CN109536185A - 城市有机固废耦合干化热解气化系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种城市有机固废耦合干化热解气化系统，包括依次连接的污泥进料收储装置、预干燥装置、旋风分离器、污泥专用布袋和烟气余热回收装置，旋风分离器和污泥专用布袋的污泥出口与旋风流化床气化炉连接，旋风流化床气化炉与高温分离器连接，高温分离器与二燃室连接，二燃室产生的高温烟气作为预干燥装置的热源，高温分离器和二燃室产生的灰渣通过冷渣输送机降温后送入灰渣仓。本发明通过系统集成和优化，采用预干燥与热解气化两段式工艺，工艺可控性和可操作性强。相比传统固定床或蒸汽干化与流化床气化组合工艺，热效率提高10～15％。污泥通过热解气化相较于直接焚烧，大大降低了NOx、SOx及有害物资的排放，降低了尾气处理成本。

Description

城市有机固废耦合干化热解气化系统

技术领域

本发明涉及生态环保领域，更具体地说，涉及一种城市有机固废耦合干化热解气化系统。

背景技术

据预测，2020年的城市污水厂污泥产量将达到8000多万吨。污泥中含水量高，易腐烂有强烈臭味，并且含有大量病原菌、寄生虫卵以及铬、汞等重金属和二恶英等难以降解的有毒有害及致癌物质。如何将污泥进行无害化、资源化处理是重大的环保课题。

解决污泥问题应“以处置定处理”，污泥的处置方式主要有卫生填埋、土地利用、生产建材和焚烧等。卫生填埋受制于土地有限和存在对土壤以及地下水造成污染的隐患等问题应用日益减少。土地利用则受制于追溯管理难度大、工业化利用产业链难以打通等问题捉肘见襟。建材利用和污泥焚烧是适合中国国情的可行性强的污泥处置方式。

污泥热解气化，采用缺氧的还原性气氛对污泥进行热化学处置，其NOx、SOx和重金属等污染物的排放远远低于焚烧过程中的排放量，作为传统焚烧的升级工艺是未来发展的重要方向之一。

目前污泥等有机固废热解气化多采用外热式回转式炉、固定床等常规设备，与脱水污泥灰分含量高、灰熔点低等特性不相匹配，气化得率低(＜50％)气化不彻底。AG公司德国巴林根污泥气化项目、日本的东京都下水道局开发了利用干污泥气化产气发电的系统均采用蒸汽预干燥，系统复杂，能量转换链条长，热损耗大，未实现干化与热解气化的真正耦合。

因此，开发适合污泥特性的气化炉提高气化得率，通过热解气化系统与预干燥装置的高度耦合，提高系统综合热效率，降低运行成本及提高设备稳定性、可靠性是污泥热解气化规模化工程应用和事项技术经济可行性的关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种城市有机固废耦合干化热解气化系统，可以提高系统综合热效率，降低运行成本及提高设备稳定性、可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种城市有机固废耦合干化热解气化系统，包括依次连接的污泥进料收储装置、预干燥装置、旋风分离器、污泥专用布袋和烟气余热回收装置，所述旋风分离器和污泥专用布袋的污泥出口与旋风流化床气化炉连接，旋风流化床气化炉与高温分离器连接，高温分离器与二燃室连接，二燃室产生的高温烟气作为预干燥装置的热源，高温分离器和二燃室产生的灰渣通过冷渣输送机降温后送入灰渣仓。

上述方案中，所述烟气余热回收装置还依次与化学预处理洗涤塔、生物除臭系统、活性炭催化吸附装置和烟囱连接。

上述方案中，所述污泥专用布袋与旋风流化床气化炉之间设置有气力输送设备。

上述方案中，所述旋风流化床气化炉包括设置在底部的灰渣输送螺旋，所述灰渣输送螺旋上方设有风管区，所述风管区上方设有密相燃烧区，所述密相燃烧区内设有布风板，所述密相燃烧区内壁上还设有点火装置，所述密相燃烧区上还设有湿污泥进口和生物质进口，所述密相燃烧区上方设有干燥区，所述干燥区上还设有气化出口。

