CN102838264A - 一种处理生物质的工艺及设备装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生物质固体废弃物的热水解处理工艺和设备,具体为一种处理生物质的工艺及设备装置。一种处理生物质的工艺,包括调整待处理污泥的固体浓度、加热搅拌、蒸发汽化、热量液体回收步骤,浆化罐的出口通过进料泵连接水热反应器的进口,水热反应器的底部通过蒸汽喷射口和蒸汽调节阀连接蒸汽发生装置,水热反应器的上部侧面的出料口经由闪蒸控制阀连接闪蒸罐,闪蒸罐的顶部出口连接浆化罐的入口。通过实施本发明可将处理效率和热效率得到大幅提高,设备投资降低20%以上,消耗量降低20%以上,系统可靠性得以提高。

Description

一种处理生物质的工艺及设备装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于生物质固体废弃物的热水解处理工艺和设备,具体为一种处理生物质的工艺及设备装置。
[0002]
背景技术
[0003] 以污水处理厂剩余污泥为代表的生物质固体废弃物的特点是,组分复杂、可生物降解有机物含量高、含水率高、产生量大。生物质固体废物含有大量的碳水化合物、蛋白质、脂肪等生物质和水分,易变质、腐烂,产生污染物浓度极高的渗滤液和恶臭气体,污染水体和大气,还会产生大量毒素和孳生致病微生物,危害生态系统和人类健康。因此,生物质固体废物应得到及时有效的处理与处置。 [0004] 生物质固体废弃物中的大量的有机质以微生物细胞和有机物胶体的形式存在,导致其脱水困难。目前,生物质固体废弃物的处置手段主要是堆肥、填埋和焚烧。生物固体废弃物用于堆肥物料时,通常需要添加调理剂降低含水至50%飞0%,以城市污泥为例,其堆肥时需要添加的调理剂总量约为污泥的60%,需要处置的固体的量不但没有减少反而增加。国内一些城市也采用垃圾卫生填埋场接纳生物质固体废弃物,但由于其含水率高,造成填埋作业困难、渗滤液水质恶化和填埋堆体不稳定,实际上大部分垃圾卫生填埋场拒绝污泥进场。焚烧是实现生物质固体废弃物减量化和无害化的有效手段,但由于其含水率高、可利用的热值低,需要添加大量的辅助燃料,焚烧过程中又产生大量的烟气需要进一步处理,造成焚烧的运行成本过高,大多数城市难以承受。因此,含水率高的生物质固体废弃物并不适合直接进行堆肥和焚烧处理。在采取堆肥或焚烧方式处置之前,最好先把生物质固体废弃物的含水率降下来,对于堆肥来说是60%以下,对焚烧来说是50%以下。
[0005] 相对而言,厌氧消化是处理生物质废弃物的较好方法。一方面厌氧消化能使生物质固体废弃物减量化、杀灭绝大部分病源微生物,同时还能回收利用一部分能量(生物气或沼气)。从环境保护和资源充分利用的综合角度看,厌氧消化是比焚烧和填埋更为合理的生物质废弃物处理方式。但是,像污水处理厂剩余污泥这样的生物质废弃物,直接进行厌氧消化所需要的反应时间很长,一般需要2(Γ30个昼夜,原因是以细胞和胶体状态存在的有机质的水解过程十分缓慢,这造成厌氧消化反应器造价和占地面积都较大。另外,直接厌氧消化的有机质转化率不够高,最终的剩余污泥依然脱水困难。
[0006] 在一定温度和压力下(不低于水的饱和蒸汽压)对上述生物质进行水热处理,能够破坏生物质的细胞结构和胶体形态,从而显著提高污泥的脱水性能,改善厌氧消化处理的表现。
