CN103570207A - 一种污泥热水解-干化一体化的新工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种污泥热水解-干化一体化的新工艺(简称L.M.D.法)。其特征在于：在亚临界条件下，在热水解釜中，将污泥中高分子有机物分解，再将高压、低干度的汽-水混合物多次外排闪蒸。有益效果是：1.摆脱了污泥干化必需依附在发电厂内，可直接建在污水处理厂内，实现污泥“源头治污”，不需另配锅炉，高压装置少，占地面积小，投资省，解决脱水污泥外运成本高；中途二次污染隐患及污泥处理选址难等问题；2.实现热水解和干化一体化，污泥中水份的绝大多数未发生相变就能脱除，能耗低，无需另配机械脱水系统，投资和运行费用少；3.为城市污泥稳定、减量、无害和资源化开辟了广阔的应用前景；4.操作自由度大，产品的含水率可控范围广，可以根据产品的应用方向方便的调节。

Description

一种污泥热水解-干化一体化的新工艺

所属技术领域

本发明涉及一种城市污泥稳定化、减量化、无害化和资源化的新方法，是将湿污泥在一个系统中实现水解和干化一体化作业的新工艺。

背景技术

随着我国社会经济和城市化的发展，城市污水的产生及其数量在不断增长。预计到2015年，我国污水处理能力将达到475亿吨/年，按污泥产率5吨/1万吨污水，污泥含水率80％计算，湿污泥产生量将达到2375万吨/年。2020年污水排放量达到536亿吨/年，湿污泥产生量将达到2680万吨/年。

污泥是污水处理后的附属品、是一种由有机残片、细菌菌体、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。污泥量通常占污水量的0.3％～0.5％(体积)或者约为污水处理量的1％～2％(质量)。污水处理效率的提高，必然导致污泥数量的增加。目前我国污水处理量和处理率虽然不高(4.5％)，但城市污水处理厂每年排放干污泥大约30万吨，而且还以每年大约10％的速度增长。调研结果显示，我国污水处理厂所产生的污泥，有80％没有得到妥善处理，污泥随意堆放及所造成的污染与再污染问题已经凸显出来，并且引起了社会的关注。“十二五”期间，我国将重点放在污泥处置方面。鼓励污泥无害化后进行综合利用。由此可见，“十二五”期间，污泥处理处置市场将得到进一步发展，其也将成为继污水处理之后的下一个技术攻关和投资热点。

污泥无害化处理及循环利用应是城市管理和公共服务的重要组成部分，对提高城乡环境质量、保障城市安全运行有着重要意义，是一项基础性的公益事业。城市污泥主要来源于生活污水，是含有一定的热能和营养成分的宝贵资源，且重金属、有毒有机物等有害物质含量较低，资源化循环利用潜力较大。

污泥不仅产量巨大，而且含有重金属、病原菌、寄生虫以及某些难分解的有机毒物，如果处理不当，排放后会对环境造成严重污染，因此，将污泥经过科学处置，达到稳定化、减量化、无害化和资源化的目标，已成为全世界普遍关注的重要课题。

污泥填埋要占用宝贵的土地资源，会产生污染严重的渗滤液，污染水源。由于污泥的含水量很大，运输成本很高，我国污泥使用填埋可能性不大：一是污泥数量和体积特别大，而且主要集中在城市周边，没有适合污泥填埋的空间；二是由于生活污水和工业废水合并处理，使得污泥成分复杂，特别是重金属和有机污染物含量较高，污泥利用存在很大的环境风险。

干化焚烧是将湿污泥干化脱水到40％以下(一般要求其热值≥1000kj/kg)，单独或掺入动力煤中混烧。其优点是可充分利用有机物的热能，最大限度地减少污泥体积(可达90％)；自动化水平高，不受外界条件影响；能有效的杀死病原体；焚烧后的无机物灰渣，体积和毒性小，可方便地填埋处置。

