CN101723565A - 有机泥浆热氧化处理工艺方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有机泥浆热氧化处理工艺方法和系统，将有机污泥和热金属球混合，运输到氧化室燃烧，温度达到污泥充分氧化分解所需要的850-1000℃，反应的结果产生为烟气和灰尘，该烟气和灰尘热量的60％还可以继续用于下一循环的钢球与污泥的重新加热反应，烟尘气体中含有COV，多氯代二苯并二恶英，多氯代二苯并呋喃在二恶英收集净化罐中被吸收溶解于油质溶剂里，净化处理后的气体的温度是22℃，向大气排放从而减少温室气体排放和降低能源消耗。

Description

有机泥浆热氧化处理工艺方法和系统

技术领域

本发明涉及污泥(包括污水处理厂产生的有机污泥)就地焚烧分解处理技术工艺和设备系统，特别涉及一种有机泥浆热氧化处理工艺方法和系统。

背景技术

众所周知，在全球范围内污水处理所产生的大量污泥处理难的现实问题是非常普遍的，关于这方面的论述是非常多的，在此就不一一列举了，只要在互联网上输入“污泥”这个词，就会得到关于它对环境和健康造成影响的众多的信息。

世界各国都针对这一难题开展了大量的工作：瑞士采用收集污泥集中处理的方式，应用专用装备解决了污泥的焚烧处理问题，但集中收集过程还是存在装载、运输带来的运输车辆需要石油所产生的废气排放问题。

欧洲其他国家如法国就采用了多套处理污泥的方法：有的是将污泥经过热净化(加热或堆肥)或化学净化(用生石灰)再施肥到农田中；有的先将污泥晒干，然后再施肥到农田中；有的将污泥晒干后焚烧或直接焚烧；还有的先用生石灰处理污泥，然后密封储藏。但是所有这些方法都是将污泥从产地收集到处理地，从而增加了运输过程中汽车尾气的排放量，产生温室效应。常规污泥干燥热处理有两种方式：1)经过焚烧加热干燥。2)使用生石灰加热干燥(化学方式)。但是，这两种方式都涉及到运输问题，即污泥产生地点和处理地点之间的运输，这种集中处理方式就会再次产生使用石油后的二氧化碳气体排放。所以为水处理厂污泥就地处理找到一个又环保又经济的解决方式就显得十分重要。

关于污泥就地焚烧分解处理的资料和文献很少，所知只有少数几个很大的污水处理站有污泥焚烧设施，一般采用的技术手段是混合垃圾焚烧。如我们知道的法国专利No.FR 0311957使用的是钢球和污泥的热氧化交换技术，热氧化的温度介于350℃至395℃之间，没有达到充分分解所需要的850℃高温，也不能满足一公斤的污泥和三十公斤的钢球混合时所需在145至165℃之间的交换处理温度的要求。这也不能满足获取热空气喷射燃烧时所需要的易燃干燥物质充分燃烧的温度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种有机泥浆热氧化处理工艺方法和系统，达到污泥充分氧化分解所需要的850-1000℃高温，并充分利用余热进行循环，满足污泥和金属钢球混合时所需交换处理温度的要求，满足获取热空气喷射燃烧时所需要的易燃干燥物质充分氧化的温度，减少温室气体排放和降低能源消耗。

具体地讲，本发明公开了一种有机泥浆热氧化处理工艺方法，包括如下步骤：

步骤1，将有机污泥和热金属球按重量比1∶100混合，温度控制在190℃到220℃，掺混时间控制在150秒，钢球的温度就会下降到90℃，在其后的60秒内继续掺混的过程；

步骤2，钢球被分流运输到氧化室燃烧，氧化室温度在850-1000℃，其中有两秒钟的送热风的时间，反应的结果产生为烟气和灰尘，该烟气和灰尘热量的60％还可以继续用于下一循环的钢球与污泥的重新加热反应；

步骤3，剩余热量用于干燥室的加热，这时烟尘和水汽混合在一起的气温达到140℃，含有水汽的烟尘被引向集烟室，在集烟室温度降到20℃，水份被冷凝分离出来，其余烟尘气体中还含有COV，多氯代二苯并二恶英，多氯代二苯并呋喃，它们将在二恶英收集净化罐中被吸收溶解于20℃的油质溶剂里，净化处理后的气体的温度是22℃，向大气排放。

所述步骤1中，

在掺混时间150秒内，钢球的温度就会下降到90℃，在这个过程中15％的水蒸发掉，剩下的就是包裹在钢球上面的一层细的凝皮，在其后的60秒内化解为细小干燥颗粒，其中的干燥物质95％，干基低位热值达到18000千焦/公斤；

