專利名稱：市政污泥超臨界熱解制備生物油的方法
技術領域：
本發(fā)明是關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：
目前，污泥處理方法主要有農用、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得到了很好的發(fā)展。有機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率和最高熱值的液體燃料。污水 污泥與大部分有機廢物相同，含有大量易揮發(fā)性有機物，通過熱解可以將污泥中儲存的能量，以燃料的形式釋放出來。由前述論述可知，污泥熱解液化技術是一種充分利用污泥中有機物質含量高的特點開發(fā)出的新技術，不僅可以處理大量的污泥，達到無害化、減量化的目的，而且可以產生大量的液體燃料和有吸附作用的固體半焦，以實現經濟效益和社會效益的同步增長?，F有污泥油化技術可以分為兩種方法低溫熱解法和直接熱化學液化法。(a)污泥低溫熱解制油低溫熱解制油通過在無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化為油、反應水、不凝性氣體(NCG)和炭四種可燃性產物。有關污泥低溫熱解技術的最早報道可追溯到1939年的一項法國專利，在該專利中Shibata首次闡明了污泥的熱解處理工藝。到上世紀70年代，德國的科學家Bayer和Kutubuddin對該工藝進行了深入研究，開發(fā)了污泥低溫熱解工藝。熱解過程在微正壓、熱解溫度為250-500°C，缺氧的條件下進行，停留一定時間，污泥中的有機物通過熱裂解轉化為氣體，經冷凝后得到熱解油。污泥熱解油主要由脂肪族、烯族及少量其他類化合物組成。通過比較污泥及其衍生油與石油的烴類圖譜，Bayer認為污泥轉化為油的過程是一系列生物質脫氨、水和二氧化碳反應的綜合，與石油的形成過程類似，油的來源主要是污泥中的脂肪和蛋白質。證明了該技術處理污泥的可行性。1986年,在澳大利亞的Perth和Sydney建立起第二代試驗廠,其實驗結果為大規(guī)模污泥低溫熱解油化技術的開發(fā)提供了大量的數據和經驗。90年代末，第一座商業(yè)化的污泥煉油廠在澳大利亞的Perth的Subiaco污水處理廠建成，處理規(guī)模為每天處理25噸干污泥，每噸干污泥可產出200 300升與柴油類似的燃料和半噸燒結炭，該專利工藝為Enersludge工藝。Frost研究表明產生的油類熱值較高,有很好的市場應用前景。(b)污泥直接液化油化技術此法是將經過機械脫水的污泥(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%的有機物能通加水分解、縮合、脫氫、環(huán)化等一系列反應轉化為低分子油狀物，得到的重油產物用萃取劑進行分離收集。重油產品的組成和性質取決于催化劑的裝填與反應溫度。反應過程可得到熱值約為33MJ/kg的液體燃料，收率可達50%左右(以干燥有機物為基準)，同時產生大量不凝性氣體和固體殘渣。污泥直接熱化學液化技術的源頭，可追溯到1913年德國人F. Bergius進行的高溫高壓(400-450°C，20MPa)加氫，從煤或煤焦油得到液體燃料的實驗。1980年以后，美國首先將該技術的工藝框架應用于污泥處理，并于80年代中期發(fā)表了研究報告，以后其他國家也開始進行這方面的研究，使該技術的工藝過程逐漸定型。Ching-Yuan Chang等對活性污泥、消化污泥和油漆污泥進行了熱解處理，產油率分別為31. 4%,11. 0%和14. 0%，可見污泥的種類不同，產油率也不同。Gasco的研究表明油產量主要取決于污泥中粗脂肪的含量。Shen的研究表明未經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，其產油率比其他污泥高出8%。污泥液化的操作條件對直接熱化學液化過程影響很大，比如反應溫度、停留時間、加溫速率等。Isabel Fonts報道，反應溫度很大程度上影響油產量，在不添加催化劑，停留時間2h的條件下，從300°C開始，油產量不發(fā)生變化.若添加催化劑，300°C以上，油產量有 一些提高.這說明油的產生主要發(fā)生在300°C時.油產率隨著停留時問而增加，溫度越高，停留時間的影響越小。Shen報道，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(如在650°C)。在450°C時，更高的加熱速率，使熱解效率更高，會產生更多的液態(tài)成分和氣態(tài)成分的量，而降低了固態(tài)剩余物的量?，F有的污泥低溫熱解制油和直接液化油化技術，均無可避免的要對污泥進行預處理，其中低溫熱解制油技術，需干燥脫水，才能達到制油要求；直接液化油化技術，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。