但污泥在焚烧前必须经干化脱水，目前国内大多用150℃的蒸汽作为热源，在园盘或浆叶式干化机中干化脱水，能耗高(干化1kg水一般需耗汽1.1-1.2kg)；固定资产投资大；运行费用高，干化焚烧成本一般是其它工艺的2-4倍。高湿、高灰份的尾气量大，易发生“灰堵”，作业率低，操作条件恶劣，运行费用高；尽管由于采用了申请人发明的(ZL2010101519277，ZL2011201652803，ZL2011201545680)一系列专利有所缓解。但干化产品仍存在下列缺点：这类干化过程主要任务是脱水，恶臭成分(主要是H₂S)未被分解，干污泥的结构基本没有变化，仍为亲水性，亟易吸湿回潮，大多数病菌、孢籽未被杀灭。国内已投运的一些污泥干化系统实践表明，尽管干污泥仓的底部排料锥的锥角远小于干污泥的自然堆角，但干污泥仓仍有死角，仓内干污泥的料面呈漏斗状，在死角处结块，霉变，具恶臭又成为致病毒源的载体。招致立项时承诺与燃煤混烧的发电企业不愿混烧。

针对这一问题，申请人提出了一项“变性炉”专利(CN2012200037750)申请，中试结果表明，可有效解决于污泥有恶嗅、反潮结块、有毒、有害等问题，结构简单，运行流畅，能量自持有余。

即便如此，干化-热解-焚烧仍存在湿污泥要先经干燥脱水，故仍有能耗高的缺点。干化-热解-焚烧的另一些缺点是：由于需要蒸汽，干化过程不能在污水处理厂内实施，需依附在有汽源的发电厂附近，湿污泥只能以半成品形式外运，且含水量大，增加了不合理的运费。而且流程长、投资大、能耗高。

因此，热水解技术的研究、应用倍受关注。目前，已成为国内外研究的热点，发表了大量论文，公开了大量专利。

污泥和有机废弃物热水解(Thermal Hydrolysis)是污泥和有机废弃物在高温、高压和有水条件下，污泥和有机废弃物絮体解体，细胞壁破裂，大分子有机物质(如多醣、蛋白质、脂肪、聚合物等)分解成小分子(如单糖、氨基酸、脂肪酸、烃、含O、N、S、Cl、P等小分子有机化合物)。污泥经高温水解后，性质发生明显改变：由于细胞壁破裂和胞外聚合物(EPS)变性，使结合水变成外在水，改善了污泥的脱水性能；由于有机物的水解与溶解，污泥厌氧可生化性显著提高，加快污泥厌氧消化速率；促进硫化物和氯化物的分解，消除了污泥的恶臭；能彻底杀灭病原菌、寄生虫一切有害微生物。

Broks于1970年发现污泥在高温处理后，有机物发生水解反应，Fisher提出热水解的最佳温度范围为160-180℃。高于此温度范围，污泥中的蛋白质和还原糖发生美拉德反应(Maillard reaction)，产生复杂环状有机物，降低热水解产物的可生化性，不利于后续厌氧消化生产沼气

热水解技术在20世纪30年代开始用于改善污泥脱水性能，70年代末开始用来提高污泥厌氧消化性能，90年代起用于污泥减量化和资源化研究。

热水解脱水装置可以直接建在污水处理厂内，由于占地面积不超过污水处理厂总面积的1％，可实现在污水处理厂就地干化处理，实现污泥“源头治污”，解决脱水污泥运输成本高、中途二次污染隐患及污泥处理选址难等问题。

热水解有两种，即超临界热水解和亚临界热水解。

当热水解的温度和压力高于水的临界点时(374.3℃，22.05MPa)，叫超临界热水解，这时，水的密度和水蒸气的密度相同，水的液体和汽体没有区别，完全交融在一起，成为一种新的呈现高压高温状态的流体。它具以下特征：具有极强的氧化能力，有的物质能够发生自燃，在水中冒出火焰(如CH₄，C₂H₆)，可以与油等物质混合，具有较广的溶解能力；可以以任意比例与氧气、氮气等气体混合，形成单一相。

尽管超临界热水解在技术上有很多优点，但由干工作压力和工作温度过高，特别是分解反应过程对反应容器等设备的腐蚀极为严重，尤其是当反应物料中含有Cl、Br、F等卤族元素及S、P等元素时，会使腐蚀加剧。因此，对处理量庞大的城市污泥和有机废弃物来说，超临界热水解还只是一项有发展前途的潜在技术，商业应用还有待时日。

