阅读说明：本技术 一种耦合太阳能电解水制氢的污泥处理系统及方法 (Sludge treatment system and method for hydrogen production by water electrolysis coupled with solar energy ) 是由 胡国荣 徐丽婷 方杨 朱海淼 周民星 杨宏伟 徐煜昊 胡利华 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种耦合太阳能电解水制氢的污泥处理系统及方法,属于污泥处理技术领域。该系统包括太阳能制氢模块和污泥处理模块,所述太阳能制氢模块包括太阳能板、电解槽、储氢罐和储氧罐,所述太阳能板与电解槽导线连接,储氢罐与电解槽的阴极连接,储氧罐与电解槽的阳极连接；所述污泥处理模块包括以管道顺次连接的污泥干化装置、污泥焚烧炉、空气预热器、余热锅炉、烟气净化装置和烟囱,其中,所述污泥焚烧炉的富氧空气入口连接空气预热器的热空气出口和储氧罐的氧气出口,所述污泥干化装置与余热锅炉通过冷热工质交换管道连接。本发明解决了污泥独立干化焚烧工艺中污泥燃烧困难、辅助燃料消耗大、系统运行经济性差的问题。(The invention discloses a sludge treatment system and method for hydrogen production by water electrolysis coupled with solar energy, and belongs to the technical field of sludge treatment. The system comprises a solar hydrogen production module and a sludge treatment module, wherein the solar hydrogen production module comprises a solar panel, an electrolytic cell, a hydrogen storage tank and an oxygen storage tank, the solar panel is connected with a lead of the electrolytic cell, the hydrogen storage tank is connected with a cathode of the electrolytic cell, and the oxygen storage tank is connected with an anode of the electrolytic cell; the sludge treatment module comprises a sludge drying device, a sludge incinerator, an air preheater, a waste heat boiler, a flue gas purification device and a chimney which are sequentially connected through pipelines, wherein an oxygen-enriched air inlet of the sludge incinerator is connected with a hot air outlet of the air preheater and an oxygen outlet of an oxygen storage tank, and the sludge drying device is connected with the waste heat boiler through a cold and hot working medium exchange pipeline. The invention solves the problems of difficult sludge combustion, large auxiliary fuel consumption and poor economical efficiency of system operation in the independent sludge drying and incinerating process.)

一种耦合太阳能电解水制氢的污泥处理系统及方法

技术领域

本发明属于污泥处理技术领域，具体涉及一种耦合太阳能电解水制氢的污泥处理系统及方法。

背景技术

随着我国经济的不断发展和人民生活水平的提高，居民生活用水量持续增加，城镇污水处理量逐年增大，同时产生大量市政污泥。污泥中不仅含有大量有机物质，氮磷等无机物质，而且含有寄生虫、治病微生物、病原菌以及砷、汞、铜等有毒有害重金属，必须妥善处置。

污泥处置的目标是将污泥减量化、无害化。目前我国污泥处置方式主要有卫生填埋、堆肥+土地利用、干化焚烧等，干化焚烧技术由于具有兼容减重率高、处理速度快等优点而被广泛关注和应用。干化焚烧大体分为两种，一种是干化+协同焚烧处理，是指通过机械或热干化方式将污泥脱水至一定含固率后，利用燃煤电厂、生物质电厂、垃圾焚烧厂等已有设施极性协同焚烧处理，该方法较适用于污水处理厂附近有协同处理设施的情况，否则将大大增加污泥运输费用、运输过程过程中的二次污染风险，而且污泥的处理规模较小；另一种是独立干化焚烧，是指将经过脱水处理后的污泥先经过干化处理、将污泥降低至一定含水率，然后送入专门焚烧炉进行高温焚烧、通过余热利用装置回收高温烟气余热用于污泥干化，最后产生少量的灰渣、并经过烟气净化处理设备去除污泥中的有害污染物，处理规模大，近年来得到了推广。

污水污泥属于高水分、高灰分的低热值燃料，对于污泥独立干化焚烧，保证低热值污泥的稳定燃烧是整个工艺的关键。为了保证污泥的稳定燃烧，独立干化焚烧工艺设计时需根据污泥的设计热值确定进入焚烧炉的含固率，才能保证污泥燃烧放出的热量减去污泥中的水分吸收热量后，设计时炉膛烟气温度保持在850℃～880℃。当实际入炉污泥情况与设计情况出现下列偏离时，需要辅助燃料的加入才能维持污泥的稳定焚烧：

