申请日2018.11.07
公开(公告)日2019.03.22
IPC分类号C10L5/08; C10L5/46
摘要
本发明涉及一种利用污水厂污泥制备的固体燃料，其中所述固体燃料的原料包括含水率为50～90重量%的污水厂污泥和粒度≤3mm的褐煤煤粉，其中，所述褐煤煤粉的含水率≤25重量%，以及所述污水厂污泥与所述褐煤煤粉的重量比为1:1～10。本发明还涉及固体燃料的制备方法及其用途。
权利要求书
1.一种利用污水厂污泥制备的固体燃料，其中所述固体燃料包括含水率为50～90重量%的污水厂污泥和粒度≤3mm的褐煤煤粉，所述褐煤煤粉的含水率≤25重量%，以及所述污水厂污泥与所述褐煤煤粉的重量比为1:1～10。
2.根据权利要求1所述的固体燃料，其中，所述污水厂污泥的含水率为60～80重量%，优选为75～80重量%;
优选地，所述污水厂污泥为城市污泥、冶金污泥、造纸污泥、印染污泥或化工污泥，优选为城市污泥。
3.根据权利要求1或2所述的固体燃料，其中，所述褐煤煤粉的含水率为2～25重量%，优选为5～20重量%，更优选为10～20重量%;
优选地，所述褐煤煤粉的粒度为0.5～3mm，优选为1～3mm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的固体燃料，其中，所述污水厂污泥与所述褐煤煤粉的重量比为1:1～5，优选为1:2～5，更优选为1:2～3。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的固体燃料，其中，所述固体燃料是由所述污水厂污泥和所述褐煤煤粉混合例如粉碎混合制成的;
优选地，所述固体燃料是粒度为2～5mm的颗粒。
6.一种制备权利要求1至5中任一项所述的固体燃料的方法，其中，所述方法包括以下步骤：将污水厂污泥和褐煤煤粉混合，从而制得固体燃料。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述污水厂污泥和所述褐煤煤粉的混合方法为粉碎混合;
优选地，所述污水厂污泥和所述褐煤煤粉的混合方法为高速粉碎混合;更优选地，所述高速粉碎混合是通过粉碎机进行的，所述粉碎机的转速为1000转/分钟以上，例如，1800～4000转/分钟;
优选地，所述粉碎混合的时间为5～10分钟。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，通过包括以下步骤的方法制备所述褐煤煤粉：
(1)将褐煤粉碎成粒度≤3mm的煤粉;和/或
(2)将褐煤干燥至含水率≤25重量%，优选地，2～25重量%，更优选地，5～20重量%，进一步优选地，10～20重量%。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述褐煤的含水率为30～50重量%，优选为40～50重量%;
优选地，所述干燥的温度为80～130℃，优选为90～110℃。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的固体燃料作为垃圾焚烧厂或热电厂的燃料的用途。
说明书
利用污水厂污泥制备的固体燃料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及固体废弃物资源综合利用领域，尤其是涉及一种利用污水厂污泥制备的固体燃料及其制备方法和应用。
背景技术
随着城市的现代化扩张发展，社会人口也逐步向大中城市集中，加之污水处理效率的显著提升，将使得城市污泥的产量飞速提升，城市污泥处理的压力越来越大。
继2015年国家出台“水十条”，吹响治泥号角之后，2016年2月，环保部和住建部联合发文，要求将污泥处理、处置纳入城镇污水处理减排统一监管。这一政策将污泥处理纳入政绩考核，旨在向地方政府施压。这被业内视为“轰动性的政策”。
