本發(fā)明屬于固體廢棄物資源化處理領(lǐng)域，具體涉及一種污泥處理耦合還原煉鐵的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

城市污泥的產(chǎn)量逐年增加，如何有效、無(wú)害地處理城市污泥，是目前環(huán)保工業(yè)非常關(guān)注的問(wèn)題。熱解技術(shù)是在無(wú)氧或絕氧的條件下，將有機(jī)物進(jìn)行熱裂解，生成以H₂、CH₄、CO為主的可燃?xì)怏w、高熱值的燃料油及部分固定碳。污泥含水量高，導(dǎo)致熱解所需的熱量高，而制得的熱解氣及熱解油的熱值卻非常低。

氣基豎爐技術(shù)是利用氫氣等還原性氣體與鐵礦石進(jìn)行反應(yīng)，生成海綿鐵產(chǎn)品的過(guò)程。現(xiàn)有技術(shù)中，一些氣基豎爐還原煉鐵工藝所用的還原性氣體主要來(lái)自煤炭氣化，而煤氣化耗水量大，污染嚴(yán)重，在應(yīng)用中受到很多制約。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)污泥熱解工藝中能耗較大、熱解氣熱值低、熱解產(chǎn)品難以有效利用等問(wèn)題，以及還原煉鐵工藝中污染物排放量大、能耗高、成本高、還原劑難以解決等問(wèn)題，提供一種清潔、高效的污泥處理的工藝。

本發(fā)明首先提供了一種污泥處理耦合還原煉鐵的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

干化裝置，具有污泥入口、干化污泥出口、干燥水出口、水蒸氣入口、冷卻水出口；

蓄熱式旋轉(zhuǎn)床，具有原料入口、燃料氣入口、煙氣出口、熱解水出口、熱解油氣混合物出口、熱解炭出口，所述原料入口與所述干化裝置的干化污泥出口相連；

油氣分離裝置，具有熱解油氣混合物入口、焦油出口、熱解氣出口，所述熱解油氣混合物入口與所述蓄熱式旋轉(zhuǎn)床的熱解油氣混合物出口相連；

凈化裝置，具有熱解氣入口、凈化熱解氣出口，所述熱解氣入口與所述油氣分離裝置的熱解氣出口相連；

變壓吸附裝置，所述變壓吸附裝置具有凈化熱解氣入口、氫氣出口和燃料氣出口，所述凈化熱解氣入口與所述凈化裝置的凈化熱解氣出口相連；

氣基豎爐，具有氫氣入口、鐵礦石入口、海綿鐵出口、煙氣出口，所述氫氣入口與所述變壓吸附裝置的氫氣出口相連；

氣化裝置，具有熱解炭入口、氣化劑入口、高溫氣化氣出口、殘?jiān)隹冢鰺峤馓咳肟谂c所述蓄熱式旋轉(zhuǎn)床的熱解炭出口相連。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述變壓吸附裝置的燃料氣出口與所述蓄熱式旋轉(zhuǎn)床的燃料氣入口相連。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包括換熱裝置，所述換熱裝置具有高溫氣化氣入口、氣化氣出口、循環(huán)水入口、水蒸氣出口，所述高溫氣化氣入口與所述氣化裝置的高溫氣化氣出口相連。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述氣基豎爐還具有氣化氣入口；所述換熱裝置的水蒸氣出口與所述干化裝置的水蒸氣入口相連，所述換熱裝置的氣化氣出口與所述氣基豎爐的氣化氣入口相連。。

