本發明屬于固體廢棄物資源化處理領域，具體涉及一種污泥資源化處理的系統及方法。

背景技術：

目前，常見的污泥處理技術有壓濾、干化、好氧堆肥、厭氧消化、焚燒等。其中，簡單的壓濾和干化只能把污泥脫水至50％-70％，剩余的污泥仍需要大量填埋處理，只能作為污泥的預處理使用。好氧堆肥和厭氧消化的目的均是把污泥制成有機肥料，最后作為產品出售，但污泥中含有較多有毒有害物質，其產品會污染農作物，因此難以產業化推廣。常見的焚燒技術雖然具有較好的減量化效果，但焚燒過程中會產生二噁英，嚴重影響居民身體健康，群體性事件也時有發生。

熱解技術是在無氧或絕氧的條件下，將有機物進行熱裂解，生成以H₂、CH₄、CO為主的可燃氣體、高熱值的燃料油及部分固定碳。等離子氣化技術是利用等離子體火炬對物料進行加熱，局部溫度可到5000℃以上，并能使反應室的溫度維持在1200℃左右，能迅速分解熱解油、二噁英等物質，并產生大量CO、H₂等合成氣。具有二次污染小、能源回收利用率高等特點。

但現有技術中，一些污泥回轉窯熱解工藝的熱解油產量較多，容易堵塞管道、腐蝕設備等，經常停車檢修，并且后端需要復雜的油水分離及凈化裝置，導致投資大大增加。此外，一些污泥豎爐等離子氣化技術，直接用等離子火炬對污泥進行氣化，由于污泥含水率較高，在處理大規模污泥時，該工藝的功率極大、耗電率非常高，因此導致運行成本增大，難以實現工業化應用。

技術實現要素：

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的目的在于提供一種新型的污泥資源化處理的系統及方法。

本發明首先提供了一種污泥資源化處理的系統，所述系統包括：

干化裝置，具有污泥入口、干化污泥出口、干燥水出口、熱水入口、冷卻水出口；

蓄熱式旋轉床，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，所述原料入口與所述干化裝置的干化污泥出口相連；

等離子氣化反應室，具有熱解油氣混合物入口、合成氣出口，所述熱解油氣混合物入口與所述蓄熱式旋轉床的熱解油氣混合物出口相連；以及

凈化裝置，具有合成氣入口、凈化合成氣出口，所述合成氣入口與所述等離子氣化反應室的合成氣出口相連。

在本發明的一些實施例中，所述系統還可以包括：

甲烷化裝置，具有凈化合成氣入口、混合氣出口和剩余氣體出口，所述凈化合成氣入口與所述凈化裝置的凈化合成氣出口相連；以及

分離裝置，具有混合氣入口、甲烷出口和剩余氣體出口，所述混合氣入口與所述甲烷化裝置的混合氣出口相連。

在本發明的一些實施例中，所述系統還包括熄焦裝置，所述熄焦裝置具有熱解炭入口、灰渣出口、熄焦水入口，所述熱解炭入口與所述蓄熱式旋轉床的熱解炭出口相連。

在本發明的一些實施例中，所述熄焦裝置的熄焦水入口與所述干化裝置的干燥水出口和/或所述干化裝置的冷卻水出口相連。

在本發明的一些實施例中，所述蓄熱式旋轉床包括干燥區和熱解區；所述熱解水出口布置于所述干燥區末端的側壁，所述熱解油氣混合物出口布置于所述熱解區末端的頂部。

此外，本發明還提供了一種利用上述系統處理污泥的方法，所述方法包括如下步驟：

將污泥所述干化裝置進行干化處理，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床內進行熱解處理，制得熱解油氣混合物和熱解炭；

將熱所述解油氣混合物通入所述等離子氣化反應室，制得包括CO、H₂的合成氣；

將所述合成氣送入所述凈化裝置進行凈化處理，制得純凈的CO、H₂的合成氣。

在本發明的一些實施例中，采用鎳基催化劑將所述合成氣制成甲烷。

在本發明的一些實施例中，所述污泥進行干化處理時還會產生干燥水和冷卻水，用所述干燥水和/或所述冷卻水對所述熱解炭進行熄焦處理。

在本發明的一些實施例中，在1150℃-1450℃的溫度下對所述解油氣混合物進行等離子氣化處理。

在本發明的一些實施例中，在650℃-950℃的溫度下熱解所述污泥。

本發明采用蓄熱式旋轉床對干化處理后的污泥進行熱解，并利用等離子氣化反應室對熱解油氣進行氣化，干燥水、冷卻水可作為熱解炭的熄焦用水，獲得的合成氣產率高、熱值高，實現了污泥的“無害化、減量化、資源化”。

