一种污泥还原气化制生物炭的工艺的制作方法

本发明涉及固体废弃物处理领域，尤其涉及一种污泥还原气化制生物炭的工艺。

背景技术：

随着社会经济的发展，人类生态环境的保护和绿色循环经济的提倡，城镇污水处理事业不断发展，污水厂总处理水量和处理程度将不断扩大和提高，产生的污泥量也日益增加。比如浙江省，2014年以来，浙江启动农村生活污水治理工程，今年2016年是农村生活污水治理三年工作计划的收官之年。截止目前，建立污水处理终端10万个，铺设管道近3万公里，总长度可绕赤道大半圈；治理村庄两万多个，受益农户450万户，全省覆盖率达八成，原本“污水靠蒸发，垃圾随风刮”的乡村，大多告别了污水直排历史，居民环保意识逐渐加强，产生的污泥量势必会进一步增加。

当前国内针对污泥的处理处置方法主要有填埋、焚烧、土地利用、厌氧消化、加热干化和加碱稳定。污泥填埋占用大量土地，产生的渗漏液和气体会严重污染地下水和大气。土地利用时由于污泥中含有病原菌、寄生虫卵、重金属和多种难降解有机化合物，进入农田作为农作物的肥料，通过食物链将会危害人体健康和动植物生长。焚烧是实现污泥无害化、减量化、稳定化最为彻底的方法，在污泥处理处置中所占的比例逐年提高，已成为发达国家采用的主要技术，但其技术和装备投资大，运行成本高，高温烟气热利用率不高，国内污泥焚烧也有逐年增加的趋势，但尾气处理及工艺还有完善和解决，居民投诉较多，导致进展缓慢。最近几年出现的一些资源化技术也因处理成本过高，且有些技术尚处在实验室研究阶段，实际生产中难以大规模推广应用。

生物炭是指将生物质材料在缺氧或限氧条件下热解，去除生物质中的油和气后剩下的固体物质，其具有难熔、稳定、高度芳香化、富含碳元素等特性，通常被认为是黑炭的一种。相关研究表明，生物炭具有巨大的表面积和内部空隙，具有负电荷多、离子交换能力强、吸附性能优异等特点，已广泛用于环境、农业领域。生物碳可以长期稳定地存在于自然界中，具有持久性的肥田沃土，促进土壤中微生物繁殖，促进植物生长，对二氧化碳吸收，使空气中二氧化碳减少的功能；生物碳富含微孔，不但可以补充土壤的有机物含量，还可以改善土壤的透气性和排水性，蓄留植物根部所需水分，有效地保存水分和养料，提高土壤肥力；生物碳在农业领域所具有的独特性能，使其在中国实施“沃土工程”过程中，起到重要的、不可替代的作用。正因为生物炭有如此多的优势，眼下固体废弃物制生物炭的工艺及其装置正在全国范围内兴起，但能够工业化应有的，大规模生产的未见报道，基本停留在实验室及中试阶段。

公开号为CN102443404A的中国专利公开了一种制造生物炭的装置：预热室位于热烟气室内，预热室两端分别连接出料滚筒和进料滚筒；出料滚筒的另一端连接一中间料仓，中间料仓的下部连接一进料室；进料滚筒的另一端连接一气体收集室；气体收集室的混合气出口与喷淋洗涤冷却塔的进气口连接；干馏室位于燃烧室内，干馏室两端分别连接前滚筒和后滚筒；前滚筒的另一端与进料室连接，后滚筒的另一端与出料室连接，出料室下方连接冷却室，出料室的混合气出口与喷淋洗涤冷却塔的进气口连接；燃烧室内位与干馏室的下部安装有外来燃料燃烧器和不凝可燃气燃烧器；燃烧室顶部与热烟气室底部之间设有热烟气管道。本发明提供的制造生物碳的装置，可以无污染、低成本、工业化地制造生物碳。该设备应该说比较好，但处理量小，而且是间歇式反应，无法连续化大生产是其弊端。

公开号为CN105601075A的中国专利公开了一种污泥热解碳化处理的工艺方法及其装置：污泥经压榨机压榨、粉碎机粉碎、混合搅拌机混拌、内加热回转窑烘干机内烘干后送入储料仓内后送入热解碳化炉内；污泥在热解碳化炉内发生热解碳化，产物固态碳的混合物输出系统外，产物水蒸气、热解气进入分离提纯塔中进行分离、提纯；提纯后的可燃气送入燃烧器中燃烧为内加热回转窑烘干机输送热源，提纯分离出的重组分送到混合搅拌机与污泥混拌进行二次热解；加热炉产生的烟气排出至热风炉内进行二次烧蚀；整个装置产生的尾气经内加热回转窑烘干机的出口I排出，经过处理后达标排放。此套设备较完整，但最大问题也是间歇式生产，无法自动排生物炭，人工冷却排炭需要较长周期，而且高温生物炭遇空气会自燃、人为烧伤等问题。

