一种咖啡渣协同市政污泥热转化高效利用的方法

1.本发明属于高挥发分有机固体废弃物高值化利用领域，具体涉及一种咖啡渣协同市政污泥热转化高效利用的方法。


背景技术：

2.随着社会的飞速发展以及城市化规模的不断扩大，固体废弃物产量与日俱增，污泥作为现阶段固废处理中的重要一环，其减量化和稳定化处理处置已初具成效，但其资源化利用仍是固废处理领域的焦点之一。在污泥资源化利用的进程中，污泥可用作制备含氮碳材料，具有吸附功用。此外，咖啡的消费量逐年增长，其副产物咖啡渣的高产量及丰富的碳含量拓展了活性炭等碳材料的原料来源。以往热解-活化的方式制备碳材料需要对污泥，生物质等含水量较高的物质进行干化操作，存在能耗高的缺点，并不适宜以高湿物料为原料的碳材料制备；此前生产过程中的气相、液相资源并没有得到高效利用，造成资源的浪费。
3.因此，考虑到物料本身性质以及生产过程中固体废弃物资源的高效化利用，本发明提出了一种咖啡渣协同市政污泥热转化制备活性炭及副产物高效利用的方法，以咖啡渣和污泥为原料，通过水热处理-高温活化的方式制备含氮碳材料用作吸附剂，同时充分发挥伴随产生的固液气三相产物的作用，以达到资源的多途径利用的目的，进而提升对固体废弃物的处理处置以及资源化能力。


