專利名稱：淤漿脫水和將生物固體轉(zhuǎn)化成可再生燃料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
來自污物和廢水處理廠的淤泥及其所含的生物固體產(chǎn)生了嚴(yán)重的處置難題。水環(huán)境聯(lián)合會(huì)(WEF)于1991年正式認(rèn)可術(shù)語“生物固體”，目前該術(shù)語在世界范圍內(nèi)廣泛使用。水環(huán)境聯(lián)合會(huì)將術(shù)語“生物固體”定義為在廢水處理過程中來自污物的泥狀殘余物。在廢水處理過程中，細(xì)菌和其它細(xì)小生物將污物分解成更簡單和更穩(wěn)定狀態(tài)的有機(jī)物。該有機(jī)物與細(xì)菌細(xì)胞團(tuán)一起沉淀析出，形成生物固體。根據(jù)USEPA的規(guī)定，符合處理和污染物目錄標(biāo)準(zhǔn)的生物固體“可以被安全地循環(huán)利用并用作肥料以持續(xù)地改進(jìn)并維持肥沃的土壤并促進(jìn)植物生長”。
淤泥是生物固體(主要包括作為污物和廢水處理副產(chǎn)品的死亡的有機(jī)細(xì)胞，因此其可排入開放的水系中)和不同量游離水的混合物。用機(jī)械脫水方法可至少部分脫除游離水分。除了游離水以外，所述生物固體還含有細(xì)胞束縛水(或細(xì)胞結(jié)合水)，它含量最高可占生物固體體積的80％并且不可能用機(jī)械脫水方法脫除。這種淤泥中含有大量的水分使之具有高的負(fù)熱值，結(jié)果將其焚化的成本高得驚人，因?yàn)樾枰罅康母叱杀救剂蟻眚?qū)除所述細(xì)胞束縛水。鑒于所述原因，目前通常將這種淤漿填埋或者用作可分灑在土地上的肥料，因?yàn)槲畚镂勰?下水道污泥)通常含有例如氮和磷。但是，所述淤泥通常含有有害物質(zhì)、發(fā)出不合需求的氣味并由于重金屬等會(huì)對(duì)土壤或填埋場(chǎng)造成嚴(yán)重的污染。
在處理市政污物和雨水使之滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的方法中將固態(tài)組分濃縮成一種副產(chǎn)品(通常稱為污物淤泥)。污物淤泥是死亡的有機(jī)細(xì)胞和其它固體的團(tuán)聚物或物質(zhì)(稱為生物固體)，它混合有不同量的水，因此具有不同的粘度。不論生物固體物質(zhì)機(jī)械脫水的程度如何，(機(jī)械脫水后)殘留的生物固體物質(zhì)通常含有約80％的水，因?yàn)樗鏊执蟛糠直幌薅ㄔ谒鏊劳黾?xì)胞的內(nèi)部，使該生物固體物質(zhì)具有負(fù)的熱值，造成生物固體實(shí)際不能用于貢獻(xiàn)熱值的用途。因此，生物固體仍然通過填埋或者灑在農(nóng)田上作為氮肥和磷肥進(jìn)行處置。但是，生物固體仍會(huì)含有活的病毒、病原體和有毒的重金屬，與環(huán)境利益明顯相悖，同時(shí)其高的含水量極大地提高了將其運(yùn)輸至使用場(chǎng)所的成本。
本發(fā)明對(duì)污物處理廠排出的原始生物固體進(jìn)行加熱以使所述細(xì)胞破裂，從而釋放大量的細(xì)胞束縛水，加熱的溫度足以破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)并釋放出二氧化碳以降低所述生物固體的氧含量。加熱的結(jié)果形成非親水性焦炭，它能有效地脫水和/或干燥。這種焦炭是可行的再生燃料。
在本發(fā)明的另一個(gè)方法中，可以通過在同一個(gè)或者平行進(jìn)行的設(shè)施中對(duì)生物物質(zhì)(例如未處理的工地(yard)和作物廢物等)進(jìn)行轉(zhuǎn)化來提高再生燃料的實(shí)用性。同樣，本發(fā)明可對(duì)不可再生的親水性燃料進(jìn)行如此加工以進(jìn)一步提高從生物固體提取的能量。
發(fā)明的背景公眾對(duì)可再生能源(常稱為綠色能源)的支持度日漸升溫。根據(jù)2003年5月的能源雜志，多家著名公司(包括通用汽車、IBM、陶氏化學(xué)和美國強(qiáng)生)宣布從“綠色”來源購買一部分其所需能源的計(jì)劃。部分公司甚至宣布要用綠色能源替代其生產(chǎn)設(shè)施中使用的全部電力。石化能源供應(yīng)巨頭(例如Chevron、英國石油(BP)和殼牌石油)已經(jīng)宣布其支持環(huán)境事業(yè)的計(jì)劃。事實(shí)上，BP是太陽能板的重要供應(yīng)商。世界能源署(WRI)有一個(gè)綠色能源市場(chǎng)開發(fā)集團(tuán)，目標(biāo)是到2010年開發(fā)1,000兆瓦(MW)新的有價(jià)格競(jìng)爭力的綠色能源。
另外，超過十幾個(gè)州的立法機(jī)構(gòu)要求能源供應(yīng)商分階段提高再生能源的占比。紐約要求州政府機(jī)關(guān)到2013年必需使其總能源的25％購自可再生能源。目前紐約19.3％的能源是由可再生能源生產(chǎn)的(紐約公眾服務(wù)委員會(huì))。加州已通過立法，要求到2017年該州有20％的公用電力由可再生能源提供。事實(shí)上，加州的一個(gè)公用事業(yè)單位(太平洋煤氣和電力(PG&E))登廣告宣布目前其電力中有超過30％來自可再生能源。至少36家美國能源零售商提供替代的綠色能源。歐洲也認(rèn)真對(duì)待可再生能源，計(jì)劃到2020年有20％的電力來自可再生物。
常規(guī)的可再生能源一般來自太陽、風(fēng)力、水電、地?zé)?、生物物質(zhì)和掩埋氣。目前存在的問題是怎樣來滿足對(duì)可再生能源的需求。對(duì)太陽和風(fēng)力的利用正在增長，但是其基數(shù)非常小。水電和地?zé)嵝略龅倪m用地點(diǎn)有限并面臨生態(tài)問題。掩埋氣是有限的并且也受到污染大氣的批評(píng)。目前未找到其它可再生能源來滿足巨大的供需矛盾。
生物物質(zhì)長期用作可再生能源。例如，將作為燃料的林木和農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品在爐子和燃燒器中與大量的空氣一起低效率地機(jī)械燃燒已有數(shù)個(gè)世紀(jì)了。國家再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)將生物物質(zhì)定義為“可再生地獲得的有機(jī)物。生物物質(zhì)包括林木和其加工殘余物、農(nóng)作物和其廢物、木材和木材廢物、動(dòng)物廢物、家畜運(yùn)作殘余物、水生植物、速生林和植物以及市政工業(yè)廢物”。根據(jù)Sandia國家實(shí)驗(yàn)室燃燒研究機(jī)構(gòu)(CRF)的報(bào)告，燃燒占世界能耗的85％。如果生物物質(zhì)能夠?qū)υ偕茉刺峁┯幸饬x的貢獻(xiàn)，則它可以直接或間接地作為燃料。
目前，未將含細(xì)胞束縛水的污物淤漿及其所含大量的生物物質(zhì)視為能源。由于其高的束縛水含量，生物固體具有負(fù)的燃料值，因此除非用外購的昂貴燃料進(jìn)行加熱，否則生物固體不能焚化。為了避免將生物固體分灑在土地上以消除或至少降低對(duì)環(huán)境可能的污染，對(duì)生物固體的這種焚化可能是必需的，但是其成本非常高昂，即焚化的額外熱量必需來自燃料。
在美國每年產(chǎn)生的生物固體的量估計(jì)在7.1至略低于7.6百萬噸(干)。自八十年代以來向海洋傾倒生物固體受到禁止，其主要的處置方法是將生物固體分灑在農(nóng)田上作為肥料。其它處置方法是傾倒在填埋場(chǎng)隨后焚化。
1998年報(bào)道歐洲產(chǎn)生7.2百萬噸(干)生物固體，其中25％填埋處置。2005年生物固體的產(chǎn)生量有望增至至少9.4百萬噸，其中土地分灑為54％、填埋降至19％、焚化增至24％，盡管焚化的成本估計(jì)為填埋的5倍。
2001年報(bào)道日本產(chǎn)生的生物固體為1.7百萬噸(干)，其中40％被堆肥，其余的被焚化或用于制造水泥。
在污物處理廠劇烈機(jī)械脫水并消化后，生物固體的固體濃度也僅為約14-30％，通常不超過約20％，這意味著用現(xiàn)有的方法處理和脫水后，每噸生物固體伴生有約4噸水，大多數(shù)的水被束縛在死亡的細(xì)胞內(nèi)。運(yùn)輸這些不活潑水的成本限制了其從源頭(通常是廢水處理工廠(WWTP))移動(dòng)的距離。這些因素使生物固體具有負(fù)面的價(jià)值。結(jié)果，廢水處理工廠必須付費(fèi)讓別人來處置這些生物固體，這種費(fèi)用常稱為“小費(fèi)”。
因?yàn)樘幹蒙锕腆w的選擇變得更具有挑戰(zhàn)性并且處置設(shè)施遠(yuǎn)離其源頭，因此處置成本和運(yùn)輸成本成為日趨增加的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。為了減輕這種負(fù)擔(dān)，工業(yè)上將目標(biāo)集中在降低其體積和重量上。廢水工業(yè)已經(jīng)作出巨大的努力來從處理廠產(chǎn)生的生物固體除去水。典型的廢水處理廠會(huì)使用離心機(jī)、壓帶機(jī)、旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)或其它方法物理地將水分從生物固體中壓出?？梢约尤刖酆衔锘蚱渌瘜W(xué)品幫助脫水。然而，廢水處理廠使用的這種機(jī)械脫水法效率低、成本高且不能大量減少束縛在生物固體中的細(xì)胞中水分的量。
美國環(huán)境保護(hù)署按照“40 CFR Part 503”規(guī)則將生物固體分成A級(jí)和B級(jí)。該規(guī)則主要涉及將生物固體施用于農(nóng)田，它是有異議的并受到環(huán)保人士日趨增加的反對(duì)。例如，環(huán)保人士由于生物固體致病微生物(病原體和病毒)和重金屬(例如鉛、汞、鎘、鋅和鎳)的含量以及其污染地下水質(zhì)而譴責(zé)將其用作肥料。另外，環(huán)保人士提出了與生物固體相關(guān)的關(guān)于“生活質(zhì)量”議題(例如生蟲和氣味)。因此，許多縣禁止將B類生物固體施于土地上，并且更多的州縣有望跟進(jìn)。在70％生物固體屬于B類的情況下，幾個(gè)鄰縣禁止土地施用造成的小費(fèi)幾乎翻翻，由每干噸約125美元變成約210-235美元。
