專利名稱：一種基于水熱反應的污泥生物炭化工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于水熱反應的污泥生物炭化工藝。
背景技術：
污泥炭化是一種新型的污泥處理技術，目前污泥炭化有干法炭化和濕法炭化兩種方法。干法炭化該方法是將污泥干燥至含水率小于30%后，在缺氧條件下熱解污泥有機物使之發生炭化。干法炭化工藝可概括為“污泥干燥+干餾技術”，炭化前需要，需要花費大量能源，對污泥進行直接加熱干燥，使含水率下降至一定水平。所以目前的干法炭化工藝的主要關注點是如何提高熱利用率、提高能效。如申請號為201210002712. 8的專利利用干 餾過程中產生的可燃氣及煙氣作為干燥污泥的熱源，以此來降低能耗成本。濕法炭化是在密閉的有水環境中，輔以必要的催化劑，對污泥進行直接加熱，在自生壓力下將生物質進行炭化的。濕法炭化是一種基于水熱反應的污泥炭化技術，具有不需預先干燥污泥，反應條件溫和(180^2500C )，炭產量較高，制備工藝簡單等優點，但由于污泥組分和相應催化劑開發的復雜性，使得污泥濕法炭化只能實現脫水而不能實現真正意義上的炭化，仍處以實驗室研究階段。水熱脫水干化通過將污泥加熱，在一定溫度和壓力下使污泥中的粘性有機物水解，破壞污泥的膠體結構，可以同時改善脫水性能和厭氧消化性能。隨水熱反應溫度和壓力的增加，顆粒碰撞幾率增大，顆粒問的碰撞導致了膠體結構的破壞，使束縛水和固體顆粒分離。另外，加熱使污泥中的蛋白質分解，細胞發生破裂，胞內的水分被釋放。經過水熱處理后的污泥在不添加絮凝劑的情況下，機械脫水可使含水率大幅度降低到50%以下，大大提高了污泥的脫水性能，使污泥處置技術向低成本、可持續方向發展成為可能。將污泥經水熱處理后實現脫水，已有相關的報道，如(I)專利(申請號201110447913. 4) 一種污泥水熱干化處理裝置及其水熱反應器；(2)專利(申請號201110279705. 8)基于水熱反應的污泥處理技術中開發的基于水熱改性技術的污泥處理工藝，將脫水污泥經水熱改性后，液態產物進入中溫厭氧反應器制備甲烷，固態產物制生物質燃料棒，生物質燃料棒為水熱改性的主要熱源，甲烷為補充熱源，能源利用效率得到提高，甲烷作為商品出售可帶來經濟效益，這為污泥水熱技術的應用提供了一種工藝途徑。但污泥經水熱改性脫水后，制備生物炭未見公開報道。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于水熱反應的污泥生物炭化工藝。本發明所采取的技術方案是
一種基于水熱反應的污泥生物炭化工藝，包括以下步驟
1)將污泥脫水并送入污泥預存倉中儲存；
2)將儲存的脫水污泥送入預熱系統預熱；3)經過預熱的脫水污泥送入水熱反應器中加熱處理，得到水熱裂解液；
4)將上步得到的水熱裂解液返送至預熱系統內的供熱管道，用于預熱脫水污泥，水熱裂解液預熱脫水污泥后，水熱裂解液降溫，同時得到氣態產物；
5)降溫后的水熱裂解液進入壓濾機壓濾，得到反應濾液與固態產物；
6)將步驟5)得到的固態產物干燥后送入干法炭化爐中炭化，得到固態生物炭與其他產物，其他產物送入氣液分離裝置分離得到可燃氣與焦油；
7)將步驟4)得到的氣態產物與步驟6)得到的可燃氣與焦油送入燃燒室中燃燒產生熱能，所產生的熱能提供給水熱反應器與干法炭化爐。步驟2)中，脫水污泥的含水率為70_85wt%。
步驟2)中，預熱系統將脫水污泥預熱至110_180°C。步驟3)中，水熱反應器中的加熱溫度為200-300°C。步驟3)中，水熱反應器中的加熱時間為30_90min。步驟3)中，水熱反應器中，自生壓力為3-10MPa。步驟4)中，所述的供熱管道為多段，每兩段供熱管道間安裝有背壓閥，水熱裂解液從最后一段供熱管道中排出后，溫度降至85 °C以下。步驟5 )中，經過壓濾后得到的固態產物的含水率在30 wt%與40 wt%之間。步驟6)中，所述的固態產物干燥為自然晾干，經過自然晾干后，其含水率為10wt-30wt%o步驟6)中，所述的炭化條件為溫度為500-700°C，時間為30_60min。本發明的有益效果是本工藝可得到附加值高的產品，同時節約能源。具體來說一方面脫水污泥經水熱處理后得到水熱裂解液，水熱裂解液預熱脫水污泥后降溫，再經過壓濾后得到的濾液作為污水廠脫氮除磷的碳源加以利用，降低污水廠運行成本；經過壓濾后得到的固態產物可自然風干，其含水率降至30%以下后進行干法炭化,制備生物炭。另外本工藝充分利用水熱裂解液的余熱、并將工藝中產生的氣態產物，得到的可燃氣與焦油送入燃燒室燃燒，將能源利用最大化，能效高，耗費少。污泥最終產物為生物炭，其具有固碳減排、改良土壤等多種功效，富余的可燃氣體及焦油可進行深加工為高附加值產品，經濟、社會和生態效益顯著。
