申請日2016.05.12
公開(公告)日2016.10.12
IPC分類號C04B38/00; C04B33/132; C04B33/135
摘要
本發明公開了一種污泥熱解生物炭制備陶粒的方法與裝置，所述的方法是將污泥熱解生物炭經粉磨、調濕、造粒、低溫干燥、中溫預燒、高溫燒結，最后冷卻獲得陶粒。所述的裝置包括定量給料裝置、加水裝置、調濕裝置、成型造粒裝置、干燥裝置、中溫預燒裝置、高溫燒結裝置和冷卻裝置。本發明利用污泥熱解生物炭制備陶粒，實現污泥熱解生物炭的大規模利用，同時實現污泥熱解生物炭中重金屬元素進一步高效固化與鈍化，避免了污泥熱解生物炭在土地利用過程中潛在的重金屬累積污染，尤其適用于重金屬含量超標的污泥熱解炭的資源化利用。本發明所述的方法簡單實用，設備投資少，成本低，具有良好的經濟效益與環境效益。
權利要求書
1.一種污泥熱解生物炭制備陶粒的方法，其特征在于：包括以下步驟：
(1)將污泥熱解生物炭粉磨，粉磨后加水混合攪拌調濕，再將調濕物料成型制粒，獲得生料顆粒;
(2)將生料顆粒進行低溫烘干、中溫預熱、高溫燒結后冷卻，得到陶粒。
2.根據權利要求1所述的污泥熱解生物炭制備陶粒的方法，其特征在于：所述的污泥熱解生物炭為污泥經熱解后得到的生物炭，熱解溫度為300～900℃;
任選的，所述的污泥熱解生物炭為城市污水廠污泥經熱解后得到的生物炭，熱解溫度為300～900℃。
3.根據權利要求1所述的污泥熱解生物炭制備陶粒的方法，其特征在于：所述的步驟(1)中粉磨加入輔助粉料，所述的輔助粉料的質量小于或等于污泥熱解生物炭的質量，所述的輔助粉料為高嶺土、膨潤土、生石灰、硅酸鈉、粉煤灰中的至少一種。
4.根據權利要求1所述的污泥熱解生物炭制備陶粒的方法，其特征在于：所述的步驟(1)中粉磨的粒度為50～300目;
任選的，粉磨的時間為30～90min。
5.根據權利要求1所述的污泥熱解生物炭制備陶粒的方法，其特征在于：所述的步驟(1)中加水混合水的添加質量為物料干基質量的15～30%;
任選的，所述的步驟(1)中攪拌調濕的時間為30～90min;
任選的，所述的步驟(1)中生料顆粒的球粒徑為3～20mm。
6.根據權利要求1所述的污泥熱解生物炭制備陶粒的方法，其特征在于：所述的步驟(2)中的低溫烘干的溫度為110～150℃、時間為30～90min;
任選的，中溫預熱的溫度為300～600℃、時間為10～30min;
任選的，高溫燒結的溫度為900～1280℃、時間為10～20min。
7.根據權利要求1所述的污泥熱解生物炭制備陶粒的方法，其特征在于：所述的步驟(2)中的冷卻的方式為隨爐冷卻，冷卻速度控制為≤30℃/min。
8.一種利用權利要求1至7中任意一項所述的方法制備陶粒的裝置，其特征在于：所述的裝置包括：污泥熱解生物炭儲存倉(1)、1#定量給料裝置(2)、其它輔助材料儲存倉(3)、2#定量給料裝置(4)、粉磨裝置(5)、調濕裝置(6)、加水裝置(7)、1#輸送裝置(8)、成型造粒裝置(9)、2#輸送裝置(10)、干燥裝置(11)、3#輸送裝置(12)、中溫預燒裝置(13)、高溫預燒裝置(14)和冷卻裝置(15);
裝置的連接方式如下：