另外，生物固體高的細(xì)胞束縛水含量造成其難以在許多工業(yè)中進(jìn)行焚化。例如，水泥工業(yè)是世界上第三大能源用戶，每噸水泥需要相當(dāng)于約470磅的煤。為了節(jié)約化石燃料，美國15家水泥廠使用燃料質(zhì)量級(jí)的有害廢物，約35家其它工廠使用廢輪胎來補(bǔ)充化石燃料。日趨廣泛使用的一種生物固體處置方法是將其在水泥窯中焚化。由于其凈燃料值為負(fù)(因?yàn)楸仨毴紵郊拥娜剂?如煤)來驅(qū)除束縛在生物固體中的水分)，因此這種方法僅僅是可行的，因?yàn)樗喔G的運(yùn)行者可例如從小費(fèi)中得到收入。另外，在水泥生產(chǎn)中，生物固體所含的某些元素(例如氯、磷、鈉和鉀)是不合需求的，它們會(huì)不利地影響水泥的質(zhì)量。
過去，要求處置生物物質(zhì)一般總是伴隨著試圖從其獲得熱能以降低處置成本和填埋的環(huán)境負(fù)擔(dān)。試圖從這種材料提取能量的方法局限于燃燒低級(jí)燃料和固體廢物。例如，由市政固體廢物(MSW)形成燃料的現(xiàn)有方法一般著眼于加入堿以幫助除去所含的大部分以PVC形式存在于市政固體廢物中的氯。另外，加工低級(jí)碳質(zhì)燃料(例如亞煙煤和褐煤)的各種方法是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員眾所周知的。但是，在這兩種方法中，均使用低級(jí)燃料作為原料。
業(yè)已提出了多種高溫分解生物固體的方法，但是它們均不得不面對(duì)這樣的事實(shí)，即，即使經(jīng)常規(guī)的處理廠脫水后生物固體的含水量仍然是固體材料的約4倍。在估算資金和運(yùn)行成本前應(yīng)理解在蒸發(fā)全部水分前不可能達(dá)到高溫分解的溫度，蒸發(fā)全部水分至少需要每磅固體4000英國熱量單位(Btu)，這些熱量至多等于其燃料值。
如上所述，生物固體的處置日趨昂貴和有爭議。本領(lǐng)域需要提供一種能干凈和經(jīng)濟(jì)地處置生物固體的方法。本發(fā)明提供一種處置生物固體的方法，同時(shí)制造一種經(jīng)濟(jì)上更可行的可再生燃料。
鑒于單獨(dú)的生物固體不能滿足對(duì)可再生燃料日趨增長的需求，本發(fā)明將生物固體轉(zhuǎn)化成有用燃料的方法可以結(jié)合從其它來源(例如生物物質(zhì))提取能量。因此，本發(fā)明提供一種方法和系統(tǒng)，用于將單獨(dú)的生物固體或者與生物物質(zhì)一起以環(huán)境友好的方式轉(zhuǎn)化成可行的可再生燃料。
發(fā)明的概述如申請(qǐng)人理解的那樣，生物固體主要包括帶細(xì)胞束縛水分的死亡細(xì)胞。當(dāng)施加足夠的壓力使所述水分保持液態(tài)時(shí)，將含生物固體的淤漿或淤泥加熱至一個(gè)相對(duì)較低的第一溫度，可導(dǎo)致該生物固體細(xì)胞的破裂，從而釋放束縛在細(xì)胞內(nèi)的水分，從而將所述生物固體由實(shí)踐中不能脫水的物質(zhì)轉(zhuǎn)變成可容易地從中機(jī)械脫水的新燃料。對(duì)該生物固體進(jìn)一步加熱可附加地釋放二氧化碳，從而降低該生物固體內(nèi)氧含量，并將該生物固體轉(zhuǎn)化成焦炭。經(jīng)脫水后，該焦炭具有正的熱值，可直接用作燃料，從而釋放以前束縛在該生物固體內(nèi)的熱能。
例如，與廢水處理廠(WWTP)相結(jié)合，本發(fā)明通過將所述生物固體轉(zhuǎn)化成相對(duì)干燥的可燃燒物質(zhì)而提供用作生產(chǎn)可行的可再生燃料的方法。在許多情況下，本發(fā)明方法可與廢水處理廠已有的基礎(chǔ)設(shè)施集成在一起。因?yàn)榻?jīng)處理的生物固體基本不含束縛的水分，因此來自細(xì)胞的游離水分可被送回廢水處理廠。殘余的細(xì)胞物質(zhì)的親水性變得很小，使之具有正的熱值，并使之能以非常低廉的價(jià)格運(yùn)輸至所需的目的地。如果該廢水處理廠裝備有厭氧菌致分解段，則生成的氣體可支持流體脫氧，該操作中使用燃料。病原體被破壞，并且當(dāng)對(duì)脫水的生物固體進(jìn)行充分加熱使之碳化時(shí)，形成的焦炭產(chǎn)物中大多數(shù)溶于水的雜質(zhì)(包括鈉、鉀、硫、氮、氯和有機(jī)化合物)的含量下降，它們會(huì)隨過量的水一起被分離除去。生物固體焦炭是能源領(lǐng)域的新兵，對(duì)于許多耗能工業(yè)它是一種低成本、可再生的燃料。
盡管焚化和填埋處置是可接受的，但是最有生成價(jià)值的是使用生物固體焦炭，此時(shí)其能量儲(chǔ)備得到利用。例如，在一個(gè)實(shí)例中，本發(fā)明方法和設(shè)備是與水泥窯結(jié)合使用以提高水泥窯的熱效率和進(jìn)行水泥制造，同時(shí)處置否則會(huì)產(chǎn)生不合需求的廢物的生物固體。另外，生物固體中的惰性材料可成為產(chǎn)物的一部分。因此，用這種方法不僅生物固體中的熱值受到利用，而且惰性物質(zhì)不會(huì)不利地產(chǎn)生副產(chǎn)品。
由于生物固體是以粘性淤漿形式產(chǎn)生的，因此除混合均勻外幾乎無需進(jìn)行制備步驟。在壓力下將生物固體加熱至細(xì)胞壁破裂的溫度以后，進(jìn)一步加熱所述生物固體使細(xì)胞明顯發(fā)生分子重排，以二氧化碳形式釋放其大部分的氧，這種加熱步驟使有機(jī)物碳化并產(chǎn)生容易焚燒的所謂的焦炭。用于分子重排所需的溫度是不確定的，但是通常為177-315℃(350-600)。該嚴(yán)酷的水解條件使陰離子解脫使之溶解在水相。以前受束縛的陽離子(例如鈉和鉀)也同樣容易溶解于水并隨后除去和/或受處置。
與焚化(原始的)生物固體相比，在水泥窯或?qū)ｉT的焚燒爐中生物固體焦炭正的能量含量明顯降低了必須外購的補(bǔ)充燃料的用量。另外，大量的可溶性陽離子(燃燒爐中低溫爐渣的來源并且在水泥中是不合需求的)隨游離水一起被分離。
水泥窯和焚燒設(shè)施要求所述焦炭較好具有最高的脫水程度，從而使產(chǎn)生的并使用的濕固態(tài)“焦炭”僅含約40-50％的水，約為原料生物固體含水量的十五分之一?；蛘撸鲇谶\(yùn)輸和運(yùn)行考慮，這些設(shè)施要求焦炭較好是經(jīng)干燥的并經(jīng)壓實(shí)或造粒的。本發(fā)明能夠提供這兩種形態(tài)的焦炭。
另外，本發(fā)明生物固體焦炭(帶有或不帶有例如來自其它物質(zhì)如生物物質(zhì)的焦炭)提供適合其它各種消費(fèi)燃料的工業(yè)(包括鼓風(fēng)爐、鑄造廠、電站鍋爐、電力工業(yè)、造紙工業(yè)和其它使用化石燃料的工業(yè))使用的燃料。例如，本發(fā)明設(shè)想一種綠色的電站，它將生物固體焦炭加入一個(gè)粉碎燃料或流化床燃燒器來產(chǎn)生蒸汽，或者加入一個(gè)氣化器，將干凈的燃料氣體加入一個(gè)集成的燃?xì)鈿廨啓C(jī)組合循環(huán)。
此外，本發(fā)明制得的焦炭可以，如合成氨技術(shù)中實(shí)踐的那樣，通過部分氧化形成燃料氣體(大部分為一氧化碳和氫氣)隨后通過水煤氣變換并分離二氧化碳而作為氫燃料電池的原料?？梢愿鶕?jù)石油精煉工業(yè)已知的步驟采用“催化裂解”、“延遲焦化”和“氫化裂解”將本發(fā)明制得的焦炭“精煉”成液體燃料。
盡管本發(fā)明涉及經(jīng)濟(jì)的和生態(tài)上安全的生物固體的處置方法，但是它可以結(jié)合經(jīng)適當(dāng)處理的其它物質(zhì)(主要是需要處置的生物物質(zhì))，包括但不限于造紙淤泥、食品廢物、農(nóng)業(yè)廢物、豬廄肥、養(yǎng)雞垃圾、牛廄肥、稻殼、甘蔗渣、綠葉廢物、市政固態(tài)垃圾、醫(yī)用垃圾、廢紙、木材和木材垃圾、棕櫚油殘余物、來自垃圾的燃料、牛皮紙工廠的黑色母液和短期輪作的能源作物以及親水性不可再生的燃料，例如低級(jí)煤。
具體地說，本發(fā)明涉及一種將生物固體轉(zhuǎn)化成經(jīng)濟(jì)上可行的燃料的方法，它包括向該生物固體施加足夠的壓力使之保持液態(tài)，將該受壓的生物固體加熱至足以使細(xì)胞破裂的溫度，隨后釋放出二氧化碳，使形成的焦炭糊漿減壓，從焦炭糊漿中分離出二氧化碳，從焦炭糊漿中分離除去至少一部分水相以提供至少部分脫水的焦炭產(chǎn)物以便后續(xù)使用。另外，本發(fā)明涉及使該脫水的焦炭產(chǎn)物與包含氧氣的氣體反應(yīng)，從而將其燃料值轉(zhuǎn)化成熱能，并使用所述熱能或焚化所述燃料。
總而言之，本發(fā)明提供了一種環(huán)境可接受的生物固體處置方法并向各種能量消費(fèi)者(例如水泥窯和電廠)提供能量。另外，本發(fā)明提供
·一種提高可再生燃料的利用率和環(huán)境可接受性的方法；·一種將填埋廢料的量減至最小的方法；·一種降低將被填埋的廢料的濕氣(水含量)的方法；·一種提高可再生燃料灰燼軟化點(diǎn)的方法以減少污垢和爐渣的方法；·一種將不一致的固體燃料(例如農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢物和/或造紙淤泥)轉(zhuǎn)化成一致燃料的方法；·一種將大體積燃料轉(zhuǎn)化成密實(shí)的并且容易儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)娜剂系姆椒?；·一種將容易腐敗的燃料轉(zhuǎn)化成可儲(chǔ)存而不易分解的消毒燃料的方法；·一種經(jīng)濟(jì)的用于助燃不相容燃料的方法；·一種將液體脫氧和至少一個(gè)廢水處理廠、水泥窯和熱電站熱有效地結(jié)合在一起的方法；·一種干燥生物固體隨后將其引入水泥窯或其它類似設(shè)施的方法；·一種降低加入水泥窯和其它燃燒器的水量的方法；·一種利用液體脫氧幫助處理多種給料的方法；·一種利用生物固體和其它生物物質(zhì)灰燼的方法；·一種除去(并回收)生物固體或其它生物物質(zhì)中元素(例如磷、氯或二氧化碳)的方法；和·一種從生物固體或生物物質(zhì)中除去水的方法，以進(jìn)一步精煉所述物質(zhì)、或者降低處置成本或者作肥料利用。
