技术领域本发明涉及固体废弃物资源综合利用领域，尤其是涉及一种污水厂污泥与焦粉混合制备燃料的方法与装置。
背景技术：
随着城市的现代化扩张发展，社会人口也逐步向大中城市集中，加之污水处理效率的显著提升，将使得城市污泥的产量飞速提升，城市污泥处理的压力越来越大。目前，我国正在运转的城市污水处理厂约有400多座，处理能力为1.136×1010t/a。污泥量通常占污水量的0.3-0.5℅，约占污水处理量的1-2℅，如果进行深度处理，污泥量会增加0.5-1倍，随着我国污水处理效率的提高，必然导致污泥量的增加。据预测，至2020年污水排放量将达5.36×1010t/a。污泥的传统处置方法有海洋弃置法、填埋法、堆肥法和焚烧法。其中，海洋弃置法危害海洋生态系统，造成海洋环境恶化；填埋法占用大量土地，易产生病原体、病毒等有害微生物污染，还使得填埋体易发生变形和滑坡，造成安全隐患；堆肥法处理后的产品中病原体仍有可能存活，加之污泥中含有重金属和有机物，生态风险较大。焚烧法将污泥直接在焚化炉里进行焚化燃烧，由污泥含水率高，存在不易燃烧、产热量低、污染严重、操作管理复杂、能耗和运行费用高等缺点，处置投资巨大。污泥是污水处理过程中剩余的微生物残体，污泥中含有大量的有机物和一定的纤维木质素，具有一定的热值，但由于污泥含水率太高，导致其低位热值较低，且不能稳定焚烧并用作能源利用，而且含量大于80％的水分在污泥焚烧过程中转变为蒸汽，以气化潜热的形式带走大量能量。因此，污泥并不适用于直接焚烧处理，需要进行预处理才能提高其能源化与燃料化利用效率。污泥的燃料化使用必须解决三大关键问题：一、污泥低能耗低成本脱水干化；二、污泥中细菌与微生物快速消除；三、提高燃料热值，实现高温燃烧，实现尾渣重金属固化与稳定化，减少过程污染物生成与排放。针对污泥燃料的研究，部分研究者开展了相关工作。中国专利申请CN101250456A提到一种城市污水处理厂污泥制作合成燃料的工艺方法，将城市污水处理厂压滤脱水后含水率为75-80％的污泥送入稳定搅拌罐内，加入污泥量的8-12％的Ca0，搅拌10min，将含水率降至65％；将含水率降至65％的污泥送至除臭搅拌罐内，加入Fe2(S04)，FeS04、(NH4)S04·6H20、CuS04等化学药剂，使污泥疏松、稳定后与其它含碳物质混合制成燃料，处理过程中添加了多种化学药剂，工艺复杂。中国专利CN1931753B公开了一种污泥干燥焚烧处理方法，通过脱水、造粒、与干燥污泥细粉混合、干燥、升温焚烧等5个步骤，采用专用设备对污泥进行干燥焚烧实现污泥的无害化处理，能耗高，步骤繁琐，污泥处理量低。中国专利申请CN1282781A提出一种污泥型煤的制备方法，将煤粉、污泥、木质碎屑或粉以及脱硫除臭剂按一定的组分配比，在湿润状态下混合搅拌后压制成型煤，其添加的污泥组分代替了粘土作为型煤粘结剂，此方法仍以煤炭作为主要原料，污泥的添加量较少，污泥的资源化效果不佳。中国专利申请CN1810940A提出的一种污泥燃料棒及其制备方法，将脱水污泥、助燃剂、粘结剂和脱硫剂按一定配比搅拌均匀后造粒成型，经烘干后制成燃料棒，其中助燃剂采用粉煤灰、植物秸秆、谷物或煤，加量为20％-50％，粘结剂采用玻璃胶、粘土或水泥，加量为3％-5％；中国专利CN101503643B提出的一种污泥干化固体燃料，由污泥与添加物混合压制成型或制成粉状体而成，添加物各组分的量按污泥重量计量为木屑5％-10％，煤粉0％-20％，矿化垃圾筛上物5％-15％，脱水剂1％-5％。