CN116639993A - 一种煤矸石与污泥协同共处置制备陶粒的新方法 - Google Patents
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Abstract
针对煤矸石和污泥数量巨大、资源化利用率低等现状，本发明公开了属于固废处置和资源化利用领域的一种煤矸石与污泥协同共处置制备陶粒的新方法。全过程主要包括煤矸石和脱水污泥混合成型、干燥、共热解及共烧结等步骤。共热解有效释放出原料中的挥发分，得到联产物热解油和可燃气，同时降低下一步烧结步骤中高温气体大量逸出导致的陶粒孔道无序分布。此外，原料中的N、S等元素在共热解过程中脱除，避免了有氧烧结时烟气中NOx等污染物的生成。最后，在有氧烧结步骤中，原料中残存的有机物和固定碳可燃烧为上一步共热解和干燥过程提供热量。本发明有助于保护产煤区生态环境，同时为生产轻质陶粒提供一个经济可靠的新途径。
Description
技术领域
本发明属于固废处置和资源化利用领域，特别涉及一种煤矸石与污泥协同共处置制备陶粒的新方法。
背景技术
煤矸石是指煤矿在开拓掘进、采煤和煤炭洗选等生产过程中排出的含碳岩石，产量约为原煤总产量的15-20％，煤矸石积存量超过70亿吨，并且以每年1.5亿吨的速度增加，已成为我国排放量最大的工业固废之一。目前，煤矸石多用于采矿回填，易导致严重的水污染和资源浪费，资源化途径也主要是利用煤矸石内的碳燃烧放热生产低附加值的建筑材料，由于运费高，利润空间甚微。煤矸石积存量多和处理难度大制约了我国煤炭行业的健康发展，因此在对煤矸石进行综合利用，特别是生产高附加值产品，具有紧迫性和必要性。
另一方面，煤矿开采和下游加工过程都产生大量的废水，处理废水得到的污泥可以简称为煤基污泥。这种污泥是一种由大量煤粉、胶体、有机残片、细菌菌体和无机颗粒等组成的复杂非均匀胶质体。传统的污泥处置方法包括填埋、堆肥和焚烧。污泥填埋的运输成本高、占用土地资源多。对于热解、焚烧等处置手段，由于污泥含水率高，使得干化耗能大、经济性差。煤基污泥与生活污泥不同，毒害组分含量更多，处置难度也更大。
陶粒是由富含SiO2、Al2O3的物质辅以适当的添加剂，在高温条件下烧结而成的一种材料。由于其具有孔隙率高、吸附能力强、体积密度小、强度大、化学性能稳定等优点，在建材、污水处理、园林绿化、耐火材料、蓄热材料和石油化工等领域得到广泛应用。传统陶粒制造主要以黏土、页岩和沸石等自然资源为原料，对当地生态环境造成潜在危害。
煤矸石和煤基污泥这两种固废都具有污染和资源双重属性，如果不能加以正确处置和资源化利用，将会造成严重的环境污染和资源浪费。针对煤矸石和煤基污泥数量巨大、处理难度高、资源化利用率低等现状，本发明以两者为原料协同共热解和共烧结生产具有广泛用途和高附加值的陶粒产品，建立一种煤矸石和煤基污泥的资源化利用新方法。两种固废协同处置能够发挥我国西部地区相关原料丰富、运输半径短或无需运输的优势，是这两种主要煤基固废资源化、高值化利用，变废为宝的一个非常有效的途径，必将有利促进煤炭工业的可持续健康发展，具有重要的意义。
发明内容
煤矸石和污泥组分差异显著但具有互补性，两者共烧结陶粒具有协同增效作用，污泥有机成分较多，有高的H/C比，烧结过程中污泥燃烧产生的热量能够为烧结步骤供热，而产生的气体可用作陶粒烧结过程中的造孔剂。此外，污泥还可以加快煤矸石的烧结速度，而煤矸石则可起到催化剂作用，促进污泥的烧结，两者共处置存在显著的协同增效作用。如果能够以煤矸石和煤基污泥为原料，协同共处置制备高附加值的陶粒产品，无疑是这两种煤基固废变废为宝和资源化利用的有效途径，具有重要的意义。
然而煤矸石和污泥两者直接共烧结制陶粒存在不足之处：(1)烧结过程中污泥中的有机物大量释放，使得陶粒中的孔道分布杂乱无序不可控；(2)污泥或者煤矸石中所含的N、S等杂元素在高温有氧环境下产生NOx、SOx等毒害气体，对大气环境造成二次污染。(3)直接混合烧结工艺的能量利用率偏低，过程经济性不佳。