技术实现要素：

为减少越来越多的污泥无法处置，使污泥能更好的资源化，减量化，无害化和稳定化利用，本发明提供了一种污泥还原气化制生物炭的工艺，通过将有机固体废弃物在缺氧或限氧条件下热解，去除有机固废中的油和气后剩下的固体物质，其具有难熔、稳定、高度芳香化、富含碳元素等特性，通常被认为是黑炭的一种，使一种很好的土壤改良剂。

本发明的具体技术方案如下：

一种污泥还原气化制生物炭的工艺，包括以下几个步骤：

1)将脱水污泥送入污泥中间罐储存；

2)将中间罐中的污泥通过进料装置送入气化装置进行热解气化反应，得到高温混合气和高温生物炭；

3)将步骤2)中的高温混合气进行过滤、喷淋冷却和洗涤冷却处理，得到油水混合物和富气；

4)将步骤2)中的高温生物炭进行固气分离，并冷却后得到生物炭；

5)将步骤3)中的油水混合物通过泵送入自动过滤器和油水分离器，得到灰浆、生物油和水，并将灰浆再次送入气化装置进行热解气化反应。

作为优选的，所述脱水污泥的含水率≤35wt％。污泥含水率越低对于气化装置所需的热量就越少，产生的水蒸汽也相对较少，对后续的过滤器和废水都降低压力，更好的节省成本。

所述进料装置为密封式连续进料，可为螺旋输送，也可为液压顶缸式进料。进一步的，污泥可用螺旋输送，其中有轴螺旋为最佳，但密封性没有液压顶缸式进料较好；这个可通过其他方式的密封解决，比如通过两道螺旋渐进式密封来完成此次操作。如果物料为稻草，蔗渣，秸秆等农林废弃物，液压顶缸式进料较佳，只要一道封闭，就能抑制带有微正压的高温油气外泄。

进料装置和气化装置通过轴连接机构的动静密封来实现，气化装置前端设置有金属补偿器，金属补偿器作为一种柔性耐压管件，用以补偿管道或机器、设备连接端的相互位移，吸收振动能量，能够起到减振、消音等作用，具有柔性好、质量轻、耐腐蚀、抗疲劳、耐高低温等多项特点，为反应釜在高温下能更好的运行。

优选的，所述的气化装置为卧式旋转反应釜，反应釜内部有导热管和导流板。

本申请的反应釜为可旋转机构，进一步保证反应釜内部的物料受热均匀，因此设置有驱动所述反应釜的驱动机构，所述驱动机构包括固定在反应釜外周面的齿环，与齿环相啮合的托轮以及驱动托轮的电机；该驱动机构带动反应釜360°旋转，能加快反应釜内物料的裂解反应速度。

导流板可分为导流钢板和导流不锈钢板，可采用单螺旋结构或双螺旋结构，也可单、双结合的螺旋导流结构；在反应釜旋转的过程中，倾斜布置的导流板对反应釜内的物料具有倒流作用，反应釜内的物料在导流板的作用下向出料口所在的位置移动，加快反应釜内物料的排出。

作为优先的，反应釜内设置多根垂直反应釜轴线的导热管，一般导热管的数量为6～20根，且相邻两导热管垂直交错。导热管设置的数量一般根据实际物料处理量确定，物料处理量较大时，可根据实际情况增加导热管的数量；导热管内径的大小可根据实际需要确定。反应釜内设有倾斜布置的导流板，该导流板处于高位的一端贴近所述进料口。

卧式旋转反应釜从前端到尾端布置8～14个温控点，卧式反应釜压力为0～100kpa，内部加热温度为300～700℃。

作为优先的，当污泥处理量为100～200吨/天规模时，温控布置点为10～12个，卧式反应釜压力为0～50kpa，内部加热温度为450～600℃。生物炭的温度控制具体要看产品的用处，及污泥中重金属的含量。

本申请中的高温混合气从反应釜的前端排出，在过滤用的气灰分离器内的上部设有挡板，所述的挡板由耐高温、耐腐蚀材料拼接成倒角结构，且张角的范围在45°～150°，具体的角度由有机固体废弃物裂解气的成分，裂解产生的混合物粘性，生物炭的比例而定。