当热水解的温度和压力低于水的临界点时(374.3℃，22.05MPa)，叫亚临界热水解。亚临界水，(Subcritical Water)具有超溶解、超电离等特性，能在数分钟内使污泥中高分子有机物分解，使污泥改性、除臭、脱毒、灭菌。

污泥亚临界热水解的优点：1.和热力干化相比，安全，无粉尘，不会引起爆炸；没有干化尾气排放，根除了热力干化发生“灰堵”的可能，减少外排污水量。2.通过热水解，改变固相物的持水结构，24小时内靠自然风干即可将含水率降低到20％以下，不像热力干化，水是依靠汽化相变脱水，潜热量大。3.环保水热解是在密闭的反应器中进行的，迅速完成除臭杀菌过程，后续处理不污染环境和产生异味，没有燃烧过程，避免二噁英的产生。4.为进一步资源化利用(如提炼液体燃料和制活性碳)提供了可能。国内外出现了多种亚临界热水解技术。

深圳环源科技发展公司公开了RRS污泥蒸汽热解技术，其技术要点是：以蒸汽热解方式改善污泥的持水结构，将原来不能用机械方式脱除的结合水转变成可以用机械方式脱除的自由水，大大提高其脱水性能；热解使污泥大颗粒变细，比表面积增大，使水分更易从表面蒸发。含水率为80％的湿污泥，经150℃以上的RRS蒸汽热解反应，再经机械脱水，可得到含水率为40-55％的成品，用作有机肥料。这一技术存在以下缺陷：1.要另外配置机械脱水系统，且热解脱水污泥含水率最多只能达到50％左右，而且能耗高，设备可靠性低，最终产品只适宜用作有机肥料，不能处理重金属含量高的污泥；2.需配置蒸汽锅炉和辅机系统，高压装置多，固定资产投资大；3.乏蒸汽直接进入冷凝系统，不仅未回收利用，而且要大量冷却循环水，运行费用高；4.如果要资源化利用(例如气化生产可燃气、提炼液体燃料和制备活性碳等)，还要进行进一步干化。

北京机电院高科技股份有限公司公开了一种和RRS近似的“污泥水热干化技术”。其技术要点是水热干化是密闭的热解反应釜内，用蒸汽对污泥进行热解。污泥经水热干化，能破坏污泥固相物质的持水结构，改善污泥脱水干燥性能，脱水后的成品24小时内自然风干即可便含水率降低到20％以下。这一技术存在以下缺陷：

1.要另外配置机械脱水系统，且热解脱水污泥含水率最多只能达到50％左右，而且能耗高，设备可靠性低；2.需配置蒸汽锅炉和辅机系统，高压装置多，固定资产投资大；3.乏蒸汽直接进入冷凝系统，不仅未回收利用，而且要大量冷却循环水，运行费用高；4.如果要资源化利用(例如气化生产可燃气、提炼液体燃料和制备活性碳等)，还要进行进一步干化。

天津机电进出口有限公司在国内开发出污泥低温碳化处理装置，将含水约80％的污泥首先切碎，进入高压泵，经过预热和加热进入反应釜，在反应釜反应15～20分钟后，经过冷却器就变成了裂解液，污泥从原来的半固体状态变成了液态。液态裂解液经普通脱水装置即可将其中75％的水分脱出，达到含水率50％，体积减小为原来的40％以下。如果脱水后的污泥进一步烘干，即可达到含水率35％以下。

其技术要点是：将含水率为80％的湿污泥经切碎、搅拌后，加入催化剂和卤素添加剂，通过高压柱塞泵加压，经与裂解液换热器和导热油加热器加热到210-260℃，送到反应器中，停留12分钟，污泥发生裂解成液态，将热的裂解液在换热器中将原料污泥从室温提高到120-150℃，裂解液被冷却到80℃以下，经安装在冷却器后的背压装置外排。背压装置保证系统各点的压力在相应点的饱和压力以上，以避免蒸发过程的发生。常压状态下的裂解液经常规机械脱水可将污泥的含水率降到50％以下，可直接进行填埋，也可根据其中的组成选择适宜的资源化利用。这一技术存在以下缺陷：

