CN102718377A - 一种城市污泥除砂消毒预处理的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种针对含砂量较高（含固率为8%~30%）的城市污泥进行除砂消毒预处理的装置和方法。所述装置包括预热催化水解反应器、水热除砂消毒反应釜、熟料热交换系统和蒸汽回收利用系统。利用所述预热催化水解反应器能够实现物料的预处理，显著降低物料的粘度，促使物料中有机质水解，同时使污泥与微砂容易分离。为提高系统能源利用效率，所述预热催化水解反应器所需的热源均由后续水热除砂消毒反应釜的能量回收而得。本发明方法不再需要常规热水解工艺所需的闪蒸工序，即可使有机质实现高效的水解转化。本发明方法能够用来改善物料的流动性、脱水、脱砂性能和后续厌氧消化性能，从而可作于脱水干化或厌氧消化工艺的预处理系统。

Description

一种城市污泥除砂消毒预处理的装置与方法

技术领域

本发明涉及废物处理的装置和方法，尤其涉及一种针对高含固城市污泥进行除砂与消毒的预处理的装置与方法，用于提高处理后有机质物料的流动性、降低污泥含砂量及实现污泥无害化。

背景技术

随着城市化的加速发展，对于城市污泥，包括生活有机质废弃物的处理量急剧增加。基于生态环境可持续发展的理念，如何有效地对城市污泥进行有效的整合和处理成了城市发展中迫切需要解决的问题。

针对城市污泥的处理，目前已有许多不同的技术手段。例如，在专利文献200610003898.3中记载了将有机质垃圾废弃物无害化、资源化、减量化治理的方法，，其中涉及以热解的方法，使有机质在高温条件下发生裂解反应，分解成可燃性气体，从而制备生物燃气。

专利文献201110319357.2披露了一种污泥厌氧消化设施的除砂装置，由进泥、搅拌、出泥、污泥除砂装置和回流装置组成。湿式厌氧消化反应器内底部通过管道和污泥泵连接螺旋除砂装置，利用厌氧消化促使有机质与砂分离，并在搅拌作用下除去污泥中含有的砂，减少对机器的损耗。

另外，专利文献200910082152.X提供了一种利用微波碱热水解改善污泥厌氧消化性能的方法，该方法针对含固率为7%~10%的城市污泥，经过加碱处理后，将碱化污泥置于高压容器中，在频率为2450MHz的微波场中加热，从而加快污泥中有机质的溶出，提高污泥后续的厌氧消化性能。

还有，专利文献201010247557.7披露了一种污泥管式热水解处理方法及其装置，该发明提供了一种污泥管式热水解处理方法及其装置，其中，污泥在封闭管道中通过加入中压蒸汽，加热至210-250℃，反应时间10-20min。热水解处理后使污泥达到减量化的预处理目标。

中国城市污泥含砂量普遍较高，导致厌氧消化等后续处理设施磨损失效的问题，有待开发出针对高含固城市污泥进行有效处理、能够提高处理后污泥的流动性和厌氧消化性能、降低污泥含砂量并实现污泥无害化的装置和方法。

发明内容

本发明提供一种可实现高含固城市污泥（含固率为8%~30%）除砂消毒预处理的装置与方法，旨在促使污泥中包裹的微砂与污泥有机质有效分离，实现污泥消毒，明显改善物料的流动性、脱水性能与厌氧消化性能，可作为深度脱水+干化工艺或厌氧消化工艺的预处理系统。

在一方面，本发明提供了用于城市污泥除砂消毒预处理的装置。所述装置包括预热催化水解反应器、水热除砂消毒反应釜、蒸汽回收利用系统和熟料热交换系统，其中所述预热催化水解反应器用来对所述物料进行预热及催化水解预处理，所述水热除砂消毒反应釜用来对经过预处理的物料进行高温高压条件下的反应以达到所述物料中砂与污泥有机质的分离并实现污泥的消毒处理，所述蒸汽回收利用系统用来对所述水热除砂消毒反应釜中的蒸汽热能进行回收以用于所述预热催化水解反应器，而所述熟料热交换系统用来从所述水热除砂消毒反应釜中排出的高温熟料中回收余热。

预热催化水解反应器具有包括三方面的主要功能：（1）实现高含固含砂城市污泥的预热；（2）促使大分子有机质水解为小分子有机质，使有机物与砂的结合力明显降低；（3）显著降低物料粘度，提高流动性，使后续水热除砂消毒反应釜内物料易于采用蒸汽搅拌，并促进泥砂分离。

