CN103449699A - 一种有机质连续热水解处理装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现有机质材料连续热水解处理的装置和方法。该方法是将有机质原料利用闪蒸蒸汽预热至低于100℃，在增压罐中采用闪蒸蒸汽增温增压，增压后反应物进入管式混合换热与热水解反应两阶段反应单元，与高温高压蒸汽充分换热并发生热水解反应，反应后物料连续地进行一级和二级闪蒸，所产生的闪蒸蒸汽分别进入增压罐和预热罐中作为预热介质，闪蒸后反应物经降温混合后打入消化罐进行发酵生产沼气或直接干化堆肥。装置包括预热罐、由管式混合换热与连续反应罐组成的两阶段连续热水解反应器以及闪蒸降温部分。本发明充分实现了系统余热的梯级有效利用；比传统的序批式反应工艺，简化了设备及其运行控制，实现了有机质的连续热水解反应。
Description
技术领域
本发明涉及有机质热水解技术，特别是涉及一种有机质连续热水解处理装置和方法。
背景技术
随着我国国民经济的发展，污泥与餐厨垃圾等有机固体废弃物产生量都急剧增长。目前剩余污泥等有机质主要采用“预热-厌氧消化-脱水干化”的处理工艺，然而这种传统的处理方法存在消化速率低、产气量小、消化周期长(停留时间长达20-30天)等缺点。
热水解消化处理工艺是一种对污泥进行减量化、资源化、稳定化和安全化的处理技术。热水解反应器是污泥热水解-厌氧消化系统的核心和关键设备，其不仅决定着产出的沼气效果，而且决定着整个污泥处理装置的耗能量。已有的热水解反应装置及工艺总体上可归纳为两种：一种是采用具有主动动力能耗的序批方式，例如具有搅拌方式的高压反应釜，该方式可以保证单位时间较大的处理量，但该方式动力能耗大，序批的方式对处理量的变化适应性不够强、控制系统繁琐；另一种是管式连续热水解反应器。这种连续管式处理方式由于预热、混合加热、保温保压和闪蒸冷却在同一管内进行，虽能实现连续，但缺点一是处理量增大时反应管尺寸增大，换热效果受到影响；二是无闪蒸过程，所以能量利用不合理，三是对初始原料浓度要求较高。
综上，现有污泥等有机质热水解发酵处理技术存在单位时间或单位耗能换热效率较低、热水解周期较长、能耗比较大等问题。
发明内容
本发明专利针对以上问题，目的在于提供一种被动式连续热水解系统，其特征在于除输运设备(如：泵)以外，无额外动力能耗。
此外，本发明的目的在于提供一种用于连续热水解的系统，其特征在于处理有机质(例如污泥)原料的干物质浓度可以是污水处理厂的产出污泥干度范围内的任意浓度，例如10％，15％，20％等。
此外，本发明的目的在于提供一种用于连续热水解的系统，其特征在于处理有机质(例如污泥)原料的处理量可以灵活调节。
在本发明上下文中，“管式混合换热与热水解反应两阶段”应理解为这样的工艺装置：即将反应物的热水解过程分为反应物与高温高压水蒸汽的混合接触换热和达到预定压力和温度后的保温保压反应两个子过程，并且该两个过程由管式混合换热器和保温保压反应罐相结合并分别完成。
在本发明上下文中，“被动式连续热水解”应理解为，在整个热水解系统中除对工作介质进行输运的泵外，没有对物料进行混合搅拌等以强化换热为目的的耗功。
为达到上述目的，本发明提出的一种用于有机质连续热水解的装置为：
一种有机质连续热水解处理装置包括采用来自连续闪蒸降温单元的闪蒸蒸汽对有机质原料进行预热的预热单元，采用连续加热和热水解反应的连续热水解反应单元，热水解反应后高温高压有机质依次进行的梯级闪蒸和降温单元；连续热水解反应单元包括一个或一个以上采用管道方式使外部输入蒸汽与所述有机质原料热交换的管式混合器，一个或一个以上并联的保温保压热水解反应罐，一个或一个以上串联的用于对经过热水解得到的有机质进行闪蒸的闪蒸罐。其中，
