一种工业污泥与煤协同处置及资源化利用装置及方法

1.本发明涉及工业污泥特别是工业危废污泥无害化处置和资源化利用领域。具体地，涉及一种工业污泥与煤协同处置及资源化利用装置及方法。


背景技术：

2.据有关资料不完全统计，我国城市及工业有机污泥年产量均超过3000万吨，其中超过70%未得到妥善处置。工业有机污泥，特别是工业危废污泥具有含水率高、含重金属等有毒有害物质、热值低、流动性差等特点，对生态环境的威胁和破坏显著，清洁处置难度较大。
3.目前，工业污泥的处置方法以厌氧消化、焚烧为主。尽管一定程度实现了污泥的减量化处理与资源化利用，但也存在处理效率低、产品深度利用不足和焚烧尾气处理量大，产生大量co2增量，以及二次污染问题，特别是针对含有重金属工业污泥，形成的灰渣不能达标排放。热解和气化是比较理想的工业有机污泥处置方法，是工业有机固废处置的前沿技术，处置过程是在缺氧还原态气氛下进行，相对于焚烧技术可有效减少或阻止二噁英生成；此外，可将有机污泥转化为有效合成气（co+h2）加以高值化利用。合成气中n、s使用成熟工艺去除，重金属在高温熔融状态下与无机物形成玻璃态熔渣，可达标用作建材。掺入的煤同样实现清洁化利用。但目前该类技术的系统解决方案不完善，例如污泥流动特性带来的输送难问题、单独处置工业污泥能耗高、产生co2增量、惰性气体输送带来有效气占比低、高温气化效率不高、处置成本偏高、颠覆性热解气化工艺缺乏。
4.本发明提供了一种工业污泥与煤协同处置及资源化利用方法，本发明的方法清洁、低碳、高效、安全，可实现大规模工业污泥的无害化处置与资源化利用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有工艺和技术存在的问题，提供一种工业污泥与煤协同处置及资源化利用方法。
6.为解决上述问题，本发明采用下述技术方案：一种工业污泥与煤协同处置及资源化利用装置，包括：污泥干化装置，包括污泥进料口和出料口，污泥进入污泥干化装置干化后经出料口进入破碎搅拌装置；破碎搅拌装置，包括煤进料口，破碎搅拌装置将干化的污泥和煤掺混破碎后通入进料器；进料器，由两个螺旋进料装置级联组成，第一级螺旋进料装置的出料口连接第二级螺旋进料装置的进料口；第二级螺旋进料装置的出料口通过星型进料器连接输送管道；外热式热解气力混合输送器，与输送管道相连，将输送管道输送的物料热解，产物输送至气流床汽化炉；气流床气化炉，包括气化剂进气口，将外热式热解气力混合输送器输送的产物和
气化剂混合燃烧，产生高温合成气和熔渣，高温合成气经换热后进入储气罐，熔渣送入熔融渣水淬槽经冷却水激冷。
7.作为一种优选的实施方式，所述螺旋进料装置为垂直式螺旋进料装置，呈锥形，螺旋进料装置叶片的螺距垂向递增，使相邻叶片间的进料体积相等。
8.作为一种优选的实施方式，所述第二级螺旋进料装置上设有氮封。
9.作为一种优选的实施方式，所述外热式热解气力混合输送器中产生的产物经喷嘴通入气流床气化炉。
10.作为一种优选的实施方式，所述外热式热解气力混合输送器带有强化传热结构的直管或螺旋管夹套，内筒外壁带螺旋翅片，使合成气沿轴向螺旋流动。
11.作为一种优选的实施方式，所述气流床气化炉产生高温合成气依次经外热式热解气力混合输送器的换热夹套、污泥干化装置，用于供热，之后经脱氨装置、脱硫装置脱氨、脱硫后进入储气罐；储气罐中部分合成气送入合成气加压装置加压后，经输送管道通入外热式热解气力混合输送器；所述合成气加压装置优选燃气压缩机或罗茨风机。
12.作为一种优选的实施方式，所述装置还包括除尘器，所述高温合成气经除尘器除尘后进行换热。
