技术领域
[0001] 本发明涉及有机固废热解技术领域，尤其涉及一种污泥和生物质协同分级转化与资源化利用的方法。
相关背景技术
[0002] 随着我国社会经济发展，有机固体废弃物的产量飞速增长。污泥作为污水处理的衍生品，其产量已超过6000万吨/年。量大面广的有机固废处理不当不仅会造成二次污染，还浪费资源。因此，实现污泥的高值化、减量化、无害化处置是满足生态文明建设和可持续发展的重大需求。
[0003] 目前，常规的污泥和生物质处置方式包括卫生填埋、建材利用、土地利用和焚烧利用等，但这些处置方式也导致了土质硬化碱化、建材质量差、重金属污染、大气污染等问题。热解气化技术在消纳、减容污泥和生物质的同时，不仅消除了病菌等对环境的危害，还充分利用了原料中大量的碳氢资源，获得了多元化的产品，实现了污泥和生物质的减量化、资源化、无害化利用，是一种具有广阔前景的技术。然而，污泥含水率高、灰分高、反应活性低，其单独热解气化时的热解气和焦油产率低，焦炭的品质低，难以后续利用。
[0004] 我国生物质资源丰富，合计约4.36亿吨标准煤/年。生物质中碱金属钾的含量高、热解气化反应活性较好，但生物质颗粒粘性低，难以成型，导致生成的焦炭松散易碎，不易运输和利用。同时，碱金属也容易大量释放导致设备积灰、结渣腐蚀以及大气污染物(颗粒物)排放等问题。
[0005] 目前已有污泥和生物质共热解的技术提出，参见专利CN106433713A、CN112923371A、CN109135785A等。但这些公开的污泥耦合生物质共热解技术，虽然可以提高污泥热解效率，但还存在热解气品质低、组分不稳定、两种燃料简单混合热解致使焦炭呈粉末状无法直接利用以及低熔点颗粒物生成等问题。
[0006] 因此，迫切需要一种能够生成高品质热解气和焦炭、减少颗粒物生成的污泥热解气化方法。
具体实施方式
[0023] 下面结合实施例对本发明的技术方案做出更为具体的说明。
[0024] 参见下表1和表2，本实验使用污泥均为市政污泥，具有高硅、高铝、高磷特点；生物质均为秸秆，为高钾生物质。
[0025] 表1市政污泥和秸秆的工业分析和元素分析
[0026]
[0027]
[0028] M‑水分；A‑灰分；V‑挥发分；FC‑固定碳；St‑全硫
[0029] 表2市政污泥和秸秆的灰化学组成
[0030]
[0031] 实施例1
[0032] 一种污泥和生物质协同分级转化与资源化利用的方法，包括以下步骤：
[0033] S1.将收集到的污泥均匀的铺在容器中晾晒后放入鼓风干燥箱中，在105℃的温度下烘12小时。随后将污泥置于研磨机中快速研磨30秒，取出后使用160‑200目的筛子筛分成直径为75‑97微米左右的颗粒；
[0034] 同样地，将收集到的生物质均匀的铺在容器中后放入鼓风干燥箱，在105℃的温度下烘12小时。随后将生物质置于研磨机中快速研磨30秒，取出后使用160‑200目的筛子筛分成直径为75‑97微米左右的颗粒。
[0035] S2.先按照质量比3:7将污泥颗粒和生物质颗粒人工均匀混合置于密闭容器中，得到燃料，再使用漩涡混合器震荡混合3分钟，提高燃料混合的均匀性；然后取一定量充分混合的燃料放入模具中，震动铺平物料后，将模具放置在压片机中，在2兆帕的压力下压制2分钟，制备得到直径约25毫米的圆柱形固体燃料。
[0036] S3.将制备得到的固体颗粒燃料放进坩埚中，随后放入固定床反应器中。首先在室温、氩气气氛下稳定10min，氩气流量设定为60mL/min。随后以10℃/min的速率升温至1000℃，气体流量维持在60mL/min保持不变，温度升至1000℃后，以45℃/min的速率降低至室温，制备得到圆柱形成型焦炭和热解气。