本发明的挡板布置有4～10层，且每层为6～14块，具体由处理量、气流速度和含灰量的多少而定；层与层之间的挡板互相错开，目的使气流能充分地与挡板接触，做迂回路线，而不是一条直线上升，挡板不断阻击气流使裂解气中的灰尘碰撞而粘附在挡板上，待粘附力小于灰尘的自身重力时，再自由下落。

高温下随气流悬浮的炭黑，灰等固体颗粒，在碰到挡板时降低了速度，并有大量的固体颗粒粘附在挡板上，积聚到一定程度时，随自身重力下沉至过滤器的底部，夹带灰尘的高温混合气通过与挡板不断的碰壁，实现高温混合气和固体颗粒分离。

富气为污泥高温裂解并冷却后产生的氢气，一氧化碳，甲烷等较难压缩气体，通过罗茨风机，气体净化器等装置，进入气体燃烧器装置燃烧以供应气化装置所需热量。

作为优先的，在步骤5)中，得到的废水经隔油，气浮处理后转移至污水处理厂。

进一步优先的，在步骤5)中，得到的生物油主要为木醋液，焦油等，密度较大，经沉淀，过滤，分离后，通过油泵打入燃油燃烧装置，也可打入生物油罐外售。

在高温生物炭的固气自动分离装置内，下端安装有料液搅拌装置，料液搅拌装置包括安装在分离仓底部的转轴，固定在转轴上的叶片，以及用于驱动转轴的电机；所述叶片为沿所述转轴轴线均匀布置的4～12块；且叶片倾斜布置，本发明的叶片为推进式叶片，其可沿转轴转动方向向下倾斜布置，也可沿转轴转动方向向上倾斜布置。

生物炭在固气自动分离装置的底部集聚到一定量时，料位传感器发出指令启动生物炭搅拌装置和仓壁振动器，搅拌装置能防止料夜在分离仓的底部结块或架桥，保证分离仓内的料夜能及时的排出。

所述的排灰装置为螺旋输送结构，此结构包括无轴螺旋和有轴螺旋等，为了使产生的生物炭不易形成死角及便于及时清理，在螺旋输送末端适当外延一定距离，外延距离的长短可根据固气自动分离装置的尺寸及生物炭产生量等实际效果而定。底部出料螺旋输送可采用平行输送或一定倾斜角度输送，倾斜角度输送可使生物炭更易集中于一个点，产生的死角只在输送末端，现场人员只要定期打开末端盲板清理就可解决堵塞或死角积存的生物炭，细铁丝等杂质。出口输送装置外套可采用冷却水循环或空气循环冷却，冷却后通过输送装置进入冷渣机，生物炭经冷渣机进一步冷却后打包装袋。

优选的，所述的高温混合气通过喷淋冷却处理，将可凝有机组分和水蒸汽凝结成液体，去除不凝气体中的粉尘和酸性气体成分。

产生的高温混合气进入喷淋冷却管，通过大量的喷淋液吸收高温混合气的热量，将高温混合气温度降至一定温度，温度控制在80℃以下，喷淋液的进口温度具体视气流速度，气体组分而定，含水率较高的情况下，进口温度相对较高，进口温度一般在150℃～300℃。作为优选的，进口温度一般在170℃～220℃。使可凝有机组分和水蒸汽凝结成液体，同时中和产物的酸性物质，保护后续设备，而且通过喷雾洗涤作用，可有效地去除不凝气体中的粉尘和SO₂、NO_X等酸性成分，有利与后续不凝气的燃烧及减少废气污染物生成。

优选的，将喷淋冷却后的高温混合气进行洗涤冷却，降低不凝气体的温度，冷却温度控制在20～60℃，并控制生成油水混合物pH值在5～9。

喷淋冷却管出来的含油废水和不凝气进入洗涤冷凝器，通过填料层提高气液的传质、换热，进一步将不凝气的温度降至工艺要求，提高可凝有机组分的凝结效果，强化不凝气的除尘效果和SO₂、NO_X等酸性成分的吸收效果，顶部出口设有除雾装置，减少不凝气带液。

洗涤冷凝器顶端安装有除雾装置和喷雾装置，中间设有填料层，填料层厚度一般为洗涤冷凝器高度的1/2～1/5；内部油水混合物pH值控制在5～9，冷却温度控制在20～60℃。

洗涤冷凝器底端的油水混合物有远程控制和现场控制的压力表，温度表和pH计，当pH计显示值低于要求时候，计量泵开启，把碱液槽里面的碱液打入一直在循环的油水混合物管道，直到pH计达到要求时，计量泵停止工作。

