生物质/污泥协同干化气化耦合一体化处置系统

1.本发明涉及生物质和污泥处理，尤其涉及一种生物质/污泥协同干化气化耦合一体化处置系统。


背景技术：

2.目前国内外通常采用的污泥处理处置方法主要包括深度脱水后的应急填埋、生物稳定处理后的土地利用、焚烧后的建材利用等。1)深度脱水后的应急填埋方法二次污染严重，占用土地，浪费资源，仅能作为阶段性、应急性的过渡性处置方法。同时，污泥填埋会大量释放ch4、n2o等温室气体。2)生物稳定处理后的土地利用可将污泥转变成性质稳定且无害的腐殖化产物(肥料)及高热值沼气。但该技术对污泥泥质要求较高，同时由于工业废水的掺杂导致污泥中重金属和其他有毒有害物质往往超标，且过程会造成能量源碳和逸散性温室气体的排放。3)焚烧后的建材利用能在短时间内处理大量污泥，并能回收焚烧热量，属于国际上污泥处理处置的一种高效技术手段。但能耗太高，并且焚烧产生的二噁英类物质需要末端的严格环保措施来处理，运行成本高、邻避效应严重，同时产生大量的碳排放。
3.生物质资源广泛，地球上的所有植物、微生物以及动物尸体和排泄物都是广义的生物质资源。作为气化、燃烧等热转化用的生物质燃料，通常指农林业废弃物。但由于生物质存在着能量密度低、分布分散度高、收集运输困难以及难以大规模集中处理等不足，造成了现有大多数装置规模小、效率低、效益差并存在二次污染。气化作为一种生物质/污泥能量再利用的有效可行途径，在单独进行气化反应时，也存在气化效率较低，气化炉稳定性较差，合成气中污染物含量较高等问题。相对于生物质、污泥单独进行气化反应过程，协同气化是实现生物质和污泥高度资源化利用的高效途径。当生物质和污泥协同气化时，能有效缓解污泥气化运行过程中的不稳定性、湿度过高、颗粒不均匀、运行过程难以实现自热等问题，通过生物质/污泥协同气化有利于推进污泥气化技术的产业化进程。另一方面，污泥也在一定程度上弥补了生物质在供给过程中的不稳定性、能量密度低、颗粒不均匀、气化焦油产率大等不足。
4.现有的污泥气化技术，大都采用先将高湿污泥经过干化预处理后再送入气化炉气化，干化和气化需要在两套设备中进行，系统复杂，成本高昂。干化设备能耗较大、易造成二次污染问题、设备长期运行易腐蚀。在生物质、污泥气化炉的开发上，目前主要分为固定(移动)床气化和流化床气化。固定床气化设备结构简单、操作方便、运行成本低、燃气富含甲烷热值高，但炉内反应速度较慢、产生较多难处理的焦油以及含酚废水的二次污染，仅适用于小规模气化。流化床气化反应速度较快、温度适中均匀、处理能力和操作弹性大、可连续运转、原料适应性广，鼓泡床和循环流化床燃气热值较低、双流化床燃气热值高，但设备结构相对复杂、操作费用较大、均未解决燃气中的焦油问题以及含酚废水的二次污染，适合用于大中规模气化。由此可见，现阶段生物质/污泥协同气化技术能耗高、运行成本高、产出的气化气无法满足工业燃气的要求。可见要想实现污泥气化技术的工业化大规模应用，必须解决污泥的低能耗干化以及脱除焦油、提高气化燃气热值两个关键问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种生物质/污泥协同干化气化耦合一体化处置系统，以解决上述部分技术问题。
6.本发明是这样实现的：
7.本发明实施例提供一种将污泥干化单元、衍生炭气化单元、热解单元、挥发物催化重整单元、固气分离器以及燃气除尘提质净化单元集中在一个装置中进行；
8.所述挥发物催化重整单元的排气口与固气分离器的进气口连通，所述固气分离器的固体出口通过分配阀与污泥干化单元和衍生炭气化单元连通，所述污泥干化单元的固体出口与热解单元的固体入口连通，所述污泥干化单元的乏气出口与衍生炭气化单元的气体入口连通，所述固气分离器的气体显热通过盘管式换热器与污泥干化单元连通，所述固气分离器的气体出口与燃气除尘提质净化单元连通。
9.进一步地，所述衍生炭气化单元、热解单元以及挥发物催化重整单元耦合于一炉体内，且沿竖直向上方向，所述衍生炭气化单元、热解单元以及挥发物催化重整单元依次设置，其中所述热解单元与衍生炭气化单元通过缩颈耦合形成单一炉体。
