CN103833190A - 一种两段式污泥处理的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两段式污泥处理的方法和系统。所述的两段式污泥处理方法包括在两个不同的装置中在超临界水条件下分别进行的污泥气化反应和污泥氧化反应，其中所述污泥气化反应包括：将污泥预热，得到高温污泥，和将高温污泥送入气化反应器中，发生气化反应，形成气化反应后物料；而所述污泥氧化反应包括：将所述气化反应后物料通过第一分离装置进行分离，分别得到气相物料和液固相物料，并将液固相物料作为所述污泥氧化反应原料的至少一部分送入氧化反应器中，发生氧化反应，形成氧化反应后物料；并且使所述氧化反应后物料与所述高温污泥通过所述气化反应器进行换热，从而实现了利用氧化反应所放出的热量为气化反应提供所需的热量。

Description

一种两段式污泥处理的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于处理污泥的两段式污泥处理方法和系统，具体地，涉及在超临界水条件下污泥气化制合成气并通过部分氧化气化产物以实现自热式污泥气化的目的的气体方法及系统。

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，介电常数近似于有机溶剂，具有高的扩散系数和低的粘度。在足够高的压力下，有机物、氧气能按任意比例与超临界水互溶，从而使非均相反应变为均相反应，大大减少了传热、传质的阻力，并且无机物特别是盐类在超临界水中的溶解度极低，容易将其分离出来。

近年来，随着经济的快速发展带动了城市化进程的加快，城市污水处理量也越来越大，污水处理后产生的污泥数量随之增加，仅以一个中小城市为例，一个污水处理厂产生的活性污泥每天达到100吨以上，而且这个数量还在不断增长，大城市的水处理污泥数量就更多了。因城市污泥的急剧增加而又无法处理掉，给城市的环境带来了严重的污染，也给城市建设设置了很大的障碍，水处理污泥成为城市发展的瓶颈之一。经测试，城市污水处理后的污泥的热值达5～15MJ/kg左右，具有很高的热值，从污泥当中回收能量，不仅解决了环境污染问题，回收的热量还可以发电或生产低压蒸汽，将污泥变废为宝，实现无害化、减量化、资源化利用的目的。

传统的污泥焚烧处理方案，大都是先将污泥收集和脱水干燥处理后再加入大量的可燃物引燃，放入焚烧炉中进行焚烧。这种焚烧方式一方面因污泥热值较低，且水分含量大(污泥当中大约含有80％左右的水分，这些水分一部分存在于生物质细胞内，另外还有相当一部分与污泥沉降过程产生的絮凝剂紧密地结合在一起，形成絮凝剂水合物，这部分水分在空气当中放置数天也很难去除其中的水分，即便在100℃恒温烘箱内仍需要5小时以上，在实际利用污泥气化时由于能量密度低难以得到高效的利用)，致使炉膛温度低，燃烧不充分可回收的热量也少，所以通常还与煤、石油焦等热值更高的燃料掺混燃烧，燃烧后还会有较多燃烧不充分的固体残渣，同时尾气当中含有大量硫氧化物、氮氧化物以及二噁英类有毒有害气体，对大气、人体健康均产生不良影响。

污泥等有机质的超临界水气化技术是利用水在超临界状态下所具有的特殊性质，使有机物在超临界水介质中迅速发生反应来彻底分解有机物，最终生成CH₄、H₂、CO、CO₂等气体，合成气经进一步分离可作化工原料或燃料。

污泥本身含有一定量的无机盐类化合物，如钠盐、钾盐等，这些无机盐对气化过程起到一定的催化作用，气化过程可不必额外补充催化剂即能很好地气化污泥当中的有机质，获得氢气、甲烷富集的有效气体。

通常情况下，污水处理厂在污水处理过程中经絮凝沉降后产生的泥浆经带式过滤机过滤后，污泥的浓度为20％左右，此时的污泥呈膏状，没有流动性，并且污泥的粒度分布较宽，部分有机质如纤维素等难以研磨。工业当中处理污泥需要进一步稀释和研磨，使其具有良好的流动性和稳定性，进而以泥浆的形式泵送进入工艺装置再进行进一步处理。适当提高泥浆的温度可以降低流体物料的粘度，提高流体输送的稳定性。

