申请日2015.10.14
公开(公告)日2015.12.30
IPC分类号C02F11/00; C02F11/12; C10J3/20; C10J3/84; F02G5/02; B01D53/78; B01D53/50; F02B63/04; B01D47/00
摘要
一种污泥制气发电方法，它包括以下步骤：利用燃气发电机组尾气余热对干化污泥进一步去除水分;将干燥后的污泥研磨破碎;将破碎的干燥污泥利用成型机挤压成型，得到方形颗粒边长为5mm～50mm，或圆柱形颗粒直径为5mm～50mm且高为5mm～50mm，或球形颗粒当量直径为5mm～100mm;对成型污泥进行化学成分及物理特性检测;将合格的成型污泥输送到煤气发生炉与气化剂发生反应生成煤气;将煤气降温除尘后输送入燃气发电机发电;它能对城市污水处理厂的污泥实现无害化、稳定化、减量化和资源化处理的最终目标，并能取得较好的经济效益，社会效益和环境效益;它广泛适用于各种城市污泥及垃圾的处理。
权利要求书
1.一种污泥制气发电方法，其特征在于包括以下步骤：
a.干燥：去除污泥中的水分得到含水率10～35%的干燥污泥，低位热值≥8500KJ/Kg;
b.破碎：将干燥后的污泥进行碾压、破碎加工;
c.成型：将破碎后的干燥污泥利用成型机挤压成型，得到方形颗粒边长为5mm～ 50mm，或圆柱形颗粒直径为5mm～50mm且高为5mm～50mm，或球形颗粒当量直径为 5mm～100mm;
d.检测：对成型污泥进行化学成分及物理特性检测，所述检测的参数包括灰分、挥发 分、固定碳、硫、含水率、灰渣软化温度、灰渣性能、高位热值、低位热值和发热值中的 一种或多种;
e.制气：将检测合格的成型污泥输送到煤气发生炉顶部，自上而下经料斗进入燃料层; 而气化剂富氧空气和过热蒸汽依椐成型污泥加入量所设定比例经炉蓖自下而上均匀通过 煤气发生炉的燃料层时能与成型污泥相遇，此时成型污泥与气化剂发生反应生成煤气;
f.降温：对煤气降温和净化，所述净化包括除尘;
g.发电：将降温和净化后的煤气输入燃气机气缸内，经气缸吸入煤气和空气、压缩、 点火爆炸和排气四冲程，爆炸产生能量可推动活塞直线运动，曲轴将活塞往复直线运动转 换为旋转运动，驱动与燃气机联接的发电机旋转，切割磁力线获得电能。
2.根据权利要求1所述的一种污泥制气发电方法，其特征在于所述步骤f还包括脱 除煤气中的部分二氧化碳和脱除煤气中的硫化氢，使煤气中的硫化氢含量小于20mg/m3， 满足燃气发电机对煤气质量的要求。
3.根据权利要求1所述的一种污泥制气发电方法，其特征在于所述煤气燃烧发电后 的尾气处理流程如下：
h.热交换：将燃气发电机组排放出来的可燃组分含量≤1%、温度≤600℃的高温尾气导 入步骤a中对污泥进行干燥，污泥在干燥装置内与高温尾气充分接触，发生热交换，污泥 得到进一步干化，同时尾气温度降低到150℃以下;
i.洗涤：采用清水与尾气在洗涤器内充分接触，洗涤尾气中的微量固体，尾气温度进 一步降低到50℃以下;
j.脱硫：脱硫液与尾气在脱硫塔内充分接触，尾气中SO2同脱硫液反应生成稳定的化 合物，脱硫液再生后循环使用;脱硫采用钠钙双碱法，脱硫液还能部分脱除NOx，同时可 进一步降低烟尘浓度。
4.根据权利要求1所述的一种污泥制气发电方法，其特征在于所述步骤e中煤气发 生炉的燃料层温度为600～1200℃;气化剂富氧空气和过热蒸汽的压力1000～20000Pa， 流速为0.5～2.0m/s;燃料层的高度为1.0～5.8m。
