專利名稱：一種熱裂解污泥制備裂解油和合成氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種熱裂解污泥制備裂解油和合成氣的方法。
背景技術(shù)：
污泥熱裂解技術(shù)是在無空氣或氧氣缺乏的氛圍條件下加熱使污泥中的有機(jī)物發(fā)生化學(xué)裂解，生成生物油(裂解油)、水、合成氣(非凝結(jié)氣體，以CO和H2為主)和污泥基活性炭(即污泥熱裂解殘?jiān)?的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)污泥的全部資源化利用，幾乎無污染物排放。近30年來,污泥熱裂解技術(shù)一直被持續(xù)研究,大部分以傳統(tǒng)熱傳導(dǎo)加熱方式為主，主要包括流化床熱裂解、固定床熱裂解、回轉(zhuǎn)窯熱裂解和電爐熱裂解等技術(shù)，并且這些技術(shù)在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家已有工程實(shí)踐。然而，污泥熱裂解傳統(tǒng)加熱技術(shù)產(chǎn)生的生物油中有較高含量的多環(huán)芳烴(PAHs)，其具有半揮發(fā)性、生物累積性和較高毒性。同時(shí)，傳統(tǒng)加熱方式熱裂解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的合成氣中⑶和仏的總含量偏低，并且H2/C0摩爾比通常較低。微波輔助熱裂解有諸多優(yōu)勢，如加熱迅速、熱效率高、加熱均勻，并且可表現(xiàn)出“熱點(diǎn)”現(xiàn)象(局部加熱的瞬間高溫)。研究表明，采用微波熱裂解生物質(zhì)，有助于合成氣產(chǎn)量的提高，且生成的合成氣中CO和H2的比例較高；另外，可以產(chǎn)生更多的生物油，且生物油中PAHs的含量極少。然而由于污泥中微波吸熱物質(zhì)較少，很難采用微波將其加熱到熱裂解溫度。為了解決該技術(shù)問題，專利文獻(xiàn)CN 101798163A報(bào)道了一種利用自身熱裂解殘?jiān)涌旌臀勰嗷蛭勰辔⒉崃呀獾姆椒ǎ摲椒ㄊ紫仍谖⒉ㄝo助高溫?zé)崃呀鈼l件下獲得污泥熱裂解殘?jiān)?，該殘?jiān)哂辛己玫奈瘴⒉ㄐ阅埽缓髮@得的熱裂解殘?jiān)c污泥按重量比
O.5-5%混合，再對污泥進(jìn)行熱裂解。此外，專利文獻(xiàn)CN 101838094A報(bào)道了一種油田含油污泥微波熱裂解資源化處理方法及裝置，該方法及裝置的主要目的是將含油污泥熱裂解，獲得的污泥熱裂解殘?jiān)鳛槁坊牧希蚶孟跛峄驓溲趸c對污泥熱裂解殘?jiān)M(jìn)行改性，改性后的殘?jiān)鳛槲讲牧?。然而，為使微波熱裂解污泥技術(shù)更具經(jīng)濟(jì)可行性，還有待于對上述技術(shù)作進(jìn)一步改進(jìn)，在制備污泥基活性炭的同時(shí)，盡量提高生物油和合成氣的產(chǎn)量和質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種污泥微波快速熱裂解資源化處理方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明將城市生活污泥與吸波材料活性炭和熱裂解催化劑均勻混合后，送入微波加熱裝置中，在惰性反應(yīng)氛圍條件下通過微波加熱快速升溫進(jìn)行熱裂解，將熱裂解產(chǎn)生的水/裂解油混合體與非凝結(jié)氣體進(jìn)行分離和回收。具體而言，本發(fā)明是一種熱裂解污泥制備裂解油和合成氣的方法，其特征在于，包括如下步驟(I)在干基有機(jī)質(zhì)含量大于60%的脫水處理或風(fēng)干后的污泥(含水率范圍一般為10%-85%)中均勻混入活性炭和熱裂解催化劑；(2)將得到的混合物裝載入微波加熱裝置中，在惰性氣體氛圍下，微波加熱進(jìn)行熱裂解反應(yīng)；(3)將熱裂解反應(yīng)產(chǎn)生的氣體通入冷凝器，收集裂解油和水，同時(shí)收集非凝結(jié)氣體作為合成氣。