另一方面，本发明提供了城市污泥除砂消毒预处理的方法。所述方法包括以下步骤：采用本发明装置的除砂消毒预处理的方法包括如下步骤：对城市污泥的物料进行预热及催化水解预处理；使经过预热和催化水解预处理的物料在水热除砂消毒反应釜中在高温高压条件下进行反应，完成砂与污泥有机质的分离，同时对污泥实现消毒处理；然后对在水热除砂消毒反应釜中经过反应的物料（称为熟料）进行泄压并出料处理。

预热催化水解反应器所需的热能来自于后续水热除砂消毒反应过程所释施的蒸汽及排放的高温熟料中所回收的余热，能量的回收利用由熟料热交换系统与蒸汽回收利用系统实现。水热除砂消毒反应过程，利用较高的温度和压力条件下，使有机物实现较完全的水解，水解的同时使污泥中的微砂与有机质有效分离，并显著提高物料的厌氧消化性能和脱水性能，使处理后的物料易于厌氧消化产能或深度脱水干化处理。

本发明的装置和处理方法具有包括下述的特点：

1.采用预热催化水解反应器实现物料的预处理，显著降低物料的粘度，使有机质与微砂粘合度明显下降，同时使物料中脂类等大分子物质水解成较小的有机物分子；

2.本发明特别设计了系统能量最优化的布置方式，预热催化水解反应器所需的热源均由后续水热除砂消毒反应釜的能量回收而得，使得系统能源利用效率显著提高；

3.本发明方法不再需要常规热水解技术所需的闪蒸工序，即可使有机质实现高效的水解转化，并使有机物与砂有效分离。本发明方法可作为脱水干化或厌氧消化工艺的预处理系统，改善了污泥脱砂、流动性能和后续厌氧消化性能；

4.本方法可实现高含固含砂污泥的连续处理，可实现连续进料与出料操作，便于自动化操作，设备占地少，易于实现装备化和自动化操作，操作安全性可靠性高，适合于不同规模的城市污泥处理工程应用。

附图说明

图1是根据本发明的一种实施方式进行城市污泥除砂消毒预处理的装置及流程示意图

图2是根据本发明的一种具体实施方式进行城市污泥除砂消毒预处理的装置及方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步的说明和描述。

在本发明的实施方式中，如图1所示，本发明用于城市污泥除砂消毒预处理的装置包括预热催化水解反应器100、水热除砂消毒反应釜200、蒸汽回收利用系统300和熟料热交换系统400，其中所述预热催化水解反应器100用来对所述物料进行预热及催化水解预处理，所述水热除砂消毒反应釜200用来对经过预处理的物料进行高温高压条件下的反应以达到所述物料中砂与污泥有机质的分离并实现污泥的消毒处理，所述蒸汽回收利用系统300用来对所述水热除砂消毒反应釜200中的蒸汽热能进行回收并以用于所述预热催化水解反应器100，而所述熟料热交换系统400用来从所述水热除砂消毒反应釜200排出的高温熟料中回收余热。

在本发明的一种具体实施方式中，如图2所示，本发明的装置包括：预热催化水解反应器100，其带有进料槽110、设置在预热催化水解反应器100内对物料进行搅拌的搅拌器120、热（碱）水进口130、过热蒸汽进口140以及设置于所述预热催化水解反应器100内为反应物料提供保温作用的水热保温夹套150；水热除砂消毒反应釜200，其带有水热反应釜进料阀210、熟料出料口220、蒸汽进口230以及蒸汽截留阀240，其中水热反应釜进料阀210与预热催化水解反应器100连接，而蒸汽截留阀240通过单向阀250与预热催化水解反应器100的过热蒸汽进口140连接；热（碱）水箱310，其中热（碱）水箱310的入口通过单向阀260与水热除砂消毒反应釜200的饱和蒸汽截留阀240连接，而热（碱）水箱310的出口与预热催化水解反应器100的热（碱）水进口130连接；以及用于熟料热交换的热交换器410，其配置于水热除砂消毒反应釜200的熟料出料口220，其中热交换器410的出口和入口分别与预热催化水解反应器100的水热保温夹套150流体连通，使得对水热除砂消毒反应釜200的出料进行冷却而被加热的循环水用于预热催化水解反应器100的进行水热保温。

