一种环保型污泥固化燃料的制备方法与流程

1.本发明涉及环境保护与再生能源技术领域，具体而言涉及一种环保型污泥固化燃料的制备方法。


背景技术：

2.城市污泥是污水处理的副产物，其组分复杂，主要由碳水化合物、蛋白质、脂类、木质素和灰分等组成，此外，它还含有重金属、病毒、细菌和其他微生物，不进行妥善处理就会产生二次污染，将会对生态安全和人类健康造成不容小觑的危害。随着国内污水处理事业的发展，污泥的产生量也日益增加，2015年我国污泥产生量超过4000万吨，按照污水有效处理率来推算预计到2050年全球每年将产生34亿吨的城市固体废物。
3.目前，我国城镇污水厂的活性污泥的处理方法主要有填埋法、土地综合利用法和焚烧法。污泥填埋法受制于选址和填埋容量；土地综合利用法常受到污泥中病原菌、毒害性有机物和重金属的限制；焚烧法处理彻底，但投资大、相比另外两种无害化处理，焚烧方式处理虽然具有减量化程度高、占地面积小、资源利用率高等优点，但是也存在投资大、运行成本偏高等问题。因此为满足现阶段污泥处理的需要，人们不断开发出各种新型污泥处理方法。污泥碳化作为新型污泥处置技术，其原理是在缺氧或无氧条件下加热碳化污泥，使污泥中有机物裂解，生成主要由碳氢化合物组成的可燃挥发气体，利用可燃气体中能量干化污泥，充分利用污泥自身能量生产出化学性质稳定的污泥碳化物。
4.污泥碳化技术具有较高的应用价值，主要包括低温碳化和高温碳化，能够有效地处理污泥，分离并且消除污泥中含有的污染物。相较于干化或者直接焚烧等处理方法而言，虽然经过污泥碳化技术处理后的剩余产物具有含碳量高、发热量大等优点，但是其还存在高温碳化能耗相对较高，低温碳化热值损耗以及裂解液容易二次污染等问题。污泥中含有大量可燃的有机物和一定的木质纤维素，低位热值在11000kj/kg以上，可将污泥中的有机物转化成清洁能源，在实现废物减量化的同时，获取清洁能源，可实现环境与能源双赢。因此，急需一种环保型污泥固体燃料制备方式以实现污泥的无害化、减量化和资源化利用，缓解环境问题和能源问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对背景技术存在的问题，提供一种环保型污泥固化燃料的制备方法。该方法不仅可以降低污泥碳化温度，减少能耗，还可以提高碳化污泥的热值。
6.为了实现上述发明的目的，本发明提供的技术方案为：
7.第一方面，本发明提供一种环保型污泥固化燃料的制备方法，其包括以下步骤：
8.步骤一、酸解。将秸秆颗粒、市政污泥和盐酸混合后在80℃～100℃温度下进行水热反应。
9.步骤二、中间相生成。向步骤一的水热反应产物中投加碳酸钙颗粒，并在140℃～150℃温度下进行水热反应。
10.步骤三、碳化。向步骤二的水热反应产物中投加油酸山梨坦溶液，并在180℃～210℃温度、氮气气氛下进行水热反应。
11.步骤四、成型。对步骤三的水热反应产物进行固液分离；将所得固相产物烘干后，得到环保型污泥固化燃料。
12.作为优选，所述的秸秆颗粒的制备过程如下：将秸秆切成长度为20mm～30mm的秸秆段，并将秸秆段烘干至恒重；然后通过高速粉碎机对秸秆段进行研磨，研磨结束后使用20～60目的分样筛得到粒径小于0.3mm的秸秆颗粒。
13.作为优选，步骤一中，水热反应在搅拌速度300rpm的条件下反应30min。
14.作为优选，步骤二中，水热反应在搅拌速度300rpm的条件下反应60min。
15.作为优选，步骤三中，水热反应在搅拌速度300rpm的条件下反应60min。
16.作为优选，各步骤中投加的市政污泥、秸秆、盐酸、碳酸钙、油酸山梨坦溶液的质量比为(28～32):(35～40):(15～20):(4～8):(5～10)。
17.作为优选，所述市政污泥的含水率为80％。
18.作为优选，所述盐酸的质量分数为20％～25％。
19.作为优选，所述油酸山梨坦溶液的质量分数为2.5％。
20.第二方面，本发明提供一种环保型污泥固化燃料，其通过秸秆颗粒、市政污泥混合后依次进行酸解、中间相生成、碳化和成型得到；酸解、中间相生成和碳化均通过水热反应实现；酸解中加入盐酸；中间相生成中加入碳酸钙；碳化中加入油酸山梨坦溶液。
21.本发明的有益效果为：
22.1.本发明使用盐酸对秸秆-污泥混合物进行酸解后，进行碳酸钙联合水热反应；一方面利用碳酸钙与盐酸反应，降低水热产物的酸度，解决酸解导致的遗留问题。另一方面，碳酸钙与盐酸反应生成的氯化钙能够降低污泥的比阻，使得污泥脱水性能提高，污泥的含水率降低，使得后续碳化过程中所得燃料的碳含量提高；此外，生成的氯化钙能够降低水热处理污泥的温度(在140℃～150℃的温度进行水热分解)，从而降低了燃料生产的能耗；同时，碳酸钙联合水热反应能够促进葡萄糖、果糖和氨基酸等小分子有机物生成碳微球，增加固体燃料的热值。
23.2.本发明在碳酸钙联合水热反应后，进行span80联合水热反应；span80作为一种亲脂型非离子表面活性剂，能够使得酸解生成的半纤维素和木质素在进一步水热分解后形成的中间产物被吸附到水热碳化形成的碳微球上；在经过进一步的缩聚、氧化、聚合等反应后，能够促进假木质素的形成；假木质素在固体燃料成型过程中能够起到粘合作用，从而提高了燃料的成型性能。
