本发明属于污泥处理，具体涉及一种污泥基生物炭及其制备系统和方法，更具体地涉及一种基于碳化-热解制备高性能污泥基生物炭的热电集成系统。
背景技术：
1、污泥的来源较广，在一些产业领域例如食品加工、石油炼厂，其所产污泥通常含有丰富的有机质和矿物质，具有较高的资源化前景。热解技术是指在缺氧或者无氧条件下，使碳质燃料中的有机物在一定温度下发生热裂解，释放可燃气体、热解油以及污泥基生物炭等初级产品。污泥热解可以充分发挥原料的反应性和挥发性较高的特点，实现其分质转化，是一种极具发展前景的污泥无害化、资源化综合利用手段。
2、原生污泥的含水量很高(>70wt.％)，在热解前需要对其进行机械脱水及干燥，但这些预处理工序会导致系统能耗激增；同时，湿污泥中残留的水分也会导致热解单元热负荷增加。相比于常规热解的换热式加热方式，微波加热技术利用微波电磁能激发材料中极性分子振动、摩擦，转化为内能并产热，具有选择性加热、能量效率更高的优势；通过微波热解制备的污泥基生物炭的孔隙率更高、比表面更大，更适宜被加工为高性能吸附剂或催化剂载体，可被用于去除有机物、重金属污染物等用途。然而，由于干污泥直接置于微波电磁场中时升温速率较慢，无法达到裂解反应的热动力学需求。
技术实现思路
1、本发明提供一种污泥基生物炭的制备方法、基于碳化-热解制备高性能污泥基生物炭的热电集成系统以及该系统的运行方法等方案，能够得到高性能污泥生物炭，该热电集成系统对湿污泥的转化效率高，可实现能量-热量自给；所制得的污泥基生物炭材料孔隙结构发达，可用作高性能多孔炭材料。
2、本发明的第一方面，提供一种污泥基生物炭制备方法，包括将污泥进行低温焦化，得到污泥碳物料；将所述污泥碳物料进行微波热解，得到污泥基生物炭；所述低温焦化的温度为300～450℃；所述微波热解的温度为550～700℃。
3、可选地，所述低温焦化的温度为370～410℃。
4、本发明的第二方面，提供能够实现上述的污泥基生物炭制备方法的系统，系统包括按污泥的物料流向依次连接的湿污泥脱水单元、低温焦化单元、微波热解单元；还包括燃气轮机单元和蒸汽轮机单元；所述燃机轮机单元包括依次连接的气体混合器、高压压缩机、燃气轮机燃烧室以及燃气涡轮机；所述蒸汽轮机单元包括余热锅炉、高压汽轮机、中压低压汽轮机；所述低温焦化单元和微波热解单元的尾气排放口与所述气体混合器连接，所述气体混合器设有空气入口和混合气出口，所述混合气出口通过高压压缩机与所述燃气轮机燃烧室的入口连通；燃气轮机燃烧室的烟气出口与所述燃气涡轮机的入口连通，燃气涡轮机的尾气通过分流阀分别与余热锅炉的入口和低温焦化单元的气体热载体入口连通；所述余热锅炉的水蒸气出口与高压汽轮机的入口连通，余热锅炉的尾气出口与低温焦化单元的气体热载体入口连通；所述中压低压汽轮机以及燃气涡轮机的电力输出端与系统内各用电单元电性连接。
5、可选地，所述湿污泥脱水单元包括过滤器、压滤器以及澄清池，过滤器的污泥入口通入待处理的湿污泥，过滤器和压滤器的滤液出口均与澄清池的入口连接，澄清池的上清液出口通过高压泵机与所述余热锅炉的工质水入口连接；所述用电单元包括湿污泥脱水单元、高压压缩机以及压滤器。
6、可选地，所述低温焦化单元的污泥碳物料出口通过管式螺旋输送机与微波热解单元的物料入口连通；所述低温焦化单元的尾气出口与所述管式螺旋输送机的吹扫气体入口连接；所述低温焦化单元包括立式固定床焦化装置，装置内设有干污泥料层，所述尾气出口设置于装置顶端，所述气体热载体入口设置于装置下端，位于干污泥料层的下方；所述干污泥料层的床层高度≤1.8m。
7、可选地，所述微波热解装置为螺旋式连续反应装置；所述微波热解装置的微波频率为2.45ghz，功率可连续调节，调节范围为0.5～2.9kw。
8、本发明的第三方面，提供上述系统的运行方法，包括将待处理的湿污泥通入湿污泥脱水单元，脱水后的污泥含水率≤20％wt.％，将其通入低温焦化单元中；低温焦化单元内设有干污泥物料层，余热锅炉和/或燃气涡轮机的尾气作为气体热载体从气体热载体入口通入低温焦化单元，自下而上经过干污泥料层，流速为0.35～0.60m/s，干污泥料层的焦化温度控制在370～410℃，焦化时间为20min，焦化后的污泥碳物料通入微波热解单元；在微波热解单元中，污泥碳物料的热解过程在惰性气氛下运行，热解反应设定温度为550～700℃，达到设定温度后，恒温反应60min，恒温功率为400～600w；热解后得到污泥基生物炭。
