申请日2018.10.26
公开(公告)日2019.02.15
IPC分类号C10L5/46
摘要
本发明属于污泥处理相关技术领域，并具体公开了一种基于碳基骨架辅助热水解的污泥衍生燃料制备方法及产品。该方法的具体为：向浆化污泥中投加碳基骨架获得增碳污泥，然后对其进行热水解后机械脱水得到脱水污泥，最后进行热干化或自然干化得到污泥衍生燃料。本发明通过加入碳基骨架极大地提高了污泥的脱水性能和干化性能，使获得的污泥衍生燃料能量密度得到提升，燃烧的稳定性增强;并且热水解过程降低了燃料碱金属、硫、氮、氯元素含量，提高了重金属的稳定性，从而减少了能源转换过程中二次污染风险和炉内受热面沾污腐蚀风险;此外，本发明通过对热水解泥和滤出液的热量进行充分回收，提高能量利用率的同时达到节约能源的目标。
权利要求书
1.基于碳基骨架辅助热水解的污泥衍生燃料制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(ⅰ)向浆化污泥中投加碳基骨架作为调理剂，获得增碳污泥;
(ⅱ)对步骤(ⅰ)中制得的增碳污泥进行热水解，获得热水解泥;
(ⅲ)对步骤(ⅱ)中制得的热水解泥进行机械脱水，获得脱水污泥，当制得的脱水污泥含水率高于20%时，对其进行热干化或自然干化得到污泥衍生燃料;当该脱水污泥含水率低于20%时，直接得到污泥衍生燃料。
2.如权利要求1所述的基于碳基骨架辅助热水解的污泥衍生燃料制备方法，其特征在于，所述步骤(ⅰ)浆化污泥中干基与水分的质量比为1：4～1：32，并进一步优选为1：8～1：25。
3.如权利要求1或2所述的基于碳基骨架辅助热水解的污泥衍生燃料制备方法，其特征在于，所述步骤(ⅰ)中碳基骨架包括褐煤、泥煤、木屑、秸秆、稻壳、玉米芯、甘蔗渣或虾蟹壳中任意一种或几种的破碎颗粒;该碳基骨架的粒径优选为0.06mm～5mm。
4.如权利要求1～3任意一项所述的基于碳基骨架辅助热水解的污泥衍生燃料制备方法，其特征在于，所述步骤(ⅰ)中碳基骨架与浆化污泥中干基的质量比为1：2～1：20，并进一步优选为1：4～1：15。
5.如权利要求1～4任意一项所述的基于碳基骨架辅助热水解的污泥衍生燃料制备方法，其特征在于，所述步骤(ⅱ)中热水解的加热方式优选采用电加热或高压蒸汽加热，热水解的处理时长优选为0.5min～60min，热水解的反应温度优选为80℃～240℃，热水解的反应压力优选为0.1MPa～25MPa。
6.如权利要求1～5任意一项所述的基于碳基骨架辅助热水解的污泥衍生燃料制备方法，其特征在于，所述步骤(ⅲ)中优选采用板框压滤机、高压隔膜式压滤机或带式压滤机进行机械脱水，所述热水解泥的进料温度优选为40℃～90℃，脱水压力优选为0.2MPa～20MPa。
7.如权利要求1～6任意一项所述的基于碳基骨架辅助热水解的污泥衍生燃料制备方法，其特征在于，所述步骤(ⅲ)中热干化的直接热源优选采用热空气、废热蒸汽或烟气，间接热源优选采用所述步骤(ⅱ)中制得的热水解泥或所述步骤(ⅲ)中机械脱水得到的滤出液，热干化的温度优选为40℃～240℃，热干化的时间优选为10min～180min;所述步骤(ⅲ)中自然干化的温度优选为20℃～50℃，自然干化的时间优选为12h～72h。
8.如权利要求1～7任意一项所述的基于碳基骨架辅助热水解的污泥衍生燃料制备方法，其特征在于，所述步骤(ⅲ)中机械脱水得到的滤出液先作为热干化的间接热源进行热量回收，之后返回到污水处理厂中的主生化处理单元。
9.一种由权利要求1～8任意一项权利要求所述的方法制备的污泥衍生燃料。
10.如权利要求9所述的污泥衍生燃料，其特征在于，所述污泥衍生燃料的干基热值优选为8MJ/kg～15MJ/kg，着火点优选为500K～550K，燃尽温度优选为800K～950K。
说明书
基于碳基骨架辅助热水解的污泥衍生燃料制备方法及产品
技术领域