污泥熱解生物炭儲存倉(1)出口與1#定量給料裝置(2)入口相連，1#定量給料裝置(2)出口與粉磨裝置(5)入口相連;其它輔助材料儲存倉(3)出口與2#定量給料裝置(4)入口相連;2#定量給料裝置(4)出口與粉磨裝置(5)入口相連;粉磨裝置(5)出口與調濕裝置(6)入口相連，調濕裝置(6)設有加水裝置(7);調濕裝置(6)出口與1#輸送裝置(8)入口相連;1#輸送裝置(8)出口與成型造粒裝置(9)入口相連;成型造粒裝置(9)出口與2#輸送裝置(10)相連;2#輸送裝置(10)出口與干燥裝置(11)入口相連;干燥裝置(11)出口與3#輸送裝置(12)入口相連;3#輸送裝置(12)出口與中溫預燒裝置(13)入口相連;中溫預燒裝置(13)出口與高溫燒結裝置(14)相連;高溫燒結裝置(14)出口與冷卻裝置(15)入口相連;中溫預燒裝置(13)與高溫燒結裝置(14)與干燥裝置(11)相連，將預燒和燒結過程中產生的煙氣回用于干燥裝置(11)。
9.根據權利要求8所述的污泥熱解生物炭制備陶粒的裝置，其特征在于：
所述的污泥熱解生物炭儲存倉(1)與其它輔助材料儲存倉(3)為普通鋼倉或混凝土倉;
所述的1#、2#定量給料裝置(2)(4)為螺旋稱或星形給料器;
所述的粉磨裝置(5)氣流粉碎機、立磨、臥輥磨或球磨機;
所述的調濕裝置(6)為雙軸混合機或螺帶式混合機;
所述的加水裝置(7)為普通噴霧加濕機;
所述的1#輸送裝置(8)、2#輸送裝置(10)為皮帶輸送機、螺旋輸送機、刮板機或斗提機;
所述的3#輸送裝置(12)為皮帶輸送機;
所述的成型造粒裝置(9)為圓盤造粒機、滾筒造粒機、對輥成型機或擠出造粒機;
所述的干燥裝置(11)為履帶式干燥機、滾筒干燥機或烘箱;
所述的中溫預熱裝置(13)為豎爐、中溫電阻爐、帶式焙燒爐或回轉窯;
所述的高溫固化裝置(14)為高溫電阻爐、回轉窯或帶式焙燒爐;
所述的冷卻裝置(15)為帶式冷卻機或滾筒冷卻機。
10.根據權利要求8所述的污泥熱解生物炭制備陶粒的裝置，其特征在于：首先將污泥熱解生物炭儲存倉(1)中的污泥熱解生物炭送入1#定量給料裝置(2)，定量送入粉磨裝置(5)，同時將其它輔助材料儲存倉(3)中的輔助粉料通過2#定量給料裝置(4)稱量后送入粉磨裝置(5)進行混合粉磨，之后將混合粉磨料送入調濕裝置(6)，通過加水裝置(7)向調濕裝置(6)中加水，混合攪拌使得調濕料有很好的可塑性，然后將調濕物料送入通過1#輸送裝置(8)輸送到成型造粒裝置(9)，將調濕物料成型制粒，獲得生料顆粒;接下來將生料顆粒通過2#輸送裝置(10)輸送到干燥裝置(11)中進行低溫烘干，然后將干燥后的顆粒通過3#輸送裝置(12)送入中溫預燒裝置(13)進行中溫預熱，之后送入高溫預燒裝置(14)，進行高溫燒結;最后將高溫燒結后的顆粒送入冷卻裝置(15)進行冷卻，得到陶粒。
說明書
一種污泥熱解生物炭制備陶粒的方法與裝置
技術領域
本發明按國際專利分類表(IPC)劃分屬于陶粒材料制備領域，尤其是涉及一種污泥熱解生物炭制備陶粒的方法與裝置。
背景技術