[0007]目前公开报道和商业化应用的水热处理工艺大多是序批式的,也就是间歇式运行的。生物质首先经过浆化、降低粘度之后,进入水热反应器,用蒸汽加热到所需温度,维持一段时间,然后闪蒸、降温降压,排空;然后是下一个批次……这样的工艺过程,设备的利用率低,一般需要多个水热反应器配合使用。这样的工艺过程成倍增加了所需的设备的数量和造价,且过程复杂,控制点多,自动化的成本也高。另外,上述水热反应器需要机械搅拌设备对反应过程中的物料进行搅拌,增加了设备制造难度和造价。不仅如此,上述水热处理过程的升温、降温过程比较缓慢,不仅造成设备的利用效率低,处理效果也不理想。
发明内容
[0008] 本发明的目的是,提供一种高效率的、连续运行的处理生物质的工艺及设备装置,以实现不用机械搅拌,使得水热反应结束后的物料的压力瞬间降低到接近大气压,造成物料中残存的细胞爆裂,从而改善处理效果。
[0009] 本专利的具体技术方案如下:
一种处理生物质的工艺,本工艺包括以下步骤:调整待处理污泥的固体浓度、加热搅拌、蒸发汽化、热量液体回收,各步骤的具体过程如下: A、调整待处理污泥的固体浓度,调整物料的固体浓度在59Γ15%范围;
B、加热搅拌、通入蒸汽维持水热反应器内物料的温度在15(Γ200° C,物料停留加热搅拌时间是15〜60分钟,工作压力为I〜5MPa ;
C、蒸发汽化,物料压力快速减小到大气压;
D、热量液体回收,回收上一步骤中产生的蒸汽和热量到步骤A中。
[0010] 所述工艺的装置,其特征在于:本装置由浆化罐、进料泵、水热反应器、蒸汽喷射口、蒸汽调节阀、闪蒸控制阀、闪蒸罐组成,浆化罐的出口通过进料泵连接水热反应器的进口,水热反应器的底部通过蒸汽喷射口和蒸汽调节阀连接蒸汽发生装置,水热反应器的上部侧面的出料口经由闪蒸控制阀连接闪蒸罐,闪蒸罐的顶部出口连接浆化罐的入口。
[0011] 本发明的优点和积极效果表现在:本发明使闪蒸控制阀和水热反应器配合使用,实现处理过程的连续运行,大大提高处理效率和系统处理能力,降低单位处理能力的造价。无机械搅拌装置,但是它有至少一个切向进入的蒸汽喷射口,在一次蒸汽的作用下,实现其内部物料的水力学搅拌。使得水热反应器内的高温高压液体按照一定速率排出水热反应器,实现受控闪蒸、减压,而不会造成水热反应器内的压力的显著波动。通过闪蒸控制阀排放的高温液体,直接减压到接近大气压,并在一个具有一定容积的闪蒸罐内进行气液分离器,产生的二次蒸汽通入为水热反应器备料的浆化罐,从而实现二次蒸汽的回收利用。浆化罐内设有机械搅拌装置、沿周壁布置的热交换盘管和位于底部的蒸汽穿孔管。其中机械搅拌装置用于对浆化罐内物料的连续搅拌,盘管用于从闪蒸罐分离出的热的液体的冷却并回收这部分余热,蒸汽穿孔管则用来接收从闪蒸罐引来的二次蒸汽。通过以上系统,生物质污泥的水热处理过程的处理效率和热效率得到大幅提高,同样处理能力的设备投资降低20%以上,一次蒸汽的消耗量降低20%以上。水热反应罐作为系统中的主要设备和压力容器,由于省去了机械搅拌装置,其制造难度和造价都显著下降。系统中除了水热反应器之外,都是常压容器,且温度都不超过120° C,系统造价和安装难度显著降低。系统的设备数量是同类系统中最少的,系统可靠性得以提高。
