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污泥改性碳化及资源利用技术详解2020-11-05 14:42:55

  碳化技术对比:

  根据中国的国情,我们这个团队在几年前就思考这样两个问题:

       第一,为什么选择碳化技术作为我们的研发方向?第二,碳化所需要的能源到底如何来解决?也就是碳化这条道路上如何解决它成本问题?这些年我们一直在解决这两个问题。

  碳化,在座的各位都很清楚,主要是指污泥在隔绝空气的条件下加热反应的一个反应过程。传统的碳化无非就是干化、碳化,最后再加一个资源化利用。

  我们之所以选择碳化,作为设计院来说,前些年把国内外的各种各样的工艺技术都进行了比较,我们认为碳化相对于其他的工艺路线来说,优点相对比较多一些,比如说占地比较小,减量比较明显,对于重金属的固化是比较明显的,最后出来的碳化颗粒没有异味,资源化途径相对来说多一些。

  为什么这些年碳化在国内没有推的特别好?原因就是制约碳化在国内推广的一个重要瓶颈,就是碳化从国外进口的技术相对成本比较高。基于以上这些原因,所以我们在想,怎么来解决这个能源的问题,解决成本的问题?所以这些年我们研发了污泥碳化技术,并且我们给它的名字叫污泥改性碳化技术。污泥改性碳化技术,实际上是相当于把改性技术和碳化技术结合在一块的一种新型的处理技术。今天第一次在这样一个大会上亮相,接下来和在座的各位着重介绍一下我们这个技术里几个很重要的地方。

  这个技术我通俗给大家解释一下,就是我利用一种改性剂把污泥里里面的蛋白质和糖类等有机质转化成油脂,这个油脂在碳化的过程中变成的油气,油气从碳化炉内导出后在燃烧室里面燃烧,从而给碳化炉提供了一个主要的能量来源。当有机质含量大于50%,整个污泥改性碳化系统就可以实现能量的自给自足。当然,如果有机质含量没有50%,我们在整个系统里面需要添加外面的辅助能源来解决整个能量的平衡。

  工艺流程:

  这是污泥改性碳化工艺流程图,双实线部分是污泥流向,虚线部分是水蒸汽烟气的走向,波浪线是在水的走向。

  在整个系统里面,目前我们包含了这样几部分:混合工段、一次干化工段、脂化工段、二次干化工段、碳化工段,以及后端的除尘冷却工段、烟气合成工段。大家可以看到,污泥从前面进去以后,最后进到碳化工段,碳化工段的碳化颗粒最后回到一次干化工段,碳化颗粒最后是从干化炉里面出来的。这是和其他的碳化工艺不太一样的地方。接下来我挨个介绍一下。

  混合工段,目的是在这个地方要添加一个改性剂,进行一个掺混,这个地方的原泥有一个缓存的功能,改性剂的添加量非常小,千分之一。混合工段添加了改性剂保持它的含水率不变,80%的含水率。

  接下来污泥进入一次干化工段,一次干化工段的一次干化炉其实是没有外来能源,它的能量从哪里来?它的能源主要都是从后面碳化工段碳化炉里来的热源,第一部分能源,碳化炉里面有一部分热循环水,一次干化炉利用了碳化炉的热循环水的余热。第二部分碳化工段出来的高温碳化颗粒,我们叫做碳化热载体,这部分热载体刚出炉的温度是500℃,这部分热量也回到干化炉进行了余热回收。第三部分是碳化工段最后油气燃烧后烟气是500℃左右的高温烟气,这部分烟气我们同样也回到一次干化炉进行了余热回收。这三部分能源我们把碳化炉能够利用的能源都回到前面一次干化炉进行余热回收。其中,烟气进行了是直接热交换,碳化颗粒进行的是间接热交换,热循环水同样也进行的是间接热交换。这个时候,们的污泥含水率由80%降到60%-65%左右。

  一次干化炉的污泥进到脂化工段,这个地方是需要我们从一次干化炉提供一个热环境,刚才说了一次干化炉直接交换的烟气是从碳化当中过来,交换完以后换了烟气的温度大概小于100℃左右,这个烟气就进入我的脂化工段,为脂化工段提供一个良好的热环境。在脂化工段就实现了把污泥的有机质中的糖类、蛋白质转化为油脂,这里需要一个时间段,这个时间段最重要的功能就是在这个地方这实现了这样一个功能。

  热的过程,这个目前我们在很多反应物当中是很少见到的,污泥和改性剂反应自己放热,自己水分蒸发降低含水率,通过脂化工段含水率可以从60%-65%降到30%-35%。后面我还会介绍脂化工段的其他几个功能。

  脂化工段的污泥进入二次干化工段,二次干化工段相当于是一个保险的工段,这个工段可有可无,对于一些有机质含量好的,或者是前面进泥的含水率好,二次干化工段在平时运行的过程当中是不需要的。这部分是利用外部的能源进一步对整个系统进行一个保障,保障我的污泥进入碳化工段的时候,它的含水率必须要在35%以下。含水率的变化是根据泥质的不同有所变化。刚才我说了,如果说整个系统的进泥含水率和有机质条件好,这个地方满足要求就不需要二次干化系统了。

