稻壳辅助污泥热解气化旋风熔融无害化处置方法与装置与流程

1.本发明涉及一种污泥热化学无害化处置方法与装置，尤其涉及一种稻壳辅助污泥热解气化旋风熔融无害化处置方法与装置。


背景技术：

2.污泥按来源主要分为城市污泥和工业污泥，其是一种组分复杂且含有多种污染物的非均质有机体。污泥通常含水率较高，且含有一定量的病毒、致病菌、虫卵、寄生虫等有机污染物；同时污泥中含有较高含量的无机组分，其中超量的砷（as）、铬（cr）、 镉（cd）、铅（pb）、汞（hg）、铜（cu）、镍（ni）、锌（zn）等重金属的存在给污泥的处置造成了很大的难题。目前，污泥的处置方法主要分为：（1）填埋，其处理成本低，实际操作性强，但填埋法耗时较长且填埋后污泥中的有毒有害污染物会逐渐渗透到周围环境中，易对土壤和地下水造成污染；（2）焚烧，其在高温下可实现污泥的无害化、减量化，并且彻底杀死污泥中大量的有机污染物，但污泥水分含量较高，热值很低，不能自持燃烧，且部分易挥发的重金属会进一步进入气态，形成飞灰，形成二次污染；（3）热解气化，其是指在欠氧惰性气氛和相对较温和的反应温度下，将污泥转化为气液固三相产品，大量的重金属会保留在固相中，气体和液体可进一步处理利用，此方法投资较低，适合大规模应用，但是存在热解气化焦油问题和污泥焦的后续处理问题。这些方法从不能全流程无害化处理污泥，因此，污泥问题必将成为制约城市化进程的重要瓶颈。
3.旋风熔融技术是一种高温燃烧技术，其具有将重金属等污染物熔融无害化彻底处置的优点，所得熔渣具有稳定性高、运行费用适中、减量化显著及可资源化利用等诸多优点。但是，污泥中所含无机物组分复杂、熔点波动性大，彻底液态熔融化困难，对运行参数设定目标性较差，对污泥中熔融炉的设计提出了较大困难；此外，旋风熔融对燃烧温度要求较高，需高于无机物的熔点，污泥热值较低，难以实现自持的旋风熔融燃烧温度。
4.针对此，本发明提出一种稻壳辅助污泥热解气化旋风熔融无害化处置方法与装置，其核心创新点如下：（1）稻壳辅助污泥热解气化提高所得气体产物的热值，并且利用稻壳和污泥在烘焙过程中的高含水量挥发分气体重整热解气化气，进一步提高气体产物的品质，以达到后续旋风熔融燃烧所需的温度；（2）利用稻壳中高含量的二氧化硅成分，其与污泥热解焦在旋风熔融燃烧过程中，可发生灰相高温反应，形成低熔点的硅酸盐，降低污泥灰的熔点，通过调控稻壳的比例可调控旋风熔融液化的温度，实现污泥用熔融炉的工业化设计和整个系统的稳定运行。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种彻底无害化且能源自给的稻壳辅助污泥热解气化旋风熔融无害化处置方法与装置。
6.本发明是通过以下技术方案来实现的：稻壳辅助污泥热解气化旋风熔融无害化处置的方法，包括以下步骤：
将污泥和稻壳辅料按一定比例分别通过料仓给入间接加热夹套式烘焙器，反应温度控制在200-300℃保持一定时间，作为优选，保持时间控制为1-3小时，在此条件下，污泥-稻壳混合原料首先预热干燥去除大量的外在水分，随后在烘焙过程中发生低温热解反应进一步的去除内在水和小分子含氧组分，使得含能组分富集在固相产物中，因此得到高能量密度固相产物，固相产物通过加热夹套式烘焙器的出料口连接关风器给入立式气化炉，在立式气化炉内与空气发生气化反应，气化反应温度600-800℃，气化残焦通过立式气化炉底部的炉排运送至重整器，并在重整器中与从立式气化炉的气体出口溢出的气化气发生催化重整反应，同时，将污泥和稻壳烘焙过程产生的烘焙气（其含有大量的水蒸气和二氧化碳等轻质组分）通入重整器作为重整介质，共同发生一系列的重整反应（如水蒸气转化反应c+h2o
