CN105602586A - 用于城市污泥烟气干化中温热解炭化的*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于城市污泥烟气干化中温热解炭化的***，包括热风装置和依次连接的进料收储计量装置、低温烟气干化装置、布袋除尘器、中温热解炭化装置、烟气余热回收装置和尾气净化除臭装置，所述热风装置为低温烟气干化装置和中温热解炭化装置提供热风。本发明通过***优化组合，通过能量梯度利用，既降低了***能耗，有效的提高了热效率；中温热解避免了污泥局部过热产生结焦和阻塞的问题，提高了***可靠性。本发明采用低温烟气干化技术作为前段污泥干化核心设备，雾化干化效率高，时间短；干化段结合喷动床和流化床原理能有效控制干化后出料粒径2～4mm，有效提高了为后续碳化效率。

Description

用于城市污泥烟气干化中温热解炭化的***
技术领域
本发明涉及化工、生态环保领域，更具体地说，涉及一种用于城市污泥烟气干化中温热解炭化的***。
背景技术
截至2015年6月底，全国设市城市、县(以下简称城镇，不含其它建制镇)累计建成污水处理厂3802座，污水处理能力达1.61亿立方米/日。据此测算，污泥产量9.66万吨/天(含水率80％)，3526万吨/年。
污泥是污水处理后的产物，是一种由有机残片、微生物菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。城镇污水处理厂污泥不仅含水量高，易腐烂，有强烈臭味，并且含有大量病原菌、寄生虫卵以及铬、汞等重金属和二恶英等难以降解的有毒有害及致癌物质。污泥未经处理随意堆放，经过雨水的侵蚀和渗漏作用，极易对地下水、土壤等造成二次污染，直接危害人类身体健康。
妥善、安全、环保、因地制宜的处理处置城市污泥，是保护城市水环境的急需解决的重要任务。目前，污泥处理处置工艺主要为市污泥的处理包括填埋、好氧堆肥或厌氧消化后土地利用、干化焚烧和热解等途径。但是由于我国污泥有机质含量较欧美等发达国家要低，而且大部分城市污泥中由于接纳部分工业废水导致污泥中重金属存在不同程度的超标，考虑到食物链的富集作用，好氧堆肥或厌氧消化后土地利用的最终处置问题无法解决，填埋则由于城市垃圾填埋场地的库容限制以及污泥二次污染的不可控等因素已为国家产业政策所限，干化焚烧则受限于高能耗和高运行成本只能在发达城市使用。
污泥热解是将污泥在无氧或者缺氧的状态下加热，并由此产生热作用引起化学分解使之成为固态、气态和液态物质的化学分解反应。由于热解是在缺氧条件下进行的，其NOx、SOx和重金属等污染物的排放远远低于焚烧过程中的排放量，从热解可获得炭化物、焦油和燃气，他们具有较高的热值和利用价值。
目前污泥热解的工程应用集中在高温热解炭化，由于能耗高导致运行成本高企，无法大规模推广。而在中温慢速热解(400～600℃)中，污泥中的有机质已分解彻底，实现了污泥中的有机质及重金属的稳定化处置。采用中温热解可有效的降低能耗及运行成本，将中温热解中产生的烟气余热回收用于污泥干化后输送至炭化装置中热解炭化，热解气作为补充燃料，炭化物则可作为水处理吸附剂实现资源化利用，具有推广应用价值。