[0012]
附图说明
[0013] 图I为本发明的装置的结构示意图。[0014] 其中,I—浆化罐、2—进料泵、3—水热反应器、4—蒸汽喷射口、5——蒸汽调节阀、6—闪蒸控制阀、7—闪蒸罐。
[0015]
具体实施例
[0016] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0017] 一种处理生物质的工艺,本工艺包括以下步骤:调整待处理污泥的固体浓度、加热搅拌、蒸发汽化、热量液体回收,各步骤的具体过程如下:
A、调整待处理污泥的固体浓度,调整物料的固体浓度在59Γ15%范围;
B、加热搅拌、通入蒸汽维持水热反应器内物料的温度在15(Γ200° C,物料停留加热搅拌时间是15〜60分钟,工作压力为I〜5MPa ;·
C、蒸发汽化,物料压力快速减小到大气压;
D、热量液体回收,回收上一步骤中产生的蒸汽和热量到步骤A中。
[0018] 所述工艺的装置,其特征在于:本装置由浆化罐、进料泵、水热反应器、蒸汽喷射口、蒸汽调节阀、闪蒸控制阀、闪蒸罐组成,浆化罐的出口通过进料泵连接水热反应器的进口,水热反应器的底部通过蒸汽喷射口和蒸汽调节阀连接蒸汽发生装置,水热反应器的上部侧面的出料口经由闪蒸控制阀连接闪蒸罐,闪蒸罐的顶部出口连接浆化罐的入口。
[0019] 待处理的污泥可以是经浓缩的污泥也可以是经脱水的污泥。如果是经过浓缩的污泥,其含固率应为5°/ΓΐΟ%,可以直接进入浆化罐;经脱水的污泥,其含水率应为75°/Γ85%,则按照一定比例兑入水分,使其含固率为109Γ15%。兑入的水可以是清水、污水处理厂的出水,也可以是经水热处理后、污泥脱水时的滤出液。总之浆化罐内维持物料的固体浓度在59Tl5%范围。同时,浆化罐内不应含有大的漂浮物。如果原料中含有较大的漂浮物,应采取措施予以去除。
[0020] 进料泵从浆化罐底部吸入配置好的物料,以事先设定的恒定流量把物料加压并送入水热反应器底部。水热反应器是连续工作的,也就是连续进料和连续出料。与此同时,由蒸汽源来的一次蒸汽通过蒸汽调节阀和蒸汽喷射口进入水热反应器。由于蒸汽喷射口位于罐体的圆筒部分的底部并沿切线方向通入水热反应器的罐体,通入的一次蒸汽在把大量的热量带给水热反应器内的物料的同时也输入了动量,水热反应器内的物料在蒸汽的作用下作旋转运动,也就是得到搅拌,并同时升温。与此同时,水热反应器内的物料还由下向上移动,并不断地从上部侧面的出料口经由闪蒸控制阀进入闪蒸罐。闪蒸控制阀由PLC自动控制,其转速受水热反应器内的蒸汽压力的控制,以维持水热反应器内的压力。通入的一次蒸汽的量以维持水热反应器内物料的温度在15(T200° C为限。水热反应器工作时的水力停留时间是15飞O分钟,也就是物料在水热反应器内的平均停留时间为15飞O分钟。在此期间物料被急速加热到15(T200° C之间的某个温度,并维持相应的压力,直到被排出水热反应器。在高温高压作用下,位于液态水里的固体有机质,包括生物的细胞,迅速被破坏并发生水解,大分子有机物水解为小分子有机物,其中一部分水解产物即为有机酸。为了获得不同的水热处理效果,还可以同时往水热反应器内通入氧化剂,尤其是氧气、富氧空气、空气。
