CN103626364B - 高含固率城市污泥的超临界水氧化处理及发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高含固率城市污泥的超临界水氧化处理及发电系统，高含固率城市污泥依次进入过滤池和均质池进行预处理，然后利用高压隔膜泵输运到系统中进行超临界水氧化处理，系统运行过程中充分利用反应后高温流体预热进料，采用较低的氧化系数，富余的热量产生超高压蒸汽用于发电；反应器上部为，下部为亚临界区，在反应器上部超临界区析出的无机盐依靠惯性和重力落入反应器下部亚临界区重新溶解，含固（不溶解盐）浓盐水依次进入冷却器和毛细管降压器进行冷却降压。

Description

高含固率城市污泥的超临界水氧化处理及发电系统

技术领域

本发明涉及一种利用超临界水氧化技术SCWO对高含固率（质量含固率为6%～15%）城市污泥进行无害化处理和资源化利用的系统。

背景技术

超临界水是指温度和压力均高于其临界点（T=374.15℃，P=22.12MPa）的特殊状态的水。超临界水兼具液态和气态水的性质，该状态下只有少量的氢键存在，介电常数近似于极性有机溶剂。有机物、氧气与超临界水互溶，而无机盐在超临界水中的溶解度极低。超临界水氧化技术（Supercritical WaterOxidation，简称SCWO）是利用超临界水的性质使有机污染物在富氧的超临界水环境中进行均相反应，将有机物转化成H₂O、CO₂等无害化小分子化合物和无机盐。SCWO主要应用于城市污泥及高浓度难生化降解有机废水的高效无害化处理。该技术反应速率快，反应时间短，有机物分解率大于99%，反应系统完全封闭，无二次污染，无机盐容易分离出来，当有机物质量浓度大于2%时可实现自热反应，能量回收优化时运行成本低，具有经济优势，在取代传统焚烧法方面具有光明的发展前景。因此，SCWO的发展在国内外受到广泛关注。目前，国外已有少量商业化SCWO装置正在运行，用于城市污泥等有机物污染物的高效低成本处理，而在国内该技术还处于起步阶段，尚未见有商业化装置运行的实例。

城市污泥中含有大量的有机污染物，高含固率的脱水污泥通常化学需氧量（COD）大于100000mg/L，可以利用SCWO实现这类城市污泥无害化处理。因是放热反应过程，有大量的热量释放，可以满足系统自热需要，且有大量的热量富余，通常这些富余的热量可以用来产生热水或低品位的蒸汽输出给用户。但是，因为城市污泥SCWO装置通常会建在城市污水处理厂旁边，附近通常没有使用热水或蒸汽的市场需要，长距离输送经济性较差，因此，这些副产品难以出售，导致无法获得经济收益，所有最好能将高含固率城市污泥的超临界水氧化过程中释放的热量转化成电力就近输出。当处理含固率低（质量含量率小于6%）的城市污泥时，因其有机物质量浓度低，可能无法实现副产品收益，甚至无法实现系统自热而需要额外补充热量，造成较高的运行成本。此外，氧化剂的用量也是决定SCWO运行成本最重要的因素之一。因此，要保证城市污泥SCWO装置运行的经济性，需要尽量处理高含固率的城市污泥，尽量降低氧化剂的使用量，且提高其副产品收益。

高含固率城市污泥超临界水氧化系统的稳定可靠运行，还需要克服反应器的腐蚀问题，以及因无机盐在超临界水中沉积导致的反应器堵塞问题。这是因为：高温高压的反应条件以及城市污泥中含有的腐蚀性物质会引起反应器的腐蚀问题，降低反应器的使用寿命，影响SCWO装置运行的安全性。此外，无机盐在超临界水中的溶解度极低，通常小于100mg/L。城市污泥SCWO过程中析出的无机盐会在反应器内表面沉积，逐渐导致反应器或出口管路堵塞，进而引起整套装置停机、冲洗和再启动，影响装置运行的可靠性。

