CN106103362A - 具有高干燥度的污泥的连续热水解方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及连续热水解包含有机物质的待处理污泥的方法以及实施该方法的设备，所述方法包括至少：a.使所述待处理污泥结构破坏以产生经结构破坏污泥的步骤；b.在热水解反应器内热水解所述经结构破坏污泥以产生经水解污泥的步骤；c.冷却所述经水解污泥的步骤；根据本发明，所述结构破坏步骤在于：‑将所述待处理污泥引入动态混合器中；并且‑加热来自所述动态混合器的所述污泥，这种加热通过在热交换器中引入以下物质来实现：一方面是来自所述动态混合器的所述污泥，并且另一方面是所述经水解污泥，这导致了所述冷却。

Description

具有高干燥度的污泥的连续热水解方法

技术领域

1.发明领域

本发明的领域是处理包含有机物质的污泥如来自净化站的污泥的领域。更特别地，本发明涉及连续热水解包含有机物质的污泥的方法，所述污泥与或者不与其它包含有机物质的废料混合。这些污泥或废料可例如来源于生活废水的处理(例如，来自于消化或未消化的净化站的污泥，来自于预处理的油脂......)，或者来源于工业废水的处理(例如，来自于农产食品加工工业的废水、屠宰场排放物、废糖蜜......)，或者由油脂槽的排放物质构成。术语“污泥”将在下文中用于表示这些污泥和/或废料。

背景技术

2.现有技术

来自于废水(无论是生活或工业来源)的处理的污泥可通过生物途径进行处理，尤其是通过厌氧消化。

生物处理的目的在于降解这些污泥中所含的有机物质，以将污泥稳定化，减小其最终体积并且通过产生生物气回收能量。但是，某些有机化合物难以通过生物途径降解。为了消除污泥降解的限制，可求助于热水解方法。这种热处理通常在压力下在高于100℃的温度(所述温度在实际中可一直到220℃)下进行预定的时间周期，在实际中通常为半小时。通过这种热水解处理，最初难以生物降解的有机物质的一部分被转化为更易于进行生物降解的化合物。

传统地，这种随后生物降解通过在被称作消化器的封闭厌氧反应器中的消化来进行。这种厌氧消化器仅可在以下条件下合适地运行：其在合适且恒定的温度下操作，通常要求加热系统，并且其进行合适的搅拌。这种搅拌会由于消化器中所含的污泥是流体的(即具有低粘度)而更为容易。

在现有技术中已知不同类型的热水解方法，其中的一些方法通过逐个地即不连续地处理给定量的待水解污泥来实施(即“分批”运行)，而其它方法则被设计为使得能够连续处理或者至少半连续处理待水解污泥。

在与这些热水解装置和方法有关的现有技术中，可尤其提及专利文献WO96/09882和WO2006/027062，这两个文献均涉及分批法。

这种分批法具有以下缺点：需要管理不同批次的要处理污泥的处理循环，并且需要重复运行某些设备，例如打开-关闭例如阀，这会导致过早的磨损。这种运行模式还需要管理新鲜蒸汽和闪蒸蒸汽的循环，但它尤其具有低的可回收能量潜力。

在通过热水解连续或半连续处理污泥的技术当中，可提及在专利文献EP1198424中描述的技术以及在专利文献WO2009/121873中描述的技术。

这些技术利用了水解的浓缩污泥-水的交换，以在经水解污泥被注入到消化器中之前对其进行冷却。在实际中，交换器的管理被证明是困难的并且给用户带来限制，因为其要求用于维护和清洁的停机周期。此外，这种配置在待处理污泥的浓度方面是受限的，因为其无法处理干燥度(siccité)大于10％的污泥。它在能量消耗方面也不是优化的，因为如果污泥更浓的话(即具有大于20％的干燥度并且因而具有小于80％的水含量)，考虑到要利用蒸汽加热的(污泥中所含)水体积会降低，则在蒸汽方面的需求会进一步降低。术语污泥的“干燥度”被理解为是指其所包含的干燥物质的重量百分比。实际上，污泥是由有机物质、矿物质和水的混合物组成的流体。污泥的干燥度通过确定干燥物质的重量与污泥总重量之间的质量比来计算。