因此，本發(fā)明提供一種以經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好的方式處置下水道和廢水處理廠淤泥的方法。所述方法是環(huán)境友好的，因?yàn)樽罱K產(chǎn)物是無臭的灰燼并且不含有害物質(zhì)(例如病毒和病原體)，所述灰燼體積小并容易處置。本發(fā)明方法是經(jīng)濟(jì)上可行的，因?yàn)槠渲苯拥脑蛟谟谔幚韽S的運(yùn)行者愿意支付小費(fèi)來處置這些難以處置的污泥淤漿，另一個(gè)原因在于所述污泥將被轉(zhuǎn)化成具有正熱值的燃料，該燃料可用于產(chǎn)生額外的收入或以產(chǎn)生的熱能或者所需的產(chǎn)品等作為支付手段來產(chǎn)生其它價(jià)值(例如用提取的熱能歸還信貸)。
由本發(fā)明的描述和附圖可更清楚地了解本發(fā)明的其它實(shí)例。
附圖簡述下列結(jié)合附圖的詳細(xì)描述可清楚地了解本發(fā)明的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

圖1是本發(fā)明方法的流程圖，說明將生物固體轉(zhuǎn)化成作為可再生能源的高能量密度淤漿或干固態(tài)燃料；
圖2是使用本發(fā)明方法的廢水處理廠流程圖；圖3是使用本發(fā)明方法的水泥窯流程圖；圖4是使用附加燃料(如低級(jí)煤)和本發(fā)明方法的熱電站的流程圖；圖5是將本發(fā)明方法與熱干燥器結(jié)合并用于水泥窯的流程圖。
發(fā)明的詳細(xì)描述圖1說明將生物固體轉(zhuǎn)化成可行的可再生燃料。生物固體可以淤泥的形式通過管道107由相鄰的廢水或污泥處理廠(WWTP)輸送至原料罐106。或者，生物固體可以由卡車108運(yùn)輸并由淤泥泵109經(jīng)管道110輸送至原料罐106。
或者，原料罐106可通過多個(gè)途徑接受生物固體并起混合容器的作用，從而使稀的生物固體與稠的更粘的生物固體混合，形成更容易泵送的物料。出于該目的還可采用混合并成淤漿設(shè)施104。
另外，所述原料罐106或所述混合并成淤漿設(shè)施104還可以用作加入聚合物以降低生物固體淤漿的含水量的設(shè)施，或者用作加入水(如果淤漿的粘度成為問題時(shí))的設(shè)施。
可加熱原料罐106以提高生物固體的粘度。此外，可例如在原料罐106和泵送裝置111之間增加一個(gè)剪切或研磨步驟。這種剪切或研磨可獲得減壓閥門116最優(yōu)操作所需的低粘度和粒徑均勻性。加熱、剪切和研磨還可增高泵送裝置111的性能，并使更高固含量的物料進(jìn)入系統(tǒng)。
在一個(gè)實(shí)例中，增加一個(gè)篩選裝置以除去大粒徑物料來提高研磨、泵送裝置111和/或減壓閥門116的性能。例如，可在原料罐106和泵送裝置111之間放置一個(gè)篩選裝置。在另一個(gè)實(shí)例中，可將原料罐106或類似的裝置用于加入螯合劑或其它合適的化學(xué)試劑以除去生物固體中的磷或其它元素。
將原料罐106中的所述生物固體淤漿加壓至這樣的壓力，即在隨后的加熱操作過程中淤漿中的水分將保持液態(tài)。例如，在一個(gè)實(shí)例中，所述淤漿的壓力約為400-1200psi。在另一個(gè)實(shí)例中，所述淤漿的壓力約為250-1600psi?？紤]到淤漿會(huì)很粘稠并會(huì)帶有溶解的氣體，因此必須注意，在泵送裝置上裝上一個(gè)凈吸壓頭(NPSH)(水力的或者機(jī)械輔助的，如用螺旋輸送器)。
為了減少泵送裝置111的工作量，另一個(gè)實(shí)例(圖中未表示)是在泵送裝置111和減壓閥116之間增加增壓泵。減少泵送裝置111工作量的另一種方法(圖中未表示)是向泵送裝置111加入游離水或經(jīng)反應(yīng)的淤漿。
將生物固體泵送通過熱交換器112和113，隨后通向反應(yīng)器114。在穿過熱交換器112時(shí)，該淤漿與熱的液態(tài)傳熱流體(HTF)(例如Therminol 59)進(jìn)行熱交換而被加熱。在另一個(gè)實(shí)例(圖中未表示)中，通過直接或間接地與蒸汽進(jìn)行熱交換而加熱該淤漿。離開熱交換器112時(shí)淤漿的出口溫度約為150-315℃(300-600)，較好為200-260℃(400-500)。在穿過熱較好器113時(shí)，淤漿被進(jìn)一步加熱至所需的溫度，此時(shí)生物固體細(xì)胞的壁發(fā)生破裂并釋放束縛在該細(xì)胞壁內(nèi)的水分。通過與熱液態(tài)傳熱流體進(jìn)行熱交換較好進(jìn)一步調(diào)整溫度以便使生物固體細(xì)胞的其它組分被碳化，使之轉(zhuǎn)化成焦炭。在另一個(gè)實(shí)例中，使用可蒸發(fā)的熱交換流體(例如Therminol VP-1)的冷凝蒸氣來將生物固體加熱至所需的溫度。在另一個(gè)實(shí)例中，該溫度約為200-260℃(400-500)。在另一個(gè)實(shí)例中，所述溫度約為150-260℃(300-500)。在再一個(gè)實(shí)例中，所述溫度約為260-350℃(500-650)。
盡管熱交換器的設(shè)計(jì)對(duì)本發(fā)明不是關(guān)鍵的，但是每個(gè)熱交換器可包括兩個(gè)或多個(gè)外殼。所述外殼可以是平行的或者串聯(lián)的。在一個(gè)實(shí)例中，熱交換器112和113串聯(lián)排列從而使生物固體淤漿依次通過熱交換器112和熱交換器113。
反應(yīng)器114可包括一個(gè)或多個(gè)平行或串聯(lián)的反應(yīng)器，它為生物固體提供在升溫下的滯留時(shí)間以便先使生物固體的細(xì)胞破裂，隨后完成脫氧反應(yīng)以便將細(xì)胞組分轉(zhuǎn)變成焦炭。盡管本文討論的是連續(xù)反應(yīng)，但是本發(fā)明還涉及間歇的或者半間歇的反應(yīng)。如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的那樣，對(duì)間歇反應(yīng)器的加熱方法與加熱連續(xù)反應(yīng)器的方法相似。例如，間歇反應(yīng)器可通過直接注入蒸汽、加熱盤管或其組合進(jìn)行加熱。
代替反應(yīng)器114的一種合適的設(shè)備(圖中未表示)是反應(yīng)-汽提塔(reactor-stripper tower)。這種塔帶有側(cè)面對(duì)側(cè)面的折流板(或其它蒸汽-液體接觸介質(zhì))，折流板的排列使得來自熱交換器112的部分加熱的淤漿下降流與蒸汽的上升流接觸，從“再沸器(等同于熱交換器113)”汽提二氧化碳，并在反應(yīng)-汽提塔的底部接受焦炭淤漿。該反應(yīng)-汽提塔頂部至底部的溫度梯度大致為交換器112的淤漿出口溫度至稍低于所述簡單反應(yīng)器的出口溫度。在一個(gè)實(shí)例中，所述溫度梯度約為200-260℃(400-500)。在另一個(gè)實(shí)例中，所述溫度梯度約為150-315℃(300-600)。離開所述反應(yīng)-汽提塔頂?shù)亩趸己忻黠@量的水蒸汽，需要在另一個(gè)冷凝器中進(jìn)行冷凝成蒸餾水分使之從二氧化碳中分離，二氧化碳則通過管道118離開。盡管仍需要減壓閥116和分離器117，但是很少有二氧化碳需要在該分離器中進(jìn)行分離。
離開所述反應(yīng)器(或多個(gè)反應(yīng)器)的淤漿被稱為焦炭淤漿，它主要由被破壞的生物固體的細(xì)胞組成，其中被束縛的水已從該細(xì)胞離開，且該被破壞的細(xì)胞已經(jīng)發(fā)生流體脫氧(即以放出二氧化碳為標(biāo)志的分子重排)，導(dǎo)致固體碳含量明顯上升而固體氧含量明顯下降。例如，焦炭試樣的固體碳含量升高約2-15％，較好升高約4-12％。在一個(gè)實(shí)例中，固體氧含量下降約35-50％。在另一個(gè)實(shí)例中，淤漿的固體氧含量下降約30-70％。
焦炭淤漿由反應(yīng)器114流向熱交換器115，在熱交換器115它將熱交換給液態(tài)傳熱流體(HTF)而部分冷卻，所述液態(tài)傳熱流體通過管道142來自熱交換器112。在一個(gè)實(shí)例中，所述焦炭淤漿被冷卻至約150-200℃(300-400)。在另一個(gè)實(shí)例中，離開熱交換器115的焦炭淤漿的溫度約為100-260℃(200-500)。所述液態(tài)傳熱流體(HTF)的流動(dòng)循環(huán)還包括液態(tài)熱交換流體接受器139、液態(tài)熱交換流體泵140和連接管道141、142和143。
熱交換器112和115的作用可以用單獨(dú)的一個(gè)熱交換器來完成，冷的淤漿料流由該熱交換器的一側(cè)流入而熱的焦炭淤漿由另一側(cè)流入，它需要使淤漿同時(shí)流經(jīng)管道和外殼。在該熱交換器管道側(cè)的沉積物會(huì)相對(duì)容易清洗。但是在外殼側(cè)的污垢則難以洗去，并且產(chǎn)物對(duì)產(chǎn)物熱交換器的熱交換系數(shù)非常低。因此，本發(fā)明將這種熱交換分用兩個(gè)熱交換器，以干凈的傳熱流體作為“中介”，熱的和冷的淤漿均位于管道一側(cè)，僅僅只有干凈的熱交換流體在外殼一側(cè)。兩個(gè)熱交換器的作用基本相同(僅僅只有輻射損失不同)，循環(huán)熱交換流體的溫度范圍使之本身達(dá)到熱平衡。
在一個(gè)實(shí)例(圖中未表示)中，將離開反應(yīng)器114但仍處于壓力下的經(jīng)反應(yīng)的生物固體焦炭循環(huán)回經(jīng)加壓的但未進(jìn)入反應(yīng)器114的生物固體淤漿中，以便在生物固體細(xì)胞破裂和脫氧前對(duì)其加熱并降低該生物固體淤漿的粘度。
經(jīng)蒸發(fā)的熱交換流體經(jīng)管道145從接受器144流向熱交換器113的熱端，在該熱端通過傳遞熱量部分加熱所述生物固體淤漿而得到冷凝，隨后經(jīng)管道146流回接受器144。液態(tài)傳熱流體通過自然對(duì)流(或者如果壓降有要求的話，通過一個(gè)爐內(nèi)裝料泵(圖中未表示))由接受器144流經(jīng)火焰加熱器147的盤管，它受到燃料源148提供的熱量而部分蒸發(fā)并流回接受器144。在一個(gè)實(shí)例中，所述燃料源是天然氣、丙烷、燃料油、焦炭淤漿、焦炭或其任意的組合。在另一個(gè)實(shí)例中(圖中未表示)，使用一個(gè)燃燒裝置(例如流化床)來利用焦炭、焦炭淤漿或焦炭和外部燃料源或廢物源的組合。在另一個(gè)實(shí)例中(圖中未表示)，使用氣化器來利用焦炭、焦炭淤漿或焦炭和外部燃料源或廢物源的組合。在再一個(gè)實(shí)例中，使用鍋爐來產(chǎn)生蒸汽來產(chǎn)生熱量。所述鍋爐可使用焦炭、焦炭淤漿或焦炭和外部燃料源或廢物源的組合。