10.进一步地，所述污泥干化单元包括干化器、细灰分离器，所述干化器底部带有搅拌装置，周壁环绕盘管式换热器；所述干化器的排出乏气经过细灰分离器，所述细灰分离器的固体出口与热解单元连通，所述细灰分离器的气体出口与衍生炭气化单元连通直接作为衍生炭气化单元的气化剂；所述干化器的固体出口与热解单元的固体入口连通。
11.进一步地，所述干化器的盘管式换热器与固气分离器分离后的燃气管道的管式换热器相连，在蒸汽或导热油等热介质作用下实现高湿污泥的间接干化化。
12.进一步地，所述干化器内另一部分热量来自衍生炭、灰渣热载体的显热，固气分离器分离后的高温衍生炭、灰渣等固体通过分配阀部分输入干化器内，在底部搅拌装置的作用下实现高湿污泥的直接干化。
13.进一步地，所述固气分离器的固体出口连接分配阀，所述分配阀与衍生炭气化单元以及污泥干化单元均连接。
14.进一步地，所述衍生炭气化单元启炉所需热源由柴油燃烧器产生的大于1000℃高温烟气提供，实现循环后所需热源由生物质/衍生炭燃烧提供；所述热解单元以及挥发物催化重整单元所需热源由气化单元产生的900～1000℃中高温合成气及高温灰渣热载体提供。
15.进一步地，所述燃气除尘提质净化单元为催化过滤反应器，所述固气分离器的气体出口与催化过滤反应器连通。
16.进一步地，所述催化过滤反应器包括移动床颗粒过滤器，且于所述移动床颗粒过滤器内填充裂解催化剂。
17.本发明具有以下有益效果：
18.本发明中，高湿的污泥利用部分循环衍生炭、灰渣热载体及尾部燃气的显热完成干化后与生物质物料输入热解单元在含水蒸气富氢气氛及灰渣作用下发生催化热解反应，并在流化风的作用下高速携带上行；热解挥发物在挥发物催化重整单元与衍生炭、灰渣、含水蒸气合成气发生气相催化重整反应后生成富甲烷高值可燃气和轻质气相焦油；富甲烷高值可燃气、轻质气相焦油、衍生炭、灰渣经过固气分离器，部分衍生炭、灰渣直接循环回下部
衍生炭气化单元与高温空气和水蒸气气化剂发生气化反应，为整体装置自热实现热量供给，并为热解单元及挥发物催化重整单元提供富氢合成气气氛；部分衍生炭、灰渣直接进入污泥干化单元，利用高温循环衍生炭、灰渣的热量实现高湿污泥的直接干化；高温燃气的显热通过盘管式换热器通入到污泥干化单元内，实现高湿污泥的间接干化；换热后的燃气经过燃气除尘提质净化单元除尘提质净化后外送，可直接用于工业锅炉、窑炉的燃料或用于发电；污泥干化单元产生的乏气直接送入到衍生炭气化单元内作为衍生炭气化反应的气化剂。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
20.图1为本发明实施例提供的生物质/污泥协同干化气化耦合一体化处置系统的流程示意图；
21.图2为本发明实施例提供的生物质/污泥协同干化气化耦合一体化处置系统的结构示意图。
具体实施方式
22.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它实施例，都属于本发明保护的范围。
23.参见图1以及图2，本发明实施例提供一种生物质/污泥协同干化气化耦合一体化处置系统，将污泥干化单元1、衍生炭气化单元2、热解单元3、挥发物催化重整单元4、固气分离器5以及燃气除尘提质净化单元6集中在一个装置中进行。衍生炭气化单元2、热解单元3以及挥发物催化重整单元4依次连通，其中热解单元3与衍生炭气化单元2通过缩颈耦合形成单一炉体。挥发物催化重整单元4的排气口与固气分离器5的进气口连通，固气分离器5的固体出口通过分配阀7与污泥干化单元1和衍生炭气化单元2连通，污泥干化单元1的固体出口与热解单元3的固体入口连通，污泥干化单元1的乏气出口与衍生炭气化单元2的气体入口连通，所述固气分离器5的气体显热通过盘管式换热器与污泥干化单元1连通，所述固气分离器5的气体出口与燃气除尘提质净化单元6连通。
24.其中污泥干化单元1主要是用于高湿污泥的干化处理，比如含水率≥70％，通过污泥输送泵将污泥输入污泥干化单元1，利用衍生炭、灰渣及燃气的显热将污泥干化，形成含水率≤30％的污泥颗粒，将干化后的污泥颗粒导入热解单元3。
25.参见图2，进一步地，细化污泥干化单元1结构，包括干化器11、细灰分离器12，所述干化器11底部带有搅拌装置，周壁环绕盘管式换热器；干化器11周壁盘管式换热器与固气分离器5分离后的燃气管道的管式换热器相连，在蒸汽或导热油等热介质作用下实现高湿污泥的间接干化。干化器11内另一部分热量来自衍生炭、灰渣热载体的显热，固气分离器5