具體實施例方式下面結合具體實施例，對本發明做進一步的說明
實施例I:
1)將污水處理廠的污泥脫水并送入污泥預存倉中儲存；
2)將儲存的脫水污泥(含水率為70-85wt%)送入預熱系統預熱至110°C；
3)經過預熱的脫水污泥送入水熱反應器中加熱處理，得到水熱裂解液，水熱反應器中的加熱溫度為200°C，加熱時間為90min，自生壓力為3MPa ；
4)將上步得到的水熱裂解液返送至預熱系統內的供熱管道，用于預熱脫水污泥，所述的供熱管道為多段，每兩段供熱管道間安裝有背壓閥，水熱裂解液從最后一段供熱管道中排出后，降溫至85°C以下，同時得到氣態產物；5)降溫后的水熱裂解液進入壓濾機壓濾，得到反應濾液與含水率為30wt%-40wt%的固態產物；
6)將步驟5)得到的固態產物自然晾干后(含水率為10-30wt%)送入干法炭化爐中炭化，得到固態生物炭與其他產物，其他產物送入氣液分離裝置分離得到可燃氣與焦油；所述的炭化條件為溫度為500°C，時間為60 min ；
7)將步驟4)得到的氣態產物與步驟6)得到的可燃氣與焦油送入燃燒室中燃燒產生熱能，所產生的熱能提供給水熱反應器與干法炭化爐；富余的可燃氣與焦油則收集起來作為產品外售。實施例2
1)將污水處理廠的污泥脫水并送入污泥預存倉中儲存；
2)將儲存的脫水污泥(含水率為70-85wt%)送入預熱系統預熱至150°C；
3)經過預熱的脫水污泥送入水熱反應器中加熱處理，得到水熱裂解液，水熱反應器中的加熱溫度為250°C，加熱時間為60 min,自生壓力為5 MPa ；
4)將上步得到的水熱裂解液返送至預熱系統內的供熱管道，用于預熱脫水污泥，所述的供熱管道為多段，每兩段供熱管道間安裝有背壓閥，水熱裂解液從最后一段供熱管道中排出后，降溫至85°C以下，同時得到氣態產物；
5)降溫后的水熱裂解液進入壓濾機壓濾，得到反應濾液與含水率為30wt%-40wt%的固態產物；
6)將步驟5)得到的固態產物自然晾干后(含水率為10-30wt%)送入干法炭化爐中炭化，得到固態生物炭與其他產物，其他產物送入氣液分離裝置分離得到可燃氣與焦油；所述的炭化條件為溫度為600°C，時間為45 min ；
7)將步驟4)得到的氣態產物與步驟6)得到的可燃氣與焦油送入燃燒室中燃燒產生熱能，所產生的熱能提供給水熱反應器與干法炭化爐；富余的可燃氣與焦油則收集起來作為產品外售。實施例3
1)將污水處理廠的污泥脫水并送入污泥預存倉中儲存；
2)將儲存的脫水污泥(含水率為70-85wt%)送入預熱系統預熱至150°C；
3)經過預熱的脫水污泥送入水熱反應器中加熱處理，得到水熱裂解液，水熱反應器中的加熱溫度為300°C，加熱時間為30min，自生壓力為IOMPa ；
4)將上步得到的水熱裂解液返送至預熱系統內的供熱管道，用于預熱脫水污泥，所述的供熱管道為多段，每兩段供熱管道間安裝有背壓閥，水熱裂解液從最后一段供熱管道中排出后，降溫至85°C以下，同時得到氣態產物；
5)降溫后的水熱裂解液進入壓濾機壓濾，得到反應濾液與含水率為30wt%-40wt%的固態產物；
6)將步驟5)得到的固態產物自然晾干后(含水率為10-30wt%)送入干法炭化爐中炭化，得到固態生物炭與其他產物，其他產物送入氣液分離裝置分離得到可燃氣與焦油；所述的炭化條件為溫度為700°C，時間為30min ；
7)將步驟4)得到的氣態產物與步驟6)得到的可燃氣與焦油送入燃燒室中燃燒產生熱能，所產生的熱能提供給水熱反應器與干法炭化爐；富余的可燃氣與焦油則收集起來作為產品外售。本發明的實施例制備的生物炭的炭產率90°/Γ70% ;質地疏松，包含C 5. 7 9. 0%，NI. 6% O. 4%，P O. 6% 0· 9%，K I. 8 2. 1%，也含有其他養分，可用于改良土壤。本發明的實施例制備的焦油的油產率10% 15%;油熱值26938 KJ/Kg 30757KJ/Kg ;可燃氣的成分氫氣、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、二氧化碳，熱值700(Tll000 KJ/