熱交換流體泵149從接受器144的底部進(jìn)行抽吸并將液態(tài)可蒸發(fā)的熱交換流體循環(huán)至設(shè)施135，作為熱源來干燥焦炭。在達(dá)到該目的后，它通過管道150回到接受器144。所述泵149還提供其它輔助加熱服務(wù)(圖中未表示)，例如循環(huán)至反應(yīng)器114的夾套以防止熱損失。
在熱交換器115部分冷卻后，變成流體形態(tài)的焦炭淤漿流經(jīng)一個(gè)冷卻器119，在該冷卻器內(nèi)與來自管道120的廢水處理廠冷卻水進(jìn)行熱交換，使其溫度減至接近環(huán)境溫度。所述經(jīng)冷卻的焦炭糊漿由冷卻器119流向一個(gè)自動(dòng)減壓閥116，該減壓閥用于所述水性糊漿保持在足夠的壓力下以免汽化。減壓閥116將焦炭淤漿的壓力減至一個(gè)高于大氣壓的標(biāo)稱壓力。這可通過釋放氣體和溶解的二氧化碳(該二氧化碳在分離鼓117中從焦炭淤漿中分離)而實(shí)現(xiàn)。析出的二氧化碳是通過管道118從分離鼓117排出的。
減壓閥116遭受嚴(yán)酷的條件并且堵塞的可能性大。但是可實(shí)施某些步驟來將這些困難的條件減至最小。例如，如前面所述，可在減壓閥116之前的任何加工段進(jìn)行研磨或篩選。另外，在減壓閥116之前如圖所示對(duì)流經(jīng)熱交換器115后的經(jīng)反應(yīng)的淤漿進(jìn)行進(jìn)一步冷卻可減少析出的氣體的量，并減緩?fù)ㄟ^減壓閥116的顆粒的加速度。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可理解多種冷卻技術(shù)適合于本發(fā)明。冷卻技術(shù)可包括用廢水處理廠冷卻水冷卻的錯(cuò)流殼和管熱交換器或雙管熱交換器。
由于在儲(chǔ)存罐121或分離鼓117會(huì)產(chǎn)生泡沫，因此在兩個(gè)或多個(gè)段通過減壓來控制泡沫是有利的。在另一個(gè)實(shí)例中，使用噴嘴由分離鼓117的下部向該分離鼓117噴射一個(gè)側(cè)流可控制泡沫。
部分溶解的二氧化碳在罐121中得到分離并通過管道137排出。如果二氧化碳是有用的或者有市場(chǎng)，則可對(duì)該二氧化碳?xì)怏w和在分離鼓117析出并通過管道118排出的二氧化碳一起進(jìn)行純化。否則，該氣體會(huì)被收集并通過火焰加熱器147的火焰進(jìn)行排放以破壞產(chǎn)生氣味的痕量氣體和/或回收能量。每噸經(jīng)加工的濕生物固體約釋放25-27磅二氧化碳。可使用必要的污染控制裝置來處理二氧化碳中的硫化合物。所有的排放氣體均導(dǎo)向火焰加熱器147以破壞產(chǎn)生氣味的痕量氣體。
液態(tài)焦炭淤漿由罐121的底部流向脫水設(shè)施122，設(shè)施122使用一個(gè)或多個(gè)市售的液—固機(jī)械分離裝置從焦炭固體中分離游離水分。合適的分離設(shè)備可包括，但不限于，增稠器、水力旋流器、離心器、壓力和真空旋轉(zhuǎn)過濾器、臥式過濾器、帶式壓濾機(jī)和旋轉(zhuǎn)式壓濾機(jī)等。
罐121中的液態(tài)焦炭淤漿含有一定的熱量，可較好地用于通過加入螯合劑或其它化學(xué)試劑來除去原始生物固體中所含的磷或其它元素的步驟。前面討論過的螯合劑也適合用于本發(fā)明方法的該反應(yīng)段。
焦炭固體通過運(yùn)輸裝置123離開脫水設(shè)施122。部分或全部焦炭固體被導(dǎo)向噴射器124，在噴射器124中焦炭固體與來自管道125的足量的水混合，形成可泵送的高能量密度的燃料淤漿。該燃料淤漿積聚在罐126中以便通過燃料淤漿泵151和管道152根據(jù)需要經(jīng)管道或槽罐車卸載。或者，可用運(yùn)輸裝置127和128將潮濕的焦炭運(yùn)輸至潮濕焦炭料斗136，根據(jù)需要將其卸載至料斗底部的卡車156。
或者，可將部分或全部離開脫水設(shè)施122的焦炭通過運(yùn)輸裝置127導(dǎo)向一個(gè)干燥和/或造粒設(shè)施135，該設(shè)施使用市售的設(shè)備將所述固體干燥并密實(shí)或造粒。干燥所需的熱量是由熱液態(tài)熱交換流體的氣流提供的，所述熱液態(tài)熱交換流體的氣流來自可蒸發(fā)的熱交換流體接受器144，其由熱交換流體泵149泵送，在提供所需的熱量以后，所述熱液態(tài)熱交換流體的氣流經(jīng)管道150回到所述接受器。經(jīng)干燥的焦炭燃料積聚在干焦炭筒倉153內(nèi)以備卸載至料斗底部卡車155并運(yùn)輸至市場(chǎng)。在一個(gè)實(shí)例中(圖中未表示)，在積聚在干焦炭筒倉153之前，先冷卻干燥的焦炭燃料。在另一個(gè)實(shí)例中，將經(jīng)干燥的產(chǎn)物儲(chǔ)存在氮?dú)飧采w層下以便在該產(chǎn)物未直接由該設(shè)施卸載時(shí)防止發(fā)生粉塵爆炸和著火。由干燥器135蒸發(fā)的水分流經(jīng)冷凝器138，冷凝物經(jīng)管道輸送至一個(gè)游離水容器。
在一個(gè)實(shí)例中(圖中未表示)，干燥設(shè)施135所需的熱量可由流化床、鍋爐或來自氣化器的燃燒氣體中的至少一種方法產(chǎn)生。干燥所需熱量的燃料源可以是焦炭、焦炭淤漿、或焦炭和外部燃料源或廢料源的組合中的至少一種。在一個(gè)實(shí)例中(圖中未表示)，使用來自相鄰廢水處理廠浸煮器的氣體作為燃料用于本發(fā)明方法的加熱器和干燥器中的至少一個(gè)。
盡管圖中未表示并且也不是完全可再生的，但是可將在干燥設(shè)施135中經(jīng)干燥但未造粒的焦炭導(dǎo)向一個(gè)混合設(shè)施，在該設(shè)施中將其混入燃油。該技術(shù)類似于八十年代開發(fā)并試驗(yàn)的煤-油混合(COM)方法。盡管不符合現(xiàn)有的燃油規(guī)范，但是這種加合將低成本地增加熱值并在某些情況下降低含硫量。這種新燃料對(duì)于灰燼不是問題的用戶(例如水泥窯和鼓風(fēng)爐)是有興趣的。盡管可使用各種等級(jí)的蒸餾或殘留燃油，但是最佳的是質(zhì)量不合格的廢油、煉油廠燃料、用過的潤滑油等。所述油-焦炭淤漿也可用作工廠內(nèi)用的(in-plant)燃料。
在設(shè)施122內(nèi)由潮濕的焦炭中分離的游離水經(jīng)管道129流入游離水罐130，游離水泵131將其由游離水罐130經(jīng)管道132泵送至一個(gè)粉碎和成漿設(shè)施104和/或儲(chǔ)存罐106，和/或經(jīng)管道134將其泵送回廢水處理廠(WWTP)。根據(jù)廢水處理廠處理的速度規(guī)模，可以在預(yù)處理設(shè)施133中用已知的工業(yè)方法經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行部分預(yù)處理，可將所述預(yù)處理設(shè)施的污泥傳送至干燥設(shè)施135。如前面所述的那樣，可在氮?dú)飧采w層下或者用其它方法儲(chǔ)存經(jīng)干燥的產(chǎn)品以防粉塵爆炸。
盡管結(jié)合對(duì)大量生物固體(該生物固體常積聚在市政污泥和廢水處理廠)的處理對(duì)圖1的方法流程進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解還可采用本發(fā)明通用方法對(duì)除生物固體外的其它物質(zhì)(例如生物物質(zhì))進(jìn)行脫水，以提高燃料的產(chǎn)生量。例如，流體狀生物物質(zhì)廢料(如造紙和紙?jiān)偕勰?可通過槽罐車108、管道107或者泵109和管道110進(jìn)行裝料，如果該廢料含有明顯量的氯化合物，則加入至少與該氯等化學(xué)當(dāng)量的堿(圖中未表示)?？墒褂靡阎募夹g(shù)(例如美國專利5,685,153所述的技術(shù)，該文獻(xiàn)以引用的方式插入本文作為本發(fā)明的一部分)將固態(tài)狀生物物質(zhì)廢料(例如來自農(nóng)業(yè)和林業(yè)的廢料)通過傳送機(jī)101裝料至所述粉碎和成漿設(shè)施104。低級(jí)碳燃料(例如Powder River Basin亞煙煤)也可通過傳輸裝置102輸送至設(shè)施104，或者與上述其它物料一起輸送至輸送104?？筛鶕?jù)需要經(jīng)管道132向該設(shè)施加入循環(huán)水或經(jīng)管道103向該管道加入新鮮水以達(dá)到規(guī)定的淤漿粘度。如前面描述生物固體時(shí)所述的那樣，經(jīng)管道105將形成淤漿的親水性物料輸送至儲(chǔ)存罐106。
業(yè)已注意到用圖1例舉的系統(tǒng)制得的生物固體焦炭具有高活性。含碳分子的這種性能對(duì)氣化設(shè)施是有用的，或者適用于將其作為原料制造氧化的有機(jī)化合物的化工廠，所述氧化的有機(jī)化合物包括低分子量化合物如乙酸、醇、醛和酮，和高分子量清潔劑、表面活性劑、增塑劑、潤滑油添加劑等。焦炭氣化將來可能的用途有將該氣體中的CO轉(zhuǎn)化為CO2和H2，隨后分離二氧化碳形成氫氣用于燃料電池。這種分離較好使用與Oak Ridge National Laboratory和Eltron Research合作為Energy(DOE)FutureGen項(xiàng)目的美國分部開發(fā)的新型金屬-陶瓷膜。
圖2是根據(jù)本發(fā)明運(yùn)行的廢水處理廠(WWTP)和與其相鄰的本發(fā)明有效的生物固體處理設(shè)施結(jié)合在一起的流程圖，所述生物固體處理設(shè)施采用流體脫氧將生物固體經(jīng)濟(jì)地轉(zhuǎn)化成可燃材料，結(jié)果從廢水處理廠生物固體中除去大部分的水分，尤其是束縛在生物固體細(xì)胞內(nèi)的水分，所述水分會(huì)使運(yùn)輸成本和從生物固體中蒸發(fā)水分的成本急劇上升，從而造成生物固體的利用不可行。廢水處理廠厭氧菌致分解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w可用于提供所述脫氧所需的熱量，從而節(jié)省購買燃料的成本。另外，來自廢水處理廠的經(jīng)處理的水可作為流體脫氧單元用于形成淤漿的水。此外，所述廢水處理廠還可處理來自所述脫氧單元的污水。