每个热水解反应单元包括一个或多个管式混合器与连续热水解反应罐的组合，管式混合器具有一个或多个物料入口，一个或多个高温高压蒸汽入口，每个管式混合器具有一个或多个蒸汽喷嘴与防止反应物倒灌的机械结构连接的蒸汽进口，每个管式混合器可以水平或竖直或倾斜安装。其中，
管式混合器的蒸汽喷嘴也可以是管径明显小于混合管道的直管道；防止反应物倒灌的机械结构可以采用止回阀门代替，每个蒸汽进口管道可以垂直于管式混合器轴线也可以具有管式混合器轴线分量的倾斜安装。
每个热水解反应罐具有一个或多个进料口，顶部具有一个或多个蒸汽出口，具有一个或多个排料出口。所述的保温保压的热水解反应罐，进料口与出料口的距离与进料速率之间遵循以下规律：物料在其中的滞留时间等于预设的热水解反应时间，在20-60分钟之间，例如30分钟、40分钟、60分钟；所述的保温保压的热水解反应罐，可以竖直、水平或同时具有水平和竖直分量的倾斜安装。
为了达到上述目的，本发明提出的第二技术方案为：
一种实现有机质连续热水解处理的方法，包括如下步骤：
步骤1：将所述有机质反应物连续供给预热单元中的预热罐，在系统二级闪蒸蒸汽的加热下，加热至低于100度非沸腾状态；
步骤2：经过预热后的反应物连续供给增压罐，在系统一级闪蒸蒸汽的加热下，增温增压至常压到热水解反应压力之间的中间压力；
步骤3：增温增压后的反应物供给热水解反应单元，在热水解连续反应单元的管式混合换热区域，高温高压蒸汽与增压罐排出的反应物充分换热，达到并略高于预设的反应压力和温度；
步骤4：反应物从管式混合换热器中混合换热后进入反应罐，在反应罐内缓慢迁移，至反应罐排料出口；
步骤5：从反应罐出口排出的反应物进入闪蒸降温降压阶段，经过一级闪蒸，使物料压力降低至反应压力与常压之间的中间压力，该过程排出闪蒸蒸汽进入预热单元的增压罐，并对反应物进行加温加压；
步骤6：经过一级闪蒸后的反应物进入二级闪蒸阶段，在该过程中反应物压力降低至常压左右，温度降低至所述压力对应的饱和温度，该过程排出的闪蒸蒸汽进入预热单元的低温预热罐，并对反应物料进行预热；
步骤7：经过二级闪蒸后的反应物进入消化液稀释或换热器降温阶段，并排出热水解系统；完成热水解后的反应物可用于厌氧发酵或干化堆肥等。
综上，本发明具有以下优点：
本发明的优点之一在于，通过管式换热器与保温保压热水解反应罐的有机结合，不但实现热水解过程连续进行，而且可以方便调节反应物的处理负荷。
本发明的另一优点在于，合理有效地利用了系统的余热，例如反应物完成热水解反应后，进行梯级闪蒸降温，并且将闪蒸蒸汽分别用于对反应物的预热和增压。
本发明的再一优点在于，热水解反应耗能少，例如，热水解反应过程不需要任何强化换热为目的的主动耗功。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对上下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明所述的一种有机质连续热水解处理的装置和方法的组成结构示意图。
图2为本发明所述的一种有机质连续热水解处理的装置中连续热水解反应单元的管式混合装置结构示意图。
图3为本发明所述的一种有机质连续热水解处理的装置中连续热水解反应单元的管式混合装置在另一实施例中的结构示意图。
图4为本发明所述的一种有机质连续热水解处理的装置中连续热水解反应单元的保温保压反应罐结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