此外，本發(fā)明還提供了一種利用上述系統(tǒng)處理污泥及還原鐵的方法，所述方法包括如下步驟：

將污泥所述干化裝置進(jìn)行干化處理，蒸出污泥中的大部分水分，制得干化污泥；

將所述干化污泥送入所述蓄熱式旋轉(zhuǎn)床內(nèi)進(jìn)行熱解處理，制得熱解油氣混合物和熱解炭；

將所述熱解油氣混合物依次送入所述油氣分離裝置和所述凈化裝置，制得干凈的熱解氣；

將所述熱解氣送入所述變壓吸附裝置進(jìn)行分離，得到氫氣和燃料氣；

將所述氫氣送入所述氣基豎爐，用以還原鐵礦石；

將所述熱解炭送入所述氣化裝置進(jìn)行氣化，制備氣化氣。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，將所述熱解氣分離得到的燃料氣作為燃料送入所述蓄熱式旋轉(zhuǎn)床熱解所述污泥。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，在900℃-1000℃的溫度下，用水蒸氣或純氧作為氣化劑對(duì)所述熱解炭進(jìn)行氣化，得到的氣化氣為高溫氣化氣；再將所述高溫氣化氣與水進(jìn)行換熱，并將換熱后的氣化氣送入所述氣基豎爐中，用以還原鐵礦石。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述高溫氣化氣與水換熱后得到水蒸氣，將制得的所述水蒸氣作為熱源送入所述干化裝置，對(duì)所述污泥進(jìn)行干化處理。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述鐵礦石為含鐵量≤35％的低品位鐵礦石。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，在500℃-800℃的溫度下熱解所述污泥。在0.5MPa-2.5MPa的壓力下對(duì)所述熱解氣進(jìn)行分離，制備氫氣和燃料氣。

本發(fā)明采用蓄熱式旋轉(zhuǎn)床對(duì)干化處理后的污泥進(jìn)行熱解，將熱解炭進(jìn)行氣化，并將熱解氣進(jìn)行變壓吸附分離出氫氣等還原氣體及甲烷等燃料氣，最后將還原氣體及氣化氣通入氣基豎爐還原煉鐵，并將燃料氣用以熱解污泥，整個(gè)工藝成本低、無(wú)二噁英產(chǎn)生，環(huán)保效益好，獲得的海綿鐵品質(zhì)高，解決了污泥處理困難及還原煉鐵高能耗等問(wèn)題。

污泥熱解后制得的熱解炭大部分為無(wú)機(jī)物殘?jiān)ǔ６贾苯酉ń购筇盥裉幚恚景l(fā)明將其氣化，制備氣化氣，提高了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。

此外，本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益好，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和規(guī)模化。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的一種污泥處理耦合還原煉鐵的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的一種利用上述系統(tǒng)熱解污泥及還原鐵的工藝流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行更加詳細(xì)的說(shuō)明，以便能夠更好地理解本發(fā)明的方案以及其各個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。然而，以下描述的具體實(shí)施方式和實(shí)施例僅是說(shuō)明的目的，而不是對(duì)本發(fā)明的限制。

參見(jiàn)圖1，本發(fā)明提供的污泥處理耦合還原煉鐵的系統(tǒng)包括：干化裝置1、蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2、油氣分離裝置3、凈化裝置4、變壓吸附裝置5、氣基豎爐6、氣化裝置7、換熱裝置8。

干化裝置1具有污泥入口、干化污泥出口、干燥水出口、蒸汽入口、冷卻水出口。干化裝置1為間接干燥裝置，本發(fā)明采用蒸汽作為介質(zhì)，對(duì)污泥進(jìn)行間接干燥。

蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2，用于對(duì)污泥進(jìn)行熱解處理，制備熱解油氣和熱解炭。蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2具有原料入口、熱解水出口、熱解油氣混合物出口、熱解炭出口，原料入口與干化裝置1的干化污泥出口相連。

蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2包括干燥區(qū)和熱解區(qū)。熱解水出口布置于干燥區(qū)末端的側(cè)壁，以便在熱解水剛產(chǎn)生時(shí)就進(jìn)行收集，降低系統(tǒng)能耗；熱解油氣出口布置于熱解區(qū)末端的頂部，以便得到高品質(zhì)的熱解油氣；熱解炭出口布置于熱解區(qū)末端的底部，以便出料。