9、可选地，低温焦化单元和微波热解单元的尾气通入气体混合器中，与空气混合后通入燃气轮机燃烧室中补燃；所述气体混合器腔室采用隔热设置，温度控制在380℃以上；低温焦化单元的尾气在气体混合器的平均停留时间≤30s。
10、可选地，燃气轮机燃烧室的温度为1300～1560℃，过量空气系数范围为1.2～1.5。
11、可选地，自余热锅炉排出的尾气为中温驰放气，其中65～75vo1.％的中温驰放气作为气体热载体通入低温焦化单元，其温度范围为550～600℃。
12、可选地，在燃气涡轮机产生的尾气为高温驰放气，其在压力降低后进入分流阀，通过所述分流阀将所述高温驰放气的66.7vo1.％通入余热锅炉，其余部分低温焦化单元，用作低温焦化单元的气体热载体；所述余热锅炉的排烟温度为150～180℃。
13、本发明的第三方面，提供上述的污泥基生物炭制备方法、上述的系统或上述的运行方法所制备得到的污泥基生物炭。
14、本发明的第四方面，提供上述的污泥基生物炭在电化学电极材料、催化剂载体或吸附剂制备中的应用。
15、本发明形成了低温焦化处理-微波热解的污泥基生物炭制备方法，先低温碳化处理污泥，再通过微波加热方式热解、碳化污泥，所制得的污泥基生物炭材料孔隙结构发达，可作为高性能多孔炭材料，应用于电化学电极材料、吸附材料或催化剂载体等领域。而本发明的实现上述工艺的热电集成系统则原位综合利用污泥热解气为污泥热解碳化过程稳定地提供电力能量，并实现能量的梯级利用，减少外部额外能量的消耗。系统实现了对湿污泥的高转化效率，整个系统可实现能量-热量自给，提高了污泥热解碳化系统的经济效益。
1.一种污泥基生物炭制备方法，其特征在于，包括将污泥进行低温焦化，得到污泥碳物料；将所述污泥碳物料进行微波热解，得到污泥基生物炭；所述低温焦化的温度为300～450℃；所述微波热解的温度为550～700℃。
2.根据权利要求1所述的污泥基生物炭制备方法，其特征在于，所述低温焦化的温度为370～410℃。
3.能实现权利要求1所述的污泥基生物炭制备方法的系统，其特征在于，包括按污泥的物料流向依次连接的湿污泥脱水单元、低温焦化单元、微波热解单元；还包括燃气轮机单元和蒸汽轮机单元；
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述湿污泥脱水单元包括过滤器、压滤器以及澄清池，过滤器的污泥入口连通待处理的湿污泥，过滤器和压滤器的滤液出口均与澄清池的入口连接，澄清池的上清液出口通过高压泵机与所述余热锅炉的工质水入口连接；所述用电单元包括湿污泥脱水单元、高压压缩机以及压滤器。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述低温焦化单元的污泥碳物料出口通过管式螺旋输送机与微波热解单元的物料入口连通；
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述微波热解装置为螺旋式连续反应装置；所述微波热解装置的微波频率为2.45ghz，功率可连续调节，调节范围为0.5～2.9kw。
7.权利要求3-6任一所述的系统的运行方法，其特征在于，将待处理的湿污泥通入湿污泥脱水单元，使脱水后的污泥含水率≤20％wt.％，后将其通入低温焦化单元；低温焦化单元内设有干污泥物料层，余热锅炉和/或燃气涡轮机的尾气作为气体热载体从气体热载体入口通入低温焦化单元，自下而上经过干污泥料层，流速为0.35～0.60m/s，干污泥料层的焦化温度控制在370～410℃，焦化时间为20min，焦化后的污泥碳物料通入微波热解单元；在微波热解单元中，污泥碳物料的热解过程在惰性气氛下运行，热解反应设定温度为550～700℃，达到设定温度后，恒温反应60min，恒温功率为400～600w；热解后得到污泥基生物炭。
8.根据权利要求7所述的运行方法，其特征在于，低温焦化单元和微波热解单元的尾气通入气体混合器中，与空气混合后通入燃气轮机燃烧室中补燃；所述气体混合器腔室温度控制在380℃以上；低温焦化单元的尾气在气体混合器的平均停留时间≤30s；
9.权利要求1或2所述的污泥基生物炭制备方法、权利要求3-6任一所述的系统或权利要求7或8所述的运行方法制备得到的污泥基生物炭。
10.权利要求9所述的污泥基生物炭在电化学电极材料、催化剂载体或吸附剂制备中的应用。
