CN111423085A - 一种利用冶金渣余热分级处理污泥制备富氢合成气的方法 - Google Patents

一种利用冶金渣余热分级处理污泥制备富氢合成气的方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种利用冶金渣余热分级处理污泥制备富氢合成气的方法，包括湿污泥干燥、干污泥热解、半焦气化等步骤。方法为：将冶金渣制备为高温球形的渣粒，渣粒分别逐级提供湿半焦气化、干污泥热解、污泥干燥过程的热量；通过与渣粒换热湿污泥转变为干污泥，与渣粒换热后干污泥发生热解反应产生半焦、热解气及焦油；半焦与水蒸气发生气化反应吸收渣粒热量，产生富氢合成气。该发明将固体渣粒余热回收效率提高至80%，提高污泥热转化后产气中CO及H2含量，产气中H2与CO含量之和提高至95%。同时该发明实现了污泥和冶金渣的高效资源化利用。

Description

一种利用冶金渣余热分级处理污泥制备富氢合成气的方法
技术领域
本发明属于固体废弃物处理领域，具体涉及一种利用冶金渣余热分级处理污泥制备富氢合成气的方法。
背景技术
城市污水污泥是经过处理分离后形成的有毒、有害的固体废弃物。近年来，随着城市污水处理厂数量的增加，污泥总量不断增加。每年我国污泥产量达几千万吨。目前，污水污泥的主要处理方法为填埋或者堆肥。填埋存在安全隐患，污染环境；堆肥存在食品安全风险，推广困难。而且，我国大多数污水处理厂重视污水而轻视污泥，有近50%的污泥没能做到无害化处理。
以热解、气化为代表的热化学转化是目前最具前景的污泥减量化、无害化和资源化处理技术。国内外以热转化污泥处置主要存在以下问题：(1) 产气杂质(CO2+CnHm>40%)含量高，氢气等有效成分(H2+CO<60%)含量低；(2) 由于污水污泥含水率高，污泥需要进行充分干燥，处理成本高。因此，寻找稳定、经济的热源，改善产气组分是实现污泥资源化利用的重要途径。
与此同时，冶金行业的生产工艺中具有大量高温固体散装料及固体颗粒物，如，冶金渣。冶金渣(如，高炉渣、钢渣、铜渣、镍渣等)等是金属冶炼过程排出的副产品，其排出温度高(>1300℃)，蕴含有大量的显热。目前对于冶金渣传统的处理方式为水淬法，该种处理方式消耗了大量水资源，而且冲渣水所引起的环境污染也比较严重。因此，实现冶金工业固废的余热回收是我国工业节能减排的关键。
因此，如何高效资源化处理城市污水污泥、高校回收工业生产中高温颗粒显热，是我国亟待解决的问题。这也引起了国内外高校、研究所、企业的高度关注，但是截止目前尚未有关于该领域相关技术应用的报道。
发明内容
基于此，本发明提供一种利用冶金渣余热分级处理(干燥、热解、气化)污泥制备富氢合成气的方法，可以实现污泥分级处理，解决了污泥热转化过程能耗高、产气中氢气含量低的技术问题，同时该过程实现了高温固体颗粒余热的有效回收利用。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种利用冶金渣余热分级处理污泥制备富氢合成气的方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1) 液态炉渣通过粒化技术制成900~1100℃的球形高温颗粒，颗粒粒径为1~2mm。利用渣粒余热作为后续步骤(2)，(3)，(4)湿污泥干燥、热解、气化的热源。
(2) 半焦气化。在该阶段，水蒸气与半焦发生气化反应，化学反应如式[1]所示。气化反应吸收步骤(1)的高温(900~1100℃)渣粒的热量，生成富氢合成气。在此阶段，渣粒、半焦、水蒸气质量比为1：0.1~0.2：0.15~0.3。高温渣粒温度降至500~800℃。
C+H2O(g)=CO(g)+H2(g) [1]
(3) 干污泥热解。经过步骤(2)初步降温后的500~800℃的中温渣粒与经过干燥处理的干污泥按质量比1：0.3~0.6的比例混合。干污泥吸收渣粒热量，污泥迅速升温热解生成半焦和含焦油的热解气。中温渣粒温度降至200~350℃。
(4) 湿污泥干燥。经过步骤(3)进一步降温后的200~350℃的低温渣粒与经过初步过滤的含水率为20~50%的湿污泥按照质量比1：0.5~1的比例混合，湿污泥与渣粒换热后，水分受热蒸发生成水蒸气，污泥含水率降低至5%以下。
(5) 该方法中步骤(4)产生的水蒸气进入步骤(2)，步骤(3)产生的半焦进入步骤(2)；步骤(1)产生的渣粒依次进入步骤(2)，步骤(3)及步骤(4)。
(6) 该方法步骤(3)中产生的热解气冷却后分离出焦油和热解气，热解气可作为燃气使用；步骤(2)产生的冷却渣粒可作为水泥或建筑材料使用；步骤(2)产生的合成气可作为甲醇合成的原料。
本发明的有益效果为：