上述方案中，所述风管区内设有风管，所述风管底端与灰渣输送螺旋连通，所述风管顶端设有风室，所述风室顶部与布风板连接，所述风管外周设有排渣通道。

上述方案中，所述密相燃烧区上方设有稀相区，所述稀相区内周设有上宽下窄的导流板，所述稀相区顶端与干燥区连通。

上述方案中，所述密相燃烧区上还设有蒸汽喷射管。

上述方案中，所述干燥区顶部设有放散管。

上述方案中，所述布风板包括由多个扇形组成的风帽板，所述每个扇形风帽板上均匀布置有风帽，所述风帽底部设置有风碟。

上述方案中，所述布风板外周与炉体间间距为5～10mm，所述布风板的进气风速为15～20m/s。

实施本发明的城市有机固废耦合干化热解气化系统，具有以下有益效果：

1、本发明通过系统集成和优化，采用预干燥与热解气化两段式工艺，工艺可控性和可操作性强。旋风流化床气化炉热解气化产生的可燃气体经二燃室产生高温热风为预干燥提供热量，能量梯度利用降低了系统能耗，系统热效率＞80％，相比传统固定床或蒸汽干化与流化床气化组合工艺，热效率提高10～15％。污泥通过热解气化相较于直接焚烧，大大降低了NOx、SOx及有害物资的排放，降低了尾气处理成本。

2、本发明克服了常规机械流化装置，对高含水量高粘度污泥磨损大，容易发生黏壁堵塞等问题。预干燥装置干燥后污泥颗粒为2～5mm，与流化床床料粒径基本一致，结合生物质密度轻、燃点低等特点，在常规流化床的基础上设置旋流区，加强了生物质与污泥的气化反应停留时间，污泥、生物质气化后灰渣作为床料的一部分进行多次循环反应，热解气化彻底。实现了污泥与生物质等其他有机固废的热解气化耦合。

3、本发明采用二燃室的余热烟气干化作为预干燥装置的热源，相比传统蒸汽干燥来说减少了热量转换环节，系统热效率提高了10％以上。预干燥装置干化系统与旋风流化床气化炉热解气化系统的高度耦合，系统流程简短，中间环节少相比传统工艺总投资减少10～20％，运行成本降低15～25％。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明城市有机固废耦合干化热解气化系统的结构示意图；

图2是旋风流化床气化炉的结构示意图；

图3是布风板结构示意图；

图4为风碟结构示意图；

图5为风帽结构示意图；

图6为风蝶与风帽在布风板上布置示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明城市有机固废耦合干化热解气化系统，包括依次连接的污泥进料收储装置1、预干燥装置2、旋风分离器4、污泥专用布袋5和烟气余热回收装置10。

旋风分离器4和污泥专用布袋5的污泥出口与旋风流化床气化炉7连接，旋风流化床气化炉7与高温分离器8连接，高温分离器8与二燃室9连接，二燃室9产生的高温烟气作为预干燥装置2的热源，高温分离器8和二燃室9产生的灰渣通过冷渣输送机15降温后送入灰渣仓3。烟气余热回收装置10还依次与化学预处理洗涤塔11、生物除臭系统12、活性炭催化吸附装置13和烟囱14连接。

污泥进料收储装置1由污泥接收仓、若干喂料螺旋及计量螺旋组成。城市污泥采用密封式运输车或污泥泵输送至进料收储计量系统中污泥接收仓中调节均衡后续系统流量，经污泥接收仓底部计量螺旋计量并输送至预干燥装置2。

预干燥装置2采用中国专利CN205115263U公开的一种利用低温烟气的污泥干化设备。预干燥装置2包括干燥筒、离心式雾化盘、热风分布器、螺旋加料器和变速电机。污泥进料收储装置1输送来脱水污泥通过干化设备底部离心雾化器高速离心作用转化为小粒径雾化态，雾化后污泥与生物质气热风系统来余热烟气通过大比表面积的热质交换以及通过高速离心破壁作用，将污泥中的水分迅速蒸发带出。预干燥装置2专门针对脱水污泥粘滞度高、传统回转式或间接换热式干化设备容易黏壁、堵塞、换热效率低等问题而开发的装置，通过高速离心雾化提高了污泥与高温烟气的接触比表面积，换热充分且时间仅需2～6S，整个干化系统占地面积小、工作效率高。

干化后污泥由螺旋或气力输送设备6输送至旋风流化床气化炉7内热解气化降解为灰渣和热解气，气化后灰渣可用于水泥掺加料、陶粒、保温材料等建材利用。热解气经两级高温分离器8后可燃气在二燃室9中燃烧产生高温热风烟气，用于预干燥装置2的热源。热解气化系统采用旋风流化床气化炉7，气化炉布风板为锥形布风，且下部风室根据上部锥形布风特定确定给风量，锥形布风使床料在燃烧气化过程中形成内回旋，密相区污泥和生物质经过多次循环，气化停留时间长，解决了干污泥比重高、生物质比重低导致的密相区停留时间不足的问题，实现了污泥和生物质气化的协同效应，可大大提高床体气化效率和燃料的利用率，气化得率＞85％，气化系统热效率＞90％，灰渣中最终残碳可控制＜5％以内。

