專(zhuān)利名稱(chēng)：市政污泥超臨界熱解制備生物油的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于固體廢棄物處理的，尤其涉及市政污泥超臨界熱解制備生物油的方法。
背景技術(shù)：
目前，污泥處理方法主要有農(nóng)用、填埋和焚燒，隨著傳統(tǒng)處理方法弊端的逐漸顯露，污泥資源化利用途徑日益得到重視，其中污泥熱解液化技術(shù)得到了很好的發(fā)展。有機(jī)廢物的熱解液化是一種資源化方法，目的主要是得到最大產(chǎn)率和最高熱值的液體燃料。污水 污泥與大部分有機(jī)廢物相同，含有大量易揮發(fā)性有機(jī)物，通過(guò)熱解可以將污泥中儲(chǔ)存的能量，以燃料的形式釋放出來(lái)。由前述論述可知，污泥熱解液化技術(shù)是一種充分利用污泥中有機(jī)物質(zhì)含量高的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)出的新技術(shù)，不僅可以處理大量的污泥，達(dá)到無(wú)害化、減量化的目的，而且可以產(chǎn)生大量的液體燃料和有吸附作用的固體半焦，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的同步增長(zhǎng)?，F(xiàn)有污泥油化技術(shù)可以分為兩種方法低溫?zé)峤夥ê椭苯訜峄瘜W(xué)液化法。(a)污泥低溫?zé)峤庵朴偷蜏責(zé)峤庵朴屯ㄟ^(guò)在無(wú)氧的條件下加熱污泥干燥至一定溫度(<500°C )，由于干餾和熱分解作用使污泥轉(zhuǎn)化為油、反應(yīng)水、不凝性氣體(NCG)和炭四種可燃性產(chǎn)物。有關(guān)污泥低溫?zé)峤饧夹g(shù)的最早報(bào)道可追溯到1939年的一項(xiàng)法國(guó)專(zhuān)利，在該專(zhuān)利中Shibata首次闡明了污泥的熱解處理工藝。到上世紀(jì)70年代，德國(guó)的科學(xué)家Bayer和Kutubuddin對(duì)該工藝進(jìn)行了深入研究，開(kāi)發(fā)了污泥低溫?zé)峤夤に嚒峤膺^(guò)程在微正壓、熱解溫度為250-500°C，缺氧的條件下進(jìn)行，停留一定時(shí)間，污泥中的有機(jī)物通過(guò)熱裂解轉(zhuǎn)化為氣體，經(jīng)冷凝后得到熱解油。污泥熱解油主要由脂肪族、烯族及少量其他類(lèi)化合物組成。通過(guò)比較污泥及其衍生油與石油的烴類(lèi)圖譜，Bayer認(rèn)為污泥轉(zhuǎn)化為油的過(guò)程是一系列生物質(zhì)脫氨、水和二氧化碳反應(yīng)的綜合，與石油的形成過(guò)程類(lèi)似，油的來(lái)源主要是污泥中的脂肪和蛋白質(zhì)。證明了該技術(shù)處理污泥的可行性。1986年,在澳大利亞的Perth和Sydney建立起第二代試驗(yàn)廠(chǎng),其實(shí)驗(yàn)結(jié)果為大規(guī)模污泥低溫?zé)峤庥突夹g(shù)的開(kāi)發(fā)提供了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。90年代末，第一座商業(yè)化的污泥煉油廠(chǎng)在澳大利亞的Perth的Subiaco污水處理廠(chǎng)建成，處理規(guī)模為每天處理25噸干污泥，每噸干污泥可產(chǎn)出200 300升與柴油類(lèi)似的燃料和半噸燒結(jié)炭，該專(zhuān)利工藝為Enersludge工藝。Frost研究表明產(chǎn)生的油類(lèi)熱值較高,有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。(b)污泥直接液化油化技術(shù)此法是將經(jīng)過(guò)機(jī)械脫水的污泥(含水率約為70% -80% )，在N2環(huán)境下在250-340°C溫度加壓熱水中，以碳酸鈉作催化劑，污泥中有近50%的有機(jī)物能通加水分解、縮合、脫氫、環(huán)化等一系列反應(yīng)轉(zhuǎn)化為低分子油狀物，得到的重油產(chǎn)物用萃取劑進(jìn)行分離收集。重油產(chǎn)品的組成和性質(zhì)取決于催化劑的裝填與反應(yīng)溫度。