分离后的高温衍生炭、灰渣等固体通过分配阀7部分输入干化器11内，在底部搅拌装置的作用下实现高湿污泥的直接干化，大大降低了高湿污泥干化的能耗。所述干化器11的排出乏气经过细灰分离器12，所述细灰分离器12的固体出口与热解单元3连通，所述细灰分离器12的气体出口与衍生炭气化单元2连通直接作为衍生炭气化单元2的气化剂；所述干化器11的固体出口与热解单元3的固体入口连通。
26.高湿的污泥利用部分循环衍生炭、灰渣热载体及尾部燃气的显热完成干化后与生物质物料输入热解单元3在含水蒸气富氢气氛及灰渣作用下发生催化热解反应，并在流化风的作用下高速携带上行；热解挥发物在挥发物催化重整单元4与衍生炭、灰渣、含水蒸气合成气发生气相催化重整反应后生成富甲烷高值可燃气和轻质气相焦油；富甲烷高值可燃气、轻质气相焦油、衍生炭、灰渣经过固气分离器5，部分衍生炭、灰渣直接循环回下部气化单元与高温空气和水蒸气气化剂发生气化反应，为整体装置自热实现热量供给，并为生物质/污泥的热解单元3及挥发物催化重整单元4提供富氢合成气气氛；部分衍生炭、灰渣直接进入污泥干化单元1，利用高温循环衍生炭、灰渣的热量实现高湿污泥的直接干化；高温燃气的显热通过盘管式换热器通入到污泥干化单元1内，实现高湿污泥的间接干化；换热后的燃气经过燃气除尘提质净化单元6除尘提质净化后外送，可直接用于工业锅炉、窑炉的燃料或用于发电；污泥干化单元1产生的乏气直接送入到衍生炭气化单元2内作为衍生炭气化反应的气化剂。
27.对于固气分离器5分离出的燃气进入燃气除尘提质净化单元6进行过滤除尘净化，而燃气除尘提质净化单元6可以采用催化过滤反应器，通过催化过滤反应器进行焦油脱除和粉尘过滤反应。具体地，催化过滤反应器采用移动床颗粒过滤器，且在移动床颗粒过滤器内填充裂解催化剂，形成深层过滤床，由此裂解催化剂一方面是作为过滤介质，另一方面是作为反应介质。当燃气进入催化过滤反应器后，维持催化过滤反应器处于600～700℃，进而使得催化裂解，焦油进一步重整脱除，同时粉尘过滤吸附，即焦油脱除和粉尘过滤吸附一步完成，燃气富含甲烷，基本不含焦油和灰尘，可直接用于工业锅炉、窑炉的燃料或用于发电。
28.参见图2，优化上述实施例，将衍生炭气化单元2、热解单元3以及挥发物催化重整单元4耦合为一整体结构，形成单一反应炉。具体地，衍生炭气化单元2位于热解单元3的正下方，其上方与热解单元3连通，下方设置有灰渣排出口，热解单元3的下方与衍生炭气化单元2连通，上方则与挥发物催化重整单元4连通，而挥发物催化重整单元4的出气口即为耦合后反应炉的出气口且位于顶部位置。另外，衍生炭气化单元2与热解单元3之间采用喉口结构8连接，所谓喉口结构8即为两个端口处尺寸大于中间位置尺寸，衍生炭气化单元2内排出的高温合成气通过喉口结构8直接进入热解单元3内，将生物质导入口设置于热解单元3上且靠近喉口结构8处，由此生物质由热解单元3的下半部进料，且被来自下部的衍生炭气化单元2的高温合成气(含水蒸气富氢)和高温灰渣热载体及衍生炭混合加热实现催化热解(850～950℃)。通过这种喉口结构8，一方面可以方便将衍生炭气化单元2内产生的高温合成气、衍生炭及灰渣热载体导入热解单元3，另一方面可以方便将热解单元3内的物料导入下方的衍生炭气化单元2内。衍生炭气化单元2添加的热载体包括灰渣、石英砂或者陶瓷球，温度为850～950℃。
29.本发明实施例还基于上述的处理系统进行多工况实验，具体地：
[0030][0031][0032]
其中进料速率为生物质和污泥进入热解单元3炉膛的加和；流化风量为进入衍生炭气化单元2空气流量；蒸汽流量为进入衍生炭气化单元2蒸汽流量；蒸汽温度为进入衍生炭气化单元2蒸汽温度；炉底部温度为气化单元温度；中部温度为热解单元3温度；中上部为重整温度；顶部温度为未进入固气分离器5前的温度；固气分离器5出口温度为进入固气分离器5后燃气的温度；返料温度为进入固气分离器5后衍生炭和灰渣的温度；换热后燃气温度为燃气进入燃气除尘提质净化单元6的温度；预热空气温度为衍生炭气化单元2底部进入空气的温度。
[0033]