如图2～6所示的旋风流化床气化炉7，包括设置在底部的灰渣输送螺旋709，灰渣输送螺旋709上方设有风管区701，风管区701上方设有密相燃烧区702，密相燃烧区702内设有布风板710，密相燃烧区702内壁上还设有点火装置713，密相燃烧区702上还设有湿污泥进口706和生物质进口707，密相燃烧区702上方设有干燥区705，干燥区705上还设有气化出口712。风管区701内设有风管708，风管708底端与灰渣输送螺旋709连通，风管708顶端设有风室715，风室715顶部与布风板710连接，风管708外周设有排渣通道716。密相燃烧区702上方设有稀相区704，稀相区704内周设有上宽下窄的导流板711，稀相区704顶端与干燥区705连通。密相燃烧区702上还设有蒸汽喷射管703。干燥区705顶部设有放散管714。布风板710包括由多个扇形组成的风帽板710a，每个扇形风帽板710a上均匀布置有风帽710b，风帽710b底部设置有风碟710c。

在本实施例中，布风板710外周与炉体间间距为10mm，布风板710的进气风速为20m/s。稀相区704的导流板711收缩度为50％。灰渣输送螺旋709、风管区701、密相燃烧区702、干燥区705、稀相区704的总高度为20m，密相燃烧区702的直径为5m。

本发明在实际使用时：

如图2～6所示的旋风流化床气化炉7，包括用以生物质与污泥堆积与燃烧的密相燃烧区702、用以控制燃烧区3温度的蒸汽喷射管703、用以收集燃烧后产物的排渣通道716、用以生物质与污泥共气化的稀相区704、用以气化产出气进行干燥的干燥区705、用以污泥进料的湿污泥进口706、用以生物质进料的生物质进口707、用以炉内供燃的空气风管708、用以灰渣外排收集的灰渣输送螺旋709、用以炉内密相燃烧区702形成旋风的布风板710、用以生物质污泥气化气流动导流板711、用以气化气排出的气化出口712、用以点火助燃的点火装置713、用以气化炉在启动、停止或应急停止时进行排烟或安全放散的放散管714、用以流化风的混合分配，使布风板710上风量分布均匀的风室715。

气化炉通过风机鼓风，从空气风管708进入到风室715，完成流化风的混合分配，通过布风板710的布风作用，进入气化炉中。

气化炉的气-固呈逆向流动，生物质与湿污泥从生物质进口707、与湿污泥进口706加入后，被上升的热气流干燥而将水蒸气排除，干燥了的污泥在稀相区704扩大段被上升气流加热分解释放出挥发分，生物质与污泥中气化后的气体在密相燃烧区702上升，余下的生物质与污泥在密相燃烧区702空气氧化，放出的燃烧热量为整个气化过程提供热源。生物质气由导流板711通过干燥区705干燥后由气化出口712进入后续工段，燃烧产物通过排渣通道716进入灰渣输送螺旋709排出。

在本实施例中，对气化炉启动、停止时可开启顶部放散管714进行排烟。炉内温度过高超过燃料的灰熔点而造成床层结渣可通过蒸汽喷射管703降温控制密相燃烧区702温度。炉膛为圆形构造，布风板710为多个扇形组成近似圆的多边形，与炉体间间距为10mm，有利于灰渣的下落。布风板710进气风速为20m/s，气化炉高度为20m，气化炉高径比为5：1。

在本实施例中，稀相区705设置导流板711，导流板711的收缩度为50％，炉径与收缩距离比为3。

高温分离器8及二燃室9中产生的灰渣经冷渣输送机15降温至100℃以下后送入灰渣仓3储存定期外运至外部建材利用单位进行资源化利用实现最终处置。

预干燥装置2产生的尾气进入分离除尘系统及除臭系统，经旋风分离器4、污泥专用布袋5将干燥后干污泥和烟气分离，烟气进入烟气余热回收装置10，烟气余热回收装置10采用翘片强化空气对流冷凝器，预热后热空气送入气化系统、二燃室9，相比传统喷水冷却方式回收了尾气中热量，能量利用率提高8％～15％。