活性炭具有良好的吸收微波性能，在污泥中混入活性炭可縮短污泥熱裂解的反應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)污泥的快速熱裂解。而且污泥熱裂解的速度越快，生成的裂解油和合成氣越多，因而加入活性炭使微波熱裂解污泥技術(shù)更具經(jīng)濟(jì)可行性。對活性炭的種類沒有特別限制，可選自椰子殼活性炭、竹子活性炭、污泥經(jīng)熱裂解后產(chǎn)生的污泥殘?jiān)械腎種或2種以上，用量一般為污泥重量的5_20%。熱裂解催化劑的作用為(I)提高污泥升溫速率，加速熱裂解反應(yīng)；(2)提高裂解油、合成氣(主要成分為H2、CO和CH4)相對于污泥基活性炭的比率；(3)調(diào)節(jié)裂解油和合成氣的組成成分。熱裂解催化劑可選自CaO、Ni 203、Y-Al2O3中的I種或2種以上，用量一般為污泥重量的2-10%。不同的催化劑所起的作用有所不同CaO可提高合成氣產(chǎn)量，并提高H2的相對含量，因而可提高合成氣的質(zhì)量；Ni203可提高污泥升溫速率，提高裂解油和合成氣的生成量，并增加污泥基活性炭的比表面積；Y-Al2O3則可提高合成氣的產(chǎn)量。為了保持惰性反應(yīng)氛圍，優(yōu)選在微波加熱開始前先向微波加熱裝置中通入惰性氣體(例如氮?dú)?以置換原有微波加熱裝置中的空氣，同時(shí)在加熱反應(yīng)開始后保持每公斤污泥1-3L/分鐘的惰性氣體流量。微波加熱裝置優(yōu)選采用2450MHz±50MHz的微波作為輸入能量。在微波加熱過程中，污泥在100-400°C升溫階段的平均升溫速率在30°C/分鐘以上，裂解油和合成氣主要生成在100-350°C升溫階段，微波加熱的最終溫度可升至600°C以上。為獲得污泥基活性炭，一般保持污泥溫度在600°C以上10-20分鐘。水/裂解油混合體與非凝結(jié)氣體的分離方法一般為將微波加熱污泥產(chǎn)生的熱裂解氣體經(jīng)冷凝裝置降溫至50°C以下，將產(chǎn)生的水/裂解油混合體與非凝結(jié)氣體分別回收。熱裂解反應(yīng)生成的污泥基活性炭可經(jīng)活化處理后用作商業(yè)低品質(zhì)活性炭，也可經(jīng)研磨后過篩，再次用作吸波材料添加到污泥中輔助污泥的熱裂解。本發(fā)明可以在30-50分鐘內(nèi)快速完成污泥的熱裂解，與傳統(tǒng)的熱傳導(dǎo)加熱污泥熱裂解相比，大大縮短了污泥熱裂解時(shí)間，并節(jié)省了能量消耗；同時(shí)，可生成更多的裂解油和合成氣，生成的污泥基活性炭可循環(huán)利用，幾乎無廢物和污染物排放。因而，本發(fā)明大大提高了污泥熱裂解的經(jīng)濟(jì)可行性和技術(shù)可行性，有望成為污泥無害化處理的重要替代技術(shù)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明，但下面的實(shí)施例僅為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。實(shí)施例I將100質(zhì)量份脫水后的城市生活污泥(含水率85%)與10質(zhì)量份竹子活性炭粉和5質(zhì)量份Ni2O3粉攪拌混合均勻，送入微波加熱裝置中。在微波加熱開始前向微波加熱裝置中通入氮?dú)庖灾脫Q原有微波加熱裝置中的空氣，并在加熱反應(yīng)開始后保持每公斤污泥IL/分鐘的氮?dú)饬髁?。使用頻率為2450MHz±50MHz的微波，在上述惰性反應(yīng)氛圍條件下，污泥在100-400°C升溫階段以約40°C /分鐘的升溫速度快速升溫，最終溫度升至700°C，然后繼續(xù)加熱10分鐘。微波加熱污泥產(chǎn)生的熱裂解氣體經(jīng)過冷凝裝置降溫至約40°C，將產(chǎn)生的水/裂解油混合體與非凝結(jié)氣體分別回收。獲得的污泥基活性炭可經(jīng)研磨后過60目篩，制備成粉狀吸波材料再次添加到污泥中輔助污泥的熱裂解。