在一个实施例中，如图1所示，具有一定干物质浓度的有机质反应物10经泵输送至预热罐1中，与二级闪蒸罐6排出的闪蒸蒸汽22混合升温，至低于100度的非沸腾状态，在预热罐底部由泵7输送至管式混合换热器11中，在11中与一级闪蒸罐5排出的闪蒸蒸汽21以及反应罐4排出的余热蒸汽20混合换热，压力和温度均有所升高后的反应物进入增压罐2中，增温增压后反应物12由泵9输送至热水解反应单元，首先进入管式混合换热器3中，与高温高压水蒸气27充分混合换热，在管式混合换热器3出口已经达到并略超过预设的反应压力和温度的反应物14输入保温保压热水解反应罐4中；反应物在热水解反应罐4中自下而上缓慢上升，并发生热水解反应，经一定反应时间，例如20-60分钟，反应物到达反应罐4的反应物出口15，完成热水解反应，完成热水解反应后的反应物进入一级闪蒸罐5中；在一级闪蒸罐中，保持反应压力与常压之间的某个稳定中间压力，例如，0.2-0.6MPa，反应物降温降压，同时放出闪蒸蒸汽21；经一级闪蒸罐降温降压以后的反应物16继续进入二级闪蒸罐6中，通过泄压阀门的作用，二级闪蒸罐6具有常压或略高于常压的稳定压力，反应物在一级闪蒸罐6中，降温降压，同时放出闪蒸蒸汽22；该闪蒸蒸汽22与来自增压罐顶部排出的逃逸气体23进入分离罐24中；经降温降压后的反应物17排出闪蒸罐，与稀释水或者与来自消化罐中的发酵液18混合降温至中等温度，例如45-60度，至此，反应物19完成热水解反应并压力降低至常压，温度降低至中等温度，排出本发明所涉及的热水解预处理系统，进入消化罐发酵或者脱水干化堆肥等后处理过程。
本实施例在具体实施中，从二级闪蒸罐排出的闪蒸蒸汽22与来自增压罐顶部排出的逃逸气体23进入分离罐24中，分离掉闪蒸而带出的液态和固态物质(有机质或者凝结水)，从分离罐排出的干饱和蒸汽25进入预热罐中预热反应物，该分离器可以采用旋风分离器或者疏水器。
本实施例在具体实施中，为增强增压罐2的换热效果，在上下温差超过一定设定值后，可以考虑采用循环泵8促进罐体中反应物温度达到均匀，或采用适用于罐体内部强化换热的各种形式折流板。
本实施例在具体实施中，外部高温高压蒸汽13进入该热水解系统后分为两个支路，即26和27，其中蒸汽26的作用是：当系统初始运行时，管式混合换热器11无蒸汽来源，此时蒸汽26用于提供初始加热工质，一旦管道20和21中产生正常的闪蒸蒸汽流量，则蒸汽管道26关闭，不再向管式混合换热器11提供高温高压蒸汽。
下面结合图2说明本发明专利所述的管式混合器装置结构及工作方式。
如图2所示，本实施例的所述的管式混合器装置主要功能是完成有机质与高温高压水蒸气的充分混合换热。具体包括混合段33和换热段34，混合段33外壁具有一个或多个蒸汽进口喷嘴32，如图2中A-A剖面所示，蒸汽喷嘴在某一管道截面上可以是一个或多个，由于所述的管式混合器工作压力较高，一般在0.6-1MPa之间，故考虑管壁承压强度的问题，多个喷嘴可以错位排列，即通过减少每个管道横截面上的蒸汽喷嘴密度和个数来减少截面应力的影响。此外，喷嘴37(38)外部应连接止回阀(或其他防止有机质倒灌的装置)，以防止蒸汽压力减小时管内有机质倒灌到蒸汽管道内。所述的管式混合器混合段33和换热段34通过法兰连接，其中，考虑到高压蒸汽进入管式混合器，会产生振动，故混合段33应采取减震措施。
本发明专利中所述的管式混合器蒸汽喷嘴与混合器主管道的结合方向可以是垂直于主管道中心轴，也可以具有混合器主管道内工质流向分量的倾斜方向。
本实施例管式混合器装置的工作原理如下：如图2所示，反应物自31进入管式混合换热器，与来自蒸汽喷嘴32(一个或多个)进入管式混合换热器的高温高压蒸汽在混合段33混合，在蒸汽入口喷嘴32外部设置防止污泥倒灌的结构，如止回阀。反应物和蒸汽随后沿管道进入换热段34，在换热段内边向前流动边混合换热，在管式混合换热器出口36，达到充分混合，温度趋于一致，进入保温保压反应罐(图1中的装置4)。
