单元对污泥进行干燥处理，以便得到干燥的污泥;
(2)将干燥污泥从所述污泥入口供给至所述反应空间中，将可燃气和空气分别供给至 所述蓄热式辐射管中，使得所述可燃气在所述蓄热式辐射管中燃烧产生热量对所述干燥的 污泥进行快速热解处理，以便得到高温半焦和热解气;以及
(3)在喷淋塔中，采用冷却液对经所述热解气出口排出的所述热解气进行喷淋处理， 以便得到生物油和燃气。
根据本发明实施例的污泥快速热解的方法通过使用多层蓄热式辐射管为热解过程提供 热源，可以通过调整通入蓄热式辐射管的燃气的流量来实现对热解过程的精确控温，并且 蓄热式辐射管通过两端的快速换向和蓄热式燃烧，保证了温度场的均匀性，从而可以显著 提高污泥的快速热解效率，进而提高生物油的产率，同时较传统的使用气体热载体或固体 热载体作为热解热源的热解反应装置相比，本发明的快速热解的系统不需要设置预热单元 和载体分离单元，从而可以极大简化快速热解反应工艺流程，进而显著降低装置的故障率 且所得生物油中含尘率较低，其次本发明通过使用布料器，可以使得污泥在热解区中均匀 分散，并且又能防止污泥对辐射管的磨损，进而显著提高装置的运行稳定性，另外较传统 技术相比，本发明可以得到具有高利用价值的均相生物油，便于市场推广。
另外，根据本发明上述实施例的污泥快速热解的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，步骤(1)是采用下列步骤进行的：(1-1)在所述热烟炉燃 烧含碳物料，以便得到燃烧烟气;(1-2)在所述烘干机中采用所述燃烧烟气对所述污泥进 行第一干燥处理，以便得到第一污泥;(1-3)在所述烘干提升管中采用热烟气对所述第一 污泥进行干燥和提升，并将所得到的干燥的污泥经所述污泥入口供给至所述快速热解反应 器中;(1-4)采用所述第一风机将所述蓄热式辐射管产生的高温烟气经供给至所述烘干提 升管中;(1-5)采用所述输送机将所述高温半焦供给至所述热烟炉。由此，可以实现对高 水分污泥的低成本烘干，从而显著降低污泥的快速热解处理成本。
在本发明的一些实施例中，所述污泥快速热解的方法进一步包括：(4)将所述燃气储 存在所述燃气储罐中;(5)采用所述第二风机将所述燃气的一部分供给至所述蓄热式辐射 管作为燃料;以及(6)采用所述第三风机将所述燃气的另一部分供给至所述布料气入口作 为布料气使用。由此，可以显著降低污泥的快速热解处理成本。
在本发明的一些实施例中，单根所述蓄热式辐射管上的温度差不大于30℃，所述热解 区自上而下形成预热段、快速热解段和完全热解段，所述预热段的蓄热式辐射管温度为 550～900℃，所述快速热解段的蓄热式辐射管温度为500～800℃，所述完全热解段的蓄热式 辐射管温度为500～800℃。由此，使得反应器同一区域温度场非常均匀，并且实现反应器 上中下区域温度场灵活调整，从而进一步提高污泥的快速热解效率。
在本发明的一些实施例中，所述快速热解处理的时间为1～10秒，所述污泥的含水量为 50～80wt%，所述第一污泥的含水量低于20wt%，所述干燥污泥的含水量低于6wt%。由此， 使得入炉污泥水分小，从而入炉后污泥自身水分的烘干耗能少，进而提高污泥的快速热解 效率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明 显，或通过本发明的实践了解到。
