一种污泥处理耦合还原炼铁的系统及方法与流程

本发明属于固体废弃物资源化处理领域，具体涉及一种污泥处理耦合还原炼铁的系统及方法。

背景技术：

城市污泥的产量逐年增加，如何有效、无害地处理城市污泥，是目前环保工业非常关注的问题。热解技术是在无氧或绝氧的条件下，将有机物进行热裂解，生成以H₂、CH₄、CO为主的可燃气体、高热值的燃料油及部分固定碳。污泥含水量高，导致热解所需的热量高，而制得的热解气及热解油的热值却非常低。

气基竖炉技术是利用氢气等还原性气体与铁矿石进行反应，生成海绵铁产品的过程。现有技术中，一些气基竖炉还原炼铁工艺所用的还原性气体主要来自煤炭气化，而煤气化耗水量大，污染严重，在应用中受到很多制约。

技术实现要素：

本发明的目的是针对污泥热解工艺中能耗较大、热解气热值低、热解产品难以有效利用等问题，以及还原炼铁工艺中污染物排放量大、能耗高、成本高、还原剂难以解决等问题，提供一种清洁、高效的污泥处理的工艺。

本发明首先提供了一种污泥处理耦合还原炼铁的系统，所述系统包括：

干化装置，具有污泥入口、干化污泥出口、干燥水出口、水蒸气入口、冷却水出口；

蓄热式旋转床，具有原料入口、燃料气入口、烟气出口、热解水出口、热解油气混合物出口、热解炭出口，所述原料入口与所述干化装置的干化污泥出口相连；

油气分离装置，具有热解油气混合物入口、焦油出口、热解气出口，所述热解油气混合物入口与所述蓄热式旋转床的热解油气混合物出口相连；

净化装置，具有热解气入口、净化热解气出口，所述热解气入口与所述油气分离装置的热解气出口相连；

变压吸附装置，所述变压吸附装置具有净化热解气入口、氢气出口和燃料气出口，所述净化热解气入口与所述净化装置的净化热解气出口相连；

气基竖炉，具有氢气入口、铁矿石入口、海绵铁出口、烟气出口，所述氢气入口与所述变压吸附装置的氢气出口相连；

气化装置，具有热解炭入口、气化剂入口、高温气化气出口、残渣出口，所述热解炭入口与所述蓄热式旋转床的热解炭出口相连。

在本发明的一些实施例中，所述变压吸附装置的燃料气出口与所述蓄热式旋转床的燃料气入口相连。

在本发明的一些实施例中，所述系统还包括换热装置，所述换热装置具有高温气化气入口、气化气出口、循环水入口、水蒸气出口，所述高温气化气入口与所述气化装置的高温气化气出口相连。

在本发明的一些实施例中，所述气基竖炉还具有气化气入口；所述换热装置的水蒸气出口与所述干化装置的水蒸气入口相连，所述换热装置的气化气出口与所述气基竖炉的气化气入口相连。。

此外，本发明还提供了一种利用上述系统处理污泥及还原铁的方法，所述方法包括如下步骤：

将污泥所述干化装置进行干化处理，蒸出污泥中的大部分水分，制得干化污泥；

将所述干化污泥送入所述蓄热式旋转床内进行热解处理，制得热解油气混合物和热解炭；

将所述热解油气混合物依次送入所述油气分离装置和所述净化装置，制得干净的热解气；

将所述热解气送入所述变压吸附装置进行分离，得到氢气和燃料气；

将所述氢气送入所述气基竖炉，用以还原铁矿石；

将所述热解炭送入所述气化装置进行气化，制备气化气。

在本发明的一些实施例中，将所述热解气分离得到的燃料气作为燃料送入所述蓄热式旋转床热解所述污泥。

在本发明的一些实施例中，在900℃-1000℃的温度下，用水蒸气或纯氧作为气化剂对所述热解炭进行气化，得到的气化气为高温气化气；再将所述高温气化气与水进行换热，并将换热后的气化气送入所述气基竖炉中，用以还原铁矿石。