目前污泥等有机固废炭化应用集中在高温炭化，其前处理多采用回转式烘干机，与脱水污泥高粘滞性的特性不匹配，受限于干化设备内搅拌传输阻力大、干化传热效率低，导致整个***能耗居高不下、设备故障率高等不利于大规模推广的特点。因此，污泥碳化***如何有效提高热效率，降低运行成本及提高装置的稳定性是当前研究的关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于城市污泥烟气干化中温热解炭化的***，所制成的炭化物可作为吸附剂，对COD及重金属离子有很高的去除率，是一种优良的有机废水处理剂，亦可作为辅助燃料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于城市污泥烟气干化中温热解炭化的***，包括热风装置和依次连接的进料收储计量装置、低温烟气干化装置、布袋除尘器、中温热解炭化装置、烟气余热回收装置和尾气净化除臭装置，所述热风装置为低温烟气干化装置和中温热解炭化装置提供热风。
上述方案中，所述低温烟气干化装置包括干燥筒，所述干燥筒下部有进风道，所述干燥筒内部设有离心式雾化盘，进风道位于雾化盘的下方，离心式雾化盘与驱动电机连接，所述离心式雾化盘上部设有污泥进料管，污泥进料管与螺旋加料器相连，所述干燥筒的顶部设有烟尘出口；
上述方案中，所述中温热解炭化装置包括送料装置、壳体和热风分配管，所述送料装置与壳体的上部连接，所述壳体的上部设有预热干燥区，所述预热干燥区内设有多个上下交错设置的分配耙齿和布料分配盘，所述布料分配盘固定在壳体的内壁，所述分配耙齿固定在旋转轴上，所述旋转轴与驱动装置连接，所述预热干燥区下方设有热解反应区，所述热解反应区的下方设置炭化物分离板，所述热风分配管向预热干燥区和热解反应区内输送热风。
上述方案中，所述进料收储计量装置包括污泥接收仓、若干出料阀及计量螺旋，城市污泥采用密封式运输车或污泥泵输送至污泥接收仓中调节均衡后续装置流量，经污泥接收仓底部计量螺旋计量并输送至烟气干化装置。
上述方案中，所述烟气余热回收装置预热送入热风装置的助燃气体。
上述方案中，所述烟气余热回收装置采用翘片强化空气对流换热结构。
上述方案中，所述布袋除尘器中的干化污泥通过气力输送设备送入中温热解炭化装置。
上述方案中，所述尾气净化除臭装置与吸附塔和烟囱连接。
上述方案中，所述中温热解炭化装置与炭化物包装装置连接。
上述方案中，所述中温热解炭化装置还包括气固分离器，所述壳体上设有烟气出口，所述气固分离器的入口与所述烟气出口连接，所述气固分离器顶部设有分离烟气出口，底部设有固体出口，所述固体出口与设置在壳体上的回料口连接。
上述方案中，所述离心式雾化盘的盘面上设有多个金属薄切片，多个所述切片呈环形分布。
上述方案中，所述壳体的底部设有炭化物排放口，所述炭化物排放口下方设置冷却器。
实施本发明的用于城市污泥烟气干化中温热解炭化的***，具有以下有益效果：
1、本发明通过***优化组合，通过能量梯度利用，既降低了***能耗，有效的提高了热效率；中温热解避免了污泥局部过热产生结焦和阻塞的问题，提高了***可靠性。
2、本发明采用低温烟气干化技术作为前段污泥干化核心设备，雾化干化效率高，时间短；干化段结合喷动床和流化床原理能有效控制干化后出料粒径2～4mm，有效提高了为后续碳化效率。
3、本发明烟气干化后污泥经布袋除尘器分离后采用气力输送方式送入后续的炭化装置，相比传统的螺旋输送或带式输送方式，充分利用本工艺干化后污泥的粒径特点，既节约了输送能耗，整个***的气密性好，操作环境无臭味、粉尘外溢。
4、本发明烟气余热回收利用***相比采用余热锅炉形式，减少了中间环节的能量耗损和设备投资，结合烟气干化设备，***简单可靠。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明用于城市污泥烟气干化中温热解炭化的***的结构示意图；
