污泥热解制油的冷凝系统研究及工程应用装置设计

摘要

随着我国城市污水处理基础设施建设步伐的加快，污水处理产生的剩余污泥成为了城市中最主要的固体废弃物之一。目前在众多城市生活污泥处置方法中，污泥低温热解技术作为一种新型的处置技术越来越受到人们的关注。其中，冷凝系统的主要作用为污泥热解油的收集。由于污泥热解油收集的质量直接影响了污泥热解中资源的循环利用以及污泥无害化处理的效果，因此冷凝系统是整个污泥热解工艺中最重要的核心环节之一。本文设计了一个由两级喷淋塔和除雾器组成的冷凝系统来实现热解气的冷凝与热解油的收集。两级喷淋塔的构造相同，喷淋介质为经过箱式换热器冷却后的热解油。热解气进入喷淋塔与喷淋介质发生传热与传质进而被冷凝收集，未被收集的热解油通过除雾器进行截留。
　　 本文主要工作有以下三个部分:
　　 首先是研究冷凝系统。在污泥热解制油试验台中，改造设计了一个具有三级冷凝的冷凝系统，分别分析了三级冷凝所获得的热解油组成成分，以此来确定后续冷凝系统工程应用装置的冷凝温度及其操作区间。研究发现，热解气所含的组分主要有:170℃以上的重质组分，包括带苯环类物质;70～170℃左右的中温组分，主要包括长链烃类和某些羧酸与脂类物质;70℃以下的低温组分，主要包括含氮类有机物和短链烃类。热解气组分的冷凝温度基本都≤203℃，其中含量最多的是凝结温度在70～170℃的物质。为了使得热解气在进入冷凝系统之前不发生相变，并同时考虑到高温热解气的能量回收和尽量降低冷凝系统能耗，控制进入喷淋塔的热解气温度为250℃。由于第三级冷凝所获得的热解油数量很少，不足总量的5％，而第三级冷凝对应的温度很低（约10℃），所需要消耗的能量较大，因此将冷凝系统的工程应用设计为两级喷淋塔，冷凝终温分别为70℃和40℃。
　　 其次对冷凝系统工程应用装置的喷淋情况进行数值模拟和热量平衡计算。对喷淋情况的数值模拟结果表明:在塔高、塔径和喷淋角度这三个影响因素中，塔径对喷淋塔热解气进出口的压差影响最大。当塔径为350mm时，热解气进出口的压差均明显大于其他拥有相同塔高和喷淋角度的喷淋塔。然而，当塔径达到400mm，再继续增加塔径则对热解气进出口的压差影响不大。而在设计的范围内，塔高和喷淋角度对实际的气液分离效果的影响有限。因此最终选择喷淋塔基本结构参数为:塔高5000mm、塔径400mm、喷淋角度120°。热量平衡的计算结果为:第一级喷淋塔中热解气的放热量为207MJ/h，根据热解气的放热量和喷淋介质进入、离开喷淋塔的温度要求，计算得到喷淋介质的循环量为6m3/h;根据喷淋介质的冷却要求和外部冷却水源条件，计算得到冷却喷淋介质的箱式换热器中换热管的面积为2×14.9m2，冷却水量为5.85m3/h;第二级喷淋塔的工作负荷没有第一级高，但考虑在第一级喷淋塔需要检修时也能担负起大部分冷凝作用，故第二级喷淋塔的设计参数与第一级相同，箱式换热器中换热管的面积为14.9m2，冷却水量为5.85m3/h
　　 最后将上述结论应用于江苏省句容市50t/d城市污泥热解制备生物油和活性炭工程项目的冷凝系统，设计了相关工程应用装置。该装置的主体包括两级喷淋塔，塔高均为5000mm，塔径均为400mm，喷淋塔底部设计了深度为1m的储液段，热解气进气管的下端与储液段设计液面之间的距离为150mm，设计双层喷嘴，喷嘴的高度距离储液段设计液面之间的距离分别为1750mm和2750mm，喷淋塔的上部分为气液分离强化段，其高度为1250mm。该装置的另一个主体是冷却喷淋介质的箱式换热器，其中单个箱式换热器的换热面积为14.9m2，采用十根长度为20m的换热管并联布置，同时将其分为四个区域实现逆流换热。该装置实现了热解油的分级冷凝收集与自循环喷淋。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 项目研究背景

1．2 城市污泥处理与处置现状

1．2．1 农用施肥

1．2．2 焚烧处理

1．2．3 卫生填埋处理

1．2．4 制造建筑材料

1．2．5 海洋弃置

1．2．6 其它处置方法

1．3 城市生活污泥热解处理研究现状

1．3．1 国外发展状况

1．3．2 国内发展状况

1．4 热解油的收集

1．5 喷淋塔主要特点

1．6 本文的主要工作

第二章 冷凝系统研究

2．1 引言

2．2 小试实验

2．2．1 原料和床料

2．2．2 实验装置

2．2．3 实验方法

2．3 热解油组分分析方法

2．3．1 分析流程的确定

2．3．2 污泥热解油的预处理

2．3．3 污泥热解油的GC-MS组分分析

2．4 热解油组分分析结果

2．4．1 喷淋塔所得热解油组分分析结果

2．4．2 除雾器所得热解油组分分析结果

2．4．3 第三级冷凝器所得热解油组分分析结果

2．5 确定冷凝系统温度控制

2．6 本章小结

第三章 喷淋塔压力变化数值模拟

3．1 模拟对象及基本参数

3．2 喷淋塔物理模型简化

3．3 喷淋塔模拟的数学模型

3．4 数值模拟方法

3．5 数值模拟结果及讨论

3．6 正交分析喷淋模拟结果

3．7 本章小结

第四章 冷凝系统放大设计

4．1 工程概况

4．2 喷淋塔体主要参数设计

4．2．1 喷淋塔热解气放热量计算

4．2．2 喷淋塔喷淋量计算

4．2．3 喷淋塔主要设计参数

4．3 箱式换热器主要参数设计

4．4 循环水泵的选型

4．4．1 循环水泵扬程计算

4．4．2 循环水泵主要参数及选型

4．5 本章小结

第五章 工程应用装置设计

5．1 喷淋塔体结构设计

5．2 箱式换热器结构设计

5．3 喷淋塔中测温与测压装置设计

5．3．1 测温装置

5．3．2 测压装置

5．4 喷淋塔中固定结构设计

5．5 喷淋塔中视窗结构设计

5．5．1 箱式换热器视窗设计

5．5．2 喷淋塔储液段视窗设计

5．5．3 喷淋塔吸收段视窗设计

5．6 本章小结

第六章 研究结果及展望

6．1 研究结果

6．2 展望

致谢

参考文献

研究生期间发表论文情况