上述两种方法生产的燃料棒虽然热值较高，但生产过程需要加入粘结剂、脱水剂等，烘干过程耗能高，成本较高。中国专利CN101914404B公开了一种用污水处理厂污泥制备固体燃料的方法，通过对污水处理厂污泥采用硫酸与双氧水等进行预处理，能使污泥中含水率显著降低，并有效去除湿污泥中的重金属；再利用太阳能聚焦对预处理后的污泥进行干馏，制成一种优质的固体燃料。中国专利申请CN102827661A公开了一种城市污水处理厂污泥燃料化处理工艺方法，将脱水污泥依次经过化学物理调理、微波辐射调理、压滤脱水、造粒、微波加热干燥处理，得到含水率为5-10％，低位热值为4000-5000大卡的污泥燃料。这两种方法污泥需要进行脱水预处理，并采用太阳能或微波加热，工艺复杂，处理量小。焦炭粉末粒径范围一般在l0mm以下，也称焦粉，是焦炭在生产、筛分、运输和使用过程中产生的副产物。我国是世界最大的焦炭生产国、出口国与消费国，每年产生焦粉量巨大，大约为4000-600万吨/年。这些焦粉粒径小、硫含量与灰含量偏高，除少数作为蜂窝煤和冶金工业配煤使用外，绝大部分未得到高附加值利用。有些厂家为了不使焦粉被大风刮走，长期使用大量的水来浇湿，结果使污染未减反而又造成水资源的再次浪费。这些触目惊心的浪费，不仅严重造成了资源的严重浪费，更造成了地区环境的严重污染。因此，如何实现废弃焦粉资源化高附加值利用成为焦化行业一个重要难点问题。
技术实现要素：
为了克服现有技术的缺陷和不足，本发明提供了一种固体燃料制备工艺及其装置。焦粉主要成分是碳，完全可以与污泥混合制备固体燃料，既可以改善污泥的脱水性又可以提高污泥基燃料的热值、固定污泥中的重金属元素，实现了污泥与焦粉两种废弃物的协同资源化利用。其基本原理是将焦化行业产生废弃物焦粉与污水污泥(含水80％以上)进行混合，充分利用焦粉含碳高、气孔率大与吸水性强的特性，实现如下污泥改性目标：一、改变污泥凝胶结构，使污泥胶团中被禁锢的水分充分释放，通过焦粉中的炭粉吸水效应来实现污泥中含水细胞快速破壁，从而减少化学药剂使用，实现水分的高效干化；二、充分利用焦粉所具有的吸附污染物的特性，吸附固持污泥中有机物与重金属等污染物，并在燃料高温燃烧过程实现重金属的稳定化，为燃烧灰渣作为建筑材料奠定基础；三、利用焦粉含碳高的特点，提高燃料的热值，充分改善燃烧工况和环保性能，变废为宝。此外，在添加焦粉后的污泥中仅需添加少量石灰消化，即可实现消除污泥中细菌与微生物、高效固硫固氮的目标，与污泥石灰干化填埋技术相比，大大节约处理成本，资源化利用水平明显提高。综上所述，新技术一方面充分解决污泥脱水干化能耗高、处理工艺复杂的技术难题；另一方面，实现了焦化行业的废弃物焦粉的资源化利用，将其与污泥的资源化协同互补利用，转化为固体燃料，节能环保效益显著。具体方案如下：一种污水厂污泥与焦粉混合制备燃料的方法：先将污水厂污泥与焦粉混合；再在混合物料中添加石灰进行污泥消化与干化；然后进行压制成型，并置于室温条件下养护，获得环保型固体燃料。进一步的，所述的污水厂污泥为冶金、城市、造纸、印染领域的污水处理系统中产生的原生污泥，其质量含水率≥80％；任选的，所述的焦粉来源于焦化行业，其粒度为<10mm。进一步的，所述的污水厂污泥干基与焦粉混合质量比例为20％-60％：80％-40％，混合时间为10-30min。进一步的，所述的石灰添加比例为污泥与焦粉混合物质量的5％-10％；任选的，石灰与混合物料的混合时间为15-60min。