本發(fā)明屬于固體廢棄物資源化處理領域，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：

城市污泥的產量逐年增加，如何有效、無害地處理城市污泥，是目前環(huán)保工業(yè)非常關注的問題。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。污泥含水量高，導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。

氣基豎爐技術是利用氫氣等還原性氣體與鐵礦石進行反應，生成海綿鐵產品的過程?，F(xiàn)有技術中，一些氣基豎爐還原煉鐵工藝所用的還原性氣體主要來自煤炭氣化，而煤氣化耗水量大，污染嚴重，在應用中受到很多制約。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對污泥熱解工藝中能耗較大、熱解氣熱值低、熱解產品難以有效利用等問題，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、殘渣出口，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(fā)明的一些實施例中，所述變壓吸附裝置的燃料氣出口與所述蓄熱式旋轉床的燃料氣入口相連。

在本發(fā)明的一些實施例中，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行氣化，制備氣化氣。

在本發(fā)明的一些實施例中，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床熱解所述污泥。

在本發(fā)明的一些實施例中，在900℃-1000℃的溫度下，用水蒸氣或純氧作為氣化劑對所述熱解炭進行氣化，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，對所述污泥進行干化處理。

在本發(fā)明的一些實施例中，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的壓力下對所述熱解氣進行分離，制備氫氣和燃料氣。

本發(fā)明采用蓄熱式旋轉床對干化處理后的污泥進行熱解，將熱解炭進行氣化，并將熱解氣進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，整個工藝成本低、無二噁英產生，環(huán)保效益好，獲得的海綿鐵品質高，解決了污泥處理困難及還原煉鐵高能耗等問題。

污泥熱解后制得的熱解炭大部分為無機物殘渣，通常都直接熄焦后填埋處理，本發(fā)明將其氣化，制備氣化氣，提高了產品的經濟效益。

此外，本發(fā)明工藝簡單、產品經濟效益好，易于實現(xiàn)工業(yè)化和規(guī)模化。

附圖說明

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

圖2為本發(fā)明實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。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發(fā)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(fā)明的方案以及其各個方面的優(yōu)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(fā)明的限制。

參見圖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，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(qū)和熱解區(qū)。熱解水出口布置于干燥區(qū)末端的側壁，以便在熱解水剛產生時就進行收集，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，若直接進入蓄熱式旋轉床2，不僅會降低熱解的效率，還會增加系統(tǒng)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，隨著熱解油氣進入后續(xù)設備中，會影響后續(xù)工藝的進行。本發(fā)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(qū)末端的爐膛側壁，有效地解決了這一問題。

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，以獲得較為干凈的熱解氣，提高產品的經濟效益。

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床2，用以熱解污泥。這樣布置有利于降低系統(tǒng)的運行成本。當然，燃料氣也可收集儲存，外賣或另作他用。

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、殘渣出口，熱解炭入口與蓄熱式旋轉床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行換熱制備水蒸氣。需要說明的是，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)的運行成本。

圖2為本發(fā)明實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床2的燃料使用，能降低系統(tǒng)的運行成本。

氣基豎爐直接還原煉鐵工藝還原速度快、產品質量穩(wěn)定、自動化程度高、單機產能大。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。

經過大量的實驗發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明中，變壓吸附分離熱解氣時，優(yōu)選在0.5MPa-2.5MPa的壓力下對熱解氣進行分離，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，將蓄熱式旋轉床2干燥區(qū)的蓄熱式輻射管的溫度設置為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，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(qū)的溫度。

優(yōu)選地，將蓄熱式旋轉床2熱解區(qū)的蓄熱式輻射管的溫度設置為500℃-800℃。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?shù)卣{整熱解溫度。

污泥熱解后制得的熱解炭大部分為無機物殘渣，通常都直接熄焦后填埋處理，本發(fā)明將其氣化，制備氣化氣，提高了產品的經濟效益。

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。經過大量實驗發(fā)現(xiàn)，使用水蒸氣或純氧作為氣化劑對熱解炭進行氣化時，得到的氣化氣中，還原性氣體含量較多。當氣化劑為水蒸氣或純氧時，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污泥進行干化處理，有利于降低系統(tǒng)的運行成本。

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，為了更加簡潔，并未過多敘述。

本發(fā)明實現(xiàn)了污泥熱解和還原煉鐵工藝的高效結合，不僅降低了運行成本，提高了整個工藝的清潔性，還增加了經濟效益，且易于工業(yè)化推廣。

下面參考具體實施例，對本發(fā)明進行說明。下述實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)明內容中所示。下述實施例所用的檢測方法均為本行業(yè)常規(guī)的檢測方法。

實施例1

本實施例采用圖1所示的系統(tǒng)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(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℃。污泥在蓄熱式旋轉床2中經過熱解后，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，對污泥進行干化處理；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％的鐵礦石進行反應，還原煉鐵，制得海綿鐵。氣基豎爐6的操作壓力為2.5MPa。

經過冷卻、破碎、磁選后的海綿鐵的含鐵量為95％。

實施例2

本實施例采用圖1所示的系統(tǒng)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(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℃。污泥在蓄熱式旋轉床2中經過熱解后，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，對污泥進行干化處理；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％的鐵礦石進行反應，還原煉鐵，制得海綿鐵。氣基豎爐6的操作壓力為0.5MPa。

經過冷卻、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

從上述實施例可知，本發(fā)明將中間產物氫氣及氣化氣用以還原煉鐵，提高了產品的經濟價值。此外，上述實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)明的經濟性好。

綜上，本發(fā)明采用蓄熱式旋轉床對干化處理后的污泥進行熱解，將熱解炭進行氣化，并將熱解氣進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，整個工藝成本低、無二噁英產生，環(huán)保效益好，獲得的海綿鐵品質高，解決了污泥處理困難及還原煉鐵高能耗等問題。

污泥熱解后制得的熱解炭大部分為無機物殘渣，通常都直接熄焦后填埋處理，本發(fā)明將其氣化，制備氣化氣，提高了產品的經濟效益。

此外，本發(fā)明工藝簡單、產品經濟效益好，易于實現(xiàn)工業(yè)化和規(guī)?；?。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)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(fā)明中的具體含義。

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(fā)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(fā)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(fā)明的保護范圍之中。