本发明属于污泥处理相关技术领域，更具体地，涉及一种基于碳基骨架辅助热水解的污泥衍生燃料制备方法及产品。
背景技术
污泥是污水处理后产生的剩余固体废弃物，其水分含量高并且富含硫氧化物、重金属离子、病原体等有毒有害物质，对环境危害极大。随着社会生产力的发展，我国污泥年产量逐年增长，污泥的稳定化、减量化和无害化处理已经成为当下热门的环境问题。但污泥的高含水率是限制其资源化利用的重要因素，而传统的机械脱水方式只能将污泥含水率降至75%～85%，作用效果十分有限并且处理效率较低。这主要是因为污泥中的微生物分泌胞外聚合物(EPS)，使污泥呈现有机絮体结构，具有极强的亲水性和包裹作用;此外污泥中有机质和胶体含量高，使其固体结构具有高度的可压缩性，在污泥机械脱水压缩过程中造成水分过滤通道的堵塞，使得污泥可滤性降低，从而抑制了污泥中的固液分离。
现有技术中对于污泥干化处理技术已经提出了一些解决方案。例如，CN201611117165.2公开了一种可连续深度脱水协同低温污泥干化系统，但是该系统未在前端对污泥进行预处理，因此处理前污泥的理化性质未得到调理优化，从而导致整个脱水干化过程效率不高;CN201510818726.0公开了一种污泥复合调理方法，通过以一定顺序投加KMnO4、FeCl3和生物炭从而提高污泥的脱水性能，但是该方法的调理效果有待提高，并且加入无机物质降低了污泥的热值，此外氯盐的添加也增加了后续能源化利用过程中二噁英的生成及锅炉受热面腐蚀的风险。
新兴的污泥处理技术中，水热法因反应效率高、能耗低而备受瞩目。CN201110279705.8公开了一种基于水热改性技术的污泥处理工艺，其将机械脱水后的污泥进行浆化、水热处理后在进行机械脱水，但是该发明中反复脱水、加水浆化的过程程序冗繁，能耗过高，水热处理后的产物有机质损失严重导致产物热值低，不利于后续能源化利用;CN201611104585.7公开了一种基于水热碳化的城市污泥处理方法，污泥经预热、水热碳化、冷却、机械脱水、深度干化等一系列处理步骤后制成干污泥颗粒，产品附加值高，然而水热温度高达190-320℃，压力高达10-17MPa，耗时16-22小时，反应条件较为苛刻，且脱水产生的滤液化学需氧量(COD)含量极高，并未得到妥善的处置和利用，易造成二次污染，水热处理后的余热也未得到回收，能量利用率不高;CN201710151693公开了一种水热碳化处理污泥制备燃料的方法，通过加入污泥进入反应器前加入浓硫酸，在反应进行到中途向反应器中加入浓硝酸制备污泥固体燃料，然而得到的污泥产物热值低，且方法要求的酸性条件对设备腐蚀性大，脱水后的酸性滤液难以处理。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于碳基骨架辅助热水解的污泥衍生燃料制备方法及产品，该方法以碳基骨架作为调理剂，通过热水解和机械脱水的工艺对污泥进行干化，从而获得污泥衍生燃料，提高处理效率的同时提升污泥的脱水性能和干化性能，从而获得燃烧特性较好的污泥衍生燃料，因而尤其适用于污泥干化处理的应用场合。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于碳基骨架辅助热水解的污泥衍生燃料制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(ⅰ)向浆化污泥中投加碳基骨架作为调理剂，获得增碳污泥;
(ⅱ)对步骤(ⅰ)中制得的增碳污泥进行热水解，获得热水解泥;
(ⅲ)对步骤(ⅱ)中制得的热水解泥进行机械脱水，获得脱水污泥，当制得的脱水污泥含水率高于20%时，对其进行热干化或自然干化得到污泥衍生燃料;当该脱水污泥含水率低于20%时，直接得到污泥衍生燃料。
作为进一步优选地，所述步骤(ⅰ)浆化污泥中干基与水分的质量比优选为1：4～1：32，并进一步优选为1：8～1：25。