隨著我國社會經濟和城鎮化進程的快速發展，城市污水處理廠的規模和污泥產生量不斷增加，目前全國的污泥產量約3000萬噸(含水率為97%左右)，預計到2016年將達到3600萬噸。隨著污水處理效率的顯著提升，城市污泥的產量快速增加，城市污泥處置壓力越來越大。20世紀80年代后期污泥資源化利用得到重視并快速發展，污泥熱解、氣化技術得以快速發展。目前，關于污泥熱解研究重點大都集中在污泥降低處理成本，減少能源消耗以及實現污泥減量化等目標;對于污泥熱解后得到的污泥熱解生物炭資源化利用研究不多，實現其規�；玫墓に嚪桨篙^少。有部分研究者認為污泥熱解生物炭適用于土壤改良，對土壤水分的富集、微生物的生長條件有利，同時對Cd、Zn、Cu、Pb、Ni、As等重金屬有固化作用，但是由于目前我國還沒有針對污泥熱解生物炭在土地利用方面的安全風險性評價，出于對污泥熱解生物炭中含有的重金屬對土壤造成二次累積污染的擔憂，污泥熱解生物炭的土地利用尚未得到大規模的推廣，這使得污泥熱解炭化工藝僅實現污泥規模減量處置的目標，無法大規模實現污泥全流程資源化利用。也有部分研究者將污泥熱解生物炭進行進一步活化制備炭吸附材料。例如：中國發明專利CN101423212B提出一種利用污泥制備污泥活性炭的方法及污泥活性炭，是將脫水污泥進行烘干，然后在半干餾氣化爐中進行半干餾處理，得到污泥半焦，然后將污泥半焦、黏結劑進行混合、造粒，然后置于活化爐中進行活化，得到活性炭材料;中國發明專利申請CN1644495A提出一種城市污水處理廠污泥制備活性炭的方法，是將將污泥經過干燥處理至10%含水率，然后用ZnCl2溶液對污泥進行活化浸泡，然后在烘干條件下加入增炭劑，然后在500～800℃下炭化活化，得到活性炭。
上述方法，將污泥熱解炭通過化學方法進一步活化制備活性炭，由于污泥熱解炭含炭量低，含灰量高，使污泥活性炭生產成本較高，品質較低，基本停留在理論研究階段，并未得到大規模應用。
陶粒材料陶粒具有質輕、高強、保溫、隔熱、隔音、耐火、抗震、耐久、價廉等優點。一般可用其配置陶�；炷�，生產混凝土多孔磚和小型混凝土空心砌塊、空心樓板和大型屋面板等，用于現澆高層建筑的梁、板、柱及框架;也可用于做城市的道路的聲屏障、音箱建筑的吸音板、道路工程的抗滑路面、抗磨路面等，用途廣泛。陶粒種類主要包括粉煤灰陶粒、黏土陶粒、頁巖陶粒、火山巖陶粒和污泥淤泥陶粒等。2004年粘土陶粒已經被國家建委宣布禁用;頁巖陶粒性能比較好，應用面比較廣，以前主要用于地鐵沿線地面建筑，現在逐步替代黏土陶粒，市場前景廣闊;火山巖陶粒主要是出口，銷售范圍比較窄;粉煤灰陶粒得到了最廣泛的應用�，F有傳統污泥陶粒工藝主要采用污水廠污泥經干燥后直接高溫燒制陶粒，或與粉煤灰、粘土、頁巖等無機料混合后，經高溫燒成制備燒結陶粒。如中國發明專利CN101531500B公開了一種用污泥燒制陶粒的方法，將經過機械脫水后的污水處理廠污泥或河湖疏浚污泥經過污泥干化，壓制成生料球，1000～1100℃高溫焙燒后形成污泥陶粒;中國發明專利申請CN101215149A公開了一種利用廢玻璃粉和污泥為主要原料，以氟硅酸鈉和硼砂之一為輔助原料，低溫燒成污泥玻璃超輕陶粒。
上述方法采用污水廠原污泥直接制備陶粒，污水廠污泥未經熱解縮體減量，受建廠條件限制，易造成污泥大規模轉運，成本高;而且，由于原污泥組分復雜，利用高溫氧化氣氛直接焙燒處理，相當于污泥焚燒所帶來的環境影響，尾氣凈化處理系統非常龐大、處理設備投資高，目前并未得到規�；瘧�。
