申请日2015.02.09
公开(公告)日2017.09.19
IPC分类号C02F11/10; C02F11/12; C10B53/00
摘要
本发明公开了一种利用太阳能热解碳化技术处理污泥的方法，含以下步骤：取城市污水处理产生的污泥，置于热解碳化炉中，在密封、无氧、非燃烧状态下进行包括汽化、热解、脱氢、热缩化和碳化的一系列反应，生成尾气、生物炭和焦油，其中热解碳化炉由太阳能供热系统提供热源，反应条件为高温常压或高温高压或中高温高压，所述的高温为500～800℃，所述的中高温为200～400℃，所述的高压为1～16MPa。本发明方法能实现污泥在污水厂内彻底处理处置，无二次污染，能量利用率高，运行费用极低，回收可再生资源，真正彻底实现污泥处理处置的减量化、稳定化、无害化及资源利用化。
权利要求书
1.一种利用太阳能热解碳化技术处理污泥的方法，其特征是含以下步骤：
(1)污泥干燥：将城市污水处理产生的污泥进行干燥处理，得干燥污泥，干燥处理的热量来源为步骤(2)中热解碳化炉产生的尾气的余温、步骤(2)中热解碳化炉产生的尾气中可燃气燃烧产生的热量和干燥处理时产生的水蒸气的热量中的一种或几种，或干燥处理的热量来源为外部热源;
(2)热解碳化反应：将步骤(1)中获得的干燥污泥置于热解碳化炉中，在密封、无氧、非燃烧状态下进行包括汽化、热解、脱氢、热缩化和炭化的一系列反应，生成尾气、生物炭和焦油，其中热解碳化炉由太阳能供热系统提供热源，所述的太阳能供热系统包括吸热器、太阳能集热器、蓄热罐、熔盐泵、伴热装置、流量阀、加热器和加热炉，各装置通过耐高温金属管路互相连接，且在管路和蓄热罐的外表面覆盖耐有高温保温材料;反应条件为高温常压或高温高压或中高温高压，所述的高温为500~800℃，所述的中高温为200~400℃，所述的高压为1~16MPa，反应条件为高温常压时，反应时间为2h以上，反应条件为高温高压或中高温高压时，反应时间为1~2h;
(3)可燃气利用：将步骤(2)热解碳化炉产生的尾气，经换热处理后分离，获得可燃气，所得可燃气能用于给步骤(1)中的干燥处理提供热量。
2.根据权利要求1所述的利用太阳能热解碳化技术处理污泥 的方法，其特征是：步骤(1)中所述的城市污水处理产生的污泥进行干燥前，先进行脱水处理。
3.根据权利要求1所述的利用太阳能热解碳化技术处理污泥 的方法，其特征是：步骤(1)中干燥处理时干燥时间为120~150min。
4.根据权利要求1所述的利用太阳能热解碳化技术处理污泥的方法，其特征是：步骤(2)中所述的高压通过N2加压系统提供。
5.根据权利要求1所述的利用太阳能热解碳化技术处理污泥的方法，其特征是：步骤(3)中所述的换热处理为将步骤(2)中产生的尾气的热量供给步骤(1)中干燥处理。
6.根据权利要求1所述的利用太阳能热解碳化技术处理污泥的方法，其特征是：步骤(3)中经换热处理后分离时分离采用三相分离器进行分离。
说明书
一种利用太阳能热解碳化技术处理污泥的方法
技术领域
本发明属于污泥处理和资源再生技术领域，具体涉及一种利用太阳能热解碳化技术处理污泥的方法。
背景技术
近年来，中国城市污水处理事业获得了长足的进步，并且目前还处在加速发展过程中。但与此同时，人们始料未及的一个问题逐渐显示出来：污水处理后产生了大量的活性污泥。据估算，目前中国每天产生的含水80%的污泥，重量上几乎占到城市产生垃圾总量的20%，而且年增长率大于10%。根据预测，到2014年，全国年产生干污泥量将达到2500万吨。污泥中富含营养元素，此外还含有大量的有机质、重金属、病原菌、寄生虫(卵)等一系列的污染物质，很容易对生态环境造成严重的二次污染。