5.根据权利要求1所述的一种污泥制气发电方法，其特征在于所述步骤e中过热蒸 汽是采用硬度≤100mg/L的软水所制成的，该软水中Ca2+和Mg2+离子的当量之和≤100mg/L。
6.根据权利要求1所述的一种污泥制气发电方法，其特征在于所述步骤g中燃气机 进口煤气温度≤40℃，可燃组分含量≥50%，可燃组分含量的变化速率≤2%/min， H2S≤20mg/Nm3，杂质粒度≤5μm，杂质含量≤30mg/Nm3，水含量≤40g/Nm3。
7.根据权利要求3所述的一种污泥制气发电方法，其特征在于所述煤气燃烧发电后 最终对外排放尾气的特性为：尾气温度≤50℃，烟尘含量≤5mg/m3，SO2含量≤10mg/Nm3， NOx含量≤50mg/Nm3;臭气浓度达到GB14554-1993一级标准值：氨含量≤1.0mg/Nm3，硫 化氢含量<0.03mg/Nm3，三甲胺含量<0.05mg/Nm3，甲硫醇含量<0.004mg/Nm3，甲硫醚含 量<0.03mg/Nm3，二甲二硫含量<0.03mg/Nm3，二硫化碳含量<2.0mg/Nm3，苯乙烯含量 <3.0mg/Nm3，二恶英在0.01ng/Nm3以下。
8.根据权利要求1所述的一种污泥制气发电方法，其特征在于所述步骤c中将破碎 的干燥污泥利用成型机挤压成型，得到方形颗粒边长为25mm～40mm，或圆柱形颗粒直径 为25mm～40mm且高25mm～40mm，或球形颗粒当量直径为55mm～80mm。
9.根据权利要求1～8中任意一项所述的一种污泥制气发电方法，其特征在于所述步 骤d中对成型污泥进行化学成分及物理特性检测，其化学成分含量符合灰分20～40%、挥 发分40～70%、固定碳5～15%、硫0.2～0.8%及含水率10～35%;其物理特性符合发热值 ≥8.5MJ/Kg及灰渣软化温度1200～1600℃。
10.实现权利要求1所述污泥制气发电方法的一种污泥制气发电装置，其特征在于包 括干燥装置(1)、破碎机(2)、成型机(3)、煤气发生炉(4)、净化装置(6)和燃 气发电机(7);所述干燥装置(1)、破碎机(2)和成型机(3)依次连接用于对污泥先 后进行干燥、破碎和成型;所述煤气发生炉(4)连接在成型机(3)下游用于产生煤气， 其炉顶或炉体上部设置有用于输入成型污泥的入料口，炉底或炉体下部设置有用于输入富 氧空气和水蒸汽的进气口;所述净化装置(6)和燃气发电机(7)连接在煤气发生炉(4) 下游分别用于净化煤气发生炉(4)中产生的煤气和利用净化后的煤气为原料发电。
说明书
一种污泥制气发电方法及装置
技术领域
本发明涉及一种污泥制气发电方法及装置。
背景技术
为了保护我们有限的水资源，创造优良的生存环境，生活污水和工业废水必须经过污 水处理厂的处理，达到国家污水排放标准后才能排放，是否拥有城市污水处理系统，这已 成为一个现代城市文明的标志，也是城市生态环境建设必不可少的环境工程措施;城市污 水处理系统包括污水处理和污泥处理两部分，近年来，通过引进国外先进技术和技术改造， 我国的水处理技术水平有了很大的提高，各种类型的污水都能得到有效地控制，然而，由 于国际上没有一种有效的污泥处理技术可以借鉴，我国对污水处理过程中产生的污泥处理 技术，远远地落后于城市污水处理技术的发展;各种水处理技术在使污水得到净化的过程 中，将污水中绝大部分污染物转移到污泥中，这使得城市污水处理厂产生的污泥具有数量 大，且富集高浓度的有毒有害污染物的特点。
