一种污泥热解等离子气化发电的方法和系统与流程

本发明总的涉及一种污泥热解的技术，具体涉及一种污泥热解等离子气化发电的方法和系统。

背景技术：

随着环保水平的提高。城市污水的处理量在连年增加，作为城市污水处理的副产物，城市污泥的年产量也急剧增加，而污泥是一种含水率很高(80％-95％)的絮状泥粒，由污水中的悬浮物、微生物等形成的聚集体，污泥含有大量的重金属、氮磷、病原菌、病毒和毒性有机物等，如果任意排放到水体中，会造成水体恶化，并影响水生物的生存，利用到农业上会污染土壤，导致农作物产生病灾，甚至危害人体健康。因此，如何有效、无害地处理城市污泥，是国内外专家非常关注的问题。

目前，常见的污泥处理技术有压滤、干化、好氧堆肥、厌氧消化、焚烧等。其中简单的压滤和干化只能把污泥脱水至50％-70％，因此减量化水平不高，剩余的污泥仍需要大量填埋处理，只能作为污泥的预处理使用。好氧堆肥和厌氧消化的目的均是把污泥制成有机肥料，最后作为产品出售，但污泥中含有较多有毒有害物质，其产品会污染农作物，因此难以产业化推广。常见的焚烧技术虽然具有较好的减量化效果，但焚烧过程中会产生二噁英，严重影响居民身体健康，群体性事件也时有发生。

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。等离子气化技术是利用等离子体火炬对物料进行加热，局部温度可到5000℃以上，并能使反应室的温度维持在1200℃左右，能迅速分解热解油、二噁英等物质，并产生大量CO、H₂等合成气。具有二次污染小、能源回收利用率高等特点。

现有的污泥处理技术存在多种缺陷。例如，有一些污泥回转窑热解工艺，其焦油产量较多，容易堵塞管道、腐蚀设备等，经常停车检修，并且后端需要复杂的油水分离及净化装置，导致投资大大增加。还有一些污泥竖炉等离子气化技术，直接用等离子火炬对污泥进行气化，由于污泥含水率较高，在处理大规模污泥时，该工艺的功率极大、耗电率非常高，因此导致运行成本增大，难以实现工业化应用。还有一些污泥处理工艺是在一个炉子中实现污泥热解气化，虽然会生成大量合成气，但同时也把灰渣进行了熔融处理，而灰渣中大部分物质为无机物，在气化过程中浪费了大量能量，系统的热利用率较低，运行成本较高，因此不具备商业运行价值。

而据不完全统计，目前我国国内城市道路照明的总灯数约400万只(套)，加上高速公路、工矿企业、机场、码头等非市政照明灯具约100万只(套)，总数超过500多万只，并且每年以10％以上的速度递增。其中城市公共照明在我国照明耗电中占30％的比例，约439亿kWh，以平均电价0.65元/kWh计算，一年开支达285亿元，成为各地财政部门的一大负担。

针对现有技术存在的不足，并且为了响应目前政府提出的环保、节约、能源重复利用的号召，本发明旨在提出一种垃圾回收利用的技术方案，将污泥作为能量的来源，为我国发电行业作出贡献，以同时解决污泥处理技术存在的缺陷及人类资源短缺的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种污泥热解等离子气化发电的方法和系统，以同时解决污泥处理技术存在的缺陷及人类资源短缺的问题。

本发明提供了一种污泥热解等离子气化发电的方法，包括以下步骤：

步骤1：将污泥送入蓄热式旋转床内进行热解处理，得到热解气液混合物和热解炭；

步骤2：将热解气液混合物通入等离子气化反应室，得到合成气；

步骤3：将合成气通入热换装置进行换热处理，得到蒸汽和剩余合成气，蒸汽通入发电装置。

上述的污泥热解等离子气化发电方法，所述蓄热式旋转床中的热解区蓄热式辐射管温度为500℃～800℃。

上述的污泥热解等离子气化发电方法，所述合成气包括CO、H₂。

上述的污泥热解等离子气化发电方法，等离子气化反应室的温度为1100℃～1500℃。

上述的污泥热解等离子气化发电方法，蒸汽温度为380℃～440℃。

上述的污泥热解等离子气化发电方法，在步骤1之前还包括以下步骤：干化装置干化处理污泥，得到干化污泥和干燥水，所述干化污泥送入蓄热式旋转床，所述干燥水作为所述热解炭的熄焦用水。