污泥处理处置的目标是减量化、稳定化、无害化和资源化，污泥通过减量化、稳定化、无害化可以避免污泥的二次污染，通过资源化可以进一步实现对污泥中富含的有机质、氮、磷、钾等营养元素的资源利用。传统处置方法有海洋弃置法、填埋法、堆肥法和焚烧法。其中，海洋弃置法危害海洋生态系统，造成海洋环境恶化;填埋法占用大量土地，易产生病原体、病毒等有害微生物污染，还使得填埋体易发生变形和滑坡，造成安全隐患;堆肥法处理后的产品中病原体仍有可能存活，加之污泥中含有重金属和有机物，生态风险较大。焚烧法将污泥直接在焚化炉里进行焚化燃烧，由污泥含水率高，存在不易燃烧、产热量低、污染严重、操作管理复杂、能耗和运行费用高等缺点，处置投资巨大。
污泥是污水处理过程中剩余的、包含微生物的残体，污泥中含有大量的有机物和一定量的纤维木质素，具有一定的热值。但由于污泥含水率太高，导致其低位热值较低，不能稳定焚烧以用作能源利用，而且含量大于80%的水分在污泥焚烧过程中转变为蒸汽，以气化潜热的形式带走大量能量。因此，污泥并不适用于直接焚烧处理，需要进行预处理才能提高其能源化与燃料化利用效率。
近年来围绕能源、资源短缺，全球气候变化等热点问题，国外发达国家已经不再将污泥视为废弃物，根据德国循环经济法，已从法律层面上把污泥定义为资源物而不是废弃物，通过技术开发和政策扶持鼓励和强化对污泥处理进行资源化利用。
污泥的燃料化使用必须解决三大关键问题：一、污泥低能耗低成本脱水干化;二、污泥中细菌与微生物快速消除;三、提高燃料热值，实现高温燃烧，实现尾渣重金属固化与稳定化，减少过程污染物生成与排放。针对污泥燃料的研究，部分研究者开展了相关工作。中国专利申请CN101250456A提到一种利用城市污水处理厂污泥制作合成燃料的工艺方法，将城市污水处理厂压滤脱水后制得的含水率为75～80%的污泥送入稳定搅拌罐内，加入污泥量的8～12%的CaO，搅拌10min，将含水率降至65%;将含水率降至65%的污泥送至除臭搅拌罐内，加入Fe2(SO4)、FeSO4·(NH4)SO4·6H2O、CuSO4等化学药剂，使污泥疏松、稳定后与其它含碳物质混合制成燃料，处理过程中添加了多种化学药剂，工艺复杂。中国专利CN1931753B公开了一种污泥干燥焚烧处理方法，通过脱水、造粒、与干燥污泥细粉混合、干燥、升温焚烧等5个步骤，采用专用设备对污泥进行干燥焚烧实现污泥的无害化处理。但其缺点是能耗高，步骤繁琐，污泥处理量低。中国专利申请CN1282781A提出一种污泥型煤的制备方法，将煤粉、污泥、木质碎屑或粉以及脱硫除臭剂按一定的组分配比，在湿润状态下混合搅拌后压制成型煤，其添加的污泥组分代替了粘土作为型煤粘结剂，此方法仍以煤炭作为主要原料，污泥的添加量相对较小，污泥的资源化效果不佳。中国专利申请CN1810940A提出的一种污泥燃料棒及其制备方法，将脱水污泥、助燃剂、粘结剂和脱硫剂按一定配比搅拌均匀后造粒成型，经烘干后制成燃料棒，其中助燃剂采用粉煤灰、植物秸秆、谷物或煤，加量为20%～50%，粘结剂采用玻璃胶、粘土或水泥，加量为3%～5%;中国专利CN101503643B提出的一种污泥干化固体燃料，由污泥与添加物混合压制成型或制成粉状体而成，添加物各组分的量按污泥重量计量为木屑5%～10%，煤粉0%～20%，矿化垃圾筛上物5%～15%，脱水剂1%～5%。上述两种方法生产的燃料棒虽然热值较高，但生产过程需要加入粘结剂、脱水剂等，烘干过程耗能高，成本较高。中国专利CN101914404B公开了一种用污水处理厂污泥制备固体燃料的方法，通过对污水处理厂污泥采用硫酸与双氧水等进行预处理，能使污泥中含水率显著降低，并有效去除湿污泥中的重金属;再利用太阳能聚焦对预处理后的污泥进行干馏，制成一种优质的固体燃料。中国专利申请CN102827661A公开了一种城市污水处理厂污泥燃料化处理工艺方法，将脱水污泥依次经过化学物理调理、微波辐射调理、压滤脱水、造粒、微波加热干燥处理，得到含水率为5～10%，低位热值为4000～5000大卡的污泥燃料。这两种方法污泥需要进行脱水预处理，并采用太阳能或微波加热，工艺复杂，处理量小。
褐煤储量占我国煤炭总储量的15%左右，是我国的一种主要煤炭资源。但其在生产、筛分、运输和使用过程中产生大量粉煤。这些褐煤粒径小、硫含量与灰含量偏高，用途极少，其价格仅为块煤的50～80%。有些厂家为了不使褐煤粉被大风刮走，长期使用大量的水来浇湿，结果使污染未减反而又造成水资源的再次浪费。这些触目惊心的浪费，不仅严重造成了资源的严重浪费，更造成了地区环境的严重污染。因此，如何实现废弃褐煤煤粉资源化利用成为褐煤行业一个重要难点问题。
