太阳能强化污泥生物干化与气化气的综合处理系统

本实用新型属于污泥资源化处理技术领域，涉及一种太阳能强化污泥生物干化与气化气的综合处理系统。

背景技术：

改革开放以后，随着我国的社会经济飞速发展，城镇化水平日益提高，城镇污水厂的数量和规模不断扩大，城市污水和污泥的产量急剧增加。污泥作为污水处理厂处理后的产物，组成成分非常复杂，是由多种不同微生物形成的菌胶团及其吸附的有机物和无机物共同组成的集合体。而且，污泥的含水量较高，经过初步脱水后的含水率仍在80％以上，还含有较高的有机质，稳定性差，容易腐化并发出恶臭。

污泥中含有丰富的n、p、k、有机质以及一些能够促进植物生长的微量元素，同时也集聚着大量的病原菌、寄生虫，以及铜、铬、汞、砷等重金属和二噁英、难降解的有害有毒物质。如果对于城市污泥处理不当，就会造成土壤和地下水的污染，并且污泥的中有害重金属容易富集，难以迁移、难以降解，能长期在生物体中累积的特点也会对人类及其他生物的生存构成严重的威胁。所以，对于污泥减量化、无害化、稳定化和资源化的处理是一个艰巨而重要的任务。

目前，对于污泥的处理主要方法是填埋、土地利用、焚烧等。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，没有实现污泥的减量化、稳定化、资源化。

污泥处理处置前必须进行干化处理，这是由于通常在污水处理厂经脱水工艺处理后污泥仍保留着80％以上的含水率，因此需要对于污泥进行机械压滤脱水和干化处理。其中，污泥生物干化技术则是利用微生物好氧发酵产生的热量增强水分的蒸发，同时辅以人工强制通风，能够最大限度的降低污泥的含水率。

而相较于污泥燃烧，污泥生物干化后进行的气化过程能够最大限度地降低处理过程中的污染物排放，制取高品质合成气进行资源化利用，变废为宝，实现污泥的减量化、稳定化、能源转化处理，对废弃能源的利用率大大提高，符合走可持续发展的长远目标，在工业和污泥垃圾处理领域有很高的应用价值。

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。

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太阳能强化污泥生物干化与气化气的综合处理系统，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优化污泥生物干化工艺获得高品质合成气。而且本实用新型利用污泥制取高品质合成气，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。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种太阳能强化污泥生物干化与气化气的综合处理系统，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、吸附净化提纯系统v和太阳能聚光器vi；

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，由压紧板压紧滤板和滤框，滤板和滤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；机械板框压滤机的输料管与液压站连通，所述液压站连接进水法兰，液压缸座安装在机座上，机座安装在机脚上，机械板框压滤机安装在机脚上；

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；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型管排放，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；所述闸斗仓通过给料器与气化炉顶部的煤锁斗连通，气化炉容器有耐火衬里材料，所述气化炉设有一次风送风口和二次风送风口，在气化炉的燃料床不同床层中经干燥、气化、燃烧后离开气化炉，气化炉的出口与旋风除尘器、粗合成气冷却器连接，气化炉中部设有搅拌器，气化炉底部设有炉篦、炉篦驱动器和熔渣淬冷室；

所述三级水冷装置iv包括合成气水冷出气管、水蒸气出气管、冷冻水回水管、蒸发器、合成气进气管、蒸发器进水管、热力膨胀阀、压力控制器、三级压缩机、回水管、冷凝器、外接冷却水塔、节流阀和节流过滤器；粗合成气由合成气进气管通入蒸发器换热管道中冷却脱除焦油，经三级水冷装置水冷后由合成气水冷出气管排出得到较为纯净的合成气送入吸附净化提纯系统；三级压缩机、冷凝器、节流过滤器和蒸发器组成冷水机组制冷系统，由铜管将四大件按一定顺序连接成一个封闭系统，系统内充注设定量的制冷剂，设置有压力控制器以控制制冷剂的温度压力变化范围；冷冻水回水管与蒸发器连接，蒸发器与水蒸气出气管、蒸发器进水管连接，水蒸气出气管与压缩器连通，水蒸气出气管和蒸发器均与压力控制器连接，压缩机通过连接管与冷凝器连接，所述冷凝器与外接冷却水塔连接，所述冷凝器出口与节流过滤器连接，所述节流过滤器通过节流阀与蒸发器进水管连接，所述连接管通过热力膨胀阀与蒸发器进水管连接；

所述吸附净化提纯系统v包括合成气进气口、温度压力调节柜控制器、旋风分离器、废气出口、冷却器、吸附段和高品质合成气储气装置；三级水冷装置水冷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，得到纯净的高品质合成气，通入高品质合成气储气装置中储存起来；温度压力调节柜控制器用于控制制冷剂的温度压力变化范围；

