CN103193371B

CN103193371B - 一种利用超临界水氧化污泥的方法和装置

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Publication number: CN103193371B
Application number: CN201210008072.1A
Authority: CN
Inventors: 程乐明; 张玉宝; 王青; 谷俊杰; 高志远; 赵晓; 宋庆峰; 李成学; 田文堂; 谷蔚; 曹雅琴; 杜娟; 宋成才
Original assignee: ENN Science and Technology Development Co Ltd
Current assignee: Langfang new oron River Environmental Protection & Technology Co., Ltd.
Priority date: 2012-01-04
Filing date: 2012-01-04
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2032-01-04
Also published as: CN103193371A

Abstract

本发明属于化工和环境工程领域，涉及一种利用超临界水氧化污泥的方法和装置。具体地，所述方法如下步骤：将污泥进行部分氧化，以得到包含可燃气体的反应后物料；将所述反应后物料中的可燃气体进行分离，得到分离后物料。具体地，所述装置包括：部分氧化单元，用于将污泥进行部分氧化，得到包含可燃气体的反应后物料；和可燃气体分离单元，用于将所述反应后物料中的可燃气体进行分离，得到分离后物料。本发明可以有效地避免可燃气体被氧化，减少了加氧量，降低成本，得到高压可燃气体的同时得到合格出水。同时，本发明具有环境友好、反应速度快、设备占地面积小、成本低、易于规模化处理等优势。

Description

一种利用超临界水氧化污泥的方法和装置

技术领域

本发明属于化工和环境工程领域，涉及一种利用超临界水氧化污泥的方法和装置。

背景技术

污泥特别是城市市政污泥的处理是重要的环境课题。目前采用填埋法和焚烧法处理。但是，填埋处理会占用一定的填埋空间，并且由于污泥中存在重金属和可能的有害微生物，可能会污染地下水体。焚烧技术是目前国内外普遍采用的针对有机物的处理技术，但是高温燃烧容易产生二噁英、氮氧化物等有毒物质，造成二次污染。此外，对于高水含量的污泥处理，焚烧设施的投入和运营成本较高。

SCWO(超临界水氧化)技术是20世纪80年代中期由美国学者Mode11首先提出的新型污水污泥处理方法。它就是利用超临界水的特性，在温度、压力高于水的临界温度和压力(374℃，22.1MPa)的条件下以超临界水作为反应介质，水中的有机物与氧化剂发生强烈的氧化反应，最后彻底氧化成CO₂、N₂、H₂O以及盐类等无毒小分子化合物，在超临界情况下使发生在液相或固相的有机物和气相O₂之间的多相反应转化为在超临界水中的均相反应。

目前现有的污泥超临界处理技术主要是超临界水完全氧化技术，通过氧化将污泥中的有机物完全转化为二氧化碳和水。此方法具有环境友好的特点，但是含碳物质的能量无法得到利用。

因此，亟需新的超临界处理污泥或污泥浆的方法和装置，能够有效利用污泥中有机质的能量同时可以避免可燃气体被氧化，并且保障处理后出水合格；同时具有环境友好、反应速度快、设备占地面积小、成本低、易于规模化处理等优势。

发明内容

本发明人经过深入的研究和创造性的劳动，得到了一种超临界处理污泥或污泥浆的方法和装置。本发明人发现，本发明可以有效利用污泥或污泥浆中的有机质产生可燃气体，将可燃气体分离出来得到高压可燃气体，对分离得到的不合格出水进行完全氧化反应。避免可燃气体被氧化，减少了加氧量，降低成本，得到高压可燃气体的同时得到合格出水。同时，本发明具有环境友好、反应速度快、设备占地面积小、成本低、易于规模化处理等优势。由此提供了下述发明：

本发明的一个方面涉及一种利用超临界水氧化污泥的方法，包括如下步骤：

将污泥进行部分氧化，得到包含可燃气体的反应后物料；和

将所述反应后物料中的可燃气体进行分离，得到可燃气体，并得到含有有机质的液体物料以及固体物料。所述含有有机质的液体物料与固体物料可以是混在一起的，也可以是相互分离的。

根据本发明任一项所述的方法，其中，所述部分氧化的反应温度为374-700℃，压力为22.1-35MPa，并且氧化剂的用量为污泥有机质耗氧量的0.5-30％(w/w)。