目前，城市污泥超临界水氧化处理系统尚未理想地解决高运行成本、反应器腐蚀和堵塞问题。因此，针对城市污泥超临界水氧化处理系统的开发还在发展之中，尚未见有高含固率城市污泥的超临界水氧化无害化处理及发电系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种可有效克服反应器腐蚀、堵塞及运行成本高的高含固率城市污泥SCWO无害化处理及资源化利用的系统。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种高含固率城市污泥的超临界水氧化处理及发电系统，其特征在于，包括泥沙过滤池，该泥沙过滤池的出口通过均化处理装置与高压隔膜泵的进口连通，该高压隔膜泵的出口连通第一换热器的壳侧入口，第一换热器的壳侧出口分两路，一路与面式减温器的管侧入口直接连通，另一路通过加热装置与面式减温器的管侧入口连通；面式减温器管侧出口与混合器入口连通，该混合器的入口同时连通氧气输送装置；混合器出口与一个超临界水氧化的反应器入口连通，该反应器顶部出口分别连通再热器、蒸汽发生器和第一换热器的管侧入口；所述再热器、蒸汽发生器和第一换热器的管侧出口均与第二换热器的管侧入口相连，第二换热器的管侧出口与高压汽液分离器入口相连，高压汽液分离器顶部的气体出口通过第一背压阀输出二氧化碳；高压汽液分离器底部的液体出口通过第二背压阀无污染排放；反应器底部出口连通冷却器的管侧入口，冷却器的管侧出口连接沉淀装置；所述面式减温器、冷却器和第二换热器，它们的壳侧入口均与一个软化水供应装置连通；面式减温器、冷却器和第二换热器，它们的壳侧出口均与蒸汽发生器壳侧入口连通；该蒸汽发生器的壳侧出口与一个蒸汽发电装置相连；所述高压隔膜泵的进口还通过阀门连接一盛有洁净水的敞口集液箱的一个出口，该敞口集液箱另一个出口分两路，一路与高压柱塞泵入口连通，另一路与低压泵入口连通。

上述方案中，所述均化处理装置包括均质池，其入口与泥沙过滤池的出口连通，均质池的出口与高压隔膜泵的入口连通；均质池设有均质泵实现污泥的均化处理。

所述加热装置为燃气炉。

所述氧气供应装置包括液氧贮槽，其出口与低温液氧泵的入口相连，低温液氧泵的泵头排气端与液氧贮槽相连，低温液氧泵的出口与液氧汽化器的入口相连，液氧汽化器的出口与缓冲器的入口相连，缓冲器的出口与混合器另一入口相连。

所述沉淀装置包括沉淀池，沉淀池顶部入口通过一毛细管降压器与冷却器管侧出口相连，沉积池顶部液体出口无污染排放，沉淀池底部出口排放固体物质填埋处理。

所述软化水供应装置包括软化水箱，软化水箱入口连接软化水制备单元，软化水箱出口与低压变频泵入口连通，低压变频泵出口分成四路，分别与软化水箱顶部入口、面式减温器壳侧入口、冷却器壳侧入口、第二换热器壳侧入口相连。

所述蒸汽发电装置包括蒸汽轮机，其入口连接蒸汽发生器壳侧出口，蒸汽轮机的出口与凝汽器壳侧入口相连，凝汽器壳侧的出口与低压泵的入口相连，低压泵的出口与软化水供应装置相连；蒸汽轮机的出口与再热器的壳侧入口连通，再热器的壳侧出口与蒸汽轮机的入口相连，蒸汽轮机与发电机相连，发电机通过变压器与电力输出线路相连；所述凝汽器管侧入口与循环水泵的出口连通，凝汽器管侧的出口输出热水或蒸汽。

本发明系统可以有效降低高含固率城市污泥的超临界水氧化处理及发电系统的运行成本，克服反应器的腐蚀和堵塞问题，保证高含固率城市污泥的超临界水氧化无害化处理及发电系统的可靠连续运行。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明系统的结构示意图。

图中：1为破碎稀释沉砂过滤池，2为均质池，3为污泥均质泵，4为高压隔膜泵，5为第一换热器，6为燃气炉，7为面式减温器，8为液氧贮槽，9为低温液氧泵，10为液氧汽化器，11为缓冲器，12为混合器，13为反应器，14为冷却器，15为毛细管降压器，16为沉淀池，17为敞口集液箱，18为高压柱塞泵，19为蒸汽发生器，20为第二换热器，21为高压汽液分离器，22为第一背压阀，23为第二背压阀，24为水质在线监测仪，25为软化水制备单元，26为软化水箱，27为低压变频泵，28为再热器，29为蒸汽轮机，30为凝汽器，31为低压泵，32为循环水泵，33为发电机，34为变压器，V1～V5为阀门。