中國發明專利申請CN 104148016 A公開了一種粉煤灰耦合生物炭制備陶粒吸附材料的方法，其需要使用有機溶劑洗滌原料，造粒時使用去離子水，成本較高，且該方法的生物炭采用農林業廢棄物經熱裂解制備，添加比例局限為20%-40%;農林業廢棄物富含生物質，主要為陶粒制備提供能源，其成分與富含無機組分的污水廠污泥完全不同，二者所獲得的熱解炭物性也不同，故該方法不適應于污泥熱解生物炭。
發明內容
本發明克服了現有污泥熱解生物炭規�；C合利用程度低，消除生物炭土地利用時存在重金屬潛在累積污染等不足，提供了一種污泥熱解生物炭制備陶粒的方法與裝置，通過污泥熱解生物炭高溫陶�；瑢崿F污泥熱解生物炭的高效資源化利用。
經研究發現，將城市污水廠污泥熱解后，在實現其減量化的同時，其含有的SiO2、A12O3、Fe2O3、CaO+MgO和C等主要組分含量恰好適用于制備陶粒;特別強調的是，由于污泥熱解后的生物炭中，廢水處理采用的Fe系絮凝劑基本都殘留于污泥中，使Fe2O3的含量較高，C含量適中，制備陶粒的過程無需再添加鐵、碳元素，可極大降低陶粒的制備成本。此外，將污泥熱解生物炭進一步通過高溫燒結，可實現其中重金屬的進一步高度穩定化，生產的陶粒，具有輕質高強、保溫隔熱、抗震防火、防潮、吸聲降噪等多種功能，可用作建筑材料，還可做無土栽培的載體、水處理的過濾介質，這對污泥熱解生物炭的規�；瘧锰峁┝艘粭l新途徑，也為目前污泥熱解炭化工藝提供的終端產品處置方案。
本發明的基本原理在于，污泥熱解生物炭在燒結時首先脫水和發生化學分解反應，經過高溫處理再燒結時，在近程有序而遠程無序的玻璃體中，有些原子之間的鏈比較弱，只需微弱的能量就能使這些原子的鍵斷裂，而呈無規則微孔網格;高溫燒成后，形成的一系列由鋁氧鏈、硅氧鏈構成的硅酸鈣、鋁酸鈣聚合物，以2SiO2·A12O3或2SiO2·A12O3·CaO固熔體狀態存在。此外，在高溫焙燒過程中，由于污泥熱解生物炭中的殘留炭與污泥中含量較高的鐵氧化物還可發生氧化還原反應，生成二氧化碳氣體，導致陶粒的膨脹，使其表面光滑而堅硬，內部有極細閉孔，呈灰褐色。新工藝不但可以為污泥熱解工藝的產物提供綠色產品方案，還可為陶粒制備提供了低成本原料。
本發明通過高溫改變污泥熱解生物炭中的礦物質晶相結構，獲得具有一定力學強度及微孔結構的陶粒。
本發明利用污泥熱解生物炭制備陶粒，也可以引入其他輔助粉料，如高嶺土、膨潤土、生石灰、硅酸鈉、粉煤灰，所添加的輔助粉料其質量應不超過污泥熱解生物炭的質量，具體比例可根據所得陶粒產品性能來調整，主要化學成分應控制在如下范圍內：SiO2：40%～63%;A12O3：15%～17%;Fe2O3：3%～7%;CaO+MgO：3%～9%;K2O+Na2O：4%～9%;C：8～15%。
高溫固化是本發明的關鍵點之一，本發明優選高溫固化溫度為900～1280℃、固化時間為10～20min，在此條件下可獲得綜合性能良好的陶粒。固化溫度低于900℃，燒成的陶粒表面無釉，力學性能極差，綜合性能不滿足要求;當燒結溫度高于1280℃，燒成的陶粒表面以玻璃體為主形成一層堅硬、封閉的外殼，像一層瓷釉，具有光澤和較高的強度但是沒有良好的孔隙結構;在一定溫度下，燒結時間太長，會使得陶粒熔融，堵塞孔隙結構，燒結時間太短，陶粒固化不完全，達不到好的力學性能。所以高溫過程中，控制溫度范圍和時間是影響陶粒性能的關鍵因素，溫度和時間得當，玻璃態軟化后的粘度與產生的氣壓相平衡，則多形成封閉氣孔，陶粒的密度和吸水率較低。