此外，本發明的工藝簡單、運行成本低、資源化水平高、二次污染小，且易于實現工業化和規模化。

本發明提供的工藝中，熱解油的產率低，而合成氣的產率很高，不會發生管道堵塞、設備被腐蝕等現象，減少了生產成本。

在進一步的改進工藝中，將合成氣進一步制成了甲烷，提高了產品的經濟效益。

附圖說明

圖1為本發明實施例中的一種污泥資源化處理的系統的結構示意圖；

圖2為本發明實施例中的一種利用上述系統處理污泥的工藝流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本發明的方案以及其各個方面的優點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本發明的限制。

參見圖1，本發明提供的污泥資源化處理的系統包括：干化裝置1、蓄熱式旋轉床2、等離子氣化反應室3、凈化裝置4、甲烷化裝置5、分離裝置6和熄焦裝置7。

干化裝置1具有污泥入口、干化污泥出口、干燥水出口、熱水入口、冷卻水出口。干化裝置1為間接干燥裝置，本發明采用熱水作為介質，對污泥進行間接干燥。

蓄熱式旋轉床2，用于對污泥進行熱解處理，制備熱解油氣和熱解炭。蓄熱式旋轉床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。

蓄熱式旋轉床2包括干燥區和熱解區。熱解水出口布置于干燥區末端的側壁，以便在熱解水剛產生時就進行收集，降低系統能耗；熱解油氣混合物出口布置于熱解區末端的頂部，以便得到高品質的熱解油氣；熱解炭出口布置于熱解區末端的底部，以便出料。

污泥含水量高，若直接進入蓄熱式旋轉床2，不僅會降低熱解的效率，還會增加系統能耗，導致運行成本增加。此外，經過熱解，這些水分會變成水蒸氣，隨著熱解油氣混合物進入后續設備中，會影響后續工藝的進行。本發明在蓄熱式旋轉床2前設置了干化裝置1，并將熱解水出口設置在蓄熱式旋轉床2的干燥區末端的爐膛側壁，有效地解決了這一問題。

蓄熱式旋轉床2具體包括：殼體，殼體形成環狀爐腔，爐膛操作條件為微正壓；環形爐底，物料布在環形爐底上，呈連續轉動狀態；蓄熱式輻射管，多個所述蓄熱式輻射管設置在所述殼體的內周壁上。

等離子氣化反應室3利用等離子火炬的高溫氣化作用，使熱解油、烴類氣體等發生氣化、重組，以便得到CO、H₂等合成氣。

等離子氣化反應室3具有熱解油氣混合物入口、合成氣出口，熱解油氣混合物入口與蓄熱式旋轉床2的熱解油氣混合物出口相連。

本發明由于在氣化熔融前，先對污泥進行了熱解，因此，等離子氣化反應室3所需的等離子體火炬數量少，處理效率高，運行成本低。兩個以上等離子體火炬即可滿足工藝要求。

凈化裝置4用于除去從等離子氣化反應室3排出的合成氣中的硫化氫、氯化氫等雜質。凈化裝置4具有合成氣入口、凈化合成氣出口，合成氣入口與等離子氣化反應室3的合成氣出口相連。

