CN110272751A - 碳化处理方法和碳化处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳化处理方法，包括以下步骤：将生物质和脱水污泥混合以获得表观水含量为30％至70％的混合物；以及在无氧或低氧条件下在700℃至900℃下使所述混合物进行干馏处理，以获得碳化材料。还涉及一种碳化处理设备。

Description

碳化处理方法和碳化处理设备

技术领域

本发明涉及使诸如谷壳之类的生物质和脱水污泥的混合物进行干馏处理以获得碳化材料的碳化处理方法和碳化处理方法中使用的碳化处理设备。

背景技术

通常在污水处理设施中对从家庭等排出的包含有机物质的废水进行废水处理。

在废水处理过程中产生有机污泥，并且有机污泥产生的量随着经处理的废水的量的增加而增加。然后，有机污泥的处理和处置成为一个大问题。

在处置有机污泥时，有机污泥含有约99.9％的水，因此不能被原样处置。因此，为了减量，目前已进行各种处理，例如浓缩和脱水处理或进一步焚烧或熔融。

作为用于减少有机污泥的量的方法，已经提出了通过干馏处理来使污泥碳化。污泥在基质中包含约45质量％的碳成分。与焚烧和熔融不同，碳化处理不会完全消耗污泥中的碳成分，而是通过在无氧或低氧状态下对污泥进行热解(碳化)来生成具有新组成的碳化材料(碳化产物)而留下碳成分。

在通过干馏处理使污泥碳化时，使用通过脱水器脱水至水含量为约80％的脱水污泥。然而，当将脱水污泥直接进行干馏处理时，一部分污泥可能附着至设备，这可能引起问题。因此，首先对污泥进行干燥处理以将水含量降低至例如约40％，然后对经干燥的污泥进行干馏处理。例如，以下专利文献1和2公开了用于这种处理的碳化处理设备。

图8示出了常规碳化处理设备的例子。在该图中，由附图标记200表示的部件是接收料斗，并且首先将已经脱水至水含量为约80％的脱水污泥接收到接收料斗200中。通过污泥输送泵(恒定进料器)202将接收料斗200中接收的脱水污泥输送到干燥器204并在干燥器204中使脱水污泥进行干燥处理，以具有预定的例如约40％的水含量。

干燥器204具有作为干燥容器的旋转滚筒。干燥器204被构造成使得从轴向的一端侧将污泥供应到旋转滚筒的内部，在使旋转滚筒旋转的同时污泥沿着内部在轴向移动，污泥在移动过程中通过热空气干燥，将经干燥的污泥沿轴向从旋转滚筒的另一端排出。然后将经干燥的污泥经由输送器206输送到碳化炉208并进行干馏处理。最后，将作为干馏残余物的碳化材料从碳化炉208中排出。

此外，在图8中，由附图标记210表示的部件是热空气产生炉，其用于产生供应给干燥器204的热空气。将燃料与燃烧空气一起供应到热空气产生炉并燃烧以产生热空气。

在这种常规碳化处理设备中，必须提供用于干燥污泥的干燥器204和用于产生干燥用热空气的热空气产生炉210。因此，存在构成碳化处理设备的装置数量增加的问题。此外，用于产生热空气的燃料的消耗导致处理成本的增加。

顺便提及，专利文献3示出了关于“含水有机废物的碳化方法”的发明，并且公开了将污水污泥和谷壳混合并装入回转窑中以产生碳化材料。然而，专利文献3中描述的碳化处理方法与本发明的不同之处在于：该方法包括通过使用干燥器干燥污水污泥的步骤，并且通过使用水含量低于本发明的混合物进行干馏处理。

专利文献1：JP-A-H11-33599

专利文献2：JP-A-H11-37644

专利文献3：JP-A-2011-68824

发明内容

鉴于上述这种情况，本发明的目的是提供一种碳化处理方法和碳化处理设备，该碳化处理方法和碳化处理设备能够以不需要使用热空气进行干燥处理的简单构造对含有污泥的混合物进行碳化。

