一种低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统及方法

摘要

本发明公开了一种低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统及方法，包括低温碳化单元、两段式热解单元、产物回收单元，通过将低温碳化技术与热解技术耦合，提高污泥废物的处置量以及资源转化率，污泥进入碳化炉进行低温碳化，碳化后的液态污泥经过干燥，研磨造粒后，在两段式热解炉中进行热解，能提高裂解液的能量转化和降低焦油的危害；热解后的产物经过气固分离器，焦油去除装置，洗涤器和过滤器，进行产物分离和净化，保证产物的多样性以及产物的高能值。在产物转化的过程中尽可能做到能级匹配，最大限度地提高能量转换，降低系统能耗和运行成本，提高系统经济性和稳定性，绿色经济且高效。

权利要求

1.一种低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统，其特征在于，包括低温碳化单元、两段式热解单元和产物回收单元；

所述低温碳化单元包括预热器(10)、碳化炉(12)、换热器(14)和冷凝器(16)；预热器(10)的出口与碳化炉(12)的进口通过阀门四(11)连接，碳化炉(12 )的出口与换热器(14)的进口通过阀门五(13)相连，换热器(14)有两个出口，第一出口与预热器(10)相连，第二出口通过阀门六(15)与冷凝器(16)的入口相连；

所述两段式热解单元，包括干燥机(18)、研磨机(21)、氮气供应设备(23)和两段式热解炉(25)，冷凝器(16)的出口通过背压阀(17)与干燥机(18)的进口相连，干燥机(18)的出口端与研磨机(21)的入口端通过管路相连，在该段管路上设有减压装置(19)，研磨机(21)的出口与两段式热解炉(25)的第一进口相连，氮气供应设备(23)通过阀门七(24)与两段式热解炉(25)的第二进口相连；

所述产物回收单元包括气固分离器(27)、焦油收集装置(28)、洗涤器(29)、过滤器(30)和气体收集器(32)，两段式热解炉(25)的出口通过阀门八(26)连接至气固分离器(27)的入口，气固分离器(27)的出口与焦油收集装置(28)的入口端相连，焦油收集装置(28)的出口端依次连接洗涤器(29)和过滤器(30)相连，过滤器(30)通过阀门九(31)与气体收集器(32)相连。

2.根据权利要求1所述的低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统，其特征在于，还包括设置在低温碳化单元前端的污泥预处理单元，所述污泥预处理单元包括污泥储仓(1)、切割机(4)和脱水机(7)；污泥储仓(1)的出口与切割机(4)的入口通过阀门一(3)相连，切割机(4)的出口通过阀门二(6)与脱水机(7)的入口相连，脱水机(7)的出口通过阀门三(9)与预热器(10)的入口相连。

3.根据权利要求2所述的低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统，其特征在于，在污泥储仓(1)与切割机(4)相连的管路上设有输送设备一(2)；在切割机(4)与脱水机(7)相连的管路上设有输送设备二(5)；在脱水机(7)与换热器(14)相连的管路上设有输送设备三(8)；在减压装置(19)与研磨机(21)相连的管路上设有输送设备四(20)；在研磨机(21)与两段式热解炉(25)相连的管路上设有输送设备五(22)。

4.根据权利要求3所述的低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统，其特征在于，输送设备一(2)、输送设备二(5)和输送设备三(8)采用泵，输送设备四(20)和输送设备五(22)采用螺旋输送机。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统，其特征在于，所述焦油收集装置(28)串联设置若干个，排布在首位的焦油收集装置的入口端与气固分离器(27)的出口端相连，排布在末位的焦油收集装置的出口端与洗涤器(29)相连。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统，其特征在于，两段式热解炉采用管式反应器或釜式反应器，两段式热解炉中采用的加热设备为电磁加热器或电阻加热器。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述的低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统，其特征在于，气固分离器采用旋风分离器，洗涤器选择文丘里洗涤器或湿式洗涤器，过滤器选择纸过滤器或水过滤器。

8.基于权利要求1～7中任意一项所述的低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统的污泥处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)污泥进入低温碳化单元中进行低温碳化处理，被碳化后的污泥转变为裂解液；