污水处理厂所产生的剩余污泥处理处置是当今世界环保课题的一大难题，有效减低污泥含水率是课题中的一个技术瓶颈。目前，我国的污水处理厂普遍采用的机械脱水方式可将污泥含水率将至75%～80%之间，而环保部办公厅2010年发布的《关于加强城镇污水处理厂污泥污染防治工作的通知》(环办【2010】157号)中规定：污水处理厂以贮存(即不处理处置)为目的将污泥运出厂界的，必须将污泥脱水至50%以下。含水率剩余污泥也是污水处理过程中的二次污染物。一方面，污泥中含有大量的病原菌、寄生虫、致病微生物，以及砷、铜、铬、汞等重金属和二噁英、放射性核素等难以降解的有毒有害物质，由于污泥含水率高、体积大，给堆放和运输带来困难，城市污泥如果处理不当或不规范处理，如随意弃置农地滥用等，将对生态环境会造成严重的潜在威胁。另一方面，剩余污泥含有很高的有机营养质和燃烧值，污泥的土地利用与能量循环利用是一种具有广阔前景的污泥处置方法，而污泥含水率高低直接影响污泥再利用的再生成本。无论是响应国家政策还是资源再生利用，追求低污泥含水率都将势在必行。因此污泥深度脱水一直深受各国重视，污泥作为再生资源的有效利用是世界各国共同重视的问题，代表了人类环境生态效益、社会效益和经济效益均衡发展的方向。
机械脱水仅能使自由水和存在于污泥颗粒间的间隙水去除;毛细水和污泥颗粒之间的结合力较强，需借助较高的机械作用力和能量;胞内水的含量与污泥中微生物细胞所占的比例有关，使用机械方法去除这部分水是行不通的，而需采用高温加热和冷冻等措施。从破坏污泥水分结合形态的角度来看，可利用堆肥、石灰调质、污泥化学改性、热干化技术及电渗透等工艺。厌氧或含氧堆肥大多采用调理剂调理降低污泥含水率之后再堆肥生产，存在占地面积大，臭味较大，运行周期长，运行费用较高，处理能力较小等不足之处。石灰调质脱水工艺石灰投加率为20%～30%，石灰投加量大污泥增重较大，污泥容积较大，生产周期较长，泥饼和滤液是碱性，滤液还需调节pH值处理，设备的防腐要求也较高，运行费用较高。污泥加药改性一般采用药剂对污泥进行调理，没有对污泥进行本质上的改变，降低污泥的含水率依赖的是机械设备的改进。污泥加药改性技术分污泥菌胶团沉降性能改性和污泥菌胶团细菌改性，针对污泥沉降性能改性，污泥的脱水率只能降到65%左右，且调理剂的总添加量占污泥干基比达到20%以上，污泥增容问题较严重，实际上并未实现污泥的减量化。
热干化及其它热解技术由于污泥含水率较高，污泥热值不能维持自身污泥干化运行需要增加外源能源，能耗很大，运行成本很高。电渗透干法存在设备投资、运行成本费用较高，设备的维护要求很高等不足之处。这些方法不是存在含水率不能达到要求就是存在运行成本过高或增加污泥容量等缺点而不能满足现实所需。
因此，目前污泥深度脱水面临的难题在于，现有的污泥处理技术存在工艺复杂，能耗、设备投资、运行成本过高，并未实现污泥减量化，容易影响污泥的再生或后续利用，环境效益差等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用太阳能热解碳化技术处理污泥的方法，该方法能耗、设备投资、运行成本低，能实现污泥的无害化、稳定化、减量化和资源利用化。
本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的：一种利用太阳能热解碳化技术处理污泥的方法，含以下步骤：取城市污水处理产生的污泥，置于热解碳化炉中，在密封、无氧、非燃烧状态下进行包括汽化、热解、脱氢、热缩化和碳化的一系列反应，生成尾气、生物炭和焦油，其中热解碳化炉由太阳能供热系统提供热源，反应条件为高温常压或高温高压或中高温高压，所述的高温为500～800℃，所述的中 高温为200～400℃，所述的高压为1～16MPa。