在一种优选的具体实施方式中，水热除砂消毒反应釜200具有将通过蒸汽进口230引入的蒸汽进一步导入水热除砂消毒反应釜200中反应物料的蒸汽喷口270。其中根据需要可设置经过导管连通的多个的蒸汽喷口270。

根据另外的优选实施方式，水热除砂消毒反应釜200内在物料层的上方还可设置防喷溅罩280。与防喷溅罩280配合，还可设置相应的防溅板。

根据另外的优选实施方式，设置在预热催化水解反应器100中的搅拌器120为螺旋搅拌器，比如单螺旋、双螺旋或浆叶式机械搅拌浆，而螺旋搅拌器又与驱动电机160连接。

在一种具体实施方式中，所述蒸汽回收利用系统300包括设置于所述水热除砂消毒反应釜200的蒸汽进口230和将蒸汽进一步导入所述水热除砂消毒反应釜200中反应物料的蒸汽喷口270，以及连接于所述水热除砂消毒反应釜200并与所述预热催化水解反应器100的所述过热蒸汽进口140流体连通的蒸汽截留阀240，还包括在经由所述蒸汽截留阀240使所述水热除砂消毒反应釜200分别地流通连接于所述预热催化水解反应器100和所述热（碱）水箱310，其进一步流体连通于所述预热催化水解反应器100，使得从所述水热除砂消毒反应釜200流出的饱和蒸汽通过所述蒸汽截留阀240转化为低压过热蒸汽后，一方面经过所述过热蒸汽进口140送入所述预热催化水解反应器100，另一方面通入所述热（碱）水箱310对其中有待喷入所述预热催化水解反应器100的热（碱）水进行加热。

上述将蒸汽导入所述水热除砂消毒反应釜200中反应物料的蒸汽喷口270，根据需要，可设置为经过导管连通的多个蒸汽喷口270。在蒸汽热能无法短时间内被所述物料充分吸收的情况下，可将所述水热除砂消毒反应釜200顶部蒸汽抽取加压后通过所述蒸汽喷口270喷入所述物料中，以充分将热量释放至所述物料。

另外，城市污泥在进入本发明的装置进行处理之前，也可进行初步脱水预处理（图中未示出），使得污泥物料的含固率达到8%~30%。

采用本发明装置的除砂消毒预处理的方法包括如下步骤：对城市污泥的物料在预热催化水解反应器100内进行预热及催化水解预处理；使经过预热和催化水解预处理的物料在水热除砂消毒反应釜200中高温高压条件下进行反应；然后对在在水热除砂消毒反应釜200中经过反应的物料，可称为熟料，进行泄压并出料。

根据一个具体的实施方式，在对城市污泥的物料进行的预热及催化水解预处理过程中，进一步包括首先将城市污泥的物料送入预热催化水解反应器100并在搅拌作用下与热（碱）水混合被稀释和预热以及进行初步的催化水解反应，然后加入过热蒸汽使经过初步预热和催化水解的物料进一步被加热、催化水解并完全浆化。

根据一个具体的实施方式，在水热除砂消毒反应釜200中对物料在高温高压条件下进行的反应时间为大约15~30分钟。

根据一个具体的实施方式，在对熟料进行泄压及出料处理中，为防止泄压过程中物料沸腾造成喷溅，在水热除砂消毒反应釜200内物料层上部设置防喷溅罩。泄压后的熟料温度可高达100℃，其余热可通过热交换器410进行回收。优选地，水热除砂消毒反应釜200的泄压可以较为缓慢的速度进行，例如饱和蒸汽通过蒸汽截留阀转化为低压过热蒸汽。

例如，经过对城市污泥进行初步脱水预处理后，其含固率达到8%~30%。采用泵、螺杆或铲车等方式将物料经进料槽110送入预热催化水解反应器100。预热催化水解反应器100内设置的搅拌器120为比如由电机驱动的螺旋搅拌推进器，进入预热催化水解反应器100中的物料在螺旋搅拌推进器的搅拌作用下先与由热（碱）水进口130中进入的热水混合，此处主要利用热水对含固率较高的物料进行一定的稀释，其中加入的热水量根据物料的含固率高低而定，同时对物料进行充分预热。对于含脂类、多糖、纤维素物质较高的有机质物料，需要热碱水，其中加入适量诸如NaOH的碱，以达到预热与催化水解作用从而使得污泥中包裹的微砂与污泥有机质的结合力明显降低。随着物料在搅拌作用下温度逐渐升高以及热（碱）水稀释和催化水解反应，物料的粘性可大为降低，砂与泥的分离更加容易，同时大分子有机物开始裂解为小分子的有机物，污泥中含包裹的微砂开始与有机质分离。