→
co+h2、水煤气变换反应co+h2o
→
co2+h2、甲烷干重整反应ch4+co2→
2co+2h2等水蒸气重整和二氧化碳重整反应）,重整过程提高了气化气的品质，增加了气化气的热值；催化重整后的气化残焦通过冷渣器和关风器排出，进入破碎机粉碎，破碎后的焦粉喷入旋风熔融炉的粉料入口，与从旋风熔融炉的热空气进口给入的高温空气接触，发生燃烧反应，另外，旋风熔融炉的助燃器进口给入重整提质后的气化气进行助燃，将气化残焦中所含灰分和气化气携带的飞灰彻底熔融液化，达到有效固溶污泥中重金属的目的。
7.作为优选，旋风熔融炉中的燃烧温度控制为1200-1400℃。
8.作为优选，从旋风熔融炉的热空气进口给入的高温空气的温度控制为400-600 ℃。
9.作为优选，在立式气化炉内，固相产物是与少量的空气发生气化反应，所述少量空气的空气注入量由过量空气系数0.1-0.3范围取得。
10.作为优选，旋风熔融炉排出的高温烟气通过气-气换热器预热空气后，再给入间接加热夹套式烘焙器作为热源，烟气降温后排出；通过气-气换热器预热后的空气作为高温空气从旋风熔融炉的热空气进口给入，以与喷入旋风熔融炉的粉料接触而发生燃烧反应，实现整个流程的能源自给。
11.作为优选，稻壳辅料主要由有机组分（85%-90%）和二氧化硅（sio2，10%-15%）构成，其给入量可通过整个过程的能源自给需求和旋风熔融温度需求测定，一般控制在间接加热夹套式烘焙器中加入的混合物总重量的10%-30%范围内，稻壳辅助污泥热解气化可提高所得气体产物的热值，并且利用稻壳和污泥在烘焙过程中的高含水量挥发分气体重整热解气化气，进一步提高气体产物的品质，以达到后续旋风熔融燃烧所需的温度；同时利用稻壳中高含量的二氧化硅成分，其与污泥热解焦在旋风熔融燃烧过程中，可发生灰相高温反应，形成低熔点的硅酸盐，降低污泥灰的熔点，通过调控稻壳的比例可调控旋风熔融液化的温度，实现污泥用熔融炉的工业化设计和整个系统的稳定运行。
12.在此方法的基础上，本发明还提出一种稻壳辅助污泥热解气化旋风熔融无害化处置的装置，具体包括：料仓、间接加热夹套式烘焙器、关风器、立式气化炉、炉排、重整器、破碎机、旋风熔融炉、冷渣器、气-气换热器、鼓风机；污泥料仓和稻壳料仓的出口连接间接加热夹套式烘焙器的物料进口，烘焙器的出料口连接关风器，关风器出口连接立式气化炉的进料口，立式气化炉的底部设有炉排，炉排的另一侧连入重整器，立式气化炉的气体出口连接重整器，间接加热夹套式烘焙器的气体出口连接重整器的重整介质进口，重整器的气化残焦出口连接冷渣器，冷渣器连接关风器，
通过关风器排出的气化残焦进入破碎机，破碎机连接旋风熔融炉的粉料入口；重整器内提质后的高热值气化气经由重整器气化气出口连接旋风熔融炉的助燃气进口，旋风熔融炉的液态排渣口排出液态渣，旋风熔融炉的高温烟气出口连接气-气换热器的热烟气进口，气-气换热器的热烟气出口连接间接加热夹套式烘焙器的热介质进口，高温烟气换热冷却后排出，鼓风机连接气-气换热器的空气进口，鼓入的空气经热烟气预热后成为高温空气，气-气换热器的空气出口连接旋风熔融炉的热空气进口。
