申请日2009.11.06
公开(公告)日2010.05.19
IPC分类号C02F11/10; C05F9/00; C09K17/00; C10L5/46; C10C1/00; C05F7/00
摘要
本发明提供了一种污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，具体步骤为：第一步：将污泥或有机垃圾送进低温干化裂解炉进行裂解;所得部分炭化的物料用作土壤有机肥的原料;第二步：将第一步中裂解产生的部分炭化的物料送入中温炭化炉进行炭化，所得生物有机炭用作土壤有机肥或者土壤改良剂的原料;第三步：将部分炭化的物料、生物有机炭以及污泥、秸秆或有机垃圾的一种或两种以上的混合物送入高温热解炉进行气化;第四步：将高温裂解炉中产气后剩余的固定碳送入高温亚熔融活化装置中，通入富氧空气，随后喷入调节液储箱中的液体进行调节，然后冷却得到复合生物炭。本发明效率高、步骤简单、产品多样化。
权利要求书
1.一种污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，具体步骤为：
第一步：将含水量为35-80wt%的污泥或有机垃圾送进低温干化裂解炉(3)进行裂解得到部分炭化的生物肥料，裂解温度为150℃～450℃，时间为20min～90min;裂解产生的气体送入第一冷凝器(6)冷凝，凝结的焦油送入调节液储箱(7)，未凝结的气体送入多段平衡燃烧室进行燃烧或经由除臭装置(10)通过引风机(12)送到烟囱(14)排放;所得部分炭化的物料用作土壤有机肥的原料或进入第二步或第三步进一步处理;
第二步：将第一步中裂解产生的部分炭化的物料送入中温炭化炉(2)进行炭化得到生物有机炭，炭化温度为400～650℃，时间为10min～60min;炭化产生的气体送入第二冷凝器(13)，凝结的焦油送入调节液储箱(7)，未凝结的气体送入多段平衡燃烧室进行燃烧;所得生物有机炭用作土壤改良剂的原料或进入第三步进一步处理;
第三步：将第一步中裂解产生的部分炭化的物料、第二步得到的生物有机炭以及含水量为10～35wt%的污泥、含水率为20%以下的秸秆或有机垃圾的一种或两种以上的混合物送入高温热解炉(1)进行气化，气化温度为800℃～1100℃，气化时间为5min～20min，空气的供给量为理论燃烧需求量的0.15～0.55，产生的热值为7000～15000KJ/m3的可燃气送入多段平衡燃烧室(11)进行燃烧，多段平衡燃烧室(11)中过量空气系数为1.05～1.3，燃烧产生的烟气作为热源分别送入中温炭化炉(2)和低温干化裂解炉(3)，中温炭化炉(2)排出的烟气作为热源送入低温干化裂解炉(3)，低温干化裂解炉(3)排出的烟气用石灰粉中和，再依次经由布袋收尘器(8)和选择性地通过冷凝水回收装置(9)送到烟囱(14)排放;
第四步：将营养调节剂和酸碱调节剂加入到调节液储箱(7)，将高温热解炉(1)中产气后剩余的固定碳送入高温亚熔融活化装置(4)中，通入含氧量在30～95vol%的富氧空气，活化温度为800～1200℃，活化时间为0.5～5min，按比例(180～300)g/kg炭喷入调节液储箱(7)中的液体，然后冷却得到复合生物炭用作土壤有机肥或者土壤改良剂的原料。
2.如权利要求1所述的污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，所述具体步骤还包括：
第五步：将秸秆、风化煤、煤矸石或劣质燃料投入高温气化炉(5)中进行气化，高温气化炉(5)中空气的供给量为理论燃烧需要量的0.2～0.6，产生的热值为7000～15000KJ/m3的可燃气送入多段平衡燃烧室进行燃烧;气化后剩余的残炭作为土壤改良剂的原料或者作为建材原料。
3.如权利要求1所述的污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，所述的污泥为城市污水污泥或河道淤泥。
4.如权利要求1所述的污泥 或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，所述有机垃圾为城乡生活垃圾中的有机成分或者含水率在80%以下的禽畜粪便。
