基于快速热解的污泥和农作物秸秆共同处理方法

摘要

本发明涉及固体废弃物处理技术领域，公开了一种基于快速热解的污泥和农作物秸秆共同处理方法，包括以下步骤：1）将晒干后的农作物秸秆输送至粉碎机粉碎成秸秆粉，然后将秸秆粉再输送至搅拌室中；2）将含水率为70～85%的脱水污泥输送到搅拌室中，与秸秆粉进行充分混合，得到混合料；3）将混合料输送到干化机进行干燥处理，然后再输送到热解反应器中进行快速热解处理，输出高温气相流和高温生物炭；4）将高温气相流通入冷却装置进行分离，得到生物油和热解气；5）将高温生物炭部分输送到搅拌室中并与脱水污泥和秸秆粉充分混合，余下的高温生物炭输送生物炭储料室储藏。本发明将脱水污泥与秸秆粉混合后共同干化热解处理，干化效率高、能耗低，生物油产出率高，得到的生物炭品质好、增值利用空间大。

说明书

技术领域

本发明涉及固体废弃物处理技术领域，尤其涉及一种市政污泥、工业污泥 以及农作物秸秆的减量化、无害化和资源化基于快速热解的污泥和农作物秸秆 共同处理方法。

背景技术

污水或废水处理过程中将产生大量的污泥。以城镇污水处理厂为例，每万 m3污水处理后将产生5-10吨的脱水污泥（按含水率80%计）。根据我国《“十 二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》要求，至2015年，我国城 镇污水处理规模将达到20805万立方米/天，以此估算，届时我国仅城镇污水处 理厂每年将产生3797-7594万吨的脱水污泥；除城镇污水处理厂以外，造纸、食 品加工、石油化工、印染等行业均产生大量的工业污泥。不仅产生量巨大，污 泥通常还含有种类繁多的有毒有害物质，包括致病菌、寄生虫（卵）等生物污 染物，铜、锌、铬、汞等无机物质污染物，以及多氯联苯、二噁英等持久性有 机污染物，若不加处理或处理不当，会对环境造成污染，危及人体健康。

当前，我国污泥的处理处置主要采用填埋、还田利用、焚烧等传统技术。 污泥填埋占用大量土地，并具有污染水、空气和土壤环境的风险，越来越多的 国家开始禁止采用这一污泥消纳方式。污泥还田利用可实现对污泥中养分资源 的部分回收利用，但也伴随着向土壤中输入污染物，考虑到当前我国土壤污染 形势已相当严峻、污泥产生量日趋增加等客观现实，这种方式将会受到更为严 格的控制。焚烧具有污泥减量化彻底、可部分回收污泥中的能量等优点，但是， 由于污泥焚烧将产生大量有害气体，而这些气体的有效净化又需要大量的设施 投入与资金投入，因而该技术正面临着“运行成本高和公众可接受性差”两大挑 战。

污泥热解是在无氧环境中对污泥进行快速或缓慢加热处理（300-1000℃）， 将其转化为气、液、固三种不同形态的产物。该技术具有污染物解毒和固化、 操作简单、处理效率高、产物利用价值大等优点，是一种符合污泥减量化、无 害化和资源化目标的污泥处理替代技术。污泥经热解处理后，污泥中的大分子 有机物（纤维素、蛋白质、脂肪等）将部分裂解为可冷凝性气体（即生物油） 和不可冷凝性气体（即热解气），余下的固体物质（即生物炭）部分保留了污泥 中的无机物和部分有机碳物质（但以更加稳定的形态存在）。这三种产物（即生 物油、生物炭和热解气）的相对产量和性质，主要取决于热解工艺条件（如温 度、物料受热速率、固相和气相停留时间）和原料的性质（如成分、粒径、含 水率等）。

与农林废弃物等生物质的热解一样，污泥热解工艺依照目标产物的不同， 可分为污泥气化、污泥油化和污泥炭化三大工艺类别。污泥热解气化（又称为 高温快速热解）要求将污泥快速加热到900℃以上，可尽可能地将污泥中的有 机物转化为可燃气，因而可尽可能多的回收污泥中的能量。但是，由于过高的 工艺温度，污泥中的大部分重金属污染物以及N、P等营养物质则被气化而进入 气相流，这既引发次生污染，又造成有益物质的流失；此外，由于工艺温度高， 热解本身所需要的能量也高。这些难以克服的缺陷制约了该类别技术的商业化 应用。

