一种污泥煤粉的气流床气化方法与流程

本发明涉及一种污泥煤粉的气流床气化方法，尤其涉及一种污泥与煤在气流床中混合气化产生可燃气体的气化工艺，属于气化领域。

背景技术：
城市污泥的产量巨大并且成分复杂，如何对城市污泥处置与利用已成为人们所关注的问题。长期以来，人们一直将“减量化、稳定化、无害化”的污泥处置方法作为最终目的。在此原则下，人们优先选择经济性较好的技术来对污泥进行处置。目前，城市污泥的处理方法主要有填埋、用于农作肥、焚烧等。卫生填埋法处理污泥具有操作简单、投资抵的优点，但填埋场填埋污泥需要侵占大量土地、且污泥中含有一定的有毒物质，填埋不当有可能造成渗滤液渗出，严重污染地下水资源。随着人类环保意识的增强，人们对城市环境的要求越来越高，从而对污泥填埋处置要求也越来越高，填埋场地的选择范围越来越小，填埋成本也越来越高。污泥作为农田肥利用是指污泥经处理后可作为肥料用于土壤中，因为污泥成分中有机物、氮、磷等的含量均高于一般农家厩肥，还含有钾及其它微量元素，若施用于土地中，对土壤的物理、化学及生物学性状有一定的改良作用。但是城市污水处理厂污泥中含有大量的病原微生物和寄生虫，如不加以控制，则污泥在土地利用或使用过程中会对人畜的健康造成危害；另一方面污泥中往往存在大量的铜、镍、镉、铅、锌、汞等重金属和许多有毒有机物，若农田长期使用会导致土壤污染，她们被农作物吸收后又通过食物链进入人体，从而影响人体健康。因此，污泥农用引起的争议越来越多。如在法国和德国，部分地区已经出现拒绝使用污泥农产品的现象。污泥焚烧作为污泥处置的方法之一，它能使污泥中的有机物全部炭化，杀死病原体，可最大限度的减少污泥体积。但是由于污泥含水量大，焚烧前需要干化，焚烧不能带来大量的热能收益，反而投资巨大，另外污泥焚烧后，容易产生二噁英等污染物，造成环境的二次污染。为了解决上述技术问题，人们对污泥处理技术进行了不断研究，提出了将污泥与煤混合制备污泥煤浆，然后对污泥煤浆进行燃烧或气化处理的方法。该方法是一种可以安全处置污泥而不污染环境、并可产生热能或干净的可燃气和/或合成气的废物再利用方法，符合我国的可持续发展的战略目标。现有技术中，中国专利文献CN102191085A公开了一种污泥制煤气的方法，包括（1）以污泥、煤炭制成污泥煤浆；（2）将上述制备好的污泥煤浆经高压泵送和高压氧气混合雾化喷入气化炉中，并在气化炉中发生反应生成粗煤气。上述技术中，采用污泥与煤共气化的方法制备煤气，实现了污泥的资源化利用，具有较好的经济效益。但是上述技术中将污泥、煤炭制成污泥煤浆时，通常需要加入一定量的稳定剂来保持污泥煤浆的稳定性，这样会增加污泥煤浆的制备成本；其次，污泥煤浆中的含水率很高，一般为75~95wt%，在污泥煤浆的气化过程中，首先需要对污泥煤浆中的水进行蒸发，而水的蒸发会导致气化过程中损耗更多的能量，造成污泥煤浆气化的能耗增高；最后，污泥煤浆经高压泵送和高压氧气混合雾化喷入气化炉气化时，对气化炉的喷嘴要求也很高，而且喷嘴长期在高压状态下工作，容易造成喷嘴变形，使用寿命减少。为了解决上述技术问题，现有技术中也有将污泥煤经过机械过滤脱水，制备成污泥煤滤饼后，然后再对污泥煤滤饼进行气化的气化工艺。中国专利文献CN101781073A公开了一种污泥脱水并燃料化处理的方法，包括（1）对助滤剂进行预处理，采用煤为助滤剂，对煤进行破碎、磨细和分级；（2）将污泥和预处理完毕的煤粉进行混合，混合比例按照煤粉的质量相对污泥的体积计算，为20~100g/l；（3）煤泥混合完毕后进行机械过滤脱水；（4）对滤饼进行燃烧、气化或热解处理。