本发明的碳化处理方法是这样的碳化处理方法，其包括以下步骤：

将生物质和脱水污泥混合，以获得表观水含量为30％至70％的混合物；以及

在无氧或低氧条件下在700℃至900℃下使所述混合物进行干馏处理，以获得碳化材料。

本文中，表观水含量是含有生物质和脱水污泥的混合物的水重量与总重量(混合物的水重量和混合物的干重的总和)的比率。当混合物的总重量为T(g)以及混合物的水重量为h(g)时，表观水含量p(重量％)可表示如下：p＝h/T×100。

在本发明的碳化处理方法中，生物质可以是谷壳。本文中，谷壳是从具有谷物和外皮的种子或谷粒(例如大米或小麦)中获得的外皮。可以使用通常已知的谷壳。通常，生物质可以是由大米、小麦等的脱粒工作作为副产物生成的谷壳。

谷壳可以堆积密度(bulk density)变为2至10倍的方式被粉碎。

本文中，堆积密度是松散堆积密度。为了测量堆积密度，将谷壳从容器的上方供应到内径为2.3cm(体积：100cm³)的容器中。当容器充满谷壳时，用刮刀取出堆积部分以使其平坦，并测量容器中整个谷壳的重量。可以根据以下等式计算堆积密度。

堆积密度(g/cm³)＝谷壳重量(g)/容器容积(cm³)

顺便提及，根据上述测量，本身形状的谷壳(在粉碎之前)的堆积密度通常为约0.1g/cm³。在本发明中，理想的是使用在粉碎后堆积密度为0.2g/cm³至1.0g/cm³的谷壳。

在本发明的碳化处理方法中，在混合步骤中，可以通过使用双桨式混合器或双杆式混合器将诸如谷壳之类的生物质与脱水污泥混合。

在本发明的碳化处理方法中，在混合步骤中，可以通过使用单螺杆泵将诸如谷壳之类的生物质与脱水污泥混合。

本发明的碳化处理设备是这样的碳化处理设备，其包括：

混合器，其被构造成使生物质和脱水污泥混合以获得混合物，和

碳化炉，其被构造成通过干馏处理使所述混合物碳化，

其中所述碳化处理设备未配备有干燥器来干燥所述脱水污泥。

如上所述，设计本发明以通过使用诸如谷壳之类的生物质和污泥(污水污泥)的混合物，而不是使用未混合的污泥来生产碳化材料。脱粒后的谷壳已被用作牲畜等的敷料，但通常难以被处置。根据本发明，可以有效地使用诸如谷壳之类的生物质而不进行处置。

在本发明中，通过混合诸如谷壳之类的生物质和污泥(脱水污泥)来调节混合物的表观水含量。因此，可以不需要用于调节污泥的水含量的干燥器和热空气产生炉。因此，可以实现碳化处理设备的构成装置的简化。此外，由于不需要用于调节水含量的热空气，因此可以降低处理成本(燃料消耗)。

碳化材料所需的特性根据其应用用途而变化。在需要粉末状碳化材料的情况下，混合物的表观水含量合适地为约30％至40％。另一方面，在需要难以飞散的颗粒状碳化材料的情况下，混合物的表观水含量合适地为约60％至70％。因此，由于合适的表观水含量根据碳化材料所需的特性而变化，因此在本发明中，混合物的表观水含量可以适当地确定在30％至70％的范围内。

在本发明中，除了本身形状的谷壳(粉碎前)之外，还可以使用粉碎的谷壳(谷壳粉末)。使用粉碎的谷壳可以实现更均匀的混合，因此可以提高待生产的碳化材料的质量。

此外，由于具有小的堆积密度的本身形状的谷壳和脱水污泥的混合物具有小的密度，因此在碳化炉中这种混合物容易飞散到废气通道侧。这可能导致碳化材料的产率降低。另一方面，精细粉碎的谷壳和脱水污泥的混合物可以具有增加的密度。因此，这种混合物难以在碳化炉中飞散，从而可以提高碳化材料的产率。为了获得这样的效果，可取的是，使用以堆积密度变为2至10倍的方式被粉碎的谷壳。