图1中的图例和仪表代码含义见表1

表1

具体实施方式

参照图1，本发明高含固率城市污泥的超临界水氧化无害化处理及发电系统的连接关系如下：

1）破碎稀释沉砂过滤池1出口端与均质池2入口端连接，均质池2底部出口端与污泥均质泵3入口端连通，污泥均质泵3出口端与均质池2上部入口端连通，均质池2另一出口端与高压隔膜泵4入口端连通，高压隔膜泵4出口端与第一换热器5壳侧入口端连通，第一换热器5壳侧出口端与燃气炉6进口端连通，燃气炉6出口端与面式减温器7管侧入口端连通。此外，第一换热器5壳侧出口端与面式减温器7管侧入口端直接连通，面式减温器7管侧出口端与混合器12入口端连通。液氧贮槽8出口端与低温液氧泵9入口端连接，低温液氧泵9泵头排气端与液氧贮槽8连通，低温液氧泵9出口端与液氧汽化器10入口端连接，液氧汽化器10出口端与缓冲器11入口端连接，缓冲器11出口端与混合器12另一入口端连通。

2）混合器12出口端与反应器13顶部入口端连通，反应器13顶部出口端一路与再热器28管侧入口端连通，另一路又分成两股，其中一股与蒸汽发生器19管侧入口端连通，另一股与第一换热器5管侧入口端连通，再热器28管侧出口端、蒸汽发生器19与第一换热器5的管侧出口端与第二换热器20管侧入口端相连，第二换热器20管侧出口端与高压汽液分离器21入口端相连，高压汽液分离器21顶部气体出口端与第一背压阀22入口端连通，第一背压阀22出口端与输出二氧化碳气体管路相连。高压汽液分离器21底部出口端与第二背压阀23入口端连接，第二背压阀23出口端与水质在线监测仪24入口端相连，水质在线监测仪24出口端与无污染排放管路连接。

3）反应器13底部出口端与冷却器14管侧入口端连通，冷却器14管侧出口端与毛细管降压15器入口端连通，毛细管降压器15出口端与沉淀池16顶部入口端相连，沉积池16顶部出口端与液体无污染排放管路连通，沉淀池16底部出口端与进行填埋处理固体物质排出管路连通。敞口集液箱17顶部入口端与洁净水充注管路连接，敞口集液箱17底部出口端与高压隔膜泵4入口端连通，敞口集液箱17另一出口端分成两路，一路与高压柱塞泵18入口端连通，另一路与低压泵32入口端相连。

4）软化水制备单元25出口端与软化水箱26入口端相连，软化水箱26出口端与低压变频泵27入口端连通，低压变频泵27出口端分成两路，一路与软化水箱26顶部入口端相连，另一路又分成两路，一路与第二换热器20壳侧入口端相连，另一路又分成股，一股与面式减温器7壳侧入口端连通，另一股与冷却器14壳侧入口端连通。面式减温器7壳侧出口端、冷却器14壳侧出口端、第二换热器20壳侧出口端均与蒸汽发生器19壳侧入口端连通。

5）蒸汽发生器19壳侧出口端与蒸汽轮机29蒸汽入口端相连，蒸汽轮机29蒸汽出口端与凝汽器30入口端相连，凝汽器30出口端与循环水泵31入口端相连，循环水泵31出口端与软化水箱相连。蒸汽轮机29上再热蒸汽出口端与再热器28壳侧入口端连通，再热器28壳侧出口端与蒸汽轮机29上再热蒸汽入口端相连，蒸汽轮29机与发电机33相连，发电机33与变压器34相连，变压器34出口端与电力输出线路相连。循环水泵32的出口端与凝汽器30管侧入口端连通，凝汽器30管侧出口端与热水或蒸汽输出管路相连。