本发明所述的城市污泥置于热解碳化炉(也可以称为热解碳化炉，下文同)之前优选先经脱水和/或干燥处理。
作为本发明的一种改进，本发明提供的一种利用太阳能热解碳化技术处理污泥的方法，进一步含以下步骤：
(1)污泥干燥：将城市污水处理产生的污泥进行干燥处理，得干燥污泥，干燥处理的热量来源为步骤(2)中热解碳化炉产生的尾气的余温、步骤(2)中热解碳化炉产生的尾气中的可燃气燃烧产生的热量和干燥处理时产生的水蒸气的热量中的一种或几种，或干燥处理的热量来源为外部热源;
(2)热解碳化反应：将步骤(1)中获得的干燥污泥置于热解碳化炉中，在密封、无氧、非燃烧状态下进行包括汽化、热解、脱氢、热缩化和碳化的一系列反应，生成尾气、生物炭和焦油，其中热解碳化炉由太阳能供热系统提供热源，反应条件为高温常压或高温高压或中高温高压，所述的高温为500～800℃，所述的中高温为200～400℃，所述的高压为1～16MPa;
(3)可燃气利用：将步骤(2)热解碳化炉产生的包括可燃气、生物炭和焦油的产品，经换热处理后分离，获得可燃气，所得可燃气用于给步骤(1)中的干燥处理提供热量。
在上述利用太阳能热解碳化技术处理污泥的方法中：
步骤(1)中所述的城市污水处理产生的污泥进行干燥前，优选先进行脱水处理。
步骤(1)中干燥处理时干燥时间优选为120～150min。
这里需要说明的是，本发明步骤(1)中干燥处理除了可以采用本发明中产生的热源之外，也可以采用外部的热源，只是采用本发明中产生的热源可以将热源重复利用，节能环保。
如污水处理厂有污泥脱水处理设施的则将脱水后的泥饼直接放进干燥系统，干燥时间随污泥中的含水率不同可以进行适当的调整，优选为120～150min。
步骤(2)中在密封、无氧、非燃烧状态下进行包括汽化、热解、脱氢、热缩化和碳化的一系列反应，反应条件为高温常压时，反应时间优选为2h以上，反应条件为高温高压或中高温高压时，反应时间优选为1～2h。
本发明中在热解碳化炉中的反应前需要保证真空，以满足反应要求的无氧条件，最好是在干燥污泥在进入热解碳化炉之前，需抽走炉内空气，保证真空，满足反应要求的无氧条件，然后充入氮气，调整炉内压力。
干燥污泥在热解碳化炉中的反应后，干燥污泥中剩余水分蒸发，有机物转化为尾气、焦油和生物炭。
步骤(2)中热解碳化炉由太阳能供热系统提供热源时，所述的太阳能供热系统通过传统的太阳能转化为热能、再将热能转化为电能、再将电能转化为热能的供给模式供热;或所述的太阳能供热系统直接通过太阳能转化为热能的供给模式供热。
本发明中采用高温常压或高温高压反应时，高温条件在400℃以上，此时，如果采用传统的太阳能供热系统，即通过传统的将太阳能转化为热能、再将热能转化为电能、再将电能转化为热能的供给模式供热，此时太阳能利用率极低，仅有10%的利用率，投资成本相对较高，而当采用本发明中的(具体请参与下文实施例4中的描述)太阳能供热系统时，可以直接将太阳能转化为热能，太阳光能利用率可高达60～85%，投资成本相对较低。
采用本发明中设计的太阳能供热系统时，温度可在80～1000℃范围内任意调节控制，可实现智能化自动控制。
步骤(2)中所述的高压优选通过N2加压系统提供。也可以采用其他惰性气体进行加压。
本发明步骤(2)中如选择中高温高压条件下反应，则开启N2加压系统给炉内加压，根据工况条件设置压力参数。
步骤(2)中所述的热解碳化炉的温度优选为25℃(或常温)～1000℃(在这温度范围内，根据工况参数的需要，任意调节控制)，压力为0.1～16MPa(在这压力范围内，根据工况参数的需要，任意调节控制)。
步骤(2)中所述的高温进一步优选为600～800℃，所述的中高温进一步优选为350～400℃，高压进一步优选为6～12MPa。
