1.本发明涉及市政污泥处理技术领域，尤其涉及一种耦合生物炭高温固相吸收的市政污泥热解固氮装置及方法。


背景技术：

2.市政污泥主要含有水分、蛋白质、脂类、碳水化合物、核酸、洗涤剂、酚类和灰分，以及病原体、重金属、多氯联苯和二恶英等有害物质。2020年我国市政污泥年总产量达到6000万～9000万吨，而我国污泥处理率不足60％，无害化处置率更低于20％。热解技术可利用市政污泥的能源性，又可以稳固污染成分，但市政污泥氮含量高于3wt.％(daf)，热解过程中会产生大量no
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前驱体等含氮气体，造成环境污染与破坏。
3.在污泥热解处理方面，专利cn104312600a公开了一种污泥热解气化处理工艺及一种污泥热解气化处理系统，通过控制多段炉的温度和进氧量使污泥充分热解，但并未对污泥热解产生的大量含氮气体进行处理，会使热解气利用过程中产生污染。专利cn108911457a公开了一种间接传热式污泥热解碳化装置及污泥热解碳化系统，虽具有尾气处理装置，但并不能有效去除大量的含氮挥发分，且会产生处理废液。专利cn106433713a提出了一种添加生物质的污泥热解方法，促进污泥热解，提高产物的利用价值，但并没有关注氮的排放。
4.综上所述，现有的污泥热解装置缺乏对市政污泥热解产生的含氮挥发分的控制与固定，导致热解气中氮含量过高，阻碍了热解技术处理市政污泥的应用。


技术实现要素：

5.有鉴于此，为了解决现有市政污泥无害化处理难和市政污泥热解过程中含氮污染挥发分释放，减少氮排放并合理利用污泥中的氮元素，本发明的实施例提供了一种耦合生物炭高温固相吸收的市政污泥热解固氮装置及方法。
6.本发明的实施例提供了一种耦合生物炭高温固相吸收的市政污泥热解固氮装置，包括：
7.原料预处理机构，其用于对市政污泥与生物质混合原料以形成粒状原料；
8.与所述原料预处理机构连接的一级热解回转窑，其用于接收粒状原料、以及对粒状原料热解形成热解气和热解炭，且粒状原料中的蛋白质与糖类发生美拉德反应抑制热解气中的氮含量；
9.生物质热解回转窑，其用以对生物质热解形成生物质热解炭；
10.以及分别连接所述一级热解回转窑和生物质热解回转窑的二级生物炭固相吸收热解炉，其用于接收热解气和生物质热解炭以使热解气中的含氮挥发分被生物质热解炭中的含氧官能团固相吸收。
11.进一步地，所述一级热解回转窑设有第一载气入口，所述第一载气入口用于对所述一级热解回转窑内通入惰性气体以使所述一级热解回转窑内部保持惰性氛围。
12.进一步地，所述生物质热解回转窑设有第二载气入口，所述第二载气入口用于对所述生物质热解回转窑内通入惰性气体以使所述生物质热解回转窑内部保持惰性氛围。
13.进一步地，还包括低压燃烧炉，其连接所述生物质热解回转窑和所述二级生物炭固相吸收热解炉，所述低压燃烧炉设有贯穿设置的循环水管道，所述循环水管道用以对粒状原料和生物质预热。
14.进一步地，所述原料预处理机构包括依次连接的第一料斗、搅拌仓、第一储料仓、双螺旋输料机、压块机和上料皮带机，所述上料皮带机输出端连接所述一级热解回转窑。
15.进一步地，所述一级热解回转窑的进料端依次连接第二储料仓、第一锁气给料机和第二料斗，所述一级热解回转窑的出料端设有第一热解气出口和第一出料口，其中所述第一热解气出口通过管路连接所述二级生物炭固相吸收热解炉。
16.进一步地，所述生物质热解回转窑的进料端依次连接第三储料仓、第二锁气给料机和第三料斗，所述生物质热解回转窑的出料端设有第二热解气出口和第二出料口，其中所述第二出料口通过管路连接所述二级生物炭固相吸收热解炉。
17.进一步地，所述一级热解回转窑、所述生物质热解回转窑和所述二级生物炭固相吸收热解炉均为电加热。
18.另外，基于上述耦合生物炭高温固相吸收的市政污泥热解固氮装置，本发明的实施例还提供了一种耦合生物炭高温固相吸收的市政污泥热解固氮方法，包括以下步骤：
19.s1.将设定质量比例的市政污泥与生物质混合原料投入所述原料预处理机构，经过搅拌、混合、压缩形成粒状原料；
20.s2.粒状原料输入所述一级热解回转窑中，在500℃的条件下进行热解，形成热解气和热解炭，粒状原料中的蛋白质与糖类发生美拉德反应增加热解炭中氮含量，抑制热解气中的氮含量；
21.s3.在生物质热解回转窑中投入生物质，生物质热解形成生物质热解炭；
22.s4.将热解气和生物质热解炭输入二级生物炭固相吸收热解炉中，热解气中的含氮挥发分被生物质热解炭中的含氧官能团固相吸收，进而减少含氮挥发分的排放。
23.进一步地，还包括s5，燃烧所述生物质热解回转窑输出的热解气和所述二级生物炭固相吸收热解炉输出的热解气加热循环水管道，并通过循环水管道对粒状原料和生物质预热。
24.本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种耦合生物炭高温固相吸收的市政污泥热解固氮装置及方法，污泥与生物质混合形成的粒状物料热解，利用污泥中蛋白质的含氮官能团与生物质中含氧官能团发生的美拉德反应从而将氮固定在热解炭中，产生的热解炭可作为农用营养基质；同时利用生物质热解炭中的含氧官能团固相吸收粒状物料热解过程中释放的含氮挥发分，进一步减少含氮污染物的释放，固相吸收后的热解炭可作为氮肥，可减少市政污泥热解过程中含氮挥发分的释放，并对产物进行利用，有利于市政污泥的处理和环境保护。
附图说明
25.图1是本发明一种耦合生物炭高温固相吸收的市政污泥热解固氮装置的示意图。
26.图中：1
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原料预处理机构、101
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第一料斗、102
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搅拌仓、103
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第一储料仓、104