具體地說，廢水處理廠201經(jīng)一根或多根管道203接受排放的雨水并經(jīng)一根或多根管道204接受污泥。采用已知的技術(shù)，廢水處理廠通常使用經(jīng)管道205通入的空氣并通過傳輸系統(tǒng)206加入各種慣用的添加劑(例如凝聚劑和石灰)。對(duì)污泥和廢水進(jìn)行這種常規(guī)的處理產(chǎn)生沼氣，該沼氣經(jīng)管道207離開該廢水處理廠作為本發(fā)明的燃料源。該處理產(chǎn)生的粘性污泥淤漿(即生物固體的淤泥或淤漿)經(jīng)管道208離開污水處理廠。固體的濃度通常約為3-40％，平均約為20％。由于生物固體含有約80％的束縛水，因此將其運(yùn)輸至可接受的處置場(chǎng)、將其帶水焚燒或者試圖對(duì)其物理脫水均是昂貴的。
采用圖1所示方法的脫氧單元202盡可能靠近該生物固體源安裝。通過使構(gòu)成生物固體的細(xì)胞結(jié)構(gòu)破裂并從其分子中釋放二氧化碳，可容易地使該淤漿機(jī)械脫水至含有約35-65％固體。將現(xiàn)在可分離的水(游離水)(約90％原料生物固體中的水)經(jīng)管道211循環(huán)至廢水處理廠，在該廢水處理廠對(duì)其進(jìn)行膜預(yù)處理、除氨工藝、厭氧菌菌致分解工藝或反滲透工藝處理。經(jīng)干燥，所述焦炭僅剩下其原料生物固體重量的約15-17％，從而節(jié)約了大量的將其運(yùn)輸至使用場(chǎng)所或處置場(chǎng)所的運(yùn)輸費(fèi)用。
未干燥的低含水量焦炭經(jīng)合適的裝置210出料，并可通過合適的傳輸設(shè)備或運(yùn)輸設(shè)備212輸送至就近的填埋場(chǎng)。同樣它可通過裝置213輸送至就近的焚燒爐，與焚燒相應(yīng)的原料生物固體相比，焚燒未干燥的低含水量焦炭僅需很少的燃料。另外，經(jīng)干燥的或者未經(jīng)干燥的焦炭均可經(jīng)裝置214輸送至就近的水泥窯，與處理相同量的原料生物固體相比，使用所述焦炭明顯減少需購買的燃料的量。所述焦炭還可經(jīng)裝置215輸送至化工廠，憑借其高的活性該焦炭可容易地轉(zhuǎn)化成燃料或合成氣體、轉(zhuǎn)化成氧化的化合物、轉(zhuǎn)化成碳纖維、用于制造肥料和/或用于填埋。所述低含水量的焦炭可以可泵送淤漿的形式或者以干顆粒的形式經(jīng)裝置216輸送至熱電站，其高活性使之容易地用低過量空氣有效地燃燒，并具有高的碳燒盡率。
以小費(fèi)形式由污水處理廠支付給生物固體處理單元的金錢流(如虛線217所示)具有與物料流和能量流相同的意義。所述小費(fèi)是污水處理廠支付給所述處理單元所有者用于處理生物固體的費(fèi)用。
由于在初始階段上述新燃料的供給是少的，所以最好在當(dāng)?shù)厥褂?。因此，接受這種新燃料的一個(gè)第一燃料使用者可能是水泥窯運(yùn)行者，因?yàn)樗梢愿蟪潭鹊厝萑唐涓叩暮伊?。其它合適的使用領(lǐng)域是鼓風(fēng)爐和鑄造廠，因?yàn)樗鼈兞?xí)慣燃煤或焦炭并且習(xí)慣將灰燼與其它雜質(zhì)一起形成爐渣。隨著生物固體焦炭的供應(yīng)增加，將有興趣推廣給一般煤用戶(包括熱電站)使用，這種用途將在其余的附圖中更詳細(xì)地描述。
例如，圖3是將生物固體轉(zhuǎn)化成可燃的較好是碳化材料用于水泥窯的有效生物固體處理設(shè)施的流程圖。在這方面本發(fā)明突出體現(xiàn)在極大地降低了含水量(否則該水分會(huì)隨原料生物固體一起進(jìn)入水泥窯)，從而顯著增加消耗的生物固體的量，相應(yīng)地增加處理者受到的小費(fèi)收入和加至水泥窯中的熱值。
具體地說，使用圖1所示方法的流體脫氧單元301盡可能靠近一個(gè)或多個(gè)廢水處理廠(生物固體的來源，用輸送裝置303表示)安置。通過使生物固體細(xì)胞壁破裂并釋放可能同時(shí)形成的二氧化碳(以管道304表示)，可容易地使形成的焦炭機(jī)械脫水至含約35-65％固體。將目前可分離的水(約90％原料生物固體中的水)通過管道305循環(huán)回廢水處理廠或者將其作為循環(huán)水用于加工淤漿。
濃淤漿狀、濕固體狀或干固體狀的焦炭可經(jīng)輸送裝置306輸送至水泥窯302。Portland水泥(波特蘭水泥)的基本組分(石灰石、粘土和頁巖)通過管道307、308和309裝入，經(jīng)研磨和混合后通過管道310加入水泥窯。在一個(gè)預(yù)熱段，這些組分與熱的煙道氣體逆流接觸，這可提高溫度以除去結(jié)晶水并鍛燒石灰石。在靠近預(yù)熱段的底部，經(jīng)管道311加入廢可燃物(如用過的輪胎和破碎的瀝青)。為獲得所需的溫度，如有必要可向預(yù)熱段的下部注入燃料(例如煤、油或煤氣)以及助燃空氣并點(diǎn)燃。隨后將經(jīng)預(yù)熱的混合物出料至水平旋轉(zhuǎn)窯的一端。
在經(jīng)預(yù)熱處理的組分行進(jìn)至該旋轉(zhuǎn)窯另一端的過程中，通過在出料端點(diǎn)燃初級(jí)燃料和經(jīng)助燃空氣風(fēng)扇(圖中未表示)和管道313輸送的相應(yīng)的助燃空氣，將其進(jìn)一步加熱至使其發(fā)生反應(yīng)并形成水泥熔渣所需的溫度，所述初級(jí)燃料(可含有生物固體焦炭)是通過管道312輸送的。
煙道氣體(從中已經(jīng)回收了大部分顯熱)經(jīng)排空風(fēng)扇和粉塵回收裝置(圖中未表示)通過管道314離開水泥窯。水泥熔渣在與助燃空氣進(jìn)行熱交換后經(jīng)管道315離開水泥窯。冷卻的水泥熔渣經(jīng)研磨并與石膏混合后形成portland水泥。
生物固體中的大部分灰燼組分是Portland水泥可接受的，除了可溶性陽離子(鈉和鉀)和硫酸根和氯離子以外，這些離子主要進(jìn)入液體脫氧單元的排出物并通過管道305循環(huán)回廢水處理廠。磷是例外，它通常以不可溶的形式被鐵束縛。很可能由于磷含量的緣故造成給定的水泥窯限制生物固體焦炭的用量。若是由于脫氧單元301制得的焦炭的磷含量太高從而限制水泥溶渣中可接受的生物固體焦炭的用量，則可通過管道316加入螯合劑溶液(或其它溶解劑)以萃取部分這種元素。隨后含磷的萃取物經(jīng)管道317排出并以這樣的方式對(duì)其進(jìn)行處置，即防止其循環(huán)回廢水處理廠。
以干重量計(jì)，生物固體中無機(jī)組分可高達(dá)約50％。生物固體中這種固有的灰燼可減少分別由管道307、308和309輸入的石灰石、粘土和頁巖的量。如果脫氧單元301靠近水泥窯302放置，則可在水泥窯302中利用部分廢水水流305進(jìn)行冷卻或用于其它目的，或者用于減少氮氧化物，脫氧單元301可利用來自煙道氣流314的廢熱或其它廢熱流(包括輻射熱)作為其系統(tǒng)的處理用熱，包括加熱進(jìn)料物料、處理用熱或者干燥反應(yīng)產(chǎn)物。由管道304析出的二氧化碳可導(dǎo)入水泥窯302用于回收熱量或減少氣味。
與物料流和能量流的意義相同的是如虛線318所示的一種以小費(fèi)形式由污水處理廠支付給處理單元301和302的集合的金錢流。一部分費(fèi)用如虛線319所示支付給脫氧單元301的所有者，其余的如虛線320所示支付給水泥窯302的所有者。
圖4是有效的生物固體處理設(shè)施401簡化的流程圖，所述生物固體處理設(shè)施靠近熱電站402并與其相結(jié)合，使用脫氧法將生物固體轉(zhuǎn)化成可燃材料。單元401可參見圖1，加料來自廢水處理廠的生物固體。但是，由于可用于經(jīng)濟(jì)型熱電站的生物固體供應(yīng)不足以滿足其燃料需求，因此它還采用一組液體脫氧處理步驟，加料一系列可再生的生物物質(zhì)和/或親水性低級(jí)化石燃料。對(duì)于部分或全部這些潛在的燃料，采用液體脫氧步驟使之具有低親水性并且更均勻和熱有效地在熱電站402中燃燒。熱電站402采用一系列常規(guī)和非常規(guī)的燃燒系統(tǒng)，利用汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)，最終產(chǎn)生電力用于當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)和/或國家電網(wǎng)。
生物固體經(jīng)管道403加入脫氧單元401。或者，經(jīng)輸送裝置404加入單獨(dú)的生物物質(zhì)廢料(如造紙廠污泥或來自農(nóng)業(yè)或林業(yè)的廢料)或?qū)⒃撋镂镔|(zhì)廢料與所述生物固體一起加入，并且任選地經(jīng)輸送裝置405加入親水性低級(jí)化石燃料。經(jīng)管道406加入形成可泵送加料的淤漿所需的水。按照?qǐng)D1所示進(jìn)行處理后，將過量的水經(jīng)管道407循環(huán)回廢水處理廠或用已知的方法處理后經(jīng)管道407排放。均勻的經(jīng)脫水的高能量密度焦炭淤漿或者經(jīng)干燥和造粒的焦炭經(jīng)輸送裝置408輸送至電站402。
用已知的方法中的一種燃燒經(jīng)輸送裝置408輸送的焦炭或焦炭淤漿，形成用于產(chǎn)生蒸汽的熱能，該蒸汽膨脹，通過汽輪機(jī)推動(dòng)發(fā)電機(jī)?；蛘咚鼋固炕蚪固坑贊{可部分氧化(用空氣或市售的氧氣)成燃料煤氣，該煤氣隨后在燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器中燃燒推動(dòng)發(fā)電機(jī)，燃燒產(chǎn)生的熱廢氣產(chǎn)生蒸汽用于集成的汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。可根據(jù)已知的方法完成焦炭的部分燃燒，分離出灰燼作為流體爐渣，或者可根據(jù)美國專利5,485,728(該文獻(xiàn)全文以引用的方式插入本文作為本發(fā)明的一部分)完成焦炭的部分燃燒，該文獻(xiàn)報(bào)道在水性淤漿中分離灰燼顆粒。