污泥油化（又称为中温快速热解）主要产物是生物油和生物炭，为实现高 产油率，需要将热解温度控制在400-600℃之间，并要求污泥迅速受热。污泥 炭化（又称为低温慢速热解）的主要产物是生物炭（质量百分比含量70%以上）， 工艺温度一般要求控制在400℃以下，并要求缓慢升温。不同于污泥气化，污 泥油化和炭化处理都可以将污泥中的绝大部分重金属污染物、部分碳物质以及 N、P等营养物质滞留在其固体产物生物炭上。然而，不论是污泥油化，还是污 泥炭化，都要求在热解前对污泥进行充分干化（含水率一般要求低于15%），这 就需要提供大量的能源。但若全部采用外部能源（如天然气等），会导致工艺运 行成本的大幅度增加。因此，就地燃料污泥热解的主要产物（生物油或生物炭， 两者都具有较高的热值）自然而然成为工艺路线研发设计者的首选。

对于热解炭化工艺而言，生物炭的产量大（而生物油产量很低），并且热值 可观，因而许多热解工艺研发者都采用了通过燃烧污泥热解生物炭产物为污泥 干化提供热源的设计思路，如中国专利201010221882.6。然而，由于生物炭滞 留了污泥中绝大部分的重金属和相当一部分的N、S物质，其燃烧供热将暴露出 与污泥直接燃烧相类似的二次污染问题和成本问题（如重金属挥发、酸性气体 排放、昂贵的烟气净化设施的投入）。

对于热解油化工艺来说，生物油和生物炭的产量都较高，从能量利用设计 角度来看，都可以作为污泥干化前处理所需要能源的供应者，但是，若以生物 炭产物为能源，将暴露出与上述热解炭化工艺相类似的缺陷；另一方面，最近 几年科学界研究发现，污泥生物炭不仅固定了污泥中的碳物质，还较好地保留 了污泥中的N、P等营养物质，并具有吸附、可持水保肥等性能，因而既可以直 接作为肥料使用，也可以用作功能性肥料生产的骨料或吸附剂的初成品。因此， 近年来一些污泥热解工艺研发者采用了通过燃烧生物油产物而非生物炭产物为 污泥干化提供热源的设计思路，保留了生物炭产物；如中国201310093370.X。 然而，这一改进的热解油化工艺若应用于低质污泥的处理，将暴露出如下一些 问题：

（1）对于一些有机物含量较低的污泥，其热解油化所产生的生物油产量较 低，燃烧生物油产物不能满足污泥干化的能耗需求，影响工艺的经济性和适用 性；

（2）由于污泥经热解油化处理后所产生的生物炭中的重金属含量较其污泥 本体增加了1倍左右，有些污泥生物炭中的重金属含量有可能达不到污泥农用 标准（比如一些重金属含量接近污泥农用标准限值的低质污泥经热解后生成的 生物炭），污泥生物炭肥料化利用因此受到一定的影响；

（3）污泥生物炭中氮、磷的含量要明显高于稻草、麦秸等农作物秸秆生物 炭，但是钾含量偏低，因此，污泥生物炭作为肥料需要补充钾肥。

我国是农业大国，农作物秸秆（包括稻草、麦秸、玉米秸、棉秆、油菜秸 等，以下统称为秸秆）产生量巨大，特别改革开放以来，在国家惠农政策支持 下，农业连年丰收,秸秆产生量逐年增多；据统计，至2010年，全国秸秆理论资 源量约为8.4亿吨，可收集资源量约为7.0亿吨。然而，我国秸秆利用率不高， 利用方式较为粗放，资源化、商品化程度较低，秸秆随意抛弃、无序露天焚烧 现象严重，既造成资源的浪费，又引发一系列环境问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供了一种基于快速热解的污泥 和农作物秸秆共同处理方法。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

基于快速热解的污泥和农作物秸秆共同处理方法，包括以下步骤：

步骤一：将晒干后的农作物秸秆输送至粉碎机粉碎成长度为≤5mm的秸秆 粉，然后将秸秆粉再输送至搅拌室中；

步骤二：将含水率为70～85%的脱水污泥输送到步骤一中的搅拌室中，脱 水污泥与步骤一中的秸秆粉按重量比1～3：1进行混合搅拌得到混合料；

步骤三：将经步骤二所得的混合料输送到干化机进行干燥处理，然后将经 过干燥处理的混合料输送到热解反应器中进行快速热解处理，混合料快速热解 处理的热解温度为420～600℃，混合料在热解反应器中的停留时间为10～40 min，混合料在热解反应器中进行快速热解处理会输出高温气相流和高温生物 炭；

