申请日2014.05.14
公开(公告)日2014.07.30
IPC分类号C02F11/10; B01J20/20; B09B5/00; B09B3/00; B01J20/30
摘要
本发明公开了一种废塑料与污泥混合制备炭吸附材料的方法与系统，将破碎后的废塑料与干燥后的污泥按一定比例均匀混合，混合后的物料进行炭化与活化，制备炭吸附材料;炭化与活化过程产生的热解气体燃烧作为炭化与活化的外部热源，燃烧产生的烟气用于污泥的干燥脱水，解决污泥热解制备炭吸附材料过程的能源自给问题。本发明的优点在于：将城市生活垃圾引入到污泥制备炭材料技术领域，利用废塑料来改善污泥热解炭性能指标的同时，发挥废塑料高热值的优点，实现废塑料高附加值利用，充分体现清洁生产与循环经济理念，节能与环保效益显著。
权利要求书
1.一种废塑料与污泥混合制备炭吸附材料的方法，其特征在于实现步骤包括：
(1)城市生活垃圾中的废塑料首先进行撕碎、破碎处理;
(2)将机械脱水后的污泥进行干燥，然后与废塑料按一定比例均匀混合，其中，废塑料占总物料重量比控制为5-50%;
(3)混合后的物料送入炭化装置进行炭化，得到的热解炭再送入活化装置进行活化，最终得到污泥炭吸附材料。
2.根据权利要求1所述的一种废塑料与污泥混合制备炭吸附材料的方法，其特征在于：步骤(3)中炭化与活化过程产生的热解气体燃烧作为炭化与活化的外部热源，燃烧后产生的烟气用于污泥的干燥脱水。
3.根据权利要求1所述的一种废塑料与污泥混合制备炭吸附材料的方法，其特征在于：步骤(1)中废塑料为城市生活垃圾中的废塑料，尤其能够适用于城市生活垃圾中难以处理的混合废塑料，破碎后废塑料的粒度范围控制为<30mm。
4.根据权利要求1所述的一种废塑料与污泥混合制备炭吸附材料的方法，其特征在于：步骤(2)中的污泥为污水厂经机械脱水产生的污泥，所述污泥含水率<95%，其中污泥干燥方法可以为直接干燥或间接干燥，干燥后污泥含水率控制为<30%。
5.根据权利要求1所述的一种废塑料与污泥混合制备炭吸附材料的方法，其特征在于：步骤(3)中废塑料与污泥混合物热解炭化温度控制为500℃-700℃，活化温度控制为700℃-1000℃。
6.一种废塑料与污泥混合制备炭吸附材料方法的系统，其特征在于：用于实现权利要求1至5之一所述一种废塑料与污泥混合制备炭吸附材料的方法，主要由输送装置、干燥装置、撕碎装置、破碎装置、定量给料装置、混合装置、炭化装置、活化装置以及气体处理装置组成，1#输送装置出口与撕碎装置入口连接，撕碎装置出口与破碎装置入口连接，破碎装置出口与3#输送装置入口连接，3#输送装置出口与1#缓冲料仓入口连接，1#缓冲料仓出口与1#定量给料装置入口连接，1#定量给料装置出口与混合装置入口连接;2#输送装置出口与干燥装置入口连接，污泥干燥装置出口与4#输送装置入口连接，4#输送装置出口与2#缓冲料仓入口连接，2#缓冲料仓出口与2#定量给料装置入口连接，2#定量给料装置出口与混合装置入口连接;混合装置出口与5#输送装置入口连接，5#输送装置出口与炭化装置入口连接，炭化装置出口与活化装置入口连接。
7.根据权利要求6所述一种废塑料与污泥混合制备炭吸附材料方法的系统，其特征在于：所述的炭化装置与活化装置产生的热解气体经气体处理装置处理后用于燃烧加热炭化装置与活化装置，其中的炭化装置为固定床式、移动床式或回转窑式炭化炉， 活化装置为常规活化炉，气体处理装置为具有脱酸功能的干法或湿法气体净化设备;燃烧产生的烟气进入干燥装置。