[0037] 收集步骤S3中获得的热解气至气袋，利用质谱仪检测气体成分。
[0038] 收集步骤S3中获得的圆柱形成型焦炭，放入固定床反应器中，先在室温、氩气气氛下稳定10分钟，氩气流量设定为60mL/min。随后以10℃/min的速率升温至1000℃，气体流量维持在60mL/min保持不变。当温度升至1000℃后，将氩气切换成二氧化碳气氛后恒温120min，二氧化碳流量维持在60mL/min，使得焦炭充分气化。最后以45℃/min的速率降低至室温，制备得到合成气和灰渣。
[0039] 使用气袋收集上述合成气，利用质谱仪检测气体成分。
[0040] 实施例2
[0041] 一种污泥和生物质协同分级转化与资源化利用的方法，包括以下步骤：
[0042] S1.将收集到的污泥均匀的铺在容器中晾晒后放入鼓风干燥箱中，在105℃的温度下烘12小时。随后将污泥置于研磨机中快速研磨30秒，取出后使用160‑200目的筛子筛分成直径为75‑97微米左右的颗粒；
[0043] 同样地，将收集到的生物质均匀的铺在容器中后放入鼓风干燥箱，在105℃的温度下烘12小时。随后将生物质置于研磨机中快速研磨30秒，取出后使用160‑200目的筛子筛分成直径为75‑97微米左右的颗粒。
[0044] S2.先按照质量比1:1将污泥颗粒和生物质颗粒人工均匀混合置于密闭容器中，得到燃料，再使用漩涡混合器震荡混合3分钟，提高燃料混合的均匀性；然后取一定量充分混合的燃料放入模具中，震动铺平物料后，将模具放置在压片机中，在2兆帕的压力下压制2分钟，制备得到直径约25毫米的圆柱形固体燃料。
[0045] S3.将制备得到的固体颗粒燃料放进坩埚中，随后放入固定床反应器中。首先在室温、氩气气氛下稳定10分钟，氩气流量设定为60mL/min。随后以10℃/分钟的速率升温至1000℃，气体流量维持在60mL/min保持不变。当温度升至1000℃后，以45℃/min的速率降低至室温，制备得到圆柱形成型焦炭和热解气。
[0046] 收集步骤S3中获得的热解气至气袋，利用质谱仪检测气体成分。
[0047] 进一步的，将步骤S3中圆柱形成型焦炭放入固定床反应器中。首先在室温、氩气气氛下稳定10min，氩气流量设定为60mL/min。随后以10℃/min的速率升温至1000℃，气体流量维持在60mL/min保持不变。当温度升至1000℃后，将氩气切换成二氧化碳气氛后保温120min，二氧化碳流量维持在60mL/min，使得焦炭充分气化。最后以45℃/min的速率降低至室温，制备得到合成气和灰渣。
[0048] 收集上述合成气，利用质谱仪检测气体成分。
[0049] 实施例3
[0050] 一种污泥和生物质协同分级转化与资源化利用的方法，包括以下步骤：
[0051] S1.将收集到的污泥均匀的铺在容器中晾晒后放入鼓风干燥箱中，在105℃的温度下烘12小时。随后将污泥置于研磨机中快速研磨30秒，取出后使用160‑200目的筛子筛分成直径为75‑97微米左右的颗粒；
[0052] 同样地，将收集到的生物质均匀的铺在容器中后放入鼓风干燥箱，在105℃的温度下烘12小时。随后将生物质置于研磨机中快速研磨30秒，取出后使用160‑200目的筛子筛分成直径为75‑97微米左右的颗粒。
[0053] S2.先按照质量比7:3将污泥颗粒和生物质颗粒人工均匀混合置于密闭容器中，得到燃料，再使用漩涡混合器震荡混合3分钟，提高燃料混合的均匀性；然后取一定量充分混合的燃料放入模具中，震动铺平物料后，将模具放置在压片机中，在2兆帕的压力下压制2分钟，制备得到直径约25毫米的圆柱形固体燃料。
