CN110655076A - 一种污泥制备活性炭的生产工艺 - Google Patents

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张重杰
邓峰
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Abstract

本发明公开了一种污泥制备活性炭的生产工艺，包括如下步骤：1、原料的制备：城市污泥和增碳剂、表面强度添加剂混合后物料进行干燥脱水后造粒，造粒后的物料进入热解碳化装置加工处理；2、热解碳化：采用内热式回转窑炉或者采用内加热隧道窑式热解碳化炉，热解碳化温度控制在500℃~700℃之间，热解碳化时间控制为30~45分钟；3、活化：采用物理活化方式，在750℃~900℃之间，以二氧化碳和水蒸汽为活化介质，活化时间控制在2~3小时。本发明以生物污泥为主要原料制备生物污泥基活性炭，不仅可实现污泥的“减量化、无害化、资源化”的三化目标，更可将其作为新型的环保材料用于环保治理，有效解决当今国内污泥处置的难题。

Description

一种污泥制备活性炭的生产工艺
技术领域
本发明涉及活性炭制备领域，具体为一种污泥制备活性炭的生产工艺，同时可解决城市污泥的处置问题。
背景技术
城市污泥处理已经成为世界各国的共性问题，我国政策要求县级以上城市必须建设污水处理厂，市政生物污泥处置已经成为政府的一大难题。通常，吨污水大约产生污泥0.5kg，目前，全国城市污水处理总规模将达到1×108m3/d，污泥量达到5×104t/d。这些污泥大多数采用填埋方式处理，造成新的水土污染问题和占用土地问题，新近开发的污泥干化技术和污泥焚烧技术，又因为投资大、产出小等问题难以得到大面积推广。目前，各大城市基本上采用付费处置的方式解决城市污泥问题，通常吨污泥的处置补贴费为300元左右（上海、广州等一线城市可达到600元）。
生物污泥制备活性炭属于新近开发的热点技术，已经成为业内公认的最有发展前景的污泥处置技术。该技术与现有污泥处置技术相比，其主要优点在于能够同时满足污泥处理的减量化、无害化、资源化的“三化”要求。
发明内容
为了满足我国城市生物污泥减量化、无害化、资源化的处置目标，本发明目的是提出一种污泥制备活性炭的生产工艺，该工艺是基于污泥和增碳剂共碳化“协同效应”的原理，充分利用高温碳化过程中发生的“协同效应”，同时达到提高产品质量与降低生产成本的双重效果，进一步增强项目产品的市场竞争能力。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种污泥制备活性炭的生产工艺，包括如下步骤：
（1）、原料的制备工序
城市污泥和增碳剂、表面强度添加剂混合后物料进行干燥脱水后造粒，造粒后的物料进入热解碳化装置加工处理；
（2）、热解碳化工序
采用内热式回转窑炉或者采用内加热隧道窑式热解碳化炉，热解碳化温度控制在500℃~700℃之间，热解碳化时间控制为30~45分钟；
（3）、活化工序
采用物理活化方式，在750℃~900℃之间，以二氧化碳和水蒸汽为活化介质，活化时间控制在2~3小时。
本发明主要加工过程是：首先将按比例定量混合的一定量的生物污泥活性炭添加剂（增碳剂、表面强度添加剂）加入污泥，利用原料干燥脱水及造粒设备进行干燥脱水及成型造粒预处理，然后采用内热式回转窑热解碳化炉进行碳化，接下来采用多段耙式炉进行高温活化，接下来进行脱灰、干燥、整粒、包装等工艺过程，将原料加工成活性炭产品。
本发明制备的污泥基活性炭具有如下优点：
1、将添加剂（增碳剂、表面强度添加剂）按照一定的配比加入生物污泥制备污泥基活性炭，其吸附性能比单一污泥成分制备的污泥活性炭的要高。
2、污泥基活性炭的制备采用了回转炉进行热解碳化，多段耙式炉进行活化，热解效果好，活化更均匀，***能耗低，不产生有毒有害气体。