二氧化碳作为一种温室气体，对大气、环境产生越来越严重的影响。碳排放已成为世界各国关注的焦点问题。二氧化碳捕集技术是近几年科学家研究的热点问题之一。但由于化工生产过程中，尾气及工艺装置的复杂性，CO₂的有效捕集是一个非常困难的问题。专利“CN101544419A一种超临界水氧化处理含有有机物污水或污泥的方法及装置”提到了气液分离装置采用串联的第一级气液分离装置和第二级气液分离装置，通过第一级气液分离装置，分出气体经减压阀或经微型汽轮机排入大气，分出的液体为CO₂和水的混合液，混合液再减压或经小型水轮机至第二级气液分离装置，分离出的二氧化碳气体，再经压缩成商品液体二氧化碳，但该专利没有提出明确的工艺条件，具体的分离过程没有明确指出，并且从工艺分离的方法上与本发明也有明显不同。

一般的气化过程，尽管大部分有机质可以被气化生成合成气，但也有一定量的有机质转化为了液态化学品(常温常压条件下)，如烃类、烷基烃类、芳烃类、酚类等有机化合物，在气化废水排放环节因为液体当中COD(化学需氧量)、TOC(总有机碳)等参数过高而难以达不到国家排放标准。当前的比较典型的工艺如鲁奇炉气化过程，直接从气化炉排出的废水COD一般10000mg/L以上，产生多种复杂的烃类、芳烃类化合物，后续废水处理工艺复杂，处理成本高。

发明内容

基于以上问题，本发明提出一种在超临界水状态下污泥气化制合成气并通过部分氧化气化产物以实现自热式污泥气化的目的的两段式污泥气体的方法及工艺。

为此，本发明通过了如下方面：

<1>.一种两段式污泥处理方法，所述的两段式污泥处理方法包括分别在两个不同的装置中在超临界水条件下进行污泥气化反应和污泥氧化反应，其中所述污泥气化反应包括如下步骤：

a.将污泥预热，得到高温污泥，

b.将高温污泥送入污泥气化反应器中，发生气化反应，形成气化反应后物料；

所述污泥氧化反应包括如下步骤：

c.将所述气化反应后物料通过第一分离装置(1)进行分离，分别得到气相物料和液固相物料，并将液固相物料作为所述污泥氧化反应原料的至少一部分送入污泥氧化反应器中，发生氧化反应，形成氧化反应后物料；

d.使所述氧化反应后物料与所述高温污泥通过所述气化反应器进行换热，得到降温后的氧化反应后物料，以利用氧化反应所放出的热量为气化反应提供所需的热量。

<2>.根据<1>所述的两段式污泥处理方法，其中所述步骤a包括：

使所述污泥经过包括一级预热、二级预热和三级预热在内的至少三级预热，

其中污泥的一级预热的热量由所述污泥气化反应后物料进行分离后的气相提供，所述二级预热的热量由所述污泥气化反应后物料提供，而所述三级预热的热量由所述步骤d中所述的降温后氧化反应后物料提供；

或者

其中污泥的一级预热的热量由所述污泥气化反应后物料进行分离后的气相提供，所述二级预热的热量由所述步骤d中所述的降温后氧化反应后物料提供；所述三级预热的热量由所述污泥气化反应后的物料提供。

<3>.根据以上任一项所述的两段式污泥处理方法，其中所述第一分离装置(1)的分离温度被控制在100～374℃，压力被控制在0.1～40MPa，以使水以液态形式存在，同时CO₂以气态形式存在。

<4>.根据以上任一项所述的两段式污泥处理方法，其中所述方法还包括：所述气化反应后物料经分离后的气相使所述污泥进行一级预热之后，进行任选的冷却处理，然后通过第二分离装置(2)分离得到CO₂和合成气，其中所述第二分离装置(2)的分离温度被控制在31℃以下，压力控制在7.38MPa以上。

<5>.根据以上任一项所述的两段式污泥处理方法，其中所述的污泥气化反应过程的工艺温度被控制在450～700℃，优选550～650℃。

<6>.根据以上任一项所述的两段式污泥处理方法，其中所述的污泥氧化反应过程的工艺温度被控制在600～750℃，压力被控制在22.12～25Mpa。

<7>.根据以上任一项所述的两段式污泥处理方法，其中所述两段式污泥处理方法还包括：在三级预热之后，使污泥进一步与增加的换热器进行换热，以使污泥达到气化工艺温度。

<8>.根据以上任一项所述的两段式污泥处理方法，其中所述一级预热、二级预热和三级预热中每级的工作压力在超临界水的临界压力以上，其中第一级换热冷物料从常温升至100±30℃，二级换热至330±40℃，第三级换热420±50℃。