13.本发明的另一目的在于提供应用上述装置的一种工业污泥与煤协同处置及资源化利用方法，包括以下步骤：（1）将工业污泥经污泥干化装置干化后与煤掺混破碎，破碎物料通过进料器进入外热式热解气力混合输送器，经气力输送并热解产生热解气和固态渣；（2）热解后的气固两相产物进入气流床气化炉内高温气化熔融，产生合成气和熔渣；（3）气流床气化炉产生的高温合成气经高温除尘后先后进入外热式热解气力混合输送器的换热夹套及污泥干化装置，为原料的热解及干化提供热源，实现余热利用及梯级利用；（4）换热后的合成气经脱氨、脱硫后，得到净化的干合成气存储在储气罐中，其中，干合成气一部分作为输送气通过合成气加压装置加压后作为输送气进入外热式热解气力混合输送器，其余部分可高值化利用；高温熔渣经熔融渣水淬槽激冷后，形成玻璃体熔渣，可以达标应用。高值化利用方式包括制纯氢、甲烷、合成化学品、发电等。
14.作为一种优选的实施方式，所述预处理后的工业污泥掺混比为50%~90%，破碎后固体颗粒粒径为0.01~10mm。所述外热式热解气力混合输送器中原料固气比为1~10，气固两相产物流速为3~5m/s，反应温度为300℃~500℃，压力为40~2000kpa。
15.作为一种优选的实施方式，所述高温气流床气化炉反应温度为1400℃~2000℃，压力为40~2000kpa，所述气化剂为纯氧。生成的高温合成气主要成分为co、h2，少量co2、水蒸气。
16.作为一种优选的实施方式，所述除尘采用高温陶瓷除尘，除尘温度300~900℃；作为一种优选的实施方式，所述的合成气10%~30%送入合成气加压装置，加压压力为40~2000 kpa。
17.与现有工艺相比，本发明具有以下有益效果：
（1）该方法设计的工艺路线及单元装置不对外排烟，因此基本不存在二次污染及大量尾气处理难题，不额外增加co2排量，系统污染物趋零排放。系统装置紧凑，热量余热利用及梯级利用充分，中低温热解—高温气化机理上工艺上耦合，实现了化学能—化学能的转化，有利于高值化利用，有效降低了处置成本。
18.（2）污泥掺混煤，一方面调剂了物料的含水率（该含水率作为原位热解气化剂），第二方面，掺混煤提高污泥的流动性能，第三方面，调剂了污泥的c、h、o比例，起到协同处置正向作用。掺入的煤，同样得到了清洁化利用。
19.（3）本工艺采用的螺旋进料系统，包括锥形等体积螺旋进料器、星型进料器、氮封；通过锥形等体积螺旋进料器实现物料连续稳定进料，通过螺旋进料装置与星型进料器的配合实现进料量的精准控制，及阻止系统气体外逸，通过在二级进料装置设置氮封进一步防止系统气体外逸，保证系统的安全。
20.（4）外热式热解气力混合输送器兼顾了气力混合输送和中低温物料热解两种功能。输送气的动力来自于净化后的合成气加压。热解段结构为夹套式，内筒外壁带螺旋翅片，形成加热用合成气沿轴向螺旋式流动，且可根据实际需要调节加热长度，与进料装置、合成气输送及合成气余热利用紧密结合，工艺流程更趋合理且结构紧凑，提高了传热效率，综合解决了污泥输送、高温气流床气化炉所需压力、气化温度、反应速率等工艺要求。
21.（5）热解过程中由于挥发分析出，热结渣会形成多孔结构，增加了活性位点，原料在热解气力混合输送器中的传热传质、掺混比、温度等对热解渣的气化反应性均会产生影响，而煤和固体废弃物的掺混也会影响最佳热解温度，在本发明的工艺中，物料经外热式热解气力混合输送器热解后，产生的固体渣具有多孔结构和更多的活性位点，更有利于高温气流床气化炉内的快速高温气化，同时产生的热解气在高温气流床气化炉中迅速燃烧，为气化提供高温条件，大大提高了气化效率和熔融效果。
