一种利用污泥和废轮胎共热解制备生物炭的方法及系统与流程

本发明涉及一种利用污泥和废轮胎共热解制备生物炭的方法及系统，属于城市垃圾与污泥资源综合利用领域。

背景技术：

随着我国社会经济和城镇化进程的快速发展，城市污水处理厂的规模不断扩大，污泥产生量也大幅度增加。我国城市污泥的特点是含水率高、污泥组分热值较低、处理过程易产生大量臭气和其他有害污染物等。

传统污泥的处理方法主要包括海洋弃置法、填埋法、堆肥法和焚烧法：

1)海洋弃置法：将污泥直接投入大海，危害海洋生态系统，造成海洋环境恶化；

2)填埋法：污泥填埋占用大量土地，导致城市郊区可使用土地减少，甚至导致永久废弃，且污泥含水率高、粘度大，不仅填埋操作困难，还使得填埋体易发生变形和滑坡，成为“沼泽地”，造成安全隐患，另外污泥富含病原体、病毒等有害微生物，污染性较强，将影响生态“食物链”，危害居民安全；

3)堆肥法：在污泥中加入一定比例的秸秆、稻草、木屑或生活垃圾等膨松剂和调理剂，利用污泥的微生物进行发酵转化为类腐植类，作为作物肥料，但是堆肥处理后的产品病原体仍有可能存活，堆肥肥效与养分低，重金属和有毒有机物无法控制，应用效果不佳；

4)焚烧法：将污泥在焚化炉里进行焚化燃烧，使有机物全部碳化的同时，杀灭各种病原体，最终产物为含固率99％以上的无机灰烬，但是污泥在燃烧过程中存在热值低、燃耗高、污染重、操作管理复杂、投资大和运行费用高等缺点，使焚烧法无法得到大规模应用。

因此，传统的污泥处理方法已经不能满足社会发展需要，开发新型处理技术势在必行。

生物炭具有非常独特的孔隙结构和表面官能团，有耐酸、耐碱、耐热等性能，化学稳定性好、吸附能力强、再生方便。生物炭的需求量正随着社会的发展和人民生活水平的提高，呈现出逐年上升的趋势。但是制备生物炭的原料成本高，能源消耗大，严重制约了其进一步发展和应用。污泥中碳氢含量较高，有机质成分多，作为制备炭吸附材料的原料，可通过一定温度下的炭化处理，制备出性能良好的生物炭。该方法优点在于：(1)制备污泥生物炭代替商品生物炭，可以节省木材、煤炭等原料资源，降低了生物炭的生产成本；(2)将污泥制备为吸附性能良好的生物炭，为城市污水厂污泥高效资源化利用提供了新的途径。

针对污泥处理及生产生物炭吸附材料，部分研究者开展了相关探索。cn103396815a公开了一种污泥制备炭材料的方法，将污泥进行水热法脱水后，用于厌氧发酵产生沼气或用于生产生物炭；该方法需要消耗外部能源，增加了污泥处理成本。cn102337142a公开了一种利用导热油炉导热空心桨叶汽化反应器与空心桨叶炭化反应器制备污泥炭的方法，生产的污泥炭返回锅炉中燃烧供热给汽化反应器和炭化反应器；cn102358861a则提供了一种将污泥、生物质燃料采用石灰法除臭灭菌后与煤粉混合制备含碳燃料用于燃烧的方法；这两种方法局限于污泥的减量化处理，利用价值低。cn102071033a公开了一种污泥热化学法制炭处置方法，将污泥加热至170℃～250℃，并在全封闭保温条件下连续注入一氧化碳、二氧化碳等气体，使污泥中有机物、蛋白质、纤维、菌胶团等在机械力和温度的共同作用下，浓缩成含水率≤9％的热成型棒(或球)，用于燃料燃烧；该方法处理污泥工艺复杂，成本较高，对机械设备要求高。上述专利主要是通过调整炭化温度、气氛和活化剂等来获得性能良好的污泥炭吸附材料，但均未能解决生产过程能耗高与原料成本高等问题。

根据国内外学者的研究，废轮胎是一种高热值、高碳含量的固体废弃物，发热量比木材高69％/kg，比烟煤高10％/kg，比焦炭高4％/kg。轮胎热解所得的可燃气体主要由氢和甲烷等组成，可作燃料使用，也可以就地燃烧供热分解过程的需要，使整个工艺系统所需热量实现自供，节能环保。根据前期的研究，在污泥热解过程中加入适量废轮胎颗粒可有助于形成产率高、比表面积大、孔隙度良好的生物炭产品，并且所制备的生物炭可将重金属元素稳定于其热解过程所形成的晶体结构中，防止在使用过程中的析出，固定化效果好，实现污泥向对环境安全无害化生物炭产品的转变。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种利用污泥和废轮胎共热解制备生物炭的方法，制备的热解生物炭吸附性能高。