<9>.一种用于处理污泥的两段式污泥处理系统(设备)，所述系统包括：预热装置，用于使原料污泥进行预热；

气化反应装置，其中经过预热后的原料污泥在气化反应装置中发生污泥的气化反应，形成气化反应后物料；

第一分离装置，经过气化反应后物料在所述第一分离装置进行分离，分别得到气相物料和液固相物料；和

氧化反应装置，在第一分离装置中得到的液固相物料作为污泥氧化反应原料的至少一部分被送入氧化反应器中，发生氧化反应，形成氧化反应后物料，

其中所述气化反应装置还与所述氧化反应装置连接，以使得所述氧化反应后物料与经过换热的高温污泥通过所述气化反应装置进行换热，从而利用氧化反应所放出的热量为气化反应提供所需的热量。

<10>.根据<9>所述的用于处理污泥的两段式污泥处理系统，其中所述预热装置是至少包括一级预热装置、二级预热装置和三级预热装置在内的多级预热装置，其中

所述一级预热装置用于污泥原料与污泥气化氧化反应之后通过第一气化装置获得的气相的热交换；所述二级预热装置用于经过一级预热的污泥与来自气化反应的气化后物料之间的热交换，而所述三级预热用于与由经过液固相氧化放热并与气化反应装置进行换热后的热物料之间的热交换；

或者

其中所述一级预热装置用于污泥原料与污泥气化氧化反应之后通过第一气化装置获得的气相的热交换；所述二级预热用于与由经过液固相氧化放热并与气化反应装置进行换热后的热物料之间的热交换；而所述三级预热装置用于经过二级预热之后的污泥与由气化反应后的物料之间的热交换。

<11>.根据<9>至<10>中任一项所述的系统，还包括：第二分离装置，连接在所述第一预热装置的下游，用于将所述低温氧化反应后物料进行分离，分别得到水和固体残渣。

<12>.根据<9>至<11>中任一项所述的系统，还包括：第三分离装置，连接在所述第三预热装置的下游，用于将经过第三预热装置的气相物料进行分离，分别得到CO₂和合成气。

<13>.根据<9>至<12>中任一项所述的系统，还包括：增加在三级预热之后的换热器。

本发明的两段式污泥处理方法可以实现污泥整体气化过程能量的整合有效利用，而且通过使经第一分离装置1(如附图1和2所示)出来的固液相有机质氧化来为气化过程提供热量，同时也降低了固液相有机质的含量，使下游出水达到国家排放标准。

附图说明

图1是本发明的两段式污泥处理方法的工艺流程图的一个实例。

图2是本发明的两段式污泥处理方法的工艺流程图的另一个实例。

具体实施方式

所谓“两段式污泥处理方法”也可称作两段式污泥气化的方法或工艺，指的是污泥先经过气化过程，再经过氧化过程，氧化过程放出的热量用于维持气化过程所吸收的热量，进而实现自热式污泥气化的目的的这样的一种方法或工艺。

所述“超临界水状态下”是指温度和压力均高于水的临界点，即T≥374.15℃且P≥22.12MPa。

在本发明中，术语“换热”与“预热”可以交替使用。

本发明的第一方面是提供一种两段式污泥处理方法，所述的两段式污泥处理方法包括分别在两个不同的装置中在超临界水条件下进行的污泥气化反应和污泥氧化反应，其中所述污泥气化反应包括如下步骤：

a.将污泥预热，得到高温污泥，

b.将高温污泥送入气化反应器中，发生气化反应，形成气化反应后物料；

所述污泥氧化反应包括如下步骤：

c.将所述气化反应后物料通过第一分离装置(1)进行分离，分别得到气相物料和液固相物料，并将液固相物料作为所述污泥氧化反应原料的至少一部分送入氧化反应器中，发生氧化反应，形成氧化反应后物料；

d.使所述氧化反应后物料与所述高温污泥通过所述气化反应器进行换热，得到降温后的氧化反应后物料，以利用氧化反应所放出的热量为气化反应提供所需的热量。

在一个装置内进行自热式气化反应，由于H₂、CO、CH₄、及其他如烃类、醇醚类或芳烃类等化合物氧化过程的活化能不同(如CO活化能为134kJ/mol、CH₄为179kJ/mol、H₂为390kJ/mol、苯270kJ/mol、苯酚52kJ/mol)，氧化剂会优先和CO、CH₄等气体反应，(H₂相对更难和氧化剂反应)，这样就进而降低了这些气体在气相产品当中的含量，从而导致气相产品单位体积的热值偏低、价格优势减小。