根据本发明任一项所述的方法，其中，所述部分氧化反应的温度为500-650℃，压力为23-30MPa，并且氧化剂的用量为污泥有机质耗氧量的2-15％(w/w)。

在本发明的一个实施方案(称之为“一步法”)中，涉及部分氧化反应的装置，其如图1所示，其中，1-预热器；2-部分氧化反应器；3-高压分离器；4-气液分离器。其中：

污泥浆经过预热器1后，达到350-500℃，向预热后的污泥浆中加入氧化剂，污泥浆和氧化剂混合后进入部分氧化反应器2进行部分氧化反应，反应生成部分氧化产物。反应产物经过初步降温(例如通过预热原料或者其它换热形式降温)后进入高压分离器3，反应产物中的可燃气体与其他物料分离，溶解有CO₂的其他物料经过气液分离器4后，实现CO₂与固液残渣的分离。产生的气体可以通过深冷分离、膜分离等分离方式，将H₂、CH₄进行进一步分离。

反应产生的可燃气体混合物可以通过深冷分离、吸附分离等方式进行进一步分离，也可以用于燃烧发电等。

反应后产物的热量可用来预热污泥浆，反应达到稳定态后热量可以达到平衡，无需另外加入热量；

高压分离器温度＜31℃；

可燃气体包括CH₄、H₂及极少量CO。

根据本发明任一项所述的方法，还包括如下步骤：

将含有有机质的液体物料分离出来；和

用足量氧化剂对分离得到的含有有机质的液体物料进行完全氧化。

根据本发明任一项所述的方法，氧化剂为常温进料或者预热后进料，例如温度为常温-600℃，优选80-500℃，优选200-450℃。氧化剂的压力为22.5-40MPa，优选24-32MPa。

根据本发明任一项所述的方法，原料(污泥和/或污泥浆)预热后温度达到300-500℃，优选350-450℃。

根据本发明任一项所述的方法，其中，所述氧化剂为O₂和/或H₂O₂。

根据本发明任一项所述的方法，其中，将所述反应后物料中的可燃气体进行分离是系统(反应体系)压力条件下进行的；分离后的可燃气体压力大于或等于13MPa。

高压可燃气体在罐装使用、输送等各方面具有很大优势，一般罐装压力要在13MPa以上。本发明得到的上述高压可燃气体比现有的低压可燃气体便于使用和输送，在节能的同时提高了使用效率。

根据本发明任一项所述的方法，其中，所述完全氧化反应的温度为374-700℃，压力为22.1-35MPa，并且所述氧化剂的用量为污泥有机质耗氧量的100-150％(w/w)；优选105-130％(w/w)。

根据本发明任一项所述的方法，其中，完全氧化后出水可以达到国家排放标准。

根据本发明任一项所述的方法，其还包括将可燃气体或完全氧化产物与作为原料的污泥或污泥浆进行热交换的步骤。

在本发明的一个实施方案(称之为“两步法”)中，涉及完全氧化反应的装置，其如图2所示，其中，1-预热器；2-部分氧化反应器；5-三相分离器；6-完全氧化反应器。其中：

污泥浆经过预热器1，达到300-500℃，向预热后的污泥浆中加入氧化剂(如氧气)，预热后的污泥浆与少量氧气进行混合在部分氧化反应器2中进行部分氧化反应，反应生成CH₄、H₂、CO₂等部分氧化反应气体产物，反应产物经三相分离器5将初步反应后的产物中的气体、固体残渣和含有未处理有机质的液体进行分离，分离后的含有机质的液体与第二股氧化剂混合，在完全氧化反应器6中进行完全氧化反应，氧化反应得到洁净产物，产物可以达到国家环境排放要求。