  二次干化的泥进入碳化工段,目前的碳化炉和传统碳化炉有点不太一样,里面要实现几个功能:第一要保证碳化过程一定是一个无氧和缺氧的环境。第二就是碳化过程中导出来的油气要在炉子里面作为一个碳化炉的热源。第三要提前把碳化炉的里面的水蒸气导出来,避免消耗后端碳化所需要的热源。第四碳化工段要将高温的烟气、碳化热载体和和热循环水导到前面的一次干化炉进行余热回收。经过我们的碳化炉含水率从30%-35%降到0%-5%,通常来说碳化出来的碳化颗粒含水率基本是等于0,介于平时空气中的水分,所以我们经过大量的检测,碳化后的碳化颗粒含水率基本在5%以下。

  这部分是整个污泥流的流向。除尘冷工段,这个部分相当于产生烟气、臭气、水蒸汽,经过除尘器的除尘,然后分离塔的冷却。最后将所有的烟气通入我们所产生的烟气合成工段,这个设备叫烟气合成隧道进行处理,最后一个达标排放。在这个烟气合成工段里,这是我们最新的技术,将二氧化硫和氮氧化物在这里面进行一个反应,转化成肥料。通过我们半年的运行,目前这个肥料是实实在在已经生成的,对于二氧化硫和氮氧化物的去除效率达到95%以上。

  这是我们目前在中国建筑东北院的申请的一个工艺流程。

  我们觉得碳化要做两件特别重要的事情,第一要把工艺流程打通,工艺流程如果不打通的话,这个设备再好整个系统也是没办法能够实现热平衡的。第二是实现热平衡以后就解决我刚才说的第二个问题,能量的平衡的解决,能量平衡的解决要从污泥自身来解决这个问题。第三是设备本身要把系统能够利用的能量起来尽可能的都利用起来。

  简单介绍一下我们工艺流程图里面的两个关键点:

  第一个脂化过程。脂化过程我们在三、四年前就开始做这部分的工作。改性一开始是改性来制油的,后面会讲到碳化炉,一开始做碳化炉做出来的油是想卖油,当时油的价格非常高,后来发现油是制出来的,结果发现油后端工艺特别复杂,包括油的分类,最后我们把油直接用到碳化炉做能量是再好不过。脂化工段有四个非常非常重要的作用,这四个作用都是通过我们长年累月的实验得出来的。

  1.脂转化产油,刚才已经介绍过了。

  2.脂转化的过程是一个放热的反应,通过自己的反应可以不断的放热,这对蒸发水分,降低含水率的作用是非常大的。

  3.还原重金属,关于还原重金属整个反应过程在专利里面是有的,在这个地方不做介绍了。后面我会简单说一句话。

  4.脂转化的过程,我们知道脂化工段里面的污泥堆在里面非常臭,改性剂里面有一些相关的材料可以让脂转化过程作用起到一个固硫固氮的作用,固硫固氮的作用就是起到一个除臭的作用。整个改性室里面的味道其实并不是那么大的。

  第二是碳化工段。大家可以想象一下,碳化炉里面有四种东西,污泥、水蒸气、油气和挥发部分、还有燃烧完以后的烟气。这四种东西要在一个炉子里面实现分段分级是非常难道一个过程,我们这些年在碳化炉的研究上就是要解决,既要保证让污泥在缺氧的情况下进行一个碳化,还要保证这四种东西在里面要实现分段分级的碳化。

  这是我们的一些专利技术,刚才我说了,在几年前开始做改性剂的研究,慢慢再改性剂里面解决重金属的问题,最后慢慢开始做碳化炉、干化炉,对于把整个工艺链打通,通过不断的生产性实验把工艺链打通,最后我们申请了污泥改性碳化处理系统。我们是给它取了这样的名称,叫污泥改性碳化工艺。

  工艺布置:

  这是在两个城市里面,在污水处理厂里面我们做的三维平面图,因为场地比较有限,都是大的污水处理厂,原有的污泥堆场,在那样的情况我们做了一个布置。在里面大家会发现,整个改性工段是放在了第二层。当然,我们更加提倡如果场地面积足够的情况下,尽可能放在一层来解决整个碳化的过程。不管是放在一层,还是放在二层,整个占地面积都非常小。以100吨规模为例,整个污泥处理车间里面的占地面积在3500-4000平方米之内。

  简单看一下工艺平面图这是我们目前的混合工段,前面是原泥料仓、混合器,以及后面的缓存料仓,根据不同的规模缓存料仓和原泥料仓这些都不太一样。根据规模分别要配上多少套的碳化设备,也是在设计上需要另外需要考虑的。

  这是干化和碳化工段,我们基本上放在一块,可以看到混合原泥就进入一次干化炉进行干化,干化后的污泥我们进入改性室进行改性,改性完的污泥进入到二次干化炉,刚才说二次干化炉可有可无,这是一个保障性的炉子。二次干化过的污泥进入碳化炉,碳化炉的烟气供一次干余热利用,碳化炉碳化颗粒供一次干化炉余热回收利用。


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