反應(yīng)過(guò)程可得到熱值約為33MJ/kg的液體燃料，收率可達(dá)50%左右(以干燥有機(jī)物為基準(zhǔn))，同時(shí)產(chǎn)生大量不凝性氣體和固體殘?jiān)Ｎ勰嘀苯訜峄瘜W(xué)液化技術(shù)的源頭，可追溯到1913年德國(guó)人F. Bergius進(jìn)行的高溫高壓(400-450°C，20MPa)加氫，從煤或煤焦油得到液體燃料的實(shí)驗(yàn)。1980年以后，美國(guó)首先將該技術(shù)的工藝框架應(yīng)用于污泥處理，并于80年代中期發(fā)表了研究報(bào)告，以后其他國(guó)家也開(kāi)始進(jìn)行這方面的研究，使該技術(shù)的工藝過(guò)程逐漸定型。Ching-Yuan Chang等對(duì)活性污泥、消化污泥和油漆污泥進(jìn)行了熱解處理，產(chǎn)油率分別為31. 4%,11. 0%和14. 0%，可見(jiàn)污泥的種類(lèi)不同，產(chǎn)油率也不同。Gasco的研究表明油產(chǎn)量主要取決于污泥中粗脂肪的含量。Shen的研究表明未經(jīng)消化的原始污泥適合污泥液化，尤其是原始初污泥和原始混合污泥，其產(chǎn)油率比其他污泥高出8%。污泥液化的操作條件對(duì)直接熱化學(xué)液化過(guò)程影響很大，比如反應(yīng)溫度、停留時(shí)間、加溫速率等。Isabel Fonts報(bào)道，反應(yīng)溫度很大程度上影響油產(chǎn)量，在不添加催化劑，停留時(shí)間2h的條件下，從300°C開(kāi)始，油產(chǎn)量不發(fā)生變化.若添加催化劑，300°C以上，油產(chǎn)量有 一些提高.這說(shuō)明油的產(chǎn)生主要發(fā)生在300°C時(shí).油產(chǎn)率隨著停留時(shí)問(wèn)而增加，溫度越高，停留時(shí)間的影響越小。Shen報(bào)道，加熱速率的影響只是在較低的熱解溫度下才有很重要的作用(如在450°C);而在較高的熱解溫度下，加熱速率的影響可以忽略不計(jì)(如在650°C)。在450°C時(shí)，更高的加熱速率，使熱解效率更高，會(huì)產(chǎn)生更多的液態(tài)成分和氣態(tài)成分的量，而降低了固態(tài)剩余物的量。現(xiàn)有的污泥低溫?zé)峤庵朴秃椭苯右夯突夹g(shù)，均無(wú)可避免的要對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，其中低溫?zé)峤庵朴图夹g(shù)，需干燥脫水，才能達(dá)到制油要求；直接液化油化技術(shù)，需較高壓力及催化劑條件下才能完成；且市政污泥含水量極高，故需消耗大量能量或藥品。如何實(shí)現(xiàn)市政污泥高效資源化，是市政污泥變廢為寶迫切需要解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，是針對(duì)現(xiàn)有污泥熱解制油技術(shù)處置成本高、預(yù)處理復(fù)雜等問(wèn)題，提供一種市政污泥超臨界熱解液化的方法，從而獲得高附加值生物油，同時(shí)回收固體半焦及可燃性熱解氣體。本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。一種市政污泥超臨界熱解制備生物油的方法，具有如下步驟(I)將污水處理廠(chǎng)的出廠(chǎng)污泥直接置于密閉高壓反應(yīng)釜中，通入惰性氣體吹掃，當(dāng)釜內(nèi)壓力達(dá)O. IMPa時(shí)，開(kāi)啟排氣閥放壓至一個(gè)大氣壓狀態(tài)，再次關(guān)閉閥門(mén)，以惰性氣體充壓至O. IMPa，如此反復(fù)此操作3 5次，使熱解環(huán)境達(dá)到惰性氛圍；(2)加熱釜體，設(shè)定熱解終溫為350 500°C，泄壓壓力為22 25MPa，使原料污泥中的水在反應(yīng)器中達(dá)超臨界狀態(tài)，反應(yīng)壓力由原料污泥所含水分加熱產(chǎn)生的蒸汽壓實(shí)現(xiàn)，催化效果由超臨界水實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污泥在超臨界水中的熱解反應(yīng)；達(dá)到熱解終溫后，停留