在专利文献WO2009/121873所述的技术中，污泥在呈现管式的热水解反应器中被连续处理，在所述反应器中水蒸汽被直接注入。

这种方法具有是真正连续方法的优点。但是，尽管通过热水解的污泥处理相对于市场上现有的其它方法已经得到了极大的改善，但其仍有一些限制。

这是因为，如果被引入到反应器中的待水解污泥的干燥度太高，则可被证明的是，蒸汽难以注入到这种污泥中。当超过某些干燥度时，该热水解可能不完全，这会限制位于热水解下游的厌氧消化的性能。

对具有高干燥度的污泥的热水解方法因而碰到了有效确保将蒸汽注入到污泥中以及其与注入的蒸汽的混合的困难。

连续运行的热水解方法目前无法优化它们的能量消耗，这是因为传统热交换器未被设置用于处理诸如污泥的糊状流体。因而在实际中，不可能想到使用这种交换器来回收经水解污泥的热量。

但已知所谓“具有刮削表面(surface raclée)”的热交换器，其配备有能够将污泥推送到交换器中的刮削轴或者使用额外机械装置。

然而，如果这些交换器可在理论上使用干燥度大于10％的污泥来运行，那么在实际中它们会被限制到8至10％的干燥度上。这可通过相同性质的污泥来解释：污泥由有机物质、矿物质和水组成。污泥的粘性、糊状和非均质的性质干扰了其流动。具有刮削表面的热交换器的另一个不可忽视的缺点是它们需要通常为水的中间流体，以用于加热进入的污泥并且冷却离开的污泥。更确切地，由离开该热水解方法的经水解污泥所加热的水将把一部分的热量传送给该水解方法入口处的待处理污泥。当超过10％的最大干燥度极限值时，取决于待处理污泥的干燥度的大约数巴的所观察到的压降以及交换器的运行困难使得该方法在经济上是无益的。

另一个缺点在于：这些交换器还在容量方面受限：因此需要串联设置多个交换器，以处理足够的体积。因此，使交换器运行的发动机的能量消耗增加，这在能量方面是不利的。

具有刮削轴或者使用额外机械装置的这些交换器的另一缺点与它们的维护有关。与糊状污泥循环有关的结垢要求进行定期维护并且难以实施。这种定期维护意味着要完全停止该方法，或者增加交换器的数目以能够使一些交换器进行维护，而另一些继续运行。

发明内容

3.本发明的目标

本发明的目标尤其在于克服现有技术的这些缺点。

更确切地，本发明的目标在于在至少一种实施方式中提供能够处理干燥度大于10％的污泥的污泥热水解方法。

本发明的另一目标在于在至少一种实施方式中实施这种方法，该方法相对于传统方法能够实现能量节省。

本发明的目标还在于提供污泥处理方法，其能够在至少一种实施方式中实现污泥预热，同时限制压降。

本发明的目标还在于提供这种方法，其能够在至少一种实施方式中有利于所使用设备的维护。

4.本发明的描述

这些目标以及其它随后将揭示的目标通过用于连续热水解包含有机物质的待处理污泥的方法来实现，所述方法包括至少：

a.使所述待处理污泥结构破坏(déstructuration)以产生经结构破坏污泥的步骤；

b.在热水解反应器内热水解所述经结构破坏污泥以产生经水解污泥的步骤；

c.冷却所述经水解污泥的步骤；

所述结构破坏步骤在于：

-将所述待处理污泥引入动态混合器中；并且

-加热来自所述动态混合器的所述污泥，这种加热通过在热交换器中引入以下物质来实现：一方面是来自所述动态混合器的所述污泥，并且另一方面是所述经水解污泥，这导致了所述冷却。