而在本发明中，采用分段式气化工艺则避免了以上问题，通过氧化经第一分离装置分离出来的固液相有机质为气化过程提供热量，同时也降低了固液相有机质的含量，使下游出水达到国家排放标准。

在污泥的处理工艺中，气化反应过程总体为吸热反应，为了维持合适的反应温度，需要对气化过程提供足够的能量，这些能量可以通过外界补偿换热，也可通过自身部分氧化放热获得，但更好的方式是通过氧化气化过程中在液固相产生的有机质来提供气化反应所需要的热量。这种方式的好处在于，气化过程中产生的有机质得以有效利用，为气化过程提供了能量，同时降低了自身排放的有机质含量，降低了直接气化过程废水的处理难度与成本，合理地利用了这部分有机质，使出水达到国家排放标准；这种方式也避免了直接部分氧化气化过程由于合成气中CH₄、H₂等气体的氧化活化能通常低于有机质反应活化能从而更容易优先和氧化剂反应的动力学问题，保证了合成气的收率。本发明的气化反应器可以做成套管式或其他形式的具有换热功能的装置。从有机质气化过程看，升高温度有利于提高合成气收率，从而降低液固相有机质含量；随着温度降低，液固相有机质含量相应增加，气相合成气收率降低。为了获得更多的合成气，温度可以设置得更高，这样做的结果可能导致液固相有机质含量过低，不能满足气化过程所需要吸收的热量。解决的方式可以通过调节气化温度使之得以平衡。通常地，气化温度适当降低或缩短停留时间将会增加固液相中有机质的含量，如气化温度降低50℃，试验发现固液有机质可增加约3％。但是，降低温度往往会使气化反应的反应时间延长，这就要求气化反应装置的容积更大以满足更长的停留时间，然而更合理的方式是可以在液固相当中增加少量其他助燃剂如甲醇、乙醇、丙酮等有机质来保证足够的有机质氧化产生足够多的能量。

在本发明的两段式污泥处理方法中，所述步骤a，即污泥原料的预热过程，包括：使所述污泥经过包括一级预热、二级预热和三级预热在内的至少三级预热，其中污泥的一级预热的热量由所述污泥气化反应后物料进行分离后的气相提供，所述二级预热的热量由所述污泥气化反应后物料提供，而所述三级预热的热量由所述步骤d中所述的降温后氧化反应后物料提供；

或者

其中污泥的一级预热的热量由所述污泥气化反应后物料进行分离后的气相提供，所述二级预热的热量由所述步骤d中所述的降温后氧化反应后物料提供；所述三级预热的热量由所述污泥气化反应后的物料提供。

本发明的这种采用了包括一级换热、二级换热和三级换热在内的至少三级的换热方式，将气化反应后气液相产品作为热源对原料进行预热，最大限度利用工艺热能，提高能量利用效率，也有利于下游产品的分离。

在本发明的两段式污泥处理方法中，其中所述的第一分离装置1的分离温度控制在100～374℃，优选300～374℃，压力控制在0.1～40MPa，优选压力控制在8.6～30MPa，以使水以液态形式存在，同时CO₂以气态形式存在。

本发明的第二方面是提供一种用于处理污泥的两段式污泥处理系统(在本文中，所述系统也可以理解为一种设备)，所述系统包括：用于使原料污泥预热的预热装置，用于污泥气化反应的气化反应装置、用于污泥氧化反应的氧化反应装置和用于分离经过污泥气化反应之后的物料的第一分离装置，其中原料污泥经过预热后被送入气化反应装置中，发生气化反应，形成气化反应后物料；所述气化反应后物料通过第一分离装置进行分离，分别得到气相物料和液固相物料，液固相物料作为所述污泥氧化反应原料的至少一部分被送入氧化反应器中，发生氧化反应，形成氧化反应后物料；所述氧化反应后物料与经过换热的高温污泥通过所述气化反应器进行换热，从而利用氧化反应所放出的热量为气化反应提供所需的热量。