污泥含水量高，若直接進(jìn)入蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2，不僅會(huì)降低熱解的效率，還會(huì)增加系統(tǒng)能耗，導(dǎo)致運(yùn)行成本增加。此外，經(jīng)過(guò)熱解，這些水分會(huì)變成水蒸氣，隨著熱解油氣進(jìn)入后續(xù)設(shè)備中，會(huì)影響后續(xù)工藝的進(jìn)行。本發(fā)明在蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2前設(shè)置了干化裝置1，并將熱解水出口設(shè)置在蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2的干燥區(qū)末端的爐膛側(cè)壁，有效地解決了這一問(wèn)題。

油氣分離裝置3具有熱解油氣混合物入口、焦油出口、熱解氣出口，熱解油氣混合物入口與蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2的熱解油氣混合物出口相連。油氣分離裝置3用于分離熱解油和熱解氣。

凈化裝置4具有熱解氣入口、凈化熱解氣出口，熱解氣入口與油氣分離裝置3的熱解氣出口相連。凈化裝置4用于除去熱解氣中的雜質(zhì)，以獲得較為干凈的熱解氣，提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。

變壓吸附裝置5具有凈化熱解氣入口、氫氣出口和燃料氣出口，凈化熱解氣入口與凈化裝置4的凈化熱解氣出口相連。變壓吸附裝置5用于分離熱解氣，制備氫氣和燃料氣。

變壓吸附裝置5分離出來(lái)的燃料氣的熱值較高，圖1所示的系統(tǒng)中，變壓吸附裝置5的燃料氣出口與蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2的燃料氣入口相連，分離出的燃料氣直接送入了蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2，用以熱解污泥。這樣布置有利于降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。當(dāng)然，燃料氣也可收集儲(chǔ)存，外賣(mài)或另作他用。

氣基豎爐6具有氫氣入口、鐵礦石入口、海綿鐵出口、煙氣出口，氫氣入口與變壓吸附裝置5的氫氣出口相連。氣基豎爐6為鐵礦石的反應(yīng)裝置，用氫氣還原鐵礦石以煉鐵。

氣化裝置7具有熱解炭入口、氣化劑入口、高溫氣化氣出口、殘?jiān)隹冢瑹峤馓咳肟谂c蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2的熱解炭出口相連。氣化裝置7用于氣化熱解炭，制備氣化氣。

從氣化裝置7排出的氣化氣為高溫氣化氣，圖1所示的系統(tǒng)中，氣化裝置7后還布置有一換熱裝置8，換熱裝置8用于回收高溫氣化氣的熱量。換熱裝置8具有高溫氣化氣入口、氣化氣出口、循環(huán)水入口、水蒸氣出口，高溫氣化氣入口與氣化裝置7的高溫氣化氣出口相連。本發(fā)明中，換熱裝置8采用水與高溫氣化氣進(jìn)行換熱制備水蒸氣。需要說(shuō)明的是，換熱裝置8并不本系統(tǒng)所必須的裝置，氣化氣也可直接冷卻后儲(chǔ)存。

圖1所示的系統(tǒng)中，氣基豎爐6還具有氣化氣入口，換熱裝置8的氣化氣出口與氣基豎爐6的氣化氣入口相連。換熱后的氣化氣也用于還原鐵礦石。

此外，圖1所示的系統(tǒng)中，換熱裝置8的水蒸氣出口與干化裝置1的水蒸氣入口相連，這樣布置有利降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的一種處理污泥及還原鐵的工藝流程圖，包括如下步驟：

將污泥送入干化裝置1進(jìn)行干化處理，蒸出污泥中的大部分水分，制得干化污泥；

將干化污泥送入蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2內(nèi)進(jìn)行熱解處理，制得熱解油氣混合物和熱解炭；

將熱解油氣混合物依次送入油氣分離裝置3和凈化裝置4，制得干凈的熱解氣；

將熱解氣送入變壓吸附裝置5進(jìn)行分離，得到氫氣和燃料氣；

將氫氣送入氣基豎爐6，用以還原鐵礦石；

將熱解炭送入氣化裝置7進(jìn)行氣化，制備氣化氣。

本發(fā)明制得的熱解氣和焦油熱值較高。其中，焦油可以作為鍋爐燃料油使用，熱解氣可作為蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2的燃料使用，能降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