图2是低温烟气干化装置的结构示意图；
图3是中温热解炭化装置的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-图3所示，包括热风装置10和依次连接的进料收储计量装置1、低温烟气干化装置2、布袋除尘器3、中温热解炭化装置5、烟气余热回收装置6和尾气净化除臭装置7。
进料收储计量装置1包括污泥接收仓、若干出料阀及计量螺旋。城市污泥采用密封式运输车或污泥泵输送至进料收储计量装置1中污泥接收仓中调节均衡后续装置流量，经污泥接收仓底部计量螺旋计量并输送至烟气干化装置2。
进料收储计量装置1输送来脱水污泥通过干低温烟气干化装置2底部离心雾化器高速离心作用转化为小粒径雾化态，雾化后污泥与炭化装置5余热烟气及热风装置10产生的高温烟气接触，通过的大比表面积的热质交换以及通过高速离心破壁作用，将污泥中的水分迅速蒸发带出。低温烟气干化装置2专门针对脱水污泥粘滞度高、传统回转式或间接换热式干化设备容易黏壁、堵塞、换热效率低等问题而开发的装置，通过高速离心雾化提高了污泥与高温烟气的接触比表面积，换热充分且时间仅需6S，整个干化装置2占地面积小、工作效率高。
干化后污泥由气力输送装置4输送至中温热解炭化装置5内进一步干燥，经过中温热解反应产生炭化物和热解气，炭化物经炭化装置5底部冷却单元冷却后输送至炭化物包装装置11打包后进入后续资源化利用环节，可以用作燃料或者水处理用吸附剂。热解气进入烟气余热回收装置6中与空气换热后送入热风装置10内。经高温热分解回收热量产生高温热风可用于低温烟气干化装置2。中温热解炭化装置5干燥区采用多段炉形式便于控制工艺温度，考虑污泥预热与干燥后粒径属性，热解反应器采用流化床结构增大污泥与热风的反应接触面，炭化温度及时间可调节，降低了污泥炭化的工艺控制难度。
中温热解炭化装置5产生的尾气进入尾气净化及除臭装置7，经布袋除尘分离出烟气进入尾气净化及除臭装置7，经水洗和微生物降解后进入活性炭催化吸附塔8进一步处理达标后经烟囱9排放。
烟气余热回收装置6采用翘片强化空气对流换热结构，预热后空气送入热风装置10助燃热解气及辅助燃料，相比水冷却方式实现了能量的梯度利用。
如图2所示，低温烟气干化装置2包括干燥筒201、颗粒分离器202、烟尘出口203、检修人孔204、低温烟气进风口205、布风器206、驱动电机207、污泥料仓208、螺旋输送电机209、螺旋加料器210、V型挡板211、离心式雾化盘212、刮刀213。
其中干燥筒201干燥筒分为上下两部分，下部设有进风道。为了减少散热损失，保证干化热效率，干燥筒201的筒壁采用保温材料，并内衬陶瓷或光滑的防腐材料，可有效防止设备的腐蚀，提高设备使用寿命。进风道由干燥筒下部侧面切向与低温烟气进风口205相连。离心式雾化盘212在干燥筒201上部分底端，位于进风道上方。风道及布风器6位于进风口与离心式雾化盘212之间，保证均匀进风，使气固接触时间长，换热过程充分。烟尘出口203在干燥筒201顶端，干燥筒201上设置检修人孔204。
污泥进料管设置在离心式雾化盘212上部，与螺旋加料器210相连。螺旋输送电机209带动螺旋加料器210转动。螺旋加料器210的进料口与污泥料仓208底部相连。污泥加料口管道下端设置倒V型挡板211，可防止半干化污泥进入离心式雾化盘212中与湿污泥混合，使湿污泥均匀进入离心式雾化盘212中，减少带有速度进入的湿污泥直接掉入干燥筒201两端空隙。