本发明还提供了一种利用污泥和废轮胎共热解制备生物炭的系统。

为了实现上述目的，本发明采用的一种利用污泥和废轮胎共热解制备生物炭的方法，包括以下步骤：

(1)将脱水后的污泥干燥；

(2)将干燥后的污泥与废轮胎分别进行破碎；

(3)将破碎后的污泥与破碎后的废轮胎固体颗粒按一定比例混合均匀后，加入氯化锌溶液，室温下浸泡20-30h，烘干；

(4)烘干后物料进行热解炭化；

(5)热解后固体产物依次采用稀盐酸、去离子水洗涤，干燥后得到生物炭。

作为优选，所述步骤(1)中的污泥为污水厂经机械脱水后含水率<95％的污泥；

其中，污泥干燥方法为直接干燥或间接干燥，干燥后污泥含水率<30％。

作为优选，所述步骤(2)中，破碎后污泥与废轮胎颗粒的粒度均<30mm。

作为优选，所述步骤(3)中，废轮胎固体颗粒的质量占污泥和废轮胎固体颗粒总质量的5％-15％。

作为优选，所述步骤(3)中氯化锌溶液的浓度为2.5mol/l。

作为优选，所述步骤(4)中污泥与废轮胎的混合物的热解炭化温度为700℃，升温速率为10℃/min，热解炭化时间为120min。

另外，本发明还提供了一种利用污泥和废轮胎共热解制备生物炭的系统，包括废轮胎备料单元、污泥备料单元和混料单元；

所述废轮胎备料单元包括撕碎装置、第一破碎装置、第一缓冲料仓和第一定量给料装置，所述污泥备料单元包括前干燥装置、第二破碎装置、第二缓冲料仓、第二定量给料装置，所述混料单元包括混合装置、加药活化装置、中干燥装置、炭化装置、洗涤装置和后干燥装置；

所述废轮胎备料单元、污泥备料单元和混料单元内部及相互间分别通过输送装置相连。

作为优选，所述炭化装置产生的热解气体经气体处理装置处理后，用于燃烧加热炭化装置，燃烧产生的烟气进入干燥装置；

所述的炭化装置为移动床式或回转窑式炭化炉，所述气体处理装置为具有脱酸功能的干法或湿法气体净化设备。

作为优选，所述前干燥装置为回转干燥设备，中干燥装置为流态化干燥设备，后干燥装置为圆盘式干燥设备。

作为优选，所述撕碎装置为轮胎撕碎机；所述第一破碎装置为剪切式破碎机，第二破碎装置为辊式破碎机；

所述第一定量给料装置与第二定量给料装置为螺旋给料机或星形给料机；

所述混合装置为犁刀式混料机、耙式混料机、转筒式混料机或搅拌式混料机中的一种；所述输送装置为皮带输送机或刮板输送机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明充分实现了废轮胎资源化与能源化高效利用，避免了废轮胎堆积造成的资源浪费和简单焚烧所造成环境污染。

(2)本发明充分发挥了废轮胎高热值的优点，将炭化过程产生的热解气体燃烧作为炭化的外部热源，燃烧后产生的烟气用于污泥、活化后混合物料、生物炭等的干燥脱水，彻底解决工艺全过程的能源自给问题，充分体现清洁生产与循环经济理念，节能与降成本效益显著。

(3)本发明将污泥与含有大量有机质的废轮胎进行混合热解制备生物炭，结合zncl2溶液浸泡的活化造孔方法，使热解过程更容易进行，与直接焚烧、热解以及添加玉米秸秆等农作物热解的方式相比，本发明有助于形成产率高、比表面积大、孔隙度良好的生物炭产品，并且所制备的生物炭可将重金属元素稳定于其热解过程所形成的晶体结构中，防止在使用过程中的析出，固定化效果好，实现剩余污泥向对环境安全无害化生物炭产品的转变。

(4)本发明利用废轮胎与污泥混合热解制备炭吸附材料，将城市垃圾引入炭材料制备领域，变废为宝，工艺简单实用，大幅度降低了污泥制备炭吸附材料的成本，提高了市场竞争力，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明实施例1制得生物炭的sem图；