8.根据权利要求6或7所述一种废塑料与污泥混合制备炭吸附材料方法的系统，其特征在于：所述的干燥装置可以是回转干燥设备、水热法脱水设备、流态化干燥设备、真空干燥设备或圆盘式干燥设备等;干燥方式可以为直接干燥和间接干燥。
9.根据权利要求6所述一种废塑料与污泥混合制备炭吸附材料方法的系统，其特征在于：所述的1#定量给料装置与2#定量给料装置为螺旋给料机、星形给料机或振动给料机;所述的混合装置为犁刀式混料机、耙式混料机、转筒式混料机或搅拌式混料机。
10.根据权利要求6至9之一所述一种废塑料与污泥混合制备炭吸附材料方法的系统，其特征在于：所述的1#输送装置为皮带输送机或板式输送机;2#输送装置为皮带输送机、刮板输送机、斗提机、拉链机或螺旋输送机;3#输送装置为皮带输送机、螺旋输送机或刮板输送机;4#输送装置和5#输送装置可以为皮带输送机、刮板输送机、斗提机、拉链机或螺旋输送机;撕碎装置为塑料撕碎机;破碎装置为塑料剪切式破碎机。
说明书
一种废塑料与污泥混合制备炭吸附材料的方法及系统
技术领域
本发明公开一种废塑料与污泥混合制备炭吸附材料的方法及系统，按国际专利分类表(IPC)划分属于城市生活垃圾与污泥资源综合利用领域。
背景技术
随着我国社会经济和城镇化进程的快速发展，城市污水处理厂的规模不断扩大，污泥产生量也大幅度增加。我国城市污泥的特点是含水率高、污泥组分热值较低、处理过程易产生大量臭气和其他有害污染物等。因此，如何低成本高效处置污水厂污泥是我国城市发展面临的一个重大难题。
传统处理污泥的处置方法为海洋弃置法、填埋法、堆肥法和焚烧法。
(1) 海洋弃置法：将污泥直接投入大海，危害海洋生态系统，造成海洋环境恶化。美国环保局于1991年全面禁止污泥的海洋处置;我国政府承诺于1994年2月20日起不在海上处置工业废物和城市污泥;欧盟从1998年12月31日后禁止向水体中倾倒污泥，国际公约组织同年通过了禁止向大海排放污泥的决议。
(2) 填埋法：污泥填埋占用大量土地，导致城市郊区可使用土地减少，甚至导致永久废弃;污泥含水率高、粘度大，不仅填埋操作困难，还使得填埋体易发生变形和滑坡，成为“沼泽地”，造成安全隐患;污泥富含病原体、病毒等有害微生物，污染性较强，将影响生态“食物链”，危害居民安全。欧洲在2000年开始对填埋征税，从2005年起禁止一切有机废物的填埋。
(3) 堆肥法：在污泥中加入一定比例的秸杆、稻草、木屑或生活垃圾等膨松剂和调理剂，利用污泥的微生物进行发酵转化为类腐植类，作为作物肥料。堆肥处理后的产品病原体仍有可能存活，堆肥肥效与养分低，重金属和有毒有机物无法控制，应用效果不佳。
(4) 焚烧法：焚烧法将污泥在焚化炉里进行焚化燃烧，使有机物全部碳化的同时，杀灭各种病原体，最终产物为含固率99%以上的无机灰烬。污泥在燃烧过程中存在热值低、燃耗高、污染重、操作管理复杂、投资大和运行费用高等缺点，使焚烧法无法得到大规模应用。
综上所述，随着城市的现代化扩张发展，污水处理效率提高，污水污泥的产量也显著增加。传统污泥处置方式已经不能满足社会发展需要，开发新型污泥处置技术势在必行。
活性炭吸附材料具有非常独特的孔隙结构和表面官能团，有耐酸、耐碱、耐热等性能，化学稳定性好、吸附能力强、再生方便。活性炭吸附材料的需求量正随着社会的发展和人民生活水平的提高，呈显出逐年上升的趋势。但是制备活性炭吸附材料的原料成本高，能源消耗大，严重制约了它的进一步发展和应用。污泥中碳氢含量较高，有机质成分多，作为制备炭吸附材料的原料，可通过一定温度下的炭化活化处理，制备出性能良好的活性炭。该方法优点在于：(1)制备污泥活性炭代替商品活性炭，可以节省木材、煤炭等原料资源，降低了活性炭的生产成本;(2)将污泥制备为吸附性能良好的活性炭吸附材料，为城市污水厂污泥高效资源化利用提供了新的途径。