所述步骤2中，烟尘吹过钢球最初时的速度是14m/s，之后降至8m/s，烟气还有30％的热量可以继续使用，而其余的10％损失掉。

所述的有机泥浆热氧化处理工艺方法，有机污泥中干燥物15％，其成分为：C：49％，H：7％，挥发物质/干基挥发份：76％。

所述的有机泥浆热氧化处理工艺方法，金属球直径在∮9～∮12mm。

所述热风中氧含量超过燃烧室内空气的8％～10％。

本发明还公开了一种有机泥浆热氧化处理系统，包括机械设备、电气控制、加热设备，所述机械设备包括：

离心分离机，用于将水和污泥通过离心作用分离出来；

混合器，用于有机污泥和钢球的混合，包括六层有五条带棘刺的旋转器，

筛分器，位于混合器的底部，用于分离钢球和干燥颗粒；

收集罐，位于筛分器的下部的一个封闭的用于收集干燥颗粒的收集罐；

污泥热氧化反应器，用于污泥进行氧化；

烟尘旋分器，用于将烟气和烟尘进行分离；

混合冷凝器，潮湿烟尘和冷水形成对流，它是在穿过冷凝器内的填充物形成的对流；

气体最终净化系统，用于使用油质液体与气体通过填充物的体表进行交流，去除有害气体；

所述加热设备包括：金属钢球热交换器，用于对钢球进行加热。

述混合器底部设置有泄水口，用于排出水份和潮湿的烟尘。

所述混合器的高温金属球入口是设在顶部采用一种障碍桩的方式，入口底部有一扇可开闭的活门装置。

所述混合器顶部还有一个通风开口，允许进入前面所提到的30％的热风。

所述筛分器的倾斜角度是30度，筛分器的栅格宽度是5mm到8mm，长度最少是不超过三个钢球的直径，为了防止钢球阻塞粉尘的通过，栅格的形状是长方形的。

所述收集器的底部有一个蜗杆式的传输器，传输器包裹着双层的水冷却套，用于冷却干燥粉尘。

所述污泥热氧化反应器中，采用的是天然气或流体燃料，在把污泥干燥颗粒喷射之前热氧化反应器先预热到850-1000℃。

所述加热设备包括喷射器总成，设在初次送风的入口处。

本发明的污泥焚烧分解处理方法优势明显，从减少温室气体排放和降低能源消耗两方面都显示出它的优势。

联合国环境项目气象评估组织GIEC、法国大气污染技术中心(CITEPA，75010巴黎)、ACV、PRG等组织机构的研究结果得出表明，根据对10万人口的污水处理厂污泥处理的不同处理模式，计算得出其温室气体排放的参数：

处理模式	二氧化碳排放量(吨/年)
		01化学热处理方式	45900
02堆肥处理方式(发酵)	146620
		03加热干燥处理方式	47750
04太阳能干燥处理方式	55920
		05混合垃圾焚烧处理方式	50700
06有机泥浆热氧化工艺(本发明)	650

同样，基于十万人口的城市污水处理厂在处理污泥过程中使用石油消耗量统计如下：

处理模式	石油消耗量(吨/年)
		01化学热处理方式	205
02堆肥处理方式(发酵)	123
		03加热干燥处理方式	795
04太阳能干燥处理方式	12
		05混合垃圾焚烧处理方式	157
06有机泥浆热氧化工艺(本发明)	12

附图说明

图1为本发明的工艺处理流程示意图；

图2为本发明的系统设备示意图。

具体实施方式

本发明的工艺流程和设备，可以就地进行有机污泥热氧化分解处理，主要流程为脱水、热氧化反应、烟尘净化。

污水处理厂的污泥一般为含水量约为85％，干物质含量约为15％，干物质中有机挥发物质和干基挥发份约占76％，该有机物质其成分为：碳C：49％，氢H：7％。

本发明工艺流程方法特点，参照图1、图2：

0.5％-2％的污泥泥浆经过离心分离机1，水和污泥通过离心作用可以分离出水和15％-15％的污泥，将每一公斤污泥与金属球干燥系统(混合器)2中每一百公斤温度为100℃-180℃的金属钢球两者混合，钢球直径在∮9～∮12mm，温度控制在190度到220度，掺混时间控制在150秒，钢球的温度就会下降到90度，在这个过程中15％的水蒸发掉，剩下的就是包裹在钢球上面的一层细的凝皮，在其后的60秒内继续掺混的过程化解为细小干燥颗粒，其中的干燥物质95％，干基低位热值达到18000千焦/公斤。