图2是本发明的工艺装置流程图；

图中：1、撕碎装置，2、第一破碎装置，3、第一缓冲料仓，4、第一定量给料装置，5、前干燥装置，6、第二破碎装置，7、第二缓冲料仓，8、第二定量给料装置，9、混合装置，10、加药活化装置，11、中干燥装置，12、炭化装置，13、洗涤装置，14、后干燥装置，15、气体处理装置，16、输送装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。

一种利用污泥和废轮胎共热解制备生物炭的方法，包括以下步骤：

(1)将脱水后的污泥干燥；

(2)将干燥后的污泥与废轮胎分别进行破碎；

(3)将破碎后的污泥与破碎后的废轮胎固体颗粒按一定比例混合均匀后，加入氯化锌溶液，室温下浸泡20-30h，烘干；

(4)烘干后物料进行热解炭化；

(5)热解后固体产物依次采用稀盐酸、去离子水洗涤，干燥后得到生物炭。

作为优选，所述步骤(1)中的污泥为污水厂经机械脱水后含水率<95％的污泥；

其中，污泥干燥方法为直接干燥或间接干燥，干燥后污泥含水率<30％。

作为优选，所述步骤(2)中，破碎后污泥与废轮胎颗粒的粒度均<30mm。

作为优选，所述步骤(3)中，废轮胎固体颗粒的质量占污泥和废轮胎固体颗粒总质量的5％-15％。

作为优选，所述步骤(3)中氯化锌溶液的浓度为2.5mol/l。

作为优选，所述步骤(4)中污泥与废轮胎的混合物的热解炭化温度为700℃，升温速率为10℃/min，热解炭化时间为120min。

另外，本发明还提供了一种利用污泥和废轮胎共热解制备生物炭的系统，包括废轮胎备料单元、污泥备料单元和混料单元；

所述废轮胎备料单元包括撕碎装置1、第一破碎装置2、第一缓冲料仓3和第一定量给料装置4，所述污泥备料单元包括前干燥装置5、第二破碎装置6、第二缓冲料仓7、第二定量给料装置8，所述混料单元包括混合装置9、加药活化装置10、中干燥装置11、炭化装置12、洗涤装置13和后干燥装置14；

所述废轮胎备料单元、污泥备料单元和混料单元内部及相互间分别通过输送装置16相连。

作为优选，所述炭化装置12产生的热解气体经气体处理装置15处理后，用于燃烧加热炭化装置12，燃烧产生的烟气进入各干燥装置；

所述的炭化装置12为移动床式或回转窑式炭化炉，所述气体处理装置15为具有脱酸功能的干法或湿法气体净化设备。

作为优选，所述前干燥装置5为回转干燥设备，中干燥装置11为流态化干燥设备，后干燥装置14为圆盘式干燥设备。

作为优选，所述撕碎装置1为轮胎撕碎机；所述第一破碎装置2为剪切式破碎机，第二破碎装置6为辊式破碎机；

所述第一定量给料装置4与第二定量给料装置8为螺旋给料机或星形给料机；

所述混合装置9为犁刀式混料机、耙式混料机、转筒式混料机或搅拌式混料机中的一种；所述输送装置16为皮带输送机或刮板输送机。

实施例1

一种利用污泥和废轮胎共热解制备生物炭的方法，包括以下步骤：

(1)取污水厂经机械脱水干燥后含水率<95％的污泥，采用直接干燥并控制干燥后污泥含水率<30％；

(2)将步骤(1)干燥后的污泥与取自回收站的废轮胎，分别破碎至粒度<30mm；

(3)称取破碎后的污泥0.1kg、破碎后的废轮胎固体颗粒0.9kg，混合均匀后，加入浓度为2.5mol/l的氯化锌溶液，使氯化锌溶液浸没污泥和废轮胎固体颗粒，室温下浸泡24h，烘干；

(4)将步骤(3)烘干后的物料在700℃(控制升温速率为10℃/min)下热解炭化120min；

(5)热解炭化产物依次采用常规的稀盐酸、去离子水洗涤，干燥后得到生物炭。

所得生物炭经实验室测定，产率为64.77％。

在吸附性能方面：该生物炭的比表面积为806.15m2/g，碘吸附值为619.69mg/g；

重金属固定化比例为：cu，91.10％；ni，88.64％；cr，68.07％；cd，77.20％；zn，89.69％；pb，84.12％。

另外，图1提供了本实施例制备的生物炭的sem图，从图中可以看出生物炭的形貌有明显的孔隙结构。

相较于仅使用污泥制备的生物炭(产率45.70％；比表面积632.54m2/g，碘吸附值506.27mg/g；重金属固定化比例：cu，85.22％；ni，83.27％；cr，60.81％；cd，71.45％；zn，87.36％；pb，76.20％)，本发明生物炭的各方面性能均有了显著提升。