甲烷化裝置5具有凈化合成氣入口、混合氣出口和剩余氣體出口，凈化合成氣入口與凈化裝置4的凈化合成氣出口相連。

分離裝置6具有混合氣入口、甲烷出口和剩余氣體出口，混合氣入口與甲烷化裝置5的混合氣出口相連。

圖1所示的系統也可不包括甲烷化裝置5和分離裝置6，合成氣可另作他用，諸如作為燃料直接燃燒，但將其制成甲烷，能提高產品的經濟價值。

熄焦裝置7具有熱解炭入口、灰渣出口、熄焦水入口，熱解炭入口與蓄熱式旋轉床2的熱解炭出口相連。

熄焦裝置7用于冷卻熱解炭，圖1所示的系統中，熄焦裝置7的熄焦水入口與干化裝置1的干燥水出口和冷卻水出口。這樣布置能有效降低整個工藝的生產成本。

需要說明的是，熄焦水入口可以只與干化裝置1的干燥水出口或冷卻水出口中的一個相連，并不局限于圖1所示的情況。此外，系統也可不包括熄焦裝置7，可采用其他方式對玻璃態熔渣進行冷卻。

圖1中，等離子氣化反應室3垂直布置在蓄熱式旋轉床2的熱解油氣混合物出口的上端，熱解油氣混合物不經冷卻直接通入等離子化反應室3內，減少了熱量的流失，提高熱利用率。當然還可采用保溫運輸的方式將熱解油氣送入等離子氣化反應室3中。同樣地，整個系統物料間的運輸都可采用保溫運輸的方式，可降低工藝運行成本。

圖2為本發明實施例中的一種處理污泥的工藝流程圖，包括如下步驟：

將污泥干化裝置1進行干化處理，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床2內進行熱解處理，制得熱解油氣混合物和熱解炭；

將熱解油氣混合物通入等離子氣化反應室3，制得包括CO、H₂的合成氣；

將合成氣送入凈化裝置4進行凈化處理，制得純凈的CO、H₂的合成氣。

同前所述，可采用鎳基催化劑將上述合成氣制成甲烷，提高產品的經濟價值。鎳基催化劑是一種性能優越的甲烷化催化劑，當然，也可采用其他催化劑代替，只要能將CO、H₂制成甲烷即可。

同前所述，污泥干化處理時還會產生干燥水和冷卻水，可采用干燥水、冷卻水中的一種或多種水對玻璃態熔渣進行熄焦處理。

等離子氣化反應室3得到的合成氣溫度較高，超過800℃，因此，可以利用所述合成氣的這部分熱量進行換熱產蒸汽，最后再利用蒸汽輪機發電。由于余熱進行了有效利用，所以整個工藝的熱利用率較高。

合成氣中含有較多CO、H₂等可燃氣，而蓄熱式輻射管又需要為污泥熱解提供熱量，因此可以將所述合成氣用于蓄熱式輻射管燃燒供熱，降低工藝運行成本，減少污染物排放。當然，蓄熱式輻射管也使用電能進行產熱，這個并不需要特別限定。

優選地，將蓄熱式旋轉床2干燥區的蓄熱式輻射管的溫度設置為350℃-550℃，在此溫度下既能保證污泥中殘余的水分能完全被蒸發出來，又不會使污泥被熱解。當然，也可根據污泥的含水率及干化裝置的干燥效果，適當調整干燥區的溫度。

優選地，將蓄熱式旋轉床2熱解區的蓄熱式輻射管的溫度設置為650℃-950℃。在此溫度下，污泥既能被完全熱解，又不會造成能源的浪費。當然，也可根據污泥的原料成分，適當地調整熱解溫度。

同前所述，由于在氣化熔融前，先對污泥進行了熱解，因此，氣化熔融反應的溫度不需要太高。經過大量實驗發現，在1150℃-1450℃的溫度下對熱解油氣及熱解炭進行氣化熔融處理即可。溫度太高，浪費能源。

本發明中，污泥在蓄熱式旋轉床2熱解產生的熱解油很少，且制得的熱解油氣混合物中的烴類氣體含量極少，熱解油氣混合物進入等離子氣化反應室3后，在1150℃-1450℃的溫度下能瞬間被氣化，生成大量的含有CO、H₂等的合成氣，因此，合成氣的產率高。且由于熱解油產量少，不會發生管道堵塞、設備被腐蝕等現象，減少了生產成本。

上述系統中各裝置的有益效果和上述利用該系統處理污泥的方法的有益效果有部分重疊，為了更加簡潔，并未過多敘述。

本發明實現了污泥熱解和氣化熔融的高效結合，不僅降低了運行成本，還提高了合成氣的產率，余熱回收利用率高、資源化水平高、產品經濟效益好、不產生二噁英、二次污染小。

下面參考具體實施例，對本發明進行說明。下述實施例中所取工藝條件數值均為示例性的，其可取數值范圍如前述發明內容中所示。下述實施例所用的檢測方法均為本行業常規的檢測方法。