3、污泥和增碳剂共碳化“协同效应”的原理，充分利用高温碳化过程中发生的“协同效应”，同时达到提高产品质量与降低生产成本的双重效果。
4政策方面，以处理城市生物污泥为主，实现污泥的无害化处理与资源化利用，符合国家政策。
5、经济方面，本发明能够实现能量自平衡和碳平衡，能耗成本和添加剂成本显著降低，具有较高的经济效益；
6、以生物污泥为主要原料制备生物污泥基活性炭，不仅可实现污泥的“减量化、无害化、资源化”的三化目标，更可将其作为一种新型的环保材料用于环保治理，有效解决当今国内污泥处置的难题。
本发明设计合理，具有很好的实际应用价值。
附图说明
图1表示本发明的生产工艺流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。
一、污泥制备活性炭的生产工艺，包括如下步骤：
（1）、原料的制备工序
首先是生产原料城市污泥和增碳剂、表面强度添加剂的定量给料，然后是这三种物料的混合与干燥脱水，最后是干燥脱水后物料的造粒加工，完成原料的制备工序。
城市污泥、增碳剂、表面强度添加剂的定量给料。污泥定量给料采用泵送和螺旋密闭输送方式，保证给料的准确性和防止污泥臭味外逸。增碳剂和表面强度添加剂定量给料采用产车上料和定量皮带输送，实现物料的定量给料。混合物料采用专用立式混料机，混合后物料进入往复式污泥干燥脱水装置，该装置以烟气为热源，加热温度150℃，采用直接加热方式干燥物料。物料水分调节到满足工艺要求后，进入专用造粒机，进行造粒。造粒后的物料进入热解碳化装置加工处理。
（2）、热解碳化工序
干燥脱水造粒后的物料进入到热解碳化工序。该工序采用内热式回转窑炉或者采用内加热隧道窑式热解碳化炉，热解碳化温度控制在500℃~700℃之间，热解碳化时间控制为30~45分钟。热解碳化产生的可燃性气体，一方面用作碳化的热源，另一方面也用作原料干燥脱水的热源。物料热解碳化的主要功能就是将物料中的挥发组分加热分解逸出，同时形成多孔固体炭质作为活性炭的前驱体。在热解炭化期间，大部分的非碳元素，例如氢气，由原料之裂解程序而以挥发性气体产物被去除，如此炭化产物炭原子组合--芳香族环之片状结构，由于非常不规则，故会形成一些裂隙，这些裂隙将会在活化程序中，形成更发达的微孔结构。
（3）、活化工序
活化是活性炭制造最重要的工序，其主要功能就是进一步丰富炭结构中的孔洞，使之具有更强的吸附能力。本方案采用物理活化，采用多段耙式炉，在750℃~900℃之间，以二氧化碳和水蒸汽为活化介质，活化时间控制在2~3小时之间。一方面通过活化剂物质的高温分解及其分解产物与碳之间的氧化还原反应，达到改善碳材料孔结构性能指标的目的；另一方面，通过二氧化碳或水蒸汽物质高温下与碳之间的反应，清除炭化过程中积蓄在孔隙结构中的焦油物质及裂解产物，发生碳原子氧化，扩大炭化料裂孔隙及创造微孔以提高孔洞体积或比表面积，产生高吸附量的活性炭。
多段耙式炉为直立式钢板制圆筒型，壳体内衬耐火材料，内部以耐火砖砌筑，由上而下区隔为多段炉床，每段炉床分别于炉床周围及中央设置有排出口，活性炭在炉床内之移动与搅拌，系由低转速中心轴带动，设于各层搅拌臂下方搅拌齿，由第1段炉床外侧移动至内侧排出口，落入第2段炉床内侧，第2段搅拌齿将活性炭，自炉床内侧移动至外侧排出口，落入第3段炉床内侧，如此交互运动至最后一段排出。由于搅拌齿的作用，活性炭在炉内与燃烧机高温烟气换热，并与余热锅炉产生的蒸汽发生高度对流-平流式多切变方式接触并发生传质和化学反应过程（一般蒸汽在多段炉下部900℃高温段加入）。设置于炉中以保护中轴和耙臂结构的材质和运行稳定性。该多膛炉是控制在氧气含量在1%以下运行的，故活性炭活化炉排气含高浓度的CO与H2，须设置后燃烧室再加温至1100℃以上，使废气完全氧化为CO2与H2O。后燃烧室排出的高温烟气具有热回收价值，通常采用废热锅炉回收烟气余热并生产活化过程所需的工艺蒸汽。中轴冷却风经过中轴时会产生升温，将该部分加热后的风作为助燃风的一部分可升高助燃风的温度，节约燃气用量。