步骤四：将步骤三中混合料在热解反应器中热解处理输出的高温气相流通 入到冷却装置进行分离，得到生物油和热解气；生物油输送至燃油锅炉；热解 气部分用作步骤三热解处理载气，多余的热解气燃烧后排放；

步骤五：将步骤三中混合料在热解反应器中热解处理输出的高温生物炭部 分输送到步骤一的搅拌室中并与脱水污泥和秸秆粉充分混合，余下的高温生物 炭输送到密闭冷却仓，冷却到200℃以下后再输送到生物炭储料室。

作为优选，步骤三中快速热解处理的热解温度为480～520℃，混合料在热 解反应器中的停留时间为15～25min。

作为优选，步骤三中混合料快速热解所产生的高温气相流在热解反应器中 的停留时间为0.2～2s。

作为优选，步骤四中生物油输送至燃油锅炉中燃烧，所产生的热能输送到 步骤三中的干化机和热解反应器为混合料的干燥处理和热解处理提供热源。

作为优选，步骤五中高温生物炭输送到步骤一搅拌室的输入量为高温生物 炭输出总重量的1/8～1/4。

作为优选，步骤五中密闭冷却仓为密闭的生物炭冷却仓。

本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：本发明基于快速 热解的污泥和农作物秸秆共同处理方法，在脱水污泥中投加了适度比例的秸秆 粉和高温生物炭粉，较好地克服了污泥热干化过程中因粘结、结团而导致的干 化效率低、干化不均匀等问题；将污泥与农作物秸秆混合在热解反应器中热解 处理，利用污泥中含有较多的可起催化作用的无机盐物质可明显提高生物油的 相对产量，相对于农作物秸秆单独热解处理，生物油产量可提高5～10%。同时 高产量的生物油可作为能源满足混合料在干化机中的干燥处理和在热解反应器 中热解处理等工序所需能量，可明显降低工艺系统的运行成本；另外本发明利 用污泥和农作物秸秆在成分上的互补优势，生成的生物炭产物中营养成分较为 均衡，氮、磷、钾三大营养元素含量均较为丰富；另一方面，所生成的生物炭 中重金属等有害物质的含量要明显低于污泥单独热解时所生成的生物炭中有害 物质的含量。

附图说明

图1是本发明流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

基于快速热解的污泥和农作物秸秆共同处理方法，包括以下步骤：

步骤一：将晒干后的农作物秸秆输送至粉碎机粉碎成长度1mm的秸秆粉， 然后将秸秆粉再输送至搅拌室中；

步骤二：将含水率为70～85%的脱水污泥输送到步骤一中的搅拌室中，脱 水污泥与步骤一中的秸秆粉按重量比1：1进行混合搅拌得到混合料；

步骤三：将经步骤二所得的混合料输送到干化机进行干燥处理，然后将经 过干燥处理的混合料输送到热解反应器中进行快速热解处理，混合料快速热解 处理的热解温度420℃，混合料在热解反应器中的停留时间为10min，混合料 在热解反应器中进行快速热解处理会输出高温气相流和高温生物炭，高温气相 流在热解反应器中的停留时间为0.2s；

步骤四：将步骤三中混合料在热解反应器中热解处理输出的高温气相流通 入到冷却装置进行分离，得到生物油和热解气；生物油输送至燃油锅炉中燃烧， 所产生的热能输送到步骤三中的干化机和热解反应器为混合料的干燥处理和热 解处理提供热源；热解气部分用作步骤三热解处理载气，多余的热解气燃烧后 排放；

步骤五：将步骤三中混合料在热解反应器中热解处理输出的高温生物炭的 总重量的1/4输送到步骤一的搅拌室中并与脱水污泥和秸秆粉充分混合，余下的 高温生物炭输送到密闭的生物炭冷却仓，冷却到200℃以下后再输送到生物炭 储料室。

