公布日：2023.11.03
申請日：2023.08.03
分類號：B01J23/745(2006.01)I;C01B32/05(2017.01)I;C10B53/00(2006.01)I;C02F11/13(2019.01)I
摘要
本發(fā)明涉及鐵碳材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用富鐵市政污泥制備鐵碳材料的系統(tǒng)和方法。其中，一種采用富鐵市政污泥制備鐵碳材料的方法，包括：預(yù)處理：富鐵市政污泥經(jīng)過烘干、粉碎獲得預(yù)處理污泥；鐵碳材料制備：利用水泥窯尾缺氧廢氣對預(yù)處理污泥進(jìn)行炭化后制備得到鐵碳材料。本發(fā)明將富鐵市政污泥與水泥窯尾缺氧廢氣相耦合，解決了傳統(tǒng)生物質(zhì)和鐵源制備鐵碳材料的熱源供給問題，無需進(jìn)行額外熱源補(bǔ)給，而且無需外加鐵源，無需進(jìn)行離線處理以及二次活化，最終制備出的鐵碳材料在有機(jī)廢水污染物降解過程中催化降解效果優(yōu)異。
權(quán)利要求書
1.一種采用富鐵市政污泥制備鐵碳材料的方法，其特征在于，包括：預(yù)處理：富鐵市政污泥經(jīng)過烘干、粉碎獲得預(yù)處理污泥；鐵碳材料制備：利用水泥窯尾缺氧廢氣對預(yù)處理污泥進(jìn)行炭化后制備得到鐵碳材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述富鐵市政污泥為采用鐵鹽絮凝劑進(jìn)行脫水沉淀處理后的污泥；和/或，所述富鐵市政污泥中鐵的質(zhì)量百分比為45-47％；和/或，所述水泥窯尾缺氧廢氣的溫度為450-1000℃，優(yōu)選為550-800℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述富鐵市政污泥經(jīng)過烘干后的含水率降至30％以下；優(yōu)選的，所述富鐵市政污泥利用對預(yù)處理污泥炭化后的水泥窯尾缺氧廢氣進(jìn)行干燥；和/或，所述富鐵市政污泥經(jīng)粉碎后的粒徑為200-800目；和/或，所述水泥窯尾缺氧廢氣中氧氣的體積百分?jǐn)?shù)小于10％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述預(yù)處理污泥在立式結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)床中進(jìn)行炭化；所述氣動(dòng)床具有三段式結(jié)構(gòu)的炭化腔室，該三段式結(jié)構(gòu)從上至下依次為第一段、第二段和第三段；所述預(yù)處理污泥從上至下給料，所述水泥窯尾缺氧廢氣從下至上給料；優(yōu)選的，所述預(yù)處理污泥在炭化過程中，小粒徑的預(yù)處理污泥被水泥窯尾缺氧廢氣吹至第一段，大粒徑的預(yù)處理污泥下沉至第三段；和/或，所述預(yù)處理污泥經(jīng)炭化后，小粒徑的預(yù)處理污泥被水泥窯尾缺氧廢氣攜帶輸送至旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離，大粒徑的預(yù)處理污泥從底部排渣器外排。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，以富鐵市政污泥的質(zhì)量為500g計(jì)，所述水泥窯尾缺氧廢氣的用量為0.3-0.4m3；和/或，所述水泥窯尾缺氧廢氣在第三段內(nèi)的流速為0.5-1m/s。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述炭化的時(shí)間為45-85min。
7.一種采用富鐵市政污泥制備鐵碳材料的系統(tǒng)，其特征在于，包括依次連接的烘干機(jī)、粉碎機(jī)、給料機(jī)和氣動(dòng)床；所述氣動(dòng)床與水泥窯尾缺氧廢氣出口連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述氣動(dòng)床為立式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部設(shè)置有炭化腔室，炭化腔室為相互連通的三段式結(jié)構(gòu)，該三段式結(jié)構(gòu)從上至下依次為第一段、第二段和第三段。