针对混合原料直接共烧结的不足，本发明在共烧结前面增加了共热解步骤，两步骤互相促进。共热解可以有效释放出原料中的部分挥发分，得到联产物热解油和可燃气，同时降低了下一步烧结步骤中高温气体大量逸出导致的陶粒孔道无序分布。此外，原料中的N、S等杂元素在共热解过程中脱除，避免了有氧烧结时烟气中NOx等污染物的生成。最后，陶粒高温烧结步骤通入空气，原料中残存的有机物和固定碳可燃烧供热，产生的高温热烟气为上一步的共热解提供热量。混合原料逐次经过絮凝脱水、500-600℃下绝氧共热解、1000-1150℃下热解残碳共烧结等步骤，热量得到梯级利用，全过程的热量利用效率也显著提高。因此，相对煤矸石和煤基污泥直接烧结陶粒，本发明所说的煤矸石和煤基污泥“共热解+共烧结”组合协同共处置的新方法，无论是产物品质改善、污染物消除、能量利用率提高，还是经济竞争性增加方面都具有显著优势。新方法未见相关专利和文献报道，创新思路如下图所示。
综上所述，针对数量特别巨大的煤矸石和煤基污泥处理利用的现状和需求，本发明拟以两者为原料协同共处置生产具有广泛用途的轻质陶粒，建立一种煤矸石和煤基污泥的资源化利用的新方法。本发明立足于提高煤矸石与污泥混合烧结陶粒的产品质量，降低过程成本，开发出煤矸石与污泥共热解与共烧结相结合，过程能量阶梯耦合利用的新工艺，以期达到最小外部能量需求、能量优化利用、产品品质优化设计的目标。本发明将促进我国西部地区煤炭工业的健康发展，同时还为生产具有广泛用途的轻质陶粒提供一个经济可靠的新途径。
本发明提出煤矸石和煤基污泥协同共处置利用的新方法，全过程主要包括三步：(1)煤矸石与脱水污泥混合、干燥、成形得到陶球冷坯；(2)煤矸石与污泥进行共热解多联产；(3)共热解后的固相产物再进行共烧结制备轻质陶粒。
根据污泥来源不同、含水率不同、热值不同及陶粒特性的不同要求，煤矸石与污泥的比例可以在较大范围内调节，污泥比例提高，陶粒产品孔隙率增高，但强度有所下降。成型后的陶球冷坯进入干燥器，干燥器使用来自共热解反应器加热***的600-800℃的烟气，干燥器可以用间壁式干燥器或是气固直接接触的干燥器，最佳干燥后含水率低于15％，过高含水率会造成热解过程的开裂，主要原因是大量水蒸气汽化造成内压过高。
干燥后的冷坯进入热解反应器，共热解的温度为300～750℃，冷坯平均升温速度为3～100℃/分钟，热解时间为0.5～2.5个小时。共热解反应器后的冷凝***将气、液、固三相产物分离，固体即为进烧结炉的原料，也可称之为半熟坯。液体主要成分为以低温煤焦油为主的混合焦油，气体为可燃气体，气体可以作为陶粒烧结炉的供热燃气。根据实验摸索经验，共热解可以采用两种模式：一种为慢速升温热解，其特点在于热解条件温和，损坏率低，强度高；也可以采用快速热解，其特点在于副产油量大，但陶粒强度略低。
整个热量利用的流程为共热解冷凝产生的燃气为烧结炉燃烧供热，烧结炉排出的800-1300℃烟气为共热解反应器供热，该烟气供热后进入冷坯干燥器继续进行水分干燥。
附图说明
附图1是本发明专利的工艺流程
具体实施方式
实施例1来自煤基污泥经过压滤脱水及初步烘干，按照1:3比例与煤矸石混合，成形造粒得到粒径为30mm的陶球冷坯。经过干燥后得到含水率12％冷坯，进入旋转窑炉热解反应器，热解反应器操作温度为600℃，停留时间30分钟。共热解过程产物得率如下：焦油12％(基于干基原料得率，重量百分比)、热解气15％(基于干基原料得率，重量百分比)。热解气燃烧为陶粒烧结步骤供热，热解后的固相半熟坯进入烧结反应器，在1200℃下完成陶粒烧结。得到陶粒产品的特性参数为：筒压强度3.5MPa、吸水率12％、堆积密度为700kg/m3、煮沸损失0.09％、含泥量0.07％、烧失量0.06％。
实施例2来自制药污泥经过压滤脱水及初步烘干，按照1:4比例与煤矸石混合，成形造粒得到粒径为30mm的陶球冷坯。经过干燥后得到含水率12％冷坯，进入移动床热解反应器，热解反应器操作温度为450℃，停留时间100分钟。共热解过程产物得率如下：焦油8％(基于干基原料得率，重量百分比)、热解气12％(基于干基原料得率，重量百分比)。热解气燃烧为陶粒烧结步骤供热，热解后的固相半熟坯进入烧结反应器，在1000℃下完成陶粒烧结。得到陶粒产品的特性参数为：筒压强度3MPa、吸水率10％、堆积密度为800kg/m3、煮沸损失0.07％、含泥量0.09％、烧失量0.08％。
