一种污泥资源化处理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，具体涉及一种污泥资源化处理的系统及方法。

背景技术：

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％，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。

但现有技术中，一些污泥回转窑热解工艺的热解油产量较多，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。此外，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。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提供一种新型的污泥资源化处理的系统及方法。

本发明首先提供了一种污泥资源化处理的系统，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、热水入口、冷却水出口；

蓄热式旋转床，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，所述原料入口与所述干化装置的干化污泥出口相连；

等离子气化反应室，具有热解油气混合物入口、合成气出口，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；以及

净化装置，具有合成气入口、净化合成气出口，所述合成气入口与所述等离子气化反应室的合成气出口相连。

在本发明的一些实施例中，所述系统还可以包括：

甲烷化装置，具有净化合成气入口、混合气出口和剩余气体出口，所述净化合成气入口与所述净化装置的净化合成气出口相连；以及

分离装置，具有混合气入口、甲烷出口和剩余气体出口，所述混合气入口与所述甲烷化装置的混合气出口相连。

在本发明的一些实施例中，所述系统还包括熄焦装置，所述熄焦装置具有热解炭入口、灰渣出口、熄焦水入口，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，所述熄焦装置的熄焦水入口与所述干化装置的干燥水出口和/或所述干化装置的冷却水出口相连。

在本发明的一些实施例中，所述蓄热式旋转床包括干燥区和热解区；所述热解水出口布置于所述干燥区末端的侧壁，所述热解油气混合物出口布置于所述热解区末端的顶部。

此外，本发明还提供了一种利用上述系统处理污泥的方法，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；

将热所述解油气混合物通入所述等离子气化反应室，制得包括CO、H₂的合成气；

将所述合成气送入所述净化装置进行净化处理，制得纯净的CO、H₂的合成气。

在本发明的一些实施例中，采用镍基催化剂将所述合成气制成甲烷。

在本发明的一些实施例中，所述污泥进行干化处理时还会产生干燥水和冷却水，用所述干燥水和/或所述冷却水对所述热解炭进行熄焦处理。

在本发明的一些实施例中，在1150℃-1450℃的温度下对所述解油气混合物进行等离子气化处理。

在本发明的一些实施例中，在650℃-950℃的温度下热解所述污泥。

本发明采用蓄热式旋转床对干化处理后的污泥进行热解，并利用等离子气化反应室对热解油气进行气化，干燥水、冷却水可作为热解炭的熄焦用水，获得的合成气产率高、热值高，实现了污泥的“无害化、减量化、资源化”。

此外，本发明的工艺简单、运行成本低、资源化水平高、二次污染小，且易于实现工业化和规模化。

本发明提供的工艺中，热解油的产率低，而合成气的产率很高，不会发生管道堵塞、设备被腐蚀等现象，减少了生产成本。

在进一步的改进工艺中，将合成气进一步制成了甲烷，提高了产品的经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种污泥资源化处理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处理污泥的工艺流程图。

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，本发明提供的污泥资源化处理的系统包括：干化装置1、蓄热式旋转床2、等离子气化反应室3、净化装置4、甲烷化装置5、分离装置6和熄焦装置7。

干化装置1具有污泥入口、干化污泥出口、干燥水出口、热水入口、冷却水出口。干化装置1为间接干燥装置，本发明采用热水作为介质，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；热解油气混合物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，随着热解油气混合物进入后续设备中，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。

蓄热式旋转床2具体包括：壳体，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3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。

等离子气化反应室3具有热解油气混合物入口、合成气出口，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。

本发明由于在气化熔融前，先对污泥进行了热解，因此，等离子气化反应室3所需的等离子体火炬数量少，处理效率高，运行成本低。两个以上等离子体火炬即可满足工艺要求。

净化装置4用于除去从等离子气化反应室3排出的合成气中的硫化氢、氯化氢等杂质。净化装置4具有合成气入口、净化合成气出口，合成气入口与等离子气化反应室3的合成气出口相连。

甲烷化装置5具有净化合成气入口、混合气出口和剩余气体出口，净化合成气入口与净化装置4的净化合成气出口相连。

分离装置6具有混合气入口、甲烷出口和剩余气体出口，混合气入口与甲烷化装置5的混合气出口相连。

图1所示的系统也可不包括甲烷化装置5和分离装置6，合成气可另作他用，诸如作为燃料直接燃烧，但将其制成甲烷，能提高产品的经济价值。

熄焦装置7具有热解炭入口、灰渣出口、熄焦水入口，热解炭入口与蓄热式旋转床2的热解炭出口相连。

熄焦装置7用于冷却热解炭，图1所示的系统中，熄焦装置7的熄焦水入口与干化装置1的干燥水出口和冷却水出口。这样布置能有效降低整个工艺的生产成本。

需要说明的是，熄焦水入口可以只与干化装置1的干燥水出口或冷却水出口中的一个相连，并不局限于图1所示的情况。此外，系统也可不包括熄焦装置7，可采用其他方式对玻璃态熔渣进行冷却。

图1中，等离子气化反应室3垂直布置在蓄热式旋转床2的热解油气混合物出口的上端，热解油气混合物不经冷却直接通入等离子化反应室3内，减少了热量的流失，提高热利用率。当然还可采用保温运输的方式将热解油气送入等离子气化反应室3中。同样地，整个系统物料间的运输都可采用保温运输的方式，可降低工艺运行成本。