[0054] S3.将制备得到的固体颗粒燃料放进坩埚中，随后放入固定床反应器中。首先在室温、氩气气氛下稳定10min，氩气流量设定为60mL/min。随后以10℃/min的速率升温至1000℃，气体流量维持在60mL/min保持不变，温度升至1000℃后，以45℃/min的速率降低至室温，制备得到圆柱形成型焦炭和热解气。
[0055] 收集步骤S3中获得的热解气至气袋，利用质谱仪检测气体成分。
[0056] 收集步骤S3中获得的圆柱形成型焦炭，放入固定床反应器中，先在室温、氩气气氛下稳定10分钟，氩气流量设定为60mL/min。随后以10℃/min的速率升温至1000℃，气体流量维持在60mL/min保持不变。当温度升至1000℃后，将氩气切换成二氧化碳气氛后恒温120min，二氧化碳流量维持在60mL/min，使得焦炭充分气化。最后以45℃/min的速率降低至室温，制备得到合成气和灰渣。
[0057] 使用气袋收集上述合成气，利用质谱仪检测气体成分。
[0058] 对比例1
[0059] S1.将收集到的污泥均匀的铺在容器中晾晒后放入鼓风干燥箱中，在105℃的温度下烘12小时。随后将污泥置于研磨机中快速研磨30秒，取出后使用160‑200目的筛子筛分成直径为75‑97微米左右的颗粒；
[0060] 同样地，将收集到的生物质均匀的铺在容器中后放入鼓风干燥箱，在105℃的温度下烘12小时。随后将生物质置于研磨机中快速研磨30秒，取出后使用160‑200目的筛子筛分成直径为75‑97微米左右的颗粒。
[0061] S2.先按照质量比1:1将污泥颗粒和生物质颗粒人工均匀混合置于密闭容器中，得到燃料，再使用漩涡混合器震荡混合3分钟，提高燃料混合的均匀性。
[0062] S3.取一定量充分混合的燃料放进坩埚中，随后放入热重反应器中。首先在室温、氩气气氛下稳定10min，氩气流量设定为60mL/min。随后以10℃/min的速率升温至1000℃，气体流量维持在60mL/min保持不变。当温度升至1000℃后，以45℃/min的速率降低至室温，制备得到圆柱形成型焦炭和热解气。
[0063] 收集步骤S3中获得的热解气至气袋，利用质谱仪检测气体成分。
[0064] 对比例2
[0065] S1.将收集到的污泥均匀的铺在容器中晾晒后放入鼓风干燥箱中，在105℃的温度下烘12小时。随后将污泥置于研磨机中快速研磨30秒，取出后使用160‑200目的筛子筛分成直径为75‑97微米左右的颗粒；
[0066] 同样地，将收集到的生物质均匀的铺在容器中后放入鼓风干燥箱，在105℃的温度下烘12小时。随后将生物质置于研磨机中快速研磨30秒，取出后使用160‑200目的筛子筛分成直径为75‑97微米左右的颗粒。
[0067] S2.先按照质量比3:7将污泥颗粒和生物质颗粒人工均匀混合置于密闭容器中，得到燃料，再使用漩涡混合器震荡混合3分钟，提高燃料混合的均匀性；然后取一定量充分混合的燃料放入模具中，震动铺平物料后，将模具放置在压片机中，在2兆帕的压力下压制2分钟，制备得到直径约25毫米的圆柱形固体燃料。
[0068] S3.将制备得到的固体颗粒燃料放进坩埚中，随后放入固定床反应器中。首先在室温、氩气气氛下稳定10min，氩气流量设定为60mL/min。随后以10℃/min的速率升温至1000℃，气体流量维持在60mL/min保持不变。当温度升至1000℃后，将氩气切换成二氧化碳气氛后保温120min，二氧化碳流量维持在60mL/min，使得焦炭充分气化。最后以45℃/min的速率降低至室温，制备得到合成气和灰渣。
[0069] 收集上述合成气，利用质谱仪检测气体成分。
[0070] 对比例3
