污泥生物干化与气化协同制气肥的综合处理系统

本实用新型涉及一种污泥节能深度干化与气化制合成燃气与碳肥的协同制备处理系统，实用新型属于污泥能源化处理技术领域。

背景技术：

从改革开放以来，随着我国社会经济的发展和城镇化的快速发展，人口数量日益增长，城镇化水平不断提高，城镇污水厂的数量和规模不断增加，城市污水的排放量和处理量急剧上升，随之而来污水的副产物污泥的产量也有显著地增长。截至2017年12月底，全国设市城市、县累计建成污水处理厂5027座，污水处理能力达1.88亿立方米/日，年产生含水量80％的污泥5000多万吨，到2020年污泥产量将突破6000万吨。

污泥经过初步脱水后的含水率仍在80％以上，并且污泥的组成成分复杂，一般含有重金属、细菌菌体、寄生虫以及毒性有机物和营养物质等。不仅会对环境造成污染，威胁人类健康，而且也会浪费掉污泥中的有用资源。因此，污泥处理得到了全世界普遍的关注，如何科学高效地处理产量巨大的污泥是我国乃至全世界广泛研究的课题之一。

目前，全世界范围内对于污泥处理处置的方式主要有三种：填埋、土地利用、焚烧。根据中国环境工程研究中心的调查，在我国污泥处理处置方法中，农用约占44.8％，陆地填埋约占31％，其它处置约占10.5％，另有大约13.7％的城市污泥未经任何处理，就重新回到了自然界中，还没有实现污泥处理的减量化、稳定化、资源化。

填埋是一种比较成熟的处置技术，具有不需要高度脱水(自然干化)、投资较少、见效快、容量大、适应性强等优点，利于推广，但也存在诸多问题。例如，侵占土地严重，适宜厂址难以挑选；有毒有害成分会渗入到地下，而且填埋场的废水、臭气会对地下水、土壤和周围环境造成二次污染；污泥中含有的营养物质还会使大量病原菌繁衍；污泥填埋气未进行合理收集会引起爆炸等。因此，这些问题限制了污泥填埋的发展。

土地利用具有能耗低、投资少、运行费用低等优点，而且经处理后的污泥可以作为土壤改良剂来替代部分需要耗费大量能源而制造出的人工肥料。但考虑到污泥中重金属是否会造成土壤及作物的二次污染从而通过食物链进入人体，污泥中的寄生虫卵、病毒病原体是否会对公共坏境卫生有影响，是否会对地下水造成污染等问题，污泥的土地利用尤其是污泥的农用备受争议。

相对而言，污泥焚烧是一种较为新型的污泥处理技术，是指在空气供给过量的条件下将污泥加热，并在高温(850～1100℃)下氧化、热解并彻底破坏其中的有机物和病原体等物质的污泥处理方式。将脱水后的污泥放入焚烧炉内，进行有氧燃烧，能够碳化污泥中的大部分有机物，使污泥显著减量，从而使污泥里的有害病菌通过焚烧被彻底杀灭，而且污泥焚烧后的重金属成氧化态，最终可以得到稳定的灰渣。

与专利(cn109111075a)，阐述污泥干化气化间接加热与燃煤系统耦合发电，余热和废热进行回收利用；与专利(cn107721112a)，阐述城市污泥干化热解气化自持燃烧，产生的生物质气作为预热源循环利用；与专利(cn103319065a)，阐述利用污泥自身热值实现能源自给，进行污泥干化、气化相结合的处理，实现污泥的减量化、资源化处理。

技术实现要素：

为了克服已有技术的不足,本实用新型提供了一种污泥生物干化与气化协同制气肥的综合处理工艺及系统，运行稳定可靠、易于操作、环保节能。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种污泥生物干化与气化协同气肥联产综合处理系统，包括污泥机械板框压滤脱水系统i、撬装式污泥生物干化仓装置ii、调理污泥气化系统iii、光催化裂解反应系统iv和吸附净化提纯系统v；