實(shí)施例2將100質(zhì)量份脫水后的城市生活污泥(含水率55%)與5質(zhì)量份椰子殼活性炭粉和10質(zhì)量份CaO粉攪拌混合均勻，送入微波加熱裝置中。在微波加熱開始前向微波加熱裝置中通入氮?dú)庖灾脫Q原有微波加熱裝置中的空氣，并在加熱反應(yīng)開始后保持每公斤污泥2L/分鐘的氮?dú)饬髁?。使用頻率為2450MHz±50MHz的微波，在上述惰性反應(yīng)氛圍條件下，污泥在100-400°C升溫階段以約30°C /分鐘的升溫速度快速升溫，最終溫度升至600°C，然后繼續(xù)加熱20分鐘。微波加熱污泥產(chǎn)生的熱裂解氣體經(jīng)過冷凝裝置降溫至約30°C，將產(chǎn)生的水/裂解油混合體與非凝結(jié)氣體分別回收。獲得的污泥基活性炭可經(jīng)活性化處理后用作商業(yè)低品質(zhì)活性炭。實(shí)施例3將100質(zhì)量份干化污泥(含水率10%)與20質(zhì)量份實(shí)施例I中獲得的污泥基活性炭粉和2質(zhì)量份Ni2O3粉攪拌混合均勻，送入微波加熱裝置中。在微波加熱開始前向微波加熱裝置中通入氮?dú)庖灾脫Q原有微波加熱裝置中的空氣，并在加熱反應(yīng)開始后保持每公斤污泥3L/分鐘的氮?dú)饬髁?。使用頻率為2450MHz ± 50MHz的微波，在上述惰性反應(yīng)氛圍條件下，污泥在100-400°C升溫階段以約35°C /分鐘的升溫速度快速升溫，最終溫度升至650°C，然后繼續(xù)加熱15分鐘。微波加熱污泥產(chǎn)生的熱裂解氣體經(jīng)過冷凝裝置降溫至約50°C，將產(chǎn)生的水/裂解油混合體與非凝結(jié)氣體分別回收。獲得的污泥基活性炭可經(jīng)活性化處理后用作商業(yè)低品質(zhì)活性炭。實(shí)施例4將100質(zhì)量份干化污泥(含水率25%)與15質(zhì)量份實(shí)施例I中獲得的污泥基活性炭粉和5質(zhì)量份Y -Al2O3粉攪拌混合均勻，送入微波加熱裝置中。在微波加熱開始前向微波加熱裝置中通入氮?dú)庖灾脫Q原有微波加熱裝置中的空氣，并在加熱反應(yīng)開始后保持每公斤污泥2L/分鐘的氮?dú)饬髁俊Ｊ褂妙l率為2450MHz±50MHz的微波，在上述惰性反應(yīng)氛圍條件下，污泥在100-400°C升溫階段以約30°C/分鐘的升溫速度快速升溫，最終溫度升至650°C，然后繼續(xù)加熱15分鐘。微波加熱污泥產(chǎn)生的熱裂解氣體經(jīng)過冷凝裝置降溫至約30°C，將產(chǎn)生的水/裂解油混合體與非凝結(jié)氣體分別回收。獲得的污泥基活性炭可經(jīng)活性化處理后用作商業(yè)低品質(zhì)活性炭。比較例I將干化污泥(含水率10%)送入電加熱爐中進(jìn)行熱裂解。在電加熱開始前向電加熱爐中通入氮?dú)庖灾脫Q原有電加熱爐中的空氣，并在加熱反應(yīng)開始后保持每公斤污泥3L/分鐘的氮?dú)饬髁?。在上述惰性反?yīng)氛圍條件下，對污泥進(jìn)行電加熱，污泥在100-300°C升溫階段以約15°C /分鐘的平均升溫速度升溫，最終溫度升至600°C，然后繼續(xù)加熱30分鐘。電加熱污泥產(chǎn)生的熱裂解氣體經(jīng)過冷凝裝置降溫至約50°C，將產(chǎn)生的水/裂解油混合體與非凝結(jié)氣體分別回收。比較例2將100質(zhì)量份脫水后的城市生活污泥(含水率55%)與5質(zhì)量份椰子殼活性炭粉攪拌混合均勻，送入微波加熱裝置中。在微波加熱開始前向微波加熱裝置中通入氮?dú)庖灾脫Q原有微波加熱裝置中的空氣，并在加熱反應(yīng)開始后保持每公斤污泥2L/分鐘的氮?dú)饬髁?。使用頻率為2450MHz±50MHz的微波，在上述惰性反應(yīng)氛圍條件下，污泥在100-400°C升溫階段以約30°C /分鐘的升溫速度快速升溫，最終溫度升至600°C，然后繼續(xù)加熱20分鐘。微波加熱污泥產(chǎn)生的熱裂解氣體經(jīng)過冷凝裝置降溫至約30°C，將產(chǎn)生的水/裂解油混合體與非凝結(jié)氣體分別回收。實(shí)施例1-4和比較例1、2中產(chǎn)生的水、裂解油、合成氣和污泥基活性炭的比例，以及合成氣的組成和污泥基活性炭的比表面積如表I所示。 此外，合成氣的成分及相對含量采用氣相色譜配熱導(dǎo)檢測器(TCD)和多孔碳分子篩柱測定，污泥基活性炭的比表面積采用氮吸附方法測定。表I