针对污泥处理及生产污泥炭吸附材料，部分研究者开展了相关探索。CN103396815A公开了一种污泥制备炭材料的方法，将污泥进行水热法脱水后，用于厌氧发酵产生沼气或用于生产生物炭;该方法需要消耗外部能源，增加了污泥处理成本。CN102337142A公开了一种利用导热油炉导热空心桨叶汽化反应器与空心桨叶炭化反应器制备污泥炭的方法，生产的污泥炭返回锅炉中燃烧供热给汽化反应器和炭化反应器;CN102358861A则提供了一种将污泥、生物质燃料采用石灰法除臭灭菌后与煤粉混合制备含碳燃料用于燃烧的方法;这两种方法局限于污泥的减量化处理，利用价值低。CN102071033A公开了一种污泥热化学法制炭处置方法，将污泥加热至170℃～250℃，并在全封闭保温条件下连续注入一氧化碳、二氧化碳等气体，使污泥中有机物、蛋白质、纤维、菌胶团等在机械力和温度的共同作用下，浓缩成含水率≤9%的热成型棒(或球)，用于燃料燃烧;该方法处理污泥工艺复杂，成本较高，对机械设备要求高。
CN101974359A 提出将回收水、硫酸和双氧水与污泥搅拌混匀并加热至60℃～95℃，经10～80min的活化预处理后水洗并利用白灰调节碱度，最后经热解得到热解炭;CN101423212A公开了一种利用污泥制备污泥活性炭的方法，将脱水污泥进行烘干，然后在半干馏气化炉中进行半干馏处理，得到的污泥半焦与粘结剂进行混合、造粒，最后在活化炉中进行活化，得到活性炭材料;CN1644495A公开了一种城市污水处理厂污泥制备活性炭的方法，将污泥干燥至10%含水率，用ZnCl2溶液对污泥进行活化浸泡，然后烘干并加入增碳剂，最后在500～800℃条件下炭化活化，得到活性炭。日本专利JP7242408 (A)提出一种利用处理污水厂污泥制备活性炭的方法，将干化后的污泥在700~1200℃条件炭化，并按一定速率吹入活性气氛制得活性炭。日本专利JP9241015(A)提出一种利用污水污泥制备活性炭的方法和设备系统，通过制粒机制成的3~15mm干化污泥颗粒，在500~800℃温度条件下进行炭化，炭化颗粒再进入800~850℃的活化区进行活化得到污泥活性炭，炭化产生的气体被当作活性气体用于活化。上述专利主要是通过调整炭化活化温度、气氛和活化剂等来获得性能良好的污泥炭吸附材料，但均未能解决生产过程能耗高与原料成本高等问题，也未涉及利用废塑料等垃圾与污泥混合热解制备炭吸附材料。
综合分析国内外研究现状，引入城市生活垃圾中的废塑料与污泥混合热解制备炭吸附材料的内容未有相关报道。
发明内容
针对现有污泥热解制备炭吸附材料技术涉及的能源消耗高且无法自供给、原料成本高、产品吸附性能指标差等局限，本发明提供一种废塑料与污泥混合制备炭吸附材料的方法，其制备的热解炭吸附性能指标高。
本发明另一目的是添加废塑料后大幅度提高了热解气体的热值，使整个工艺系统所需热量实现自供，节能环保。
本发明还提供一种废塑料与污泥混合制备炭吸附材料的系统。及系统。其基本原理是：废塑料作为高挥发份含量的碳氢化合物，与污泥在重叠的热解温度区间内发生强烈热解自由基相互作用，改善污泥热解炭表面官能团与孔隙结构分布，从而提高热解炭吸附性能指标。此外，由于
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种废塑料与污泥混合制备炭吸附材料的方法，其实现步骤包括：
