CN109970064A - 一种城市污泥厌氧消化沼渣还原制备碳化硅的装置 - Google Patents

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李磊
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Abstract

本发明公开了一种城市污泥厌氧消化沼渣还原制备碳化硅的装置，包括真空泵、气体收集罐以及依次相连的真空热解罐、超声球磨罐和真空碳还原反应罐，超声球磨罐的罐壁上安装有超声发生器，真空碳还原反应罐的罐壁上安装有加热器，真空碳还原反应罐的底部设有碳化硅出料口；真空泵通过气体管道与真空碳还原反应罐的上部相连通，真空泵的尾部设有气体收集罐，气体管道上还安装有真空计。本发明利用城市污泥的厌氧消化沼渣制备得到碳化硅材料，无需添加其他化学试剂，实现了城市污泥的高附加值资源化利用，具有显著的经济效益和环境效益。

Description

一种城市污泥厌氧消化沼渣还原制备碳化硅的装置
技术领域
本发明涉及污水污泥处理技术领域，特别涉及到一种城市污泥厌氧消化沼渣还原制备碳化硅的装置。
背景技术
随着活性污泥法处理生活污水的普及应用，剩余污泥产量急剧增加，污泥产量已经达到4300万吨/年(以含水率80％计)，剩余污泥处理处置形势日益严峻。因此，对城市污泥进行处理处置并实现其高附加值资源化利用已经成为一个重大科学问题。污泥厌氧消化作为一种极具潜力的污泥处理技术，在降低污泥数量的同时回收能源，成为目前国际上最受欢迎的污泥减量化和资源化处理技术。但是，污泥颗粒中有机质和SiO2颗粒混合在一起，有机质与厌氧消化菌无法有效接触，造成有机质不能被充分利用产甲烷。所以，厌氧消化过程只能利用污泥中的一部分有机质。消化沼液经过脱水可以得到消化液、消化沼渣。消化沼渣中仍然还有大量的有机质没有得到回收利用。
同时人们注意到，消化后污泥沼渣仍还有大量有机质、SiO2和重金属，如果随意填埋入土或作为生物碳土使用，不仅浪费大量生物质能源，也会使重金属进入水和土壤环境。因此，大量的废弃污泥消化沼渣需要被有效处理和资源化利用。目前亟需一种污泥消化沼渣的利用装置，实现城市污泥厌氧消化沼渣的高附加值资源化利用。
现有技术主要是对污泥消化液进行沼渣、沼液的固液分离处理，然后从沼液进行氮磷回收，较少关注消化沼渣的处理利用。专利名为一种污泥厌氧消化沼渣制砖的方法(CN107056238A)中将消化后的污泥沼渣干化然后将挤压成砖坯，干燥后烧制成成品砖；但是成品砖的附加值较低，重金属等成分仍残留在成品砖中，造成潜在危害。专利名为一种厌氧消化后沼渣深度脱水以及干化的方法(CN108439743A)中仅仅将深度脱水后的沼渣通过螺旋输送机进入太阳能干化厂，经过太阳能干化后使其含水率降至40％；该专利也没有对污泥消化沼渣进行高效的利用。
因此，如何有效利用大量的污泥消化沼渣，实现其高附加值资源化利用，是当前急需解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种城市污泥厌氧消化沼渣还原制备碳化硅的装置，以解决上述问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种城市污泥厌氧消化沼渣还原制备碳化硅的装置，包括真空泵、气体收集罐以及依次相连的真空热解罐、超声球磨罐和真空碳还原反应罐，超声球磨罐的罐壁上安装有超声发生器，真空碳还原反应罐的罐壁上安装有加热器，真空碳还原反应罐的底部设有碳化硅出料口；真空泵通过气体管道与真空碳还原反应罐的上部相连通，真空泵的尾部设有气体收集罐，气体管道上还安装有真空计。