氣基豎爐直接還原煉鐵工藝還原速度快、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高、單機(jī)產(chǎn)能大。鐵礦石的含鐵量越少，越難還原煉鐵。而本發(fā)明所用的氣基豎爐能處理含鐵量≤30％的低品位鐵礦石。

經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明中，變壓吸附分離熱解氣時(shí)，優(yōu)選在0.5MPa-2.5MPa的壓力下對(duì)熱解氣進(jìn)行分離，制備氫氣和燃料氣。壓力太小，氫氣的得率低；壓力太大，設(shè)備的損耗大。變壓吸附所用的催化劑為常規(guī)催化劑。

優(yōu)選地，將蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2干燥區(qū)的蓄熱式輻射管的溫度設(shè)置為300℃-500℃，在此溫度下既能保證污泥中殘余的水分能完全被蒸發(fā)出來(lái)，又不會(huì)使污泥被熱解。當(dāng)然，也可根據(jù)污泥的含水率及干化裝置的干燥效果，適當(dāng)調(diào)整干燥區(qū)的溫度。

優(yōu)選地，將蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2熱解區(qū)的蓄熱式輻射管的溫度設(shè)置為500℃-800℃。在此溫度下，污泥既能被完全熱解，又不會(huì)造成能源的浪費(fèi)。當(dāng)然，也可根據(jù)污泥的原料成分，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整熱解溫度。

污泥熱解后制得的熱解炭大部分為無(wú)機(jī)物殘?jiān)ǔ６贾苯酉ń购筇盥裉幚恚景l(fā)明將其氣化，制備氣化氣，提高了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。

氣化熱解炭的氣化劑并不需要特別限定，但為了能將氣化氣用于還原鐵礦石，氣化氣中的還原性氣體的含量必須多。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用水蒸氣或純氧作為氣化劑對(duì)熱解炭進(jìn)行氣化時(shí)，得到的氣化氣中，還原性氣體含量較多。當(dāng)氣化劑為水蒸氣或純氧時(shí)，氣化的溫度優(yōu)選為900℃-1000℃。

本發(fā)明制得的氣化氣的主要成分為CO和H₂。

同前所述，熱解炭氣化制得的氣化氣為高溫氣化氣，與水進(jìn)行換熱后，水變?yōu)樗魵狻Ｓ捎谥频玫乃魵獾牧枯^多，可將該水蒸氣作為熱源對(duì)污泥進(jìn)行干化處理，有利于降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

上述系統(tǒng)中各裝置的有益效果和上述利用該系統(tǒng)熱解污泥及還原鐵的方法的有益效果有部分重疊，為了更加簡(jiǎn)潔，并未過(guò)多敘述。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了污泥熱解和還原煉鐵工藝的高效結(jié)合，不僅降低了運(yùn)行成本，提高了整個(gè)工藝的清潔性，還增加了經(jīng)濟(jì)效益，且易于工業(yè)化推廣。

下面參考具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。下述實(shí)施例中所取工藝條件數(shù)值均為示例性的，其可取數(shù)值范圍如前述發(fā)明內(nèi)容中所示。下述實(shí)施例所用的檢測(cè)方法均為本行業(yè)常規(guī)的檢測(cè)方法。

實(shí)施例1

本實(shí)施例采用圖1所示的系統(tǒng)及圖2所示的工藝路線對(duì)污泥進(jìn)行處理。所用污泥為某城市污水處理廠的污泥，其工業(yè)分析、元素分析如表1所示，具體處理流程如下：

