一种利用污泥和煤泥共水热碳化制备清洁燃料方法与流程

1.本发明涉及污泥和煤泥清洁高效利用的技术领域，具体涉及一种利用污泥和煤泥共水热碳化制备清洁燃料方法。


背景技术：

2.根据国家住建部公报预计2020年将达到9000万吨。污泥成分复杂，含有大量的病原微生物、重金属和硫氮等元素，并且污泥的含水率高，脱水性能差，已经成为全球最棘手的问题之一。我国的污泥处理与处置技术还集中在常规的焚烧、填埋等。然而焚烧虽可以实现污泥的减量化，但在焚烧过程中产生的so2、no
x
会严重污染环境；污泥的填埋会占用大量的土地资源，并且会对土壤和地下水造成污染。
3.另外，由于我国煤炭开采量大，每年产生的煤泥可达2亿吨。其中，煤泥多为半流质含煤的固体物，是洗煤过程中所产生的副产品，具有黏性大、脱水非常困难，热值低的特点，并且会污染周围土壤和地下水，对其周围环境影响极大。目前煤泥的主要利用方式是燃烧发电，然而由于煤泥的含水率高、热值低，会直接导致锅炉的热效率降低。
4.中国发明专利cn103723899a公开了一种基于厌氧消化和水热碳化的污泥综合处理方法，首先将污泥经过厌氧发酵产生沼气，然后再经过水热碳化得到污泥水热碳。该方法过程复杂，所需设备较多，并且经过发酵污泥进行水热碳化后，由于含碳量降低，导致水泥水热碳的品质降低。
5.中国发明专利申请cn 108358421 a公开了一种污泥水分脱除同时制备固体燃料的方法，在污泥经过热调理后，加入增碳剂后进行脱水处理、热干燥处理，该方法并不能有效的提高污泥脱水效率，在热干燥处理时会造成大量的能耗。
6.综上，亟需发展一种简单、清洁、高效的污泥和煤泥资源化利用的方法。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种清洁、高效的污泥和煤泥共水热碳化制备清洁燃料的方法。
8.为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
9.一种利用污泥和煤泥共水热碳化制备清洁燃料方法，包括如下步骤：
10.步骤1，将污泥和煤泥混合，在160～320℃下水热碳化反应0.5～4h；
11.步骤2，经过水热碳化反应后，所得的碳浆经过液固分离，即可得到污泥和煤泥水热碳化制备的清洁燃料。污泥中含有大量的硫氮元素，并且具有含水率大、灰分含量高等特点。直接将其用作燃烧，不仅会释放出大量的sox、nox等污染物，会影响锅炉热效率和运行的稳定性。本发明将污泥与煤泥进行协同水热碳化反应，经过水热反应后，固相产物中的硫逐步转化为硫酸盐硫、噻吩硫等形态，而氮逐步转化为铵态氮、吡啶、吡咯等形态，并且有相当一部分的硫氮转移到液相中，这使其固相产物在后续的利用过程更加环保、清洁；另外，经过水热反应后，污泥和煤泥中的挥发分降低，在燃烧过程中更加稳定；水份更容易脱除，
降低了其后续干燥过程的能耗。
12.进一步，所述步骤1中污泥为污水处理厂的剩余污泥或造纸、印染行业所产生的工业污泥，含水率为80～90％。污泥资源化利用的最大瓶颈是含水率过高，污泥的干化和脱水成为污泥利用的最大障碍。由于污泥中的水分有相当一部分是属于细胞内部水，简单的机械压滤等脱水方式无法脱除，导致污泥的含水率高达80～90％。水热碳化技术正是以水为反应介质，非常适合处理高含水的固废。