偏离工况①：当污泥干基热值不变，而入炉污泥含固率低于设计含固率的工况。

偏离工况②：当入炉污泥含固率不变，污泥干基热值低于设计值的工况。

偏离工况③：当入炉污泥含固率和污泥干基热值均低于设计值的工况。

上述偏离工况的出现，均会导致在污泥入炉量不变的情况下，污泥的放热量减少、而污泥中水分的吸热量增加，导致炉膛中放热量和吸热量平衡打破，出现污泥燃烧困难、燃尽率低等情况。

现有污泥独立干化焚烧工艺中，当入炉污泥放热量低于维持炉膛高温烟气＞850℃所需热量时，一般采用如下方法来解决：

方法一：通过利用烟气余热加热入炉空气同时在炉内添加辅助燃料如天然气或燃油的方式，增加炉膛输入热量，从而维持污泥充分稳定燃烧。然而这种方法需耗费大量辅助燃料，经济性差，而这也是目前大多数污泥独立干化焚烧采取的技术方案。

方法二：通过富氧机制备体积浓度大于21%的富氧空气通入污泥焚烧炉内，采用富氧燃烧技术，提高低热值入炉污泥的燃烧特性，增进燃尽率，使得污泥能够充分稳定燃烧。然而该技术富氧空气的获得是通过额外购置价格昂贵的富氧机从空气中制备而得，且单纯靠富氧机来提供富氧气体作为污泥燃烧的助燃气体，而空气不经过预热，将耗费大量的富氧气体，富氧机负荷较大，烟气余热未充分利用，经济性也不够好。

发明内容

解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供了一种耦合太阳能电解水制氢的污泥处理系统及方法，解决了污泥独立干化焚烧工艺中污泥燃烧困难、辅助燃料消耗大、系统运行经济性差的问题。

技术方案：一种耦合太阳能电解水制氢的污泥处理系统，包括太阳能制氢模块和污泥处理模块，所述太阳能制氢模块包括太阳能板、电解槽、储氢罐和储氧罐，所述太阳能板与电解槽导线连接，储氢罐与电解槽的阴极连接，储氧罐与电解槽的阳极连接；所述污泥处理模块包括以管道顺次连接的污泥干化装置、污泥焚烧炉、空气预热器、余热锅炉、烟气净化装置和烟囱，其中，所述污泥焚烧炉的富氧空气入口连接空气预热器的热空气出口和储氧罐的氧气出口，所述污泥干化装置与余热锅炉通过冷热工质交换管道连接。

优选的，所述电解槽为碱性电解槽、质子交换膜电解槽或固体氧化物电解槽。

优选的，所述烟气净化装置为静电除尘器、布袋除尘器、湿式脱硫塔或干式脱硫塔。

优选的，所述污泥干化装置上设有湿污泥入口，所述湿污泥的含水率为78%~83%。

优选的，所述污泥焚烧炉上设有炉渣出口。

一种耦合太阳能电解水制氢的污泥处理方法，包括步骤如下：

S1.通过太阳能板将太阳能转化为电能，再将电能用于电解槽进行电解水，产生的氢气和氧气分别通入储氢罐和储氧罐；

S2.湿污泥通入污泥干化装置进行干化处理，其热源为余热锅炉传递的热工质，处理得到干污泥；

S3.干污泥通入污泥焚烧炉中与富氧空气混合进行焚烧处理，其富氧空气由储氧罐中的氧气和空气预热器传递的热空气混合得到，处理后产生高温烟气；

S4.高温烟气进入空气预热器加热空气，再进入余热锅炉加热工质，最后依次进入烟气净化装置和烟囱排放。

优选的，所述空气预热器传递的热空气温度为300~400℃。

优选的，所述工质为导热油、水或水蒸气。

优选的，所述富氧空气的氧体积浓度为21%~50%。

优选的，所述干污泥的含水率为30%~65%。

有益效果： 本发明充分利用污水处理厂可利用面积大的特点，在污水处理厂生化池、沉淀池、构筑物屋顶、草坪等地方布置太阳能板，利用太阳能板发出的直流电直接接入电解槽电极来制备氢气，制备得到的氢气外售，提高了污水处理厂的综合经济效益；副产物氧气通过与预热过的空气混合获得富氧气体作为污泥焚烧的助燃气体，从而提高入炉污泥的燃烧特性、降低污泥着火点、提升燃尽率，使污泥稳定燃烧。