O Ih ;(3)反應(yīng)結(jié)束后，釜體冷卻泄壓，收集固液混合物，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行真空過(guò)濾，再進(jìn)行油水分離，制得生物油。所述步驟(I)的惰性氣體為氮?dú)?。所述步驟(I)的原料污泥為含水率在80%以上的出廠(chǎng)濕污泥。
應(yīng)用權(quán)利要求I的市政污泥超臨界熱解制備生物油的方法的處理系統(tǒng)，包括反應(yīng)釜、冷卻管、冷凝器、過(guò)濾器、真空泵和分液器，其特征在于，所述的反應(yīng)釜為高壓反應(yīng)釜
(4)，高壓反應(yīng)釜(4)的前端依次設(shè)置有氮?dú)鈨?chǔ)罐(I)、升壓泵(2)和高壓氣體儲(chǔ)罐(3)，通過(guò)管道與高壓反應(yīng)釜(4)相連接，連接管道上設(shè)置有閥門(mén)和壓力表；高壓反應(yīng)釜(4)的頂端設(shè)置有取樣口(14)，取樣口(14)的后端依次連接冷卻管(6)和冷凝器(7)，冷凝器(7)的兩端分別設(shè)置有集液罐(8)和集氣袋(9);高壓反應(yīng)釜(4)還設(shè)置有釜體旋轉(zhuǎn)出料口(15)，釜體旋轉(zhuǎn)出料口(15)依次與過(guò)濾器(10)、分液器(12)和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(13)相連接，同時(shí)，過(guò)濾器(10 )與真空泵(11)相連接，分液器(12 )與集液罐(8 )相連接。所述高壓反應(yīng)釜(4)為序批式耐高壓密封反應(yīng)釜，規(guī)格為容積2L，設(shè)計(jì)溫度550°C，設(shè)計(jì)壓力3OMPa。本發(fā)明與傳統(tǒng)污泥處置及污泥制生物油方法相比，污泥超臨界熱解制油方法具有 如下優(yōu)點(diǎn)I.以市政污泥為原料制備生物油，突破了傳統(tǒng)的以生物質(zhì)制備生物燃料的工藝，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物的資源化處置。2.以污水處理廠(chǎng)出廠(chǎng)污泥直接為原料，在水的超臨界條件下熱解，避免了現(xiàn)有污泥低溫?zé)峤庵朴凸に囍形勰喔稍锩撍h(huán)節(jié)，同時(shí)，利用超臨界水的特性，突破了污泥直接液化油化工藝中大量使用催化劑的問(wèn)題，從而可獲得更高附加值的生物油。3.用市政污泥制備生物油，一方面實(shí)現(xiàn)了變廢為寶，具有良好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益；另一方面，在高溫?zé)峤鈼l件下，污泥中90%的重金屬被固化至熱解殘?zhí)恐?，避免了重金屬的二次污染?wèn)題。


附圖1，是本發(fā)明的應(yīng)用市政污泥超臨界熱解制備生物油的方法的處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明附圖標(biāo)記為I——氮?dú)鈨?chǔ)罐2——升壓泵3-高壓氣體儲(chǔ)罐4-高壓反應(yīng)釜5——控制面板6——冷卻管，7—冷凝器8—集液罐9——集氣袋10——過(guò)濾器11——真空泵12——分液器13——旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀14——取樣口15——釜體旋轉(zhuǎn)出料口氮?dú)鉃閍，濕污泥為b，熱解固液混合產(chǎn)物為C，熱解氣為d，取樣氣為e，冷卻水為f，油水混合物為g，非冷凝性氣體為h,熱解殘?zhí)繛閕，萃取劑為j,分離水為k,生物油為I。