反应产生的热量可用来预热原料污泥浆，反应达到稳定态后热量可以达到平衡，无需另外加入热量。

部分氧化反应氧化剂用量为污泥有机质COD(化学需氧量)的0.5-30％，优选2-15％；

三相分离器操作温度为250-350℃；

三相分离后的气体产物中包括CH₄、H₂、CO₂及极少量CO；

三相分离后的气体产物为高压气体产物，气体压力为13-30MPa；

完全氧化反应温度为374-700℃，压力为22.1-35MPa；

分离器温度的降低可以通过与冷原料污泥浆的换热实现。

本发明的另一方面涉及一种利用超临界水氧化污泥的装置，包括：

部分氧化单元，用于将污泥进行部分氧化，得到包含可燃气体的反应后物料；和

可燃气体分离单元，用于将所述反应后物料中的可燃气体进行分离，得到分离后物料。

根据本发明任一项所述的装置，其中，还包括完全氧化单元，用于将所述分离后物料进行完全氧化。

根据本发明任一项所述的装置，其中，所述可燃气体分离单元包括三相分离器，所述三相分离器包括上端面、下端面、物料入口(1)、气体出口(3)、过滤挡板(4)、器壁(5)、液体过滤器(6)、液体出口(7)、冷却夹套(9)或冷却盘管(13)、以及出渣口(11)；所述气体出口(3)设置在过滤挡板(4)上方的所述三相分离器的器壁上，所述液体出口(7)的前端连接液体过滤器(6)，所述三相分离器的下端设置成锥形的出渣口(11)；所述三相分离器上端面和下端面分别密封；所述冷却夹套(9)或冷却盘管(13)分别具有冷却介质进口(8)和冷却介质出口(12)。冷却介质可以是水或者需要预热的冷物料。

三相分离器能够实现高温高压状态下混合物料中气体、固体和液体的有效分离。超/亚临界反应或产生气体及固体残渣的高温高压反应后的反应产物从该装置顶部物料入口(1)进入，经过分散并降温后液体和固体停留在该装置的下部。气体经过过滤挡板(4)并通过气体出口(3)排出系统外部，所述排出气体为高压气体。固体在给装置底部沉积，携带少量液体通过渣水出口排出系统。液体先经过液体过滤器(6)然后通过液体出口(7)排出系统。该系统温度的降低通过设置在装置内部的冷却盘管(13)或外部的冷却夹套(9)实现。

根据本发明任一项所述的装置，其中，所述三相分离器通过上法兰(2)和下法兰(10)和/或锥形底进行上端面和下端面的密封。

根据本发明任一项所述的装置，其中，所述三相分离器被构造成如下的1)-4)中的任一项或多项：

1)所述物料入口(1)的下端结构为锥形扩径或扩径弯管结构；

2)所述物料入口(1)的入口管的出口部分为弧形管；

3)所述液体过滤器(6)位置设在三相分离器的内部或外部；

4)所述过滤挡板(4)和液体过滤器(6)均为多孔结构。

根据本发明任一项所述的装置，其中，所述三相分离器的物料入口(1)方向与所述三相分离器内壁面的对应处设置有物料导流槽(14)(例如螺旋导流凹槽)结构。

根据本发明任一项所述的装置，其中，所述三相分离器的物料入口(1)的下端向所述三相分离器的侧壁倾斜，使物料向三相分离器的侧壁喷射，并沿着螺旋导流凹槽(14)向下流动。

根据本发明任一项所述的装置，在具体的实施方式中，其中所用三相分离器分别如附图3或附图4所示。

本发明的装置中所用的三相分离器，设备结构简单，用于超临界氧化/气化、高温高压反应后产生的三相物料流的分离，以便于分别对三相物流进行后处理。

本发明中，术语“污泥”包括但不限于市政污泥，污水(例如城市污水或生活污水)、污泥浆。其中，优选为市政污泥。所述污泥浆也可以通过向污泥中加入适量的水，通过搅拌得到；污泥浆浓度为5-30％(w/w)，优选7-18％(w/w)。其中，所述污泥浆浓度是指干固体占污泥浆重量的百分比。

术语“部分氧化”是指用少于使污泥完全氧化所需的氧化剂的量对污泥进行氧化。

术语“可燃气体”包括甲烷、氢气、以及一氧化碳中的一种或多种。

发明的有益效果

本发明得到了可燃气体，提高了污泥的利用率，并且避免了可燃气体被氧化，出水COD可以达到国家排放标准。本发明具有环境友好、反应速度快、设备占地面积小等优势。本发明的方法得到的可燃气体可以是高压可燃气体，比现有的低压可燃气体便于使用和输送(高压可燃气体在罐装使用、输送等各方面具有很大优势，一般罐装压力要在13MPa以上)，在节能的同时提高了使用效率。此外，本发明的三相分离器克服了现有技术中的体积巨大、结构复杂、以及液体固体夹带的缺点，能够对固液气特别是高温高压下的固液气进行有效分离。

附图说明

图1：一步法的完整工艺流程图。1-预热器；2-部分氧化反应器；3-高压分离器；4-气液分离器。

图2：两步法的完整工艺流程图。1-预热器(与图1中的预热器相同或不同)；2-部分氧化反应器(与图1中的部分氧化反应器相同或不同)；5-三相分离器；6-完全氧化反应器。

图3：三相分离器的一个实施方案。其中：

1-物料入口；2-上法兰；3-气体出口；4-过滤挡板；5-器壁；6-液体过滤器；7-液体出口；8-冷却介质出口；9-冷却夹套；10-下法兰；11-出渣口；12-冷却介质进口。