因而，本发明能够通过如下方式提高热水解方法上游的待处理污泥的流动性：使这些污泥在动态混合器中经历大速度梯度，并且另一方面通过回收通过热水解处理的污泥的热量来加热这些待处理污泥，而不使用中间流体。本发明人实际上观察到，通过使污泥经历高剪切应力可以破坏污泥的结构，降低它们的粘度并且因此使其流体化。机械结构破坏与通过热的对污泥粘度的正面作用的组合使得能够进一步流体化待处理污泥。

一旦污泥通过在动态混合器中应用大速度梯度而被流体化，则它们通过在热交换器中经过进行加热。根据本发明，这种热交换器不象现有技术中所述的那样利用中间流体来运行：这种热交换器能够通过直接回收经水解污泥的热量来加热待处理的经结构破坏污泥。换言之，例如由本发明提出的那样的污泥/污泥热交换器是一种下述这样的热交换器：其中待加热污泥直接回收以高温离开的污泥的热量，而不使用中间载热流体。这种特性具有许多优点，例如：

-该热量有助于保持经结构破坏污泥的低粘度，

-不需要使用中间流体的经水解污泥的热量回收使得能够显著节省能量，并且尤其是将能量消耗减半；

-经流体化污泥更易于在热交换器中流通，在该热交换器中它们继续升温，从而进一步降低了其粘度：因此相比于现有技术来说压降被极大地限制，交换器的结垢受到限制。

更确切地，该热量使得能够降低污泥粘度并将污泥保持在低粘度状态，这使得一方面能够显著降低热交换器中的压降并且另一方面限制交换器的结垢。

注意到，单独的蒸汽注入不足以使污泥充分流体化并且无法解决在热交换器中的污泥流动问题。

本发明因而提供使污泥结构破坏的步骤，其组合了速度对污泥结构的影响，以及任选地，热量的影响。高剪切速率对污泥的应用使得能够破坏污泥的结构，因而降低其粘度。对污泥进行加热(即使是中等程度的加热)使得能够进一步流体化经结构破坏污泥。因而更易于使污泥在热交换器中经过：经流体化污泥更易于流动，压降显著减小。

另外，离开水解反应器的污泥具有大于或等于160℃的温度。通过回收其热量能够显著降低该方法的能量消耗。尤其是，经水解污泥将其热量传递给待处理的经结构破坏污泥，这一方面能够使经水解污泥在被传送到后续处理步骤之前被冷却，并且另一方面使经结构破坏污泥以较低成本加热。

根据本发明的方法还可包括泵送污泥的预备步骤，以将待处理污泥引入到动态混合器中。

在本发明的一种实施方式中，所述待处理污泥具有至少20％、优选至少40％的干燥度。

在一种特别有利的实施方式中，所述结构破坏步骤另外包括将蒸汽注入到所述动态混合器中的步骤。

蒸汽向动态混合器中的注入，也即在通过剪切使待处理污泥结构破坏的步骤期间，能够显著降低污泥的粘度。

有利地，所述待处理污泥在所述动态混合器内经历1500rpm至4000rpm的速度梯度。根据本发明，动态混合器位于热交换器的上游。

优选地，所述热水解步骤在165℃-180℃的温度和8巴-10巴的压力下进行。

有利地，被注入到所述动态混合器中的所述蒸汽具有120℃-190℃的温度和/或2巴-13巴的压力。优选地，所述动态混合器中的污泥具有25℃-55℃、优选35℃-45℃的温度，并且更优选，大约40℃的温度。本发明人已经观察到，190℃的蒸汽的注入使得能够在所述动态混合器中获得大约40℃的污泥温度，这使得能够将经结构破坏污泥的粘度降低大约60％。

在一种特别有利的实施方式中，根据本发明的方法另外包括利用动态注入器-混合器同时进行加压蒸汽向来自所述热交换器的所述污泥中的注入以及所述污泥与所述蒸汽的混合的步骤，以获得被加热到所希望的热水解温度的经结构破坏污泥的均匀混合物，所述混合物被输送到所述热水解反应器中。