进一步的，所述的压制成型的成型压力100-1000kg/cm2；任选的，成型物料形状可以为圆形、椭圆型或方形，且最大尺寸不超过35mm；任选的，成型后的物料养护时间为8-24小时。一种污水厂污泥与焦粉混合制备的环保型固体燃料的用途，用于钢铁企业烧结工艺的原料、垃圾焚烧厂和热电厂的燃料，或者将环保型固体燃料进一步热解成半焦后再作为燃料。一种污水厂污泥与焦粉混合制备的环保型固体燃料的装置，包括焦粉储仓、污泥储仓、石灰储仓、计量装置、输送装置、一级混合装置、二级混合装置和成型装置，其连接方式为：焦粉储仓出口与1#计量装置入口相连，1#计量装置出口与1#输送装置入口相连，1#输送装置出口与一级混合装置入口相连；污泥储仓出口与2#输送装置入口相连，2#输送装置出口与一级混合装置入口相连；一级混合装置出口与3#输送装置入口相连，3#输送装置出口与二级混合装置入口相连；石灰储仓与2#计量装置入口相连，2#计量装置出口与4#输送装置入口相连，4#输送装置出口与二级混合装置入口相连；二级混合装置出口与5#输送装置入口相连，5#输送装置出口与成型装置入口相连。进一步的，所述的焦粉储仓、污泥储仓和石灰储仓为普通钢圆型钢仓或水泥仓；所述的1#计量装置与2#计量装置为螺旋称或星形给料器；所述的1#输送装置与4#输送装置为输灰泵、刮板输送机、斗提机、拉链机、螺旋输送机中任意一种；所述的2#输送装置为泥浆泵；所述的一级混合装置为单轴混合机、双轴混合机、搅拌混合机中的任意一种；所述的3#输送装置与5#输送装置为刮板输送机、斗提机、拉链机或螺旋输送机；所述的二级混合装置为单轴混合机、双轴混合机、搅拌混合机或混碾机；所述的成型装置为平模造粒机、环模造粒机或对辊成型机。一种使用污水厂污泥与焦粉混合制备的环保型固体燃料的装置的方法：将焦化行业产生的废弃物焦粉储存在焦粉储仓，将污水厂所产生的污泥储存在污泥储仓，将石灰储存在石灰储仓，首先通过1#计量装置称取焦粉，借助1#输送装置输送到一级混合装置中，与此同时，将污泥储仓中的污泥通过2#输送装置也输送到一级混合装置；焦粉和污泥在一级混合装置混合后的混合物料通过3#输送装置输送到二级混合装置，与此同时，通过2#计量装置称取石灰，借助4#输送装置也输送到二级混合装置；石灰与混合物料在二级混合装置中混合后借助5#输送装置送到成型装置压制成型，之后在室温下养护，获得环保型固体燃料。进一步的，所述的污水厂污泥为冶金、城市、造纸、印染领域的污水处理系统中产生的原生污泥，其质量含水率≥80％；任选的，所述的污水厂污泥干基与焦粉混合质量比例为20％-60％：80％-40％，混合时间为10-30min；任选的，所述的石灰添加比例为污泥与焦粉混合物质量的5％-10％；任选的，石灰与混合物料的混合时间为15-60min；任选的，所述的压制成型的成型压力100-1000kg/cm2；任选的，成型物料形状可以为圆形、椭圆型或方形，且最大尺寸不超过35mm；任选的，成型后的物料养护时间为8-24小时。本发明所述的焦粉具有吸水效应，原因在于焦粉中的炭粉为多孔隙结构，具有较强的吸湿作用。一般污水处理厂出来的压滤后的污泥含水率均为≥80％，通过焦粉有效地发挥“吸湿效应”，实现污泥细胞破壁，快速释放毛细水、吸附水和内部水，促进污泥脱水干化过程。有益效果：(1)同时实现“污水污泥与焦粉的协同资源化利用”的目标，实现污泥与焦粉高附加值燃料化利用。(2)本发明所述的方法原料适应性强，污泥处理量大，制备的固体燃料环保性能好；产品适用范围广，生产的固体燃料可用于钢铁企业烧结工艺的原料、垃圾焚烧厂和热电厂的燃料，也可以进一步热解成半焦后再作为燃料。