以处理量30t/h为例，本实施例的混合段通径在150-200mm，长度在500-1000mm为宜，喷嘴出口通径在10-15mm，5-10个均匀错位排布于混合段。换热段34长度在1000-2000mm为宜。在换热段管内布置静态/动态混合器的管内插入式混合装置对于充分换热是有益的。
另外，下面结合图3说明在具体实施例中，描述本发明所述的管式混合器另一种替代结构及其工作方式：
如图3所示，该管式混合器实施例同样具有混合段138和换热段135，不同的是混合段具有一个或多个蒸汽入口140，蒸汽首先进入混合段的夹套结构134中，大部分蒸汽通过蒸汽入口管道相对的内管管壁上的进口139进入管式混合器的混合段132，进口139具有向管内132开合的旋片，在管式混合器正常工作情况下，该旋片与管内反应物流向呈小于90度的夹角，例如30度，45度，60度。当蒸气压力减小时，该旋片在管内反应物的推动下自动闭合，防止反应物倒灌到蒸汽管道内。还有一部分蒸汽通过夹套中内管管壁上的多个蒸汽孔133进入混合段，反应物和进入混合段的蒸汽在管内边流动边混合，随后进入换热段137，在管式混合换热器出口36，达到充分混合，沿管道方向温度趋于一致，混合换热后的反应物进入保温保压反应罐。
在具体实施例中，本发明专利所述的管式混合换热器，其管内设置静态/动态管道混合器的管内插入式混合元件对反应物与蒸汽的充分混合换热是有益的。
在具体实施例中，本发明专利所述的管式混合换热器具有蒸汽夹层，即蒸汽自进口140进入管道夹层，夹层的内管壁上具有通气孔133，蒸汽通过这些通气孔进入内管与反应物混合，可以将所述的通气孔内侧设置如上所述的139处的防止反应物倒灌的机械结构。
下面结合图4说明本发明专利所述的热水解单元的保温保压反应罐。
经前面所述的管式混合换热器充分加热加压后的反应物从保温保压反应罐底部44进入热水解反应罐，在热水解反应罐中设置有折流板43以进一步增强反应物与蒸汽的换热，吸收管式换热器中残余的未被反应物吸收的蒸汽，随着进入罐体反应物的增加，罐内反应物沿折流板，进一步缓慢均匀沿着罐体上行，同时在罐体稳定的压力和温度下发生热水解反应，最终到达反应物出口46，液面48应略高于反应物出口，完成热水解反应的反应物45，进入一级闪蒸罐进行闪蒸降温降压单元。
本发明所述的保温保压热水解反应罐凭借底部进口反应物热力状态(温度及压力)和罐体顶部稳压阀门的作用，使热水解反应罐内部保持稳定的压力和温度，该压力和温度正是所希望的热水解反应压力和温度，例如0.7MPa，165度，例如0.6MPa，158.8度，容易认识到的，在所述的热水解反应罐体高于排料口的空间42内，会有该压力下的饱和蒸汽存在，当蒸汽量增大，导致所述的反应罐顶部压力高于反应压力一定量，则反应罐顶部稳压阀门自动打开，蒸汽自管道41排入增压罐中；反之，若压力低于设定压力，则该稳压阀门自动关闭。
本发明所述的保温保压热水解反应罐，在多数的实施例中连接有多个并联的管式混合换热器，以通过开关并联管式反应器的个数方便地调节热水解处理量。
本发明所述的保温保压热水解反应罐，在多数的实施例中具有多个不同高度(水平方向)位置的反应物出口，如图4中的46、47，以适应热水解处理量的变化。例如，在一个实施例中，若反应罐体竖直放置，当热水解处理量减小，则应选取竖直方向低位出口作为排料口，关闭其他出料口。
本发明所述的保温保压热水解反应罐，应根据以下条件确定与多个处理量对应的竖直方向排料口的位置：
H＝(t×m/ρ)/A
其中，
H：表示自罐体底部有效容积处算起的沿反应罐中反应物流向至反应罐排料口的距离，例如在一个实施例中，若反应罐为竖直方向安装的罐体，如图4所示，H为罐体底部有效截面处开始的沿竖直方向的高度。其中，
所述的有效截面是在非均匀截面面积的罐体中，从罐体底部折算为平均截面积A的最低位置，单位：m。