2)裂解液流经换热器(14)对未进入换热器(14)的脱水污泥进行预热，能量回收利用后的裂解液流入冷凝器(16)冷凝；

3)经冷凝后的污泥裂解液流入干燥机(18)中进行干燥，干燥后的泥饼被送入研磨机(21)中研磨造粒；

4)经步骤3)研磨后的粒装污泥被送入两段式热解炉(25)中进行热解，同时氮气供应设备(23)中的氮气进入两段式热解炉(25)进行吹扫除氧；

5)经步骤4)处理后的热解产物经过气固分离器(27)分离得到焦炭，剩余的气相产物经焦油收集装置(28)除焦，洗涤器(29)洗涤，过滤器(30)过滤后被气体收集器(32)收集得到清洁合成气。

9.根据权利要求8所述的污泥处理方法，其特征在于，在步骤1)前还包括对污泥进行预处理的操作，包括对污泥进行切割和脱水处理。

10.根据权利要求8所述的污泥处理方法，其特征在于，步骤4)中，热解温度为500～800℃。

说明书

一种低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统及方法

技术领域

[0001] 本发明属于能源化工，废物处置及资源化利用等技术领域，具体涉及一种低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统及方法。

背景技术

[0002] 污泥指在与生产生活有关的城镇化建设中产生的污泥，以城市污水污泥为主。对城市污泥进行处置，一方面能缓解污泥带来的环境问题，另一方面也能获取经济效益：污水
污泥中的大量养分可以作为植物养分的良好来源，而有机成分则可以提供有益的土壤调节
特性。由于可以回收有价值的成分，污水污泥在土地上的应用变得越来越普遍，将污泥施用
到土壤中可以使养分循环利用，并且可以消除对农田中商业化肥的需求。越来越多的研究
表明，传统的污泥处置方法如填埋，堆肥，投海等都不再可行。污泥用做农肥受金属和病原
体的影响，过量使用会导致土壤中重金属离子含量超标，从而通过植物‑人体这条食物链进
行传递，危害人体健康，同时会降低土壤的肥力，恶化周围环境。填埋污泥中含水率较高，渗
出液会污染地下水源；填埋的场地需要采用一定的技术处理,要选择专用的填埋场地,对于
陆地可用面积较少的国家，填埋已经变得不切实际。投海污泥中可能含有病原菌,对海洋生
物造成一定的危害；排污泥区需要比较大的潮流水量,才能够起到自净作用,而且投海污泥
量还要受到洋流大小的限制。

[0003] 随着研究的发展，热化学处理已经成为了一种有效的污泥处理方式。利用热化学方法处理污泥不仅可以有效提高污泥的处置量，也可将污泥中含c较高的部分转变为能量
和燃料以回收利用。热化学处理方法最初是为了处理高热值，低水分，低挥发分的煤，后来
在煤与生物质的热化学处理上发展起来了热化学处理污泥。由于污泥的H/C比高于其他有
机物，因此可以作为热化学处理的有机质原料。污泥的热化学处理技术有热解、湿式氧化，
超临界水氧化，超临界水气化，燃烧等，但目前污泥的热化学处置系统大多为单一技术支
撑，产物获取比较单一，污泥的资源化利用较低。

[0004] 因此，当前亟需一种新型污泥热化学处置系统及方法，将多种污泥热化学技术耦合，获取经济和生态双重效益。在实现污泥的减量化同时保证产物的多联产，提高污泥的无
害化处理以及资源化利用率。

发明内容

[0005] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统及方法，该系统设计合理、运行稳定性高，通过多种热化学技术
耦合使污泥的资源化利用得到保障。

[0006] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

[0007] 本发明公开了一种低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统，包括低温碳化单元、两段式热解单元和产物回收单元；

[0008] 所述低温碳化单元包括预热器、碳化炉、换热器和冷凝器；预热器的出口与碳化炉的进口通过阀门四连接，碳化炉的出口与换热器的进口通过阀门五相连，换热器有两个出
口，第一出口与预热器相连，第二出口通过阀门六与冷凝器的入口相连；

[0009] 所述两段式热解单元，包括干燥机、研磨机、氮气供应设备和两段式热解炉，冷凝器的出口通过背压阀与干燥机的进口相连，干燥机的出口端与研磨机的入口端通过管路相
连，在该段管路上设有减压装置，研磨机的出口与两段式热解炉的第一进口相连，氮气供应
设备通过阀门七与两段式热解炉的第二进口相连；

[0010] 所述产物回收单元包括气固分离器、焦油收集装置、洗涤器、过滤器和气体收集器，两段式热解炉的出口通过阀门八连接至气固分离器的入口，气固分离器的出口与焦油
收集装置的入口端相连，焦油收集装置的出口端依次连接洗涤器和过滤器相连，过滤器通
过阀门九与气体收集器相连。