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二段為均勻擴(kuò)徑結(jié)構(gòu)，其大徑端與第一段的底部連接，其小徑端與第三段的頂部連接；和/或，所述第三段的下部設(shè)置有過濾板，第三段的底部末端設(shè)置有風(fēng)管，風(fēng)管的另一端與水泥窯尾缺氧廢氣出口連接；所述過濾板的上方設(shè)置底部排渣器，底部排渣器的一端與第三段連通，底部排渣器的另一端向外延伸出氣動(dòng)床；和/或，所述第一段的靠近頂部的位置設(shè)置有與其連通的旋風(fēng)分離器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述底部排渣器和旋風(fēng)分離器均連接在產(chǎn)品儲料倉上；和/或，所述底部排渣器為相對于第三段朝向其底部傾斜設(shè)置的排渣管道；和/或，所述第一段與第三段的內(nèi)徑比為(1.5-2)：1。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有鐵碳材料制備過程中需離線處理以及二次活化且最終制備的鐵碳材料的催化降解性能不佳的缺陷，從而提供一種利用富鐵市政污泥制備鐵碳材料的系統(tǒng)和方法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
一種采用富鐵市政污泥制備鐵碳材料的方法，包括：
預(yù)處理：富鐵市政污泥經(jīng)過烘干、粉碎獲得預(yù)處理污泥；
鐵碳材料制備：利用水泥窯尾缺氧廢氣對預(yù)處理污泥進(jìn)行炭化后制備得到鐵碳材料。
優(yōu)選的，所述富鐵市政污泥為采用鐵鹽絮凝劑進(jìn)行脫水沉淀處理后的污泥；
和/或，所述富鐵市政污泥中鐵的質(zhì)量百分比為45-47％；
和/或，所述水泥窯尾缺氧廢氣的溫度為450-1000℃，優(yōu)選為550-800℃。
優(yōu)選的，所述富鐵市政污泥經(jīng)過烘干后的含水率降至30％以下；優(yōu)選的，所述富鐵市政污泥利用對預(yù)處理污泥炭化后的水泥窯尾缺氧廢氣進(jìn)行干燥；
和/或，所述富鐵市政污泥經(jīng)粉碎后的粒徑為200-800目；
和/或，所述水泥窯尾缺氧廢氣中氧氣的體積百分?jǐn)?shù)小于10％。
優(yōu)選的，所述預(yù)處理污泥在立式結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)床中進(jìn)行炭化；所述氣動(dòng)床具有三段式結(jié)構(gòu)的炭化腔室，該三段式結(jié)構(gòu)從上至下依次為第一段、第二段和第三段；所述預(yù)處理污泥從上至下給料，所述水泥窯尾缺氧廢氣從下至上給料；
優(yōu)選的，所述預(yù)處理污泥在炭化過程中，小粒徑的預(yù)處理污泥被水泥窯尾缺氧廢氣吹至第一段，大粒徑的預(yù)處理污泥下沉至第三段；
和/或，所述預(yù)處理污泥經(jīng)炭化后，小粒徑的預(yù)處理污泥被水泥窯尾缺氧廢氣攜帶輸送至旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離，大粒徑的預(yù)處理污泥從底部排渣器外排。
優(yōu)選的，以富鐵市政污泥的質(zhì)量為500g計(jì)，所述水泥窯尾缺氧廢氣的用量為0.3-0.4m3；
和/或，所述水泥窯尾缺氧廢氣在第三段內(nèi)的流速為0.5-1m/s。
優(yōu)選的，所述炭化的時(shí)間為45-85min；
和/或，所述炭化的同時(shí)還進(jìn)行活化。本發(fā)明中的富鐵市政污泥中的鐵元素可以充當(dāng)活性劑。
本發(fā)明還提供一種采用富鐵市政污泥制備鐵碳材料的系統(tǒng)，包括依次連接的烘干機(jī)、粉碎機(jī)、給料機(jī)和氣動(dòng)床；
所述氣動(dòng)床與水泥窯尾缺氧廢氣出口連接。
優(yōu)選的，所述氣動(dòng)床為立式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部設(shè)置有炭化腔室，炭化腔室為相互連通的三段式結(jié)構(gòu)，該三段式結(jié)構(gòu)從上至下依次為第一段、第二段和第三段。
優(yōu)選的，所述第二段為均勻擴(kuò)徑結(jié)構(gòu)，其大徑端與第一段的底部連接，其小徑端與第三段的頂部連接；
和/或，所述第三段的下部設(shè)置有過濾板，第三段的底部末端設(shè)置有風(fēng)管，風(fēng)管的另一端與水泥窯尾缺氧廢氣出口連接；所述過濾板的上方設(shè)置底部排渣器，底部排渣器的一端與第三段連通，底部排渣器的另一端向外延伸出氣動(dòng)床；所述過濾板的作用為：允許缺氧廢氣通過，以保證氣動(dòng)床內(nèi)的富鐵市政污泥流化炭化、活化；對缺氧廢氣進(jìn)行均勻分配，以提高缺氧廢氣在第三段內(nèi)的分散均勻程度；對第三段內(nèi)的大粒徑固體顆粒起到較好的攔截和支撐作用。