在本发明的混合步骤中，可以使用双桨式混合器或双杆式混合器将诸如谷壳之类的生物质和脱水污泥混合。

在通过使用具有小的堆积密度的谷壳(例如本身形状的谷壳)获得混合物的情况下，双桨式混合器或双杆式混合器是适合的。通常，当表观水含量相同时，与使用下面提到的单螺杆泵的情况相比，通过使用双桨式混合器或双杆式混合器形成的混合物以精细松散状态(处于离散状态)排出。因此，双桨式混合器和双杆式混合器适合于获得更精细粒化的碳化材料。

或者，在本发明的混合步骤中，可以通过使用单螺杆泵来使诸如谷壳之类的生物质和脱水污泥混合。

在使用单螺杆泵的情况下，诸如谷壳之类的生物质与处于压实状态的脱水污泥混合。因此，单螺杆泵适合于生产具有较少空隙和高密度的混合物。通常，与使用上述双桨式混合器或双杆式混合器的情况相比，通过使用单螺杆泵形成的混合物以更大的块状态排出。因此，单螺杆泵适合于获得具有大的粒径的碳化材料。此外，在使用单螺杆泵的情况下，可以通过将单螺杆泵和碳化炉用管道等直接连接来省略诸如输送器之类的输送装置。在这种情况下，可以更简单地构造碳化处理设备。

如上所述的本发明可以提供一种碳化处理方法和碳化处理设备，该碳化处理方法和碳化处理设备能够以不需要使用热空气进行干燥处理的简单构造对含有污泥的混合物进行碳化。

附图说明

图1是示出使用本发明的实施方案的碳化处理方法的碳化处理设备的构造的图。

图2是示出图1中的混合器的主要部分的图。

图3是示出图1中的碳化炉的内部构造的图。

图4是示出图1中的碳化炉的装入装置的构造的图。

图5是示出使用本发明的另一实施方案的碳化处理方法的碳化处理设备的构造的图。

图6是示出图5中的混合器的主要部分的图。

图7是示出使用本发明的又另一实施方案的碳化处理方法的碳化处理设备的构造的图。

图8是示出常规碳化处理设备的整体构造的图。

附图标记和符号的说明

1、1B、1C：碳化处理设备

14、64、80：混合器

40：碳化炉

具体实施方案

下面将参考附图详细描述本发明的实施方案。图1示出了使用本发明的实施方案的碳化处理方法的碳化处理设备的构造。碳化处理设备1包括第一接收料斗10、第二接收料斗16、混合器14和碳化炉

40。碳化处理设备1通过利用在废水处理期间产生的有机污泥来生产碳化材料。在以下实施方案中，提及使用谷壳作为生物质的情况作为例子，但是本发明可以应用于除谷壳之外的其他生物质。

第一接收料斗10是脱水污泥的存储罐。在第一接收料斗10中接收脱水至水含量为约70％至85％(通常约80％)的脱水污泥。通过恒定进料器12将接收在第一接收料斗10中的脱水污泥输送至混合器14。

第二接收料斗16是谷壳的存储罐，并且将谷壳接收在第二接收料斗16中。谷壳的水含量为约10％。

第二接收料斗16具有向下排出口16a，其中旋转阀17与该向下排出口16a连接。接收在第二接收料斗16中的谷壳经由旋转阀17输送到混合器14。

在本实施例中，将脱水污泥和谷壳定量地供应至混合器14，具体而言供应至混合器14的存储罐20，以在混合器14中获得表观水含量为约40％的混合物。

混合器14是双桨式混合器，并且通过使用混合器14来进行本实施方案的混合步骤。混合器14配备有桨式混合器部21和附接到桨式混合器部21的装入口21a的存储罐20。桨式混合器部21在其壳体内具有一对旋转轴22和24(见图2)，并且几乎扁平的混合叶片26和28以放射状方式固定到各个轴上。