(1) 采用该工艺方法渣粒作为热源为污泥干燥、热解、气化阶段提供热量，利用所述工艺方法可高效回收冶金渣粒余热，吨渣回收热量48kg标准煤，余热回收效率在80%以上
(2) 提高了污泥热转化后产气中CO及H2含量，产气中H2+CO含量超过95%的合成气，提高了产气的应用价值。
(3) 利用该工艺方法，实现了以废治废。在保护环境、节约资源的同时，解决污泥和冶金渣的资源化处理的问题。
附图说明：
图1为本发明一种利用冶金渣余热分级处理污泥制备富氢合成气的方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
本实施所述一种利用冶金渣余热分级处理污泥制备富氢合成气的方法如下：
(1) 将液态炉渣通过粒化技术制成1100℃的炉渣颗粒，颗粒粒径为1~2mm。
(2) 湿污泥干燥。干燥温度区间为300~100℃。300℃的低温渣粒与经过初步过滤的含水率为50%的湿污泥按照质量比1：1的比例混合，湿污泥与渣粒换热后，水分受热蒸发生成水蒸气，污泥含水率降低至5%以下。渣粒温度降低至100℃左右。
(3) 干污泥热解。热解温度区间为800~300℃。800℃的中温渣粒与步骤(2)产生的经过干燥处理的干污泥按质量比1：0.6的比例混合。干污泥吸收渣粒热量，迅速升温热解生成半焦和含焦油的热解气。热解气组分为H2 5.4%，CO 33.1%，CH4 13.1%，CO2 42.3%，其它6.1%，热值为10085 kJ/m3。
(4) 半焦气化。气化温度区间为1100~800℃。步骤(2)产生的水蒸气与步骤(3)产生的半焦发生气化反应，生成富氢合成气。气化反应吸收步骤(1)中高温(1100℃)渣粒的热量。在此阶段，渣粒、半焦、水蒸气质量比为1：0.1：0.15。合成气组分为CO 49.0%，H2 49.0%，其它2.0%。
(5) 该方法中步骤(2)产生的水蒸气进入步骤(4)，步骤(3)产生的半焦进入步骤(4)；步骤(1)产生的渣粒依次进入步骤(4)、步骤(3)及步骤(2)。
实施例2
本实施所述一种利用冶金渣余热分级处理污泥制备富氢合成气的方法如下：
(1) 将液态炉渣通过粒化技术制成900℃的炉渣颗粒，颗粒粒径为1~2mm。
(2) 湿污泥干燥。干燥温度区间为250~100℃。250℃的低温渣粒与经过初步过滤的含水率为20%的湿污泥按照质量比1：0.5的比例混合，湿污泥与渣粒换热后，水分受热蒸发生成水蒸气，污泥含水率降低至5%以下。渣粒温度降低至100℃左右。
(3) 干污泥热解。热解温度区间为600~250℃。600℃的中温渣粒与步骤(2)产生的经过干燥处理的干污泥按质量比1：0.3的比例混合。干污泥吸收渣粒热量，迅速升温热解生成半焦和含焦油的热解气。热解气组分为H2 12.8%，CO 26.8%，CH4 7.6%，CO2 41.2%，其它11.6%，热值为8046 kJ/m3。
(4) 半焦气化。气化温度区间为900~600℃。步骤(2)产生的水蒸气与步骤(3)产生的半焦发生气化反应，生成富氢合成气。气化反应吸收步骤(1)中高温(900℃)渣粒的热量。在此阶段，渣粒、半焦、水蒸气质量比为1：0.2：0.3。合成气组分为CO 48.0%，H2 48.0%，其它4.0%。
(5) 该方法中步骤(2)产生的水蒸气进入步骤(4)，步骤(3)产生的半焦进入步骤(4)；步骤(1)产生的渣粒依次进入步骤(4)、步骤(3)及步骤(2)。
实施例3
本实施所述一种利用冶金渣余热分级处理污泥制备富氢合成气的方法如下：
(1) 将液态炉渣通过粒化技术制成1000℃的炉渣颗粒，颗粒粒径为1~2mm。
(2) 湿污泥干燥。干燥温度区间为350~100℃。350℃的低温渣粒与经过初步过滤的含水率为35%的湿污泥按照质量比1：0.75的比例混合，湿污泥与渣粒换热后，水分受热蒸发生成水蒸气，污泥含水率降低至5%以下。渣粒温度降低至100℃左右。
(3) 干污泥热解。热解温度区间为700~350℃。700℃的中温渣粒与步骤(2)产生的经过干燥处理的干污泥按质量比1：0.45的比例混合。干污泥吸收渣粒热量，迅速升温热解生成半焦和含焦油的热解气。热解气组分为H2 9.6%，CO 35.6%，CH4 14.3%，CO2 25.2%，其它15.3%，热值为11415 kJ/m3。
(4) 半焦气化。气化温度区间为1000~700℃。步骤(2)产生的水蒸气与步骤(3)产生的半焦发生气化反应，生成富氢合成气。气化反应吸收步骤(1)中高温(1000℃)渣粒的热量。在此阶段，渣粒、半焦、水蒸气质量比为1：0.15：0.22。合成气组分为CO 47.5%，H247.5%，其它3.0%。
(5) 该方法中步骤(2)产生的水蒸气进入步骤(4)，步骤(3)产生的半焦进入步骤(4)；步骤(1)产生的渣粒依次进入步骤(4)、步骤(3)及步骤(2)。