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双螺
旋输料机、105
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压块机、106
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上料皮带机、2
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一级热解回转窑、201
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第二料斗、202
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第一锁气给料机、203
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第二储料仓、204
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第一热解气出口、205
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第一出料口、206
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第一载气入口、3
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生物质热解回转窑、301
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第三料仓、302
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第二锁气给料机、303
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第三储料仓、304
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第二热解气出口、305
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第二出料口、306
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第二载气入口、4
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二级生物炭固相吸收热解炉、401
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第三热解气出口、402
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第三出料口、5
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低压燃烧炉、501
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截止阀、502
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阻火器、503
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循环水管道、504
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废气出口。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的较优的一个，旨在提供对本发明的基本了解，但并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。
28.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解的是，它们是相对的概念，可以根据使用、放置的不同方式而相应地变化，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
29.在本文中的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接；可以是机械连接,也可以是电连接；可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.请参考图1，本发明的实施例提供了一种耦合生物炭高温固相吸收的市政污泥热解固氮装置，包括原料预处理机构1、一级热解回转窑2、生物质热解回转窑3、二级生物炭固相吸收热解炉4和低压燃烧炉5。
31.其中所述原料预处理机构1用于对市政污泥与生物质混合原料以形成粒状原料。具体的，所述原料预处理机构1包括依次连接的第一料斗101、搅拌仓102、第一储料仓103、双螺旋输料机104、压块机105和上料皮带机106。本实施例中粒状原料由粒径<60目，含水率<15％的市政污泥与综纤维素含量>30％的生物质按照质量比7:3混合而成，混合物料由所述第一料斗101投入，在所述搅拌仓102内被搅拌均匀，而后落入所述第一储料仓103。所述双螺旋输料机104连接于所述第一储料仓103底部，以将第一储料仓103内的混合物料输送至所述压块机105，混合物料被所述压块机105压缩成型形成粒状物料。
32.所述一级热解回转窑2用于对粒状物料进行热解处理，其加热方式为电加热。具体的，所述一级热解回转窑2的进料端依次连接第二储料仓203、第一锁气给料机202和第二料斗201，所述一级热解回转窑2的出料端设有第一热解气出口204和第一出料口205。所述上料皮带机106的输入端连接所述压块机105、输出端连接所述第二料斗201，以将粒状物料输送至所述一级热解回转窑2，所述第一锁气给料机202，能够提高锁气性能和给料均匀性能，使所述一级热解回转窑2内部处于缺氧环境中。