当物料推进至预热催化水解反应器100中部后，将由过热蒸汽进口140通过低压的（例如大约为0.2~0.4MPa）过热蒸汽（温度为大约150℃~170℃），物料将被进一步加热并完全浆化，其粘度可降低至初始值的20%以下，污泥中的微砂与有机质的结合力进一步降低。需要说明的是，为保证预热催化水解反应器100具有更好的预处理效果，并充分利用后续高温水热处理的余热，预热催化水解反应器100外部可设置水热保温夹套150，其热水来源取自对水热除砂消毒反应釜200的出料进行冷却后被加热的冷却循环水。

经过预热及催化水解预处理后，物料已被完全浆化并非常容易地使用蒸汽进行搅拌了。此时物料通过水热反应釜进料阀210进入水热除砂消毒反应釜200，由锅炉为反应釜提供所需的饱和蒸汽，并通过锅炉蒸汽进口230进入水热除砂消毒反应釜200。为保证蒸汽热能充分被有机质物料所吸收并同时利用蒸汽喷入提供充分的物料搅拌，在水热除砂消毒反应釜200内设置蒸汽喷口270，喷入蒸汽后使釜内物料在保持高温高压（130℃~170℃，0.5~1.0MPa）条件下反应约15~30分钟后，完成了砂与污泥有机质的分离（后续接离心或沉淀即可将砂除掉），同时对污泥实现了消毒处理，之后即进入泄压与出料程序。在某些情况下，蒸汽热量无法迅速被物料所吸收，反应釜顶部分积蓄蒸汽，应采用空压机将釜顶部蒸汽加压后再次送回蒸汽喷口，以促进物料与蒸汽的充分接触，提高传热效率。为防止泄压过程中物料沸腾造成喷溅，在反应釜物料层上部设置防喷溅罩280，而泄压后的熟料温度高达100℃。

为充分回收利用熟料余热，熟料从出料口220通过热交换器410后进入后续处理工序，如脱水或厌氧消化等。热水在热交换器410与预热催化水解反应器100的水热保温夹套150间流动换热，将熟料余热不断回收到初始物料的预热工序中，保证了能量的最大化回收利用。

值得说明的是，由于本发明采用了预热催化水热预处理，使得高温高压水热反应釜在完成蒸煮后无须再进行瞬间泄间的闪蒸处理（闪蒸处理往往使得设备寿命缩短并带来安全隐患）。水热除砂消毒反应釜200的泄压可以较为缓慢的速度进行，饱和蒸汽通过蒸汽截留阀240转化为低压过热蒸汽（本例为0.2~0.4MPa，150℃~170℃），同时保持蒸汽热焓不变。所得的低压过热蒸汽通过单向阀260通入热（碱）水箱310中，将所需喷入预热催化水解反应器100中的热（碱）水加热至近100℃。多余的蒸汽即通过另一单向阀250切换直接喷入到预热催化水解反应器100，以满足预热催化水解反应器100的反应要求。