在桨式混合器部21中，旋转轴22和24以互相相反的方向旋转，并且将从存储罐20供应到桨式混合器部21的脱水污泥和谷壳混合，以在混合叶片26和28的重叠部分处捏合。

在混合器14中，旋转轴22和24以不相等的速率旋转。因此，混合叶片26和28之间的圆周速度存在差异，可以基于圆周速度的差异以高效率捏合脱水污泥和谷壳。

混合叶片26和28分别以倾斜的方式附接在旋转轴22和24上。供给到桨式混合器部21的脱水污泥和谷壳在混合的同时通过混合叶片26和28的输送作用被输送到轴向。通过混合脱水污泥和谷壳而获得的具有预定表观水含量(在本实施方案中表观水含量为约40％)的混合物从设置在混合器14的轴向的端部处的排出口21b排出。通过输送器38将排出的混合物输送到碳化炉40。

在本实施例的混合器14中，也可以使用用条形杆代替混合叶片26和28的双杆式混合器。

碳化炉40是外部加热旋转窑，其中待处理材料在无氧气氛或氧浓度为10％以下的低氧气氛下脱水和热解。通过使用碳化炉40进行本实施方案的碳化步骤。

如图3所示，碳化炉40在炉体42内具有作为干馏容器的圆筒形蒸馏器44。将作为待处理材料的混合物(其水含量控制在约40％)装入该图中的左端侧的蒸馏器44的内部。

通过设置在炉体42内部的助燃燃烧器46加热外部加热室48的内部气氛。首先通过外部加热室48内的加热气氛来加热装入的混合物。然后，包含在混合物中的可燃气体通过设置在蒸馏器44上的喷射管道45逸出到外部加热室48的大气中，并且可燃气体被点燃。此后，通过可燃气体的燃烧加热蒸馏器44内的混合物。在此阶段，停止助燃燃烧器46的燃烧。

在围绕外部加热室48的炉体42上形成有用于将燃烧空气引入外部加热室48的空气引入口43。在本实施方案中，借助于图中未示出的控制部分，调节通过空气引入口43引入外部加热室48的燃烧空气的量，从而控制外部加热室48的温度以与预定的目标温度一致。

蒸馏器44内的混合物从图中的左端随着蒸馏器44的旋转向图中的右方向移动(向蒸馏器44提供轻微的倾斜)。混合物中的水在蒸馏器44的上游侧被有效地蒸发。在混合物移动到蒸馏器44的下游侧之后，将混合物在700℃至900℃的温度下进行干馏处理，该温度接近外部加热室48的气氛温度。最后，从图中右端的蒸馏器44的出口52排出作为干馏残余物的碳化材料(碳化产物)，即，从碳化炉40中排出作为干馏残余物的碳化材料(碳化产物)。

在炉体42的内部设置有与外部加热室48隔开的废气处理室50。来自外部加热室48的废气被引入至废气处理室50。废气处理室50中设置有燃烧器47，并且借助于燃烧器47使引入废气处理室50的废气中的未燃烧气体二次燃烧。

随后从气体排出口51排出废气处理室50中的废气。废气通道从废气处理室50经由气体排出口51延伸。如图8所示，来自碳化炉40的废气(例如)通过碳化炉-废气-风扇，经过碳化炉-废气-热交换器和废气路径而从烟囱释放到外部。

在本实施方案的碳化炉40的前端部，如图4所示，提供了碳化炉40的装入装置54。碳化炉40的装入装置54配备有螺旋输送器60，并且存储罐56附接到螺旋输送器60的装入口60a。

在存储罐56的内部，旋转轴57被可旋转地支撑，并且与旋转轴57一体化地旋转的多个刮削片58被设置在旋转轴57的轴向上的不同位置处。这些旋转轴57和刮削片58连接到螺旋输送器60的驱动机构，以便与螺旋输送器60连动旋转。