熱裂解產(chǎn)物中各成分比例入,,
(wt%)合成I組成污泥基活性炭
污泥基活性m ic合成h2+co+ch,η,/co比表面枳
炭油氣所占比例(v/v)Cm2/g)
(v/v%)
實(shí)施例 I 14.93.279. 72.272.30.5277
實(shí)施例 2 35.98.850. I5.259.61.4175
實(shí)施例 3 53. I17.015.914.068. I0.4232
實(shí)施例 4 46.213. 330.410. I67.01.2168
比較例 I 56. I5.634. I4.245.20.245
比較例 2 37.27.650 ^5.058 O0.678
權(quán)利要求
1.一種熱裂解污泥制備裂解油和合成氣的方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)在干基有機(jī)質(zhì)含量大于60%的脫水處理或風(fēng)干后的污泥中均勻混入活性炭和熱裂解催化劑； (2)將得到的混合物裝載入微波加熱裝置中，在惰性氣體氛圍下，微波加熱進(jìn)行熱裂解反應(yīng); (3)將熱裂解反應(yīng)產(chǎn)生的氣體通入冷凝器，收集裂解油和水，同時(shí)收集非凝結(jié)氣體作為合成氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述熱裂解催化劑為選自CaO、Ni203、Y -Al2O3中的I種或2種以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述熱裂解催化劑的用量為污泥重量的2-10%ο
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述活性炭為選自椰子殼活性炭、竹子活性炭、污泥經(jīng)熱裂解后產(chǎn)生的污泥殘?jiān)械腎種或2種以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述活性炭的用量為污泥重量的5-20%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述惰性氣體為氮?dú)狻?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使用的微波頻率為2450MHz±50MHz。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種熱裂解污泥制備裂解油和合成氣的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在干基有機(jī)質(zhì)含量大于60%的脫水處理或風(fēng)干后的污泥中均勻混入活性炭和熱裂解催化劑；(2)將得到的混合物裝載入微波加熱裝置中，在惰性氣體氛圍下，微波加熱進(jìn)行熱裂解反應(yīng)；(3)將熱裂解反應(yīng)產(chǎn)生的氣體通入冷凝器，收集裂解油和水，同時(shí)收集非凝結(jié)氣體作為合成氣。本發(fā)明可以快速完成污泥的熱裂解，與傳統(tǒng)的熱傳導(dǎo)加熱污泥熱裂解相比，大大縮短了污泥熱裂解時(shí)間，并節(jié)省了能量消耗；同時(shí)，可生成更多的裂解油和合成氣，生成的污泥基活性炭可循環(huán)利用，幾乎無廢物和污染物排放。
文檔編號(hào)C02F11/10GK102936087SQ201210439519
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月6日
發(fā)明者于穎, 孫冰, 嚴(yán)志宇 申請人:大連海事大學(xué)