以上的具体实施方式是用来对本发明技术方案的进一步描述和说明，并非用来对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员应用本发明的说明书及权利要求所做的等效结构或步骤的变化，均属于本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种用于城市污泥除砂消毒预处理的装置，其特征在于，包括：预热催化水解反应器、水热除砂消毒反应釜、熟料热交换系统和蒸汽回收利用系统，其中所述预热催化水解反应器用来对物料进行预热及催化水解预处理，所述水热除砂消毒反应釜用来对已经过所述预处理的所述物料进行高温高压条件下的反应以达到所述物料中砂与污泥有机质的分离并实现污泥的消毒处理，所述蒸汽回收利用系统用来对所述水热除砂消毒反应釜中的蒸汽热能进行回收以用于所述预热催化水解反应器，以及所述熟料热交换系统用来从所述水热除砂消毒反应釜中排出的高温熟料中回收余热。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述预热催化水解反应器配置有进料槽、设置在所述预热催化水解反应器内对物料进行搅拌的搅拌器、热（碱）水进口、过热蒸汽进口，以及设置于所述预热催化水解反应器内为反应物料提供保温作用的水热保温夹套。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述搅拌器为单螺旋、双螺旋或浆叶式机械式搅拌桨。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述水热除砂消毒反应釜包括水热反应釜进料阀、熟料出料口、蒸汽进口以及蒸汽截留阀，其中所述水热反应釜进料阀与所述预热催化水解反应器连接，而所述蒸汽截留阀通过单向阀与所述预热催化水解反应器的所述过热蒸汽进口连接。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述熟料热交换系统包括热交换器，所述热交换器被设置于所述水热除砂消毒反应釜的所述熟料出料口处，其中所述热交换器的出口和入口分别与所述预热催化水解反应器的所述水热保温夹套流体连通，使得对所述水热除砂消毒反应釜的出料进行冷却后而被加热的循环水能够用于对所述预热催化水解反应器的保温。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述蒸汽回收利用系统包括设置于所述水热除砂消毒反应釜的蒸汽进口和将蒸汽进一步导入所述水热除砂消毒反应釜中反应物料的蒸汽喷口，以及连接于所述水热除砂消毒反应釜并与所述预热催化水解反应器的所述过热蒸汽进口流体连通的所述蒸汽截留阀，还包括在经由所述蒸汽截留阀使所述水热除砂消毒反应釜分别地流通连接于所述预热催化水解反应器和所述热（碱）水箱，其进一步流体连通于所述预热催化水解反应器，使得从所述水热除砂消毒反应釜流出的饱和蒸汽通过所述蒸汽截留阀转化为低压过热蒸汽后，一方面经过所述过热蒸汽进口被送入所述预热催化水解反应器对所述物料进行预热，另一方面通入所述热（碱）水箱对其中有待喷入所述预热催化水解反应器的热（碱）水进行加热。

7.根据权利要求6所述的装置，其中包括多个的所述蒸汽喷口，其设置为，在蒸汽热能无法短时间内被所述物料充分吸收的情况下，可将所述水热除砂消毒反应釜顶部蒸汽抽取加压后通过所述蒸汽喷口喷入所述物料中，以充分将热量释放至所述物料。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述水热除砂消毒反应釜内设有用来防止物料沸腾造成喷溅的防喷溅罩。

9.一种用于城市污泥除砂消毒预处理的方法，其特征在于，包括如下步骤：对城市污泥的物料进行预热及催化水解预处理；使经过所述预热和催化水解预处理的物料在水热除砂消毒反应釜中在高温高压条件下进行反应；然后对在所述水热除砂消毒反应釜中经过反应的熟料进行泄压以及出料处理。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述预热及催化水解预处理进一步包括将所述物料送入预热催化水解反应器并在搅拌作用下与热（碱）水混合而被稀释和预热以及进行初步的催化水解反应，然后将所述物料加到所述水热除砂消毒反应釜中，通过加入过热蒸汽使经过初步预热和催化水解的所述物料进一步被加热、催化水解并完全浆化，从而使得所述物料的粘度显著降低并使得所述物料中的大分子有机分子水解成较小的有机物分子。

11.根据权利要求9所述的方法，其中在所述水热除砂消毒反应釜中的反应进一步包括将饱和蒸汽送入所述水热除砂消毒反应釜，使其中的所述物料保持在高温高压条件下。

12.根据权利要求11所述的方法，其中在所述水热除砂消毒反应釜中的所述物料所保持的高温高压条件包括压力为大约0.6~1.5Mpa。

13.根据权利要求11所述的方法，其中在所述水热除砂消毒反应釜中的所述物料所保持的高温高压条件包括温度为大约130℃~180℃。

14.根据权利要求11所述的方法，其中在所述水热除砂消毒反应釜中的所述物料所保持的高温高压条件包括保持反应时间在大约15~45分钟。

15.根据权利要求9所述的方法，其中所述泄压和所述出料进一步包括在所述水热除砂消毒反应釜中的所述物料之上采取防喷溅措施以防止所述泄压过程中物料沸腾造成喷溅，并且使所述出料过程控制在缓慢的速度进行以保证蒸汽热能的充分回收利用。

16.根据权利要求9所述的方法，其中进一步包括利用从所述水热除砂消毒反应釜回收的热能对所述预热催化水解反应器进行保温，以及利用来自所述水热除砂消毒反应釜的饱和蒸汽在转化为低压过热蒸汽后送入所述预热催化水解反应器预热所述物料以满足所述物料的反应要求，并且送入所述热（碱）水箱对其中需要送入所述预热催化水解反应器的热（碱）水进行加热。

17.根据权利要求9所述的方法，其中所述城市污泥的含固率为大约8%~30%。

Images