(1)城市生活垃圾中的废塑料首先进行撕碎、破碎处理;
(2)将机械脱水后的污泥进行干燥，然后与废塑料按一定比例均匀混合，其中，废塑料占总物料重量比控制为5-50%;
(3)混合后的物料送入炭化装置进行炭化，得到的热解炭再送入活化装置进行活化，最终得到污泥炭吸附材料;
步骤(3)中炭化与活化过程产生的热解气体燃烧作为炭化与活化的外部热源，燃烧后产生的烟气用于污泥的干燥脱水;
步骤(1)中废塑料为城市生活垃圾中的废塑料，尤其能够适用于城市生活垃圾中难以处理的混合废塑料，破碎后废塑料的粒度范围控制为<30mm;
步骤(2)中的污泥为污水厂经机械脱水产生的污泥，所述污泥含水率<95%，其中污泥干燥方法可以为直接干燥或间接干燥，干燥后污泥含水率控制为<30%;
步骤(3)中废塑料与污泥混合物热解炭化温度控制为500℃-700℃，活化温度控制为700℃-1000℃。
一种废塑料与污泥混合制备炭吸附材料方法的系统，主要由输送装置、干燥装置、撕碎装置、破碎装置、定量给料装置、混合装置、炭化装置、活化装置以及气体处理装置组成，1#输送装置出口与撕碎装置入口连接，撕碎装置出口与破碎装置入口连接，破碎装置出口与3#输送装置入口连接，3#输送装置出口与1#缓冲料仓入口连接，1#缓冲料仓出口与1#定量给料装置入口连接，1#定量给料装置出口与混合装置入口连接;2#输送装置出口与干燥装置入口连接，污泥干燥装置出口与4#输送装置入口连接，4#输送装置出口与2#缓冲料仓入口连接，2#缓冲料仓出口与2#定量给料装置入口连接，2#定量给料装置出口与混合装置入口连接;混合装置出口与5#输送装置入口连接，5#输送装置出口与炭化装置入口连接，炭化装置出口与活化装置入口连接。
进一步，所述的炭化装置与活化装置产生的热解气体经气体处理装置处理后用于燃烧加热炭化装置与活化装置，其中的炭化装置为固定床式、移动床式或回转窑式炭化炉， 活化装置为常规活化炉，气体处理装置为具有脱酸功能的干法或湿法气体净化设备;燃烧产生的烟气进入干燥装置。
进一步，所述的干燥装置可以是回转干燥设备、水热法脱水设备、流态化干燥设备、真空干燥设备或圆盘式干燥设备等;干燥方式可以为直接干燥和间接干燥;
进一步，所述的1#定量给料装置与2#定量给料装置为螺旋给料机、星形给料机或振动给料机;所述的混合装置为犁刀式混料机、耙式混料机、转筒式混料机或搅拌式混料机。
进一步，所述的1#输送装置为皮带输送机或板式输送机;2#输送装置为皮带输送机、刮板输送机、斗提机、拉链机或螺旋输送机;3#输送装置为皮带输送机、螺旋输送机或刮板输送机;4#输送装置和5#输送装置可以为皮带输送机、刮板输送机、斗提机、拉链机或螺旋输送机;撕碎装置为塑料撕碎机;破碎装置为塑料剪切式破碎机。
本发明的优点在于：
(1)充分实现城市生活垃圾中废塑料资源化与能源化高效利用，避免了废塑料填埋造成的资源浪费和简单焚烧所造成环境污染;
(2)充分发挥城市生活垃圾中废塑料高热值的优点，将炭化与活化过程产生的热解气体燃烧作为炭化与活化的外部热源，燃烧后产生的烟气用于污泥干燥脱水，彻底实现工艺全过程的能源自给问题，充分体现清洁生产与循环经济理念，节能与降成本效益显著;
(3)利用废塑料碳氢含量高，挥发份含量大且与污泥热解温度区间重叠等特点，作为污泥热解炭的增孔剂与增碳剂，有效改善污泥热解炭孔结构分布与吸附性能指标，从而提高其利用价值;
(4)利用废塑料与污泥混合热解制备炭吸附材料，将城市生活垃圾引入炭材料制备领域，变废为宝，工艺简单实用，大幅度降低了污泥制备炭吸附材料的成本，提高了市场竞争力，应用前景广阔。