[0021] 闪蒸控制阀位于连接水热反应器和闪蒸罐之间的连接管道上靠近闪蒸罐的位置,其上游是温度为150〜200° C、压力为I飞MPa的液态物料,其下游的压力为不超过200kPa的微正压。为了安全和方便检修,在水热反应器到闪蒸罐之间的管道的闪蒸控制阀的上游位置应设置一个球阀,用于在需要的时候截断该联通管道。工作时,闪蒸控制阀的阀芯按照PLC控制的速率转动,以一定流量连续释放从水热反应器过来的高温、高压液态物料,这些物料在经过闪蒸控制阀的瞬间其压力从原来的f5MPa减小到接近大气压,其中的水分急速汽化,包括残留的细胞内的水分,这样就使得液态物料的温度急速降低到与闪蒸罐内的压力所对应的温度。这样的过程的一个副作用是,残存下来的细胞的细胞壁在其内部水分急速汽化并膨胀的过程中爆裂,释放出细胞的细胞物质。
[0022] 经过闪蒸控制阀后的物料急速汽化,并在膨胀的蒸汽的推动下迅速进入闪蒸罐。由于水分汽化需要大量的潜热,因此只有一定比例的水分汽化成二次蒸汽就会使物料的温度迅速降低到接近100° C,其余部分仍维持液态,只是被急速的气化过程打碎成无数个小液滴。由于闪蒸罐容积较大,断面积也较大,气态物及其夹带的液滴在此有一定的停留时间,让大部分液滴沉降落下。二次蒸汽,包括没有来得及落下来的小液滴,就通过闪蒸罐顶部的气体排放口排出闪蒸罐并由管道引入前述的浆化罐的底部,用于预加热浆化罐内的物 料。闪蒸罐内的液体维持一定的液面高度,液面低于罐体侧面的进料口。由于残留的温度较高,液体需要在闪蒸罐内停留一定的时间,使其经过再沸腾过程,把温度降低到;略低于100° C并停止沸腾,然后通过闪蒸罐底部的出料口排出。从闪蒸罐排出物料采用螺杆泵泵送的方式,该螺杆泵以变频调速方式控制,目的是调节物料的排放流量,维持闪蒸罐内的液位。螺杆泵把闪蒸后的液态物料通过管道送到前述的浆化罐内的盘管,把携带的热量传递给浆化罐内的较冷物料,最后进入水热物料暂存槽,等待后续的进一步处理。经过这个热量回收步骤之后,典型的最终出料温度为60、0° C。
[0023] 经过水热处理之后,典型的后续处理是机械脱水和厌氧消化。当水热处理系统和水热后的物料的机械脱水系统位于同一个厂区时,就可以使用部分脱水滤液往原料污泥内兑水。
[0024] 连续的水热处理工艺和无机械搅拌水热处理装置比同样处理能力的有机械搅拌水热处理装置的处理效率更高,造价更低,维护成本更省,运行可靠性也会显著提高。
[0025] 浆化罐是一个高径比为广3的罐类设备,工作压力为常压,工作温度不超过为100° C,典型的工作温度是4(T70° C ;浆化罐是圆筒形,可以是锥底、平口、加盖的形式,也可以是上下椭圆封头的形式。浆化罐内靠近周壁的位置布置加热盘管,材质可以是不锈钢,其作用是用其他热源对浆化罐内的物料进行无掺混加热。浆化罐底部有蒸汽分布管,它实际是一个穿孔管,其上朝下方开有一定数量的通孔。穿孔管有管道穿过浆化罐底部的与二次蒸汽入口相连,用于接纳从闪蒸罐引来的二次蒸汽。浆化罐带有机械搅拌设备,用于对其中的物料进行不间断的搅拌。
[0026] 投料泵是市场上选购的螺杆泵,它可以把物料加压到所需的压力。投料泵的吸入口通过管道与浆化罐相连,出料口通过管道与水热反应器相连。进料泵需要采用变频调速控制,以方便调节投料速率。