优选的，所述的自动过滤器用于去除油水混合物中的杂质，所述的油水分离器用于油水分离，且除油后的废水大部分循环使用作为喷淋冷却和洗涤冷却的喷淋液。

洗涤冷凝器下部储存的含油废水用泵抽至自动过滤器，并同时通过泵前自动投加碱液自动调节废水的pH值，自动过滤器是液体全自动刮刀过滤器，液体从过滤器进口流入，自上向下流动，透过滤芯表面流向出口；当滤芯表面收集到一定量的杂质时，电机驱动装配校正器的刮刀紧贴滤芯表面转动，刮除杂质，杂质随下行液体聚集在收集室，当累积到一定量杂质时，自动排污阀打开收集室，将含高浓度杂质的液体排出，排出残液重新进入反应釜高温碳化处理。

自动过滤器排出的废水进入油水分离器，能有效快速实现油水分离，收集的浮油作为产物自动抽至储油罐，除油后的废水大部分循环使用作为喷淋液，多余部分自动排至污水设施处理。

本发明通过对有机固体废弃物，尤其是污泥进行热解气化，对得到的生物炭进行打包市售外卖，作为很好的土壤改良剂。

附图说明

图1为本发明中污泥还原气化生物炭的工艺流程图。

具体实施方式

如图1所示，下面结合附图对本发明的污泥还原气化生物炭的工艺作进一步详细描述。

实施例1：

一种污泥还原气化制生物炭的工艺，包括以下几个步骤：

1)将脱水污泥送入污泥中间罐储存；

2)将中间罐中的污泥(含水率为≤35wt％)通过进料装置送入气化装置，气化装置产生的混合气同时为进料装置中的污泥预热，预热温度为110℃；气化装置中的反应釜温控点为12个，从前端到后端温度控制为150℃～500℃，逐渐上升，自身产生压力为10～30Kpa；反应釜的转速为1转/min。

3)将步骤2)中的高温混合气通过过滤器，水封罐，喷淋冷却塔，洗涤冷却塔等装置得到油水混合物和富气；喷淋冷却塔开启5个阀门喷淋冷却。

4)将步骤2)中的高温生物炭通过料位感应器控制，处于高料位时，料位感应器发出信号，生物炭通过固气自动分离装置，排灰装置，冷渣机冷却打包装袋；当处于低料位时，料位感应器发出信号，自动关闭，关闭的顺序为先关闭固气自动分离装置，再关闭排灰装置，最后关闭冷渣机。

5)将步骤3)中的油水混合物通过泵送入自动过滤器，油水分离器等装置得到灰浆，生物油和废水；灰浆通过进料装置再次进入气化装置热解气化反应；

6)将步骤3)中的富气由罗茨风机进入气体净化器，再进入缓冲罐，通过富气燃烧装置燃烧供热。当富气缓冲罐压力高时，燃烧装置气枪全部开启，关闭燃油燃烧装置，由自身产生的富气供热，多余的富气通过压缩机压入富气罐(富气罐压力设置为1.9Mpa，容积为60m³)。

实施例2：

一种污泥还原气化制生物炭的工艺，包括以下几个步骤：

1)将脱水污泥送入污泥中间罐储存；

2)将中间罐中的污泥(含水率为≤30wt％)通过进料装置送入气化装置，气化装置产生的混合气同时为进料装置中的污泥预热，预热温度为130℃；气化装置中的反应釜温控点为10个，从前端到后端温度控制为180℃～550℃，逐渐上升，自身产生压力为10～50Kpa；反应釜的转速为2转/min。

3)将步骤2)中的高温混合气通过过滤器，水封罐，喷淋冷却塔，洗涤冷却塔等装置得到油水混合物和富气；喷淋冷却塔开启3个阀门喷淋冷却。

4)将步骤2)中的高温生物炭通过料位感应器控制，处于高料位时，料位感应器发出信号，生物炭通过固气自动分离装置，排灰装置，冷渣机冷却打包装袋；当处于低料位时，料位感应器发出信号，自动关闭，关闭的顺序为先关闭固气自动分离装置，再关闭排灰装置，最后关闭冷渣机。

5)将步骤3)中的油水混合物通过泵送入自动过滤器，油水分离器等装置得到灰浆，生物油和废水；灰浆通过进料装置再次进入气化装置热解气化反应；

6)将步骤3)中的富气由罗茨风机进入气体净化器，再进入缓冲罐，通过富气燃烧装置燃烧供热。因脱水污泥含水率较低，此时需热量也小，可关闭燃油燃烧器，适当减少燃气燃烧器的供热，多余的富气通过压缩机压入富气罐(富气罐压力设置为1.9Mpa，容积为60m³)。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。