所述太阳能聚光器vi包括外壳、吸热板、隔热层、支架、透明盖板、聚焦点、光接收器、汽包、吸热器、储热器、温度压力阀、冷凝器、空气加热器和热风出口，外壳、吸热板、隔热层、透明盖板、聚焦点和光接收器组成透明盖板集热器，所述透明盖板集热器通过反射或折射使太阳能辐射聚集到吸收器上以收集太阳能，光接收器与吸热器连接，吸热器设有汽包，吸热器与空气加热器、冷凝器连接，所述空气加热器通过温度压力阀与储热器连接；空气加热器得到的热风由热风出口传递至撬装式污泥生物干化仓ii的抽风孔通入生物干化仓中用以加热物料，温度压力阀可以控制热风温度在设定范围内，同时，设置有冷凝器用以冷凝回水，实现循环利用。

本实用新型提出一种新型的“太阳能强化+生物干化脱水+低能耗气化制气”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优化污泥生物干化工艺获得高品质合成气。而且本实用新型利用污泥制取高品质合成气，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“太阳能强化+生物干化脱水+低能耗气化制气”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)采用太阳能高效聚光器收集太阳能，经过光热转化将空气加热得到热风送入污泥生物干化封闭仓装置，提供污泥生物干化热源；

(4)经高温气化炉制取的气化合成气采用三级水冷和吸附技术联合净化提纯处理，获得高热值合成燃气，能耗低，能源效率高。

附图说明

图1是太阳能强化污泥生物干化与气化气的综合处理系统的示意图。

图2是太阳能聚光器的示意图。

图3是太阳能强化污泥生物干化与气化气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～图3，一种太阳能强化污泥生物干化与气化气的综合处理系统，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、吸附净化提纯系统v和太阳能聚光器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-进水法兰和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-温度探头和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；

所述三级水冷装置iv包括39-合成气水冷出气管，40-水蒸气出气管，41-冷冻水回水管，42-蒸发器，43-合成气进气管，44-蒸发器进水管，45-热力膨胀阀，46-压力控制器，47-三级压缩机，48-回水管，49-冷凝器，50-外接冷却水塔，51-节流阀和52-节流过滤器；

所述吸附净化提纯系统v(二级气化合成气提纯系统)包括53-合成气进气口，54-温度压力调节柜控制器，55-旋风分离器，56-废气出口，57-冷却器，58-吸附段和59-高品质合成气储气装置；

所述太阳能聚光器装置vi包括60-外壳，61-吸热板，62-隔热层，63-支架，64-透明盖板，65-聚焦点，66-光接收器，67-汽包，68-吸热器，69-储热器，70-温度压力阀，71-冷凝器，72-，空气加热器和73-热风出口。

所述污泥机械板框压滤脱水系统i中，其中机械板框压滤机是由交替排列的滤板2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2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2和滤框的两侧各有把手支托在横梁3的上面，由压紧板4压紧滤板和滤框，滤板和滤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5和液压缸座6，并附以锁紧装置7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2和滤框，进行下一个工作循环。压滤脱水后的污泥经输料管8通入液压站12，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。滤板2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。滤板2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送风口18对堆料进行强制通风，在反应器顶部设置进料口13和抽风孔14，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22抽出封闭仓外，气体中的水蒸气通过u型管排放，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23将反馈至温度控制器15和pc控制器20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21和翻堆滚筒17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闸斗仓25采用螺旋给料方式通过给料器27送入气化炉，定期向气化炉顶部的煤锁斗送料31。气化炉容器有耐火衬里材料32，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，与由一次风送风口26和二次风送风口29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34过滤除尘，之后通入粗合成气冷却器33进行冷却排出，剩余炉渣通过熔渣淬冷室38经过一系列过程进行冷却到后排出炉外。

所述三级水冷装置iv中，粗合成气由合成气进气管43通入iv：三级水冷装置的蒸发器42换热管道中冷却脱除焦油，经三级水冷后由合成气水冷出气管39排出得到较为纯净的合成气送入v：吸附净化提纯系统，进一步提纯以得到纯净的高品质合成气。

冷水机组制冷系统由4个基本部分，即三级压缩机47、冷凝器49、节流过滤器52、蒸发器42组成。由铜管将四大件按一定顺序连接成一个封闭系统，系统内充注一定量的制冷剂。压缩机47吸入来自蒸发器42的低温低压制冷剂气体，压缩成高温高压的制冷剂气体，制冷压缩机的将热量带至冷凝器，由来自外接冷却水塔50的冷媒与水进行热量交换；然后流经热力膨胀阀45(毛细管)，节流成低温低压的制冷剂气液两相物体，然后低温低压的制冷剂液体在蒸发器中吸收来自粗合成气中的热量，如此反复循环进行冷却。其中，设置有压力控制器46以控制制冷剂的温度压力变化范围，使其符合要求。

所述吸附净化提纯系统v中，三级水冷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55和冷却器57进行部分变换和工艺废热回收，其中废气由废气出口56排出，接下来合成气经吸附段58脱除大部分硫化氢、有机硫和二氧化碳后，得到纯净的高品质合成气，通入高品质合成气储气装置59中储存起来。