13.进一步，所述步骤1中煤泥为动力煤洗煤厂的洗选煤泥或煤炭水力输送后产出的煤泥，含水率为20～40％。动力煤洗煤厂的洗选煤泥或煤炭水力输送后产出的煤泥的含水率高，组成相对稳定，并且其产量较大。将其用作原料与污泥进行水热碳化制备清洁燃料，保证原料性质稳定，保证所制备产品的质量。而其他类型的煤泥如：炼焦煤选煤厂的浮选尾煤，其性质与煤矸石相似，并不适合水热碳化；矿井排水夹带的煤泥，其特点是数量不多，质量不稳定，难以保证后续产品的质量稳定性。
14.进一步，所述步骤1中污泥与煤泥的质量比为3～10:7～0。本技术方案所利用的主要原料均是固体废弃物，可实现污泥、煤泥等固废的大宗利用。单独使用污泥经过水热碳化制备清洁燃料存在一定的困难。一方面，污泥中的灰分较高，将其用作燃料导致燃烧不稳定、热值低等问题，并且其硫、氮含量较高，污染物排放压力大，将煤泥加入与污泥进行协同水热碳化时，由于煤泥的碳含量较高，灰分较少，会提高燃烧的稳定性和热值，并且污泥中由于存在多糖、脂质、蛋白质等物质，在水热碳化过程中会释放一定的有机酸，促进煤泥水热碳化反应的进行。经过合理优化两种原料的配比，将灰分控制在30～55％之间，可得到高质量、清洁的燃料。
15.进一步，所述步骤1中水热碳化反应之前向污泥和煤泥加入柠檬酸，调节ph为2～7。水热碳化本质是一种热化学反应，在该过程中主要发生了脱水、水解、解聚、聚合等多种反应。在加入酸作为催化剂可促进水热碳化的进行，达到缩短反应时间、加快反应进程等效果。柠檬酸的价格低廉，且为固体，运输、储存等非常方便，最重要的是相较于硫酸、硝酸等无机酸，并不会引入硫、氮元素，因此是一种十分环保的催化剂。
16.进一步，所述步骤2中固液分离采用机械脱水。污泥资源化利用的最大瓶颈是含水率过高，污泥的干化和脱水成为污泥利用的最大障碍。由于污泥中的水分有相当一部分是属于细胞内部水，简单的机械压滤等脱水方式无法脱除，导致污泥的含水率高达80～90％。然而经过水热碳化反应后，污泥中的细胞结构破坏，使得水分较为容易的脱除。因此选用机械脱水的方式即可脱除大部分的水分。
17.更进一步，所述机械脱水为使用板框式、带式压滤机的脱水方式。
18.进一步，所述步骤2中在固液分离之后使用热干燥的方式进行进一步的脱水和干燥。污泥和煤泥经过水热碳化所形成的固液混合物，通过压滤的方式，脱除部分的水分，在通过加热等方式进一步脱水，可更好的存储、运输和利用。
19.与现有技术相比本发明具有以下优点：
20.本发明提供的基于水热碳化处理污泥和煤泥制备清洁燃料的方法：(1)以产量巨大的污泥和煤泥等固废为原料，通过水热碳化的方法制备了一种新型的水热碳，该过程能耗低、基本无污染物排放，实现了固废的高效清洁利用；(2)本发明首次将污泥和煤泥掺混进行水热碳化，两者共水热碳化具有协同效应，有利于提高水热碳的热值和脱硫率；(3)采
用该方法制备水热碳过程简单、并且污泥和煤泥中含有的硫氮部分脱除，因此所制备出的水热碳作为燃料具有清洁环保等特点；(4)经过水热碳化后，由于污泥中的微生物结构破坏，水分更容易脱除，因此在水热碳脱水阶段能耗更小。
附图说明
21.图1为污泥原样、煤泥原样及污泥煤泥混合物(质量比1:1)在240℃下反应4h的水热碳的tg和dtg曲线。
具体实施方式
22.下面将结合实施方式对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员应该理解，下列实施方式和实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
23.实施例1
24.一种利用污泥和煤泥共水热碳化制备清洁燃料方法，包括如下步骤：