由于可獲得焦炭的燃料能量可能不足以產(chǎn)生滿足市場(chǎng)要求的電量，因此可通過輸送裝置410供應(yīng)補(bǔ)充化石燃料。用于生物物質(zhì)和/或化石燃料焦炭燃燒或部分燃燒的空氣經(jīng)管道411提供。在用適用的已知污染控制設(shè)備處理后電站402燃燒產(chǎn)生的煙道氣體經(jīng)煙囪412排放。
經(jīng)處理的鍋爐補(bǔ)給水經(jīng)管線413提供，為維持鍋爐水在規(guī)定技術(shù)要求內(nèi)所需的鍋爐排水則經(jīng)管線414排出至單元401，該排水含有供給脫氧操作的充分流態(tài)的淤漿進(jìn)料所需的一些水。灰燼(焦炭和輔助燃料燃燒得到的不可燃燒的殘余物)或灰燼淤漿通過管道415排出并進(jìn)行處置。
一種控制常壓鍋爐氮氧化物排放的已知方法是在主火焰區(qū)上方過度燃燒一種活性燃料。由于生物固體焦炭的揮發(fā)物含量和高活性，所以它是一種適合此目的的合適的燃料。因此來自輸送裝置408的一部分焦炭可通過輸送裝置416輸送用于減少氮氧化物。其聯(lián)合產(chǎn)生的產(chǎn)物(即電力)經(jīng)電纜417輸送。
為了簡化起見，將生物固體處理單元401顯示為這樣一個(gè)單元，即其容量和原料供應(yīng)能向電站402提供足夠的焦炭燃料。在實(shí)際安裝中，一個(gè)處理單元401可靠近電站402放置，并且一個(gè)或多個(gè)這樣的處理單元401可安裝在靠近原料源的其它位置。這使得操作者在挑選對(duì)具體物料最佳的脫氧化溫度上具有彈性。在這種情況下，可通過公路或鐵路將干焦炭運(yùn)輸至電站402，或者在經(jīng)濟(jì)上可行的話可通過管道輸送水性淤漿形式的焦炭。以小費(fèi)的形式由廢水處理廠支付給脫氧單元的金錢流用虛線418表示。
圖5是包括熱干燥器單元501和水泥窯502的集成裝置的簡化的流程圖。熱干燥器單元501盡可能靠近一個(gè)或多個(gè)水泥窯502放置，其購造在原理上與圖3所示的并結(jié)合圖3所述的相同，不過不對(duì)生物固體脫氧。生物固體經(jīng)輸送裝置503提供。通過向原料生物固體細(xì)胞施加熱量，束縛在細(xì)胞中的水被蒸發(fā)并經(jīng)管道505離開用于滌氣(scrubbing)并冷凝?；蛘呓?jīng)管道517引回水泥窯在該窯中作為補(bǔ)給水或者用于減少氮氧化物。
形成的干生物固體經(jīng)管道506導(dǎo)入該水泥窯，在該水泥窯中其熱值和灰燼的價(jià)值得到利用。用管道507、508和509經(jīng)管道510將主要組分(例如圖3所示的組分)加入該窯。如圖3那樣，經(jīng)管道511向預(yù)熱處理段加入可燃廢物(例如用過的輪胎和粉碎的瀝青)。如圖3那樣，分別經(jīng)管道513和512加入助燃空氣和主燃料。水泥熔渣經(jīng)管道515由水泥窯出料。
盡管熱干燥在蒸發(fā)水分的潛熱方面存在固有的能量負(fù)擔(dān)，但是通過與水泥窯組合并利用經(jīng)管道518輸送來自該窯的熱量可完全或部分消除這種負(fù)擔(dān)。更具體地說，煙道氣體(通常經(jīng)管道514輸送至合適的處置點(diǎn))可經(jīng)管道516輸送至該熱干燥器，從而使熱干燥器501在蒸發(fā)從生物固體析出的水分時(shí)減少對(duì)主燃料的需求。
由上面簡要描述可見，由于可供應(yīng)的生物固體焦炭比所需的通用燃料少幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此可在一個(gè)液態(tài)脫氧單元中共同處理其它物質(zhì)(例如生物物質(zhì))，或者在平行的設(shè)備中處理所述其它物質(zhì)，并且在用作燃料前將形成的焦炭摻混在一起(例如可參見美國專利5,485,728)。有多個(gè)場(chǎng)所(例如加利福尼亞的Hawaii(生物固體、菠蘿和甘蔗廢物)和Sacramento(生物固體、稻殼和稻草))提供淤漿共脫氧或平行脫氧。盡管需要加堿來中和氯，但是造紙和紙循環(huán)污泥是補(bǔ)充親水生物物質(zhì)的其它有前途的來源。這些方法提供將各種來源統(tǒng)一為均勻的液態(tài)或固態(tài)焦炭淤漿燃料。
實(shí)施例下列實(shí)施例僅說明用于實(shí)施本發(fā)明的方法和系統(tǒng)，并非用于限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1在一個(gè)連續(xù)的試驗(yàn)工場(chǎng)對(duì)來自兩個(gè)廢水處理廠(一個(gè)位于AtlantaGeorgia，另一個(gè)位于Riverside California)的生物固體進(jìn)行前面所述的處理，產(chǎn)生下列產(chǎn)物并進(jìn)行產(chǎn)物分析，下面的結(jié)果不計(jì)水分和灰燼Atlanta生物固體 Riverside生物固體碳 57.73 62.53氫 7.48 9.26氮 7.90 7.52硫 3.02 1.17氧 23.86 19.52合計(jì) 100.00100.00Atlanta焦炭產(chǎn)物 Riverside焦炭產(chǎn)物碳 70.19 69.98氫 8.85 7.68氮 8.63 8.45
硫 1.42 8.86氧 10.91 5.04合計(jì) 100.00 100.00如希望的那樣，析出二氧化碳導(dǎo)致碳含量上升并相應(yīng)地減少氧含量。兩種組分的廢氣組成如下Atlanta廢氣Riverside廢氣二氧化碳 89.7％ 92.8％揮發(fā)性有機(jī)物 10.0％ 6.0％硫化合物 0.3％ 1.2％合計(jì) 100.0％100.0％理論實(shí)施例1美國西南部的一個(gè)水泥窯的產(chǎn)量為3,200噸/天。為了達(dá)到形成水泥“熔渣”所需的溫度，它燒低級(jí)煤并通過加入橡膠輪胎廢料補(bǔ)充部分燃料。在預(yù)熱無機(jī)物和助燃空氣以后，在煙道氣中的顯熱可以每天20噸(干)的量有利地干燥并焚燒來自地區(qū)廢水處理廠的生物固體。盡管每噸干生物固體組分伴隨有約4噸水(使生物固體具有負(fù)的熱值)，然而來自小費(fèi)的收入彌補(bǔ)了必須燃燒的額外的煤的成本。但是所述生物固體的用量受到蒸發(fā)水分所需熱容量的限制，并受到煙道氣體增加體積的限制(它提高了壓降和風(fēng)扇馬力)。
使用本發(fā)明，該水泥窯可使用在一個(gè)或多個(gè)附近廢水處理廠用本發(fā)明方法脫水和脫氧的生物固體。因此，以前與原料生物固體一起加入的水中有80-94％不再進(jìn)入該水泥窯，使之可多用7倍的脫氧材料而不會(huì)超出熱容量或受風(fēng)扇馬力限制。該水泥窯處置的生物固體可增加約700％，相應(yīng)地增加了小費(fèi)。
除了實(shí)施例以外或者除非另有說明，否則在說明書的下列部分中所有數(shù)值范圍、量、數(shù)據(jù)和百分?jǐn)?shù)(例如用于表達(dá)材料的量、反應(yīng)時(shí)間和溫度、比值等等的數(shù)值范圍、量、數(shù)據(jù)和百分?jǐn)?shù))均解讀為前面帶有一個(gè)“約”，即便所述術(shù)語“約”未明顯地出現(xiàn)在所述數(shù)值、量或范圍前。因此，除非具有相反的說明，否則在下列說明書和所附權(quán)利要求中的數(shù)值參數(shù)均是近似值，隨本發(fā)明所要獲得的性能而異。
盡管限定本發(fā)明寬范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似的，但是具體實(shí)施例給出的數(shù)據(jù)是盡可能精確的。但是所有數(shù)據(jù)本身均會(huì)帶有一定的來自其測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)偏差的誤差。另外，當(dāng)本文給出不定范圍的數(shù)值范圍時(shí)，可使用包括引用的數(shù)據(jù)在內(nèi)的這些數(shù)據(jù)的組合。
本文描述的和要求保護(hù)的本發(fā)明不限于具體實(shí)例的范圍，因?yàn)檫@些實(shí)例僅用于說明本發(fā)明的各個(gè)方面。各種等同實(shí)例也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。事實(shí)上，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員由前面的描述可容易地得知除了本文給出的各種實(shí)例以外的本發(fā)明各種改進(jìn)。這種改進(jìn)也落在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。本文所引用的所有專利和專利申請(qǐng)均以引用的方式全文插入本文作為本發(fā)明的一部分。
權(quán)利要求
1.一種將生物固體轉(zhuǎn)化成燃料的方法，它包括下列步驟提供生物固體，它包括細(xì)胞和細(xì)胞束縛水；向所述生物固體施加足夠的壓力以保持液態(tài)；將所述加壓的生物固體加熱至足以使細(xì)胞破裂的第一溫度，從而釋放細(xì)胞束縛水，形成破裂的生物固體細(xì)胞淤漿；使破裂的生物固體細(xì)胞淤漿降壓；從該淤漿中除去至少部分游離的細(xì)胞束縛水，形成至少部分脫水的破裂的生物固體產(chǎn)品。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于它還包括將生物固體加熱至足以從生物固體析出二氧化碳的第二溫度，形成包括焦炭化的破裂的生物固體細(xì)胞的焦炭淤漿。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于它還包括從所述焦炭淤漿分離二氧化碳。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，除去至少部分游離的細(xì)胞束縛水形成了至少部分脫水的焦炭產(chǎn)物，所述方法還包括使該焦炭產(chǎn)物與包含氧氣的氣體反應(yīng)，將其燃料值轉(zhuǎn)變成熱能，還包括利用該熱能和焚燒該燃料步驟中的至少一個(gè)步驟。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述施加足夠壓力的步驟包括提供泵。