而经过筛分器3，分离出干污泥和金属球，约100℃的金属球被分流运输到金属球热交换器9中，重新进行加热。而干污泥通过冷却传送器4送至干污泥氧化罐5，经过处理后，干污泥进入污泥热反应器6，污泥热反应器6中送有热风和液体或者气体燃料。

污泥在污泥热反应器6中的氧化室进行氧化，氧化室温度在850℃-1000℃，在此过程中有两秒钟的时间送热风。热风中，氧含量超过燃烧室内空气的8％～10％，反应的结果产生为约900℃烟气和烟尘。该烟气和烟尘送到烟尘旋分器7，分离出烟气和烟尘，该烟气热量的60％送入金属球热交换器9，还可以继续用于下一循环的钢球与污泥的重新加热金属球。烟气吹过钢球最初时的速度是14m/s，之后降至8m/s，烟气还剩有30％的热量可以继续到金属球干燥系统2使用，剩下的10％就损失掉了。

经过烟尘旋分器7后的烟尘以及从污泥热反应器6中出来的烟尘，经过冷却传送器8排出，用于混凝土或者公路使用的沥青等。

上述30％的热量约400℃的烟气还可以用于金属球干燥系统2的加热，从金属球干燥系统2出来的气温达到了110-140℃的烟尘和水汽混合在一起，被引向集烟室(混合冷凝器)10，进行混合冷凝。在集烟室温度降到20-25℃，水份被冷凝分离出来，其余烟尘气体中还含有有机碳挥发份，多氯代二苯并二恶英(PCDD)，多氯代二苯并呋喃(PCDF)等等，它们将在二恶英收集净化罐12中被吸收溶解于20℃的油质双环氧乙烷(dioxine)溶剂11里，净化处理后的气体的温度为22℃左右，可以达到国际二氧化碳等排放标准要求向大气排放。

整个的处理工艺流程从开始的有机污泥与钢球的混合，到最终对烟气和烟尘的清洗都控制在3500帕的大气压力环境条件下。在这种正压条件下，工艺流程适用于固体物质(干物质)含量15％有机污泥成分的处理。

试验证明在工作温度105℃的干燥箱试验条件下，处理出的灰粉干基低热值在18000千焦/秒，这一试验和用含有95％干物质的污泥在同等温度(105℃)进行处理的结果一致。这些参数是跟据上述干物质试验和实践，如污泥干物质含量降低，烟粉尘本身带有的能量将会降低，需要添加额外热能保证系统恒温持续运行。试验结果证明工艺流程可以适用于工业开发。

本发明的工艺流程所采用的处理系统设备主要由机械设备、电气控制、加热设备等组成：

用于有机污泥和金属钢球的金属球干燥系统混合器2，包括：六层有五条带棘刺的旋转器，旋转器之间的距离是金属钢球直径的5到10倍，棘刺之间的距离是钢珠直径的10到12倍，每个棘刺与相邻旋转器上的棘刺错开，棘刺的长度比两个旋转器之间的间隔短5毫米。旋转的速度根据使用电机的不同而不同，这个旋转的速度取决于对调整钢球通过的时间和喂入泥浆流量。

污泥或泥浆是从混合器2上部注入，随高温金属球(190℃)同时注入泥浆时，需要用2套封闭的20℃的冷水系统进行冷却。

混合器2的高温球入口是设在顶部采用一种障碍桩的方式，入口底部有一扇可开闭的活门装置。混合器顶部还有一个通风开口，允许进入前面所提到的30％热量的热风。通风开口的大小根据通风量的大小来决定，通风量达到10m/s到12m/s。

泄水口设在混合器底部的一米处，排出水份和潮湿的烟尘，排水口的口径根据0.4m/s至0.5m/s的排出水份和烟尘来计算，防止干燥颗粒随潮湿烟尘和水份一同排出。

混合器2底部是钢球和干燥颗粒的筛分器3，筛分器的倾斜角度是30度，筛分器的栅栏呈长方形，宽度是5mm到8mm，长度至少是超过钢球直径的3倍，为了防止钢球卡在栅栏里。

在筛分器3的底部有一个出口是为了排出钢球，这个出口和金属钢球热交换器9相连接，把钢球运输到给钢球加热的系统。

在筛分器3的下部是一个封闭的干燥颗粒收集罐5，收集罐5的底部有一个蜗杆式的传输器4，传输器包裹着双层的水冷却套，目的是冷却干燥粉尘，因为在进入粉尘收集箱之前的温度不能超过25℃。