图1系统的工作原理如下：

1）城市污泥进入破碎稀释沉砂过滤池1，经过破碎、稀释、沉砂、过滤后进入均质池2，再通过污泥均质泵3进行均匀化处理，然后进入高压隔膜泵4，经过高压隔膜泵4加压输送到第一换热器5壳侧，被第一换热器5管侧的反应后高温流体预热后进入面式减温器7（当系统启动时，关闭阀门V3，开启阀门V4和V5，才启动燃气炉6，用于系统加热；正常运行时燃气炉6不投入运行，即关闭阀门V4和V5，开启阀门V3，燃气炉6不启动），然后再进入混合器12。面式减温器7在安全控制和温度控制时投入使用，通过向面式减温器7壳侧通入冷却水，可以实现面式减温器7管侧出口流体的温度控制，进而实现反应器13的安全控制和温度控制。液氧贮槽8中的液体氧气进入低温液氧泵9，经过低温液氧泵9流量调节和加压后进入液氧汽化器10汽化成气态，气态氧气再进入缓冲器11缓冲后进入混合器12。

2）氧气和被预热后的城市污泥在混合器12混合后进入反应器13，反应流量逆流从反应器13顶部出口流出，一路进入再热器28管侧预热再热蒸汽，另一路又分成两股，其中一股进入蒸汽发生器19管侧加热壳侧的软化水使其形成蒸汽，另一股进入第一换热器5管侧预热壳侧的城市污泥，从再热器28、蒸汽发生器19与第一换热器5的管侧出口流出的反应后流体混合后，再进入第二换热器20管侧加热壳侧的软化水，自身被冷却到35℃左右，然后进入高压汽液分离器21进行气液分离。高压汽液分离器21分离出的二氧化碳气体经过第一背压阀22降压到常压后向外输出，可以灌装或用于其它工艺需求。从高压汽液分离器21底部分离出的液体经过第二背压阀23降压到常压后，进入水质在线监测仪24，然后无污染排放。

3）反应器13底部为亚临界区，超临界条件下析出的无机盐依靠惯性和重力作用进入亚临界区重新溶解，然后进入冷却器14管侧被壳侧的软化水冷却至35℃左右，再进入毛细管降压器15压力被降低到常压，再进入沉淀池16沉淀出固体物质，排出的固体物质进行填埋处理，从沉积池16顶部出口端流出的液体可以无污染排放。敞口集液箱17底部出口端与高压隔膜泵4入口端连通，当系统启动时，关闭阀门V1，开启阀门V2，系统的进料为来自敞口集液箱中洁净水；当完成系统启动时，开启阀门V1，关闭阀门V2，系统的进料为城市污泥。此外，来自敞口集液箱17的另一路洁净水经过高压柱塞泵18加压和流量调节后进入反应器13底部，混合冷却反应器底部的流体，形成350℃左右的亚临界区。

4）软化水制备单元25制备的软化水进入软化水箱26，然后进入低压变频泵27流量调节和加压后，一路进入第二换热器20壳侧冷却管侧的反应后流体，从低压变频泵27流出的另一路软化水进入冷却器14的壳侧冷却管侧反应器13底部出口流出的高含盐流体。当需要进行反应器13的安全控制和温度控制时，还有一路进入面式减温器7壳侧冷却管侧的城市污泥进料。当满足以上三路流体流量控制需求后，从低压变频泵27流出的富余流体经旁路返回到软化水箱26。面式减温器7壳侧出口端、冷却器14壳侧出口端、第二换热器20壳侧出口端流出的软化水均进入蒸汽发生器19壳侧，被进入蒸汽发生器19管侧反应后高温流体加热，形成高温高压的蒸汽（14MPa、540℃）。

5）蒸汽发生器19壳侧流出的高温高压蒸汽进入蒸汽轮机29膨胀做功，热能转化成蒸汽轮机29叶轮的旋转动能，然后带动发电机33旋转发电，再通过变压器34变压后输出电力。为了提高发电效率，蒸汽轮机29中间位置膨胀做功后蒸汽引入再热器28壳侧经管侧反应后的高温流体加热后重新回到蒸汽轮机29的低压端继续膨胀做功，做功后的蒸汽进入凝汽器30壳侧被管侧的低温洁净水冷却后，然后经低压泵31重新回到软化水箱26。来自敞口集液箱17的洁净水经过循环水泵32流量调节后进入凝汽器30管侧冷却壳侧的蒸汽，自身形成热水或蒸汽对外输出。