如何實現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題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的，是針對現有污泥熱解制油技術處置成本高、預處理復雜等問題，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，同時回收固體半焦及可燃性熱解氣體。本發(fā)明通過如下技術方案予以實現。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)將污水處理廠的出廠污泥直接置于密閉高壓反應釜中，通入惰性氣體吹掃，當釜內壓力達O. IMPa時，開啟排氣閥放壓至一個大氣壓狀態(tài)，再次關閉閥門，以惰性氣體充壓至O. IMPa，如此反復此操作3 5次，使熱解環(huán)境達到惰性氛圍；(2)加熱釜體，設定熱解終溫為350 500°C，泄壓壓力為22 25MPa，使原料污泥中的水在反應器中達超臨界狀態(tài)，反應壓力由原料污泥所含水分加熱產生的蒸汽壓實現，催化效果由超臨界水實現，進而實現污泥在超臨界水中的熱解反應；達到熱解終溫后，停留
O Ih ;(3)反應結束后，釜體冷卻泄壓，收集固液混合物，對反應產物進行真空過濾，再進行油水分離，制得生物油。所述步驟(I)的惰性氣體為氮氣。所述步驟(I)的原料污泥為含水率在80%以上的出廠濕污泥。
應用權利要求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)，包括反應釜、冷卻管、冷凝器、過濾器、真空泵和分液器，其特征在于，所述的反應釜為高壓反應釜
(4)，高壓反應釜(4)的前端依次設置有氮氣儲罐(I)、升壓泵(2)和高壓氣體儲罐(3)，通過管道與高壓反應釜(4)相連接，連接管道上設置有閥門和壓力表；高壓反應釜(4)的頂端設置有取樣口(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)的兩端分別設置有集液罐(8)和集氣袋(9);高壓反應釜(4)還設置有釜體旋轉出料口(15)，釜體旋轉出料口(15)依次與過濾器(10)、分液器(12)和旋轉蒸發(fā)儀(13)相連接，同時，過濾器(10 )與真空泵(11)相連接，分液器(12 )與集液罐(8 )相連接。所述高壓反應釜(4)為序批式耐高壓密封反應釜，規(guī)格為容積2L，設計溫度550°C，設計壓力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)的以生物質制備生物燃料的工藝，同時也實現了固體廢棄物的資源化處置。2.以污水處理廠出廠污泥直接為原料，在水的超臨界條件下熱解，避免了現有污泥低溫熱解制油工藝中污泥干燥脫水環(huán)節(jié)，同時，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，一方面實現了變廢為寶，具有良好的環(huán)境和經濟效益；另一方面，在高溫熱解條件下，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問題。


附圖1，是本發(fā)明的應用市政污泥超臨界熱解制備生物油的方法的處理系統(tǒng)結構示意圖。本發(fā)明附圖標記為I——氮氣儲罐2——升壓泵3-高壓氣體儲罐4-高壓反應釜5——控制面板6——冷卻管，7—冷凝器8—集液罐9——集氣袋10——過濾器11——真空泵12——分液器13——旋轉蒸發(fā)儀14——取樣口15——釜體旋轉出料口氮氣為a，濕污泥為b，熱解固液混合產物為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。
具體實施例方式圖I是本發(fā)明的應用市政污泥超臨界熱解制備生物油的方法的處理系統(tǒng)結構示意圖。該處理系統(tǒng)的反應釜為高壓反應釜4，為序批式耐高壓密封反應釜；高壓反應釜4的前端依次設置有氮氣儲罐I、升壓泵2和高壓氣體儲罐3，通過管道與高壓反應釜4相連接，連接管道上設置有閥門和壓力表；高壓反應釜4的頂端設置有取樣口 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的兩端分別設置有集液罐8和集氣袋9 ;高壓反應釜(4)還設置有釜體旋轉出料口 15，釜體旋轉出料口 15依次與過濾器10、分液器12和旋轉蒸發(fā)儀13相連接，同時，過濾器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的經機械壓濾脫水且含水率在80%以上的濕污泥b，稱取500g，直接加入高壓反應釜4中，密閉釜蓋，并關閉與反應釜相連的各排氣閥門，開放氮氣儲罐I，向系統(tǒng)充氮氣a吹掃；當反應釜內壓力達O. IMPa時，開啟排氣閥放壓至一個大氣壓狀態(tài)，再次關閉閥門，以氮氣充壓至O. IMPa，如此反復此操作三次，使高壓反應釜4內達到惰性氛圍；調節(jié)控制面板5，設定熱解終溫為375°C，程序升溫，反應壓力由原料污泥所含水分加熱產生的蒸汽壓實現，催化效果由超臨界水實現，達到熱解終溫后，停留30min ;為保證設備安全 運行，背壓閥泄壓壓力設定在25MPa ;加熱及熱解過程中，反應釜4內壓力高于25MPa時，與反應釜體相連背壓閥自動泄壓，溢出熱解氣d經取樣口 14進入冷卻管6冷卻，然后進入冷凝器7，二級水冷；熱解氣冷卻的同時，壓力下降，可凝結油水混合物g凝結于集液罐8中，非冷凝性氣體h經管道排出，可用集氣袋9收集；反應結束后，釜體風冷泄壓，當控制面板5顯示釜內溫度達室溫時，打開釜體取樣口 14，熱解氣d同樣經二級水冷，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停留于反應釜內，釜體升降旋轉，由釜體旋轉出料口 15傾倒出反應產物，再經真空過濾，分離固液產物，所得固體物質為熱解殘?zhí)縤，液體物質為油水混合物g ;釜體及集液罐中液體混合物均進入分液器12中，同時加入二氯甲烷做萃取劑j，油水分離，分離水直接排除，萃取液進入旋轉蒸發(fā)儀13，設定蒸發(fā)溫度為40°C，旋轉蒸發(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)將污水處理廠的出廠污泥直接置于密閉高壓反應釜中，通入惰性氣體吹掃，當釜內壓力達O. IMPa時，開啟排氣閥放壓至一個大氣壓狀態(tài)，再次關閉閥門，以惰性氣體充壓至O.IMPa，如此反復此操作3 5次，使熱解環(huán)境達到惰性氛圍； (2)加熱釜體，設定熱解終溫為350 500°C，泄壓壓力為22 25MPa，使原料污泥中的水在反應器中達超臨界狀態(tài)，反應壓力由原料污泥所含水分加熱產生的蒸汽壓實現，催化效果由超臨界水實現，進而實現污泥在超臨界水中的熱解反應；達到熱解終溫后，停留O Ih ； (3)反應結束后，釜體冷卻泄壓，收集固液混合物，對反應產物進行真空過濾，再進行油水分離，制得生物油。
2.根據權利要求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的惰性氣體為氮氣。
3.根據權利要求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%以上的出廠濕污泥。
4.應用權利要求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)，包括反應釜、冷卻管、冷凝器、過濾器、真空泵和分液器，其特征在于，所述的反應釜為高壓反應釜(4)，高壓反應釜(4)的前端依次設置有氮氣儲罐(I)、升壓泵(2)和高壓氣體儲罐(3)，通過管道與高壓反應釜(4)相連接，連接管道上設置有閥門和壓力表；高壓反應釜(4)的頂端設置有取樣口(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)的兩端分別設置有集液罐(8)和集氣袋(9);高壓反應釜(4)還設置有釜體旋轉出料口(15)，釜體旋轉出料口(15)依次與過濾器(10)、分液器(12)和旋轉蒸發(fā)儀(13)相連接，同時，過濾器(10 )與真空泵(11)相連接，分液器(12 )與集液罐(8 )相連接。
5.根據權利要求4的應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，所述高壓反應釜(4)為序批式耐高壓密封反應釜，規(guī)格為容積2L，設計溫度550°C，設計壓力3OMPa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種市政污泥超臨界熱解制備生物油的方法將出廠污泥直接投入高壓密封反應釜中，采用氮氣反復吹掃，達到惰性氛圍；程序升溫，氮氣補壓，使原料污泥中的水在反應器中達超臨界狀態(tài)，進而實現污泥在超臨界水中的熱解反應；反應產物經真空過濾，分液萃取，旋轉蒸發(fā)后，獲得熱解生物油。應用該方法的處理系統(tǒng)，主要包括序批式耐高壓密封反應釜，升壓泵，冷凝器，旋轉蒸發(fā)儀和真空泵等。本發(fā)明避免了現有污泥低溫熱解制油工藝中污泥干燥脫水環(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題，同時也避免了重金屬的二次污染問題，可獲得更高附加值的生物油。
文檔編號C10G1/00GK102911691SQ20121043606
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月5日 優(yōu)先權日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 申請人:天津大學