另外，还有一个保温装置：在粉尘收集箱的底部，它是由双蜗杆系统组成。

从粉尘收集器里的粉尘采用鼓风机41吹到泥浆热反应器6，一个立方米的空气配比一公斤干燥的污泥粉尘进入泥浆热反应器6。

热风喷射器由双层水冷却系统包裹着，水温是20度，冷却的目的是防止干燥颗粒物在喷射器内碳化。喷射器的口径要根据15m/s到20m/s的喷射速度来设计喷射器的口径。喷射器设置在一个由三把喷头组成的三角中央，燃料是气体或液体，目的是在喷射干燥颗粒之前将泥浆热氧化反应器6预热到850-1000℃，以及将室温保持在这个水平，因为随干燥颗粒进入泥浆热氧化反应器6将使温度下降。整套喷射器及燃烧系统被安置在热氧化反应器初次送风的入口处。

喷射器总成包括：燃烧器设在初次送风的入口处，热氧化反应器是设计为垂直的圆锥体形，其上部的系统如前所述，初次送风口送风量的计算参考我们前面所提到的，目的是不让混合器里的氧气量过多，否则会引起化学反应。双层的热氧化反应器的好处是让初次送风通过它时可预先加热，它的进风量计算是10m/s到11m/s，初次送风余热的好处是进入热氧化反应器的氧气充分氧化所产生的涡轮式火焰效应，它使干燥颗粒与火焰接触的时间尽可能长充分氧化最后只剩下不可氧化的矿物质。同时，由于离心力的作用把矿物质和烟尘区分开，烟尘由燃烧器顶部的出口排放出来，它的排出速度是12m/s到15m/s，灰烬从热氧化反应器底部排出使用的是双层水冷式螺旋传送器。冷却的目的是在做水泥或储藏这些烟尘时降低它的温度。

烟尘旋分器7也是圆锥体的，用于将烟气和烟尘进行分离；它接收烟尘入口大小，根据12m/s到15m/s的速度设计，也使用的是双层水冷式螺旋输送器。在它的顶部是排烟口(已除粉尘)它的大小是根据10m/s到12m/s的速度来设计。

金属钢球热交换器9，也称为固体和气体的热交换系统，是设计为垂直的圆柱体，烟尘穿透钢球群体的速度是按14m/s到8m/s这个速度来设计。即烟尘开始穿透钢球群的速度是14m/s，最后的速度是8m/s。钢球群的温度，是按180℃到220℃(平均为190℃)的钢球输出温度来设计的。

钢球的温度根据前面提到的工艺流程来计算，热交换器顶部装备有平行的无尘烟进口，这些无尘烟是从圆锥体的筛分器3导入的，入口大小根据10m/s到12m/s无尘进入的速度来计算，该系统上部的中央位置是导入钢球的入口，导入来自混合器的钢球的入口，采用了和混合器一样的挡板。系统的内部有钢球和烟尘的排出口，这个钢球排出是和混合器的一样，也是系统的底部倾斜30度。烟尘通过栅格被重新收集循环输送到混合器，这个过程在前面已经有所描述，该系统机械输送系统的好处是：在封闭管道内同时输送钢球和烟尘到混合器里，温度不会受散失下降。

混合冷凝器称为潮湿烟尘清洗系统，潮湿烟尘和20℃的冷水形成对流，它是在穿过冷凝器内的填充物形成的对流，优点1：冷凝水可以聚集在处理池里，优点2：烟气凝结的水可以重新输送到污水处理站，潮湿烟气的进口和气体的出口设计为10m/s的平均速度。

通过最终的气体净化系统前，还含有有机碳挥发份，COV，多氯代二苯并二恶英(PCDD)，多氯代二苯并呋喃(PCDF)等残留物。气体最终净化系统是使用20℃的油质液体与气体通过填充物的体表进行交流。系统循环的油质液体用量计算根据最少保证两万个小时的运行需要得出数据，去除上述有害气体，经过净化的气体向大气排放要符合当地的标准要求。

除了850-1000℃的部件使用了耐高温奥氏体合金，整体装备均采用不锈钢合金制成.