13.本发明与现有技术相比，本发明显著优点有：（1）稻壳辅助污泥热解气化提高所得气体产物的热值，并且利用稻壳和污泥在烘焙过程中的高含水量挥发分气体重整热解气化气，进一步提高气体产物的品质，以达到后续旋风熔融燃烧所需的温度；（2）利用稻壳中高含量的二氧化硅成分，其与污泥热解焦在旋风熔融燃烧过程中，可发生灰相高温反应，形成低熔点的硅酸盐，降低污泥灰的熔点，通过调控稻壳的比例可调控旋风熔融液化的温度，实现污泥用熔融炉的工业化设计和整个系统的稳定运行；（3）整个系统能够系统化、自热式地对各种污泥进行无害处置，可实现整个系统的能量自给，并且实现重金属等污染物的固溶，使其彻底无害化。
附图说明
14.为了易于说明，本发明由下述的具体实施例及附图作以详细描述。
15.图1为本发明的稻壳辅助污泥热解气化旋风熔融无害化处置方法所涉及的流程及装置图。
16.图中：1-间接加热夹套式烘焙器的物料进口；2-间接加热夹套式烘焙器；3-烘焙器出料口；4-间接加热夹套式烘焙器气体出口；5-关风器；6-立式气化炉；7-炉排；8-立式气化炉气体出口；9-重整器；10-重整器重整介质进口；11-重整器气化气出口；12-冷渣器；13-关风器；14-破碎机；15-旋风熔融炉粉料入口；16-旋风熔融炉助燃气进口；17-旋风熔融炉；18-旋风熔融炉液态排渣口；19-旋风熔融炉高温烟气出口；20-气-气换热器；21-气-气换热器热烟气进口；22-气-气换热器热烟气出口；23-气-气换热器空气出口；24-气-气换热器空气进口；25-鼓风机；26-间接加热夹套式烘焙器热介质进口；27-旋风熔融炉热空气进口。
实施方式
17.如图1所示，一种稻壳辅助污泥热解气化旋风熔融无害化处置方法所涉及的装置，包括间接加热夹套式烘焙器2、关风器5和13、立式气化炉6、炉排7、重整器9、冷渣器12、破碎机14、旋风熔融炉17、气-气换热器20、鼓风机25。
18.污泥料仓和稻壳料仓的出口连接间接加热夹套式烘焙器的物料进口1，烘焙器出料口3连接关风器5，关风器5出口连接立式气化炉6的进料口，立式气化炉的底部设有炉排7，炉排7的另一侧连入重整器9，立式气化炉气体出口8连接重整器9，间接加热夹套式烘焙器气体出口4连接重整器重整介质进口10，重整器9的气化残焦出口连接冷渣器12，冷渣器12连接关风器13，通过关风器13排出的气化残焦进入破碎机14，破碎机14出口连接旋风熔融炉粉料入口15；重整器9内提质后的高热值气化气经由重整器气化气出口11连接旋风熔融炉助燃气进口16，旋风熔融炉液态排渣口18排出液态渣，旋风熔融炉高温烟气出口19连接气-气换
热器热烟气进口21，气-气换热器热烟气出口22连接间接加热夹套式烘焙器热介质进口26，换热冷却后排出，鼓风机25连接气-气换热器空气进口24，鼓入的空气经热烟气预热后成为高温空气，气-气换热器空气出口23连接旋风熔融炉热空气进口27。
19.基于上述装置的一种稻壳辅助污泥热解气化旋风熔融无害化处置方法，具体步骤为：稻壳和污泥按一定比例经由各自的料仓给入连接间接加热夹套式烘焙器2，在烘焙器2内稻壳和污泥边加热边混合，达到烘焙温度区间（200-300℃）后保持1-3小时，烘焙后污泥不再保持非牛顿流体状态，而是和稻壳形成干燥的混合形态，污泥-稻壳混合原料在烘焙过程中发生低温热解反应，固相产物能量密度提高，通过出料口连接关风器5给入立式气化炉6，在气化炉6内与空气发生气化反应，气化反应温度600-800℃，气化残焦通过立式气化炉底部的炉排7运送至重整器9，与从气体出口溢出的气化气发生催化重整反应，同时，利用污泥和稻壳烘焙过程产生的烘焙气（其含有大量的水蒸气和二氧化碳等轻质组分）作为重整介质，重整过程提高了气化气的品质，增加了气化气的热值；催化重整后的气化残焦通过冷渣器12和关风器13排出，进入破碎机14粉碎，破碎后的焦粉喷入旋风熔融炉17的旋风熔融炉粉料入口15，与旋风熔融炉热空气进口的温度为400-600 ℃的高温空气接触，发生燃烧反应，另外，旋风熔融炉17的助燃器进口给入重整提质后的气化气进行助燃，控制燃烧温度达到1200-1400℃，将气化残焦中所含灰分和气化气携带的飞灰彻底熔融液化，达到有效固溶污泥中重金属的目的。旋风熔融炉17排出的高温烟气通过气-气换热器20预热空气后，为了促进旋风熔融燃烧，预热空气温度设定为400-600 ℃以便于后续作为高温空气给入旋风熔融炉，烟气经过气-气换热器换热后再给入间接加热夹套式烘焙器作为热源，烟气降温后排出，实现整个流程的能源自给。
20.本发明的一种稻壳辅助污泥热解气化旋风熔融无害化处置方法，其中稻壳辅料的给入量，可通过整个过程的能源自给需求和旋风熔融温度需求测定，控制在10%-30%范围内，稻壳辅助污泥热解气化可提高所得气体产物的热值，并且利用稻壳和污泥在烘焙过程中的高含水量挥发分气体重整热解气化气，进一步提高气体产物的品质，以达到后续旋风熔融燃烧所需的温度；同时利用稻壳中高含量的二氧化硅成分，其与污泥热解焦在旋风熔融燃烧过程中，可发生灰相高温反应，形成低熔点的硅酸盐，降低污泥灰的熔点，通过调控稻壳的比例可调控旋风熔融液化的温度，实现污泥用熔融炉的工业化设计和整个系统的稳定运行。
21.具体可对比本发明所用方法及未采用稻壳辅助热解气化旋风熔融所得污泥灰的熔点的对比数据如下：污泥选用城市污泥，其高温灼烧，测试温度达到1300℃时，污泥灰还未见明显软化，因为所测污泥灰中ca和p元素的含量较高，其会在高温下形成熔点较高的磷酸钙盐，导致污泥单独热解气化旋风熔融时液态排渣困难；而测试采用15%稻壳辅助热解气化旋风熔融，发现混合气化残焦在灼烧温度达到1150℃时候，就见明显的软化，分析是因为稻壳中高含量的二氧化硅和少量的k元素的存在，灰化过程形成低熔点的硅酸盐，导致系统易实现液态排渣，达到彻底固溶污泥中重金属的效用。故说明本发明的方法实用，效果显著。
22.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.稻壳辅助污泥热解气化旋风熔融无害化处置的方法，其特征在于，包括以下步骤：将污泥和稻壳辅料按一定比例分别通过料仓给入间接加热夹套式烘焙器，反应温度控制在200-300℃保持一定时间，污泥-稻壳混合原料在烘焙过程中发生低温热解反应形成固相产物，然后固相产物通过加热夹套式烘焙器的出料口连接关风器给入立式气化炉，在立式气化炉内与空气发生气化反应，气化反应温度600-800℃，气化形成的气化残焦通过立式气化炉底部的炉排运送至重整器，并在重整器内与从立式气化炉的气体出口溢出的气化气发生催化重整反应，同时，将污泥和稻壳烘焙过程产生的烘焙气通入重整器作为重整介质以在重整过程提高气化气的品质，增加气化气的热值；催化重整后的气化残焦通过冷渣器和关风器排出，进入破碎机粉碎，破碎后的焦粉喷入旋风熔融炉的粉料入口，与从旋风熔融炉的热空气进口给入的高温空气接触，发生燃烧反应，另外，旋风熔融炉的助燃器进口给入重整提质后的气化气进行助燃，将气化残焦中所含灰分和气化气携带的飞灰彻底熔融液化，达到有效固溶污泥中重金属的目的。