为解决现有技术中存在的问题，发明人在大量的实践探索中发现，在压力不同的条件下，碳化所需的温度、反应时间也不同，压力越高，碳化所需的温度越低，反应时间越短，如在常压下，碳化需要600℃以上的高温，反应时间需要2小时以 上;在6MPa压力条件下，碳化只需要380℃左右的中温，反应时间需要2小时;在12MPa压力条件下，碳化只需要330℃左右的中温，反应时间需要80分钟左右。
步骤(3)中所述的换热处理为将步骤(2)中产生的尾气的热量供给步骤(1)中干燥处理。
步骤(3)中经换热处理后分离时分离采用三相分离器进行分离。
本发明步骤(2)中产生的尾气经过热交换器(给干燥系统提供热量)，再进入三相净化分离器，净化得出甲烷、氢气等可燃烧气体，可燃气燃烧给进料干燥系统提供热量或装瓶他用。
本发明经过上述城市污水产生的污泥的环保高效处理工艺，可得到质量百分含量为10%左右的以中孔为主、微孔为辅的生物炭、质量百分含量为1%左右的焦油及质量百分含量为6%左右的可燃气，其中可燃气包括甲烷、氢气等，剩余的其它部分为水蒸气。
本发明经过检测发现，本发明获得的生物炭产品(如图1中所示)可使金属离子固化在生物炭的孔隙表面，使污泥生物炭中的重金属的有效态含量非常低，呈现“惰性状态”，因此生物炭中的重金属不容易迁移，也不容易被植物吸收。
本发明具有以下优点：
(1)污水厂剩余污泥利用太阳能进行干燥深度脱水，实现污泥深度处理减量化：本发明方法利用太阳能供热系统提供给热解碳化炉产生的热量对污泥进行了深度脱水，干燥污泥中含水率达到25%以下，达到直接卫生填埋的国家环保标准，符合环保部办公厅2010年发布的《关于加强城镇污水处理厂污泥污染防治工作的通知》(环办【2010】157号)中的规定，可以实现污泥深度处理减量化;
(2)实现污泥处理处置无害化：本发明方法由于在高温或中高温条件下实施，能有效杀死病原体及菌落，也不存在病原体及菌落复活等问题，重金属离子被有效固化在生物炭中，不容易迁移和被植物吸收;污泥臭度下降到1°以下;达到污泥安全处理处置环保标准，由于本发明使用的是太阳能清洁能源，在处理处置过程中不会带来二次污染;
(3)实现资源利用化：本发明方法不需要对污泥进行调质，不添加CaO等影响污泥热值的添加剂，生产出的生物炭燃烧值在1800大卡左右，可作为低热值燃料供给火电厂或水泥厂、砖厂等作为燃料替代物，而焦油及甲烷、氢气等可燃气也 能产生经济效益，灰分可作为轻质建材的生产原料或制作陶粒，具有广泛的应用前景;
(4)技术优势经济效益明显：本发明方法与常见的污泥处理处置技术，如填埋、焚烧等在经济技术指标方面的对比如下：总的来说，本发明方法能处理各种各样的污水污泥，不受污泥内含物的影响，这也是其它技术所不能比拟的，在建设投资方面，其略高于堆肥和填埋，但是相当于焚烧的一半左右;占地面积最小，仅为填埋的1/10，堆肥的1/6;在经营成本方面，由于本发明方法具有盈利的能力，这更不是其它技术所能比拟的;本发明方法的最终产品为10%左右的生物炭(市场价600元/吨)，1吨含水率为80%的剩余污泥通过本发明中的工艺得出的产品效益为：产100kg生物炭，价值60元;节约污泥外运填埋成本275元;合计创收价值为335元/吨湿泥;
(5)对处理污泥的全过程具有可控性：本发明中的污泥可以在污水处理厂车间内进行处理，使污泥处理完全独立进行，不受任何外部环境影响，并且能使作为污泥处理责任主体的污水处理厂对污泥处理全过程具备可控能力，避免由于外部处理污泥单位发生的环境污染问题时，负上连带责任，另外，处理污泥设施占地面积小，适合污泥分散处理，避免运输过程中的环境污染问题，节约运输费用，能替代不可再生能源，满足可持续发展的要求，本发明工艺能处理各种各样的污水污泥，不受污泥内含物的影响，这也是其它技术所不能比拟的。