在本发明的一些实施例中，所述高温气化气与水换热后得到水蒸气，将制得的所述水蒸气作为热源送入所述干化装置，对所述污泥进行干化处理。

在本发明的一些实施例中，所述铁矿石为含铁量≤35％的低品位铁矿石。

在本发明的一些实施例中，在500℃-800℃的温度下热解所述污泥。在0.5MPa-2.5MPa的压力下对所述热解气进行分离，制备氢气和燃料气。

本发明采用蓄热式旋转床对干化处理后的污泥进行热解，将热解炭进行气化，并将热解气进行变压吸附分离出氢气等还原气体及甲烷等燃料气，最后将还原气体及气化气通入气基竖炉还原炼铁，并将燃料气用以热解污泥，整个工艺成本低、无二噁英产生，环保效益好，获得的海绵铁品质高，解决了污泥处理困难及还原炼铁高能耗等问题。

污泥热解后制得的热解炭大部分为无机物残渣，通常都直接熄焦后填埋处理，本发明将其气化，制备气化气，提高了产品的经济效益。

此外，本发明工艺简单、产品经济效益好，易于实现工业化和规模化。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种污泥处理耦合还原炼铁的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中的一种利用上述系统热解污泥及还原铁的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

参见图1，本发明提供的污泥处理耦合还原炼铁的系统包括：干化装置1、蓄热式旋转床2、油气分离装置3、净化装置4、变压吸附装置5、气基竖炉6、气化装置7、换热装置8。

干化装置1具有污泥入口、干化污泥出口、干燥水出口、蒸汽入口、冷却水出口。干化装置1为间接干燥装置，本发明采用蒸汽作为介质，对污泥进行间接干燥。

蓄热式旋转床2，用于对污泥进行热解处理，制备热解油气和热解炭。蓄热式旋转床2具有原料入口、热解水出口、热解油气混合物出口、热解炭出口，原料入口与干化装置1的干化污泥出口相连。

蓄热式旋转床2包括干燥区和热解区。热解水出口布置于干燥区末端的侧壁，以便在热解水刚产生时就进行收集，降低系统能耗；热解油气出口布置于热解区末端的顶部，以便得到高品质的热解油气；热解炭出口布置于热解区末端的底部，以便出料。

污泥含水量高，若直接进入蓄热式旋转床2，不仅会降低热解的效率，还会增加系统能耗，导致运行成本增加。此外，经过热解，这些水分会变成水蒸气，随着热解油气进入后续设备中，会影响后续工艺的进行。本发明在蓄热式旋转床2前设置了干化装置1，并将热解水出口设置在蓄热式旋转床2的干燥区末端的炉膛侧壁，有效地解决了这一问题。

油气分离装置3具有热解油气混合物入口、焦油出口、热解气出口，热解油气混合物入口与蓄热式旋转床2的热解油气混合物出口相连。油气分离装置3用于分离热解油和热解气。

净化装置4具有热解气入口、净化热解气出口，热解气入口与油气分离装置3的热解气出口相连。净化装置4用于除去热解气中的杂质，以获得较为干净的热解气，提高产品的经济效益。

变压吸附装置5具有净化热解气入口、氢气出口和燃料气出口，净化热解气入口与净化装置4的净化热解气出口相连。变压吸附装置5用于分离热解气，制备氢气和燃料气。

变压吸附装置5分离出来的燃料气的热值较高，图1所示的系统中，变压吸附装置5的燃料气出口与蓄热式旋转床2的燃料气入口相连，分离出的燃料气直接送入了蓄热式旋转床2，用以热解污泥。这样布置有利于降低系统的运行成本。当然，燃料气也可收集储存，外卖或另作他用。