上述技术中，首先对污泥与煤进行机械过滤脱水，得到污泥煤滤饼，然后对污泥煤滤饼进行燃烧、气化或热解处理。该方法避免了稳定剂的加入，可以节约制备成本，并且污泥煤滤饼的含水率为30~50wt%，相比污泥煤浆的含水率来说，其含水率降低了很多，可以节省燃烧、气化或热解处理时的热能。但是，上述技术中，污泥煤滤饼中30~50wt%的含水率依旧比较高，在燃烧、气化或热解处理时首先需要对污泥煤滤饼中含有的水进行蒸发，而水的蒸发会导致气化过程中损耗更多的能量，造成污泥煤滤饼气化的能耗仍然很高。对于上述技术问题，本领域技术人员一直在寻找一种能够有效实现污泥处理处置的方法。经发明人进一步研究发现，如果控制污泥中的含水率低于10wt%，然后将污泥和煤制备成粒径小于0.2mm的污泥煤粉体，将污泥煤粉体通过气流床气化工艺进行气化处理，由于污泥煤粉体中的含水率很低，这样进行气化时，可以节省气化过程中热能的损耗，从而使制备得到的粗煤气的效率会大大提高。但是，由于污泥中含有的有机成分较多，污泥中的结合水不易完全去除，所以在将污泥研磨制粉的过程中，污泥干粉容易集结成块状，很难将污泥干粉研磨至粒径为0.2mm以下，而对于粒径大于0.2mm的污泥粉颗粒，是无法进行气流床气化处理的。现有技术中已经有将污泥干燥制备成粒径小于0.2mm的粉体相关报道，例如中国专利CN102183027A提供了一种高热值剩余污泥的处置方法，包括将待处理含水率为80~90wt%的剩余污泥送入板框压滤水机进行脱水，得到的压滤含水率为45~55wt%的脱水污泥饼，将制得的泥饼送入污泥造粒装置，在常温下破碎成3~5mm的粗颗粒，污泥颗粒在热能干化间进一步干化，经过干化后的污泥颗粒送入污泥造粉设备进一步处理，采用气流高速碰撞技术，以污泥脱水造粉设备内吸进的大量自然空气为介质，从污泥中解离处大量间隙水、外表水，促使泥粉内部水分快速渗出，处理后污泥粉粒径为150目~300目（即0.05mm~0.15mm），含水率为5~15wt%，将得到的污泥干粉喷入污泥焚烧炉中焚烧。上述技术中，通过设置板框压滤和污泥造粒，并利用热能干化间对污泥颗粒进一步干燥，然后采用气流高速碰撞技术对对污泥颗粒造粉，得到粒径为150目~300目（即0.05mm~0.15mm），含水率为5~15wt%的污泥干粉。该技术虽然能够将污泥干粉的粒径控制在小于0.2mm，含水率控制在5~15wt%，但是该技术主要是通过气流高速碰撞技术来实现上述目标的，而气流高速碰撞技术中要求气流的速度必须要超过声速，众所周知，如果要产生超声速气流是需要相当大的能量的，而且能够提供超声速气流的设备成本极高，目前仅在实验室利用阶段，而对于产量如此之大的污泥处理来说，其作用是极其有限的。现阶段，我国是产煤大国，以煤炭为电力生产基本燃料。全国每年发电能力的增长率为7.3%，这就带来了热电厂每年排放的炉渣急剧增加，例如，1995年炉渣排放量达1.25亿吨，2000年约为1.5亿吨，到2010年已达到2亿吨。另外冶金工业中，也有大量炉渣的排放。这些炉渣的大量排放给我国的生态环境造成巨大的压力。而我国资源储量有限，炉渣的废物再利用已成为我国经济建设中一项重要的技术经济政策，是解决我国电力生产环境污染、资源缺乏间矛盾的重要手段。目前，炉渣主要用于建材、电力等领域。由于炉渣一般呈岩石状或玻璃状，硬度高，颗粒粉碎难，如果直接将其用于污泥改性或脱水处理时，存在颗粒不易粉碎，对污泥的改性和脱水效果差的问题，因此现有技术中，尚没有将炉渣直接用于污泥改性和脱水处理的报道。