5.如权利要求1所述的污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，所述第一步中将含水量为35-80wt%的污泥与有机垃圾混合后再送进低温干化裂解炉(3)。
6.如权利要求1所述的污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，所述第二步中将第一步中裂解产生的部分炭化的物料先按重量比100%∶0%～50%∶50%与成分调节剂混合后再送入中温炭化炉(2)。
7.如权利要求1所述的污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，所述的成分调节剂为秸秆或者含水率为20%以下的禽畜粪便。
8.如权利要求1所述的污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，所述第一步中将所得部分炭化的物料用作土壤有机肥的原料前，先将低温干化裂解炉(3)的物料排出端壁升温到460～600℃，物料在此温度下与壁面翻滚接触5～10min后，得到部分炭化后再排出。
9.如权利要求1所述的污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，所述第四步中的营养调节剂为炭化过程产生的生物油或者化肥，其在调节液储箱(7)中的体积浓度为0.5～20%。
10.所述第四步中的酸碱调节剂为磷酸二氢钾、碳酸钾或者石灰，其加入量控制使营养调节溶液的pH控制在6～8。
说明书
污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法
技术领域
本发明涉及一种污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，属于市政垃圾处理和资源循环利用技术领域。
背景技术
城市污水处理厂处理废水过程中产生的大量污泥，河道清理产生的河底污泥等，均含有大量的水分(80～90%)和有机物，同时还含有重金属及病原菌等;另外城市垃圾中的有机组分水分含量高(≥70%)，热值低，填埋产生大量渗滤液，焚烧消耗辅助燃料或者降低吨垃圾发电量。随着我国污水处理网络的完善，污泥的产量日益增加，成为与城市垃圾并行的最紧迫、最急需处置的城市废弃物。现有的城市污泥处理方法主要是填埋、堆肥、焚烧，虽然有少量的热解报道，但是由于缺乏有经济、有效实施意义的目标产品和优化的设备和工艺，实施例非常局限。填埋占用宝贵的土地资源;而由于污泥含水量大，焚烧前需要干化，焚烧不能带来大量的热能收益，反而投资巨大，控制二次污染的成本和代价都很大，因此污泥的低成本无害化处置技术及其系统装置非常急需。污泥的中低温裂解可以产生生物炭、油和可燃气，可燃气回收燃烧作为裂解的热源，可以减少或者避免对外部热源的消耗;同时燃烧生成的烟气可以作为热源干燥污泥中的水分，实现能源的梯级化利用，最后烟气净化后排出，焦炭得以利用，对环境无污染，整个裂解过程实现了对污泥的无害化和资源化;污泥的高温气化可以将污泥中的有机成分转化为可燃气，同时可以促进重金属的挥发，使残渣中的重金属按照处置的需要加以控制。
另一方面，中国的广大中、西北部地区土壤贫瘠沙化，类似地区全世界还有很多，如中东、中亚等地，这类地区一方面地表水蒸发量大、降雨少，有限的地下水都高度矿物化、含盐量高，而当地速生林、植树造林、植被保护改良急需大量具有蓄水、益菌、保温、缓释肥效的生物质有机炭。如果能利用人们居住环境中每日产生的市政污泥、市政垃圾作为主原料来源生产生物质有机炭时同时回收大量的中性或微酸性自由水，则不仅解决了污泥的处置问题，也为当地的土壤改良和沙漠化防治提供了最好的原料。
