公布日：2023.11.03
申请日：2023.08.03
分类号：B01J23/745(2006.01)I;C01B32/05(2017.01)I;C10B53/00(2006.01)I;C02F11/13(2019.01)I
摘要
本发明涉及铁碳材料制备技术领域，具体涉及一种采用富铁市政污泥制备铁碳材料的系统和方法。其中，一种采用富铁市政污泥制备铁碳材料的方法，包括：预处理：富铁市政污泥经过烘干、粉碎获得预处理污泥；铁碳材料制备：利用水泥窑尾缺氧废气对预处理污泥进行炭化后制备得到铁碳材料。本发明将富铁市政污泥与水泥窑尾缺氧废气相耦合，解决了传统生物质和铁源制备铁碳材料的热源供给问题，无需进行额外热源补给，而且无需外加铁源，无需进行离线处理以及二次活化，最终制备出的铁碳材料在有机废水污染物降解过程中催化降解效果优异。
权利要求书
1.一种采用富铁市政污泥制备铁碳材料的方法，其特征在于，包括：预处理：富铁市政污泥经过烘干、粉碎获得预处理污泥；铁碳材料制备：利用水泥窑尾缺氧废气对预处理污泥进行炭化后制备得到铁碳材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述富铁市政污泥为采用铁盐絮凝剂进行脱水沉淀处理后的污泥；和/或，所述富铁市政污泥中铁的质量百分比为45-47％；和/或，所述水泥窑尾缺氧废气的温度为450-1000℃，优选为550-800℃。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述富铁市政污泥经过烘干后的含水率降至30％以下；优选的，所述富铁市政污泥利用对预处理污泥炭化后的水泥窑尾缺氧废气进行干燥；和/或，所述富铁市政污泥经粉碎后的粒径为200-800目；和/或，所述水泥窑尾缺氧废气中氧气的体积百分数小于10％。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述预处理污泥在立式结构的气动床中进行炭化；所述气动床具有三段式结构的炭化腔室，该三段式结构从上至下依次为第一段、第二段和第三段；所述预处理污泥从上至下给料，所述水泥窑尾缺氧废气从下至上给料；优选的，所述预处理污泥在炭化过程中，小粒径的预处理污泥被水泥窑尾缺氧废气吹至第一段，大粒径的预处理污泥下沉至第三段；和/或，所述预处理污泥经炭化后，小粒径的预处理污泥被水泥窑尾缺氧废气携带输送至旋风分离器进行分离，大粒径的预处理污泥从底部排渣器外排。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，以富铁市政污泥的质量为500g计，所述水泥窑尾缺氧废气的用量为0.3-0.4m3；和/或，所述水泥窑尾缺氧废气在第三段内的流速为0.5-1m/s。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述炭化的时间为45-85min。
7.一种采用富铁市政污泥制备铁碳材料的系统，其特征在于，包括依次连接的烘干机、粉碎机、给料机和气动床；所述气动床与水泥窑尾缺氧废气出口连接。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述气动床为立式结构，其内部设置有炭化腔室，炭化腔室为相互连通的三段式结构，该三段式结构从上至下依次为第一段、第二段和第三段。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第二段为均匀扩径结构，其大径端与第一段的底部连接，其小径端与第三段的顶部连接；和/或，所述第三段的下部设置有过滤板，第三段的底部末端设置有风管，风管的另一端与水泥窑尾缺氧废气出口连接；所述过滤板的上方设置底部排渣器，底部排渣器的一端与第三段连通，底部排渣器的另一端向外延伸出气动床；和/或，所述第一段的靠近顶部的位置设置有与其连通的旋风分离器。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述底部排渣器和旋风分离器均连接在产品储料仓上；和/或，所述底部排渣器为相对于第三段朝向其底部倾斜设置的排渣管道；和/或，所述第一段与第三段的内径比为(1.5-2)：1。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有铁碳材料制备过程中需离线处理以及二次活化且最终制备的铁碳材料的催化降解性能不佳的缺陷，从而提供一种利用富铁市政污泥制备铁碳材料的系统和方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种采用富铁市政污泥制备铁碳材料的方法，包括：
预处理：富铁市政污泥经过烘干、粉碎获得预处理污泥；
铁碳材料制备：利用水泥窑尾缺氧废气对预处理污泥进行炭化后制备得到铁碳材料。
优选的，所述富铁市政污泥为采用铁盐絮凝剂进行脱水沉淀处理后的污泥；
和/或，所述富铁市政污泥中铁的质量百分比为45-47％；
和/或，所述水泥窑尾缺氧废气的温度为450-1000℃，优选为550-800℃。
优选的，所述富铁市政污泥经过烘干后的含水率降至30％以下；优选的，所述富铁市政污泥利用对预处理污泥炭化后的水泥窑尾缺氧废气进行干燥；