作为进一步优选地，所述步骤(ⅰ)中碳基骨架包括褐煤、泥煤、木屑、秸秆、稻壳、玉米芯、甘蔗渣或虾蟹壳中任意一种或几种的破碎颗粒;该碳基骨架的粒径优选为0.06mm～5mm。
作为进一步优选地，所述步骤(ⅰ)中碳基骨架与浆化污泥中干基的质量比优选为1：2～1：20，并进一步优选为1：4～1：15。
作为进一步优选地，所述步骤(ⅱ)中热水解的加热方式优选采用电加热或高压蒸汽快速升温，热水解的处理时长优选为0.5min～60min，热水解的反应温度优选为80℃～240℃，热水解的反应压力优选为0.1MPa～25MPa。
作为进一步优选地，所述步骤(ⅲ)中优选采用板框压滤机、高压隔膜式压滤机或带式压滤机进行机械脱水，所述热水解泥的进料温度优选为40℃～90℃，脱水压力优选为0.2MPa～20MPa。
作为进一步优选地，所述步骤(ⅲ)中热干化的直接热源优选采用热空气、废热蒸汽或烟气，间接热源优选采用所述步骤(ⅱ)中制得的热水解泥或所述步骤(ⅲ)中机械脱水得到的滤出液，热干化的温度优选为40℃～240℃，热干化的时间优选为10min～180min;所述步骤(ⅲ)中自然干化的温度优选为20℃～50℃，自然干化的时间优选为12h～72h。
作为进一步优选地，所述步骤(ⅲ)中机械脱水得到的滤出液先作为干化间接热源进行热量回收，之后返回到污水处理厂中的主生化处理单元。
按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述方法制备的污泥衍生燃料。
作为进一步优选地，所述污泥衍生燃料的干基热值优选为8MJ/kg～15MJ/kg，着火点优选为500K～550K，燃尽温度优选为800K～950K。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明通过加入碳基骨架极大地提高了污泥的脱水性能，使得污泥在热水解过程中细胞破裂，EPS降解，细胞内部的结合水被大量释放出来;同时碳基骨架与污泥发生的耦合作用可进一步释放污泥中的水分，改变污泥颗粒性质，优化污泥的絮凝特性，降低泥水分离难度;此外碳基骨架自身发生热水解反应，有机小分子分解溶出，有机大分子部分断裂，释放出气体分子，从而形成具有均匀多孔结构的骨架，在脱水的过程中支撑起水分逸出的通道，使泥饼变得更加疏松多孔，水分流出阻力更小;
2.同时，碳基骨架的加入有效提高了污泥的干化性能，碳基骨架辅助热水解时，污泥和碳基骨架均发生热水解反应，使水热固相产物内部形成均匀且四通八达的空隙，比表面积增大、空隙结构进一步优化，使得干化过程中水分释放的阻力变小，干化速率提升;同时污泥的内聚应力及黏合应力降低，导热性能提高，缓解了污泥在干化机传热面上的粘连问题，保证传热过程高效率地进行;
3.尤其是，采用本发明的制备方法获得的产物即污泥衍生燃料的燃烧性质得到大幅提升，碳基骨架辅助热水解的过程中，污泥与碳基骨架中部分H和O通过脱羧等反应脱除，使得C/H和C/O的原子比升高，同时C随着碳化反应的进行而增加，使污泥衍生燃料能量密度得到提升;同时，热水解过程中有机小分子的溶出使得污泥衍生燃料在425K～625K释放的挥发分减少，缓解了爆燃现象，提高了其燃烧的稳定性;并且由于热水解对重金属有稳定化作用，使得污泥衍生燃料中重金属转化为更加安全的稳定态形式，降低燃烧过程中重金属的释放;此外热水解过程中碱金属、硫、氮、氯等元素部分溶出，污泥衍生燃料中的碱金属、硫、氮、氯等元素含量降低，燃烧时污染性气体释放减少，并且锅炉沾污结渣和烟道腐蚀风险也相应降低;
4.此外，本发明通过对热水解泥和滤出液的热量进行充分回收，提高能量利用率的同时达到节约能源的目标;并且采用机械脱水时进料温度较高，更有利于脱水过程的进行，获得的滤出液返回主生化处理单元，减少了污染物排放，并可为脱氮除磷工艺提供额外碳源，从而避免二次污染的同时实现了生产路线的简化和处理效率的提升。
