污泥快速热解处理及转化物原位利用方法

　　申请日2013.03.21

　　公开(公告)日2013.06.26

　　IPC分类号C02F11/10; C02F11/12; C02F11/00; C10B53/00; F02G5/00; C01B31/08; C01B31/10; B01D53/02; B09B3/00; C10B57/00

　　摘要

　　一种污泥快速热解处理及转化物的原位利用方法，接污泥的脱水干化、污泥的中温快速热解、热解产物的分离、热解油的发电与余热利用、热解气的循环利用和热解炭活化、废气的活性炭吸附净化处理六个步骤进行。采用本方法对城市生活污水处理厂所产的污泥和造纸、皮革、印染等行业产生的工业污泥进行处理，能对污泥实现显著减量，并将污泥热解转化产物就地利用于污泥的减量处理和废气净化处理，减小了贮存、运输等环节，是一种集约式的处理方式，具有能量回收利用率高、二次污泥小、无害化程度高、运营成本低、环境效益明显等优点。

　　权利要求书

　　1.一种污泥快速热解处理及转化物的原位利用方法，其特征在于按如下步骤进行：

　　(1)污泥脱水干化：污泥经机械脱水，脱去20-30%水后，再经污泥干化机进行干化，使干化污泥含水率为5%-10%;

　　(2)污泥的中温快速热解处理：将干化污泥传送至热解反应器中，加热温度为500-600℃，进行无氧热处理，控制污泥进料速度和载气流速，保证污泥和热解挥发物在反应器中的停留时间分别为10-40min和1-5s;

　　(3)热解产物的分离与收集：对污泥经步骤(2)处理后输出的重质热固相流和轻质热气相流进行分离，并对分离后的产物进行收集。步骤(2)输出的重质热固相流主要是重质热解炭，利用自身重力由经倾斜式管道自然流入到热解炭活性装置;步骤 (2)输出的热气相流先通入到旋风分离器，分离出其中的细微粒状轻质热解炭，再通入到循环水冷却处理器，分离出热气相流中的可冷凝性气体即热解油和不可冷凝性气体即热解气;

　　(4)热解油的发电与余热利用：步骤(3)分离所得的热解油与矿物油按1∶1-3比例混合，作为热电联产机组的燃料油，热电联产机组产生的电能用于供应本发明所有相关装置的用电，热电联产机组产生的余热用于污泥热干化，多余的电能并入电网;

　　(5)热解气循环利用与热解炭的活化：将经步骤(3)分离而得的重质热解炭与轻质热解炭汇集于热解炭活化装置中，然后将步骤(3)分离而得的热解气导入活化装置中对热解炭进行活化，制得活化碳，再将热解炭活化装置释放的气体导入步骤(2) 的热解反应器中，多余热解气经下一步骤的废气净化后排放;

　　(6)废气的活性炭吸附净化处理：将步骤(1)污泥干化和步骤(5)用后的多余热解气汇集后通入活性炭吸附装置，进行净化处理，所用活性炭来自步骤(5)制得。

　　说明书

　　污泥快速热解处理及转化物的原位利用方法

　　技术领域

　　本发明涉及一种城市生活污水处理厂所产污泥和造纸、皮革、印染等行业产生的工业污泥的处理和利用方法。

　　背景技术

　　随着城市化的发展和水环境管理的重视与加强，城镇污水处理规模和程度与日俱增。至2010年底，我国城镇污水处理规模已达到12476万立方米/日。城镇污水处理厂污泥(简称污泥) 是污水处理过程中不可回避的副产物，主要来源于初次沉淀池、二次沉淀池等工艺单元。每万m3污水经处理后将产生污泥5-10 吨(按含水率80%计)，以此估算，当前我国每年产生污泥量已超过2200万吨。

　　污泥中含有大量的有机物和农作物生长所需的氮、磷、钾等营养元素，但同时也含有众多种类有毒有害污染物，包括致病菌、寄生虫(卵)等生物污染物，铜、锌、铬、汞等重金属，以及多氯联苯、二噁英等持久性有机污染物，如果得不到妥善处理，容易造成二次污染。