图4：三相分离器的一个实施方案。其中：

1-物料入口；2-上法兰；3-气体出口；4-过滤挡板；5-器壁；6-液体过滤器；7-液体出口；8-冷却介质出口；11-出渣口；12-冷却介质进口；13-冷却盘管；14-导流槽。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1：污泥成分分析

实验用污泥为廊坊市开发区市政污泥，具体方法参照《城市污水处理厂污泥检验方法CJ-T 221-2005》(中华人民共和国建设部2005-12-30发布)进行。

污泥成分分析如下面的表1所示：

表1：污泥的成分分析数据

实施例2：一步法处理污泥

实验样品：

所用污泥与实施例1的污泥相同，按照如下方法配制成污泥浆：在得到的污泥中加入适量水(具体浓度分别如下面的表2和表3所示)，通过搅拌得到污泥浆。水分的添加量根据反应利用的污泥浓度(固含量)和得到的污泥的固含量计算得出。

实验方法：

按照前面所述的一步法进行。具体参数条件如表2所示。

实验结果：如表2所示。

实施例3：两步法处理污泥

所用污泥(污泥浆)与实施例2中相同。

实验方法：

按照前面所述的两步法进行。具体参数条件如表3所示。

实验结果：

如表3所示。

尽管本发明的具体实施方式已经得到详细的描述，本领域技术人员将会理解。根据已经公开的所有教导，可以对那些细节进行各种修改和替换，这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的全部范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims

1.一种利用超临界水氧化污泥的装置，包括：

部分氧化单元，用于将污泥进行部分氧化，得到包含可燃气体的反应后物料；和可燃气体分离单元，用于将所述反应后物料中的可燃气体进行分离，得到分离后物料；

所述可燃气体分离单元包括三相分离器，所述三相分离器由上端面、下端面、物料入口(1)、气体出口(3)、过滤挡板(4)、器壁(5)、液体过滤器(6)、液体出口(7)、冷却装置以及出渣口(11)组成，其中冷却装置为冷却夹套(9)或冷却盘管(13)；所述气体出口(3)设置在过滤挡板(4)上方的所述三相分离器的器壁上，所述液体出口(7)的前端连接液体过滤器(6)，所述三相分离器的下端设置成锥形的出渣口(11)；所述三相分离器上端面和下端面分别密封；所述冷却夹套(9)或冷却盘管(13)分别具有冷却介质进口(8)和冷却介质出口(12)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括完全氧化单元，用于将所述分离后物料进行完全氧化。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三相分离器通过法兰装置和/或锥形底进行上端面和下端面的密封，所述法兰装置为上法兰(2)和下法兰(10)。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三相分离器被构造成如下的1)-4)中的任一项或多项：

1)所述物料入口(1)的下端结构为锥形扩径或扩径弯管结构；

2)所述物料入口(1)的入口管的出口部分为弧形管；

3)所述液体过滤器(6)位置设在三相分离器的内部或外部；

4)所述过滤挡板(4)和液体过滤器(6)均为多孔结构。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三相分离器的物料入口(1)方向与所述三相分离器内壁面的对应处设置有物料螺旋导流凹槽(14)结构。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述三相分离器的物料入口(1)的下端向所述三相分离器的侧壁倾斜，使物料向三相分离器的侧壁喷射，并沿着螺旋导流凹槽(14)向下流动。

7.一种利用权利要求1-6之一所述的超临界水氧化污泥的装置进行超临界水氧化污泥的方法，包括如下步骤：

将污泥进行部分氧化，得到包含可燃气体的反应后物料；和

经三相分离器将反应后物料中的气体、固体残渣和含有未处理有机质的液体进行分离。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述部分氧化的反应温度为374-700℃，压力为22.1-35MPa，并且其中氧化剂的用量为污泥有机质耗氧量的0.5-30％(w/w)。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述部分氧化反应的温度为500-650℃，压力为23-30MPa，并且其中氧化剂的用量为污泥有机质耗氧量的2-15％(w/w)。

10.根据权利要求7所述的方法，还包括如下步骤：

将含有有机质的液体物料分离出来；和

11.根据权利要求7或10所述的方法，其特征在于，将所述反应后物料中的可燃气体进行分离是在反应体系的压力下进行的。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述完全氧化反应的温度为374-700℃，压力为22.1-35MPa，并且所述氧化剂的用量为污泥有机质耗氧量的100-150％(w/w)。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述氧化剂的用量为污泥有机质耗氧量的105-130％(w/w)。

14.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述氧化剂为O₂和/或H₂O₂。