在干燥筒201上部设置可调整位置的颗粒分离器202，对干化后污泥的粒径进行选择，保证烟气将合适粒径的干化污泥带出干燥筒201，粒径较大的颗粒在重力的作用下落下来与烟气继续接触干化，保证污泥得到充分干燥。
离心式雾化盘212与驱动电机207连接，驱动电机207驱动其旋转，本实施例中的驱动电机207为变频电机，其转速可调。离心式雾化盘212设置多个金属薄刀片状的切片，与雾化盘呈同心圆形状。污泥通过高速旋转(雾化盘边缘的线速度90～160m/s)的离心式雾化盘212，污泥颗粒先被切片分割切碎，然后经雾化盘周边的小孔通过离心力甩出，在离心、剪切、碰撞的多重力作用下以高速在圆周边缘甩出，形成雾滴，与低温烟气流充分接触，由于颗粒雾化效果好，污泥被烟气瞬时干燥。
进一步的，为了避免污泥在雾化过程中粘壁，离心式雾化盘212的外延设置多个刮刀213。在雾化盘工作时，可以同时刮掉粘壁的污泥。作为优选，离心式雾化盘212的盘身采用自清洁耐磨材料。
低温烟气进风口与鼓风机连接，由鼓风机送入的废热气经过风道及布风器206从干燥筒201下端切向进入干燥筒201，呈螺旋状上升。湿污泥经螺旋加料器210输送至干燥筒201内，在重力作用下掉入离心式雾化盘212，部分湿污泥，驱动电机207带动高速转动的离心式雾化盘212上切片切碎成小颗粒，同时在离心力作用下从盘边缘被甩出而雾化，当离心式雾化盘212转速和进料速率较高时，湿污泥料液被雾化成雾滴。这样，左右两股夹带着雾滴的高速废热气在干燥筒201内发生对撞，部分干燥的污泥经向上的废热气带进烟尘出口203排出收集，未充分干燥的污泥颗粒在上端由于气速降低而沉降，继续与低温烟气接触被干燥。
如图3所示，中温热解炭化装置5包括送料装置、壳体518、热风分配管512和气固分离器508。
送料装置包括接料斗501和设置在接料斗501下端的螺旋分配器502。送料装置与壳体518的上部连接，壳体518的上部设有预热干燥区510，中部设有热解反应区511。预热干燥区510内设有多个上下交错设置的分配耙齿504和布料分配盘503，布料分配盘503固定在壳体518的内壁。分配耙齿504固定在旋转轴505上，旋转轴505与驱动装置516连接，驱动装置516为电机，驱动旋转轴505旋转。
预热干燥区510下方设有热解反应区511，热解反应区511的下方设置炭化物分离板513，热风分配管512向预热干燥区510和热解反应区511内输送热风。壳体518上设有烟气出口506，气固分离器508的入口与烟气出口506连接。气固分离器508顶部设有分离烟气出口507，底部设有固体出口，固体出口与设置在壳体518上的回料口509连接。分离烟气出口507与热解气分离净化装置连接，壳体518的底部设有炭化物排放口514，炭化物排放口514下方设置冷却器。
本实用新型主要应用于经过高温烟气直接干化至含水率40％以下或者经高干度脱水至含水率40％左右城市有机固废。送料装置输送来到干化污泥落入布料分配盘503，经安装于旋转轴505上带动分料耙齿504的旋转，将物料均匀的分布在布料分配盘503上。利用热风分配管512内热风及热解区烟气的作用实现预热干燥，预热干燥区510由多个腔室组成，通过逐级预热干燥，污泥含水率降低至10％以下，污泥粒度为微米级后进入热解区。热解区的温度为400～600℃，污泥在热风作用和铜等重金属的自催化作用下中温热解，形成炭化物和热解气。其中热解气及烟气经烟气出口506排入旋风分离后进入热解气分离净化单元回收利用作为热风***辅助燃料之一，炭化物经底部炭化物分离板513进入沉降区后排入炭化物冷却器515，经冷却后输送至后续炭化物成品工段。