上述的污泥热解等离子气化发电的方法，发电装置排出的乏汽可通入所述干化装置中，所述乏汽温度为60℃～150℃，所述剩余合成气通入所述热解区蓄热式辐射管内进行燃烧。

本发明还提供一种实现上述污泥热解等离子气化发电方法的系统，其包括：

蓄热式旋转床包括成环状炉腔的壳体和环形炉底，蓄热式辐射管设置在所述壳体的内周壁上；蓄热式旋转床中的原料入口、热解气液混合物出口和热解炭出口分布于所述壳体；

等离子气化反应室包括热解气液混合物入口、热态合成气出口，所述热解气液混合物入口与所述热解气液混合物出口相连；

换热装置包括热态合成气入口、冷态合成气出口、冷凝液出口、循环水入口和蒸汽出口，所述热态合成气入口与所述热态合成气出口相连；

发电装置包括蒸汽入口、乏汽出口和电量输出端，所述蒸汽入口与所述蒸汽出口相连；

熄焦装置，所述熄焦装置包括热解炭入口、灰渣出口、干燥水入口，所述热解炭入口与所述热解炭出口相连。

上述的污泥热解等离子气化发电系统，所述等离子气化反应室垂直布置在所述热解气液混合物出口上端。

上述的污泥热解等离子气化发电系统，所述系统中包括污泥入口、干化污泥出口、乏汽入口、冷凝水出口、干燥水出口；所述干化污泥出口与所述原料入口相连；所述乏汽入口与所述乏汽出口相连；所述干燥水出口与所述干燥水入口相连。

本发明的有益效果在于，本发明针对目前污泥热解工艺中热解油产量大、堵塞严重、腐蚀程度高、维修频率高、处理成本大等问题，以及污泥等离子气化工艺中处理规模小、功率极大、耗电率较高、运行成本高、难以工业化应用等问题，提供了一种清洁、高效的污泥热解等离子气化的方法，采用蓄热式旋转床对预处理后的污泥原料进行热解，并利用等离子气化反应室对热解气液混合物进行气化，干化过程中产生的干燥水分可作为热解炭的熄焦用水，获得的合成气产率高、热值高，可作为蓄热式辐射管的燃料气使用，通过换热处理合成气得到的蒸汽可用于发电，为发电行业提供了一条低成本、资源重复利用的新技术，而且发电产生的乏汽进一步用于给污泥干化供热，实现了污泥的“无害化、减量化、资源化”，其运行成本低，焦油产率极低，不发生管道堵塞，易于实现工业化和规模化。

附图说明

图1为本发明实施例的污泥热解等离子气化发电流程框图；

图2为本发明实施例的污泥热解等离子气化发电系统结构示意图。

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。

本发明提出了污泥热解等离子气化发电的方法。根据本发明实施例的污泥热解等离子气化发电的方法包括：

将污泥进行干化处理，以便蒸出污泥中的大部分水分，得到干燥水；

将经过干化后的污泥送入蓄热式旋转床内进行热解处理，以便得到热解气液混合物和热解炭；

将热解气液混合物通入等离子气化反应室，以便得到CO、H2等合成气；以及

将等离子气化反应室产生的合成气进行换热处理，以便得到蒸汽用于发电。

下面参考图1详细描述本发明具体实施例的污泥热解等离子气化发电的方法。

在本发明的一些实施例中，所述蓄热式旋转床分为进料区、热解区和出料区。

任选地，热解区蓄热式辐射管温度为500℃-800℃。根据污泥含水率的不同，选择热解区蓄热式辐射管的温度。

在本发明的一些实施例中，所述干燥水由污泥干化处理得到，可直接作为热解炭的熄焦用水。污泥原料在干化过程中，主要是蒸出污泥原料中的水分，如果这部分水进入蓄热式旋转床以及等离子气化反应室，会大大增加系统能耗，导致运行成本增加，因此在蓄热式旋转床前端设置有污泥干化装置，有效地解决了这一问题。

在本发明的一些实施例中，所述热解气液混合物由蓄热式旋转床热解区产生，不经处理直接通入等离子气化反应室，以便得到所述合成气。热态的热解气液混合物直接进行等离子气化，热利用率高、运行成本较低。

在本发明的一些实施例中，所述等离子气化反应室侧壁安装有2个以上的等离子体火炬；

任选地，等离子气化反应室的温度为1100℃-1500℃。由于所述等离子气化反应室只对所述热解气液混合物进行气化，而不是直接对污泥原料进行气化，因此需要设置的等离子体火炬数量少，处理效率高，运行成本低。