发明内容
因此，本发明的目的是针对现有技术中存在的缺陷和不足，提供一种利用污水厂污泥制备的固体燃料及其制备方法和应用。本发明可以将污水厂污泥“变废为宝”，实现污水厂污泥与褐煤的协同资源化利用，并且可以实现污水厂污泥与褐煤的高附加值燃料化利用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一方面，本发明提供了一种利用污水厂污泥制备的固体燃料，其中，所述固体燃料包括含水率为50～90重量%的污水厂污泥和粒度≤3mm的褐煤煤粉，所述褐煤煤粉的含水率≤25重量%，以及所述污水厂污泥与所述褐煤煤粉的重量比为1:1～10。
本发明人发现，通过将污水厂污泥与粒度≤3mm的干燥的褐煤煤粉混合来制备固体燃料，既可以提高污水厂污泥基燃料的热值、固定污水厂污泥中的重金属元素，还可以吸附污水厂污泥的异味，实现污水厂污泥与褐煤的协同资源化利用。不希望受理论限制，认为，由于褐煤的含水量通常为30～50重量%，干燥后产生大量的毛细孔，具有强的吸附异味和水分的作用。干燥的褐煤煤粉的加入改变了污水厂污泥凝胶结构，使污水厂污泥胶团中被禁锢的水分充分释放，并且褐煤煤粉中的毛细孔吸水效应使得污水厂污泥中含水细胞快速破壁，实现水分的高效干化，从而减少化学药剂使用。同时，干燥的褐煤煤粉具有吸附污染物的特性，这有助于吸附、固持污水厂污泥中有机物与重金属等污染物，并在高温燃烧过程实现重金属的稳定化，为燃烧灰渣作为建筑材料奠定基础。
根据本发明提供的固体燃料，其中，所述污水厂污泥是污水厂的污水处理系统产生的原生污泥。根据污水厂污泥的来源，合适的污水厂污泥的实例包括但不限于：城市污泥、冶金污泥、造纸污泥、印染污泥和化工污泥。在一些具体实施方案中，所述污水厂污泥为城市污泥。
根据本发明提供的固体燃料，其中，所述污水厂污泥的含水率通常为为50～90重量%。在一些实施方案中，所述污水厂污泥的含水率为60～80重量%，以及在一些实施方案中为70～80重量%。
本发明中使用的褐煤煤粉，可以来源于煤矿或化工领域中生产、使用过程产生的粉煤，也可以经由褐煤干燥和/或粉碎制得。
根据本发明提供的固体燃料，其中，所述褐煤煤粉的含水率越低，产生的毛细孔越多，其吸附异味和水分的能力也就越强。然而，将褐煤干燥至过低的含水率通常需要较高的能量，并可能发生自燃。
在一些实施方案中，所述褐煤煤粉的含水率为2～25重量%，在一些实施方案中为5～20重量%，以及在一些实施方案中为10～20重量%。
根据本发明提供的固体燃料，其中，所述褐煤煤粉的粒度通常控制在3mm以下，以便能够与污水厂污泥充分混合，进而保证充分吸附异味和水分。在一些实施方案中，所述褐煤煤粉的粒度为0.5～3mm，以及在一些实施方案中为1～3mm。
根据本发明提供的固体燃料，其中，所述污水厂污泥与所述褐煤煤粉的重量比为1:1～5，优选为1:2～5，更优选为1:2～3。
根据本发明提供的固体燃料，其中，所述固体燃料是由所述污水厂污泥和所述褐煤煤粉混合例如粉碎混合制成的。
本发明中，所述污水厂污泥和所述褐煤煤粉经粉碎混合被制成颗粒状的固体燃料。在一些实施方案中，所述固体燃料是粒度为2～5mm的颗粒。
另一方面，本发明提供了一种制备所述固体燃料的方法，其中，所述方法包括以下步骤：将污水厂污泥和褐煤煤粉混合，从而制得固体燃料。
根据本发明提供的方法，其中，所述污水厂污泥和所述褐煤煤粉的混合方法为粉碎混合。
本发明中，通过粉碎混合，所述污水厂污泥和所述褐煤煤粉被制成固体燃料颗粒。
根据本发明提供的方法，其中，所述污水厂污泥和所述褐煤煤粉的混合方法为高速粉碎混合。
本发明中，所述高速粉碎混合是通过粉碎机进行的，所述粉碎机的转速为1000转/分钟以上。在一些实施方案中，所述粉碎机的转速为1800～4000转/分钟。
根据本发明提供的方法，其中，所述粉碎混合的时间为5～10分钟。
根据本发明提供的方法，其中，通过包括以下步骤的方法制备所述褐煤煤粉：
(1)将褐煤粉碎成粒度≤3mm的煤粉;和/或
(2)将褐煤干燥至含水率≤25重量%，优选地，2～25重量%，更优选地5～20重量%，进一步优选地10～20重量%。