经余热回收后烟气经化学预处理洗涤塔11进一步冷却和净化处理，也可根据情况投加氧化剂，净化后尾气进入生物除臭系统12，进入活性炭催化吸附装置13进一步处理后达标，经引风机、烟囱14有组织排放。

具体实例：

某污水厂脱水污泥(含水率80％)120吨/天，采用干污泥输送螺杆泵送入污泥进料收储装置，进入预干燥装置进行干化，将含水率降低至20～30％，减量为30～34.3吨。干化后污泥经罗茨风机气力输送设备送入旋风流化床气化炉，热解反应温度为600～800℃，经热解反应产生11.0～13.0吨灰渣和热解气，灰渣经冷渣输送机冷却至100℃后由仓泵密相输送入灰渣仓后外运输送到制砖厂制造行道砖等产品实现最终处置和资源化利用，可燃气经高温分离器分离出灰渣后送入二燃室产生高温烟气作为预干燥装置热源进行余热干燥。

本工艺中预干燥装置中尾气经污泥专用布袋、碱液喷淋吸收、化学预处理洗涤塔、活性炭催化吸附装置等尾气净化及除臭系统处理达标，由引风机、烟囱有组织排放。

本工艺采用尾气余热预热二燃室、气化系统助燃空气，实现了能量的梯度利用，相比采用余热锅炉制蒸汽方式减少了中间环节的能量耗损，烟气干化系统采用高速离心雾化相比传统螺旋搅拌方式运行故障率低，传统蒸汽干燥来说减少了热量转换环节，系统热效率提高了10％以上。干化系统与热解气化系统的高度耦合，系统流程简短，中间环节少相比传统工艺总投资减少10～20％，运行成本降低15～25％。

表.1.原泥工业分析

表.2.灰渣工业分析

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种城市有机固废耦合干化热解气化系统，包括依次连接的污泥进料收储装置、预干燥装置、旋风分离器、污泥专用布袋和烟气余热回收装置，其特征在于，所述旋风分离器和污泥专用布袋的污泥出口与旋风流化床气化炉连接，旋风流化床气化炉与高温分离器连接，高温分离器与二燃室连接，二燃室产生的高温烟气作为预干燥装置的热源，高温分离器和二燃室产生的灰渣通过冷渣输送机降温后送入灰渣仓。

2.根据权利要求1所述的城市有机固废耦合干化热解气化系统，其特征在于，所述烟气余热回收装置还依次与化学预处理洗涤塔、生物除臭系统、活性炭催化吸附装置和烟囱连接。

3.根据权利要求1所述的城市有机固废耦合干化热解气化系统，其特征在于，所述污泥专用布袋与旋风流化床气化炉之间设置有气力输送设备。

4.根据权利要求1所述的城市有机固废耦合干化热解气化系统，其特征在于，所述旋风流化床气化炉包括设置在底部的灰渣输送螺旋，所述灰渣输送螺旋上方设有风管区，所述风管区上方设有密相燃烧区，所述密相燃烧区内设有布风板，所述密相燃烧区内壁上还设有点火装置，所述密相燃烧区上还设有湿污泥进口和生物质进口，所述密相燃烧区上方设有干燥区，所述干燥区上还设有气化出口。

5.根据权利要求4所述的城市有机固废耦合干化热解气化系统，其特征在于，所述风管区内设有风管，所述风管底端与灰渣输送螺旋连通，所述风管顶端设有风室，所述风室顶部与布风板连接，所述风管外周设有排渣通道。

6.根据权利要求5所述的城市有机固废耦合干化热解气化系统，其特征在于，所述密相燃烧区上方设有稀相区，所述稀相区内周设有上宽下窄的导流板，所述稀相区顶端与干燥区连通。

7.根据权利要求6所述的城市有机固废耦合干化热解气化系统，其特征在于，所述密相燃烧区上还设有蒸汽喷射管。

8.根据权利要求7所述的城市有机固废耦合干化热解气化系统，其特征在于，所述干燥区顶部设有放散管。

9.根据权利要求4～8中任意一项所述的城市有机固废耦合干化热解气化系统，其特征在于，所述布风板包括由多个扇形组成的风帽板，所述每个扇形风帽板上均匀布置有风帽，所述风帽底部设置有风碟。

10.根据权利要求9所述的城市有机固废耦合干化热解气化系统，其特征在于，所述布风板外周与炉体间间距为5～10mm，所述布风板的进气风速为15～20m/s。