具體實(shí)施例方式圖I是本發(fā)明的應(yīng)用市政污泥超臨界熱解制備生物油的方法的處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該處理系統(tǒng)的反應(yīng)釜為高壓反應(yīng)釜4，為序批式耐高壓密封反應(yīng)釜；高壓反應(yīng)釜4的前端依次設(shè)置有氮?dú)鈨?chǔ)罐I、升壓泵2和高壓氣體儲(chǔ)罐3，通過(guò)管道與高壓反應(yīng)釜4相連接，連接管道上設(shè)置有閥門(mén)和壓力表；高壓反應(yīng)釜4的頂端設(shè)置有取樣口 14，取樣口 14的后端依次連接冷卻管6和冷凝器7，冷凝器7的兩端分別設(shè)置有集液罐8和集氣袋9 ;高壓反應(yīng)釜(4)還設(shè)置有釜體旋轉(zhuǎn)出料口 15，釜體旋轉(zhuǎn)出料口 15依次與過(guò)濾器10、分液器12和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀13相連接，同時(shí)，過(guò)濾器10與真空泵11相連接，分液器12與集液罐8相連接。本發(fā)明采用上述處理系統(tǒng)、以市政污泥超臨界熱解制備生物油，具體工藝流程如下取污水處理廠(chǎng)的經(jīng)機(jī)械壓濾脫水且含水率在80%以上的濕污泥b，稱(chēng)取500g，直接加入高壓反應(yīng)釜4中，密閉釜蓋，并關(guān)閉與反應(yīng)釜相連的各排氣閥門(mén)，開(kāi)放氮?dú)鈨?chǔ)罐I，向系統(tǒng)充氮?dú)鈇吹掃；當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)壓力達(dá)O. IMPa時(shí)，開(kāi)啟排氣閥放壓至一個(gè)大氣壓狀態(tài)，再次關(guān)閉閥門(mén)，以氮?dú)獬鋲褐罯. IMPa，如此反復(fù)此操作三次，使高壓反應(yīng)釜4內(nèi)達(dá)到惰性氛圍；調(diào)節(jié)控制面板5，設(shè)定熱解終溫為375°C，程序升溫，反應(yīng)壓力由原料污泥所含水分加熱產(chǎn)生的蒸汽壓實(shí)現(xiàn)，催化效果由超臨界水實(shí)現(xiàn)，達(dá)到熱解終溫后，停留30min ;為保證設(shè)備安全 運(yùn)行，背壓閥泄壓壓力設(shè)定在25MPa ;加熱及熱解過(guò)程中，反應(yīng)釜4內(nèi)壓力高于25MPa時(shí)，與反應(yīng)釜體相連背壓閥自動(dòng)泄壓，溢出熱解氣d經(jīng)取樣口 14進(jìn)入冷卻管6冷卻，然后進(jìn)入冷凝器7，二級(jí)水冷；熱解氣冷卻的同時(shí)，壓力下降，可凝結(jié)油水混合物g凝結(jié)于集液罐8中，非冷凝性氣體h經(jīng)管道排出，可用集氣袋9收集；反應(yīng)結(jié)束后，釜體風(fēng)冷泄壓，當(dāng)控制面板5顯示釜內(nèi)溫度達(dá)室溫時(shí)，打開(kāi)釜體取樣口 14，熱解氣d同樣經(jīng)二級(jí)水冷，分離得到油水混合物g和非冷凝性氣體h ;熱解固液混合物c停留于反應(yīng)釜內(nèi)，釜體升降旋轉(zhuǎn)，由釜體旋轉(zhuǎn)出料口 15傾倒出反應(yīng)產(chǎn)物，再經(jīng)真空過(guò)濾，分離固液產(chǎn)物，所得固體物質(zhì)為熱解殘?zhí)縤，液體物質(zhì)為油水混合物g ;釜體及集液罐中液體混合物均進(jìn)入分液器12中，同時(shí)加入二氯甲烷做萃取劑j，油水分離，分離水直接排除，萃取液進(jìn)入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀13，設(shè)定蒸發(fā)溫度為40°C，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，從而分離得生物油1，回收萃取劑j，返回分液器循環(huán)使用。
權(quán)利要求
1.一種市政污泥超臨界熱解制備生物油的方法，具有如下步驟 (1)將污水處理廠(chǎng)的出廠(chǎng)污泥直接置于密閉高壓反應(yīng)釜中，通入惰性氣體吹掃，當(dāng)釜內(nèi)壓力達(dá)O. IMPa時(shí)，開(kāi)啟排氣閥放壓至一個(gè)大氣壓狀態(tài)，再次關(guān)閉閥門(mén)，以惰性氣體充壓至O.IMPa，如此反復(fù)此操作3 5次，使熱解環(huán)境達(dá)到惰性氛圍； (2)加熱釜體，設(shè)定熱解終溫為350 500°C，泄壓壓力為22 25MPa，使原料污泥中的水在反應(yīng)器中達(dá)超臨界狀態(tài)，反應(yīng)壓力由原料污泥所含水分加熱產(chǎn)生的蒸汽壓實(shí)現(xiàn)，催化效果由超臨界水實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污泥在超臨界水中的熱解反應(yīng)；達(dá)到熱解終溫后，停留O Ih ； (3)反應(yīng)結(jié)束后，釜體冷卻泄壓，收集固液混合物，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行真空過(guò)濾，再進(jìn)行油水分離，制得生物油。