目前，我国对城市污水处理厂污泥主要采取临时堆埋的处置方法，不仅花费大量的资 金和占用大量的土地资源，而且给生态环境造成严重的二次污染，特别是污泥中的污水下 渗，给地下水资源带来的危害更是无法估计，而事实上城市周围不可能有适合堆放这类污 泥的空间和地点，污泥临时堆埋所产生的环境二次污染的危害，实际上抵消了污水处理的 环境效益;面对污泥引起的环境问题日趋尖锐和污泥危害日益加剧的现实，人们尝试利用 污泥作为肥料，用于农业或绿化，但是，污泥中所含的各种重金属限制了土壤对污泥利用 的适应性;研究表明，从废水中去除1mg/L的重金属，就会在污泥中积累10000mg/L的重 金属，它们会在土壤中富集，并通过作物的吸收进入食物链，最终危害到人体的健康，即 使有些污泥来自城市生活污水，重金属含量虽然较低，但污泥中所含的病原体和持久性有 机污染物，以及污水处理过程中添加的各种药剂，都会给环境带来潜在的危害。
参考国外污泥焚烧的实践，有的地方试图通过焚烧来达到污泥减量的目的，但是污泥 焚烧设备投资额高，能源消耗量大，运行费用昂贵，污泥焚烧的费用在400元/吨以上， 加上污泥在焚烧时，会给大气环境带来污染和焚烧后的残渣仍需处置等原因，根据我国的 国情，污泥焚烧处理在经济上难以承受，在技术上还不完善。
城市污泥的化学组成是基本保持稳定的，其中氮和磷的含量较高，污泥中含有较高的 有机物质;污泥中有机质含量高，它的热值也高，通过测定表明，城市污水处理厂污泥的 有机物质约占70%～80%，其热值约14MJ/kg相当于褐煤的热值;如果能将污泥中的热能 开发利用起来，不仅能够使城市污泥处理厂得到彻底安全地处理，而且能够使污泥所具有 的热能成为有价值的资源。
本领域的现有技术中也提供了一些污泥发电的方法，如发明专利申请201010107585.9 中公开了一种城市污水处理厂污泥处理和利用方法,其步骤为:通过压滤机将城市污水处 理厂的污泥压滤,由给料机进入污泥干燥机;将钙基改性剂通过给料机进入污泥干燥机,钙 基改性剂用量最高为污泥重量的1/100,在污泥干燥机内与污泥混拌并将污泥干燥成含水 为15%～20%的松散状污泥;利用造粒机将松散污泥压制成5mm～10mm粒径的污泥颗粒燃料; 该发明较好地对污泥进行减量化、无害化处理,并实现了资源化利用,同时处理时不仅不消 耗外部能源,而且可产生新的能源或物质外供;生活污水处理厂干化污泥热值在2500大卡 以上,采用燃烧低热值燃料的循环流化床锅炉,对造粒后的干化污泥进行燃烧,在产生热或 电的同时,对污泥进行了处理。
另有在污泥中掺杂其它燃料(如煤或生活垃圾)发电的现有方案，但这些方法大多是 直接对干燥和/或造粒之后的污泥直接燃烧发电，其发电的能量利用率较低;也有将污泥 发酵制备沼气用于发电的方案，但这样的方案中产生的二氧化碳气体较多，因而其能量利 用率也不高。
发明内容
针对上述情况，本发明目的在于提供一种污泥制气发电方法，它利用燃气发电机组排 放的尾气余热对污泥干化处理，再将干燥后的污泥破碎、挤压成型，进入煤气发生炉与气 化剂发生反应制取煤气，通过热回收、洗涤、贮存、净化后的煤气输送入燃气发电机发电， 从而对城市污水处理厂的污泥实现无害化、稳定化、减量化和资源化处理的最终目标，并 能取得较好的经济效益。
为实现上述任务，一种污泥制气发电方法，它包括以下步骤：
a.干燥：去除污泥中的水分得到含水率10～35%的干燥污泥，低位热值≥8500KJ/Kg (如无特殊说明，本发明所述百分含量均为重量百分含量);
b.破碎：将干燥后的污泥进行碾压、破碎加工;