技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是对污泥煤滤饼进行气化处理时，首先需要对污泥煤滤饼中含有的水进行蒸发，容易导致气化过程中热能损耗增加，进而提供一种经炉渣改性的、低含水率的污泥煤粉的气流床气化方法。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种污泥煤粉的气流床气化方法，包括如下步骤：（1）向含水污泥中添加炉渣，混合均匀，所述含水污泥与所述炉渣的质量比为1:(0.5~2)；（2）向经步骤（1）混合后的物质中加入煤，混合均匀，粉碎共磨至粒径小于0.2mm，得到混合物粉体；（3）用气化剂携带上述混合物粉体进入气流床气化炉，在1400~1700℃的高温下发生热解气化反应，生成富含H2和CO的粗煤气。所述步骤（1）中，所述炉渣的粒径为3~20mm。所述煤与所述经步骤（1）混合后的物质的质量比为(70~98.5):(1.5~30)。所述步骤（1）中，向所述含水污泥中还添加活性炭颗粒。所述活性炭颗粒与所述含水污泥的质量比为(1~10):(90~99)。所述活性炭颗粒的粒径为0.05~3mm。经步骤（1）处理后的污泥含水率小于10wt%。所述步骤（2）中，利用球磨机对所述混合后的物质与煤进行共磨，在共磨过程中，通入流化风对混合物粉体进一步干燥。所述流化风的温度为100~200℃。所述煤为褐煤、烟煤、无烟煤中的任意一种或几种；所述气化剂为氧气、水蒸气或氧气与水蒸气的混合物。所述炉渣为燃煤炉炉渣、煤气化炉炉渣、冶金炉渣中的任意一种或多种。本发明与现有技术相比具有如下优点：（1）本发明所述污泥煤粉的气流床气化方法，采用含水污泥与炉渣进行混合，炉渣首先对含水污泥进行初脱水和改性，使污泥中含有的一部分束缚水转变为自由水，减少了污泥的高粘性，便于炉渣更好地掺杂在含水污泥中；然后将上述混合后的物质与煤混合均匀，在混合过程中，煤与炉渣起到协同促进作用，进一步提高对含水污泥的改性效果，使污泥中含有的大部分束缚水转变为自由水，进一步减少污泥的粘结性，便于炉渣与煤均匀掺杂在污泥中；共磨时，相互掺杂的不同颗粒之间的相互作用力增加，而颗粒之间的作用力增大后，更有利于炉渣与污泥、煤共磨得到粒径小于0.2mm的混合物粉体；另外，本发明中采用的炉渣均含有大量的CaO、FeO、MgO、MnO等金属氧化物，而该类金属氧化物在气化炉中可以对煤气化过程直接进行脱硫处理，减少了生成的粗煤气中硫化物的含量；当所述炉渣选择燃煤锅炉炉渣或煤气化炉炉渣时，其内部含有的没有燃尽或气化的含碳物质可以在污泥煤粉的气化过程中进一步气化，从而提高碳的转化率。本发明所述污泥煤粉的气流床气化方法具有工艺简单、气化过程热能损耗低、气化效率高的优点，实现了对污泥的高效、快速处置，并实现了资源的最大化利用。（2）本发明所述污泥煤粉的气流床气化方法，在对含水污泥进行脱水时，还进一步加入活性炭颗粒，一方面，活性炭颗粒的加入可以使含水污泥中的束缚水更多地转化为自由水，减少了含水污泥的粘结性，便于粉碎共磨时煤、炉渣和活性炭颗粒更好地掺杂在含水污泥中；另一方面活性炭颗粒的加入使得在共磨过程中，活性炭颗粒掺杂在煤与炉渣的混合物颗粒之间，不同颗粒之间在共磨过程中相互作用时，可以增加颗粒之间的摩擦作用力，而摩擦作用力的增加更有利于硬度较大的炉渣在共磨过程中形成炉渣粉；此外，在共磨过程中还可以通入一定温度的流化风后，这样更有利于释放出的自由水的蒸发。