1.要另外配置机械脱水系统，且热解脱水污泥含水率最多只能达到50％左右，而且能耗高，设备可靠性低；2.流程长，高压装置多，固定资产投资大；3.如果要资源化利用(例如气化生产可燃气、提炼液体燃料和制备活性碳等)，还要进行进一步干化。

环大环保科技(上海)有限公司公开了“生活垃圾高压蒸汽催化水解设备”简称HPS技术(Highken Processing System环垦有机垃圾循环处理工艺系统)，(ZL200620046123.x).它是一台带搅拌机构榄形蒸煮釜，中间的上部有投料口，下部有卸料口。工作时，往蒸煮釜内通入高压过热蒸汽(最大压力为2.5MPa，最高温度为250℃)下，在一定蒸煮时间内，使生活垃圾中的有机物水解。这种设备不仅没有脱水功能，而且水解产品的含水量还有所提高。不适宜用于处理城市污泥。

罗琼等将京、津两市的城市污泥加入少量(10％)的稻壳粉，在蒸汽压为3MPa、230℃下，保持30分钟进行热水解，水解样品的栽培试验表明，城市污泥热水解产物配施半量化肥比单施全量化肥，可节省化肥，提高小白菜品质和土壤肥力。对于重金属含量不高的城市污泥来说，这无疑是一种资源化的一种可选的途迳。

广州大学公开了一种印染污泥热解处理装置以及污泥处理方法(ZL201110190200.4)。该项专利要点是：在外热式管式热解腔中，依靠自产可燃气体和液体燃料作为热源，在常压下，热解温度为400℃，热解时间20分钟，或热解温度为500℃，热解时间10分钟，将湿污泥碳化制成复合吸附剂。笔者认为，这一专利的可行性有待商榷。首先，从印染污泥干物质的发热量计算表明，要将含水率高达80％的湿污泥，采用蒸发脱水，能量难以自持；其次，该项专利只进行简单的碳化，并未进行活化，制成的复合吸附剂的活性值得怀疑。中国人民大学公开了一种“生物质液化油及其制备方法”(ZL200910237480.2)。其要点是：将北京市高碑店污水处理厂含水率为80％的湿污泥1000克，装于2升的高压反应釜内，加热反应。进行了添加和不加催化剂、采用和不采用保护气和不同反应温度对反应时间的对比试验。试验结果表明，利用本法得到的生物质液化油，具有产率高、热值高、含氢量高、含氧量低的特点。

申请人认为该项专利只是实验室结果，如何进行脱水？油水如何分离？产业化如何配套？系统能耗多少？…等等，有待进一步研究。距离产业化实施，尚有很多不确定因素。

中国矿业大学公开了一种“城市污泥与农业废弃物共热解制油工艺”(ZL200910184253.8)，其要点是：将干基重量为30-90％的城市污泥和干基重量为10-70％的农业废弃物按比例混合均匀后进行干燥(干燥温度不高于250℃)，然后将干燥后的混合物入罐隔绝空气热解(温度为400-750℃)，热解气态产物通过冷凝，得到油、水溶性液体和不凝气，再经油-水分离，固体残渣可制造吸附剂。据称热解所需能量可以自给。

申请人认为干燥温度不高于250℃值得质疑，实验表明，城市污泥的干燥温度到150℃时污泥中的有机物就会发生分解，热解所需能量可以自给的结论，也缺乏理论计算和实际数据支撑。

同济大学公开了“一种污泥吸附剂的制备方法及其应用”(ZL200910050238.4)其要点是：在实验室小型管式电阻炉内，将干化的城市污泥，在氮气或其它稀有气体保护下，升温至400-600C，停留10-60分钟后冷却到室温，得到污泥第一次热解产品，将第一次热解产品与碳酸氢钠活化剂混匀(碳酸氢钠与污泥的质量比范围为0.1-3，再置于管式电阻炉中，用氮气保护，升温至400-800℃，停留10-120分钟，冷却后经后处理，就可得到吸附剂产品。