使用本发明的用于处理污泥的两段式污泥处理系统，能够使得所述气化反应装置中发生的气化反应所需要的热量通过发生在所述氧化反应装置中的氧化气化时在液固相产生的有机质来提供，而且所述气化过程产生的液态化学品被提供用作所述氧化过程的原料。

在本发明的两段式污泥处理系统中，所述预热装置是至少包括一级预热装置、二级预热装置和三级预热装置在内的多级预热装置，其中所述一级预热装置用于污泥原料与污泥气化氧化反应之后通过第一气化装置获得的气相的热交换；所述二级预热装置用于经过一级预热的污泥与来自气化反应的气化后产物之间的热交换，或者用于与由经过液固相氧化放热并与气化反应装置进行换热后的热物料之间的热交换；而所述三级预热装置用于经过二级预热之后的污泥与由气化反应后的产物之间的热交换。

在本发明中，所述污泥的氧化反应的温度(通常指平均温度)在600～750℃。平均温度不同于中心温度，即中心温度甚至更高一些。氧化反应的工艺压力需保证在超临界压力以上，即等于或大于22.12MPa，优选22.12～25Mpa。

下面为了更好地描述本发明，下面参考附图1和2来描述本发明的两段式污泥处理方法，其中所述分离1、分离2、分离3也分别是指第一分离装置1，第二分离装置2、第三分离装置3；所述冷却1和冷却2也分别是指第一冷却装置1和第二冷却装置2。图1显示的是本发明的两段式污泥处理方法的一个实例。具体地，在图1中，其工艺过程如下：

污泥原料先进行预处理，例如进行过滤除杂，滤掉较大粒度物质防止进入系统堵塞管路等，配制合适的浓度，例如可以是1％～20％的固体浓度，然后分别经过一级预热、二级预热、三级预热共三级预热之后进入气化反应器，污泥中有机质如废油、植物秸秆碎片(主要化学成份是纤维素)、微生物等在气化反应器中完成气化反应后经过换热后进入第一分离装置1，为了确保进入第一分离装置1的物料温度达到工艺温度(通常是300～374℃)，还可增加一个换热器用以加热或冷却物料温度。污泥原料经过一级预热后进入二级预热装置，并在此与气化后产品进行能量交换，一方面气化产物需要降低温度以保证下游分离过程达到工艺要求，另一方面污泥原料的温度得以进一步升高，更有利于进行气化反应，提高了能量利用的整体效率。产物经过第一分离装置1将气相产物和液固相产物分离，其中气相产物由于具有较高的温度，可以作为污泥原料一级预热的能量来源。经过换热的气相产物温度进一步降低，为了保证二氧化碳以液态形式排出，可以经过第一冷却1进一步冷却，使温度控制在CO₂的临界温度(Tc＝31℃)以下，临界压力(Pc＝7.38MPa)以上，经过换热并液化后的CO₂可经过第二分离2装置将合成气与CO₂分离开，并得到纯度较高的高压液态CO₂，这有利于CO₂的进一步提纯或工业应用。

另外，经过第一分离装置1的分离温度在保证满足分离工艺要求的前提下，尽可能高一些，减小能量的需要量。所述的满足分离工艺要求是指在第一分离装置1处的分离温度低于374℃，高于100℃，以此保证水呈现液态，而CO₂呈现气态，便于后续系统的分离。氧化剂可以是O₂、H₂O₂等具有氧化性质的气态或液态氧化剂。经过换热之后的液固相物料进入三级预热装置，进一步提高污泥原料的预热温度。经过三级预热的污泥原料可以到达预定的气化温度，但考虑到装置的散热等其他形式的热量损失还可以在三级预热之后增加一个换热器，补充足够的能量。经过三级预热的反应物料再经过第二冷却装置2进入第三分离3，经过渣水沉降上层分离出清水，下层分离出气化后的固体灰分、残渣等产物。