24.3.本发明的span80联合水热反应过程中，span80使得水热反应形成的水热碳上吸附液相内存在的重质油等大分子有机物，从而提高固体燃料的碳化产率，增加固体燃料的热值；此外，水热碳上吸附的大分子有机物通过缩聚和氧化反应结合在一起，从而提高了固体燃料的颗粒堆积密度，使得固体燃料的品质得到提升。
25.4.本发明采用盐酸联合水热对污泥和秸秆进行酸解反应，不仅促进蛋白质、多糖、纤维素、木质素以及小分子葡萄糖、果糖和氨基酸等生成，降低污泥束缚水的含量，还能促进后续产物脱氢反应形成更多的h2，抑制脱羧反应产生更少的co2，从而提升固体燃料碳的含量。
具体实施方式
26.以下对本发明进行进一步说明。
27.一种环保型污泥固化燃料的制备方法，包括以下步骤：
28.步骤一、将自然风干的秸秆切成长度为20mm～30mm，并将其置于105℃的烘箱中进行加热烘干至恒重，然后将完全干燥后的秸秆放入高速粉碎机内进行研磨，研磨结束后使用60目的分样筛得到粒径小于0.3mm的样品。
29.步骤二、将经过市政污泥、盐酸和步骤一得到的样品投加到高压水热反应釜装置中，然后在水热温度80℃～100℃，搅拌速度300rpm的条件下水热反应30min。
30.步骤三、将高压水热反应釜装置打开，向装置内投加碳酸钙颗粒，并在水热温度140℃～150℃，搅拌速度300rpm的条件下水热反应60min。
31.步骤四、将高压水热反应釜装置打开，向装置内投加span80(油酸山梨坦，sorbitan oleate)溶液，采用高纯度氮气去除高压釜中的空气；然后在水热温度180～210℃，搅拌速度300rpm的条件下水热反应60min。span80溶液具体为span80在热水中的分散体系。
32.步骤五、将高压水热反应釜装置在空气中自然冷却至85℃以下，对高压水热反应釜装置中的混合物进行固液分离，然后对分离得到的固体产物进行塑形，并将其置于105℃下进行烘干，得到环保型污泥固化燃料。
33.针对上述制备方法，提供具体实施例如下：
34.实施例1
35.在前述环保型污泥固化燃料的制备方法的基础上，步骤四中的水热温度为180℃。
36.各步骤中原料的相对重量份如下：市政污泥30份，秸秆39份、盐酸18份、碳酸钙5份、span80溶液8份。其中，市政污泥的含水率为80％，盐酸的质量分数为23％，span80溶液的质量分数为2.5％。
37.对本实施例所得的燃料进行热值和颗粒密度检测，所得具体指标详见表1。
38.实施例2
39.在前述环保型污泥固化燃料的制备方法的基础上，步骤四中的水热温度为200℃。
40.各步骤中原料的相对重量份如下：市政污泥30份，秸秆39份、盐酸18份、碳酸钙5份、span80溶液8份。其中，市政污泥的含水率为80％，盐酸的质量分数为23％，span80溶液的质量分数为2.5％。
41.对本实施例所得的燃料进行热值和颗粒密度检测，所得具体指标详见表1。
42.实施例3
43.在前述环保型污泥固化燃料的制备方法的基础上，步骤四中的水热温度为210℃。
44.各步骤中原料的相对重量份如下：市政污泥30份，秸秆39份、盐酸18份、碳酸钙5份、span80溶液8份。其中，市政污泥的含水率为80％，盐酸的质量分数为23％，span80溶液的质量分数为2.5％。
45.对本实施例所得的燃料进行热值和颗粒密度检测，所得具体指标详见表1。
46.实施例4
47.在前述环保型污泥固化燃料的制备方法的基础上，步骤一中不投加盐酸，步骤四中的水热温度为210℃。
48.各步骤中原料的相对重量份如下：市政污泥30份，秸秆39份、碳酸钙5份、span80溶液8份。其中，市政污泥的含水率为80％，盐酸的质量分数为23％，span80溶液的质量分数为2.5％。
49.对本实施例所得的燃料进行热值和颗粒密度检测，所得具体指标详见表1。
50.实施例5
51.在前述环保型污泥固化燃料的制备方法的基础上，步骤四中不投加span80溶液，步骤四中的水热温度为210℃。
52.各步骤中原料的相对重量份如下：市政污泥30份，秸秆39份、盐酸18份、碳酸钙5份。其中，市政污泥的含水率为80％，盐酸的质量分数为23％，span80溶液的质量分数为2.5％。
53.对本实施例所得的燃料进行热值和颗粒密度检测，所得具体指标详见表1。
54.表1地质聚合物强度检测
[0055][0056]
结合表1的实验数据可以得出，采用环保型污泥固化燃料的制备方法对污泥和生物质材料进行一系列的水热处理后可以得到高密度、高热值的固体燃料，可用于替代煤炭等燃料，解决了污泥资源化、无害化的处置难题。此外，从实施例4和5的试验数据可以看出，在步骤一中使用盐酸进行酸解，步骤四中在水热碳化前投加span80均能够显著提高固体燃料的品质。
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以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。