c.成型：将破碎后的干燥污泥利用成型机挤压成型，得到方形颗粒边长为5mm～ 50mm，或圆柱形颗粒直径为5mm～50mm且高为5mm～50mm，或球形颗粒当量直径为 5mm～100mm;
d.检测：对成型污泥进行化学成分及物理特性检测，所述检测的参数包括灰分、挥发 分、固定碳、硫、含水率、灰渣软化温度、灰渣性能、高位热值、低位热值和发热值中的 一种或多种;
e.制气：将检测合格的成型污泥输送到煤气发生炉顶部，自上而下经料斗进入燃料层; 而气化剂富氧空气和过热蒸汽依椐成型污泥加入量所设定比例经炉蓖自下而上均匀通过 煤气发生炉的燃料层时能与成型污泥相遇，此时成型污泥与气化剂发生反应生成煤气;
f.降温：对煤气降温和净化，所述净化包括除尘;
g.发电：将降温和净化后的煤气输入燃气机气缸内，经气缸吸入煤气和空气、压缩、 点火爆炸和排气四冲程，爆炸产生能量可推动活塞直线运动，曲轴将活塞往复直线运动转 换为旋转运动，驱动与燃气机联接的发电机旋转，切割磁力线获得电能。
为实现本发明效果优化，其进一步的措施：所述步骤f还包括脱除煤气中的部分二氧 化碳和脱除煤气中的硫化氢，使煤气中的硫化氢含量小于20mg/m3，满足燃气发电机组对 煤气质量的要求。
所述煤气燃烧发电后的尾气处理流程如下：
h.热交换：将燃气发电机组排放出来的可燃组分含量≤1%、温度≤600℃的高温尾气导 入步骤a中对污泥进行干燥，污泥在干燥装置内与高温尾气充分接触，发生热交换，污泥 得到进一步干化，同时尾气温度降低到150℃以下;
i.洗涤：采用清水与尾气在洗涤器内充分接触，洗涤尾气中的微量固体，尾气温度进 一步降低到50℃以下;
j.脱硫：脱硫液与尾气在脱硫塔内充分接触，尾气中SO2同脱硫液反应生成稳定的化 合物，脱硫液再生后循环使用;脱硫采用钠钙双碱法，脱硫液还能部分脱除NOx，同时可 进一步降低烟尘浓度。
所述步骤e中煤气发生炉的燃料层温度为600～1200℃;气化剂富氧空气和过热蒸汽 的压力为1000～20000Pa，流速为0.5～2.0m/s;燃料层的高度为1.0～5.8m。
所述步骤e中过热蒸汽是采用硬度≤100mg/L的软水所制成的，该软水中Ca2+和Mg2+离子的当量之和≤100mg/L。
所述步骤g中燃气机进口煤气温度≤40℃，可燃组分含量≥50%，可燃组分含量的变化 速率≤2%/min，H2S≤20mg/Nm3，杂质粒度≤5μm，杂质含量≤30mg/Nm3，水含量≤40g/Nm3。
所述煤气燃烧发电后最终对外排放尾气的特性为：尾气温度≤50℃，烟尘含量≤5mg/m3， SO2含量≤10mg/Nm3，NOx含量≤50mg/Nm3;臭气浓度达到GB14554-1993一级标准值：氨 含量≤1.0mg/Nm3，硫化氢含量<0.03mg/Nm3，三甲胺含量<0.05mg/Nm3，甲硫醇含量 <0.004mg/Nm3，甲硫醚含量<0.03mg/Nm3，二甲二硫含量<0.03mg/Nm3，二硫化碳含量 <2.0mg/Nm3，苯乙烯含量<3.0mg/Nm3，二恶英在0.01ng/Nm3以下。
所述步骤c中将破碎的干燥污泥利用成型机挤压成型，得到方形颗粒边长为25mm～ 40mm，或圆柱形颗粒直径为25mm～40mm且高25mm～40mm，或球形颗粒当量直径为 55mm～80mm。
所述步骤d中对成型污泥进行化学成分及物理特性检测，其化学成分含量符合灰分 20～40%、挥发分40～70%、固定碳5～15%、硫0.2～0.8%及含水率10～35%;其物理特 性符合发热值≥8.5MJ/Kg及灰渣软化温度1200～1600℃。