具体实施方式以下结合实施例，对本发明作进一步具体描述，但不局限于此。实施例1向10kg含水率为70%的污泥中添加5kg粒径为3mm的燃煤炉炉渣，混合均匀，然后向混合后的物质中加入85kg的无烟煤，混合均匀后粉碎共磨至粉体的粒径小于0.2mm，得到混合物粉体；然后用氧气和水蒸气作为气化剂，携带上述混合物粉体，进入气流床气化炉，在1400℃下发生热解气化反应，生成富含H2和CO的粗煤气，其中所述混合物粉体的加入量为1000kg/h，所述氧气的加入量以每千克混合物粉体的加入量计，为0.57Nm3，所述水蒸气的加入量以每Nm3氧气计，为0.21kg。实施例2向10kg含水率为75%的污泥中添加10kg粒径为40mm的燃煤炉炉渣，混合均匀，然后向混合后的物质中加入80kg的无烟煤，混合均匀后共磨至粉体的粒径小于0.2mm，得到混合物粉体；然后用氧气和水蒸气作为气化剂，携带上述混合物粉体，进入气流床气化炉，在1450℃下发生热解气化反应，生成富含H2和CO的粗煤气,其中所述混合物粉体的加入量为1000kg/h，所述氧气的加入量以每千克混合物粉体的加入量计，为0.57Nm3，所述水蒸气的加入量以每Nm3氧气计，为0.21kg。实施例3向10kg含水率为80%的污泥中添加20kg粒径为5mm的冶金炉渣、1kg粒径为10mm的燃煤炉炉渣，混合均匀，然后向混合后的物质中加入70kg的烟煤，混合均匀后，共磨至粉体的粒径小于0.2mm，得到混合物粉体；然后用氧气和水蒸气作为气化剂，携带上述混合物粉体，进入气流床气化炉，在1500℃下发生热解气化反应，生成富含H2和CO的粗煤气,其中所述混合物粉体的加入量为1000kg/h，所述氧气的加入量以每千克混合物粉体的加入量计，为0.57Nm3，所述水蒸气的加入量以每Nm3氧气计，为0.21kg。实施例4向1kg含水率为85%的污泥中添加0.5kg粒径为15mm的煤气化炉炉渣，混合均匀，然后向混合后的物质中加入98.5kg的褐煤，混合均匀后共磨至粉体的粒径小于0.2mm，得到混合物粉体；然后用氧气和水蒸气作为气化剂，携带上述混合物粉体，进入气流床气化炉，在1550℃下发生热解气化反应，生成富含H2和CO的粗煤气,其中所述混合物粉体的加入量为1000kg/h，所述氧气的加入量以每千克混合物粉体的加入量计，为0.57Nm3，所述水蒸气的加入量以每Nm3氧气计，为0.21kg。实施例5向10kg含水率为90%的污泥中添加10kg粒径为20mm燃煤炉炉渣，混合均匀，然后向混合后的物质中加入65kg的烟煤，混合均匀后共磨至粉体的粒径小于0.2mm，得到混合物粉体；然后用氧气和水蒸气作为气化剂，携带上述混合物粉体，进入气流床气化炉，在1600℃下发生热解气化反应，生成富含H2和CO的粗煤气,其中所述混合物粉体的加入量为1000kg/h，所述氧气的加入量以每千克混合物粉体的加入量计，为0.58Nm3，所述水蒸气的加入量以每Nm3氧气计，为0.23kg。实施例6向10kg含水率为80%的污泥中添加3.5kg粒径为8mm的冶金炉渣、1.5kg粒径为5mm的燃煤炉炉渣，0.101kg粒径为0.05mm的活性炭颗粒，混合均匀，然后向混合后的物质中加入85kg的煤，混合均匀后，共磨至粉体的粒径小于0.2mm，得到混合物粉体，共磨时通入200℃的流化风，得到混合物粉体；然后用氧气和水蒸气作为气化剂，携带上述混合物粉体，进入气流床气化炉，在1500℃下发生热解气化反应，生成富含H2和CO的粗煤气,其中所述混合物粉体的加入量为1000kg/h，所述氧气的加入量以每千克混合物粉体的加入量计，为0.58Nm3，所述水蒸气的加入量以每Nm3氧气计，为0.21kg。