[0027] 水热反应器是一个高径比为5〜10的罐类设备,包括罐体、进料口、出料口、蒸汽喷射口、蒸汽调节阀、排气阀、安全阀、放空阀;水热反应器的工作温度和压力分别为15(T200° C、1飞MPa。罐体为两端为椭圆形封头的筒形压力容器,竖向放置。进料口位于罐体的底部,出料口位于罐体侧面上部,排气阀和安全阀位于罐体的顶部;蒸汽喷射口可以是一个或多个,在罐体底部以切向进入,从而利用蒸汽的动能驱动罐体内的物料作旋转运动。
[0028] 蒸汽源用于为水热反应工艺提供所需的蒸汽,即是水热反应过程热量的来源,也是水热反应器罐体内物料搅拌所需动力的来源。蒸汽源可以选用市售的各种蒸汽锅炉。
[0029] 蒸汽调节阀用于调节蒸汽的流量。
[0030] 闪蒸控制阀是一个特别设计的转子阀,包括阀体和阀芯(转子)以及驱动机构。
[0031] 闪蒸罐是一个高径比为f 3的罐类设备,圆筒形,上下椭圆封头,不带搅拌设备。闪蒸罐顶部设有气体排放口,通过管道把闪蒸罐产生的二次蒸汽引入到前述的浆化罐的底部。闪蒸罐的侧面较高位置设有进料口,用于接纳从水热反应器过来的高温、高压物料。闪蒸罐底部设有出料口,用于将闪蒸之后的液态物料排出。闪蒸罐的作用是为刚刚通过闪蒸控制阀释了压力的物料提供一定的停留时间,使气态物(蒸汽和不凝气)与液态物(水与固
体杂质的混合物)进行两相分离。为此闪蒸罐工作时内部维持相对稳定的液面高度,使液面低于进料口。闪蒸罐的工作压力是常压或微正压,不超过200kPa ;工作温度不超过120° C。
[0032] 待处理的污泥可以是经浓缩的污泥也可以是经脱水的污泥。如果是经过浓缩的污泥,其含固率应为5°/ΓΐΟ%,可以直接进入浆化罐;经脱水的污泥,其含水率应为75°/Γ85%,则按照一定比例兑入水分,使其含固率为109Γ15%。兑入的水可以是清水、污水处理厂的出水,也可以是经水热处理后、污泥脱水时的滤出液。总之浆化罐内维持物料的固体浓度在59Tl5%范围。同时,浆化罐内不应含有大的漂浮物。如果原料中含有较大的漂浮物,应采取措施予以去除。
[0033] 进料泵从浆化罐底部吸入配置好的物料,以事先设定的恒定流量把物料加压并送入水热反应器底部。水热反应器是连续工作的,也就是连续进料和连续出料。与此同时,由蒸汽源来的一次蒸汽通过蒸汽调节阀和蒸汽喷射口进入水热反应器。由于蒸汽喷射口位于罐体的圆筒部分的底部并沿切线方向通入水热反应器的罐体,通入的一次蒸汽在把大量的热量带给水热反应器内的物料的同时也输入了动量,水热反应器内的物料在蒸汽的作用下作旋转运动,也就是得到搅拌,并同时升温。与此同时,水热反应器内的物料还由下向上移动,并不断地从上部侧面的出料口经由闪蒸控制阀进入闪蒸罐。闪蒸控制阀由PLC自动控制,其转速受水热反应器内的蒸汽压力的控制,以维持水热反应器内的压力。通入的一次蒸汽的量以维持水热反应器内物料的温度在15(T200° C为限。水热反应器工作时的水力停留时间是15飞O分钟,也就是物料在水热反应器内的平均停留时间为15飞O分钟。在此期间物料被急速加热到15(T200° C之间的某个温度,并维持相应的压力,直到被排出水热反应器。在高温高压作用下,位于液态水里的固体有机质,包括生物的细胞,迅速被破坏并发生水解,大分子有机物水解为小分子有机物,其中一部分水解产物即为有机酸。为了获得不同的水热处理效果,还可以同时往水热反应器内通入氧化剂,尤其是氧气、富氧空气、空气。