气基竖炉6具有氢气入口、铁矿石入口、海绵铁出口、烟气出口，氢气入口与变压吸附装置5的氢气出口相连。气基竖炉6为铁矿石的反应装置，用氢气还原铁矿石以炼铁。

气化装置7具有热解炭入口、气化剂入口、高温气化气出口、残渣出口，热解炭入口与蓄热式旋转床2的热解炭出口相连。气化装置7用于气化热解炭，制备气化气。

从气化装置7排出的气化气为高温气化气，图1所示的系统中，气化装置7后还布置有一换热装置8，换热装置8用于回收高温气化气的热量。换热装置8具有高温气化气入口、气化气出口、循环水入口、水蒸气出口，高温气化气入口与气化装置7的高温气化气出口相连。本发明中，换热装置8采用水与高温气化气进行换热制备水蒸气。需要说明的是，换热装置8并不本系统所必须的装置，气化气也可直接冷却后储存。

图1所示的系统中，气基竖炉6还具有气化气入口，换热装置8的气化气出口与气基竖炉6的气化气入口相连。换热后的气化气也用于还原铁矿石。

此外，图1所示的系统中，换热装置8的水蒸气出口与干化装置1的水蒸气入口相连，这样布置有利降低系统的运行成本。

图2为本发明实施例中的一种处理污泥及还原铁的工艺流程图，包括如下步骤：

将污泥送入干化装置1进行干化处理，蒸出污泥中的大部分水分，制得干化污泥；

将干化污泥送入蓄热式旋转床2内进行热解处理，制得热解油气混合物和热解炭；

将热解油气混合物依次送入油气分离装置3和净化装置4，制得干净的热解气；

将热解气送入变压吸附装置5进行分离，得到氢气和燃料气；

将氢气送入气基竖炉6，用以还原铁矿石；

将热解炭送入气化装置7进行气化，制备气化气。

本发明制得的热解气和焦油热值较高。其中，焦油可以作为锅炉燃料油使用，热解气可作为蓄热式旋转床2的燃料使用，能降低系统的运行成本。

气基竖炉直接还原炼铁工艺还原速度快、产品质量稳定、自动化程度高、单机产能大。铁矿石的含铁量越少，越难还原炼铁。而本发明所用的气基竖炉能处理含铁量≤30％的低品位铁矿石。

经过大量的实验发现，本发明中，变压吸附分离热解气时，优选在0.5MPa-2.5MPa的压力下对热解气进行分离，制备氢气和燃料气。压力太小，氢气的得率低；压力太大，设备的损耗大。变压吸附所用的催化剂为常规催化剂。

优选地，将蓄热式旋转床2干燥区的蓄热式辐射管的温度设置为300℃-500℃，在此温度下既能保证污泥中残余的水分能完全被蒸发出来，又不会使污泥被热解。当然，也可根据污泥的含水率及干化装置的干燥效果，适当调整干燥区的温度。

优选地，将蓄热式旋转床2热解区的蓄热式辐射管的温度设置为500℃-800℃。在此温度下，污泥既能被完全热解，又不会造成能源的浪费。当然，也可根据污泥的原料成分，适当地调整热解温度。

污泥热解后制得的热解炭大部分为无机物残渣，通常都直接熄焦后填埋处理，本发明将其气化，制备气化气，提高了产品的经济效益。

气化热解炭的气化剂并不需要特别限定，但为了能将气化气用于还原铁矿石，气化气中的还原性气体的含量必须多。经过大量实验发现，使用水蒸气或纯氧作为气化剂对热解炭进行气化时，得到的气化气中，还原性气体含量较多。当气化剂为水蒸气或纯氧时，气化的温度优选为900℃-1000℃。

本发明制得的气化气的主要成分为CO和H₂。

同前所述，热解炭气化制得的气化气为高温气化气，与水进行换热后，水变为水蒸气。由于制得的水蒸气的量较多，可将该水蒸气作为热源对污泥进行干化处理，有利于降低系统的运行成本。