所述污泥机械板框压滤脱水系统i包括止推板、滤板和滤框、横梁、压紧板、液压缸、液压缸座、锁紧装置、输料管、机脚、机座、进水法兰和液压站，机械板框压滤机是由交替排列的滤板和滤框共同组成一组滤室，在滤板的表面有沟槽结构，其凸出部分用以支撑滤布，滤板和滤框的边角上各有通孔，组装构成一个完整的通道，能够通入洗涤水、悬浮液，并引出滤液，滤板和滤框的两侧各有把手支托在横梁的上面，由压紧板装置压紧板和框，板和框之间的滤布起到密封垫片的作用，横梁尾端上方设置有液压缸和液压缸座，并附以锁紧装置进行固定，滤液进入板框压滤机后，穿过滤布沿着滤板沟槽流至板框边角通道集中排出，过滤完毕后可以通入清洗涤水洗涤滤渣；洗涤后，需要通入压缩空气出去剩余的洗涤液，然后可以打开压滤机卸除滤渣，清洗滤布，重新压紧滤板和滤框，进行下一个工作循环，压滤脱水后的污泥经输料管通入液压站，经加压后排出；

所述撬装式污泥生物干化仓装置ii包括进料口、抽风口、温度压力调节柜控制器、物料、翻堆滚筒、送风口、密封式生物干化料仓、pc系统控制器、搅拌器、出风口、温度探头和出料口；所述密封式生物干化仓相对封闭，采用变频鼓风机通过送风口对堆料进行强制通风，在反应器顶部设置进料口和抽风孔，污泥生物干化过程中产生的大量水蒸气及有害气体通过引风机经出风口抽出封闭仓外，气体中的水蒸气通过u型管排航，有毒气体经过尾气吸收系统活性炭处理后排放，使干化仓内形成微负压状态；鼓风机的启停采用时间继电器对曝气时长和曝气间隔进行设定或可根据温度的设定，通过温度探头将反馈至温度控制器和pc控制器的双模式控制，使压力与温度达到规定设定范围，其中，揽拌器和翻堆滚筒对物料进行均匀混合，并且在物料发酵的过程中进行翻堆，通过旋转轴上的桨叶转动产生揽拌力；

所述调理污泥气化系统iii包括闸斗仓、一次风送风口、给料器、温度压力调节柜控制器、二次风送风口、螺旋除灰装置、煤锁斗、耐火衬里、粗合成气冷却器、旋风除尘器、搅拌器、炉篦、炉篦驱动器和熔渣淬冷室；经生物干化脱水和机械压滤后的半干污泥和助溶剂一起由闸斗仓采用螺旋给料方式通过给料器送入气化炉，定期向气化炉顶部的煤锁斗送料，气化炉容器有耐火衬里材料，以防床层过多导致热量流失，由于耐火材料被炉床本身与床层最热的部分隔开，因此不经受高温；燃料进入气化炉后，与由一次风送风口和二次风送风口通入的气化剂进行充分混合，在燃料床不同床层中经干燥、气化、燃烧后离开气化炉，进入旋风除尘器过滤除尘，之后通入粗合成气冷却器进行冷却排出，剩余炉渣通过熔渣淬冷室经过一系列过程进行冷却到后排出炉外；

所述光催化裂解反应系统iv包括密封进料仓、螺旋挤压进料机、进液控制阀、进气口、电动转子、分馏器、出液控制阀、固体反应物排放装置、汽提管、催化裂解炉、沉降管、分离罐、冷却水出水阀；合成气化气由密封进料仓、螺旋挤压进料机通入催化裂解炉，经分馏器将合成气中的油气分馏出来，与由进气口通入的水蒸气混合进行催化裂解反应，光能作为能源进行催化裂解，反应后的合成气经汽提管通入分离罐，将其中的油气和催化剂分离出去，得到较为纯净的气化气；