螺旋输送器60配备有螺旋轴61，从螺旋轴61螺旋地突出的螺旋叶片62，以及使螺杆轴61旋转的驱动电机63。将螺旋输送器60的排出侧的端部***到碳化炉40的蒸馏器44的内部。

根据本实施方案，通过存储罐56内的刮削片58的旋转运动，使装入存储罐56中的混合物朝向位于下方的螺旋输送器60下落。下落的混合物容纳在螺旋输送器60的螺旋叶片62之间的凹槽中，随着螺旋轴61的旋转向前挤出，并且装入到蒸馏器44的内部。

根据如上所述的本实施方案的碳化处理方法，通过混合谷壳和脱水污泥来调节混合物的表观水含量。因此，可以不需要通常用于调节污泥的水含量的干燥器和热空气产生炉。因此，可以实现碳化处理设备1的构成装置的简化。此外，由于不需要在干馏处理之前用于干燥混合物的热空气，因此可以降低处理成本(燃料消耗)。

此外，在本实施方案中，双桨式混合器14用于将谷壳和脱水污泥混合以获得混合物的混合步骤。因此，当表观水含量相同时，与使用下面提到的单螺杆泵的情况相比，所得混合物以精细松散状态(离散状态)排出。适合获得更精细粒化的碳化材料。

在本实施方案中，除了本身形状的谷壳之外或代替本身形状的谷壳，可以使用粉碎的谷壳(谷壳粉末)。使用粉碎的谷壳可以实现与污泥的更均匀的混合，因此，可以提高待生产的碳化材料的质量。

此外，由于具有小的堆积密度的本身形状的谷壳和脱水污泥的混合物具有小的密度，所以这种混合物容易在碳化炉40中飞散到废气通道侧。这可能导致碳化材料的产率降低。另一方面，精细粉碎的谷壳和脱水污泥的混合物可以具有增加的密度。因此，这种混合物难以在碳化炉40中飞散，使得可以提高碳化材料的产率。为了获得这样的效果，期望使用以堆积密度变为2至10倍的方式被粉碎的谷壳。可以通过使用研磨机、锤磨机等进行谷壳的粉碎。

图5是示出本发明的另一实施方案(第二实施方案)的图。该实施方案与第一实施方案的不同之处在于：在混合步骤中通过使用单螺杆泵(混合器64)混合谷壳和脱水污泥。其他构造与第一实施方案中的相同。

图5中所示的碳化处理设备1B中的混合器64配备有单螺杆泵68和附接到单螺杆泵68的装入口68a的存储罐66。

如图6所示，单螺杆泵68在筒状壳体69内配备有定子70和转子72。在定子70上形成有通孔，该通孔在以固定的扭转角扭转的同时沿轴向延伸，并具有椭圆形截面。转子72具有圆形截面的杆状并沿定子70的通孔设置。另外，在定子70和转子72之间形成沿轴向连续的螺旋腔74。

转子72经由图中未示出的接头部件连接到驱动电机76。转子72被构造成使得当驱动电机76启动时，转子72在具有椭圆形截面的通孔中旋转，结果，容纳在腔74中的内容物沿轴向逐渐移动。

单螺杆泵68的排出口68b经由管道77连接到碳化炉40(具体而言，碳化炉40的装入装置54的存储罐56)。

在本实施方案中，通过旋转的转子72在压实状态下捏合经由装入口68a装入腔74的谷壳和脱水污泥。因此，与在上述第一实施方案中使用的双桨式混合器的情况相比，可以连续地形成具有较少空隙和高密度的混合物。

根据本实施方案的碳化处理方法，将具有高密度的混合物供应到碳化炉40。因此，可以抑制混合物在碳化炉40中飞散到废气通道侧以使碳化材料的产率降低。在使用以堆积密度变为2至10倍的方式被粉碎的谷壳的情况下，这种效果是特别有效的。顺便提及，本身形状的谷壳(在粉碎之前)的堆积密度通常为约0.1g/cm³。在本实施方案中，期望的是使用在粉碎后堆积密度为0.2g/cm³至1.0g/cm³的谷壳。