25.将污泥(太原市晋阳污水处理厂)、及煤泥(襄垣县宏鲁洗选煤有限公司)，污泥和煤泥按照不同的质量比(分别是3：7、5：5、7：3)混合分别放入水热反应釜中，其中污泥的含水率为85％，煤泥的含水率为35％。水热碳化的反应温度为240℃并保持2h，反应结束后待反应釜冷却至室温后，将反应釜内的碳浆通过微型板框式压滤机脱水。
26.结果分析：为了研究污泥和煤泥共水热碳化的协同效应，将实测的数据和假设单独水热处理的物理混合理论值进行比较，提出一个无量纲的参考指标：协同系数k。举例说明：假设污泥和煤泥的混合比例为7：3，且污泥单独水热的实测值为h
ss
，煤泥单独水热的实测值为h
sl
，则其理论值h
v
：
[0027][0028]
热值的协同系数k为：
[0029][0030]
其中，h为污泥和煤泥以7：3混合水热碳化后水热碳的实测热值。其理论热值、硫含量及协同系数如表1所示：
[0031]
表1污泥、煤泥及其共水热碳的理论热值、硫含量及协同系数
[0032]
[0033][0034]
污泥和煤泥经过共水热碳化反应后，其热值和脱硫效率均有所提高，说明污泥和煤泥协同水热碳化存在协同效应，并且制备的水热碳具有清洁、高效、环保的优点。
[0035]
实施例2
[0036]
一种利用污泥和煤泥共水热碳化制备清洁燃料方法，包括如下步骤：
[0037]
将1kg生活污泥(太原市晋阳污水处理厂)和1kg煤泥(襄垣县宏鲁洗选煤有限公司)放入水热反应釜中，其中污泥的含水率为80％，煤泥的含水率为35％，水热碳化的反应温度为280℃并保持1h，反应结束后待反应釜冷却至室温后，将反应釜内的碳浆通过微型板框压式滤机脱水。
[0038]
结果分析：将煤泥与污泥通过本发明方法处理后，其结果如表2所示：
[0039]
表2污泥、煤泥及其共水热碳的理论热值、硫含量及协同系数
[0040][0041]
根据上述结果，分析可知：当水热碳化的反应温度为280℃，污泥和煤泥共水热碳化的热值协同效应更为明显，协同系数达到了10.85％。
[0042]
实施例3
[0043]
一种利用污泥和煤泥共水热碳化制备清洁燃料方法，包括如下步骤：
[0044]
将1kg生活污泥(太原市晋阳污水处理厂)放入水热反应釜中，其中污泥的含水率为85％，加入适量柠檬酸调节ph至3～4，水热碳化的反应温度为240℃并保持1h，反应结束后待反应釜冷却至室温后，将反应釜内的碳浆通过微型板框压滤机脱水。
[0045]
结果分析：将煤泥与污泥通过本发明方法处理后，其结果如表3所示，加入柠檬酸辅助后，水热碳的热值明显提升，这是因为酸性条件可以促进原样的水解、碳化过程，使其形成聚合程度更高的结构。
[0046]
表3污泥原样及水热碳的热值
[0047][0048]
实施例4
[0049]
一种利用污泥和煤泥共水热碳化制备清洁燃料方法，包括如下步骤：
[0050]
将1kg生活污泥(太原市晋阳污水处理厂)和1kg煤泥(襄垣县宏鲁洗选煤有限公司)放入水热反应釜中，其中污泥的含水率为80％，煤泥的含水率为35％，水热碳化的反应温度为240℃并保持4h，反应结束后待反应釜冷却至室温后，将反应釜内的碳浆通过微型板框压滤机脱水。
[0051]