和/或，所述富铁市政污泥经粉碎后的粒径为200-800目；
和/或，所述水泥窑尾缺氧废气中氧气的体积百分数小于10％。
优选的，所述预处理污泥在立式结构的气动床中进行炭化；所述气动床具有三段式结构的炭化腔室，该三段式结构从上至下依次为第一段、第二段和第三段；所述预处理污泥从上至下给料，所述水泥窑尾缺氧废气从下至上给料；
优选的，所述预处理污泥在炭化过程中，小粒径的预处理污泥被水泥窑尾缺氧废气吹至第一段，大粒径的预处理污泥下沉至第三段；
和/或，所述预处理污泥经炭化后，小粒径的预处理污泥被水泥窑尾缺氧废气携带输送至旋风分离器进行分离，大粒径的预处理污泥从底部排渣器外排。
优选的，以富铁市政污泥的质量为500g计，所述水泥窑尾缺氧废气的用量为0.3-0.4m3；
和/或，所述水泥窑尾缺氧废气在第三段内的流速为0.5-1m/s。
优选的，所述炭化的时间为45-85min；
和/或，所述炭化的同时还进行活化。本发明中的富铁市政污泥中的铁元素可以充当活性剂。
本发明还提供一种采用富铁市政污泥制备铁碳材料的系统，包括依次连接的烘干机、粉碎机、给料机和气动床；
所述气动床与水泥窑尾缺氧废气出口连接。
优选的，所述气动床为立式结构，其内部设置有炭化腔室，炭化腔室为相互连通的三段式结构，该三段式结构从上至下依次为第一段、第二段和第三段。
优选的，所述第二段为均匀扩径结构，其大径端与第一段的底部连接，其小径端与第三段的顶部连接；
和/或，所述第三段的下部设置有过滤板，第三段的底部末端设置有风管，风管的另一端与水泥窑尾缺氧废气出口连接；所述过滤板的上方设置底部排渣器，底部排渣器的一端与第三段连通，底部排渣器的另一端向外延伸出气动床；所述过滤板的作用为：允许缺氧废气通过，以保证气动床内的富铁市政污泥流化炭化、活化；对缺氧废气进行均匀分配，以提高缺氧废气在第三段内的分散均匀程度；对第三段内的大粒径固体颗粒起到较好的拦截和支撑作用。
和/或，所述第一段的靠近顶部的位置设置有与其连通的旋风分离器。
优选的，所述底部排渣器和旋风分离器均连接在产品储料仓上；
和/或，所述底部排渣器为相对于第三段朝向其底部倾斜设置的排渣管道；
和/或，所述第一段与第三段的内径比为(1.5-2)：1。
在本发明中，由于第一段的内径大于第三段的内径，所以第一段的水泥窑尾缺氧废气的风速小于第三段的风速，使得粒径小的固体颗粒被吹至第一段，而粒径大的固体颗粒停留在第三段，第三段的水泥窑尾缺氧废气的温度较高，可以保证对大粒径固体颗粒的较好的炭化和活化，炭化和活化完毕后，水泥窑尾缺氧废气将小粒径固体颗粒吹至旋风分离器进行气固分离，小粒径固体颗粒排净后，关闭第一段的出口，打开底部排渣器的阀门，利用水泥窑尾缺氧废气将大粒径固体颗粒由底部排渣器携带外排。
在本发明中，为了防止水泥窑尾缺氧废气对外界的影响过大，在排放大粒径固体颗粒时，将水泥窑尾缺氧废气的流速调小。
在本发明中，富铁市政污泥在热解过程中，其中的铁元素可以发挥催化剂的作用，有助于提高材料的孔隙结构和比表面积。在热解过程中，铁可以作为催化剂，促进热解反应的进行，并在一定程度上影响材料的微观结构和孔隙分布。首先，铁元素可以催化有机物质的热解过程，有助于增加产物的孔隙度。这是因为铁元素可以促进有机物质分解成更小的分子，这些小分子在热解过程中气化可以逸出，形成更多的孔隙。其次，铁元素在高温下可以形成不同价态的铁氧化物，这些铁氧化物在热解过程中可以发生还原反应脱氧结合炭生成气态氧化物，进一步增加材料的比表面积。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.一种采用富铁市政污泥制备铁碳材料的方法，包括：预处理：富铁市政污泥经过烘干、粉碎获得预处理污泥；铁碳材料制备：利用水泥窑尾缺氧废气对预处理污泥进行炭化后制备得到铁碳材料。本发明将富铁市政污泥与水泥窑尾缺氧废气相耦合，解决了传统生物质和铁源制备铁碳材料的热源供给问题，无需进行额外热源补给，而且无需外加铁源，无需进行离线处理以及二次活化，且最终制备出的铁碳材料在有机废水污染物降解过程中催化降解效果优异。
2.本发明的采用富铁市政污泥制备铁碳材料的方法，其中，工艺流程的热量流动符合能量梯级利用，水泥窑尾缺氧废气在进行富铁市政污泥炭化后，余热仍可以进行污泥干化；此外，炭化富铁市政污泥后的水泥窑尾缺氧废气中含有可燃有机物，可以回通到水泥窑预分解炉中进行热量再补充，提高了能量的利用率；本发明利用热解法将富铁市政污泥转化为具有一定经济价值铁碳材料，同时还可以避免该污泥处理处置带来的环境风险。
3.本发明的采用富铁市政污泥制备铁碳材料的方法，水泥窑尾缺氧废气既是低含氧量气源，又是热源，可以满足炭化过程中活化条件与冲孔要求，进而可以不用额外营造高湿缺氧的环境进行活化，在一定程度上降低了能耗。
4.本发明的采用富铁市政污泥制备铁碳材料的方法，富铁市政污泥中存在的过渡金属(如，Fe、Cu、Ni等)会增强铁碳材料活化过硫酸盐的活性，增强降解有机废水的能力；富铁市政污泥内部的铁元素，在高温热解条件下具有加强催化的效果，这是因为富铁市政污泥中的Fe2O3组分能与富铁市政污泥中生物炭等有机成分发生反应，生成热解产物(CO、CO2、H2、CH4等)，促进生物炭的转化。
（发明人：董婧祎;张德群;徐剑;毛岩鹏;逄栋杰）