本發明的另一關鍵點是生料球的制備及干燥，本發明含水量控制在攪拌時水的添加比例為15～30%，生料球干燥時間控制30～90min，含水量大于30%，生料球互相粘附，使得成型困難;水量小于15%，料球松散，強度差，加熱易碎。料球干燥時間小于30min，不能完全脫水，在較快速度升溫加熱時，生料球易炸裂或者出現裂紋;當干燥時間大于90min，脫水完成后繼續恒溫干燥，不僅浪費能源，而且實驗周期變長，耗時耗能。
為達到上述目的，本發明提供的技術方案為：
一種污泥熱解生物炭制備陶粒的方法，包括以下步驟：
(1)將污泥熱解生物炭粉磨，粉磨后加水混合攪拌調濕，再將調濕物料成型制粒，獲得生料顆粒;
(2)將生料顆粒進行低溫烘干、中溫預熱、高溫燒結后冷卻，得到陶粒。
進一步的，所述的污泥熱解生物炭為污泥經熱解后得到的生物炭，熱解溫度為300～900℃;
任選的，所述的污泥熱解生物炭為城市污水廠污泥經熱解后得到的生物炭，熱解溫度為300～900℃。
進一步的，所述的步驟(1)中粉磨加入輔助粉料，所述的輔助粉料的質量小于或等于污泥熱解生物炭的質量，所述的輔助粉料為高嶺土、膨潤土、生石灰、硅酸鈉、粉煤灰中的至少一種。
進一步的，所述的步驟(1)中粉磨的粒度為50～300目;
任選的，粉磨的時間為30～90min。
進一步的，所述的步驟(1)中加水混合水的添加質量為物料干基質量的15～30%;
任選的，所述的步驟(1)中攪拌調濕的時間為30～90min;
任選的，所述的步驟(1)中生料顆粒的球粒徑為3～20mm。
進一步的，所述的步驟(2)中的低溫烘干的溫度為110～150℃、時間為30～90min;
任選的，中溫預熱的溫度為300～600℃、時間為10～30min;
任選的，高溫燒結的溫度為900～1280℃、時間為10～20min。
進一步的，所述的步驟(2)中的冷卻的方式為隨爐冷卻，冷卻速度控制為≤30℃/min。
一種制備陶粒的裝置，所述的裝置包括：污泥熱解生物炭儲存倉(1)、1#定量給料裝置(2)、其它輔助材料儲存倉(3)、2#定量給料裝置(4)、粉磨裝置(5)、調濕裝置(6)、加水裝置(7)、1#輸送裝置(8)、成型造粒裝置(9)、2#輸送裝置(10)、干燥裝置(11)、3#輸送裝置(12)、中溫預燒裝置(13)、高溫預燒裝置(14)和冷卻裝置(15);
裝置的連接方式如下：
污泥熱解生物炭儲存倉(1)出口與1#定量給料裝置(2)入口相連，1#定量給料裝置(2)出口與粉磨裝置(5)入口相連;其它輔助材料儲存倉(3)出口與2#定量給料裝置(4)入口相連;2#定量給料裝置(4)出口與粉磨裝置(5)入口相連;粉磨裝置(5)出口與調濕裝置(6)入口相連，調濕裝置(6)設有加水裝置(7);調濕裝置(6)出口與1#輸送裝置(8)入口相連;1#輸送裝置(8)出口與成型造粒裝置(9)入口相連;成型造粒裝置(9)出口與2#輸送裝置(10)相連;2#輸送裝置(10)出口與干燥裝置(11)入口相連;干燥裝置(11)出口與3#輸送裝置(12)入口相連;3#輸送裝置(12)出口與中溫預燒裝置(13)入口相連;中溫預燒裝置(13)出口與高溫燒結裝置(14)相連;高溫燒結裝置(14)出口與冷卻裝置(15)入口相連;中溫預燒裝置(13)與高溫燒結裝置(14)與干燥裝置(11)相連，將預燒和燒結過程中產生的煙氣回用于干燥裝置(11)。