图1为污泥原样、煤泥原样及污泥煤泥混合物(质量比为1:1)在240℃下反应4h的水热碳的tg和dtg曲线，从图1看到，污泥原样初始质量损失在50～140℃(stagea)，主要是由脱水引起的。此外，污泥原样还存在4个主要的失重峰，分别是150～350℃(stage b)，350～500℃(stage c)，600～700℃(stage d)。其中，stage b是由于有机物氧化降解(即脱挥发分和燃烧阶段)，而stage c是剩余碳燃烧阶段，而stage d阶段可能是矿物质分解造成的。污泥水热碳与原样相比，燃烧速率有所降低，主要是体现在tg曲线的坡度放缓，这主要是因为在水热过程中脱挥发分作用。污泥与煤泥共水热碳化后，形成的共水热碳的残留物从为41.26％，较污泥原样降低了14.8％，较污泥水热碳降低了25.68％。根据dtg曲线，污泥经过水热碳化后，在150～350℃的(stage b)脱挥发分的失重峰较污泥原样明显降低，这是因为在水热处理过程中大部分的有机物被水解释放到液相和气相中，并有小部分在缩聚成固定碳。而当煤泥与污泥共水热碳化时，有机物的缩聚和碳化作用增强，共水热碳的固定碳含量增加且燃烧行为更剧烈，因此stage b和stage c的两个失重峰合并为一个峰，挥发分燃烧过程减弱，有利于燃烧行为的稳定，使得燃烧更加充分的燃烧。此外，由于煤泥的加入，导致水热碳的灰分含量降低，导致在dtg曲线末端高温区的矿物质分解峰降低。
[0052]
表4为污泥原样、煤泥原样及污泥煤泥混合物(质量比1:1)在240℃下反应4h的水热碳的燃烧特征温度及燃烧指数，根据表4，污泥经过水热处理后，着火点t
i
降低了(235～223.2℃)，煤泥也是同样的结果(433～404.3℃)。而经过共水热处理后，水热碳的着火点t
i
接近煤泥单独水热碳，且远大于t
i
理论值(363℃)，说明污泥和煤泥共水热碳化时，会具有协同碳化作用。因此，共水热反应后是有利于提高水热碳的初始活性，在运输、储存等方面具有良好的性能。共水热碳化后，燃尽温度点t
b
明显降低，说明其燃烧过程缩短。一般来说，燃烧指数s越大，说明燃烧越稳定。污泥经过水热处理后，燃烧指数s降低，可能是由于水热处理后灰分增多，导致表面的空隙被堵塞，减少了与空气的接触面积，进而燃烧性能下降。而煤泥及煤泥水热碳，由于其自身的灰分较小且固定碳较高，其燃烧指数s值相对较高。而共水热碳的s明显比污泥单独水热碳的s值大，表明其燃烧性能得到明显的提升。
[0053]
表4原样及水热碳的燃烧特征温度点和燃烧指数
[0054][0055]
实施例5
[0056]
一种利用污泥和煤泥共水热碳化制备清洁燃料方法，包括如下步骤：
[0057]
将1kg生活污泥(太原市晋阳污水处理厂)和1kg煤泥(襄垣县宏鲁洗选煤有限公司)放入水热反应釜中，其中污泥的含水率为90％，煤泥的含水率为20％，水热碳化的反应温度为320℃并保持0.5h，反应结束后待反应釜冷却至室温后，将反应釜内的碳浆通过微型板框式压滤机脱水。
[0058]
实施例6
[0059]
一种利用污泥和煤泥共水热碳化制备清洁燃料方法，包括如下步骤：
[0060]
将1kg生活污泥(太原市晋阳污水处理厂)和1kg煤泥(襄垣县宏鲁洗选煤有限公司)放入水热反应釜中，其中污泥的含水率为85％，煤泥的含水率为40％，加入适量柠檬酸调节ph至2，水热碳化的反应温度为160℃并保持4h，反应结束后待反应釜冷却至室温后，将反应釜内的碳浆通过微型板框式压滤机脱水。
[0061]
实施例7
[0062]
一种利用污泥和煤泥共水热碳化制备清洁燃料方法，包括如下步骤：
[0063]
将1kg生活污泥(太原市晋阳污水处理厂)和1kg煤泥(襄垣县宏鲁洗选煤有限公司)放入水热反应釜中，其中污泥的含水率为85％，煤泥的含水率为35％，加入适量柠檬酸调节ph至7，水热碳化的反应温度为240℃并保持4h，反应结束后待反应釜冷却至室温后，将反应釜内的碳浆通过微型板框式压滤机脱水，使用热干燥的方式对碳浆进行进一步的脱水和干燥。