2.根据权利要求1所述的稻壳辅助污泥热解气化旋风熔融无害化处置的方法，其特征在于，旋风熔融炉排出的高温烟气通过气-气换热器预热空气后，再给入间接加热夹套式烘焙器作为热源，烟气降温后排出；通过气-气换热器预热后的空气作为高温空气从旋风熔融炉的热空气进口给入，以与喷入旋风熔融炉的粉料接触而发生燃烧反应，实现整个流程的能源自给。3.根据权利要求1所述的稻壳辅助污泥热解气化旋风熔融无害化处置的方法，其特征在于，稻壳辅料的给入量为通过整个过程的能源自给需求和旋风熔融温度需求测定，控制其给入量为在间接加热夹套式烘焙器中加入的混合物总重量的10%-30%。4.根据权利要求1所述的稻壳辅助污泥热解气化旋风熔融无害化处置的方法，其特征在于，污泥和稻壳辅料在间接加热夹套式烘焙器中反应温度200-300℃情况下保持1-3小时。5.根据权利要求1所述的稻壳辅助污泥热解气化旋风熔融无害化处置的方法，其特征在于，控制旋风熔融炉中的燃烧温度控制为1200-1400℃。6.根据权利要求1所述的稻壳辅助污泥热解气化旋风熔融无害化处置的方法，其特征在于，从旋风熔融炉的热空气进口给入的高温空气的温度控制为400-600 ℃。7.实现权利要求1-6任意一项所述的方法的装置，其特征在于，具体包括：料仓、间接加热夹套式烘焙器、关风器、立式气化炉、炉排、重整器、破碎机、旋风熔融炉、冷渣器、气-气换热器、鼓风机；污泥料仓和稻壳料仓的出口连接间接加热夹套式烘焙器的物料进口，间接加热夹套式烘焙器的出料口连接关风器，关风器出口连接立式气化炉的进料口，立式气化炉的底部设有炉排，炉排的另一侧连入重整器，立式气化炉的气体出口连接重整器，间接加热夹套式烘焙器的气体出口连接重整器的重整介质进口，重整器的气化残焦出口连接冷渣器，冷渣器连接关风器，通过关风器排出的气化残焦进入破碎机，破碎机连接旋风熔融炉的粉料入口；重整器内提质后的高热值气化气经由重整器气化气出口连接旋风熔融炉的助燃气进口，旋风熔融炉的液态排渣口排出液态渣，旋风熔融炉的高温烟气出口连接气-气换热器的热烟气进口，气-气换热器的热烟气出口连接间接加热夹套式烘焙器的热介质进口，高温烟气换热冷却后排出，鼓风机连接气-气换热器的空气进口，鼓入的空气经热烟气预热后成为
高温空气，气-气换热器的空气出口连接旋风熔融炉的热空气进口。

技术总结
本发明公开了一种稻壳辅助污泥热解气化旋风熔融无害化处置方法与装置，方法包括以下步骤：将污泥和稻壳辅料分别通过料仓给入烘焙器发生低温热解反应，固相产物给入立式气化炉，在立式气化炉内与空气发生气化反应，气化残焦运送至重整器，与从立式气化炉的气体出口溢出的气化气发生催化重整反应，同时，利用烘焙气通入重整器作为重整介质；催化重整后的气化残焦进入破碎机粉碎，后喷入旋风熔融炉与高温空气接触，发生燃烧反应，另外，给入重整提质后的气化气进行助燃，将气化残焦中所含灰分和气化气携带的飞灰彻底熔融液化以有效固溶污泥中重金属。本发明中巧妙用稻壳辅助污泥，可对各种污泥进行彻底无害处置，且整个系统的能量自给。量自给。量自给。


技术研发人员：张书平 李莎 钱晨
受保护的技术使用者：江阴恒辉环保科技有限公司
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/14