优选地，被注入到所述动态注入器-混合器中的所述蒸汽具有1巴-23巴的压力和/或120℃-220℃的温度。

有利地，所述动态注入器-混合器包括转子，所述转子的转速为500rpm-2000rpm。优选地，转子的转速为大约2000rpm。

在一种有益的实施方式中，所述冷却步骤之后是消化冷却的所述经水解污泥的步骤。

本发明的原创性还在于：经水解污泥将其热量直接传递给在污泥/污泥热交换器中预热的通过机械方式结构破坏的污泥。在此方式，经结构破坏和预热的污泥直接通过经水解污泥加热，这有助于提高其流动性。经水解污泥因而同时被冷却并且可经历消化步骤。

根据能够使具有高干燥度的污泥流体化的本发明，可使用不用任何中间流体(水)的热交换器：经水解污泥将其热量直接传递给待处理的经结构破坏污泥。因而能够显著节省能量。

本发明的另一目标涉及用于实施本发明方法的设备，包括：

a.待处理污泥的输送装置(moyens)；

b.动态混合器，包含用于所述待处理污泥的入口以及经结构破坏污泥的出口；

c.热交换器，包含与经结构破坏污泥的所述出口连接的第一入口以及经结构破坏污泥的出口；

d.热水解反应器，包含与经结构破坏污泥的所述出口连接的入口、加压蒸汽的入口以及经水解污泥的出口；

e.所述经水解污泥的再循环装置，所述再循环装置与所述热交换器的第二入口连接，所述热交换器另外包含冷却的经水解污泥的出口。

优选地，根据本发明的设备另外包括向所述动态混合器注入蒸汽的装置。蒸汽向动态混合器中的注入使得能够降低经结构破坏污泥的粘度，以使得它们能够在交换器中经过。其还使得能够节省用于使转子运转的能量。

在一种特别有利的实施方式中，根据本发明的设备另外包括动态注入器-混合器，所述动态注入器-混合器包含用于来自所述热交换器的预热的经结构破坏污泥的入口、蒸汽入口以及加热的经结构破坏污泥的均匀混合物的出口，其与所述热水解反应器的入口连接。

要指出的是，在本说明书中，术语“动态注入器-混合器”是指由腔室和装置构成的任何混合器，其中所述装置使得能够通过机动化机械装置引起进入这个腔室中的不同相的搅拌，以在出口处获得均匀混合物。这些元件可例如由转子所驱动的叶片或螺杆构成或者由也是转子所驱动的其它任何混合装置构成。动态注入器-混合器使得能够产生均匀的经结构破坏污泥的混合物。混合物的均匀性有助于热水解反应的效率。被注入到所述动态注入器-混合器中的蒸汽或者为新鲜蒸汽或者为再循环蒸汽。该再循环蒸汽可尤其来自于热水解步骤。优选地，注入的蒸汽是新鲜蒸汽。

有利地，根据本发明的设备进一步包括消化器，所述消化器包含与冷却的经水解污泥的所述出口连接的入口。

在本发明的一种变化形式中，所述热交换器基本上竖直或水平延伸。优选地，所述热交换器在基本上竖直的方向上延伸，这使得能够获得污泥流动的更好均匀性以及因此的更好交换，同时减少土壤足迹。