[0071] S1.将收集到的污泥均匀的铺在容器中晾晒后放入鼓风干燥箱中，在105℃的温度下烘12小时。随后将污泥置于研磨机中快速研磨30秒，取出后使用160‑200目的筛子筛分成直径为75‑97微米左右的颗粒；
[0072] 同样地，将收集到的生物质均匀的铺在容器中后放入鼓风干燥箱，在105℃的温度下烘12小时。随后将生物质置于研磨机中快速研磨30秒，取出后使用160‑200目的筛子筛分成直径为75‑97微米左右的颗粒。
[0073] S2.先按照质量比1:1将污泥颗粒和生物质颗粒人工均匀混合置于密闭容器中，得到燃料，再使用漩涡混合器震荡混合3分钟，提高燃料混合的均匀性；然后取一定量充分混合的燃料放入模具中，震动铺平物料后，将模具放置在压片机中，在2兆帕的压力下压制2分钟，制备得到直径约25毫米的圆柱形固体燃料。
[0074] S3.将制备得到的固体颗粒燃料放进坩埚中，随后放入固定床反应器中。首先在室温、氩气气氛下稳定10min，氩气流量设定为60mL/min。随后以10℃/min的速率升温至1000℃，气体流量维持在60mL/min保持不变。当温度升至1000℃后，将氩气切换成二氧化碳气氛后保温120min，二氧化碳流量维持在60mL/min，使得焦炭充分气化。最后以45℃/min的速率降低至室温，制备得到合成气和灰渣。
[0075] 收集上述合成气，利用质谱仪检测气体成分。
[0076] 对比例4
[0077] S1.将收集到的污泥均匀的铺在容器中晾晒后放入鼓风干燥箱中，在105℃的温度下烘12小时。随后将污泥置于研磨机中快速研磨30秒，取出后使用160‑200目的筛子筛分成直径为75‑97微米左右的颗粒；
[0078] 同样地，将收集到的生物质均匀的铺在容器中后放入鼓风干燥箱，在105℃的温度下烘12小时。随后将生物质置于研磨机中快速研磨30秒，取出后使用160‑200目的筛子筛分成直径为75‑97微米左右的颗粒。
[0079] S2.先按照质量比7:3将污泥颗粒和生物质颗粒人工均匀混合置于密闭容器中，得到燃料，再使用漩涡混合器震荡混合3分钟，提高燃料混合的均匀性；然后取一定量充分混合的燃料放入模具中，震动铺平物料后，将模具放置在压片机中，在2兆帕的压力下压制2分钟，制备得到直径约25毫米的圆柱形固体燃料。
[0080] S3.将制备得到的固体颗粒燃料放进坩埚中，随后放入固定床反应器中。首先在室温、氩气气氛下稳定10min，氩气流量设定为60mL/min。随后以10℃/min的速率升温至1000℃，气体流量维持在60mL/min保持不变。当温度升至1000℃后，将氩气切换成二氧化碳气氛后保温120min，二氧化碳流量维持在60mL/min，使得焦炭充分气化。最后以45℃/min的速率降低至室温，制备得到合成气和灰渣。
[0081] 收集上述合成气，利用质谱仪检测气体成分。
[0082] 图1为本发明实施例2(红色，成型混合)和对比例1(绿色，普通混合)改变污泥和秸秆混合成型方式后热解气成分对比图，图中(a)为CO产量，(b)为H2产量，(c)为CH4产量。由图可知，污泥和秸秆成型后再热解可显著提高热解气中CO、H2、CH4的产量。
[0083] 图2为本发明实施例1‑3和对比例1‑3在不同污泥和秸秆占比下分段热解气化(成型焦炭再气化)和连续热解气化产物对比图。由图可知，在CO2气化氛围下，不同混合比的污泥和秸秆先热解再气化的分段热解气化工艺均能稳定提高CH4和CO的产量。
[0084] 以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明的限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