每级换热(即，预热)的工作压力在水的临界压力以上，其中第一级换热使得冷物料(即，污泥)从常温升至100±30℃，二级换热使得物料的温度升高至330±40℃，第三级换热使得物料的温度升高至420±50℃。温度的波动主要受污泥性质、反应温度、浓度的影响。若经过三级换热后污泥原料没有达到最佳的气化反应温度，则还可以通过外加换热装置进行换热。通常地，最佳的反应温度为约420℃，但由于污泥性质本身有所差异，最佳反应温度略有不同，一般的在420±20℃。

值得指出的是，本发明并不局限于三级预热，但是采用三级预热更有利于利用每一工段的热量，且缩小了换热温差，如液固相有机质经过氧化具有相对较高的温度，这部分高品位的热量优先用于气化反应，能够更大限度地提高换热效率，其他各级换热也是这个目的。可参考夹点分析的相关知识。而且，所述一级、二级和三级预热的划分也是根据温度高低进行的，通常地，级数越高，用于该级换热的废热的温度越高，经过该级换热获得的污泥的温度相对也越高。

在本发明中，通常地，三级换热每级不需要再利用外部热源补热，但经过三级换热后温度若未达到工艺要求的温度，则可以利用外部热源补充部分热量，以利于气化反应。

经过三级预热之后，物料进入气化反应装置，在此发生污泥的气化过程。如上所述，气化反应过程总体为吸热反应，为了维持合适的反应温度，需要对气化过程提供足够的能量，这些能量可以通过外界补偿换热，也可通过自身部分氧化放热获得，但更好的方式是通过氧化气化过程中在液固相产生的有机质来提供气化反应所需要的热量。图1中可以看出，经过第一分离装置1得到的液固相物料将在氧化装置中发生氧化过程，而液固相氧化放热，并且将放出的热与气化反应装置进行换热。这种方式的好处在于，气化过程中产生的有机质得以有效利用，为气化过程提供了能量，同时降低了自身排放的有机质含量，降低了直接气化过程废水的处理难度与成本，合理地利用了这部分有机质，使出水达到国家排放标准；这种方式也避免了直接部分氧化气化过程由于合成气中CH₄、H₂等气体的氧化活化能通常低于有机质反应活化能从而更容易优先和氧化剂反应的动力学问题，保证了合成气的收率。

类似地，污泥原料的气化过程还可以通过工艺流程2(如附图2所示)来实现。所述工艺流程1和工艺流程2的主要区别在于污泥原料在二级预热装置中所获得的能量由经过液固相氧化放热并与气化反应装置进行换热后的热物料提供，三级预热装置的能量由气化反应后的产物提供。采用图1和图2所示的两种换热路径，目的在于合理地利用各工段各品位的热能，提高整体热效率。图1和图2所示例的这两种换热方式均可以实现整体气化过程能量的整合有效利用。

图2所示的具体的工艺流程说明可参考工艺流程图1的说明得以理解。

通常地，污泥浓度在1％～10％范围内优先使用工艺流程1，浓度在11％～20％范围内优先使用工艺流程2。主要原因在于原料浓度较低时气化过程吸收的热量相对较少，液固相有机质经过氧化放热并部分传给气化反应装置，但出口仍然有相对较高的温度，热能品味更高，用在第三级换热可提高换热效率。同样地，浓度高时，气化反应吸热较多，液固相流体经过气化反应后出口的温度相对较低，置于第二级换热更有利，故优先采用工艺流程2。另一方面，液固相经氧化后放热，温度还受到液固相有机质浓度的影响，只要有机质浓度足够高，放热足够多，可以保证经过气化反应工段仍然使出口保持较高的温度，则仍然采用工艺流程1的路线。比较工艺流程1和工艺流程2可以看出，主要的区别在于液固相流体经过气化反应换热后的出口温度。若温度高于气化反应要求的工艺温度，则使其作为第三级换热的热源。若相对较低则使其作为第二级换热的热源。通过下面的实施例3和实施例4即可看出，高浓度气化反应并不局限于采用工艺流程2的技术路线。

下面还将通过实施例对本发明进行更详细的描述，但是这些实施例并不是对本发明范围的限制，本发明的范围应当由权利要求书进行限定。

实施例

下面参照附图1的工艺流程图对本发明的具体实施方案进行了描述，但本领域技术人员显然还可以想到在本发明权利要求范围内的其它实施方案。

实施例中所使用的污泥原料的基本性质如下面的表1中所示。

表1原料污泥的基本性质

实施例1

原料选用1#污泥，调节浓度为7％，控制系统压力为23MPa，原料经过一级预热升温至约100℃，经过二级预热后升温至约320℃，经过第三级预热后温度达到约450℃进入气化反应器，反应器内平均气化温度为约470℃，经过换热后进入第一分离装置1的温度为约370℃，此时液固相COD为约6000mg/L，有机质转化率98％，合成气组成为：H₂体积分数占48％，CH₄占20％，CO占22％，CO₂占6％，N₂占4％。