[0034] 闪蒸控制阀位于连接水热反应器和闪蒸罐之间的连接管道上靠近闪蒸罐的位置,其上游是温度为150〜200° C、压力为I飞MPa的液态物料,其下游的压力为不超过200kPa的微正压。为了安全和方便检修,在水热反应器到闪蒸罐之间的管道的闪蒸控制阀的上游位置应设置一个球阀,用于在需要的时候截断该联通管道。工作时,闪蒸控制阀的阀芯按照PLC控制的速率转动,以一定流量连续释放从水热反应器过来的高温、高压液态物料,这些物料在经过闪蒸控制阀的瞬间其压力从原来的f5MPa减小到接近大气压,其中的水分急速汽化,包括残留的细胞内的水分,这样就使得液态物料的温度急速降低到与闪蒸罐内的压力所对应的温度。这样的过程的一个副作用是,残存下来的细胞的细胞壁在其内部水分急速汽化并膨胀的过程中爆裂,释放出细胞的细胞物质。
[0035] 经过闪蒸控制阀后的物料急速汽化,并在膨胀的蒸汽的推动下迅速进入闪蒸罐。由于水分汽化需要大量的潜热,因此只有一定比例的水分汽化成二次蒸汽就会使物料的温度迅速降低到接近100° C,其余部分仍维持液态,只是被急速的气化过程打碎成无数个小液滴。由于闪蒸罐容积较大,断面积也较大,气态物及其夹带的液滴在此有一定的停留时间,让大部分液滴沉降落下。二次蒸汽,包括没有来得及落下来的小液滴,就通过闪蒸罐顶部的气体排放口排出闪蒸罐并由管道引入前述的浆化罐的底部,用于预加热浆化罐内的物料。闪蒸罐内的液体维持一定的液面高度,液面低于罐体侧面的进料口。由于残留的温度较高,液体需要在闪蒸罐内停留一定的时间,使其经过再沸腾过程,把温度降低到;略低于100° C并停止沸腾,然后通过闪蒸罐底部的出料口排出。从闪蒸罐排出物料采用螺杆泵泵送的方式,该螺杆泵以变频调速方式控制,目的是调节物料的排放流量,维持闪蒸罐内的液位。螺杆泵把闪蒸后的液态物料通过管道送到前述的浆化罐内的盘管,把携带的热量传递给浆化罐内的较冷物料,最后进入水热物料暂存槽,等待后续的进一步处理。经过这个热量回收步骤之后,典型的最终出料温度为60、0° C。 [0036] 经过水热处理之后,典型的后续处理是机械脱水和厌氧消化。当水热处理系统和水热后的物料的机械脱水系统位于同一个厂区时,就可以使用部分脱水滤液往原料污泥内兑水。

Claims (2)

1. 一种处理生物质的工艺,其特征在于:本工艺包括以下步骤: 调整待处理污泥的固体浓度、加热搅拌、蒸发汽化、热量液体回收,各步骤的具体过程如下: A、调整待处理污泥的固体浓度,调整物料的固体浓度在59Γ15%范围; B、加热搅拌、通入蒸汽维持水热反应器内物料的温度在15(Γ200° C,物料停留加热搅拌时间是15〜60分钟,工作压力为I〜5MPa ; C、蒸发汽化,物料压力快速减小到大气压; D、热量液体回收,回收上一步骤中产生的蒸汽和热量到步骤A中。
2.根据权利要求I所述的工艺的装置,其特征在于:本装置由浆化罐、进料泵、水热反应器、蒸汽喷射口、蒸汽调节阀、闪蒸控制阀、闪蒸罐组成,浆化罐的出口通过进料泵连接水热反应器的进口,水热反应器的底部通过蒸汽喷射口和蒸汽调节阀连接蒸汽发生装置,水热反应器的上部侧面的出料口经由闪蒸控制阀连接闪蒸罐,闪蒸罐的顶部出口连接浆化罐的入口。
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