进一步的，气固分离器508括两级旋风室，用于将热解产生的高温烟气中的粉尘分离出来，所分离出的气体输送至一部分输送至热解区的低温段用于热解反应，一部分输送至烟气余热回收利用***。高温烟气进入烟气余热回收利用***经冷凝分离出水分并将部分空气预热后输送至预热区，冷凝净化后高温烟气输送至烟气直接干化***作为干燥介质。
进一步的，预热干燥区510和热解反应区511内设有温度探头，以便达到控制检测热解温度的目的。炭化反应时间可以通过旋转轴505的转速调节。
进一步的，壳体518的底部设有吹扫风机517，用于吹扫灰尘。
本发明还提供了以下两个具体实施例：
实施例1：
某污水厂脱水污泥(含水率80％)每天产量20吨，采用高含固率输送泵输入进料收储与计量***1，进入低温烟气干化***2进行干化，将含水率降低至30～40％，减量为5.71～6.67吨。干化后污泥经气力输送设备4送入中温热解炭化***5，热解反应温度为650～800℃，经热解反应产生2.42吨炭化物和热解气，出料温度为150～200℃的炭化物经水冷单位降温到30℃以下后送入后续资源化利用环节，600～750℃热解气经烟气余热回收***急速降温冷凝至400℃以下后送入烟气干化***将脱水污泥干化至含水率30～40％。
本工艺中烟气干化***中尾气经碱液喷淋吸收、微生物降解、活性炭催化吸附等尾气净化机除臭***处理达标后由烟囱排放。热解气经急速降温冷凝后送入热风***中经900～1100℃彻底燃烧回收热量用于烟气干化***。
本工艺采用余热预热热风炉助燃空气，实现了能量的梯度利用，相比采用余热锅炉制蒸汽方式减少了中间环节的能量耗损，烟气干化***采用高速离心雾化相比传统螺旋搅拌方式运行故障率低，整个工艺电耗45～55Kw/吨湿污泥(含水率80％)，燃气消耗50～60Nm3/吨湿污泥或煤耗40～50kg/吨湿污泥。相比高温炭化电耗75～80Kw/吨湿污泥，燃气消耗70～75Nm3/吨湿污泥或煤耗57～62kg/吨湿污泥，直接运行成本减低15～20％。相比干化焚烧工艺电耗90～120Kw/吨湿污泥，煤耗70～80kg/吨湿污泥，直接运行成本降低30％以上。
本工艺***占地面积700㎡，可以利用污水厂内空闲用地布置，减少了传统污泥集中处置方式的运输成本，既适合小规模污水厂厂内分散处置，也适宜于大中型城市污水厂减少污泥处理处置单元。本实施例中试验数据如表1、表2所示。
表.1.本工艺物料变化
表.2.本工艺与类似工艺能耗水平对比
实施例2：
某污水厂脱水污泥(含水率80％)每天产量20吨，经高干度脱水后含水率降低为40％，减量为6.67吨。采用高含固率输送泵输入进料收储与计量***1，进入低温烟气干化***2进行干化，将含水率降低至20～30％，减量为5.0～5.71吨。干化后污泥经气力输送设备4送入中温热解炭化***5，热解反应温度为650～800℃，经热解反应产生2.42吨炭化物和热解气，出料温度为150～200℃的炭化物经水冷单位降温到30℃以下后送入后续资源化利用环节，600～750℃热解气经烟气余热回收***急速降温冷凝至400℃以下后送入烟气干化***将脱水污泥干化至含水率30～40％。
本工艺中烟气干化***中尾气经碱液喷淋吸收、微生物降解、活性炭催化吸附等尾气净化机除臭***处理达标后由烟囱排放。热解气经急速降温冷凝后送入热风***中经900～1100℃彻底燃烧回收热量用于烟气干化***。