所述的气相产物经过换热、第一冷却装置1后进入第一分离装置1，由此CO₂得以富集。

所述的液固相产物经过换热、第二冷却装置2后进入第三分离装置3，经过固液分离后得到清水和灰渣固体产物。

实施例2～4如实施例1所述那样进行，不同之处在于如表2中所示那样改变工艺条件。

表2实施例1-4

*有机质含量的测定方法参考中华人民共和国城镇建设行业标准CJ/T221-2005中有机质的检测方法测定。出水COD指经分离3装置分离后水的COD值。

从上述表2可以看出，通过本发明的两段式污泥处理的方法，有机质转化率高，同时有机质大部分转化为气相产品，提高了气相产品的收率。此外还有效地控制了气相产物的组成比例，使得CH₄气体的比例更高，合成气的热值更高。

即，实施例1-4均可以实现污泥整体气化过程能量的综合有效利用，而且通过将经气化反应并且经第一分离装置1出来的固液相有机质作为所述污泥氧化反应原料的至少一部分被送入污泥氧化反应器中，之后使所述氧化反应后物料与所述经过预热的污泥通过所述气化反应器进行换热而为气化过程提供了热量，同时也降低了固液相有机质的含量(从几千mg/L降低到几十mg/L)，使下游出水达到国家排放标准。而且，实施例1-4均实现了自热式污泥气化的目的。

下面的实施例5-8参照附图2的工艺流程图对本发明的具体实施方案进行了描述，但本领域技术人员显然还可以想到在本发明权利要求范围内的其它实施方案。

实施例5

原料选用1#污泥，调节浓度为6％，控制系统压力为24MPa，原料经过一级预热升温至约100℃，经过二级预热后升温至约280℃，经过滴三级预热后温度达到约370℃进入气化反应器，反应器内平均气化温度为约450℃，经过换热后进入第一分离装置1的温度为约330℃，此时液固相COD为8600mg/L，有机质转化率96％，合成气组成为：H₂体积分数占47％，CH₄占19％，CO占24％，CO₂占6％，N₂占4％。

所述的气相产物经过换热、第一冷却装置1后进入第一分离装置1，由此CO₂得以富集。

所述的液固相产物经过换热、第二冷却装置2后进入第三分离装置3，经过固液分离后得到清水和灰渣固体产物。

实施例6～8如实施例1所述那样进行，不同之处在于如表3中所示那样改变工艺条件。

表3实施例5-8

同样地，从上述表3可以看出，通过本发明的两段式污泥处理的方法，有机质转化率高，同时有机质大部分转化为气相产品，提高了气相产品的收率。此外还有效地控制了气相产物的组成比例，使得CH₄气体的比例更高，合成气的热值更高。

即，实施例5-8也可以实现污泥整体气化过程能量的整合有效利用，而且通过将经气化反应并且经第一分离装置1出来的固液相有机质作为所述污泥氧化反应原料的至少一部分被送入污泥氧化反应器中，之后使所述氧化反应后物料与所述经过预热的污泥通过所述气化反应器进行换热而为气化过程提供了热量，同时也降低了固液相有机质的含量(从几千mg/L降低到几十mg/L)，使下游出水达到国家排放标准。而且，实施例5-8均实现了自热式污泥气化的目的。

工业可应用性

由于本发明的两段式污泥处理方法可以实现污泥整体气化过程能量的整合有效利用，而且通过氧化经第一分离1出来的固液相有机质为气化过程提供热量，同时也降低了固液相有机质的含量，使下游出水达到国家排放标准，因此非常适合于在工业上用于处理污泥。

Claims (10)