二、具体实施时，增碳剂：固定碳含量是生产活性炭过程中一项重要指标，常规商用活性炭通常选用无烟煤（固定碳含量89~97%）、长焰煤（固定碳含量70~80%）和焦煤等煤种以及麦秆、果壳等制备；其固定碳含量决定了活性炭的孔隙发达结构。因此，生物污泥基活性炭需添加固定碳含量较高的添加剂协同制备。本发明中增碳剂采用长焰煤、果壳或者木屑。
表面强度添加剂：商用煤质柱状活性炭其表面强度指标可高达97%，出粉率极低，适用于废水、自来水净化等多种行业；生物污泥基活性炭制备过程中添加一定量的表面强度添加剂可提高其耐磨强度指标（检测方法GB/T7702-2008），提高其使用性能，降低水处理过程中活性炭的出粉率。本发明中表面强度添加剂采用无烟煤或者焦煤。
混合比例：通过多次的小试和中试试验，城市污泥、增碳剂和表面强度添加剂控制比例为65%:25%:10%。
工艺控制：获得高品质的活性炭产品还与加工工艺直接相关。活性炭生产工艺通常是将原料先炭化除去其中的可挥发成分，生成富碳的固体热解物，然后再利用二氧化碳、水蒸气等氧化性气体与含碳材料内部的碳原子反应，通过开孔、扩孔和创造新孔而形成丰富的微孔。
三、效果验证如下：
3.1、针对市政污泥固定碳含量低，本试验选用固定碳含量较高的增碳剂与市政污泥协和炭化、活化制备φ4.0mm污泥基柱状活性炭，试验数据结果如下（检测标准GB/T-7702-2018）：
表1 活化样品比表面积分析
Figure DEST_PATH_IMAGE001
表2 样品基础性能分析
Figure 758801DEST_PATH_IMAGE002
从试验数据可以看出，添加增碳剂后的污泥基活性炭已基本达到了污水用活性炭的使用要求，具备COD吸附净化的使用功能。
3.2、针对山西某市政污水项目，进行了污泥基生物活性炭静态吸附净化试验，试验数据如下表3：
表3
通过此次试验数据可以看出，污泥基生物活性炭打破了传统活性炭在废水领域的吸附净化效果；传统活性炭仅对COD一项指标具有吸附效果，对NH3-N、TN和TP吸附效果几乎为零，因此，该活性炭针对当前市政、工业废水提标改造工程具有极大的净化作用，可作为可再生的吸附剂进行推广使用。
四、主要用途
液相吸附：主要用于工业废水和生活废水的脱色、脱臭、降COD、NH3-N、TP、TN等污染物的去除。
气相吸附：主要用于废气成分中 VOCs（非甲烷总烃）有机污染物的吸附净化及有机溶剂回收等环保领域。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (3)

1.一种污泥制备活性炭的生产工艺，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、原料的制备工序
城市污泥和增碳剂、表面强度添加剂混合后物料进行干燥脱水后造粒，造粒后的物料进入热解碳化装置加工处理；
（2）、热解碳化工序
采用内热式回转窑炉或者采用内加热隧道窑式热解碳化炉，热解碳化温度控制在500℃~700℃之间，热解碳化时间控制为30~45分钟；
（3）、活化工序
采用物理活化方式，在750℃~900℃之间，以二氧化碳和水蒸汽为活化介质，活化时间控制在2~3小时。
2.根据权利要求1所述的一种污泥制备活性炭的生产工艺，其特征在于：步骤（1）中，城市污泥、增碳剂和表面强度添加剂比例为65%:25%:10%。
3.根据权利要求1或2所述的一种污泥制备活性炭的生产工艺，其特征在于：所述增碳剂采用长焰煤、果壳或者木屑；所述表面强度添加剂采用无烟煤或者焦煤。
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