技术实现要素：

4.针对上述问题情况，本发明提出一种咖啡渣协同市政污泥热转化高效利用的方法，采用咖啡渣协同污泥热转化制备高性能活性炭，同时对液相和气相副产物高效回收利用的方法，该方法能够实现整个工艺流程中三相产物全组分利用，同时制备吸附剂和气体燃料。本发明一方面丰富了活性炭的碳源，另一方面解决了传统生产过程中气相、液相资源没有得到高效利用的问题。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：本发明提出了一种咖啡渣与污泥组分优化配伍后热转化制备具有高吸附性能的活性炭、同时过程副产物进行内循环利用的方法。
6.污泥与咖啡渣首先进行配伍调质，然后经水热碳化协同高温活化，获得高吸附性能活性炭，同时对气相产物定向提纯处理并利用、液相产物循环再利用。具体应用为气相产物分离提纯得到的co2可作为后续固相产物物理活化的气氛介质，在高温活化时耦合碳酸氢钾等化学活化剂对水热炭进行性能优化，活化后的炭继续进行酸洗脱盐处理，处理后再干燥制得高吸附性能活性炭。在此过程中，水热反应釜中的一部分液相产物重复再利用，可作为咖啡渣与污泥混合浆料调质的溶剂，另一部分液相产物与污泥原料掺混，利用污泥自身携带的菌种进行厌氧发酵制备富含甲烷的合成气。
7.本发明的一种咖啡渣协同污泥热转化高效利用的方法，主要包括以下步骤：
咖啡渣与污泥组分配伍优化调质处理：此环节设有磁选机、除杂箱、破碎装置，咖啡渣、污泥经此阶段可有效去除所含的磁性金属杂物及大块杂质（如碎石、布头等），除杂结束后两种物质分别输入破碎机进行破碎，过筛后得到粒径大小均匀的物料，根据所需的配伍质量比，优选为咖啡渣和污泥组分的质量比为（0.25-4）：1；将两种破碎后物料混合并存于调质罐中。之后在调质罐中根据咖啡渣和污泥物料的实际含水率加入调配水（也可适当利用水热液相产物充当溶剂），调质污泥-咖啡渣混合浆料达到水热碳化反应适宜的液固比，搅拌后得到均匀的混合浆料。
8.混合浆料的水热碳化处理：将调质好的混合浆料送入到水热反应釜中进行碳化反应，待反应结束，釜体温度降低到室温后，先从排气口处分离出气相产物，后通过真空抽滤或其他可替换的方式对水热反应后的液固产物进行分离，最终分别获得水热反应后的气液固三相产物。
9.co2协同化学活化剂高温活化水热炭：污泥含氮量高，掺杂污泥可以使水热炭中含氮丰富，在高温活化环节使用从水热气相产物中提纯获得的co2和碳酸氢钾或碳酸钾等高效化学活化剂，对水热炭进行活化。在这两种方式的共同作用下获得富含氮活性炭。此外，由于部分水热液相产物回用于调质掺杂使污泥-咖啡渣混合浆，能够进一步增加水热炭中氮元素含量，进而可以提高活化后固体吸附剂中氮含量，使吸附效果更优。
10.水热反应气相产物提纯和储存co2：通过基于升压-降温原理的分离装置将混合气中的co2提纯分离，将液相co2储存于密封罐中。
11.水热液相产物（部分）循环再利用于混合浆料配伍调质：对于水热产生的液相产物，使用一部分作为调质溶剂用于处理污泥-咖啡渣混合浆料，以达到提升混合浆料中氮含量的作用。其余部分待后续发酵使用。
12.水热液相产物（部分）发酵产气：为了充分再利用水热产生的液相产物，部分液相产物与污泥混合，利用污泥自身的菌种在发酵装置中进行发酵，发酵装置通过温度控制装置保持温度恒定，以中温厌氧发酵的方式制备富含甲烷的合成气。
13.该发明技术方案不仅能够对污泥、咖啡渣两种有机固废同时进行减量化处理，还能够达到气相和液相副产物流程中循环利用的功效，如气相产物提纯获得co2助力活化反应、液相产物既可以对水热前混合浆料调质又可以进行发酵产气，实现整个工艺流程中高性能活性炭的制备及副产物高效利用。
14.相比于现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：（1）使用水热处理-高温活化的工艺处理咖啡渣、污泥等高湿有机固废，制备高性能的含氮碳材料。
15.（2）将污泥作为氮源引入，实现污泥减量化的同时提升碳材料吸附性能。
16.（3）充分利用水热产生的三相产物，固相产物用于制备高吸附性能活性炭，气相产物用作物理活化的气氛介质，液相用作咖啡渣与污泥原料的调质溶剂以及发酵制备气体燃料，实现整个工艺流程高性能活性炭的制备及副产物高效利用。
17.附图说明
18.图1为本发明工艺流程图。
19.具体实施方式
20.下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.如图1所示，为本发明的工艺流程图，现对本发明工艺流程做进一步的说明。
22.本发明针对咖啡渣和市政污泥混合物料，提出了咖啡渣与污泥组分配伍优化调质处理、混合浆料的水热碳化处理、co2协同碳酸氢钾高温活化水热炭制备活性炭，同时综合副产物的工艺流程内循环再利用的方法，如水热气相产物进一步分离提纯co2，获得的co2可作为水热炭活化介质；部分水热液相产物循环再利用于物料调质、部分用于发酵制高热值合成气。整个流程的具体实施方式包括以下步骤：咖啡渣与污泥组分配伍优化调质处理：污泥、咖啡渣首先分别经由磁选机进行金属除杂：磁选机中，下履带运输物料至上下履带重合处时，上履带能将其中的磁性金属杂物吸附，并运送到金属杂物收集箱中，之后下履带继续将物料输入至设有三层滤网的除杂箱；箱中滤网自上而下孔隙逐渐减小，能有效去除物料中混有的大块杂物，除杂结束后的物料进入破碎机进行破碎。粗破碎过的污泥以及咖啡渣经过筛得到颗粒细小的两种原料，根据所需的配伍质量比输入调质罐中、结合两种原料实际含水率按1:10~1:20的固液比加入调配水（也可适当利用水热液相产物充当溶剂）进行混合调质，之后存储于调质罐中，通过搅拌器（搅拌器转速可设置为300 r/min）搅拌均匀后输入到水热反应釜中。
23.混合浆料的水热碳化处理：反应前使用n2对整个水热反应釜装置进行排空处理，可设置反应釜的搅拌器的转速为250-350r/min，使工质在1.5~6.4mpa（n2氛围），200~280℃的工况下反应2~4h，待反应结束，釜内温度降低至室温后，先从排气口对气相产物进行收集，将其存储于与釜体连接的储气罐中，固液混合物进入下一阶段的固液分离，分别得到水热炭以及油水混合物。
24.co2协同化学活化剂高温活化水热炭：固相水热炭与药剂罐中的化学活化剂用去离子水充分浸混合、烘干后进入热解炉，所述的化学活化剂为碳酸氢钾，先通入10-20min的二氧化碳确保炉内空气完全排出，再设置活化温度为700-800℃，活化时间设置为2-3h，同时通入co2（co2来源于水热气相产物提纯分离所得），对水热炭进行耦合物理-化学活化，之后对得到的产物用1-2mol/l的稀盐酸进行洗涤，再用纯水洗涤至滤液中性，烘干后得到富含氮高性能活性炭，可用做吸附剂。
25.气相产物提纯存储co2：对所得水热气相产物进行处理，在分离提纯装置中调整混合气压力，使co2液化，实现co2提纯，并存储于储存罐中，待之后用作水热炭活化的物理活化气氛。
26.水热液相产物（部分）循环利用于混合浆料配伍调质：对于固液分离后获得的水热液相产物，部分通过管道输入混合浆料的调质罐中，可以作为水热前原料调质的溶剂进行循环利用，以达到提升混合浆料中的氮元素含量的目的；其余部分则通过收集处理进入发酵装置后进行厌氧发酵。
27.水热液相产物（部分）发酵产气：对固液分离后得到的水热液相产物进行收集，将污泥（其中含有丰富的菌种）与液体按1:5的比例混合，将混合样品输入发酵装置，发酵装置设置有温控装置，控制发酵温度为37℃~50℃。在开始发酵前，用n2排空装置内气体，保证无氧氛围。液体与污泥的混合物在经中温发酵后，获得甲烷等气体，可用于制备高热值合成气，以达到水热液相产物高效资源化利用的目的。
28.综上所述，该发明技术方案不仅能够对污泥、咖啡渣两种有机固废同时进行减量化处理，还能够达到气相和液相副产物流程中循环利用的功效，如气相产物提纯获得co2助力活化反应、液相产物既可以对水热前混合浆料调质又可以进行发酵产气，实现整个工艺流程中高性能活性炭的制备及副产物高效利用。