[0011] 优选地，还包括设置在低温碳化单元前端的污泥预处理单元，所述污泥预处理单元包括污泥储仓、切割机和脱水机；污泥储仓的出口与切割机的入口通过阀门一相连，切割
机的出口通过阀门二与脱水机的入口相连，脱水机的出口通过阀门三与预热器的入口相
连。

[0012] 进一步优选地，在污泥储仓与切割机相连的管路上设有输送设备一；在切割机与脱水机相连的管路上设有输送设备二；在脱水机与换热器相连的管路上设有输送设备三；
在减压装置与研磨机相连的管路上设有输送设备四；在研磨机与两段式热解炉相连的管路
上设有输送设备五。

[0013] 进一步优选地，输送设备一、输送设备二和输送设备三采用泵，输送设备四和输送设备五采用螺旋输送机。

[0014] 优选地，为了充分分离，所述焦油收集装置串联设置若干个，排布在首位的焦油收集装置的入口端与气固分离器的出口端相连，排布在末位的焦油收集装置的出口端与洗涤
器相连。

[0015] 优选地，两段式热解炉采用管式反应器或釜式反应器，两段式热解炉中采用的加热设备为电磁加热器或电阻加热器。

[0016] 优选地，气固分离器采用旋风分离器，洗涤器选择文丘里洗涤器或湿式洗涤器，过滤器选择纸过滤器或水过滤器。

[0017] 本发明还公开了基于上述的低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统的污泥处理方法，包括以下步骤：

[0018] 1)污泥进入低温碳化单元中进行低温碳化处理，被碳化后的污泥转变为裂解液；

[0019] 2)裂解液流经换热器对未进入换热器的脱水污泥进行预热，能量回收利用后的裂解液流入冷凝器冷凝；

[0020] 3)经冷凝后的污泥裂解液流入干燥机中进行干燥，干燥后的泥饼被送入研磨机中研磨造粒；

[0021] 4)经步骤3)研磨后的粒装污泥被送入两段式热解炉中进行热解，同时氮气供应设备中的氮气进入两段式热解炉进行吹扫除氧；

[0022] 5)经步骤4)处理后的热解产物经过气固分离器分离得到焦炭，剩余的气相产物经焦油收集装置除焦，洗涤器洗涤，过滤器过滤后被气体收集器收集得到清洁合成气。

[0023] 优选地，在步骤1)前还包括对污泥进行预处理的操作，包括对污泥进行切割和脱水处理。

[0024] 优选地，步骤4)中，热解温度为500～800℃。

[0025] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0026] 本发明公开的低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统及方法，装置系统包括低温碳化单元、两段式热解单元和产物回收单元，通过将低温碳化技术与热解技术耦
合，污泥进入碳化炉进行低温碳化，在降低污泥粘性的同时，提高污泥的脱水能力，通过换
热回收，能进一步提高能量的利用效率，低温碳化后的液态污泥不含有毒气体，二次污染
小，碳化后的裂解液回流用于污泥预热，低温碳化使得污泥充分裂解，提高污泥废物的处置
量以及资源转化率，能耗比传统干燥技术低约50％，比直接焚烧低约80％。而且低温碳化过
程稳定了污泥中的含碳量，有利于高能量产物的获取，。碳化后的液态污泥经过干燥，研磨
造粒后，在两段式热解炉中进行热解，能提高裂解液的能量转化和降低焦油的危害，从而减
少了气化净化设备的布置成本。热解后的产物经过气固分离器，焦油去除装置，洗涤器和过
滤器，进行产物分离和净化，保证产物的多样性以及产物的高能值。在产物转化的过程中尽
可能做到能级匹配，最大限度地提高能量转换，降低系统能耗和运行成本，提高系统经济性
和稳定性，绿色经济且高效。污泥在热作用下有机物得到分解，胶体结构得到破坏，粘度得
到降低，整个系统运行可靠性高并且减少了污泥输送机所用的电耗，同时多种产物回收和
清洁设备串联工作，保证合成气的清洁效率。反应设备，输送设备，产物清洁设备选择灵活，
提高系统的稳定性，实现系统优化，有效提高污泥的无害化处理以及资源化利用，为污泥热
化学处置技术的发展提供了一定的条件，整个系统的设计为城市污泥的处置和产物回收提
供了一定条件，加快了污泥热化学处置的工业化进程。