进一步的，所述超声球磨罐两侧的侧壁上分别设有第一超声发生器和第二超声发生器，第一超声发生器和第二超声发生器产生的产生频率不相同。
进一步的，所述超声球磨罐中设有研磨球，超声球磨罐和研磨球的材质均为玛瑙。
进一步的，所述研磨球包括若干混合设置的第一研磨球、第二研磨球和第三研磨球，第一研磨球、第二研磨球和第三研磨球的直径分别为Φ6mm、Φ9mm、Φ12mm，第一研磨球、第二研磨球和第三研磨球的质量比为5:3:2。
进一步的，所述加热器用于将真空碳还原反应罐内的温度维持在1300℃。
进一步的，所述真空泵用于将真空碳还原反应罐内的压强维持在≤100Pa。
进一步的，所述真空碳还原反应罐中热解后的残渣颗粒在超声球磨罐中进行超声球磨前加入碳单质。
进一步的，所述气体管道的一端从真空碳还原反应罐的上部伸入真空碳还原反应罐内且在其伸入端上安装有管堵。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明针对城市污泥资源化利用价值低的问题，创新性地提出联合真空热解、超声球磨、真空碳还原技术实现剩余污泥厌氧消化沼渣的高附加值资源化利用。
(2)本装置利用城市污泥厌氧消化沼渣制备得到碳化硅，生产过程无需添加其他化学试剂，具有显著的经济效益和环境效益，实现了城市污泥的高附加值资源化利用。
附图说明
图1为本发明所述的城市污泥厌氧消化沼渣还原制备碳化硅的装置的结构示意图。
图2为本发明所述的超声球磨罐的结构示意图。
图3为本发明所述的真空碳还原反应罐的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1～图3，本发明所述的一种城市污泥厌氧消化沼渣还原制备碳化硅的装置，包括真空泵15、气体收集罐16以及依次相连的真空热解罐1、超声球磨罐2和真空碳还原反应罐3。超声球磨罐2的罐壁上安装有超声发生器，真空碳还原反应罐3的罐壁上安装有加热器9。真空碳还原反应罐3的底部设有碳化硅出料口11，真空碳还原反应罐3的顶部设有进料口8，超声球磨罐2通过真空碳还原反应罐3的进料口8与真空碳还原反应罐3相连通。真空泵15通过气体管道13与真空碳还原反应罐3的上部相连通，真空泵15的尾部设有气体收集罐16，气体管道上还安装有真空计14。真空热解罐1、超声球磨罐2和真空碳还原反应罐3之间分别通过相应的连接管相连，连接管和气体管道上分别安装有相应的开关控制阀。
超声球磨罐2两侧的侧壁上分别设有第一超声发生器4和第二超声发生器5，第一超声发生器4和第二超声发生器5产生的产生频率不相同。
超声球磨罐2中设有研磨球7，超声球磨罐2和研磨球7的材质均为玛瑙。
研磨球7包括若干混合设置的第一研磨球、第二研磨球和第三研磨球，第一研磨球、第二研磨球和第三研磨球的直径分别为Φ6mm、Φ9mm、Φ12mm。第一研磨球、第二研磨球和第三研磨球的质量比为5:3:2。
加热器用于将真空碳还原反应罐3内的温度维持在1300℃。
真空泵15用于将真空碳还原反应罐3内的压强维持在≤100Pa。
真空碳还原反应罐3中热解后的残渣颗粒6在超声球磨罐2中进行超声球磨前需要加入碳单质。需要在处理前对残渣颗粒做一些分析手段，如EDS能谱分析、手持式XRF仪器等，便可测得残渣中的Si含量。
气体管道的一端从真空碳还原反应罐3的上部伸入真空碳还原反应罐3内且在其伸入端上安装有管堵12。
本装置的具体使用步骤如下：首先将污泥消化沼渣送入真空热解罐1中，将温度升高到100℃进行真空高温脱水，避免水分对生物油产物的影响，然后继续升温到500℃进行沼渣的真空热解过程，污泥消化沼渣在真空热解罐1中反应，制备得到生物油和残渣颗粒；向收集到的热解残渣颗粒6中加入碳单质来调节Si：C元素比例，控制残渣中的元素Si：C摩尔数量比例为1：4，然后再进入超声球磨罐2进行超声波球磨处理，使碳和SiO2充分接触；超声球磨罐2两侧的两个超声发生器产生的超声频率是不同的，避免超声波的相互削弱；球磨后残渣颗粒10在1300℃、100Pa条件下进行真空碳还原反应，制备得到碳化硅，产生的气体主要以CO为主的能源气体，气体被真空泵15抽出并储存在气体收集罐16内。