將含水量為82％的污泥送入干化裝置1，得到40％左右的干燥水。將含水率降至約42％的干化污泥送入蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2，干燥區(qū)蓄熱式輻射管的溫度為300℃，熱解區(qū)蓄熱式輻射管的溫度為800℃。污泥在蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2中經(jīng)過(guò)熱解后，得到熱解水、熱解油氣混合物和熱解炭；將熱解油氣混合物送入油氣分離裝置3以及凈化裝置4，以便得到較為純凈的熱解氣和焦油；將熱解炭進(jìn)行氣化，氣化劑為水蒸氣，爐膛溫度為900℃，得到700℃左右的高溫氣化氣；將高溫氣化氣送入換熱裝置8，得到250℃左右的蒸汽；將蒸汽送入干化裝置1，對(duì)污泥進(jìn)行干化處理；將熱解氣通入變壓吸附裝置5，分離得到氫氣等還原氣體和燃料氣；將氫氣及氣化氣送入氣基豎爐6與含鐵量30％的鐵礦石進(jìn)行反應(yīng)，還原煉鐵，制得海綿鐵。氣基豎爐6的操作壓力為2.5MPa。

經(jīng)過(guò)冷卻、破碎、磁選后的海綿鐵的含鐵量為95％。

實(shí)施例2

本實(shí)施例采用圖1所示的系統(tǒng)及圖2所示的工藝路線對(duì)污泥進(jìn)行處理。所用污泥為某城市污水處理廠的污泥，其工業(yè)分析、元素分析如表1所示，具體處理流程如下：

將含水量為85％的污泥送入干化裝置1，得到42％左右的干燥水。將含水率降至43％的干化污泥送入蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2，干燥區(qū)蓄熱式輻射管的溫度為400℃，熱解區(qū)蓄熱式輻射管的溫度為500℃。污泥在蓄熱式旋轉(zhuǎn)床2中經(jīng)過(guò)熱解后，得到熱解水、熱解油氣混合物和熱解炭；將熱解油氣混合物送入油氣分離裝置3以及凈化裝置4，以便得到較為純凈的熱解氣和焦油；將熱解炭進(jìn)行氣化，氣化劑為純氧，爐膛溫度為1000℃，得到700℃左右的高溫氣化氣；將高溫氣化氣送入換熱裝置8，得到300℃左右的蒸汽；將蒸汽送入干化裝置1，對(duì)污泥進(jìn)行干化處理；將熱解氣通入變壓吸附裝置5，分離得到氫氣等還原氣體和燃料氣；將氫氣及氣化氣送入氣基豎爐6與含鐵量35％的鐵礦石進(jìn)行反應(yīng)，還原煉鐵，制得海綿鐵。氣基豎爐6的操作壓力為0.5MPa。

經(jīng)過(guò)冷卻、破碎、磁選后的海綿鐵的含鐵量為96％。

表1污泥工業(yè)分析及元素分析

從上述實(shí)施例可知，本發(fā)明將中間產(chǎn)物氫氣及氣化氣用以還原煉鐵，提高了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此外，上述實(shí)施例所使用的鐵礦石的含鐵量小于30％，而制得的海綿鐵的含鐵量高于95％，也證明了本發(fā)明的經(jīng)濟(jì)性好。

綜上，本發(fā)明采用蓄熱式旋轉(zhuǎn)床對(duì)干化處理后的污泥進(jìn)行熱解，將熱解炭進(jìn)行氣化，并將熱解氣進(jìn)行變壓吸附分離出氫氣等還原氣體及甲烷等燃料氣，最后將還原氣體及氣化氣通入氣基豎爐還原煉鐵，并將燃料氣用以熱解污泥，整個(gè)工藝成本低、無(wú)二噁英產(chǎn)生，環(huán)保效益好，獲得的海綿鐵品質(zhì)高，解決了污泥處理困難及還原煉鐵高能耗等問(wèn)題。

污泥熱解后制得的熱解炭大部分為無(wú)機(jī)物殘?jiān)ǔ６贾苯酉ń购筇盥裉幚恚景l(fā)明將其氣化，制備氣化氣，提高了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。

此外，本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益好，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和規(guī)模化。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語(yǔ)應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通或兩個(gè)元件的相互作用關(guān)系。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

在本說(shuō)明書(shū)的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不必針對(duì)的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說(shuō)明書(shū)中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。