附图说明

[0027] 图1为本发明的低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统的结构示意图。

[0028] 其中：1为污泥储仓；2为输送设备一；3为阀门一；4为切割机；5为输送设备二；6为阀门二；7为脱水机；8为输送设备三；9为阀门三；10为预热器；11为阀门四；12为碳化炉；13
为阀门五；14为换热器；15为阀门六；16为冷凝器；17为背压阀；18为干燥机；19为减压装置；
20为输送设备四；21为研磨机；22为输送设备五；23为氮气供应装置；24为阀门七，25为两段
式热解炉，26为阀门八，27为气固分离器，28为焦油收集装置，29为洗涤器，30为过滤器，31
为阀门九；32为气体收集器。

具体实施方式

[0029] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是
本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范
围。

[0030] 需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用
的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或
描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆
盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于
清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品
或设备固有的其它步骤或单元。

[0031] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

[0032] 参见图1，本发明的一种低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统，包括低温碳化单元、两段式热解单元、产物回收单元。

[0033] 所述低温碳化单元包括预热器10、碳化炉12、换热器14、冷凝器16、背压阀17、阀门四11、阀门五13和阀门六15，脱水机7的出口与换热器14的入口通过输送设备三8、阀门三9
和管路相连，预热器10的出口与碳化炉12的进口通过阀门四11和管路连接，碳化炉12的出
口与换热器14的进口通过阀门五13和管路相连，换热器14的出口分别与预热器10以及通过
阀门六15与冷凝器16的入口相连，冷凝器16的出口处设有背压阀17，并与两段式热解单元
相连。

[0034] 所述两段式热解单元包括干燥机18、减压装置19、研磨机21、氮气供应设备23、两段式热解炉25、输送设备四20、输送设备五22、阀门七24、阀门八26，干燥机18的出口设有减
压装置19，通过输送设备四20与研磨机21的入口相连，研磨机21的出口通过输送设备五22
连接至两段式热解炉25的一个入口，氮气供应设备23通过阀门七24与两段式热解炉25的另
一个入口相连，两段式热解炉25的出口通过阀门八26连接至产物回收单元.

[0035] 所述产物回收单元包括气固分离器27、焦油收集装置28、洗涤器29、过滤器30、阀门九31和气体收集器32，气固分离器27的入口通过阀门八26与两段式热解单元相连，气固
分离器27的出口与焦油收集装置28相连，焦油收集装置28通过管路连接至洗涤器29，洗涤
器29通过管路与过滤器30相连，过滤器30通过管路和阀门八26与气体收集器32相连。

[0036] 优选地，在低温碳化单元前端设置污泥预处理单元，所述污泥预处理单元包括污泥储仓1、切割机4、脱水机7、输送设备一2、输送设备二5、输送设备三8、阀门一3、阀门二6和
阀门三9，污泥储仓1的出口与切割机4的入口之间通过输送设备一2、阀门一3和管路相连，
脱水机7的入口与切割机4的出口通过输送设备二5、阀门二6和管路相连。

[0037] 优选地，污泥储仓1的出口与切割机4的入口之间通过输送设备一2、阀门一3和管路相连，脱水机7的入口与切割机4的入口通过输送设备二5、阀门二6和管路相连。

[0038] 优选地，污泥预处理单元的出口与低温碳化单元的入口相连接，污泥预处理单元的出口与预热器10的入口通过输送设备三8、阀门三9和管路相连，预热器10的出口与碳化
炉12的进口通过阀门四11和管路连接，碳化炉12的出口与换热器14的进口通过阀门五13和
管路相连。

[0039] 优选地，换热器14的出口分别与预热器10直接相连，以及通过阀门六15与冷凝器16的入口相连，冷凝器16的出口处设有背压阀17。

[0040] 优选地，低温碳化单元的出口与两段式热解单元的入口相连，低温碳化单元的出口与干燥机18的入口相连，干燥机18的出口设有减压装置19，通过输送设备四20与研磨机
21的入口相连，两段式热解炉25设有两个入口，研磨机21的出口通过输送设备五22连接至
两段式热解炉25的一个入口，氮气供应设备23通过阀门七24与两段式热解炉25的另一个出
口相连。

[0041] 优选地，两段式热解单元的出口与产物回收单元的入口相连，两段式热解单元的出口与气固分离器27的入口通过阀门八26相连，气固分离器27的出口与焦油收集装置28的
入口相连，焦油收集装置28的出口通过管路连接至洗涤器29的入口，洗涤器29的出口通过
管路与过滤器30的入口相连，过滤器30的出口通过管路与阀门八相连。