我国的剩余污泥消化沼渣中普遍含有大量金属离子，在高温真空热解中将转化为金属氧化物，与SiO2竞争还原性碳，降低碳化硅产物的纯度。因此，沼渣经过真空热解去除有机物后，通过添加稀硝酸或稀盐酸溶液去除热解残渣中的金属氧化物，提高碳与SiO2的纯度。
高温真空碳还原过程中，根据碳和SiO2的相对含量不同，碳和SiO2会发生不同的还原反应过程，如下式：
SiO2(s)+C(s，不足)→Si(s)+CO2(g)
SiO2(s)+2C(s，过量)→Si(s)+2CO(g)
Si(s)+C(s)→SiC(s)
总的反应过程如下式：
SiO2(s)+3C(s)→SiC(s)+2CO(g)
高温真空碳还原过程中，根据碳和SiO2的相对含量不同，碳和SiO2会发生不同的还原反应过程。可以看出，SiO2的碳还原反应需要满足的条件为Si：C元素的原子摩尔数量比≤1：3，CO2和C之间的反应也需要碳元素的参与，因此需要控制Si：C元素的原子摩尔数量比至少为1：4，才能够满足污泥消化沼渣中碳和SiO2的反应，并收集得到SiC材料和CO能源气体。
上述城市污泥厌氧消化沼渣还原制备碳化硅的装置或上述处理方法在城市污泥厌氧消化沼渣利用方面的应用也都应在本发明的保护范围之内。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种城市污泥厌氧消化沼渣还原制备碳化硅的装置，其特征在于：包括真空泵、气体收集罐以及依次相连的真空热解罐、超声球磨罐和真空碳还原反应罐，超声球磨罐的罐壁上安装有超声发生器，真空碳还原反应罐的罐壁上安装有加热器，真空碳还原反应罐的底部设有碳化硅出料口；真空泵通过气体管道与真空碳还原反应罐的上部相连通，真空泵的尾部设有气体收集罐，气体管道上还安装有真空计。
2.根据权利要求1所述的城市污泥厌氧消化沼渣还原制备碳化硅的装置，其特征在于：所述超声球磨罐两侧的侧壁上分别设有第一超声发生器和第二超声发生器，第一超声发生器和第二超声发生器产生的产生频率不相同。
3.根据权利要求1所述的城市污泥厌氧消化沼渣还原制备碳化硅的装置，其特征在于：所述超声球磨罐中设有研磨球，超声球磨罐和研磨球的材质均为玛瑙。
4.根据权利要求3所述的城市污泥厌氧消化沼渣还原制备碳化硅的装置，其特征在于：所述研磨球包括若干混合设置的第一研磨球、第二研磨球和第三研磨球，第一研磨球、第二研磨球和第三研磨球的直径分别为Φ6mm、Φ9mm、Φ12mm，第一研磨球、第二研磨球和第三研磨球的质量比为5:3:2。
5.根据权利要求1所述的城市污泥厌氧消化沼渣还原制备碳化硅的装置，其特征在于：所述加热器用于将真空碳还原反应罐内的温度维持在1300℃。
6.根据权利要求1所述的城市污泥厌氧消化沼渣还原制备碳化硅的装置，其特征在于：所述真空泵用于将真空碳还原反应罐内的压强维持在≤100Pa。
7.根据权利要求1所述的城市污泥厌氧消化沼渣还原制备碳化硅的装置，其特征在于：所述真空碳还原反应罐中热解后的残渣颗粒在超声球磨罐中进行超声球磨前加入碳单质。
8.根据权利要求1所述的城市污泥厌氧消化沼渣还原制备碳化硅的装置，其特征在于：所述气体管道的一端从真空碳还原反应罐的上部伸入真空碳还原反应罐内且在其伸入端上安装有管堵。
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