一种通过微波连续式热解污泥生产H2的方法及装置与流程

本发明涉及资源环境保护技术领域，具体涉及微波热解处理市政污泥的技术方法。

背景技术：

迄今为止，学者们已对微波热解生活污泥进行了广泛的研究。结果表明，微波热解技术可将生活污泥中的有机质转化为生物气、生物油及生物炭产物。其中，生物气的成分简单，产率可达50％左右(干基)，主要含有h2、co、co2、ch4和少量烯烃等能源气体，且h2含量可到35％，热值较高，具有良好的能源价值。

目前，关于污泥微波热解的进料方式绝大多数研究均在间歇式微波热解反应条件下进行，其热解过程主要分为：(1)先将一定质量的污泥与吸波物质混匀置于微波腔体中；(2)通过调控微波输入功率来控制物料的热解温度；(3)随着热解反应的进行，大量的高温挥发性有机物会被保护载气带出微波腔体，并通过冷凝装置对生物油和生物气进行分离和收集；(4)待微波腔体冷却至室温后再对生物炭进行收集。然而，由于微波设备的闭性高，微波腔体的冷却时间一般需要2～4h。虽然污泥的间歇式微波热解能有效对污泥进行减量化和资源化处理，但其间歇式进料的方式限制了该技术单位时间处理的污泥量。

在污泥连续式热解的研究方面，已发现了污泥电加热式的连续热解以及皮带式输送微波热解产生物气的研究，这些污泥的热解方式能较好的实现污泥的连续热解，并将污泥中的有机质转化为生物气、生物油及生物炭等能源资源。目前，污泥的连续热解在热解温度为500-800℃条件下，可实现生物气产率在33.3％-59.50％，氢气浓度为12-25％，是污泥减量化、无害化、能源的有效途径之一。

目前已有连续式加热方式，由于其加热方式和进料方式(如：电加热和皮带式输送进料)限制了污泥连续热解的加热速率和处理效率。电加热的方式为先通过加热反应腔体再通过热传导将热量传给污泥，从而实现污泥的热解。然而，相对于微波加热，这种加热的方式效率降低，能耗较高。污泥皮带式微波热解虽然提高了污泥的加热效率，但由于污泥一直处于堆放的状态，阻碍了微波辐射作用于底部的污泥，导致污泥中的有机质未能彻底转化为生物气，因此，在生物气产率及其h2浓度方面仍有提升空间。

技术实现要素：

针对现有的通过微波加热污泥连续式产h2的过程中存在的问题，本申请提供一种通过螺旋进料实现连续式高效产h2的方法，本发明所述方法的主要改进之处为：通过螺旋杆采用螺旋进料的方式向污泥微波处理器中连续添加污泥。

由于生活污泥中的水分具有较高的介电性能(微波能吸收能力)，导致在间歇式微波热解的初始阶段，水分会先吸收微波能并转化为自身蒸发所需要的热能，降低了微波能的有效利用效率。在升温的过程中，物料急剧升温会导致有机质热分解反应剧烈，导致大量产物在未升至设定的热解终温时就被热解生成的挥发性气体带出微波腔体，从而降低了生物燃料的产率及品质。由此可见，采用间歇式进料的微波炉未能显著体现出微波热解对生活污泥进行低能耗能源化处理的优势。当采用污泥螺旋式进料的方式时，不仅可以实现污泥高温连续深度热裂解，同时还能充分利用水分的强介电性能，从而实现生活污泥与水发生原位蒸气重整，提高生物气的产率及其h2浓度和降低污泥微波热解的能耗。同时，螺旋式的进料方式还有助于改善污泥在微波热解过程中存在的微波辐照不均匀的现象，从而提高污泥中有机质的热解效率，实现污泥高温连续微波快速热解产h2氢生物气。

优选的，所述污泥的含水量为80％以下。本发明所述方法在污泥的处理过程中适用范围广，经过简单压缩后固体状的污泥均适用于本发明的，不需对污泥进行前期的除水处理。

优选的，针对含水量为70～80％以下的污泥，控制所述微波处理器中的温度为600～700℃，控制污泥在所述污泥微波处理器中的停留时间为3～30min。在上述的温度下处理上述时间，可理想地对污泥进行处理，提高污泥的产气率。

优选的，所述污泥的进料速度为1～10kg/h。在上述进料速率下，更有利于控制处理时间在3～30min。

本发明的另一目的是保护一种通过微波加热污泥连续式产h2的装置，包括污泥微波处理器和设置于所述微波处理器腔体内的螺杆式进料器。本发明所述装置同样适用于本发明所述方法。

优选的，所述螺杆式进料器为叶片式无轴螺旋杆。该螺杆适用于粘性的和易缠绕的污泥输送，同时还能改善污泥的微波热解均匀性

优选的，所述微波处理器的外壁设有进料仓、微波磁控管、温度传感器、残渣收集仓、液态产物收集罐、生物气收集器。

本发明具有如下有益效果：

本发明创造性的提出了采用螺旋式的进料方法来实现污泥的高温连续微波快速热解，有效地改善热解过程中污泥热量分布不均匀的缺陷和利用了污泥中水分作为反应原料，实现污泥微波热解的深度热解和原位蒸气重整，从而提高生物气的产率及h2含量，提高污泥单位时间的处理量和减少微波能耗，为实现污泥微波热解工艺的优化与工程应用提拱技术支持和理论依据，具有重要价值。

附图说明

图1为本发明所述污泥螺旋式进料热解示意图；

图2为污泥连续式和间歇式微波快速热解原理图的对比。

图中1为多功能控制面板；2为进料仓；3为微波磁控管；4为测温仪；5为螺杆式进料器；6为微波腔体；7为残渣收集仓；8为液态产物收集罐；9为生物气收集器。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例涉及一种连续式通过微波热解污泥生产h2的装置，包括污泥微波处理器和设置于所述微波腔体6内的螺杆式进料器5，所述螺杆式进料器为叶片式无轴螺旋杆，所述微波处理器的外壁设有进料仓2、微波磁控管3、温度传感器4、残渣收集仓7、液态产物收集罐8、生物气收集器9，所述螺杆式进料器为叶片式无轴螺旋杆(其结构示意图如图1)。

实施例2

本实施例涉及一种利用微波热解污泥生产h2的方法，包括如下步骤(处理原理图如图2)：

针对含水量为80％的污泥，所述微波处理器中的温度为600℃，控制螺杆的转速为1rap/min，污泥在所述污泥微波处理器中的停留时间为30min。

处理完成之后，生物气产率为55.67％；h2产率为46.35％。污泥单位时间的处理量为1kg/h。

实施例3

与实施例2相比，其区别在于，控制进料速率为5rap/min，污泥在所述污泥微波处理器中的停留时间为6min。

处理完成之后，生物气产率为49.38％；h2产率为41.68％。污泥单位时间的处理量为5.5kg/h。

实施例4

与实施例2相比，其区别在于，控制进料速率为9rap/min，污泥在所述污泥微波处理器中的停留时间为3.5min。

处理完成之后，生物气产率为46.14％；h2产率为38.25％；污泥单位时间的处理量为9kg/h。

对比例1

本对比例涉及用微波加热传统的间歇式方法处理污泥产h2，其具体步骤为干污泥添加量为10g，热解温度900℃，热解时间20min，热解结束后，待微波腔体降至室温取出热解残渣，再进行下一批次的污泥热解。

处理完成之后，生物气产率为18.5％；h2产率为27.5％；污泥单位时间的处理量为0.03kg/h。

由以上对比例可以看出，与传统方法相比，本发明的方法确实可有效地提高生物产率和h2产率。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。