22.（6）该方法涉及的所有反应均在还原性气氛下进行，还原性气氛可有效抑制二噁英产生，并降低有机固废的灰熔点，在高温下进而实现二噁英高温热阻断及重金属与无机矿物质的固熔。
23.（7）在气化炉出口直接采用高温陶瓷除尘器，高温合成气可在高温状态下直接用于外热式热解气力混合输送器加热，以及其出口余热梯级用于污泥干化，解决了该系统灰堵，提高了余热利用效率，及满足后续脱s、脱n系统操作温度。净化后的合成气可进一步用于制纯氢、甲烷、发电、产蒸汽等用途；产生的熔渣经冷激后形成玻璃体熔渣，使重金属固熔，可进一步用作建材原料，实现气化产物的资源化和高值化利用。
附图说明
24.图1为本发明一种工业污泥与煤协同处置及资源化利用工艺的流程示意图。
25.图1中表示部件如下：1-污泥干化装置；2-破碎、搅拌装置；3-螺旋进料装置；4-星型进料器；5-加压装置；6-输送管道；7-外热式热解气力混合输送器；8-氧气进口；9-高温气流床气化炉；10-熔融渣水淬槽；11-除尘器；12-脱氨系统；13-脱硫系统；14-储气罐。
26.图2 带螺旋管翅片的外热式热解气力混合输送器结构示意图。
27.图3锥形等体积螺旋进料器示意图。
具体实施方式
28.下面结合本发明具体实施例的附图，对本发明的技术方案进行清晰、完整的描述。需要说明的是，本发明并不局限于以下给出的具体实施例。
29.实施例1本发明提供一种工业污泥与煤协同处置及资源化利用工艺（污泥占比50%），具体步骤如下：（1）工业污泥经污泥干化装置1干化后输送至破碎、搅拌装置2中与煤掺混进行破碎至粒径0.01~10mm，将预处理后的物料通过螺旋进料装置3进入输送管道6中，螺旋进料装置通过二个级联的锥形等体积螺旋进料器实现物料连续稳定进料，通过螺旋进料装置与星型进料器的配合实现进料量的精准控制，及阻止系统气体外逸，通过在第二级进料装置设置氮封进一步防止系统气体外逸，保证系统的安全；在温度500
°
c、压力2000kpa下的外热式热解气力混合输送器7中进行热解，得到热解气和固态渣；（2）外热式热解气力混合输送器7产生的热解气和固态渣经喷嘴直接通入高温气流床气化炉9；物料经外热式热解气力混合输送器后，挥发分析出，具有可燃性的热解气输送至高温气流床气化炉中迅速燃烧，为气化提供高温条件；产生的固态渣具有良好的活性位点，有利于高温气化，气化剂（纯氧）进口8进入高温气流床气化炉，在气化炉内进行高温气化熔融反应，炉内高温气化熔融区域温度为2000
°
c，气化压力为2000kpa，产生高温合成气和熔渣；（3）高温气流床气化炉产生的高温合成气经高温除尘器11后先后进入外热式热解气力混合输送器的换热夹套及污泥干化装置，为原料的热解及干化提供热源，其中高温气流床气化炉出口温度为900℃，经高温除尘并进入外热式热解气力混合输送器进行间壁加热后温度为300℃，随后送入污泥干化装置，出口温度约150~200℃。换热后的合成气经脱氨系统12、脱硫系统13后，得到净化的干合成气存放于储气罐14中。其中高温合成气主要成分为co、h2、co2，其中有效气co和h2的浓度为90%；（4）储气罐中10%的合成气去燃气压缩机中，进入外热式热解气力混合输送器7，其余部分进行高值化利用；高温熔渣经熔融渣水淬槽10冷却水激冷后，形成玻璃体，玻璃体中的重金属浸出毒性满足排放或者建材化利用的相关标准。
30.实施例2本发明提供一种工业污泥与煤协同处置及资源化利用工艺（污泥占比70%），具体步骤如下：（1）工业污泥经污泥干化装置1干化后输送至破碎、搅拌装置2中与煤掺混进行破碎至粒径0.01~10mm，将预处理后的物料通过螺旋进料装置3进入输送管道6中，螺旋进料装置通过二个级联的锥形等体积螺旋进料器实现物料连续稳定进料，通过螺旋进料装置与星型进料器的配合实现进料量的精准控制，及阻止系统气体外逸，通过在第二级进料装置设置氮封进一步防止系统气体外逸，保证系统的安全；在温度400