1.一种两段式污泥处理方法，所述的两段式污泥处理方法包括在两个不同的装置中在超临界水条件下分别进行污泥气化反应和污泥氧化反应，其中所述污泥气化反应包括：

a.将污泥预热，得到高温污泥，

b.将高温污泥送入污泥气化反应器中，发生气化反应，形成气化反应后物料；

所述污泥氧化反应包括：

c.将所述气化反应后物料通过第一分离装置(1)进行分离，分别得到气相物料和液固相物料，并将液固相物料作为所述污泥氧化反应原料的至少一部分送入污泥氧化反应器中，发生氧化反应，形成氧化反应后物料；

d.使所述氧化反应后物料与所述高温污泥通过所述气化反应器进行换热，得到降温后的氧化反应后物料，以利用氧化反应所放出的热量为气化反应提供所需的热量。

2.根据权利要求1所述的两段式污泥处理方法，其中所述步骤a包括：

使所述污泥经过包括一级预热、二级预热和三级预热在内的至少三级预热，

其中污泥的一级预热的热量由所述污泥气化反应后物料进行分离后的气相提供，所述二级预热的热量由所述污泥气化反应后物料提供，而所述三级预热的热量由所述步骤d中所述的降温后氧化反应后物料提供；

或者

其中污泥的一级预热的热量由所述污泥气化反应后物料进行分离后的气相提供，所述二级预热的热量由所述步骤d中所述的降温后氧化反应后物料提供；所述三级预热的热量由所述污泥气化反应后的物料提供。

3.根据权利要求1所述的两段式污泥处理方法，其中所述第一分离装置(1)的分离温度被控制在100～374℃，压力被控制在0.1～40MPa，以使水以液态形式存在，同时CO₂以气态形式存在。

4.根据权利要求1所述的两段式污泥处理方法，其中所述方法还包括：所述气化反应后物料经分离后的气相使所述污泥进行一级预热之后，进行任选的冷却处理，然后通过第二分离装置(2)分离得到CO₂和合成气，其中所述第二分离装置(2)的分离温度被控制在31℃以下，压力控制在7.38MPa以上。

5.根据权利要求1所述的两段式污泥处理方法，其中所述两段式污泥处理方法还包括：在三级预热之后，使污泥进一步与增加的换热器进行换热，以使污泥达到气化工艺温度。

6.根据权利要求1或2所述的两段式污泥处理方法，其中所述一级预热、二级预热和三级预热中每级的工作压力在超临界水的临界压力以上，其中第一级换热冷物料从常温升至100±30℃，二级换热至330±40℃，第三级换热420±50℃。

7.一种用于处理污泥的两段式污泥处理系统，所述系统包括：

预热装置，用于使原料污泥进行预热；

气化反应装置，其中经过预热后的原料污泥在气化反应装置中发生污泥的气化反应，形成气化反应后物料；

第一分离装置，经过气化反应后物料在所述第一分离装置进行分离，分别得到气相物料和液固相物料；和

氧化反应装置，在第一分离装置中得到的液固相物料作为污泥氧化反应原料的至少一部分被送入氧化反应器中，发生氧化反应，形成氧化反应后物料，

其中所述气化反应装置还与所述氧化反应装置连接，以使得所述氧化反应后物料与经过换热的高温污泥通过所述气化反应装置进行换热，从而利用氧化反应所放出的热量为气化反应提供所需的热量。

8.根据权利要求7所述的用于处理污泥的两段式污泥处理系统，其中所述预热装置是至少包括一级预热装置、二级预热装置和三级预热装置在内的多级预热装置，其中

所述一级预热装置用于污泥原料与污泥气化氧化反应之后通过第一气化装置获得的气相的热交换；所述二级预热装置用于经过一级预热的污泥与来自气化反应的气化后物料之间的热交换，而所述三级预热用于与由经过液固相氧化放热并与气化反应装置进行换热后的热物料之间的热交换；

或者

其中所述一级预热装置用于污泥原料与污泥气化氧化反应之后通过第一气化装置获得的气相的热交换；所述二级预热用于与由经过液固相氧化放热并与气化反应装置进行换热后的热物料之间的热交换；而所述三级预热装置用于经过二级预热之后的污泥与由气化反应后的物料之间的热交换。

9.根据权利要求8所述的系统，还包括：第二分离装置，连接在所述第一预热装置的下游，用于将所述低温氧化反应后物料进行分离，分别得到水和固体残渣。

10.根据权利要求8所述的系统，还包括：第三分离装置，连接在所述第三预热装置的下游，用于将经过第三预热装置的气相物料进行分离，分别得到CO₂和合成气。

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