6.如權(quán)利要求3述的方法，其特征在于在下游提供增壓泵以降低所需的泵壓頭。
7.如權(quán)利要求3述的方法，其特征在于將來自除去步驟的游離水循環(huán)至提供生物固體的步驟，以降低所需的泵壓頭。
8.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述除去步驟包括從焦炭淤漿除去水溶性組分。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，它還包括用干凈的水洗滌脫水焦炭產(chǎn)物的步驟。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，它還包括用溶劑洗滌脫水焦炭產(chǎn)物的步驟。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述除去步驟還包括以蒸汽的形式從所述淤漿和所述部分脫水產(chǎn)物中的至少一種基本除去游離水的步驟，形成干產(chǎn)品。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述干產(chǎn)品是干的焦炭產(chǎn)品，所述方法還包括將所述干的焦炭產(chǎn)品于燃油混合，形成煤-油混合物。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述淤漿是焦炭化的破裂生物固體細(xì)胞的焦炭淤漿，所述方法包括將所述焦炭淤漿與燃油混合，形成煤-油混合物。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述干產(chǎn)品是焦炭產(chǎn)品，所述方法包括將干的焦炭產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成碳基產(chǎn)物。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述淤漿是焦炭化的破裂的生物固體細(xì)胞的焦炭淤漿，所述方法包括將該焦炭淤漿轉(zhuǎn)化成碳基產(chǎn)品。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述淤漿是焦炭淤漿，并且所述至少部分脫水的破裂的生物固體產(chǎn)品是焦炭產(chǎn)品。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，它還包括將焦炭產(chǎn)品運(yùn)輸至化工廠，并將該焦炭產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成合成氣、油、氧化的化合物、碳纖維、肥料添加劑和其組合中的至少一種產(chǎn)品。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述除去步驟還包括將至少一部分水相循環(huán)至所述提供步驟。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，它還包括對(duì)從焦炭淤漿中除去的水進(jìn)行預(yù)處理。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于預(yù)處理所述水相得到甲烷氣體。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，它包括將至少一部分經(jīng)預(yù)處理的水循環(huán)至所述提供步驟。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于預(yù)處理所述水包括用膜、振動(dòng)膜、氨除去、厭氧菌菌致分解和反滲透中的至少一種進(jìn)行預(yù)處理。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，它還包括向從焦炭化淤漿中除去的水中加入螯合劑。
24.如權(quán)利要求19所述的方法，它還包括向焦炭產(chǎn)物中加入螯合劑的步驟。
25.如權(quán)利要求1所述的方法，在所述施加步驟前它還包括向所述生物固體中加入至少一種水、熱量、蒸汽及其組合。
26.如權(quán)利要求1所述的方法，在所述施加步驟前它還包括對(duì)所述生物固體進(jìn)行研磨和剪切中的至少一種處理。
27.如權(quán)利要求1所述的方法，在所述施加步驟前它還包括篩選所述生物固體的步驟。
28.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括在降壓前冷卻淤漿和降壓后冷卻淤漿中的至少一個(gè)步驟。
29.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述降壓步驟出現(xiàn)在至少兩處。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于所述冷卻步驟在降壓步驟前進(jìn)行。
31.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于當(dāng)泡沫妨礙分離步驟時(shí)，將分離器下部的焦炭淤漿抽出并通過設(shè)置在所述分離器液面上方的至少一個(gè)噴嘴噴向所述泡沫。
32.如權(quán)利要求2所述的方法，它還包括通過氧化器和處理加熱器中的至少一個(gè)的火焰將二氧化碳出料。
33.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述分離二氧化碳的步驟還包括下列步驟中的至少一個(gè)將二氧化碳排放至大地和大面積水系中的至少一種；將二氧化碳純化并用于碳酸飲料、壓力滅火器、噴霧罐推進(jìn)劑、制冷劑和惰性屏蔽氣體中的至少一個(gè)用途；將二氧化碳作為可混合的溢流劑用于三次采油；它們的組合。
34.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述加熱步驟還包括提供熱的傳熱流體，并用該熱的傳熱流體加熱所述加壓的生物固體。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于所述用傳熱流體加熱經(jīng)加壓的生物固體的步驟包括用蒸發(fā)的傳熱流體的冷凝蒸汽進(jìn)一步加熱該經(jīng)加壓的生物固體的步驟。
36.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括使所述淤漿與所述加壓的生物固體進(jìn)行熱交換。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于所述熱交換步驟在所述施加步驟前進(jìn)行。
38.如權(quán)利要求4所述的方法，它還包括使用熱能提供處理熱。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，它還包括使用所述處理熱來干燥脫水的焦炭產(chǎn)物。
40.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于灰燼產(chǎn)物被水泥窯、建材、堆肥或肥料產(chǎn)品中的至少一種所利用。
41.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述加熱包括用蒸汽作為加熱介質(zhì)。
42.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于二氧化碳?xì)怏w中所含的硫在分離步驟析出，所述方法包括用污染控制設(shè)備除去硫。
43.如權(quán)利要求16所述的方法，它還包括從脫水的焦炭產(chǎn)品回收鐵。
44.如權(quán)利要求16所述的方法，它還包括干燥脫水的焦炭；和干燥后立即冷卻經(jīng)干燥的焦炭燃料。
45.一種將生物物質(zhì)轉(zhuǎn)化成可再生燃料的方法，它包括下列步驟提供含至少約10％水的生物物質(zhì)；將該生物物質(zhì)制成可泵送的淤漿，它是通過至少一個(gè)下列步驟實(shí)現(xiàn)的研磨；加入至少一種新鮮水、循環(huán)水、蒸汽；或其組合；向所述生物物質(zhì)淤漿施加足以使其保持液態(tài)的壓力，形成加壓的生物物質(zhì)；將該加壓的生物物質(zhì)加熱至第一溫度，所述第一溫度足以形成水性焦炭淤漿、二氧化碳和游離水；使該生物物質(zhì)焦炭淤漿降壓；從該生物物質(zhì)焦炭淤漿中分離二氧化碳；和從該生物物質(zhì)焦炭淤漿中除去至少一部分游離水，形成氧含量減少的脫水生物物質(zhì)焦炭產(chǎn)物。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，它包括下列步驟使所述脫水的生物物質(zhì)焦炭產(chǎn)物與含氧氣體反應(yīng)，將其燃料值轉(zhuǎn)變成熱能；和使用該熱能。
47.如權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于所述生物物質(zhì)包括至少一種造紙污泥、紙?jiān)偕僮餍纬傻奈勰?、農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢物、泥煤、食品廢物、豬廄肥、養(yǎng)雞垃圾、牛廄肥、其它動(dòng)物廄肥、稻殼、甘蔗渣、綠葉廢物、市政固態(tài)垃圾、棕櫚油殘余物、來自垃圾的燃料、牛皮紙工廠的黑色母液和短期輪作的能源作物。
48.如權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于所述第一溫度約為200-345℃(400-650)。
49.如權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于所述提供步驟還包括提供一種用于溶解生物物質(zhì)中至少一種形成污染或爐渣的元素的試劑。
50.如權(quán)利要求45所述的方法，它還包括加入一種用于溶解脫水生物物質(zhì)焦炭產(chǎn)物中至少一種形成污染或爐渣的元素的試劑。
51.如權(quán)利要求50所述的方法，其特征在于所述試劑包括堿。