对本实施例制备的生物炭与仅使用污泥制备的生物炭进行元素比分析，结果如表1所示。

表1生物炭样品的元素比分析

分析表1可知，相比于仅使用污泥制备的生物炭，本实施例制备生物炭的h/c值下降了34.04％，说明本实施例制备的生物炭芳香化程度增强，同时废轮胎催化了污泥的热解；o/c值下降了12.80％，说明本实施例制备的生物炭亲水性下降；(o+n)/c值下降了11.90％，说明本实施例制备的生物炭极性下降；c/n值上升了11.27％，因此，本实施例制备的生物炭表面官能团减少，性质更加稳定，不易被矿化分解。

实施例2

如图2所示，一种利用污泥和废轮胎共热解制备生物炭的系统，包括废轮胎备料单元、污泥备料单元和混料单元；

所述废轮胎备料单元包括撕碎装置1、第一破碎装置2、第一缓冲料仓3和第一定量给料装置4，且撕碎装置1、第一破碎装置2、第一缓冲料仓3和第一定量给料装置4依次通过输送装置16相连；

所述污泥备料单元包括前干燥装置5、第二破碎装置6、第二缓冲料仓7、第二定量给料装置8，且前干燥装置5、第二破碎装置6、第二缓冲料仓7和第二定量给料装置8依次通过输送装置16相连；

所述混料单元包括混合装置9、加药活化装置10、中干燥装置11、炭化装置12、洗涤装置13和后干燥装置14，且混合装置9、加药活化装置10、中干燥装置11、炭化装置12、洗涤装置13和后干燥装置14依次通过输送装置16相连；

且第一定量给料装置4与混合装置9间、第二定量给料装置8与混合装置9间均通过输送装置16相连，实现了废轮胎备料单元、污泥备料单元和混料单元的连接。

另外，炭化装置12产生的热解气体经气体处理装置15处理后，用于燃烧加热炭化装置12；燃烧产生的烟气分别进入前干燥装置5、中干燥装置11和后干燥装置14。

本发明系统中设备装置说明如下，以下各装置均可以在市场直接购买：

撕碎装置1为普通轮胎撕碎机；第一破碎装置2为轮胎剪切式破碎机；

第一缓冲料仓3为普通料仓，上部为圆柱、下部为锥形，或上部为方形、下部为棱锥形；

第一定量给料装置4为螺旋给料机或星形给料机；前干燥装置5为回转干燥设备；

第二破碎装置6为辊式破碎机；

第二缓冲料仓7为普通料仓，上部为圆柱、下部为锥形，或上部为方形、下部为棱锥形；

第二定量给料装置8为螺旋给料机或星形给料机；

混合装置9为犁刀式混料机、耙式混料机、转筒式混料机或搅拌式混料机中的任一种；

加药活化装置10为物料储罐与自动加药搅拌机组合配置；

中干燥装置11为流态化干燥设备；

炭化装置12为普通的生物质炭化炉，可以为移动床式或回转窑式炭化炉；

洗涤装置13为酸洗水洗一体化设备；后干燥装置14为圆盘式干燥设备；

气体处理装置15为具有脱酸功能的干法或湿法气体净化设备；

输送装置16为皮带输送机或刮板输送机。

本发明将破碎后的废轮胎与干燥后的污泥按一定比例均匀混合，混合后的物料经过氯化锌活化造孔后进行炭化，制备炭吸附材料，炭化过程产生的热解气体燃烧作为炭化的外部热源，燃烧产生的烟气用于污泥、活化后混合物料和洗涤后生物炭等的干燥脱水，解决了污泥热解制备炭吸附材料过程的能源自给问题。

本发明将城市垃圾引入到污泥制备炭材料技术领域，利用废轮胎改善污泥热解炭性能指标的同时，发挥废轮胎高热值的优点，一方面彻底解决了物料干燥、炭化过程涉及的能源消耗大、成本高等问题，另一方面避免了废轮胎堆积造成的资源浪费和简单焚烧所造成环境污染，实现了废轮胎高附加值利用，充分体现清洁生产与循环经济理念，节能与环保效益显著。该方法工艺简单实用，大幅度降低了污泥制备炭吸附材料的成本，提高了市场竞争力，应用前景广阔。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。