　　因此，如何安全、经济地处理污泥已成为全球共同关注的重要环境问题，也是污水处理厂和市政管理部门面临的难题。

　　目前，我国城市污泥的处理主要采用以下三种技术途径：

　　途径A：机械脱水(含水率80%左右)与稳定化处理+垃圾填埋场填埋;

　　途径B：机械脱水与稳定化+还田利用;

　　途径C：机械脱水处理+焚烧(或干化后焚烧)。

　　途径A被公认为是一种最不可持续的污泥处理方式。其不可持续性主要表现为：减量化程度低，仅脱去20%左右的水;填埋处置需要占用大量土地，同时造成污泥中有益成分(N、P等) 和能量的流失，又以多种方式向环境中输送污染物(如填埋气和渗沥液);由于污泥与生活垃圾性质差异较大，填埋场中污泥的引入，给填埋作业和填埋管理带来困难。因此，许多国家和地区已经非常慎重地采用此种方式处置污泥，如欧盟许多成员国已逐渐淘汰污泥填埋处置(2010年欧盟填埋处置所占比例为14%，预计2020约为7%)，美国环保署计划在今后的20年内关闭80%的污泥填埋场。鉴于我国当前国情，国家《城镇污水处理厂污泥处理处置技术规范》将污泥填埋视为“我国一定时间内一种过渡性的处理处置措施”。但随着我国经济的发展和环境保护要求的日益严格，我们有理由相信，在不久的将来这种污泥处理途径在我国也将成为历史。

　　将污泥机械脱水、稳定化处理后(如石灰稳定化、堆肥化等) 还田利用(途径B)，可实现对污泥中氮、磷等养分资源的部分回收利用，是当前包括我国在内的众多国家解决污泥出路的主要途径。然而，这种方式也伴随着向土壤中输入生物污染物、重金属和持久性有机污染物，长期的污泥回田极有可能导致土壤污染，危及农产品质量安全。许多发达国家和地区也因此对施入污泥的性质和数量、受纳土地类型等方面作了严格要求和管控。考虑到当前我国土壤污染形势已相当严峻，以及污泥产生量日趋增加与适合对污泥进行消纳的土地面积日益减小的矛盾，污泥还田利用必将受到更为严格的控制。

　　途径C(污泥原位机械脱水处理+焚烧或干化后焚烧)具有完全灭绝致病菌、污泥减量化彻底、并可部分回收污泥中的能量等优点，近年来日益受到重视，是解决低质污泥(特别是有毒有害物质含量较高的污泥)出路的重要替代技术。但是，由于污泥焚烧产生有大量的有毒有害气体(包括二恶英类等致癌物)，而这些气体的有效清除和净化需要大量的设施投入与资金投入，这种污泥消纳方式面临着“运营成本高和公共可接受性差”两大挑战。因此，尽管技术上相当成熟和存在诸多优势，污泥焚烧技术一直以来未能实现大规模的工业化应用。

　　发明内容

　　本发明要解决的技术问题是针对现有污泥处理技术存在的上述不足，提供一种污泥快速热解处理及转化物的原位利用方法。

　　解决上述技术问题的技术方案是：本污泥快速热解处理及转化物的原位利用方法按如下步骤进行：

　　(1)污泥脱水干化：污泥经机械脱水，脱去20-30%水后，再经污泥干化机进行干化，使干化污泥含水率为5%-10%;

　　(3)热解产物的分离与收集：对污泥经步骤(2)处理后输出的重质热固相流和轻重热气相流进行分离，并对分离后的产物进行收集。步骤(2)输出的重质热固相流(主要为重质热解炭) 利用自身重力由经倾斜式管道自然流入到热解炭活性装置;步骤 (2)输出的热气相流先通入至旋风分离器，分离出其中的细微粒状轻质热解炭，再通入到循环水冷却处理器，分离出热气相流中的可冷凝性气体即热解油和不可冷凝性气体即热解气;

　　(4)热解油的发电与余热利用;步骤(3)分离所得的热解油与矿物油按1∶1-3比例混合，作为热电联产机组的燃烧油，热电联产机组产生的电能用于供应本发明所有相关装置的用电，热电联产机组产生的余热用于污泥热干化，多余的电能并入电网;