图1所示高含固率城市污泥的超临界水氧化无害化处理及发电系统的主要优点是：

1)为降低高含固率城市污泥的超临界水氧化无害化处理及发电系统的运行成本，本系统处理高含固率(6%～15%)的城市污泥,因其含有大量有机物反应放热能够满足系统自热需要，且富余的热量可以产生超高压蒸汽（14MPa、540℃）用于发电，发电流程中进行了蒸汽再热有助于提高发电效率，既获得了高品位能源，又解决了采用热量输出形式存在无用户的风险问题，获得了副产品收益，有效降低了系统的运行成本。高含固率城市污泥首先进入破碎稀释沉砂过滤池1进行预处理，然后再进入均质池2，利用污泥均质泵3进行均匀化处理，然后再经过高压隔膜泵4输运到系统中。系统采用1.05倍的氧化系数（实际加入的氧气量与有机物去除所需的理论需氧量之比），正常运行过程中充分利用反应后高温流体预热城市污泥进料，燃气炉6不投入运行。这些方法的耦合使用都能够在满足高含固率城市污泥整体处理达标排放要求的前提下，有效降低高含固率城市污泥的超临界水氧化处理及发电系统的运行成本。

2）本系统为了降低反应器造价且同时解决反应器腐蚀和反应器堵塞问题，反应器13采用的逆流粗管式反应器，承压壁内壁堆焊Inconel625合金，反应器13中心管采用Inconel625合金，反应器13最大工作温度为620℃，最大工作压力为26MPa，承压壁材质为TP347H。反应器13上部约为600℃超临界区，下部约为350℃的亚临界区，通过调节和控制高压柱塞泵18的流量，向反应器底部注入低温（约20℃）冷却水，形成亚临界区，在反应器13上部超临界区析出的无机盐依靠惯性和重力作用落入反应器底部的亚临界区，然后重新溶解，含固（不溶解盐）浓盐水进入冷却器被冷却35℃左右，然后进入毛细管降压器15，降低到常压后排入沉淀池16。在反应器中脱盐后的反应流体逆流通过反应器13顶部出口流出反应器。通过上述方案，从而有效降低反应器13造价，克服反应器13的腐蚀和堵塞问题，保证高含固率城市污的泥超临界水氧化无害化处理及发电系统的可靠连续运行。

Claims (3)

1.一种高含固率城市污泥的超临界水氧化处理及发电系统，其特征在于，包括泥沙过滤池，该泥沙过滤池的出口通过均化处理装置与高压隔膜泵的进口连通，该高压隔膜泵的出口连通第一换热器的壳侧入口，第一换热器的壳侧出口分两路，一路与面式减温器的管侧入口直接连通，另一路通过加热装置与面式减温器的管侧入口连通；面式减温器管侧出口与混合器入口连通，该混合器的入口同时连通氧气输送装置；混合器出口与一个超临界水氧化的反应器入口连通，该反应器顶部出口分别连通再热器、蒸汽发生器和第一换热器的管侧入口；所述再热器、蒸汽发生器和第一换热器的管侧出口均与第二换热器的管侧入口相连，第二换热器的管侧出口与高压汽液分离器入口相连，高压汽液分离器顶部的气体出口通过第一背压阀输出二氧化碳；高压汽液分离器底部的液体出口通过第二背压阀无污染排放；反应器底部出口连通冷却器的管侧入口，冷却器的管侧出口连接沉淀装置；所述面式减温器、冷却器和第二换热器，它们的壳侧入口均与一个软化水供应装置连通；面式减温器、冷却器和第二换热器，它们的壳侧出口均与蒸汽发生器壳侧入口连通；该蒸汽发生器的壳侧出口与一个蒸汽发电装置相连；所述高压隔膜泵的进口还通过阀门连接一盛有洁净水的敞口集液箱的一个出口，该敞口集液箱另一个出口分两路，一路与高压柱塞泵入口连通，另一路与低压泵入口连通。

2.如权利要求1所述的高含固率城市污泥的超临界水氧化处理及发电系统，其特征在于，所述沉淀装置包括沉淀池，沉淀池顶部入口通过一毛细管降压器与冷却器管侧出口相连，沉积池顶部液体出口无污染排放，沉淀池底部出口排放固体物质填埋处理。

3.如权利要求1所述的高含固率城市污泥的超临界水氧化处理及发电系统，其特征在于，所述软化水供应装置包括软化水箱，软化水箱入口连接软化水制备单元，软化水箱出口与低压变频泵入口连通，低压变频泵出口分成四路，分别与软化水箱顶部入口、面式减温器壳侧入口、冷却器壳侧入口、第二换热器壳侧入口相连。