在本发明的一些实施例中，将所述合成气通入换热装置进行换热处理，以便制备380℃-440℃的蒸汽用于发电利用。所述等离子气化反应室得到的所述合成气温度较高，超过800℃，因此可以利用所述合成气的这部分热量进行换热产蒸汽，最后再利用蒸汽轮机发电。由于余热进行了有效利用，所以整个工艺的热利用率较高。

进一步地，蒸汽轮机排出的乏汽通入所述干化装置中，所述乏汽的温度控制在60℃-150℃，以便干化污泥，蒸出干燥水。

在本发明的一些实施例中，将所述换热处理后的合成气通入蓄热式辐射管内进行燃烧，以便给蓄热式旋转床干燥及热解处理提供热量。所属合成气中含有较多CO、H2等可燃气，而所述蓄热式辐射管又需要为原料热解提供热量，因此可以将所述合成气用于蓄热式辐射管燃烧供热，降低工艺运行成本，减少污染物排放。

根据本发明的另一方面，本发明提出了污泥热解等离子气化发电的系统，根据本发明实施例的污泥热解等离子气化发电的系统包括：干化装置1、蓄热式旋转床2、等离子气化反应室3、换热装置4、发电装置5、熄焦装置6。

干化装置，所述干化装置具有污泥入口、干化污泥出口、乏汽入口、冷凝水出口、干燥水出口，以便蒸出污泥中的大部分水分，得到干燥水。当然如果运来的污泥已经过干化，该装置就不是必须设置了。

蓄热式旋转床，利用蓄热式旋转床对所述污泥原料进行热解处理，以便得到热解气液混合物、热解炭。

所述蓄热式旋转床具有原料入口、热解气液混合物出口、热解炭出口，所述原料入口与所述干化污泥出口相连。

所述蓄热式旋转床具体包括：

壳体，所述壳体形成环状炉腔；炉膛操作条件为微正压；

环形炉底，物料布在环形炉底上，呈连续转动状态；

蓄热式辐射管，多个所述蓄热式辐射管设置在所述壳体的内周壁上。

等离子气化反应室，利用等离子火炬的高温气化作用，使热解油、烃类气体等发生气化、重组，以便得到CO、H₂等合成气。

所述等离子气化反应室具有热解气液混合物入口、热态合成气出口，所述热解气液混合物入口与所述热解气液混合物出口相连。

根据本发明的具体实施例，所述等离子气化反应室3垂直布置在蓄热式旋转床2热解油气混合物出口上端，热解油气混合物不经冷却直接通入等离子化反应室3内，以便制备合成气。

换热装置，所述换热装置具有热态合成气入口、冷态合成气出口、冷凝液出口、循环水入口和蒸汽出口，所述热态合成气入口与所述热态合成气出口相连，所述换热装置为间接换热，换热介质为循环水。

发电装置，所述发电装置具有蒸汽入口、乏汽出口和电量输出端，所述蒸汽入口与所述蒸汽出口相连，所述乏汽出口与所述乏汽入口相连。

熄焦装置，所述熄焦装置具有热解炭入口、灰渣出口、干燥水入口。在本发明的一些实施例中，所述熄焦装置6的干燥水入口与所述干化装置1的干燥水出口相连，以便对热解炭进行湿法熄焦。

通过采用本发明上述实施例的污泥热解等离子气化发电的系统，首先将污泥进行干化处理，以便蒸出污泥中的大部分水分，得到干燥水。将经过干化后的污泥送入蓄热式旋转床内进行热解处理，以便得到热解气液混合物和热解炭。将热解气液混合物通入等离子气化反应室，以便得到CO、H₂等合成气。以及将等离子气化反应室产生的合成气进行换热处理，以便得到蒸汽用于发电。其中发电装置5产生的乏汽通入干化装置1中对污泥进行干化，合成气通过换热装置4冷却后送入蓄热式辐射管内作为燃料使用。整个系统减少了焦油的产生，实现了污泥热解和等离子气化的高效结合，不仅降低了运行成本，还提高了合成气的产率和热值，余热回收利用率高、资源化水平高、产品经济效益好、不产生二噁英且二次污染小，利于污泥热解等离子气化的工业化应用。

综上所述，本发明通过废料处理产生的能量转换为电能，为发电行业提供了一条低成本、资源重复利用的新技术，而且发电产生的余热进一步用于该系统的供热，实现了废料污泥的“无害化、减量化、资源化”生产。