　　(6)废气的活性炭吸附净化处理：将步骤(1)污泥于化和步骤(5)用后的多余热解气汇集后通入活性炭吸附装置，进行净化处理，所用活性炭来自步骤(5)制得。

　　本发明的有益效果是：

　　1、能量回收与利用效率高。本发明对污泥热解工艺进行了优化，可将污泥中的大部分能量转移到便于贮存和使用的热解油产物中，能量转化效率可高达60%;本发明以热解油为燃料进行发电，并将发电余热用于污泥热干化处理，提高了热解油的能量利用效率;此外，本发明利用热解炭中的余热对热解载气(也就是部分循环热解气)进行预热，可节省热解作业所需能量;

　　2、二次污染小，无害化程度高。通过经工艺优化后的中温快速热解处理，污泥中的绝大多数重金属将滞留在热解固相产物热解炭中，并以稳定的形式存在，降低了其后续非燃料化利用(如用作吸附剂、垃圾填埋场覆盖材料等)的环境危害风险。另一方面，由于热解气中几乎不含重金属，因而无需对热解气进行重金属脱除处理;

　　3、运营成本低。本发明采用中温快速热解技术将污泥转化成生物油，为污泥热干化处理和热解等作业提供能量源，可显著降低能耗和作业成本。另一方面，污泥经热干化处理和热解处理后，体积大大减小，最终热解炭体积为原脱水污泥(以含水率80%计)体积的10%左右，可明显节省后续贮存、运输等费用。此外，本发明采用经热解气活化处理的热解炭为吸附剂，对工艺运行过程中所产生的废气进行净化处理，降低了废气治理成本;

　　4、环境效益明显。地球矿物燃料资源的耗竭和温室效应是当前社会面临的两大难题，而开发与利用生物能等可再生能源和推进碳减排工作被公认为是解决这两大难题的根本途径。本发明将污泥经热解加工转化成生物油，用作污泥处理所需的能量源，可降低对矿物燃料的依赖(由此也减少了碳排放)。此外，本发明系统所产生的活性炭(即经活化处理后的热解炭) 含有较高的碳物质，并以稳定的形式存在，可用作垃圾填埋场覆盖材料(或废水、废气处理的吸附剂)，同时达到碳封存的目的。

　　具体实施方式

　　本发明下面结合实施例予以阐明：

　　本污泥快速热解处理及转化物的原位利用方法按如下步骤进行：

　　(1)污泥脱水与干化：污泥经机械脱水，脱去20-30%水后，再经污泥干化机进行进一步脱水。为确保污泥热解加工所产生的热解油具有较高的品质和热值，对污泥进行充分干化，使其固含率达到90-95%之间;

　　(2)污泥的中温快速热解处理：将干化污泥传送至热解反应器中进行热处理，使污泥转化为热解油、热解炭和热解气。为提高热解油产量和减免热解过程中污泥所含的重金属的挥发，采用中温快速热解方法对污泥进行无氧热处理，主要控制参数为：加热温度为500-600℃，污泥在热解反应器中的处理时间为5- 30min，污泥热解产生的挥发物在反应器中停留时间为1-5s;

　　(3)热解产物的分离与收集：对污泥经步骤(2)处理后输出的重质热固相流和轻重热气相流进行分离，并对分离后的产物进行收集。步骤(2)输出的重质热固相流利用自身重力由经倾斜式管道自然流入到热解炭活性装置;步骤(2)输出的热气相流先通入至旋风分离器，分离出其中的细微粒状轻质热解炭，再通入到循环水冷却处理器，分离出热气相流中的可冷凝性气体即热解油和不可冷凝性气体即热解气;

　　(4)热解油的发电与余热利用：步骤(3)分离所得的热解油与矿物油按1∶1-3比例混合，作为热电联产机组的燃烧油，热电联产机组产生的电能用于供应本发明所有相关装置的用电，热电联产机组产生的余热用于污泥热干化，多余的电能并入电网;

　　(5)热解气循环利用与热解炭的活化：将经步骤(3)分离而得的重质热解炭与轻质热解炭汇集于热解炭活化装置中，然后将步骤(3)分离而得的热解气导入活化装置中对热解炭进行活化，制得活化碳，再将热解炭活化装置释放的气体导入步骤(2) 的热解反应器中，多余热解气经下一步骤的废水净化后排放;