進一步的，所述的污泥熱解生物炭儲存倉(1)與其它輔助材料儲存倉(3)為普通鋼倉或混凝土倉;
所述的1#、2#定量給料裝置(2)(4)為螺旋稱或星形給料器;
所述的粉磨裝置(5)氣流粉碎機、立磨、臥輥磨或球磨機;
所述的調濕裝置(6)為雙軸混合機或螺帶式混合機;
所述的加水裝置(7)為普通噴霧加濕機;
所述的1#輸送裝置(8)、2#輸送裝置(10)為皮帶輸送機、螺旋輸送機、刮板機或斗提機;
所述的3#輸送裝置(12)為皮帶輸送機;
所述的成型造粒裝置(9)為圓盤造粒機、滾筒造粒機、對輥成型機或擠出造粒機;
所述的干燥裝置(11)為履帶式干燥機、滾筒干燥機或烘箱;
所述的中溫預熱裝置(13)為豎爐、中溫電阻爐、帶式焙燒爐或回轉窯;
所述的高溫固化裝置(14)為高溫電阻爐、回轉窯或帶式焙燒爐;
所述的冷卻裝置(15)為帶式冷卻機或滾筒冷卻機。
進一步的，首先將污泥熱解生物炭儲存倉(1)中的污泥熱解生物炭送入1#定量給料裝置(2)，定量送入粉磨裝置(5)，同時將其它輔助材料儲存倉(3)中的輔助粉料通過2#定量給料裝置(4)稱量后送入粉磨裝置(5)進行混合粉磨，之后將混合粉磨料送入調濕裝置(6)，通過加水裝置(7)向調濕裝置(6)中加水，混合攪拌使得調濕料有很好的可塑性，然后將調濕物料送入通過1#輸送裝置(8)輸送到成型造粒裝置(9)，將調濕物料成型制粒，獲得生料顆粒;接下來將生料顆粒通過2#輸送裝置(10)輸送到干燥裝置(11)中進行低溫烘干，然后將干燥后的顆粒通過3#輸送裝置(12)送入中溫預燒裝置(13)進行中溫預熱，之后送入高溫預燒裝置(14)，進行高溫燒結;最后將高溫燒結后的顆粒送入冷卻裝置(15)進行冷卻，得到陶粒。
有益效果：(1)本發明利用污泥熱解生物炭直接制備陶粒，實現污泥熱解生物炭的大規模利用，為污泥熱解、氣化技術工藝解決后顧之憂，為其終端產品應用提供良好解決方案;
(2)本發明利用高溫燒結工藝，實現污泥熱解生物炭中重金屬元素的進一步高效固化，有效避免污泥熱解生物炭土地利用時因重金屬累積引起潛在的二次污染;
(3)本發明充分利用污泥熱解生物炭中鐵、鋁、硅、炭等有效元素提升陶粒的孔隙結構與強度，從而節約資源與能源，降低陶粒生產成本，提高陶粒品質;
(4)本發明所述的方法和裝置以污泥熱解生物炭作為主要原料生產的陶粒具有輕質高強、保溫隔熱、抗震防火、防潮、吸聲降噪等多種功能，可以利用到建筑材料領域;而且陶粒由表及里有許多微孔，具有一定的機械強度，吸水、透氣、持肥能力強，也可做無土栽培的載體、水處理的過濾介質等，應用范圍廣泛;
(5)本發明工藝簡單實用，成本低，利用熱解減量后的污泥熱解生物炭作為陶粒原料，建廠條件簡單靈活，設備投資少，污泥運輸成本低，不易造成二次污染，對環境影響小，具有很好的經濟效益與環境效益。