所述吸附净化提纯系统v包括温度压力调节柜控制器、旋风分离器、废气出口、冷却器、流量计、吸附段、节流阀；二级降解后的气化合成气通入吸附净化装置以进一步脱除其中co2和no2，粗合成气经过经旋风分离器和冷却器进行部分变换和工艺废热回收，其中废气由废气出口排出，接下来合成气经吸附段脱除大部分硫化氢、有机硫和二氧化碳后，通入锅炉进行燃烧其中的烟气通过烟气出口排出装置。

进一步，所述综合处理系统还包括合成气燃烧系统vi，包括烟气余热利用回热管、温度压力调节柜控制器、进风口、锅炉主体部分、烟灰出口和燃烧器；所述吸附净化提纯系统v获得的高品质合成气送入燃气锅炉系统，由进风口送入的一次风混合与部分辅助燃气燃烧制取热水，热水系统的烟气余热通过烟气余热回热管可用以污泥生物干化，锅炉包括燃烧器、锅炉主体部分和烟灰出口，所述温度压力调节柜控制器用以调节锅炉内参数，保证其温度运行。

本实用新型提出一种新型的“机械压滤+生物干化+气化制气肥”的污泥综合处理系统，以实现污泥的减量化、无害化、资源化和稳定化的处理。通过利用混合基质的协同作用调理污泥生物的有机特性，进而进行生物干化，获得高品质合成气，合成气可送入制热水系统的燃煤锅炉直燃，在不影响燃煤锅炉系统正常运行的情况下替代一部分燃煤负荷，实现污泥燃烧制热水。而且，本实用新型利用污泥制取高品质合成气和碳肥，既减少了有机固体废弃物排放所造成的环境污染，又利用可再生资源创造出了清洁能源，能耗低，能源效率高。

本实用新型的有益效果主要表现在：

(1)本实用新型采用一种新型的“机械压滤+生物干化+气化制气肥”的污泥综合处理工艺，充分回收利用制热水系统的余热和工业废热，用于污泥脱水干化，提高了能源的循环利用率，大大降低了系统投资和运行成本；

(2)在污泥进行生物脱水干化阶段加入低价、易得生物质粉末，使污泥的理化特性更均匀，燃烧热值更高；

(3)工艺所得合成气用光作为热源进行催化裂解，通过吸附技术联合提纯得到高品质合成气，然后直燃，能耗低，能源效率高；

(4)高品质合成气进入热水系统的燃煤锅炉进行燃烧，热水系统产生的的烟气余热送入污泥生物干化封闭仓装置中循环利用；

(5)气肥联产，产出的碳肥可用于绿化、矿山修复等方面，大大减少了污泥干化气化过程中的污染物排放，实现了能源的充分利用。

附图说明

图1是污泥生物干化与气化协同制气肥的综合处理系统的示意图。

图2是污泥生物干化与气化协同制气肥的综合处理工艺的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1，参照图2，一种污泥生物干化与气化协同气肥联产综合处理系统，包括污泥机械板框压滤脱水系统i、撬装式污泥生物干化仓装置ii、调理污泥气化系统iii、光催化裂解反应系统iv(一级高温气化合成气焦油降解系统)、吸附净化提纯系统v(二级气化合成气提纯系统)和合成气燃烧系统vi；

所述污泥机械板框压滤脱水系统i包括1-止推板，2-滤板和滤框，3-横梁，4-压紧板，5-液压缸，6-液压缸座，7-锁紧装置，8-输料管，9-机脚，10-机座，11-进水法兰，12-液压站；

所述撬装式污泥生物干化仓装置ii包括13-进料口，14-抽风口，15-温度压力调节柜控制器，16-物料，17-翻堆滚筒，18-送风口，19-密封式生物干化料仓，20-pc系统控制器，21-搅拌器，22-出风口，23-温度探头，24-出料口；

所述调理污泥气化系统iii包括25-闸斗仓，26-一次风送风口，27-给料器，28-温度压力调节柜控制器，29-二次风送风口，30-螺旋除灰装置，31-煤锁斗，32-耐火衬里，33-粗合成气冷却器，34-旋风除尘器，35-搅拌器，36-炉篦，37-炉篦驱动器，38-熔渣淬冷室；