所述太阳能聚光器vi中，聚光器主体部分即透明盖板集热器(包括外壳60，吸热板61，隔热层62、透明盖板64、聚焦点65和光接收器66)通过反射或折射使太阳能辐射聚集到吸收器上以收集太阳能，阳光透过透明盖板64照射到集热体上，大部分太阳辐射能为吸收体所吸收转变为热能，并传向吸热器68，小部分反射向透明盖板64。由吸热器68吸收太阳能聚光器得到的热量用以加热水至水蒸气状态，利用水蒸气加热空气，并将多余的热量传递至储热器69中储存起来。空气加热就得到的热风由热风出口73传递至撬装式污泥生物干化仓ii的抽风孔14通入生物干化仓中用以加热物料，温度压力阀70可以控制热风温度在设定范围内。同时，设置有冷凝器71用以冷凝回水，实现循环利用。

参照图3，一种太阳能强化污泥生物干化与气化气的综合处理工艺，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％；太阳能高效聚光器提供热源加热空气通入热风，以绿色能源强化污泥生物干化；进而采用低廉易得生物质粉末调理压滤后的湿污泥并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高温气化炉，处理过程产生的高温焦油气经三级水冷和吸附过滤处理后，最终获得高品质合成气。

本实施例的整个工艺过程形成能量的闭环处理，实现污泥的减量化、稳定化、能源转化处理，能够最大限度地降低处理过程中的污染物排放，提高了污泥资源转化效率。

所述太阳能强化污泥生物干化与气化气的综合处理工艺，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缩滤水，污泥滤水后含水率降至55～65％，以下是板框压滤机的初污泥处理过程：

污泥进入板框压滤机，先由液压施力压紧板框组，80％高含水率污泥分布到各滤布之间，由于板框压紧，污泥无法外溢，在螺杆泵和隔膜泵的高压之下，污泥中的水分由滤布中渗出流入回水管，泥饼留在了空腔中，之后板框卸压滤板拉开，泥饼靠重力落下；

(2)采用高效太阳能聚光器收集太阳光能进行光热转化，所得热量将空气加热得到热风，通入污泥生物干化封闭仓对污泥加热进行生物干化；

(3)经机械板框压滤污泥含水在55～65％，该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可来自于制热水系统的烟气余热加热空气，供给生物干化过程所需热风；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，最后生物调理后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；

(4)经生物脱水污泥含水率在30～40％，该污泥是与生物质粉末混合后调理污泥，将调理污泥送入高温气化炉中，气化温度控制在700～900℃，调理污泥与氧气进行充分混合后进行富氧(可就地选择工业废气)/水蒸气(工业废水废气)气化。在高温状态下，调理污泥中的碳经过不完全燃烧，氧化、还原成合成燃气，合成气经过锅炉进行热量回收。而且，还可以就地选择工业余热作为气化部分的能耗来源。

以下是高温气化炉中的气化过程：

经生物干化脱水和机械压滤后的半干污泥(含水30～40％)由加料仓采用螺旋给料方式送入气化炉，气化炉的底部是送风装置，气化介质o2/蒸汽，最节约的方式是利用一些工厂的废氧或废水蒸汽。气体向上流至反应器，在反应器中输入o2和蒸汽完成气化反应。反应器产生的粗合成气送入除尘器中除尘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700℃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。

(5)经高温气化炉得到的合成气通入三级水冷装置进行冷却脱出焦油，三级水冷冷水机组由压缩机、冷凝器、节流器和蒸发器4个基本部分组成，由铜管将四大件按一定顺序连接成一个封闭系统，系统内充注一定量的制冷剂。冷水机组的工作原理是先由制冷压缩机吸入蒸发制冷的低温低压制冷剂气体，然后压缩成高温高压气体送入冷凝器；高温高压气体经冷凝器冷却后使气体冷凝变为常温高压气体，随后流入热力膨胀阀(毛细管)，经节流后变成低温低压的湿蒸气，流经壳管蒸发器，湿蒸汽吸收蒸发器内的冷却水热量使水温下降；蒸发后的制冷剂再次吸回到压缩机中，重复下一个制冷循环，从而实现制冷目的。

该装置制冷效率高，可以从全负荷到10％负荷的容量范围内有效地运行，并且能够完全避免喘振，从而消除单机压缩机中为避免喘振旁路制冷剂所浪费的能量。而且经过精心设计的可变导流叶片，使压缩机的部分负荷性能得到进一步改善。进气导流叶片具备两个功能：一是调节气体流量来满足部分负荷的要求；二是预旋制冷剂气体，使其以最佳角度进入叶轮从而提高效率。同时，三级压缩之间的两级增效器可以提高效率7％，制冷剂在蒸发器和冷凝器之间的两极中间压力间闪蒸，从而大大提高冷水机组的冷却效率。

(6)提纯后气化合成气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气化装置生产的粗合成气经过净化处理，为可燃气合成装置制取合格的净化合成气，工艺描述如下：

粗合成气经过部分变换和工艺废热回收后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，然后通入高品质合成气储气装置。