實施例1

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

將含水率88％的污泥送入干化裝置1中，產生47％的干燥水，剩下41％含水率的污泥再進入蓄熱式旋轉床2。干化裝置1采用熱水為介質對污泥進行干燥。在干燥區的蓄熱式輻射管的溫度為400℃，熱解區的蓄熱式輻射管的溫度為950℃。污泥在蓄熱式旋轉床2中依次經過干燥、熱解制氣等過程，最后得到的熱解水從干燥區末端的爐膛側壁(熱解水出口)流出，進入污水處理站處理；熱解油氣混合物在熱解區末端的頂部(熱解油氣混合物出口)排出，進入等離子氣化反應室3；熱解炭在蓄熱式旋轉床2的末端底部(熱解炭出口)通過螺旋輸送裝置排出，送至熄焦裝置7中，用干化裝置1產生的干燥水和冷卻水將熱解炭冷卻。其中，等離子氣化反應室的溫度為1150℃。將等離子氣化反應室3產生的合成氣進行凈化處理，以便得到純凈的CO、H₂等合成氣。最后將合成氣通入甲烷化裝置5，甲烷化裝置5中含有鎳基催化劑，同時利用分離裝置6將剩余氣體經過凈化后達標排放。熱解產生的熱解炭大部分為無機物殘渣，直接運至填埋場進行處置。

合成氣的產率為50％(按入爐干基)，熱解炭的產率為41％(按入爐干基)，最終制得的甲烷占合成氣的產率為70％。

實施例2

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

將含水率85％的污泥送入干化裝置1中，產生45％的干燥水，剩下40％含水率的污泥再進入蓄熱式旋轉床2。干化裝置1采用熱水為介質對污泥進行干燥。在干燥區的蓄熱式輻射管的溫度為400℃，熱解區的蓄熱式輻射管的溫度為650℃。污泥在蓄熱式旋轉床2中依次經過干燥、熱解制氣等過程，最后得到的熱解水從干燥區末端的爐膛側壁(熱解水出口)流出，進入污水處理站處理；熱解油氣混合物在熱解區末端的頂部(熱解油氣混合物出口)排出，進入等離子氣化反應室3；熱解炭在蓄熱式旋轉床2的末端底部(熱解炭出口)通過螺旋輸送裝置排出，送至熄焦裝置7中，用干化裝置1產生的干燥水和冷卻水將熱解炭冷卻。其中，等離子氣化反應室的溫度為1450℃。將等離子氣化反應室3產生的合成氣進行凈化處理，以便得到純凈的CO、H₂等合成氣。最后將合成氣通入甲烷化裝置5，甲烷化裝置5中含有鎳基催化劑，同時利用分離裝置6將剩余氣體經過凈化后達標排放。熱解炭大部分為無機物殘渣，直接運至填埋場進行處置。

合成氣的產率為48％(按入爐干基)，熱解炭的產率為36％(按入爐干基)，最終制得的甲烷占合成氣的產率為65％。

表1 污泥工業分析及元素分析

實施例1和實施例2的制得的合成氣的產率大于30％，熱解炭的產率大于25％。熱解油的產率遠小于一些污泥回轉窯熱解工藝的熱解油產率。

此外，甲烷的產率也比較高，大于60％，說明本發明的技術方案是可行。

綜上，本發明采用蓄熱式旋轉床對干化處理后的污泥進行熱解，并利用等離子氣化反應室對熱解油氣混合物進行氣化，干燥水、冷卻水可作為熱解炭的熄焦用水，獲得的合成氣產率高、熱值高，實現了污泥的“無害化、減量化、資源化”。

此外，本發明的工藝簡單、運行成本低、資源化水平高、二次污染小，且易于實現工業化和規模化。

本發明提供的工藝中，熱解油的產率低，而合成氣的產率很高，不會發生管道堵塞、設備被腐蝕等現象，減少了生產成本。

在進一步的改進工藝中，將合成氣進一步制成了甲烷，提高了產品的經濟效益。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關系。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。

最后應說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之中。