本工艺采用高干度脱水方式先将污泥含水率降低到40％，后续烟气干化所需辅助燃料降低了80％，整个工艺电耗为70～80Kw/吨湿污泥(含水率80％)，燃气消耗10～12Nm3/吨湿污泥或煤耗8～10kg/吨湿污泥。相比高温炭化电耗75～80Kw/吨湿污泥，燃气消耗70～75Nm3/吨湿污泥或煤耗57～62kg/吨湿污泥，直接运行成本减低15～20％。相比干化焚烧工艺电耗90～120Kw/吨湿污泥，煤耗70～80kg/吨湿污泥，直接运行成本降低35％以上。
本工艺占地面积800㎡，可以利用污水厂内空闲用地布置，减少了传统污泥集中处置方式的运输成本，既适合小规模污水厂厂内分散处置，也适宜于大中型城市污水厂减少污泥处理处置单元。
表.3.本工艺物料变化
表.4.本工艺与类似工艺能耗水平对比
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种用于城市污泥烟气干化中温热解炭化的***，其特征在于，包括热风装置和依次连接的进料收储计量装置、低温烟气干化装置、布袋除尘器、中温热解炭化装置、烟气余热回收装置和尾气净化除臭装置，所述热风装置为低温烟气干化装置和中温热解炭化装置提供热风。
2.根据权利要求1所述的用于城市污泥烟气干化中温热解炭化的***，其特征在于，所述低温烟气干化装置包括干燥筒，所述干燥筒下部有进风道，所述干燥筒内部设有离心式雾化盘，进风道位于雾化盘的下方，离心式雾化盘与驱动电机连接，所述离心式雾化盘上部设有污泥进料管，污泥进料管与螺旋加料器相连，所述干燥筒的顶部设有烟尘出口；
3.根据权利要求1所述的用于城市污泥烟气干化中温热解炭化的***，其特征在于，所述中温热解炭化装置包括送料装置、壳体和热风分配管，所述送料装置与壳体的上部连接，所述壳体的上部设有预热干燥区，所述预热干燥区内设有多个上下交错设置的分配耙齿和布料分配盘，所述布料分配盘固定在壳体的内壁，所述分配耙齿固定在旋转轴上，所述旋转轴与驱动装置连接，所述预热干燥区下方设有热解反应区，所述热解反应区的下方设置炭化物分离板，所述热风分配管向预热干燥区和热解反应区内输送热风。
4.根据权利要求1所述的用于城市污泥烟气干化中温热解炭化的***，其特征在于，所述进料收储计量装置包括污泥接收仓、若干出料阀及计量螺旋，城市污泥采用密封式运输车或污泥泵输送至污泥接收仓中调节均衡后续装置流量，经污泥接收仓底部计量螺旋计量并输送至烟气干化装置。
5.根据权利要求1所述的用于城市污泥烟气干化中温热解炭化的***，其特征在于，所述烟气余热回收装置预热送入热风装置的助燃气体。
6.根据权利要求1所述的用于城市污泥烟气干化中温热解炭化的***，其特征在于，所述烟气余热回收装置采用翘片强化空气对流换热结构。
7.根据权利要求1所述的用于城市污泥烟气干化中温热解炭化的***，其特征在于，所述布袋除尘器中的干化污泥通过气力输送设备送入中温热解炭化装置。
8.根据权利要求1所述的用于城市污泥烟气干化中温热解炭化的***，其特征在于，所述尾气净化除臭装置与吸附塔和烟囱连接。
9.根据权利要求1所述的用于城市污泥烟气干化中温热解炭化的***，其特征在于，所述中温热解炭化装置与炭化物包装装置连接。
10.根据权利要求3所述的用于城市污泥烟气干化中温热解炭化的***，其特征在于，所述中温热解炭化装置还包括气固分离器，所述壳体上设有烟气出口，所述气固分离器的入口与所述烟气出口连接，所述气固分离器顶部设有分离烟气出口，底部设有固体出口，所述固体出口与设置在壳体上的回料口连接。
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