现有的污泥热解技术无法实现上述生产生物有机炭的功能。现有污泥热解技术可以分为以下几种类型：1)只是单一的中低温裂解，并利用干馏气的回收燃烧和烟气对湿污泥的干燥来节约辅助燃料，如申请号为200710148172.3的发明专利申请“高含水有机物的炭化处理方法及其装置”就是描述了这样一个单一温度区的污泥炭化工艺及其装置，要实现炭化产物的资源化利用只能处理某些特定的污泥;当希望保持炭化物的肥效时则因炭化温度的限制难以实现;或者是单一的高温气化，如与秸秆等生物质类似的流化床气化或者固定床气化技术，以产气为目的;2)只是针对特定的污泥，如发明专利“一种含油污泥的资源化处理方法”(200610103671.6)主要针对油污泥描述了其炭化方法;3)实施可行性要求极高或者产品加工及其复杂，如发明专利“微波辐射污泥制生物柴油的方法”(200610200510.9)利用微波辐射加热从污泥中制油、发明专利“利用剩余污泥制备氮氧化物催化剂的方法”(200610032276.3)利用化学活化剂和稀盐酸进行复杂处理后获得NOx的催化剂;4)以制备活性碳或吸附剂为目的，如申请号为200810123383.6的发明专利申请描述了一种城市污泥与农业废弃物共热解制备活性炭工艺;申请号为200610117891.4的发明专利申请描述了一种利用湿污泥制备炭化吸附剂的方法。由于污泥的含灰量高，获得高品质的活性炭或吸附剂的代价通常很高，以致于其实施无法与市场上现有的活性碳或吸附剂生产技术相竞争;5)只是单一的高温气化以产煤气为目的，如日本的Tokyo Gas Co.Ltd报道的污泥的热解气化气发电和供煤气工艺，由于燃气中含有一定量的飞灰、焦油，需要经过严格净化后才能进入燃气轮机和管道输送系统。综合分析，现有技术中缺乏实施性强、适应污泥的热值和重金属含量变化的工艺、技术和设备。
生物有机炭的市场很好，例如它可以用在城市市政绿化中，可以用于花卉、速生林的培育，在节能减排方面优于现有的焚烧和堆肥技术。特别是我国广大的西北部地区缺水、少肥、土壤盐碱化，林地和草地退化，沙漠逐渐扩大。干污泥含有近50%左右的有机物，干污泥和干化后的有机垃圾热裂解时产生气体和生物油逃逸后，留下的生物有机炭很合适生产土壤改良剂，由于炭的多孔性，可以蓄水、益菌、保温和固肥，对改善我国西部沙漠化的生态现状、盐碱土壤的改良、生态林(坡)的培育和过度放牧、贫瘠化的草地上促进草场植被的生长具有重要的意义。秸秆返田曾是广为提倡并大量实施的方法，但是在西北部需要大量农作物秸秆的地方秸秆却大量用作饲料，由此在西北部将污泥热解制成土壤改良剂实施意义更大。由于不同土壤需要的土壤改良剂成分和孔隙结构，单一的高温气化或低温裂解不能生产满足不同需求的生物有机炭;此外单一的高温气化和低温裂解也不能经济有效地同时处理不同性质和重金属含量的污泥以及有机生活垃圾。
发明内容
本发明的目的在于提供一种污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，针对不同的废物来流如污泥或有机垃圾的不同特征，生产多种类、多功能的复合生物有机炭，用于土壤改良、增肥等。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种污泥或有机垃圾高低温耦合热解方法，其特征在于，具体步骤为：
第一步：将含水量为35-80wt%的污泥或有机垃圾送进低温干化裂解炉进行裂解得到部分炭化的生物肥料，裂解温度为150℃～450℃，时间为20min～90min;裂解产生的气体送入第一冷凝器冷凝，凝结的焦油送入调节液储箱，未凝结的气体送入多段平衡燃烧室进行燃烧或经由除臭装置送到烟囱排放;所得部分炭化的物料用作土壤有机肥的原料或进入第二步或第三步进一步处理;
第二步：将第一步中裂解产生的部分炭化的物料送入中温炭化炉进行炭化得到生物有机炭，炭化温度为400℃～650℃，时间为10min～60min;炭化产生的气体送入第二冷凝器，凝结的焦油送入调节液储箱，未凝结的气体送入多段平衡燃烧室进行燃烧;所得生物有机炭用作土壤改良剂的原料或进入第三步进一步处理;
第三步：将第一步中裂解产生的部分炭化的物料、第二步得到的生物有机炭以及含水量为10～35wt%的污泥、含水率为20%以下的秸秆或有机垃圾的一种或两种以上的混合物送入高温热解炉进行气化，气化温度为800℃～1100℃，气化时间为5min～20min，空气的供给量为理论燃烧需求量的0.15～0.55，产生的热值为7000～15000KJ/m3的可燃气送入多段平衡燃烧室进行燃烧，多段平衡燃烧室中过量空气系数为1.05～1.3，燃烧产生的烟气作为热源分别送入中温炭化炉和低温干化裂解炉，中温炭化炉排出的烟气作为热源送入低温干化裂解炉，低温干化裂解炉排出的烟气用石灰粉中和，再依次经由布袋收尘器和选择性地通过冷凝水回收装置送到烟囱排放;