上述表格为3个工况下，处理系统各物料的进料速率以及对应部位的温度，且基于上述各工况，检测燃气除尘提质净化单元6排出气体含量以及热值，具体如下表所示：
[0034][0035]
通过上表可以看出，通过本发明实施例提供的处理系统，生成的高温燃气经除尘提质净化处理后不含焦油和灰尘，热值比较高，尤其是甲烷产率高，可以直接作为燃料使用。
[0036]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种生物质/污泥协同干化气化耦合一体化处置系统，其特征在于，将污泥干化单元、衍生炭气化单元、热解单元、挥发物催化重整单元、固气分离器以及燃气除尘提质净化单元集中在一个装置中进行；所述挥发物催化重整单元的排气口与固气分离器的进气口连通，所述固气分离器的固体出口通过分配阀与污泥干化单元和衍生炭气化单元连通，所述污泥干化单元的固体出口与热解单元的固体入口连通，所述污泥干化单元的乏气出口与衍生炭气化单元的气体入口连通，所述固气分离器的气体显热通过盘管式换热器与污泥干化单元连通，所述固气分离器的气体出口与燃气除尘提质净化单元连通。2.如权利要求1所述的生物质/污泥协同干化气化耦合一体化处置系统，其特征在于，所述衍生炭气化单元、热解单元以及挥发物催化重整单元耦合于一炉体内，且沿竖直向上方向，所述衍生炭气化单元、热解单元以及挥发物催化重整单元依次设置，其中所述热解单元与衍生炭气化单元通过缩颈耦合形成单一炉体。3.如权利要求1所述的生物质/污泥协同干化气化耦合一体化处置系统，其特征在于，所述污泥干化单元包括干化器、细灰分离器，所述干化器底部带有搅拌装置，周壁环绕盘管式换热器；所述干化器的排出乏气经过细灰分离器，所述细灰分离器的固体出口与热解单元连通，所述细灰分离器的气体出口与衍生炭气化单元连通直接作为衍生炭气化单元的气化剂；所述干化器的固体出口与热解单元的固体入口连通。4.如权利要求3所述的生物质/污泥协同干化气化耦合一体化处置系统，其特征在于，所述干化器的盘管式换热器与固气分离器分离后的燃气管道的管式换热器相连，在蒸汽或导热油等热介质作用下实现高湿污泥的间接干化。5.如权利要求3所述的生物质/污泥协同干化气化耦合一体化处置系统，其特征在于，所述干化器内另一部分热量来自衍生炭、灰渣热载体的显热，固气分离器分离后的高温衍生炭、灰渣等固体通过分配阀部分输入干化器内，在底部搅拌装置的作用下实现高湿污泥的直接干化。6.如权利要求5所述的生物质/污泥协同干化气化耦合一体化处置系统，其特征在于，所述固气分离器的固体出口连接分配阀，所述分配阀与衍生炭气化单元以及污泥干化单元均连接。7.如权利要求1所述的生物质/污泥协同干化气化耦合一体化处置系统，其特征在于，所述衍生炭气化单元启炉所需热源由柴油燃烧器产生的大于1000℃高温烟气提供，实现循环后所需热源由生物质/衍生炭燃烧提供；所述热解单元以及挥发物催化重整单元所需热源由气化单元产生的900～1000℃中高温合成气及高温灰渣热载体提供。8.如权利要求1所述的生物质/污泥协同干化气化耦合一体化处置系统，其特征在于，所述燃气除尘提质净化单元为催化过滤反应器，所述固气分离器的气体出口与催化过滤反应器连通。9.如权利要求8所述的生物质/污泥协同干化气化耦合一体化处置系统，其特征在于，所述催化过滤反应器包括移动床颗粒过滤器，且于所述移动床颗粒过滤器内填充裂解催化剂。

技术总结
本发明提供一种生物质/污泥协同干化气化耦合一体化处置系统，将高湿污泥干化单元、衍生炭气化单元、热解单元、挥发物催化重整单元、固气分离器以及燃气除尘提质净化单元集中在一个装置中进行；衍生炭气化单元、热解单元以及挥发物催化重整单元依次连通；挥发物催化重整单元的排气口与固气分离器的进气口连通，所述固气分离器的固体出口与污泥干化单元和衍生炭气化单元连通，所述污泥干化单元的固体出口与热解单元的固体入口连通，所述固气分离器的气体出口与燃气除尘提质净化单元连通。本发明中，高湿的污泥干化后与生物质依次经过热解以及催化重整生成富甲烷高值可燃气；换热后的燃气经过除尘提质净化后外送，可直接用做燃料或发电。或发电。或发电。


技术研发人员：李杰 常国璋
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/10/8