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的市政污泥超臨界熱解制備生物油的方法，其特征在于，所述步驟(O的惰性氣體為氮?dú)狻?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求I的市政污泥超臨界熱解制備生物油的方法，其特征在于，所述步驟Cl)的原料污泥為含水率在80%以上的出廠(chǎng)濕污泥。
4.應(yīng)用權(quán)利要求I的市政污泥超臨界熱解制備生物油的方法的處理系統(tǒng)，包括反應(yīng)釜、冷卻管、冷凝器、過(guò)濾器、真空泵和分液器，其特征在于，所述的反應(yīng)釜為高壓反應(yīng)釜(4)，高壓反應(yīng)釜(4)的前端依次設(shè)置有氮?dú)鈨?chǔ)罐(I)、升壓泵(2)和高壓氣體儲(chǔ)罐(3)，通過(guò)管道與高壓反應(yīng)釜(4)相連接，連接管道上設(shè)置有閥門(mén)和壓力表；高壓反應(yīng)釜(4)的頂端設(shè)置有取樣口(14)，取樣口(14)的后端依次連接冷卻管(6)和冷凝器(7)，冷凝器(7)的兩端分別設(shè)置有集液罐(8)和集氣袋(9);高壓反應(yīng)釜(4)還設(shè)置有釜體旋轉(zhuǎn)出料口(15)，釜體旋轉(zhuǎn)出料口(15)依次與過(guò)濾器(10)、分液器(12)和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(13)相連接，同時(shí)，過(guò)濾器(10 )與真空泵(11)相連接，分液器(12 )與集液罐(8 )相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的應(yīng)用市政污泥超臨界熱解制備生物油的方法的處理系統(tǒng)，其特征在于，所述高壓反應(yīng)釜(4)為序批式耐高壓密封反應(yīng)釜，規(guī)格為容積2L，設(shè)計(jì)溫度550°C，設(shè)計(jì)壓力3OMPa。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種市政污泥超臨界熱解制備生物油的方法將出廠(chǎng)污泥直接投入高壓密封反應(yīng)釜中，采用氮?dú)夥磸?fù)吹掃，達(dá)到惰性氛圍；程序升溫，氮?dú)庋a(bǔ)壓，使原料污泥中的水在反應(yīng)器中達(dá)超臨界狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污泥在超臨界水中的熱解反應(yīng)；反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)真空過(guò)濾，分液萃取，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后，獲得熱解生物油。應(yīng)用該方法的處理系統(tǒng)，主要包括序批式耐高壓密封反應(yīng)釜，升壓泵，冷凝器，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀和真空泵等。本發(fā)明避免了現(xiàn)有污泥低溫?zé)峤庵朴凸に囍形勰喔稍锩撍h(huán)節(jié)，突破了污泥直接液化油化工藝中大量使用催化劑的問(wèn)題，同時(shí)也避免了重金屬的二次污染問(wèn)題，可獲得更高附加值的生物油。
文檔編號(hào)C10G1/00GK102911691SQ20121043606
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月5日
發(fā)明者陳冠益, 王艷, 馬文超, 顏蓓蓓, 潘東暉, 樊軍 申請(qǐng)人:天津大學(xué)