(3)本发明所述的工艺和装置具有投资小、见效快，工艺相对简单、灵活，装置运行费用低、实用性强、处理规模大、无害化彻底、资源化与能源化率高等优点，充分体现了循环经济和低碳经济的理念，具有显著的社会效益、经济效益与环境效益。附图说明图1是本发明实施例1提供的工艺设备流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步阐述。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。文中相同的附图标记始终代表相同的元件，相似的附图标记代表相似的元件。实施例1先将城市生活污水厂污泥1kg与焦化行业产生的废弃物焦粉1kg混合15min；再在混合物料中添加石灰0.2kg进行污泥消化与干化；然后进行压制成型，成型压力为200kg/cm2，之后置于室温条件下养护12h，获得环保型固体燃料约2kg。对所获得的环保型固体燃料按国标固体生物质燃料发热量测定方法(GB/T30727-2014)进行检测，其高位热值为18.9MJ/kg。一种污水厂污泥与焦粉混合制备燃料的装置，其运用实施例1所述的方法，设备流程图如图1所示：将焦化行业产生的废弃物焦粉储存在焦粉储仓，将污水厂所产生的污泥储存在污泥储仓，将石灰储存在石灰储仓，首先通过1#计量装置称取焦粉1t/h，借助1#输送装置输送到一级混合装置中，与此同时，将污泥储仓中的污泥通过2#输送装置也输送到一级混合装置；焦粉和污泥在一级混合装置混合后的混合物料通过3#输送装置输送到二级混合装置，与此同时，通过2#计量装置称取石灰0.2t/h，借助4#输送装置也输送到二级混合装置；石灰与混合物料在二级混合装置中混合后借助5#输送装置送到成型装置压制成型，成型压力为200kg/cm2，之后在室温下养护12h，获得环保型固体燃料。本发明工艺系统采用各设备装置均可以由市场直接购买而安装使用。实施例2先将城市生活污水厂污泥1kg与焦化行业产生的废弃物焦粉4kg混合10min；再在混合物料中添加石灰0.25kg进行污泥消化与干化；然后进行压制成型，成型压力为100kg/cm2，之后置于室温条件下养护8h，获得环保型固体燃料约5kg。对所获得的环保型固体燃料按国标固体生物质燃料发热量测定方法(GB/T30727-2014)进行检测，其高位热值为23.3MJ/kg。实施例3先将城市生活污水厂污泥1.2kg与焦化行业产生的废弃物焦粉0.8kg混合30min；再在混合物料中添加石灰0.16kg进行污泥消化与干化；然后进行压制成型，成型压力为1000kg/cm2，之后置于室温条件下养护24h，获得环保型固体燃料约1.9kg。对所获得的环保型固体燃料按国标固体生物质燃料发热量测定方法(GB/T30727-2014)进行检测，其高位热值为17.8MJ/kg。本发明的优点在于：按照“资源高效循环利用、绿色环保”的原则，将城市污泥与焦末直接混合造粒制备固体燃料，真正实现城市污泥“变废为宝”和资源高效利用的目标。新工艺可以大规模处理城市污泥，彻底实现污泥资源化高效循环利用和能源化处理。城市污泥造粒制备成固体燃料后，可用于钢铁工业的烧结工艺原料或作为燃料供热电厂及垃圾焚烧厂使用，大大降低了企业运行的原料成本。本发明技术先进，工艺可靠，环境友好，充分体现了循环经济和低碳经济的理念，具有显著的社会效益、经济效益与环境效益。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。