申请人认为，用碳酸氢钠代替氢氧化钾作为活化剂是其优点，但要求污泥先行干化，而且采用两次热解，流程长、能耗高。

综上所述，现有的亚临界热水解技术各有缺点。它们只改善污泥的持水特性，水解和干化未能一体化，需另配机械脱水设备进一步脱水，此外，还要另配锅炉系统，高压设备多，流程长，能耗高，投资大。

发明内容

为克服现有亚临界热水解的缺点，本发明提供了一种污泥热水解-干化一体化的新工艺。是由污泥储存和输送系统，冷却循环水系统，导热油供热系统，热水解反应系统，产成品储存和输送系统，热量回收系统和尾气处理系统所组成。其特征在于：在热水解反应过程中采用了本发明的核心技术，即低干度、多次排、脱水法(Low dryness of wet stean，Multiple discharge steam，Dehydtation)简称L.M.D法。其优点在于能使污泥在热水解的同时，通过多次排汽，可将含水率降低到需要的程度，而且排汽的干度很低。

下面结合附图和典型的实施例，对本发明作进一步的描述。

应说明，所述附图和实施例是用来说明本发明，并非用于限制本发明的范围。在阅读本发明后，如对本发明作各种改动或修改，都属于等价的改动或修改，同样包括于本申请所附权利要求书限定的范围内。

附图说明

图1是L.M.D热水解法系统图，图2是热水解产品的可能利用方向。图中，热水解反应釜1，闪蒸罐2，热水解产品储罐3，污泥进料阀4，不凝气排放阀6，安全阀接口7，釜内加热芯8，闪蒸罐分凝器9，热水解产品卸料阀10，凝结水排水阀11。

所述热水解反应釜1属于压力容器，它是由外壳、封头、釜内加热芯8、釜外加热盘管、排汽阀5、导热油进出口接管、污泥进料阀4、热水解产品卸料阀10、安全阀接管7、温度计、压力计和支架所组成。其特征在于所述釜内加热芯8是一种特制的螺旋板壳式换热器，用导热油进行加热，其结构和原理申请人另案申请。在热水解反应釜1的外侧设置有釜外加热盘管，它是公知技术，无需赘述。

所述闪蒸罐2属于压力容器，它是由外壳、封头、闪蒸罐冷凝器、进汽阀、冷却循环水进出口、凝水阀11、不凝气排放阀6、安全阀接管7、温度计、压力计和支架所组成。其特征在于所述闪蒸罐2内设置有分凝器9是一种特制的螺旋板壳式换热器，用冷凝循环水将排汽冷凝，其结构和原理申请人另案申请。

所述热水解产品储罐3是一个具锥底的常压容器。通常每一台热水解反应釜1配置一台热水解产品储罐3，而每一台闪蒸罐2可配置二台或二台以上热水解反应釜。

L.M.D热水解法可表述如下：将湿污泥(含水率约80％左右)经污泥进料阀4装入热水解釜1中，用导热油进行加热，到低于水的临界点的某一压力(以下简称“排汽压力”)，停留一定时间后，打开排汽阀5，将热水解釜1中低干度(排汽的干度低于0.07)的汽-液混合物送往闪蒸罐2中进行闪蒸，闪蒸罐2中维持一个较低的闪蒸压力，及至热水解釜1中的压力与闪蒸罐2中的压力平衡后，关闭热水解釜的排气阀5完成了一次排汽。

混合物中的蒸汽被闪蒸罐中的冷凝芯冷凝成液态，和混合物中的液态水汇合，经凝结水排水阀11外排。排汽中的不凝气经不凝气排放阀6送往尾气处理系统。继续将热水解釜中的污泥加热到设定的排汽压力，停留一定时间后，打开排汽阀5使水解釜1中低干度的汽-液混合物送往闪蒸罐2中进行闪蒸，及至热水解釜中的压力与闪蒸罐中的压力平衡后，关闭热水解釜的排气阀5完成了第二次排汽。混合物中的蒸汽被闪蒸罐中的冷凝芯冷凝成液态，和混合物中的液态水汇合外排。继续以上操作，可实现多次排汽，热水解产品的含水率随排汽次数的增加而减少，直至将污泥干燥到所需的含水率。