上述系统中各装置的有益效果和上述利用该系统热解污泥及还原铁的方法的有益效果有部分重叠，为了更加简洁，并未过多叙述。

本发明实现了污泥热解和还原炼铁工艺的高效结合，不仅降低了运行成本，提高了整个工艺的清洁性，还增加了经济效益，且易于工业化推广。

下面参考具体实施例，对本发明进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述发明内容中所示。下述实施例所用的检测方法均为本行业常规的检测方法。

实施例1

本实施例采用图1所示的系统及图2所示的工艺路线对污泥进行处理。所用污泥为某城市污水处理厂的污泥，其工业分析、元素分析如表1所示，具体处理流程如下：

将含水量为82％的污泥送入干化装置1，得到40％左右的干燥水。将含水率降至约42％的干化污泥送入蓄热式旋转床2，干燥区蓄热式辐射管的温度为300℃，热解区蓄热式辐射管的温度为800℃。污泥在蓄热式旋转床2中经过热解后，得到热解水、热解油气混合物和热解炭；将热解油气混合物送入油气分离装置3以及净化装置4，以便得到较为纯净的热解气和焦油；将热解炭进行气化，气化剂为水蒸气，炉膛温度为900℃，得到700℃左右的高温气化气；将高温气化气送入换热装置8，得到250℃左右的蒸汽；将蒸汽送入干化装置1，对污泥进行干化处理；将热解气通入变压吸附装置5，分离得到氢气等还原气体和燃料气；将氢气及气化气送入气基竖炉6与含铁量30％的铁矿石进行反应，还原炼铁，制得海绵铁。气基竖炉6的操作压力为2.5MPa。

经过冷却、破碎、磁选后的海绵铁的含铁量为95％。

实施例2

本实施例采用图1所示的系统及图2所示的工艺路线对污泥进行处理。所用污泥为某城市污水处理厂的污泥，其工业分析、元素分析如表1所示，具体处理流程如下：

将含水量为85％的污泥送入干化装置1，得到42％左右的干燥水。将含水率降至43％的干化污泥送入蓄热式旋转床2，干燥区蓄热式辐射管的温度为400℃，热解区蓄热式辐射管的温度为500℃。污泥在蓄热式旋转床2中经过热解后，得到热解水、热解油气混合物和热解炭；将热解油气混合物送入油气分离装置3以及净化装置4，以便得到较为纯净的热解气和焦油；将热解炭进行气化，气化剂为纯氧，炉膛温度为1000℃，得到700℃左右的高温气化气；将高温气化气送入换热装置8，得到300℃左右的蒸汽；将蒸汽送入干化装置1，对污泥进行干化处理；将热解气通入变压吸附装置5，分离得到氢气等还原气体和燃料气；将氢气及气化气送入气基竖炉6与含铁量35％的铁矿石进行反应，还原炼铁，制得海绵铁。气基竖炉6的操作压力为0.5MPa。

经过冷却、破碎、磁选后的海绵铁的含铁量为96％。

表1污泥工业分析及元素分析

从上述实施例可知，本发明将中间产物氢气及气化气用以还原炼铁，提高了产品的经济价值。此外，上述实施例所使用的铁矿石的含铁量小于30％，而制得的海绵铁的含铁量高于95％，也证明了本发明的经济性好。

综上，本发明采用蓄热式旋转床对干化处理后的污泥进行热解，将热解炭进行气化，并将热解气进行变压吸附分离出氢气等还原气体及甲烷等燃料气，最后将还原气体及气化气通入气基竖炉还原炼铁，并将燃料气用以热解污泥，整个工艺成本低、无二噁英产生，环保效益好，获得的海绵铁品质高，解决了污泥处理困难及还原炼铁高能耗等问题。

污泥热解后制得的热解炭大部分为无机物残渣，通常都直接熄焦后填埋处理，本发明将其气化，制备气化气，提高了产品的经济效益。

此外，本发明工艺简单、产品经济效益好，易于实现工业化和规模化。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。