t：表示设定的热水解反应时间.在多数的实施例中该时间在0.3-1小时之间。例如，在具体实施例中为0.5小时，0.6小时，单位：小时。
m：表示反应物在热水解反应罐的反应物进出口流量，单位：m3/小时。
ρ：表示有机质反应物密度，单位：kg/m3。
A：表示所述的保温保压热水解反应罐沿反应物流动方向的截面积，单位：m2。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种对有机质原料进行连续热水解的装置，其特征在于，所述热水解处理装置包括采用来自连续闪蒸降温单元的闪蒸蒸汽对有机生物质原料进行预热的预热单元，采用连续混合加热和热水解反应的连续热水解反应单元，热水解反应后高温高压有机生物质依次进行的梯级闪蒸和降温单元；连续热水解反应单元包括一个或一个以上采用管道方式使外部输入蒸汽与所述有机质原料热交换的管式混合加热器，一个或一个以上并联的保温保压的热水解反应罐，一个或一个以上串联的用于对经过热水解得到的有机质进行闪蒸的闪蒸罐，其中，每个热水解反应单元包括一个或多个管式混合加热器与连续热水解反应罐的组合，管式混合器具有一个或多个物料入口，一个或多个高温高压蒸汽入口，每个管式混合器蒸汽通过一个或多个蒸汽喷嘴进入反应物管道并与之混合换热，每个管式混合器可以水平或竖直或倾斜安装；
每个热水解反应罐具有一个或多个进料口，顶部具有一个或多个蒸汽出口，具有一个或多个排料出口。
2.根据权利要求1所述的保温保压的热水解反应罐，其特征在于其进料口与出料口的距离与进料速率之间存在以下规律：物料在其中的滞留时间等于预设的热水解反应时间，一般在20-60分钟之间，例如30分钟、40分钟、60分钟。
3.根据权利要求1、2所述的保温保压的热水解反应罐，其特征在于可以竖直、水平或倾斜安装。
4.一种对有机质原料进行连续热水解的方法，通过以下步骤连续地进行：
步骤1：将所述有机质反应物连续供给预热单元中的预热罐，在系统二级闪蒸蒸汽的加热下，加热至低于100度非沸腾状态；
步骤2：经过预热后的反应物连续供给增压罐，在系统一级闪蒸蒸汽的加热下，增温增压至常压到热水解反应压力之间的中间压力；
步骤3：增温增压后的反应物供给热水解反应单元，在热水解连续反应单元的管式混合换热区域，高温高压蒸汽与增压罐排出的反应物充分换热，达到并略高于预设的热水解反应压力和温度；
步骤4：反应物从管式混合换热器中换热后进入反应罐，在反应罐内缓慢迁移，至反应罐出口，为维持反应罐稳定反应压力而排出的少量高压蒸汽进入增压罐，对增压罐内有机质加热；
步骤5：从反应罐出口排出的反应物进入闪蒸降温降压阶段，经过一级闪蒸，使物料压力降低至反应压力与常压之间的中间压力，该过程排出闪蒸蒸汽进入预热单元的增压增温区域，并对反应物进行加温加压；
步骤6：经过一级闪蒸后的反应物进入二级闪蒸阶段，在该过程中反应物压力降低至常压左右，温度降低至所述压力对应的饱和温度，该过程排出的闪蒸蒸汽进入预热单元的预热区域，并对反应物料进行预热；
步骤7：经过二级闪蒸后的反应物进入消化液稀释降温或换热器降温阶段，并排出热水解系统；
步骤8：完成热水解后的反应物可用于厌氧发酵或干化堆肥等后处理。
5.依据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4中反应物在反应罐内的迁移时间要满足根据权利要求2所述的反应时间。
6.依据权利要求4-6所述的方法，其特征在于，步骤2、3、4对应的装置：增压罐、管式混合加热器、热水解反应罐在整个连续反应中分别保持各自稳定的压力和温度。
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