适宜的排汽压力和闪蒸压力与污泥的种类有关，对于宁波北仑岩东污水处理厂的污泥，适宜的排汽压力为4MPa，闪蒸压力为0.4MPa。实践证明，经过四次排汽，可获得含水率低于40％的热水解产品。

热水解工艺使城市污泥达到稳定化、减量化、无害化，为资源化利用开辟了广阔的应用前景。图2为热水解产品的可能利用方向。选择热水解产品利用方向和加工途迳，应根据污泥的成分、市场需求，因地制宜地来确定。例如，由于热水解后极大地改善了污泥的持水特性，只需经一次排汽，就能提高风干性能，如在相对湿度低的地区，可建风干棚、地暖或太阳能进一步降低含水率，对于相对湿度较高而又有低温余热的地区，可考虑采用申请人另案申请的“一种盘式干化机”进行进一步干燥。当污泥中重金属含量低，当地农业和林木花卉对肥料需求量大，则热水解的脱水深度可以较低，作为肥料和土壤保湿剂，或与农业废弃物混合生产沼气，沼池泥回田利用。当污泥中重金属含量高，则要提高热水解的脱水深度，掺煤混烧发电，炉渣作建材，或作生产水泥或其它建材的燃料，将重金属固定。当污泥中固含物中氢/碳比较高，热解时产油率较高，可考虑提炼液体燃料。当污泥中固含物中碳含量较高，且市场需求量大，可考虑生产活性碳，这时，在热水解原料中预先加入化学活化剂，并进一步经干燥-碳化-活化一体化炉中进行物理活化(该项专利另案申请)。

有益效果

L.M.D热水解法有一系列优点。1.使热水解和干化一体化，不需另配锅炉，高压装置少，占地面积小，投资省，摆脱了污泥干化必需依附在发电厂内，热水解脱水装置可以直接建在污水处理厂内，可实现在污水处理厂就地干化处理，实现污泥“源头治污”，解决脱水污泥对外运输成本高、中途二次污染隐患及污泥处理选址难等问题；2.污泥中的水份绝大多数未发生相变就能脱除，无需另配机械脱水系统，能耗低，运行费用少；3.使城市污泥达到稳定化、减量化、无害化，为资源化利用开辟了广阔的应用前景。操作自由度大，产品的含水率可控范围广，可以根据产品的应用方向方便的调节。

Claims (6)

1.一种污泥热水解-干化一体化的新工艺，属于亚临界热水解，设备系统中包含有热水解反应釜1，闪蒸罐2和热水解产品储罐3，其特征在于所述亚临界热水解，采用了一种低干度，多次排的脱水法，即L.M.D.脱水法。

2.根据权利要求1所述的污泥热水解-干化一体化的新工艺，其特征在于适宜的排汽压力和闪蒸压力与污泥的种类有关，对于宁波北仑岩东污水处理厂的污泥，适宜的排汽压力为4MPa，闪蒸压力为0.4MPa，实践证明，经过四次排汽，可获得含水率低于40％的热水解产品。

3.根据权利要求1所述的污泥热水解-干化一体化的新工艺，所述热水解反应釜1属于压力容器，它是由外壳、封头、釜内加热芯、釜外加热盘管、排汽阀、导热油进出口接管、污泥进料阀、热水解产品卸料阀、安全阀、温度计、压力计和支架所组成，其特征在于所述釜内加热芯8是一种特制的螺旋板壳式换热器。

4.根据权利要求1所述的污泥热水解-干化一体化的新工艺，所述闪蒸罐2属于压力容器，它是由外壳、封头、闪蒸罐冷凝器、进汽阀、冷却循环水进出口、凝结水出口接管、不凝气出口、安全阀、温度计、压力计和支架所组成，其特征在于所述闪蒸罐内的冷凝器9是一种特制的螺旋板壳式换热器。

5.根据权利要求1所述的污泥热水解-干化一体化的新工艺，所述热水解产品储罐3是一个具锥底的常压容器。

6.根据权利要求1所述的污泥热水解-干化一体化的新工艺，其特征在于每一台热水解反应釜1通常配置一台热水解产品储罐3，而每一台闪蒸罐2可配置二台或二台以上热水解反应釜1。

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