[0042] 所述焦油收集装置28串联设置若干个，排布在首位的焦油收集装置的入口端与气固分离器27的出口端相连，排布在末位的焦油收集装置的出口端与洗涤器29相连。

[0043] 优选地，输送设备一2、输送设备二5、输送设备三8可选择普通的泵，而输送设备四20、输送设备五22可选择螺旋输送机。

[0044] 优选地，低温碳化炉12和两段式热解炉25可为管式反应器或釜式反应器，所采用的加热设备电磁加热器或电阻加热器。

[0045] 优选地，气固分离器27可以为旋风分离器，洗涤器29可为文丘里洗涤器或湿式洗涤器，过滤器30可为纸过滤器或者水过滤器。

[0046] 参见图1，本发明的一种用于本发明的低温碳化辅助两段式热解的城市污泥热化学处置方法，包括以下步骤：

[0047] 污水厂污泥进入储仓1中储存，经输送设备一2输送至切割机4中进行切割，切割后的污泥经输送设备二5送至脱水机7中进行脱水；

[0048] 脱水后的污泥通过输送设备三8进入预热器10中进行预热，预热后的污泥流入碳化炉12中进行低温碳化过程；

[0049] 碳化后的污泥变成裂解液，流经换热器14对未进入换热器10的脱水污泥进行预热，能量回收利用后的裂解液流入冷凝器16冷凝；

[0050] 冷凝后的污泥裂解液流入干燥机18中进行干燥，干燥后的泥饼通过输送设备四20被送入研磨机21中研磨造粒；

[0051] 研磨后的粒装污泥由输送设备五22经一个入口送入两段式热解炉25中进行热解，氮气供应设备23中的氮气进入热解炉进行吹扫除氧。

[0052] 对低温碳化后的污泥裂解液进行两段式热解后，热解产物经过气固分离器27分离得到焦炭，剩余的气相产物经焦油收集装置28除焦，洗涤器29洗涤，过滤器30过滤后被气体
收集器32捕获得到清洁合成气。

[0053] 本发明的低温碳化辅助两段式热解的污泥热化学处置系统：

[0054] 将污泥碳化技术与热解技术相耦合，使得产物具有多样性，提高污泥的处置量以及资源转化率。低温碳化后的液态污泥不含有毒气体，二次污染小。碳化后的裂解液回流用
于污泥预热，提高了能量的回收利用。低温碳化使得污泥充分裂解，提高污泥的机械脱水能
力，能耗比传统干燥技术低约50％，比直接焚烧低约80％。而且低温碳化过程稳定了污泥中
的含碳量，有利于高能量产物的获取。

[0055] 两段式热解提高污泥裂解液的能量转换效率并且降低了焦油的生成，从而减少了气化净化设备的布置成本。污泥在热作用下有机物得到分解，胶体结构得到破坏，粘度得到
降低，整个系统运行可靠性高并且减少了污泥输送机所用的电耗，同时多种产物回收和清
洁设备串联工作，保证合成气的清洁效率。反应设备，输送设备，产物清洁设备选择灵活，提
高系统的稳定性，实现系统优化，有效提高污泥的无害化处理以及资源化利用，为污泥热化
学处置技术的工业化进程提供了借鉴信息。

[0056] 综上所述，本发明公开的低温碳化辅助两段式热解的城市污泥热化学处置系统，具备如下优势

[0057] 将污泥碳化技术与热解技术相耦合，使得产物具有多样性，提高污泥的处置量以及资源转化率。

[0058] 低温碳化后的液态污泥不含有毒气体，二次污染小。碳化后的裂解液回流用于污泥预热，提高了能量的回收利用。

[0059] 低温碳化使得污泥充分裂解，提高污泥的机械脱水能力，能耗比传统干燥技术低约50％，比直接焚烧低约80％。而且低温碳化过程稳定了污泥中的含碳量，有利于高能量产
物的获取。

[0060] 两段式热解提高污泥裂解液的能量转换效率并且降低了焦油的生成，从而减少了气化净化设备的布置成本。

[0061] 污泥在热作用下有机物得到分解，胶体结构得到破坏，粘度得到降低，整个系统运行可靠性高并且减少了污泥输送机所用的电耗，同时多种产物回收和清洁设备串联工作，
保证合成气的清洁效率。

[0062] 本发明系统所用的反应设备，输送设备，产物清洁设备选择灵活，提高系统的稳定性，实现系统优化，有效提高污泥的无害化处理以及资源化利用，为污泥热化学处置技术的
发展提供了一定的条件。

[0063] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书
的保护范围之内。