°
c、压力500kpa下的外热式热解气力混合输送器7中进行热解，得到热解气和固态渣；（2）外热式热解气力混合输送器7产生的热解气和固态渣经喷嘴直接通入高温气流床气化炉9；物料经外热式热解气力混合输送器后，挥发分析出，具有可燃性的热解气输送至高温气流床气化炉中迅速燃烧，为气化提供高温条件；产生的固态渣具有良好的活性
位点，有利于高温气化，气化剂（纯氧）氧气进口8进入高温气流床气化炉，在气化炉内进行高温气化熔融反应，炉内高温气化熔融区域温度为1700
°
c，气化压力为500kpa，产生高温合成气和熔渣；（3）高温气流床气化炉产生的高温合成气经高温除尘器11后先后进入外热式热解气力混合输送器的换热夹套及污泥干化装置，为原料的热解及干化提供热源，其中高温气流床气化炉出口温度为600℃，经高温除尘并进入外热式热解气力混合输送器进行间壁加热后温度为300℃，随后送入污泥干化装置，出口温度约150~200℃。换热后的合成气经脱氨系统12、脱硫系统13后，得到净化的干合成气存放于储气罐14中。其中高温合成气主要成分为co、h2、co2，其中有效气co和h2的浓度为80%；（4）储气罐中20%的合成气去燃气压缩机中，进入外热式热解气力混合输送器7，其余部分进行高值化利用；高温熔渣经熔融渣水淬槽10冷却水激冷后，形成玻璃体，玻璃体中的重金属浸出毒性满足排放或者建材化利用的相关标准。
31.实施例3本发明提供一种工业污泥与煤协同处置及资源化利用工艺（污泥占比90%），具体步骤如下：（1）工业污泥经污泥干化装置1干化后输送至破碎、搅拌装置2中与煤掺混进行破碎至粒径0.01~10mm，将预处理后的物料通过螺旋进料装置3进入输送管道6中，螺旋进料装置通过二个级联的锥形等体积螺旋进料器实现物料连续稳定进料，通过螺旋进料装置与星型进料器的配合实现进料量的精准控制，及阻止系统气体外逸，通过在第二级进料装置设置氮封进一步防止系统气体外逸，保证系统的安全；在温度300
°
c、压力40kpa下的外热式热解气力混合输送器7中进行热解，得到热解气和固态渣；（2）外热式热解气力混合输送器7产生的热解气和固态渣经喷嘴直接通入高温气流床气化炉9；物料经外热式热解气力混合输送器后，挥发分析出，具有可燃性的热解气输送至高温气流床气化炉中迅速燃烧，为气化提供高温条件；产生的固态渣具有良好的活性位点，有利于高温气化，气化剂（纯氧）氧气进口8进入高温气流床气化炉，在气化炉内进行高温气化熔融反应，炉内高温气化熔融区域温度为1400
°
c，气化压力为40kpa，产生高温合成气和熔渣；（3）高温气流床气化炉产生的高温合成气经高温除尘器11后先后进入外热式热解气力混合输送器的换热夹套及污泥干化装置，为原料的热解及干化提供热源，其中高温气流床气化炉出口温度为500℃，经高温除尘并进入外热式热解气力混合输送器进行间壁加热后温度为250℃，随后送入污泥干化装置，出口温度约100~150℃。换热后的合成气经脱氨系统12、脱硫系统13后，得到净化的干合成气存放于储气罐14中。其中高温合成气主要成分为co、h2、co2，其中有效气co和h2的浓度为75%。
32.（4）储气罐中10%的合成气去燃气压缩机中，进入外热式热解气力混合输送器7，其余部分进行高值化利用；高温熔渣经熔融渣水淬槽10冷却水激冷后，形成玻璃体，玻璃体中的重金属浸出毒性满足排放或者建材化利用的相关标准。