所述光催化裂解反应系统iv(一级高温气化合成气焦油降解系统)包括39-密封进料仓，40-螺旋挤压进料机，41-进液控制阀，42-进气口，43-电动转子，44-分馏器，45-出液控制阀，46-固体反应物排放装置，47-汽提管，48-催化裂解炉，49-沉降管，50-分离罐，51-冷却水出水阀；

所述吸附净化提纯系统v(二级气化合成气提纯系统)包括52-温度压力调节柜控制器，53-旋风分离器，54-废气出口，55-冷却器，56-流量计，57-吸附段，58-节流阀；

所述合成气燃烧系统vi包括59-烟气余热利用回热管，60-温度压力调节柜控制器，61-进风口，62-锅炉主体部分，63-烟灰出口，64-燃烧器。

所述污泥机械板框压滤脱水系统i中，机械板框压滤机是由交替排列的2-滤板和滤框共同组成一组滤室，在滤板的表面有沟槽结构，其凸出部分用以支撑滤布。2-滤板和滤框的边角上各有通孔，组装构成一个完整的通道，能够通入洗涤水、悬浮液，并引出滤液。2-滤板和滤框的两侧各有把手支托在3-横梁的上面，由4-压紧板装置压紧板和框，板和框之间的滤布起到密封垫片的作用。横梁尾端上方设置有5-液压缸和6-液压缸座，并附以7-锁紧装置进行固定。滤液进入板框压滤机后，穿过滤布沿着滤板沟槽流至板框边角通道集中排出，过滤完毕后可以通入清洗涤水洗涤滤渣。洗涤后，需要通入压缩空气出去剩余的洗涤液，然后可以打开压滤机卸除滤渣，清洗滤布，重新压紧2-滤板和滤框，进行下一个工作循环。压滤脱水后的污泥经8-输料管通入12-液压站，经加压后排出该装置。

机械板框压滤机对于滤渣压缩性非常大，以致于几似不可压缩的悬浮液都能够适用，选用悬浮液的固体颗粒浓度一般为10％以下，操作压力一般为0.3～0.6mpa，甚至能达到3mpa或更高压力。2-滤板和滤框通常为正方形，滤框的内边长为320～2000mm，厚度为16～80mm，过滤面积为1000～1200cm²。2-滤板和滤框用木材、铸铁、铸钢、不锈钢、聚丙烯和橡胶等材料制造，压紧方式为手动螺旋、电动螺旋、液压等。

所述撬装式污泥生物干化仓ii中，其主体结构采用轻钢、hdpe板、聚氨酷等材料，既满足整体强度的要求，又要达到了良好的保温效果。生物干化仓相对封闭，采用变频鼓风机通过18-送风口对堆料进行强制通风，在反应器顶部设置13-进料口和14-抽风孔，污泥生物干化过程中产生的大量水蒸气及有害气体通过引风机经22-出风口抽出封闭仓外，气体中的水蒸气通过u型管排航，有毒气体经过尾气吸收系统活性炭处理后排放。使干化仓内形成微负压状态。鼓风机的启停采用时间继电器对曝气时长和曝气间隔进行设定或可根据温度的设定，通过23-温度探头将反馈至15-温度控制器和20-pc控制器的双模式控制，使压力与温度达到规定设定范围。其中，21-揽拌器和17-翻堆滚筒对物料进行均匀混合，并且在物料发酵的过程中进行翻堆，通过旋转轴上的桨叶转动产生揽拌力。