Nm30本發明中，生物炭的產率=生物炭的質量/[經自然晾干后的固態產物X (I-含水率)]X 100% ；
焦油的油產率=焦油的質量/[經自然晾干后的固態產物X (1-含水率)]父100%。
另外，本發明的預熱系統中所述的供熱管道為多段，每兩段供熱管道間安裝有背壓閥，保證了各段供熱管道中各點的壓力在相應點溫度的飽和蒸汽壓以上，避免蒸發過程，同時，各段供熱管道中的壓力逐級下降，不僅可高效預熱脫水污泥，節約能源，還可使裂解液產生二次裂解，最終，水熱裂解液從最后一段供熱管道中排出后，溫度降至85°C以下。本發明的步驟5)得到的反應濾液可作為污水處理廠的脫氮碳源進行循環利用。
權利要求
1.一種基于水熱反應的污泥生物炭化工藝，其特征在于包括以下步驟 1)將污泥脫水并送入污泥預存倉中儲存； 2)將儲存的脫水污泥送入預熱系統預熱； 3)經過預熱的脫水污泥送入水熱反應器中加熱處理，得到水熱裂解液； 4)將上步得到的水熱裂解液返送至預熱系統內的供熱管道，用于預熱脫水污泥，水熱裂解液預熱脫水污泥后，水熱裂解液降溫，同時得到氣態產物； 5)降溫后的水熱裂解液進入壓濾機壓濾，得到反應濾液與固態產物； 6)將步驟5)得到的固態產物干燥后送入干法炭化爐中炭化，得到固態生物炭與其他產物，其他產物送入氣液分離裝置分離得到可燃氣與焦油； 7)將步驟4)得到的氣態產物與步驟6)得到的可燃氣與焦油送入燃燒室中燃燒產生熱能，所產生的熱能提供給水熱反應器與干法炭化爐。
2.根據權利要求I所述的一種基于水熱反應的污泥生物炭化工藝，其特征在于步驟2)中，脫水污泥的含水率為70-85wt%。
3.根據權利要求I所述的一種基于水熱反應的污泥生物炭化工藝，其特征在于步驟2)中，預熱系統將脫水污泥預熱至110-180°C。
4.根據權利要求I所述的一種基于水熱反應的污泥生物炭化工藝，其特征在于步驟3)中，水熱反應器中的加熱溫度為200-300°C。
5.根據權利要求I所述的一種基于水熱反應的污泥生物炭化工藝，其特征在于步驟3)中，水熱反應器中的加熱時間為30-90min。
6.根據權利要求I所述的一種基于水熱反應的污泥生物炭化工藝，其特征在于步驟3)中，水熱反應器中，自生壓力為3-10MPa。
7.根據權利要求I所述的一種基于水熱反應的污泥生物炭化工藝，其特征在于步驟4)中，所述的供熱管道為多段，每兩段供熱管道間安裝有背壓閥，水熱裂解液從最后一段供熱管道中排出后，溫度降至85°C以下。
8.根據權利要求I所述的一種基于水熱反應的污泥生物炭化工藝，其特征在于步驟5)中，經過壓濾后得到的固態產物的含水率在30wt%與40wt%之間。
9.根據權利要求I所述的一種基于水熱反應的污泥生物炭化工藝，其特征在于步驟6)中，所述的固態產物干燥為自然晾干，經過自然晾干后，其含水率為10wt-30wt%。
10.根據權利要求I所述的一種基于水熱反應的污泥生物炭化工藝，其特征在于步驟6)中，所述的炭化條件為溫度為500-700°C，時間為30-60min。
全文摘要
本發明公開了一種基于水熱反應的污泥生物炭化工藝，包括步驟1)將污泥脫水并送入污泥預存倉中儲存；2)將脫水污泥預熱；3)經過預熱的脫水污泥送入水熱反應器中加熱處理，得水熱裂解液；4)將水熱裂解液返送至預熱系統中預熱脫水污泥，水熱裂解液降溫，得氣態產物；5)降溫后的水熱裂解液進入壓濾機壓濾，得到反應濾液與固態產物；6)將上步的固態產物干燥后送入干法炭化爐中炭化，得到固態生物炭與其他產物，其他產物送入氣液分離裝置分離得到可燃氣與焦油；7)將步驟4)得到的氣態產物與步驟6)得到的可燃氣與焦油送入燃燒室中燃燒產生熱能，所產生的熱能提供給水熱反應器與干法炭化爐。本工藝可得到附加值高的產品，同時節約能源。
文檔編號C02F11/12GK102875005SQ20121032886
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月7日 優先權日2012年9月7日
發明者王定美, 周順桂, 徐榮險, 余震 申請人:廣東省生態環境與土壤研究所