系统设备的设计、加工、防护等都需要具有热动力学、热化学理论、金属材料、机械、电气控制等方面的专业知识支持开展工作。

整套装备符合工业标准。它的流量，压力，温度的设计匹配，尤其符合无公害工业和城市垃圾的热处理等环保要求。

全套设备应遵循相关环境保护等法律法规，对处理全程进行固体、液体、气体的全面监测。

整套系统装备的安装运行仅限专业人士经培训后，方可从事全套设备的运行管理工作。

Claims (13)

1.一种有机泥浆热氧化处理工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将有机污泥和热金属球按重量比1∶100混合，温度控制在190℃到220℃，掺混时间控制在150秒，钢球的温度就会下降到90℃，在其后的60秒内继续掺混的过程；

步骤2，钢球被分流运输到氧化室燃烧，氧化室温度在850-1000℃，其中有两秒钟的送热风的时间，反应的结果产生为烟气和灰尘，该烟气和灰尘热量的60％还可以继续用于下一循环的钢球与污泥的重新加热反应；

步骤3，剩余热量用于干燥室的加热，这时烟尘和水汽混合在一起的气温达到140℃，含有水汽的烟尘被引向集烟室，在集烟室温度降到20℃，水份被冷凝分离出来，其余烟尘气体中还含有COV，多氯代二苯并二恶英，多氯代二苯并呋喃，它们将在二恶英收集净化罐中被吸收溶解于20℃的油质溶剂里，净化处理后的气体的温度是22℃，向大气排放。

2.如权利要求1所述的有机泥浆热氧化处理工艺方法，其特征在于，所述步骤1中，

在掺混时间150秒内，钢球的温度就会下降到90℃，在这个过程中15％的水蒸发掉，剩下的就是包裹在钢球上面的一层细的凝皮，在其后的60秒内化解为细小干燥颗粒，其中的干燥物质95％，干基低位热值达到18000千焦/公斤；

所述步骤2中，烟尘吹过钢球最初时的速度是14m/s，之后降至8m/s，烟气还有30％的热量可以继续使用，而其余的10％损失掉。

3.如权利要求1所述的有机泥浆热氧化处理工艺方法，其特征在于，有机污泥中干燥物15％，其成分为：C：49％，H：7％，挥发物质/干基挥发份：76％。

4.如权利要求1所述的有机泥浆热氧化处理工艺方法，其特征在于，金属球直径在∮9～∮12mm。

5.如权利要求1所述的有机泥浆热氧化处理工艺方法，其特征在于，所述热风中氧含量超过燃烧室内空气的8％～10％。

6.一种有机泥浆热氧化处理系统，包括机械设备、电气控制、加热设备，其特征在于，所述机械设备包括：

离心分离机，用于将水和污泥通过离心作用分离出来；

混合器，用于有机污泥和钢球的混合，包括六层有五条带棘刺的旋转器，

筛分器，位于混合器的底部，用于分离钢球和干燥颗粒；

收集罐，位于筛分器的下部的一个封闭的用于收集干燥颗粒的收集罐；

污泥热氧化反应器，用于污泥进行氧化；

烟尘旋分器，用于将烟气和烟尘进行分离；

混合冷凝器，潮湿烟尘和冷水形成对流，它是在穿过冷凝器内的填充物形成的对流；

气体最终净化系统，用于使用油质液体与气体通过填充物的体表进行交流，去除有害气体；

所述加热设备包括：金属钢球热交换器，用于对钢球进行加热。

7.如权利要求6所述的有机泥浆热氧化处理系统，其特征在于，所述混合器底部设置有泄水口，用于排出水份和潮湿的烟尘。

8.如权利要求6所述的有机泥浆热氧化处理系统，其特征在于，所述混合器的高温金属球入口是设在顶部采用一种障碍桩的方式，入口底部有一扇可开闭的活门装置。

9.如权利要求6所述的有机泥浆热氧化处理系统，其特征在于，所述混合器顶部还有一个通风开口，允许进入前面所提到的30％的热风。

10.如权利要求6所述的有机泥浆热氧化处理系统，其特征在于，所述筛分器的倾斜角度是30度，筛分器的栅格宽度是5mm到8mm，长度最少是不超过三个钢球的直径，为了防止钢球阻塞粉尘的通过，栅格的形状是长方形的。

11.如权利要求10所述的有机泥浆热氧化处理系统，其特征在于，所述收集器的底部有一个蜗杆式的传输器，传输器包裹着双层的水冷却套，用于冷却干燥粉尘。

12.如权利要求6所述的有机泥浆热氧化处理系统，其特征在于，所述污泥热氧化反应器中，采用的是天然气或流体燃料，在把污泥干燥颗粒喷射之前热氧化反应器先预热到850-1000℃。

13.如权利要求12所述的有机泥浆热氧化处理系统，其特征在于，所述加热设备包括喷射器总成，设在初次送风的入口处。

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