本发明还提供一种污泥制气发电装置，它包括干燥装置、破碎机、成型机、煤气发生 炉、净化装置和燃气发电机;所述干燥装置、破碎机和成型机依次连接用于对污泥先后进 行干燥、破碎和成型;所述煤气发生炉连接在成型机下游用于产生煤气，其炉顶或炉体上 部设置有用于输入成型污泥的入料口，炉底或炉体下部设置有用于输入富氧空气和水蒸汽 的进气口;所述净化装置和燃气发电机连接在煤气发生炉下游分别用于净化煤气发生炉中 产生的煤气和利用净化后的煤气为原料发电。
本发明提供一种污泥制气发电方法，它包括以下步骤：利用燃气发电机组尾气余热对 干化污泥进一步去除水分，得到含水率10～35%的干燥污泥，其有机质含量大于50%，低 位热值8500KJ/Kg及以上;将干燥后的污泥经破碎机研磨破碎;将破碎的干燥污泥利用成 型机挤压成型，得到方形颗粒为边长5mm～50mm，圆柱形颗粒直径5mm～50mm、高 5mm～50mm，球形颗粒为当量直径5mm～100mm;对成型污泥进行化学成分及物理特性 检测，其化学成分含量符合灰分20～40%、挥发分40～70%、固定碳5～15%、硫0.2～0.8% 及含水率10～35%;其物理特性符合发热值≥8.5MJ/Kg及灰渣软化温度1200～1600℃;将 合格的成型污泥输送到煤气发生炉顶部，自上而下经料斗进入燃料层，而气化剂富氧空气 和过热蒸汽经炉蓖均匀自下而上通过煤气发生炉的燃料层并与成型污泥发生反应生成煤 气;煤气通过蒸汽过热器发生热交换，使蒸汽过热器温度上升到200～250℃，而煤气温度 下降到250～300℃;煤气再经洗气塔洗涤降温除尘、除焦油，温度进一步下降到20～50℃， 然后进入气柜贮存;煤气输送进入燃气发电机燃烧产生热能，驱动发电机发电的技术方案; 它利用燃气发电机组排放的尾气余热对污泥干化处理，再将干燥后的污泥破碎、挤压、成 型，进入煤气发生炉与气化剂发生反应制取煤气，煤气通过热回收、洗涤、贮存、净化后 经燃气发电机发电，从而对城市污水处理厂的污泥实现无害化、稳定化、减量化和资源化 处理的最终目标，并能取得较好的经济效益。
本发明相比现有技术所产生的有益效果：
Ⅰ、本发明采用煤气燃烧的热能转化为电能，并对燃烧后的尾气进行降温、洗涤及脱 硫脱氮处理，保证达标排放，符合发展循环经济的政策要求;
Ⅱ、本发明采用燃气发电机组尾气余热干化污泥，降低了污泥的含水率，为实现污泥 制气发电创造了条件，开辟了一条废物循环利用的有效途径，既能产生显著的社会效益和 环境效益，又能获得明显的经济效益;
Ⅲ、本发明采用对煤气发电前进行脱除二氧化碳及硫化氢，增加了单位体积煤气热值， 提高了燃气温度，从而提高了燃气发电机的效率，满足燃气发电机对煤气的要求;
Ⅳ、本发明采用方形颗粒边长为25mm～40mm，或圆柱形颗粒直径为25mm～40mm 且高为25mm～40mm，或球形颗粒当量直径为55mm～80mm的成型污泥，能使每公斤成 型污泥生产煤气的产量提高30%;
Ⅴ、本发明采用生产过热蒸汽的软水中Ca2+和Mg2+离子的当量之和≤100mg/L，能有 效防止煤气发生炉产生锅垢，提高了设备的使用寿命及煤气的生产效率;
Ⅵ、本发明利用燃气发电机组排放的尾气余热对污泥干化处理，再将干燥后的污泥破 碎、挤压、成型，进入煤气发生炉与气化剂发生反应制取煤气，煤气通过热回收、洗涤、 贮存、净化后经燃气发电机发电，从而对城市污水处理厂的污泥实现无害化、稳定化、减 量化和资源化处理的最终目标，并能取得较好的社会效益、环境效益及经济效益。
本发明广泛适用于各种城市污泥及垃圾的处理。