52.如權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于將一部分游離水循環(huán)至加料步驟。
53.如權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于所述除去步驟包括從生物物質(zhì)焦炭淤漿和脫水產(chǎn)物的至少一種中以蒸汽的形式基本除去水的步驟。
54.如權(quán)利要求45所述的方法，它還包括將所述水性焦炭淤漿冷卻至低于第一溫度的第二溫度。
55.如權(quán)利要求54所述的方法，其特征在于所述第二溫度約為40-90℃(100-200)。
56.如權(quán)利要求45所述的方法，它還包括通過氧化器或處理加熱器中的至少一個(gè)的火焰排放二氧化碳。
57.如權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于在形成淤漿的步驟使用相鄰廢水處理廠的處理水。
58.如權(quán)利要求45所述的方法，它還包括預(yù)處理至少一部分游離水形成經(jīng)預(yù)處理的水，并將經(jīng)預(yù)處理的水循環(huán)至相鄰廢水處理廠的步驟。
59.如權(quán)利要求45所述的方法，它還包括使用相鄰廢水處理廠的沼氣作為加熱步驟的燃料。
60.如權(quán)利要求45所述的方法，它還包括使用脫水生物物質(zhì)焦炭產(chǎn)物作為水泥窯燃料的步驟。
61.如權(quán)利要求60所述的方法，它還包括下列步驟將該水泥窯的廢熱循環(huán)至形成淤漿步驟和加熱步驟中的至少一個(gè)步驟。
62.如權(quán)利要求60所述的方法，它還包括使用相鄰水泥窯的排放的廢水用于形成淤漿步驟。
63.如權(quán)利要求60所述的方法，它還包括在相鄰水泥窯中用二氧化碳進(jìn)行至少一個(gè)回收熱量或降低臭味的步驟。
64.如權(quán)利要求45所述的方法，它還包括使用脫水的生物物質(zhì)焦炭產(chǎn)物作為熱電站燃料的步驟。
65.如權(quán)利要求64所述的方法，它還包括使用至少一部分游離水在相鄰熱電站用于冷卻的步驟。
66.如權(quán)利要求64所述的方法，它還包括將相鄰熱電站的熱量用于形成淤漿步驟和加熱步驟中的至少一個(gè)的步驟。
67.如權(quán)利要求64所述的方法，它還包括在相鄰熱電站將二氧化碳用于熱量回收和降低臭味步驟中的至少一個(gè)的步驟。
68.如權(quán)利要求64所述的方法，它還包括將來自相鄰熱電站的水用于形成淤漿的步驟。
69.如權(quán)利要求45所述的方法，它還包括在鼓風(fēng)爐中使用脫水的生物物質(zhì)焦炭產(chǎn)物作為燃料的步驟。
70.如權(quán)利要求63所述的方法，它還包括將至少一部分游離水在相鄰熱電站中用于冷卻的步驟。
71.如權(quán)利要求63所述的方法，它還包括將來自相鄰鼓風(fēng)爐的熱量用于形成淤漿步驟和加熱步驟中的至少一個(gè)的步驟。
72.如權(quán)利要求63所述的方法，它還包括在相鄰的鼓風(fēng)爐將析出的二氧化碳用于熱量回收和降低臭味步驟中的至少一個(gè)的步驟。
73.一種將至少一種生物固體和低級(jí)化石燃料的組合的淤漿轉(zhuǎn)化成可燃燃料的方法，包括下列步驟提供生物固體，它含有至少約10％的水；提供低級(jí)化石燃料；混合所述生物固體和低級(jí)化石燃料，形成加料淤漿；向該加料淤漿施加足以保持液態(tài)的壓力，形成加壓的加料淤漿；將該加壓的加料淤漿加熱至足以使細(xì)胞破裂的溫度，形成含有二氧化碳和游離水的水性焦炭淤漿；使該水性焦炭淤漿降壓；從該水性焦炭淤漿分離二氧化碳；從該水性焦炭淤漿除去至少一部分游離水，形成脫水的焦炭產(chǎn)物。
74.一種將至少一種生物固體、生物物質(zhì)和低級(jí)化石燃料轉(zhuǎn)化成再生燃料的間歇方法，它包括提供至少一種生物固體、生物物質(zhì)、低級(jí)化石燃料或其組合；將所述提供步驟的物料形成可泵送的淤漿，它包括至少一個(gè)下列步驟研磨；添加至少一種新鮮水、循環(huán)水；和其組合；對(duì)所述可泵送的淤漿加壓，使之基本保持其液體狀態(tài)；將該加壓的淤漿加熱至足以使細(xì)胞破裂的溫度，形成氧含量減少的焦炭淤漿、二氧化碳和游離水；使該焦炭淤漿降壓；從該焦炭淤漿分離二氧化碳；和除去該焦炭淤漿中的至少一部分水，形成至少部分脫水的焦炭產(chǎn)物。
75.如權(quán)利要求74所述的方法，它還包括使該脫水的焦炭產(chǎn)物與含氧氣的氣體反應(yīng)，將其燃料值轉(zhuǎn)化成熱能，形成焦炭。
76.如權(quán)利要求74所述的方法，其特征在于所述加壓步驟還包括向該間歇反應(yīng)物中注入蒸汽，以加熱生物固體。
77.如權(quán)利要求74所述的方法，其特征在于所述加熱步驟是用至少一種方法實(shí)現(xiàn)的燃燒來自氣化器的燃?xì)夂褪褂脕碜藻仩t的蒸汽。
78.如權(quán)利要求77所述的方法，其特征在于用于加熱步驟的燃料是化石燃料、沼氣和產(chǎn)物焦炭中的至少一種。
79.如權(quán)利要求74所述的方法，其特征在于所述除去步驟包括加入至少一種聚合物以增強(qiáng)水相分離。
80.如權(quán)利要求74所述的方法，它還包括使用脫水的焦炭產(chǎn)物作為原料經(jīng)部分氧化成燃?xì)庥糜跉淙剂想姵氐牟襟E。
81.如權(quán)利要求74所述的方法，其特征在于在降壓步驟前將一部分焦炭淤漿循環(huán)回加熱并加壓的生物固體中。
82.一種將生物固體轉(zhuǎn)化成再生燃料的方法，它包括下列步驟將生物固體送入原料罐；對(duì)原料罐中的生物固體實(shí)施至少一種加熱、研磨和剪切，形成淤漿；加熱該淤漿；使該淤漿反應(yīng)形成焦炭，所述焦炭具有明顯增高的固體碳含量和明顯降低的固體氧含量；冷卻該焦炭淤漿；使該焦炭淤漿降壓；從該焦炭排放二氧化碳；將該焦炭脫水成脫水的焦炭產(chǎn)物；和將該脫水的焦炭產(chǎn)物干燥或造粒，所述脫水的焦炭產(chǎn)物占可比原料生物固體總量的約15-20％。
83.一種水泥窯的運(yùn)行方法，它包括下列步驟提供含有細(xì)胞束縛水的濕的生物固體；使用來自水泥窯的處理熱加熱該濕的生物固體，直至該細(xì)胞束縛水蒸發(fā)，形成干的生物固體；將該干的生物固體在該水泥窯中燃燒，形成含有至少一部分灰燼的燃燒的生物固體；和使用一部分灰燼來減少加入水泥的石灰石、粘土或頁巖的量。
84.一種將經(jīng)處理的污物污泥轉(zhuǎn)化成具有正燃料值產(chǎn)品的方法，所述經(jīng)處理的污物污泥包括帶細(xì)胞束縛水的生物固體；所述方法包括使生物固體的細(xì)胞破裂，釋放其束縛的水分；將該破裂的生物固體細(xì)胞加熱至足以將其轉(zhuǎn)化成焦炭的溫度；和從該淤漿中除去至少一部分水，形成適合在升溫下燃燒的焦炭產(chǎn)品，并由該焦炭產(chǎn)品提供熱能。
85.如權(quán)利要求84所述的方法，它包括將破裂的生物固體細(xì)胞懸浮在至少由該生物固體細(xì)胞釋放的水中。
86.一種經(jīng)濟(jì)地處置污泥的方法，所述污泥含有帶使之具有負(fù)熱值的細(xì)胞束縛水的生物固體，所述方法包括接受污物污泥并收取由于接受該污物污泥而應(yīng)收的金錢或應(yīng)收帳款；使所述污物污泥保持含水和懸浮生物固體的淤漿狀態(tài)；將該淤漿加熱至足以使生物固體細(xì)胞破裂的程度，從而釋放先前束縛在該生物固體細(xì)胞中的水分；將破裂的生物固體細(xì)胞轉(zhuǎn)化成焦炭單元；除去至少部分水分，包括從破裂的生物固體細(xì)胞中釋放的水分，形成焦炭產(chǎn)品；以產(chǎn)生附加值的方式處置該焦炭產(chǎn)品。
87.如權(quán)利要求86所述的方法，其特征在于處置焦炭產(chǎn)品的方法包括燃燒該焦炭產(chǎn)品以產(chǎn)生熱量。
88.如權(quán)利要求86所述的方法，其特征在于所述處置包括將該焦炭產(chǎn)品供第三方使用。
89.一種以經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好的方式處置下水道或廢水處理廠產(chǎn)生的污泥的方法，所述污泥包括生物固體物質(zhì)和水，所述方法包括從所述工廠接受生物固體物質(zhì)，并從該工廠收取由于接受污泥而應(yīng)收取的費(fèi)用；將該生物固體加熱至足以使生物固體的細(xì)胞壁破裂并由該生物固體釋放細(xì)胞束縛水的程度；除去足夠量的與破裂的生物固體物質(zhì)混合的水分，將該物質(zhì)轉(zhuǎn)化成具有正熱值的物質(zhì)；利用該生物固體物質(zhì)的熱值來進(jìn)一步產(chǎn)生價(jià)值。
90.如權(quán)利要求89所述的方法，它包括使所述生物固體的破裂細(xì)胞碳化的步驟。
91.如權(quán)利要求90所述的方法，其特征在于所述碳化破裂的生物固體細(xì)胞是在除水步驟之前進(jìn)行的。
92.如權(quán)利要求91所述的方法，其特征在于利用所述熱值包括焚燒該經(jīng)碳化的破裂的生物固體細(xì)胞。
全文摘要
在處理含生物固體的市政污泥和雨水以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即便脫水后生物固體仍常含有約80％束縛在生物固體死亡細(xì)胞中的水分，使生物固體具有負(fù)的熱值。只有使用外購燃料才能對(duì)其進(jìn)行焚燒。將生物固體加熱至其細(xì)胞結(jié)構(gòu)受損并且此時(shí)較好釋放二氧化碳以降低生物固體的氧含量。形成的焦炭是非親水性的，它可有效地脫水和/或干燥并且是一種可行的再生燃料。還可在相同或平行的設(shè)施中加入常規(guī)的生物物質(zhì)(工地(yard)和作物廢物等)以補(bǔ)充這些再生燃料。同樣，不可再生的親水燃料也可與生物固體一起處理以進(jìn)一步增加能量供應(yīng)。
文檔編號(hào)C10L7/00GK101056968SQ200580038215
公開日2007年10月17日 申請(qǐng)日期2005年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月10日
發(fā)明者N·L·迪肯森, K·M·博林, E·奧福斯特里特, B·杜雷 申請(qǐng)人:環(huán)境能量技術(shù)股份有限公司