33.所述一级热解回转窑2接收粒状原料、以及对粒状原料热解形成热解气和热解炭，此时生成的热解气为具有含氮挥发分的热解气，且在热解过程中粒状原料中的蛋白质与糖
类发生美拉德反应抑制热解气中的氮含量。所述一级热解回转窑2底部设有第一出料口205，同时所述第一出料口205排出热解炭作为农用营养基质。
34.优选的，所述一级热解回转窑2设有第一载气入口206，所述第一载气入口206设置于所述一级热解回转窑2的进料端，通过所述第一载气入口206可对所述一级热解回转窑2内通入惰性气体，以使所述一级热解回转窑2内部保持惰性氛围，即粒状原料在惰性氛围中发生热裂解反应，政污泥中的蛋白质与生物质中的糖类发生美拉德反应，使更多的氮固定在热解炭中。
35.所述生物质热解回转窑3用以对生物质热解形成生物质热解炭。所述生物质热解回转窑3的加热方式为电加热，其进料端依次连接第三储料仓303、第二锁气给料机302和第三料斗301，所述生物质热解回转窑3的出料端设有第二热解气出口304和第二出料口305。所述生物质综纤维素含量>30％，具体为甘蔗渣、棉秆等。所述生物质由所述第三料斗301投入，经由所述第二锁气给料机302和所述第三储料仓303进入所述生物质热解回转窑3内，并在所述生物质热解回转窑3内进行热解，形成热解气和生物质热解炭。所述第二锁气给料机302，能够提高锁气性能和给料均匀性能，使所述生物质热解回转窑3内部处于缺氧环境中。
36.优选的，本实施例中所述生物质热解回转窑3设有第二载气入口306，所述第二载气入口306设置于所述生物质热解回转窑3的进料端，通过所述第二载气入口306可对所述生物质热解回转窑3内通入惰性气体，以使所述生物质热解回转窑3内部保持惰性氛围。
37.所述二级生物炭固相吸收热解炉4的加热方式为电加热，其分别连接所述一级热解回转窑2和生物质热解回转窑3，其用于接收热解气和生物质热解炭以使热解气中的含氮挥发分被生物质热解炭中的含氧官能团固相吸收。
38.具体的，所述第一热解气出口204通过管路连接所述二级生物炭固相吸收热解炉4，向所述二级生物炭固相吸收热解炉4内输入粒状原料热解形成的热解气。同时所述第二出料口305通过管路连接所述二级生物炭固相吸收热解炉4，向所述二级生物炭固相吸收热解炉4内输入生物质热解形成的生物质热解炭。所述二级生物炭固相吸收热解炉4还设有第三热解气出口401，以排出含氮挥发分被吸收净化后的热解气。所述二级生物炭固相吸收热解炉4还设有第三出料口402，以排出吸收含氮挥发分后的生物质热解炭。
39.为了对所述生物质热解回转窑3和所述二级生物炭固相吸收热解炉4输出的热解气充分利用，所述低压燃烧炉5通过管路分别连接所述第三解热气出口401和所述第二热解气出口304，其管路上还设有阻火器502和截止阀501，以将所述生物质热解回转窑3和所述二级生物炭固相吸收热解炉4内输出的热解气输入所述低压燃料炉5内，进而进行燃料，燃烧产生的废气通过由废气出气口504排出。
40.所述低压燃烧炉5设有贯穿设置的循环水管道503，热解气燃烧对所述循环水管道503内的循环水加热。所述循环水管道503同时还连接所述第二储料仓203和所述第三储料仓303，以分别对粒状物料和生物质进行预热。
41.另外，基于图1所示的耦合生物炭高温固相吸收的市政污泥热解固氮装置，本发明的实施例还提供了一种耦合生物炭高温固相吸收的市政污泥热解固氮方法，包括以下步骤：
42.s1.将设定质量比例的市政污泥与生物质混合原料投入所述原料预处理机构1，经过搅拌、混合、压缩形成粒状原料。
43.一般的市政污泥粒径<60目，水分含量<15％，生物质为综纤维素含量>30％的甘蔗渣、棉秆等，按照质量比7:3加入到所述第一料斗101中，经由所述搅拌仓102搅拌均匀、所述压块机105压缩成型，形成粒状原料。
44.s2.粒状原料输入所述一级热解回转窑2中，在500℃的条件下进行热解，形成热解气和热解炭，热解气为具有含氮挥发分的热解气。粒状原料中的蛋白质与糖类发生美拉德反应将更多的氮固定在热解炭中，增加热解炭中氮含量，抑制热解气中的氮含量。所述一级热解回转窑2中粒状原料产生的热解炭可作为农用营养基质。
45.s3.在生物质热解回转窑3中投入生物质，生物质在700℃下热解形成生物质热解炭，生物质同样为综纤维素含量>30％的甘蔗渣、棉秆等。
46.s4.将热解气和生物质热解炭输入二级生物炭固相吸收热解炉4中，热解气中的含氮挥发分被生物质热解炭中的含氧官能团固相吸收，进而减少含氮挥发分的排放，而固相吸收后的高含氮生物质热解炭可作为有机氮肥进一步利用。
47.s5.燃烧所述生物质热解回转窑3输出的热解气和所述二级生物炭固相吸收热解炉4输出的热解气加热所述循环水管道503，并通过所述循环水管道503对粒状原料和生物质预热，实现能量的充分利用。
48.最后本实施例还对上述耦合生物炭高温固相吸收的市政污泥热解固氮装置降低含氮污染挥发分的性能进行了试验验证。
49.试验条件如下：
50.向所述原料预处理机构1投入2质量份混合原料，其中市政污泥(粒径<60目，水分含量<15％)和甘蔗渣或棉秆(综纤维素含量>30％)质量比为7:3。
51.向所述一级热解回转窑2的第一载气入口通入的惰性气体选择氩气，流量为100ml/min，从室温升至500℃，升温速率为10℃/min，达到预设温度500℃时，保持30min。
52.向所述生物质热解回转窑3投入甘蔗渣，700℃下热解，约产生生物质热解炭1.5质量份，输入所述二级生物炭固相吸收热解炉4。
53.所述二级生物炭固相吸收热解炉4内固相吸收温度一直保持在700℃。
54.结果显示，所述一级热解回转窑2内500℃热解炭固氮率都达到39％，所述二级生物炭固相吸收热解炉4高温固相吸收固氮率达到13％，总固氮率达到52％，相比污泥单独快速热解的固氮率34％大幅提高，说明一种耦合生物炭高温固相吸收的市政污泥热解固氮装置与方法能达到降低含氮污染挥发分排放的目的。
55.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
56.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。