此外，在本实施方案中，单螺杆泵68的排出口68b和碳化炉40通过管道77直接连接。因此，可以将混合物供应到碳化炉40而不使用诸如第一实施方案中的输送器38之类的单独的输送装置。因此，可以更简化碳化处理设备的构造。

图7是示出本发明的又另一实施方案(第三实施方案)的图。本实施方案(碳化处理设备1C)与第二实施方案的不同之处在于：在使用单螺杆泵68的混合器64和碳化炉40之间设置作为双桨式混合器的第二混合器80。第二混合器80的构造与第一实施方案中的双桨式混合器14的构造相同。

在本实施方案中，单螺杆泵68的排出口68b和第二混合器80的存储罐20通过管道82连接。通过管道82将由单螺杆泵68混合的混合物输送到第二混合器80。此外，该实施方案被构造成使得输送器38设置在第二混合器80和碳化炉40之间，并且从第二混合器80排出的混合物通过输送器38输送到碳化炉40。

根据本实施方案，通过使用两种类型的混合器64和80可以获得更均匀混合的混合物。此外，可以将以更精细颗粒状态的混合物供应到碳化炉40，其中该混合物是通过作为在较后阶段处设置的双桨式混合器的第二混合器80的作用获得的。

其他变形例和应用例：

在本发明中，还可以通过将除谷壳之外的生物质与脱水污泥混合来获得具有预定水含量的混合物。本文中，生物质是源自生物体的有机资源，并且其具体例子包括：(1)农作物的不可食用部分，例如稻草、香蕉茎、咖啡渣、棕榈壳/束、椰子壳、玉米芯、甘蔗的滤渣、木薯茎和其他食物残渣，(2)资源作物，如甘蔗、玉米和木薯，(3)从木材中获得的木质材料，如木屑和木质颗粒、间伐材和废木材，等等。

生物质具有各种特征。因此，为了实现与脱水污泥的均匀混合，并且为了获得具有所需粒径的碳化材料，可以使用适当切割或粉碎的生物质。待使用的生物质的长度优选为30mm以下，更优选为20mm以下。

此外，待使用的生物质的水含量优选为30％以下，更优选为20％以下。

在使用除谷壳之外的生物质的情况下，也可以通过使用如上述实施方案中所示例的双桨式混合器或双杆式混合器和/或配备有单螺杆泵的混合器来进行与脱水污泥的混合。

如上所述，详细描述了本发明的实施方案，但本发明的实施方案仅仅是示例。在不脱离其主旨的情况下，可以以各种改变的方式实施本发明。

本申请基于2018年3月13日提交的日本专利申请No.2018-045799，其内容通过引用并入本文中。

Claims (6)

1.一种碳化处理方法，包括以下步骤：

将生物质和脱水污泥混合，以获得表观水含量为30％至70％的混合物；以及

在无氧或低氧条件下在700℃至900℃下使所述混合物进行干馏处理，以获得碳化材料。

2.根据权利要求1所述的碳化处理方法，

其中所述生物质是谷壳。

3.根据权利要求2所述的碳化处理方法，

其中所述谷壳以堆积密度变为2至10倍的方式被粉碎。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的碳化处理方法，

其中在所述混合步骤中，通过使用双桨式混合器或双杆式混合器使所述生物质与所述脱水污泥混合。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的碳化处理方法，

其中在所述混合步骤中，通过使用单螺杆泵使所述生物质与所述脱水污泥混合。

6.一种碳化处理设备，包括：

混合器，其被构造成使生物质和脱水污泥混合以获得混合物，和

碳化炉，其被构造成通过干馏处理使所述混合物碳化，

其中所述碳化处理设备未配备有干燥器来干燥所述脱水污泥。