所述调理污泥气化系统iii中，经生物干化脱水和机械压滤后的半干污泥和助溶剂一起由25-闸斗仓采用螺旋给料方式通过27-给料器送入气化炉，定期向气化炉顶部的31-煤锁斗送料。气化炉容器有32-耐火衬里材料，以防床层过多导致热量流失，由于耐火材料被炉床本身与床层最热的部分(喷口顶端)隔开，因此不经受高温。燃料进入气化炉后，与由26-一次风送风口和29-二次风送风口通入的气化剂进行充分混合，在燃料床不同床层中经干燥、气化、燃烧后离开气化炉，进入34-旋风除尘器过滤除尘，之后通入33-粗合成气冷却器进行冷却排出，剩余炉渣通过38-熔渣淬冷室经过一系列过程进行冷却到后排出炉外。

所述光催化裂解反应系统iv(一级高温气化合成气焦油降解系统)中，合成气化气由39-密封进料仓，40-螺旋挤压进料机通入48-催化裂解炉，经44-分馏器将合成气中的油气分馏出来，与由42-进气口通入的水蒸气混合进行催化裂解反应，光能作为能源进行催化裂解。反应后的合成气经47-汽提管通入50-分离罐，将其中的油气和催化剂分离出去，得到较为纯净的气化气。

所述吸附净化提纯系统v(二级气化合成气提纯系统)中，二级降解后的气化合成气通入吸附净化装置以进一步脱除其中co2和no2，粗合成气经过经53-旋风分离器和55-冷却器进行部分变换和工艺废热回收，其中废气由54-废气出口排出，接下来合成气经57-吸附段脱除大部分硫化氢、有机硫和二氧化碳后，通入锅炉进行燃烧其中的烟气通过54-烟气出口排出装置。

所述合成气燃烧系统vi中，获得的高品质合成气送入燃气锅炉系统，由61-进风口送入的一次风混合与部分辅助燃气燃烧制取热水，热水系统的烟气余热通过59-烟气余热回热管可用以污泥生物干化，锅炉主要包括62-燃烧器、63-锅炉主体部分和64-烟灰出口，其中60-温度压力调节柜控制器用以调节锅炉内参数，保证其温度运行。

参照图2，一种污泥生物干化与气化协同制气肥的综合处理工艺，首先利用机械压滤对含水率约为80％的剩余污泥进行脱水，含水率降至55～65％；进而采用低廉易得生物质粉末调理压滤后的湿污泥进行生物干化进一步脱水处理，含水率降至30～40％；生物质粉末的添加兼顾调理污泥特性以及改善污泥自身的热值等优势，经二次脱水后污泥送入低温气化炉，最终获得碳肥，处理过程产生的高温焦油气经光催化裂解和吸附提纯净化后获得高品质合成气。

优选的，所述合成气可就地直燃回用热量，直燃后产生的烟气余热作为生物干化所需的热量。

优选的，整个工艺过程形成能量的闭环处理，能够实现污泥的减量化、稳定化、能源转化处理，最大限度地降低污泥处理过程的污染物排放，提高了污泥资源转化效率。

进一步，所述综合处理工艺包括以下步骤：

(1)污水处理厂含水率80％的湿污泥，首先经初步机械板框压滤，污泥含水率降至55～65％；

(2)经机械板框压滤后的污泥被送至撬装式污泥生物干化仓装置，为了更好实现污泥生物脱水效果，采用低价易得生物质粉末与湿污泥进行掺混搅拌调理，其中生物脱水过程需要的热量来自于制热水系统的烟气余热，供给生物干化过程所需热量；采用变频搅拌器对湿污泥和生物质粉末堆料搅拌，搅拌同时发酵，生物调理后的污泥采用干化仓内回转式螺旋挤压机进一步脱水，脱水后含水率降至30～40％；

撬装式污泥生物干化仓的主体结构采用轻钢、hdpe板、聚氨酷等材料，既满足整体强度的要求，又要达到了良好的保温效果；生物干化仓的四周仓壁采用密封处理，一侧壁设置为开启门，方便卸料；该装置相对封闭，采用两台变频鼓风机对堆料进行强制通风，在反应器顶部设置抽风孔，生物干化过程中产生的大量水蒸气及有害气体通过引风机抽出封闭仓外冷凝除臭后排放，将反应器内形成微负压状态；在干化仓一侧壁距堆体底部分别设置温度等仪表的插孔位置与采样位置；