图2为本发明实施例中的一种处理污泥的工艺流程图，包括如下步骤：

将污泥干化装置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；

将热解油气混合物通入等离子气化反应室3，制得包括CO、H₂的合成气；

将合成气送入净化装置4进行净化处理，制得纯净的CO、H₂的合成气。

同前所述，可采用镍基催化剂将上述合成气制成甲烷，提高产品的经济价值。镍基催化剂是一种性能优越的甲烷化催化剂，当然，也可采用其他催化剂代替，只要能将CO、H₂制成甲烷即可。

同前所述，污泥干化处理时还会产生干燥水和冷却水，可采用干燥水、冷却水中的一种或多种水对玻璃态熔渣进行熄焦处理。

等离子气化反应室3得到的合成气温度较高，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。

合成气中含有较多CO、H₂等可燃气，而蓄热式辐射管又需要为污泥热解提供热量，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。当然，蓄热式辐射管也使用电能进行产热，这个并不需要特别限定。

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350℃-550℃，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650℃-950℃。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。

同前所述，由于在气化熔融前，先对污泥进行了热解，因此，气化熔融反应的温度不需要太高。经过大量实验发现，在1150℃-1450℃的温度下对热解油气及热解炭进行气化熔融处理即可。温度太高，浪费能源。

本发明中，污泥在蓄热式旋转床2热解产生的热解油很少，且制得的热解油气混合物中的烃类气体含量极少，热解油气混合物进入等离子气化反应室3后，在1150℃-1450℃的温度下能瞬间被气化，生成大量的含有CO、H₂等的合成气，因此，合成气的产率高。且由于热解油产量少，不会发生管道堵塞、设备被腐蚀等现象，减少了生产成本。

上述系统中各装置的有益效果和上述利用该系统处理污泥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气化熔融的高效结合，不仅降低了运行成本，还提高了合成气的产率，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、二次污染小。

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：

将含水率88％的污泥送入干化装置1中，产生47％的干燥水，剩下41％含水率的污泥再进入蓄热式旋转床2。干化装置1采用热水为介质对污泥进行干燥。在干燥区的蓄热式辐射管的温度为400℃，热解区的蓄热式辐射管的温度为950℃。污泥在蓄热式旋转床2中依次经过干燥、热解制气等过程，最后得到的热解水从干燥区末端的炉膛侧壁(热解水出口)流出，进入污水处理站处理；热解油气混合物在热解区末端的顶部(热解油气混合物出口)排出，进入等离子气化反应室3；热解炭在蓄热式旋转床2的末端底部(热解炭出口)通过螺旋输送装置排出，送至熄焦装置7中，用干化装置1产生的干燥水和冷却水将热解炭冷却。其中，等离子气化反应室的温度为1150℃。将等离子气化反应室3产生的合成气进行净化处理，以便得到纯净的CO、H₂等合成气。最后将合成气通入甲烷化装置5，甲烷化装置5中含有镍基催化剂，同时利用分离装置6将剩余气体经过净化后达标排放。热解产生的热解炭大部分为无机物残渣，直接运至填埋场进行处置。

合成气的产率为50％(按入炉干基)，热解炭的产率为41％(按入炉干基)，最终制得的甲烷占合成气的产率为70％。

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：

将含水率85％的污泥送入干化装置1中，产生45％的干燥水，剩下40％含水率的污泥再进入蓄热式旋转床2。干化装置1采用热水为介质对污泥进行干燥。在干燥区的蓄热式辐射管的温度为400℃，热解区的蓄热式辐射管的温度为650℃。污泥在蓄热式旋转床2中依次经过干燥、热解制气等过程，最后得到的热解水从干燥区末端的炉膛侧壁(热解水出口)流出，进入污水处理站处理；热解油气混合物在热解区末端的顶部(热解油气混合物出口)排出，进入等离子气化反应室3；热解炭在蓄热式旋转床2的末端底部(热解炭出口)通过螺旋输送装置排出，送至熄焦装置7中，用干化装置1产生的干燥水和冷却水将热解炭冷却。其中，等离子气化反应室的温度为1450℃。将等离子气化反应室3产生的合成气进行净化处理，以便得到纯净的CO、H₂等合成气。最后将合成气通入甲烷化装置5，甲烷化装置5中含有镍基催化剂，同时利用分离装置6将剩余气体经过净化后达标排放。热解炭大部分为无机物残渣，直接运至填埋场进行处置。

合成气的产率为48％(按入炉干基)，热解炭的产率为36％(按入炉干基)，最终制得的甲烷占合成气的产率为65％。

表1 污泥工业分析及元素分析

实施例1和实施例2的制得的合成气的产率大于30％，热解炭的产率大于25％。热解油的产率远小于一些污泥回转窑热解工艺的热解油产率。

此外，甲烷的产率也比较高，大于60％，说明本发明的技术方案是可行。

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，并利用等离子气化反应室对热解油气混合物进行气化，干燥水、冷却水可作为热解炭的熄焦用水，获得的合成气产率高、热值高，实现了污泥的“无害化、减量化、资源化”。

此外，本发明的工艺简单、运行成本低、资源化水平高、二次污染小，且易于实现工业化和规模化。

本发明提供的工艺中，热解油的产率低，而合成气的产率很高，不会发生管道堵塞、设备被腐蚀等现象，减少了生产成本。

在进一步的改进工艺中，将合成气进一步制成了甲烷，提高了产品的经济效益。

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。