实施例7向10kg含水率为85%的污泥中添加5kg粒径为10mm的煤气化炉炉渣、5kg粒径为10mm的燃煤炉炉渣、0.417kg粒径为1mm的活性炭颗粒，混合均匀，然后向混合后的物质中加入80kg的褐煤，混合均匀后共磨至粉体的粒径小于0.2mm，共磨时通入100℃的流化风，得到混合物粉体；然后用氧气和水蒸气作为气化剂，携带上述混合物粉体，进入气流床气化炉，在1550℃下发生热解气化反应，生成富含H2和CO的粗煤气,其中所述混合物粉体的加入量为1000kg/h，所述氧气的加入量以每千克混合物粉体的加入量计，为0.57Nm3，所述水蒸气的加入量以每Nm3氧气计，为0.21kg。实施例8向10kg含水率为90%的污泥中添加20kg粒径为13mm的燃煤炉炉渣、2.258kg粒径为2mm的活性炭颗粒，混合均匀，然后向混合后的物质中加入70kg的烟煤，混合均匀后共磨至粉体的粒径小于0.2mm，共磨时通入150℃的流化风，得到混合物粉体；然后用氧气和水蒸气作为气化剂，携带上述混合物粉体，进入气流床气化炉，在1600℃下发生热解气化反应，生成富含H2和CO的粗煤气,其中所述混合物粉体的加入量为1000kg/h，所述氧气的加入量以每千克混合物粉体的加入量计，为0.57Nm3，所述水蒸气的加入量以每Nm3氧气计，为0.21kg。实施例9向1kg含水率为95%的污泥中添加0.5kg粒径为16mm的煤气化炉炉渣、0.101kg粒径为3mm的活性炭颗粒，混合均匀，然后向混合后的物质中加入98.5kg的无烟煤，混合均匀后共磨至粉体的粒径小于0.2mm；然后用氧气和水蒸气作为气化剂，携带上述混合物粉体，进入气流床气化炉，在1650℃下发生热解气化反应，生成富含H2和CO的粗煤气,其中所述混合物粉体的加入量为1000kg/h，所述氧气的加入量以每千克混合物粉体的加入量计，为0.57Nm3，所述水蒸气的加入量以每Nm3氧气计，为0.21kg。测试例选取实施例1~9中气流床气化炉气化后的粗煤气和灰渣，对粗煤气组成、碳转化率以及冷煤气效进行测试，测试结果如表1所示；对灰渣的熔融性采用灰熔点测定仪进行测试，测试结果如下。表1气流床气化炉的气化指标测试分析结果本发明采用灰熔点测定仪对污泥煤粉气化后产生的灰渣进行灰渣熔融性测定，结果显示，实施例1~9中，灰渣的变形温度（DT）为1070~1120℃、软化温度（ST）为1150~1190℃、流动温度(FT)为1220~1250℃。通过上述测试结果可知，本发明所述污泥煤粉的气流床气化方法，碳转化率高于95%，冷煤气效率高于83%，煤气的有效成分（CO+H2）可达95.15~98.22%；与现有技术相比，本发明所污泥煤粉的气流床气化方法具有气化过程热能损耗低、气化效率高的优点。通过对污泥煤粉气化后产生的灰渣进行灰渣熔融性测定结果显示，灰渣的软化温度为1150~1190℃，本发明中加入的炉渣呈碱性，碱性组成可以提高灰渣的灰熔点，而灰熔点提高后，更易于气流床中炉渣以固态形式排出。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，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，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。