和/或，所述第一段的靠近頂部的位置設(shè)置有與其連通的旋風(fēng)分離器。
優(yōu)選的，所述底部排渣器和旋風(fēng)分離器均連接在產(chǎn)品儲料倉上；
和/或，所述底部排渣器為相對于第三段朝向其底部傾斜設(shè)置的排渣管道；
和/或，所述第一段與第三段的內(nèi)徑比為(1.5-2)：1。
在本發(fā)明中，由于第一段的內(nèi)徑大于第三段的內(nèi)徑，所以第一段的水泥窯尾缺氧廢氣的風(fēng)速小于第三段的風(fēng)速，使得粒徑小的固體顆粒被吹至第一段，而粒徑大的固體顆粒停留在第三段，第三段的水泥窯尾缺氧廢氣的溫度較高，可以保證對大粒徑固體顆粒的較好的炭化和活化，炭化和活化完畢后，水泥窯尾缺氧廢氣將小粒徑固體顆粒吹至旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣固分離，小粒徑固體顆粒排凈后，關(guān)閉第一段的出口，打開底部排渣器的閥門，利用水泥窯尾缺氧廢氣將大粒徑固體顆粒由底部排渣器攜帶外排。
在本發(fā)明中，為了防止水泥窯尾缺氧廢氣對外界的影響過大，在排放大粒徑固體顆粒時(shí)，將水泥窯尾缺氧廢氣的流速調(diào)小。
在本發(fā)明中，富鐵市政污泥在熱解過程中，其中的鐵元素可以發(fā)揮催化劑的作用，有助于提高材料的孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積。在熱解過程中，鐵可以作為催化劑，促進(jìn)熱解反應(yīng)的進(jìn)行，并在一定程度上影響材料的微觀結(jié)構(gòu)和孔隙分布。首先，鐵元素可以催化有機(jī)物質(zhì)的熱解過程，有助于增加產(chǎn)物的孔隙度。這是因?yàn)殍F元素可以促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)分解成更小的分子，這些小分子在熱解過程中氣化可以逸出，形成更多的孔隙。其次，鐵元素在高溫下可以形成不同價(jià)態(tài)的鐵氧化物，這些鐵氧化物在熱解過程中可以發(fā)生還原反應(yīng)脫氧結(jié)合炭生成氣態(tài)氧化物，進(jìn)一步增加材料的比表面積。
本發(fā)明技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1.一種采用富鐵市政污泥制備鐵碳材料的方法，包括：預(yù)處理：富鐵市政污泥經(jīng)過烘干、粉碎獲得預(yù)處理污泥；鐵碳材料制備：利用水泥窯尾缺氧廢氣對預(yù)處理污泥進(jìn)行炭化后制備得到鐵碳材料。本發(fā)明將富鐵市政污泥與水泥窯尾缺氧廢氣相耦合，解決了傳統(tǒng)生物質(zhì)和鐵源制備鐵碳材料的熱源供給問題，無需進(jìn)行額外熱源補(bǔ)給，而且無需外加鐵源，無需進(jìn)行離線處理以及二次活化，且最終制備出的鐵碳材料在有機(jī)廢水污染物降解過程中催化降解效果優(yōu)異。
2.本發(fā)明的采用富鐵市政污泥制備鐵碳材料的方法，其中，工藝流程的熱量流動(dòng)符合能量梯級利用，水泥窯尾缺氧廢氣在進(jìn)行富鐵市政污泥炭化后，余熱仍可以進(jìn)行污泥干化；此外，炭化富鐵市政污泥后的水泥窯尾缺氧廢氣中含有可燃有機(jī)物，可以回通到水泥窯預(yù)分解爐中進(jìn)行熱量再補(bǔ)充，提高了能量的利用率；本發(fā)明利用熱解法將富鐵市政污泥轉(zhuǎn)化為具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值鐵碳材料，同時(shí)還可以避免該污泥處理處置帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
3.本發(fā)明的采用富鐵市政污泥制備鐵碳材料的方法，水泥窯尾缺氧廢氣既是低含氧量氣源，又是熱源，可以滿足炭化過程中活化條件與沖孔要求，進(jìn)而可以不用額外營造高濕缺氧的環(huán)境進(jìn)行活化，在一定程度上降低了能耗。
4.本發(fā)明的采用富鐵市政污泥制備鐵碳材料的方法，富鐵市政污泥中存在的過渡金屬(如，Fe、Cu、Ni等)會增強(qiáng)鐵碳材料活化過硫酸鹽的活性，增強(qiáng)降解有機(jī)廢水的能力；富鐵市政污泥內(nèi)部的鐵元素，在高溫?zé)峤鈼l件下具有加強(qiáng)催化的效果，這是因?yàn)楦昏F市政污泥中的Fe2O3組分能與富鐵市政污泥中生物炭等有機(jī)成分發(fā)生反應(yīng)，生成熱解產(chǎn)物(CO、CO2、H2、CH4等)，促進(jìn)生物炭的轉(zhuǎn)化。
（發(fā)明人：董婧祎;張德群;徐劍;毛巖鵬;逄棟杰）