实施例1

利用上述污泥热解等离子气化发电系统对某城市污水处理厂的污泥进行处理，其工业分析、元素分析如表1所示。

表1污泥工业分析及元素分析

本文中M_ad代表空干基水分；A_ad代表干燥基灰分；V_ad代表空干基挥发分；F_Cad代表含炭量；S_t,ad代表全硫；C_ad代表碳含量；H_ad代表氢含量；N_ad代表氮含量。

具体处理流程如下：该污泥的含水率为85％，将污泥送入干化装置，得到40％左右的干燥水。将含水率降至45％的干化污泥送入蓄热式旋转床，热解区蓄热式辐射管的温度为700℃。污泥在旋转床中经过热解后，最后得到的热解气液混合物在蓄热式旋转床热解区末端顶部排出，进入等离子气化反应室，热解炭在旋转床末端底部通过螺旋输送装置排出，其中，等离子气化反应室的温度为1200℃。在等离子气化反应室获得的合成气经过换热装置后，产生的410℃蒸汽送入蒸汽轮机中进行发电，冷却后的CO、H₂等合成旗送入蓄热式辐射管中对污泥原料进行加热，发电产生的乏汽送入干化装置中对污泥进行干化处理，干化装置得到的干燥水通入熄焦装置中对热解炭进行冷却，热解炭大部分为无机物残渣，直接运至填埋场进行处置。

利用上述系统对污泥进行热解等离子气化发电处理，最终制得的合成气产率为40％(干基)，热解炭的产率为30％(干基)。蒸汽轮机的进汽温度为410℃，乏汽温度为130℃。

实施例2

利用污泥热解等离子气化发电系统对某城市污水处理厂的污泥进行处理，其工业分析及元素分析如表2所示，具体处理流程如下：

表2污泥的工业分析及元素分析

该污泥的含水率为91％，将污泥送入干化装置，得到45％左右的干燥水。将含水率降至46％的干化污泥送入蓄热式旋转床，热解区蓄热式辐射管的温度为800℃。污泥在旋转床中经过热解后，最后得到的热解气液混合物在蓄热式旋转床热解区末端顶部排出，进入等离子气化反应室，热解炭在旋转床末端底部通过螺旋输送装置排出，其中，等离子气化反应室的温度为1500℃。在等离子气化反应室获得的合成气经过换热装置后，产生的440℃蒸汽送入蒸汽轮机中进行发电，冷却后的CO、H₂等合成旗送入蓄热式辐射管中对污泥原料进行加热，发电产生的乏汽送入干化装置中对污泥进行干化处理，干化装置得到的干燥水通入熄焦装置中对热解炭进行冷却，热解炭大部分为无机物残渣，直接运至填埋场进行处置。

利用上述系统对污泥进行热解等离子气化发电处理，最终制得的合成气产率为35％(干基)，热解炭的产率为40％(干基)。蒸汽轮机的进汽温度为440℃，乏汽温度为150℃。

实施例3

利用污泥热解等离子气化发电系统对某城市污水处理厂的污泥进行处理，其工业分析及元素分析如表3所示，具体处理流程如下：

表3污泥的工业分析及元素分析

该污泥的含水率为91％，将污泥送入干化装置，得到45％左右的干燥水。将含水率降至46％的干化污泥送入蓄热式旋转床，热解区蓄热式辐射管的温度为500℃。污泥在旋转床中经过热解后，最后得到的热解气液混合物在蓄热式旋转床热解区末端顶部排出，进入等离子气化反应室，热解炭在旋转床末端底部通过螺旋输送装置排出，其中，等离子气化反应室的温度为1100℃。在等离子气化反应室获得的合成气经过换热装置后，产生的380℃蒸汽送入蒸汽轮机中进行发电，冷却后的CO、H₂等合成旗送入蓄热式辐射管中对污泥原料进行加热，发电产生的乏汽送入干化装置中对污泥进行干化处理，干化装置得到的干燥水通入熄焦装置中对热解炭进行冷却，热解炭大部分为无机物残渣，直接运至填埋场进行处置。

利用上述系统对污泥进行热解等离子气化发电处理，最终制得的合成气产率为35％(干基)，热解炭的产率为40％(干基)。蒸汽轮机的进汽温度为380℃，乏汽温度为60℃。

由上述实施例均可看出，本发明整个系统减少了焦油的产生，实现了污泥热解和等离子气化的高效结合，把废料污泥资源化利用，使之转化为电能输出，不仅降低了运行成本，还提高了合成气的产率和热值，余热回收利用率高、资源化水平高、产品经济效益好、不产生二噁英且二次污染小。

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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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。