实施例3来自市政污泥经过压滤脱水及初步烘干，按照1:6比例与煤矸石混合，成形造粒得到粒径为30mm的陶球冷坯。经过干燥后得到含水率12％冷坯，进入旋转窑炉热解反应器，热解反应器操作温度为550℃，停留时间60分钟。共热解过程产物得率如下：焦油16％(基于干基原料得率，重量百分比)、热解气18％(基于干基原料得率，重量百分比)。热解气燃烧为陶粒烧结步骤供热，热解后的固相半熟坯进入烧结反应器，在1100℃下完成陶粒烧结。得到陶粒产品的特性参数为：筒压强度3.8MPa、吸水率14％、堆积密度为750kg/m3、煮沸损失0.08％、含泥量0.09％、烧失量0.09％。
实施例4来自造纸污泥经过压滤脱水及初步烘干，按照1:5比例与煤矸石混合，成形造粒得到粒径为30mm的陶球冷坯。经过干燥后得到含水率12％冷坯，进入旋转窑炉热解反应器，热解反应器操作温度为650℃，停留时间50分钟。共热解过程产物得率如下：焦油10％(基于干基原料得率，重量百分比)、热解气16％(基于干基原料得率，重量百分比)。热解气燃烧为陶粒烧结步骤供热，热解后的固相半熟坯进入烧结反应器，在900℃下完成陶粒烧结。得到陶粒产品的特性参数为：筒压强度4MPa、吸水率9％、堆积密度750kg/m3、煮沸损失0.05％、含泥量0.04％、烧失量0.07％。
实施例5来自制革污泥经过压滤脱水及初步烘干，按照1:3比例与煤矸石混合，成形造粒得到粒径为30mm的陶球冷坯。经过干燥后得到含水率12％冷坯，进入旋转窑炉热解反应器，热解反应器操作温度为500℃，停留时间40分钟。共热解过程产物得率如下：焦油10％(基于干基原料得率，重量百分比)、热解气9％(基于干基原料得率，重量百分比)。热解气燃烧为陶粒烧结步骤供热，热解后的固相半熟坯进入烧结反应器，在1050℃下完成陶粒烧结。得到陶粒产品的特性参数为：筒压强度4.2MPa、吸水率8％、堆积密度为800kg/m3、煮沸损失0.08％、含泥量0.06％、烧失量0.07％。
Claims (9)
1.一种煤矸石与污泥协同共处置制备陶粒的方法，其特征是，全过程包括如下步骤：脱水煤矸石与污泥混合物通过成型造粒、干燥、共热解后进入烧结反应器进行烧结得到陶粒。
2.根据权利1所述一种煤矸石与污泥协同共处置制备陶粒的方法，其特征在于：所述的污泥既可以是市政污泥，也可以是煤基污泥、造纸污泥、制药污泥、制革污泥等工业污泥。
3.根据权利1所述一种煤矸石与污泥协同共处置制备陶粒的方法，其特征在于：共热解的温度为300～750℃，成型冷坯平均升温速度为3～100℃/分钟，时间为0.5～2.5个小时。
4.根据权利1所述一种煤矸石与污泥协同共处置制备陶粒的方法，其特征在于：陶粒烧结的温度为800～1300℃。
5.根据权利1所述一种煤矸石与污泥协同共处置制备陶粒的方法，其特征在于：脱水煤矸石与污泥混合物比例为2:1～8:1。
6.根据权利1所述一种煤矸石与污泥协同共处置制备陶粒的方法，其特征在于：共热解所用的反应器既可以是移动床也可以是旋转窑炉。
7.根据权利6所述一种煤矸石与污泥协同共处置制备陶粒的方法，其特征在于：共热解反应器的加热介质为烧结反应器的尾气。
8.根据权利1所述一种煤矸石与污泥协同共处置制备陶粒的方法，其特征在于：干燥的加热介质为共热解供热气供热后的气体。
9.根据权利1所述一种煤矸石与污泥协同共处置制备陶粒的方法，其特征在于：共热解产生的可燃气体作为陶粒烧结反应器的供热燃料。
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| CN102875003A (zh) * | 2012-11-05 | 2013-01-16 | 天津城市建设学院 | 一种污泥热解干馏气化与陶粒制备一体化技术 |
| CN103880472A (zh) * | 2014-02-21 | 2014-06-25 | 周弼 | 污泥多孔材料及其制备方法 |
| CN112880394A (zh) * | 2021-01-27 | 2021-06-01 | 山东义科节能科技股份有限公司 | 一种利用含热值原料的陶粒烧制及副产余热的窑炉***及方法 |
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