Claims (7)

1.一种利用冶金渣余热分级处理污泥制备富氢合成气的方法，其特征在于，包括干燥、热解、气化等步骤，其特征在于具体步骤如下：(1) 液态炉渣通过粒化技术制成球形高温颗粒；(2) 半焦气化，在该阶段水蒸气与半焦发生气化反应，吸收步骤(1)所述高温渣粒的热量，生成富氢合成气，高温渣粒温度降低转变为中温渣粒；(3) 干污泥热解，步骤(2)产生的中温渣粒与经过干燥处理的干污泥合，干污泥吸收渣粒热量，污泥迅速升温热解生成半焦和含焦油的热解气，中温渣粒温度降低转变为低温渣粒；(4) 湿污泥干燥，步骤(3)产生的低温渣粒与湿污泥混合，二者充分换热后，水分受热蒸发生成水蒸气，低温渣粒温度降低转变为冷态渣粒。
2.根据权利要求1所述的一种利用冶金渣余热分级处理污泥制备富氢合成气的方法，其特征在于：该方法中步骤(4)产生的水蒸气进入步骤(2)，步骤(3)产生的半焦进入步骤(2)；步骤(1)产生的渣粒依次进入步骤(2)，步骤(3)及步骤(4)。
3.根据权利要求1所述的一种利用冶金渣余热分级处理污泥制备富氢合成气的方法，其特征在于：步骤(1)所述液体炉渣为高炉渣、钢渣、铜渣、镍渣、铅渣等。
4.根据权利要求1所述的一种利用冶金渣余热分级处理污泥制备富氢合成气的方法，其特征在于：高温渣粒温度为900~1100℃，中温渣粒温度为500~800℃，低温渣粒温度为200~350℃，冷渣粒温度为100℃左右。
5.根据权利要求1所述的一种利用冶金渣余热分级处理污泥制备富氢合成气的方法，其特征在于：步骤(3)所述干污泥含水率在5%以下；步骤(4)所述湿污泥含水率为20~50%。
6.根据权利要求1所述的一种利用冶金渣余热分级处理污泥制备富氢合成气的方法，其特征在于：步骤(2)所述高温渣粒、半焦、水蒸气质量比为1：0.1~0.2：0.15~0.3；步骤(3)所述中温渣粒与干污泥质量比为1：0.3~0.6；步骤(4)所述低温渣粒与湿污泥照质量比1：0.5~1。
7.根据权利要求1所述的一种利用冶金渣余热分级处理污泥制备富氢合成气的方法，其特征在于：步骤(2)所述合成气中CO与H2含量之和>95%；步骤(3)所述热解气热值为7000~11000kJ/m3。
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