鼓风机的启停采用时间继电器对曝气时长和曝气间隔进行设定或可根据温度的设定，通过温度探头将反馈至pc控制系统的双模式控制；引风机的启停采用与鼓风机进行联动控制和压力反馈系统的双模式控制；双模式的plc控制系统可根据试验要求进行切换；

鼓风机对堆料进行通暖风，一是为好氧发酵微生物的生长代谢提供所需的氧气；二是调节堆体温度，控制微生物的活性；三是去除物料中的多余水分；

揽拌器对物料进行均匀混合，并且在物料发酵的过程中进行翻堆，通过旋转轴上的桨叶转动产生揽拌力；

尾气经引风机抽出，气体中的水蒸气通过u型管排航，有毒气体经过尾气吸收系统活性炭处理后排放；

(3)经生物脱水和生物质调理后污泥含水率在35％左右，将调理污泥送入气化炉中，气化温度控制在550～700℃，调理污泥进行富氧(可就地选择工业废氧)或水蒸气(工业废水蒸汽)气化，而且，还可以就地选择工业余热作为气化部分能耗；

以下是调理污泥在气化炉中的气化过程：

经生物调理、脱水和机械压滤后的半干污泥(含水35％左右)由加料仓采用螺旋给料方式送入气化炉，气化炉采用二级送风，气化介质可为o2/蒸汽，最节约的方式是利用一些工厂的废氧或废水蒸汽，在反应器中输入o2和蒸汽等气化介质，以完成气化反应。气化反应器产生的粗合成气首先送入除尘器中除尘，之后粗合成气被送至下一级处理系统从而得到较为纯净的合成气，在除尘器中脱除的固体回至气化炉底部，通过螺旋除灰器将灰排出。其中，气化炉基底的温度保持在550℃左右，控制温度以保证不超过其灰熔点，而床上部悬浮段的温度可能会相当得高。在整个气化过程中，系统内压力控制在常压状态，并采用压力调节柜实时监控气化系统的内部压力变化。

(4)净化处理后的粗合成气再进入光催化裂解反应装置，可进一步实现大分子有机物分解为小分子可燃气体组分，对气化合成气的燃气品质进行提升，以下是光催化裂解装置的介绍：

气化焦油光催化裂解装置包括外筒体和套置在外筒体的内筒体，其中，内筒体的内侧面上设置有一层光加热炉层，内筒体的内部设置有催化剂层，并且，对应光加热炉层的位置，在外筒体与内筒体之间还设置有一层螺旋换热层。

该装置采用内外筒双层结构，对于气化后气体中的焦油进行催化裂解，结构简单紧凑，操作方便，能够非常容易地连接到气化炉的反应器后端。并且，内外筒双层设计加上螺旋换热，使光加热炉外侧的热量通过螺旋换热层重新返回到催化剂层，热量得到充分利用，减少了热损失，提高了催化裂解效率，可进一步实现大分子有机物分解为小分子可燃气体组分，对气化合成气品质进行提升。

(5)经光催化处理合成气再通入吸附净化装置，进一步脱除其中co2和no2，得到更高品质可燃合成气，以下是合成气净化装置的主要流程：

合成气净化装置的目的是将合成气经过净化处理，尽可能脱除不可燃组分，为可燃气合成装置制取合格的净化合成气，其工艺描述如下：

合成气首先进入低温甲醇洗单元，在低温甲醇洗单元脱除大部分硫化氢、有机硫和二氧化碳后，进入精脱硫单元将总硫含量降低，送至下游油品或可燃气合成装置。在低温甲醇洗单元解析出的二氧化碳经co2压缩机加压后返回气化装置作为输煤用气，然后送入锅炉进行燃烧。

(6)获得高品质合成气送入燃气锅炉系统，与辅助燃气一起燃烧制取热水，热水系统的烟气余热也可用来污泥生物干化。

本实施例的整个污泥处理系统，从能量流角度进行闭环。