第四步：将营养调节剂和酸碱调节剂加入到调节液储箱，将高温裂解炉中产气后剩余的固定碳送入高温亚熔融活化装置中，通入含氧量在30～95vol%的富氧空气，活化温度为800～1200℃，活化时间为0.5～5min，按比例(180～300)g/kg炭喷入调节液储箱中的液体，然后冷却得到复合生物炭用作土壤有机肥或者土壤改良剂的原料。
进一步地，所述具体步骤还包括：
第五步：将秸秆、风化煤、煤矸石或劣质燃料投入高温气化炉中进行气化，高温气化炉中空气的供给量为理论燃烧需要量的0.2～0.6，产生的热值为7000～15000KJ/m3的可燃气送入多段平衡燃烧室进行燃烧;气化后剩余的残炭作为土壤改良剂的原料或者作为建材原料。
进一步地，所述的污泥为城市污水污泥或河道淤泥。
所述有机垃圾为城乡生活垃圾中的有机成分或者含水率在80%以下的禽畜粪便。
所述第一步中将含水量为35-80wt%的污泥与有机垃圾混合后再送进低温干化裂解炉。
所述第二步中将第一步中裂解产生的部分炭化的物料先按重量比100%∶0%～50%∶50%与成分调节剂混合后再送入中温炭化炉。
所述的成分调节剂为含水率为20%以下的秸秆或者含水率为20%以下的禽畜粪便。
所述第一步中将所得部分炭化的物料用作土壤有机肥的原料前，先将低温干化裂解炉的物料排出端壁升温到460～600℃，物料在此温度下与壁面翻滚接触5～10min后，得到部分炭化后再排出。
所述第四步中的营养调节剂为炭化过程产生的生物油或者化肥，其在调节液储箱中的体积浓度为0.5～20%。
所述第四步中的酸碱调节剂为磷酸二氢钾、碳酸钾或者石灰，其加入量控制使营养调节溶液的pH控制在6～8。
作为本发明的特点，利用高温热解气化炉，可以直接用当地可取用的高热值废物或低价煤生产气体燃料供系统使用，同时热解产气的再循环利用也充分节约了能源，除启动外不需要额外的一次能源。作为本发明的特点，污泥或者有机垃圾按照性质的不同可以同时分别在高、中、低炭化炉中热解炭化，高温热解炉和中、低温炭化炉各段的炭化产品既可以是中间产品、也可以串联，最终在高温亚熔融活化装置中生产复合生物有机炭，将高、中、低温各段有机结合在一起。作为本发明的关键技术特征，高、中、低温各段的温控与高温产气炉的产气量是关联控制的，根据中、低温炭化炉各段的温度要求自动反馈来控制高温气化炉的燃气供应量，以物料所设定的界面来控制高温热解炉和气化炉的反应时间和速度，实施中依赖精密的自动控制维持动态平衡。作为本发明的附加特点，本系统还可以用于特殊污泥的稳定和无害化。
本发明的实际效果是，与污泥制油、气化后回收燃气或者油品的其它过程相比，能够以更为简单的工艺直接实现资源化，获得多种高附加值的产品。与单一温度段的炭化炉相比，可以更灵活地适应物流的性质变化，并保证产品的品质。
本发明与现有废物气化热解技术相比，具有以下优点：
1.利用不同温度段的热解耦合，适应不同性质的污泥或有机垃圾处理的需求，充分利用现有资源，同时获得多种功能和用途的有机复合炭产品，提高系统的效率和产品的品质;并适应不同的污泥和废弃物种类。
2.步骤简单，与污泥、垃圾气化后发电等资源化方式相比，大大减轻了对气体净化的要求，简化了气体的净化环节，节省了气体的净化费用。与污泥裂解炭化获得以油制品为目的产品的工艺相比，简化了对油的分离和精炼步骤，节省了相应的设备投资。
3.环境效果好，高低温耦合热解制取生物有机炭的所有步骤均没有对环境排放有害物质，避免了现有技术中污泥和垃圾焚烧、填埋潜在的二次污染的危险。产品是良好的有机肥或者土壤改良剂原料，可以用于市政绿化、沙漠地区生态林的养护等和退化草场的改良。
4.节省能源，中、低温热裂解所需的热量可以由高温热解气和中温裂解气的燃烧所提供，也可以由其它废弃物源热解产生的燃气提供，避免了对油和天然气等一次能源的需求;燃气在多段平衡燃烧室内燃烧后再通过阀门分别分配到各个温度段的裂解炭化炉，通过中温裂解炉后还可以再排入低温干化裂解炉，不仅进行了热能的多级利用，而且系统的控制稳定性能提高。