实施例2

基于快速热解的污泥和农作物秸秆共同处理方法，包括以下步骤：

步骤一：将晒干后的农作物秸秆输送至粉碎机粉碎成长度为2mm的秸秆 粉，然后将秸秆粉再输送至搅拌室中；

步骤二：将含水率为70～85%的脱水污泥输送到步骤一中的搅拌室中，脱 水污泥与步骤一中的秸秆粉按重量比3:1进行混合搅拌得到混合料；

步骤三：将经步骤二所得的混合料输送到干化机进行干燥处理，然后将经 过干燥处理的混合料输送到热解反应器中进行快速热解处理，混合料快速热解 处理的热解温度600℃，混合料在热解反应器中的停留时间为40min，混合料 在热解反应器中进行快速热解处理会输出高温气相流和高温生物炭，高温气相 流在热解反应器中的停留时间为2s；

步骤四：将步骤三中混合料在热解反应器中热解处理输出的高温气相流通 入到冷却装置进行分离，得到生物油和热解气；生物油输送至燃油锅炉中燃烧， 所产生的热能输送到步骤三中的干化机和热解反应器为混合料的干燥处理和热 解处理提供热源；热解气部分用作步骤三热解处理载气，多余的热解气燃烧后 排放

步骤五：将步骤三中混合料在热解反应器中热解处理输出的高温生物炭的 总重量的1/8输送到步骤一的搅拌室中并与脱水污泥和秸秆粉充分混合，余下的 高温生物炭输送到密闭的生物炭冷却仓，冷却到200℃以下后再输送到生物炭 储料室。

实施例3

基于快速热解的污泥和农作物秸秆共同处理方法，包括以下步骤：

步骤一：将晒干后的农作物秸秆输送至粉碎机粉碎成长度为3mm的秸秆 粉，然后将秸秆粉再输送至搅拌室中；

步骤二：将含水率为70～85%的脱水污泥输送到步骤一中的搅拌室中，脱 水污泥与步骤一中的秸秆粉按重量比2:1进行混合搅拌得到混合料；

步骤三：将经步骤二所得的混合料输送到干化机进行干燥处理，然后将经 过干燥处理的混合料输送到热解反应器中进行快速热解处理，混合料快速热解 处理的热解温度480℃，混合料在热解反应器中的停留时间为15min，混合料 在热解反应器中进行快速热解处理会输出高温气相流和生物炭高温，高温气相 流在热解反应器中的停留时间为0.6s；

步骤四：将步骤三中混合料在热解反应器中热解处理输出的高温气相流通 入到冷却装置进行分离，得到生物油和热解气；生物油输送至燃油锅炉中燃烧， 所产生的热能输送到步骤三中的干化机和热解反应器为混合料的干燥处理和热 解处理提供热源；热解气部分用作步骤三热解处理载气，多余的热解气燃烧后 排放；

步骤五：将步骤三中混合料在热解反应器中热解处理输出的高温生物炭的 总重量的1/6输送到步骤一的搅拌室中并与脱水污泥和秸秆粉充分混合，余下的 高温生物炭输送到密闭的生物炭冷却仓，冷却到200℃以下后再输送到生物炭储 料室。

实施例4

基于快速热解的污泥和农作物秸秆共同处理方法，包括以下步骤：

步骤一：将晒干后的农作物秸秆输送至粉碎机粉碎成长度为5mm的秸秆 粉，然后将秸秆粉再输送至搅拌室中；

步骤二：将含水率为70～85%的脱水污泥输送到步骤一中的搅拌室中，脱 水污泥与步骤一中的秸秆粉按重量比1.5:1进行混合搅拌得到混合料；

步骤三：将经步骤二所得的混合料输送到干化机进行干燥处理，然后将经 过干燥处理的混合料输送到热解反应器中进行快速热解处理，混合料快速热解 处理的热解温度520℃，混合料在热解反应器中的停留时间为25min，混合料 在热解反应器中进行快速热解处理会输出高温气相流和高温生物炭，高温气相 流在热解反应器中的停留时间为1.2s；

步骤四：将步骤三中混合料在热解反应器中热解处理输出的高温气相流通 入到冷却装置进行分离，得到生物油和热解气；生物油输送至燃油锅炉中燃烧， 所产生的热能输送到步骤三中的干化机和热解反应器为混合料的干燥处理和热 解处理提供热源；热解气部分用作步骤三热解处理载气，多余的热解气燃烧后 排放；

步骤五：将步骤三中混合料在热解反应器中热解处理输出的高温生物炭的 总重量的1/5输送到步骤一的搅拌室中并与脱水污泥和秸秆粉充分混合，余下的 高温生物炭输送到密闭的生物炭冷却仓，冷却到200℃以下后再输送到生物炭 储料室。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作 的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。