根据本发明提供的方法，可以根据褐煤的粒度和含水率单独或共同实施所述步骤(1)和(2)。同时，本发明对步骤(1)和(2)的顺序没有特殊要求。在一些实施方案中，可以先进行步骤(1)，再进行步骤(2);在一些实施方案中，可以先进行步骤(2)，再进行步骤(1)，以及在一些实施方案中仅实施步骤(1)或步骤(2)。
根据本发明提供的方法，其中，所述褐煤的含水率为30～50重量%，优选为40～50重量%。
根据本发明提供的方法，其中，所述干燥的温度为80～130℃，优选为90～110℃。
又一方面，本发明还提供了所述固体燃料作为垃圾焚烧厂或热电厂的燃料的用途。
本发明具有以下优点：
(1)本发明通过将污水厂污泥与干燥的褐煤煤粉混合造粒而制得固体燃料，进而将污水厂污泥“变废为宝”，实现了污水厂污泥与褐煤的协同资源化利用，并且实现了污水厂污泥与褐煤的高附加值燃料化利用。
褐煤的含水量通常为30～50重量%，干燥后产生大量的毛细孔，具有强的吸附异味和水分的作用。通过有效地发挥干燥的褐煤煤粉的“吸湿效应”，实现污水厂污泥细胞破壁，快速释放毛细水、吸附水(特别是内部水)，促进污水厂污泥脱水干化，从而减少化学药剂使用。同时，干燥的褐煤煤粉具有吸附污染物的特性，这有助于吸附、固持污水厂污泥中有机物与重金属等污染物，并在高温燃烧过程实现重金属的稳定化，为燃烧灰渣作为建筑材料奠定基础。另外，利用褐煤含碳较高的特点，提高燃料的热值，充分改善燃烧工况和环保性能，变废为宝。
(2)本发明所述的工艺具有投资小、见效快，工艺相对简单、灵活、可靠，装置运行费用低、实用性强、处理规模大、无害化彻底、资源化与能源化率高，环境友好，充分体现了循环经济和低碳经济的理念，具有显著的社会效益、经济效益与环境效益。
特别地，污水厂污泥脱水干化存在能耗高、处理工艺复杂等技术难题，以及褐煤，特别是褐煤煤粉用途不大价格低廉。本发明开拓了褐煤行业的褐煤煤粉的利用，将其与污水厂污泥的资源化协同互补利用，转化为固体燃料，节能环保效益显著。整个过程不产生二次污染，干燥的褐煤煤粉不仅吸水，而且除味，混合后的污泥无任何异味，且干燥过程无异味排放。
(3)本发明的固体燃料和方法原料适应性强，可以大规模处理城市污泥，彻底实现污泥资源化高效循环利用和能源化处理。制备的固体燃料环保性能好，可用于垃圾焚烧厂和热电厂等的燃料，大大降低了企业运行的原料成本。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
实施例1
将阜新市清源污水厂提供的含水率为63重量%的城市污泥1kg与含水率为20重量%的粒度为1mm褐煤煤粉1kg置于购自云达机械厂公司的SL-2000AABS型粉碎机混合造粒5min，放置干化，得到环保型的固体燃料约2kg，固体燃料颗粒的粒度为2mm，无异味。其中，粉碎机的转速为4000转/分钟。
按国标固体生物质燃料发热量测定方法(GB/T30727～2014)对所获得的环保型固体燃料进行检测，其高位热值为18.9MJ/kg。
实施例2
将大唐国际内蒙古克什克腾旗煤制天然气公司污水厂提供的含水率为80重量%的化工污泥1kg与含水率为10重量%的粒度为3mm褐煤煤粉3kg置于购自云达机械厂的SL-2000AABS型粉碎机混合造粒5min，放置干化，得到环保型的固体燃料约4kg，固体燃料颗粒的粒度为5mm，无异味。其中，粉碎机的转速为2700转/分钟。
按国标固体生物质燃料发热量测定方法(GB/T30727～2014)对所获得的环保型固体燃料进行检测，其高位热值为23.3MJ/kg。
实施例3
将阜新市碧波污水厂提供的含水率为75重量%的城市污泥1kg与含水率为15重量%的粒度为3mm褐煤煤粉2kg置于购自云达机械厂的SL-2000AABS型粉碎机混合造粒5min，放置干化，得到环保型的固体燃料约3kg，固体燃料颗粒的粒度为5mm，无异味。其中，粉碎机的转速为1800转/分钟。
按国标固体生物质燃料发热量测定方法(GB/T30727～2014)对所获得的环保型固体燃料进行检测，其高位热值为17.8MJ/kg。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