通过将太阳能电解水制氢与污泥独立干化焚烧进行耦合，增加了太阳能制氢收入，且不需要耗费额外的辅助燃料（如天然气、燃油等）以及额外的富氧机就能实现干化污泥的稳定燃烧，从而最大化提升污水厂污泥干化焚烧处理的经济性。

附图说明

图1为污泥处理流程图；

图中各数字标号表示含义如下：1. 污泥干化装置、2. 污泥焚烧炉、3. 空气预热器、4. 余热锅炉、5.烟气净化装置、6. 烟囱、7. 太阳能板、8. 电解槽、9. 储氢罐、10. 储氧罐。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

如图1所示，一种耦合太阳能电解水制氢的污泥处理系统，包括太阳能制氢模块和污泥处理模块，所述太阳能制氢模块包括太阳能板7、电解槽8、储氢罐9和储氧罐10，所述太阳能板7与电解槽8导线连接，储氢罐9与电解槽8的阴极连接，储氧罐10与电解槽8的阳极连接；所述污泥处理模块包括以管道顺次连接的污泥干化装置1、污泥焚烧炉2、空气预热器3、余热锅炉4、烟气净化装置5和烟囱6，其中，所述污泥焚烧炉2的富氧空气入口连接空气预热器3的热空气出口和储氧罐10的氧气出口，所述污泥干化装置1与余热锅炉4通过冷热工质交换管道连接，所述污泥干化装置1上设有湿污泥入口，所述污泥焚烧炉2上设有炉渣出口。

其中，所述电解槽8为碱性电解槽、质子交换膜电解槽或固体氧化物电解槽；所述烟气净化装置5为静电除尘器、布袋除尘器、湿式脱硫塔或干式脱硫塔。

利用该系统进行污泥处理的方法，包括步骤如下：

S1.通过太阳能板7将太阳能转化为电能，再将电能用于电解槽8进行电解水，产生的氢气和氧气分别通入储氢罐9和储氧罐10；

S2.湿污泥通入污泥干化装置1进行干化处理，其热源为余热锅炉4传递的热工质，处理得到干污泥；

S3.干污泥通入污泥焚烧炉2中与富氧空气混合进行焚烧处理，其富氧空气由储氧罐10中的氧气和空气预热器3传递的热空气混合得到，处理后产生高温烟气；

S4.高温烟气进入空气预热器3加热空气，再进入余热锅炉4加热工质，最后依次进入烟气净化装置5和烟囱6排放。

其中，所述空气预热器3传递的热空气温度为300~400℃，所述工质为导热油、水或水蒸气，所述富氧空气的氧体积浓度为21%~50%，所述湿污泥的含水率为78%~83%，所述干污泥的含水率为30%~65%。

在太阳能制氢模块，太阳能板将太阳能转化为电能，具体为直流电，再利用导线将直流电接入电解槽的电极，通过电极间的电场将电解槽中的水电解为氢气和氧气，其中氢气在阴极富集，氧气在阳极富集，然后将在阴极富集的氢气导入储氢罐，将在阳极富集的氧气导入储氧罐。储氢罐中的氢气通过高压压缩或液化方式对外销售，而储氧罐中的氧气则通过阀门、管道与空气预热器后的300~400℃的热空气混合，形成氧气浓度21%~50%的富氧空气，一起送入污泥焚烧炉助燃。

在污泥处理模块，经过脱水处理后含水率为78~83%的脱水湿污泥首先经过污泥干化装置进行干化处理，所述污泥干化装置采用间接干化装置。余热锅炉通过吸收污泥焚烧产生的高温烟气的热量来加热从所述污泥干化装置换完热后的冷工质，从而获得热工质，进而为污泥干化装置提供了热源。从污泥干化装置出来的干污泥含水率降低至30~65%（含固率为70~35%），之后进入污泥焚烧炉，与富氧空气混合进行强烈的高温、氧化反应，污泥燃烧形成的高温烟气依次经过空气预热器预热助燃空气至300~400℃，经过余热锅炉加热冷工质。烟气净化装置对污泥焚烧后产生的污染物如颗粒物、硫化物（SO₂和H₂S）进行净化处理，烟囱排放净化后的烟气。

本发明通过在污水处理厂布置太阳能制氢，副产物氧气与空气混合作为污泥焚烧的助燃气体为污泥制造富氧燃烧环境，提高入炉污泥含水率的适应性和污泥燃烧稳定性，从而减少了辅助燃料耗量，降低污水厂污泥处理运行成本的同时增加氢气售卖收入，提升了污水处理厂的综合经济效益。