附图说明

5.附图清单

通过阅读参考附图以示例性且非限制性的简单实施例形式给出的优选实施方式的以下描述，本发明的其它特性和优点将更清楚地呈现，在附图中：

-图1为用于实施本发明方法的设备的一种实施方式的框图；

-图2中的图显示了针对通过传统方法或者通过本发明的方法(在结构破坏步骤期间注入或不注入蒸汽)处理的污泥的粘度的对比试验结果；

-图3中的图显示了在图2的对比试验期间在1.5m/DN16的管道中测量的压降随流量的变化。

具体实施方式

6.本发明的实施方式的描述

本发明的一般原理在于在热水解方法的上游实施污泥的结构破坏步骤，然后是在热交换器中加热污泥的步骤。污泥的结构破坏步骤通过使污泥经历大的速度梯度来进行，从而能够使其结构被破坏，任选地伴有通过注入蒸汽的预热。如此进行结构破坏并且任选预热的污泥可进入热交换器中，在该热交换器中其将通过回收来自经水解污泥的热量而被加热。预热或未预热的经结构破坏污泥的加热使得能够降低其粘度，这能够使污泥在热交换器中流通，同时显著降低甚至完全消除交换器内的压降。如此经结构破坏的污泥更易于在热交换器内流通，压降被显著减小。而且，交换器更少结垢，这有利于其维护。

6.1用于实施本发明方法的设备的实施方式的实施例

现在参照图1，其示出了用于实施本发明方法的设备的一种实施方式。

在这种实施方式中，待处理的经脱水污泥1被倒入料斗2中，料斗2包含混合装置21如蜗杆，使得能够避免安装在料斗出口3处的进料泵4中的空化。但是，应用于经脱水污泥的速度不足以破坏其结构和降低其粘度。该经脱水污泥处于环境温度下，即大约20℃。

泵4通过管道5将经脱水污泥传送到动态混合器6。动态混合器6包含转子，所述转子在本实施方式中以2000rpm旋转。重要的是，转子的速度应当为至少1500rpm，优选1500-4000rpm。这样的速度使得能够通过消除污泥内部存在的内部应力而使污泥结构被破坏并且因而使污泥流体化。

任选地，具有190℃的温度的新鲜蒸汽100被注入到动态混合器6中。蒸汽向动态混合器6中的注入使得能够将污泥预热到大约40℃的温度。这个预热步骤还能够降低经结构破坏和脱水的污泥的粘度。

经预热和结构破坏的污泥然后在污泥/污泥热交换器7中通过。在交换器7中，在动态混合器中经预热和结构破坏的污泥以与经水解污泥相逆流的方式流通。因而，经结构破坏污泥由经水解污泥加热，而经水解污泥本身反过来被冷却。这种热交换器7包含与动态混合器6的出口连接的第一入口，以及能够通过与动态注入器-混合器9连接的管道71排放加热的经结构破坏污泥的第一出口。在交换器7的出口处，污泥具有90℃-110℃的温度。

蒸汽101被注入到动态注入器-混合器9中。注入器-混合器9使得能够再次加热污泥，以将其温度升高至大约160℃，该温度是热水解所需的温度。如此升温的污泥通过管道10向热水解反应器11传送。如图1中所示，反应器11具有上升部分、弯曲部和下降部分。

在反应器11内，污泥在大约160℃的温度和8-10巴的压力下水解。反应器11包含通过管道12连接到热交换器7的第二入口的出口。这个管道12能够向交换器7输送经水解污泥，在交换器7中将其热量传递给经结构破坏污泥，这使得它们本身被冷却。如此冷却的经水解污泥由交换器7的第二出口向后续处理步骤排放。尤其是，冷却的经水解污泥经由管道13向消化器15传送。该管道还可包含泵14，泵14使得能够调节经水解污泥的流通的流量并且因而尤其调节反应器11内的压力。

污泥/污泥交换器7的使用使得能够优化离开热水解反应器的经水解污泥与进入这个相同反应器中的待处理污泥之间的能量的回收，而无需使用中间流体。根据本发明的方法使得能够通过再循环热水解反应的热量，也即通过在水解方法的上游再注入在此相同热水解反应的下游回收的热量的一部分，从而节约了大量的能量。结构破坏步骤包括通过在动态混合器中使污泥经受大的速度梯度而机械破坏污泥的结构，这使得能够降低其粘度。同时，在动态混合器本身中预热经结构破坏污泥的步骤使得能够在热交换器中加热污泥之前进一步降低污泥的粘度。因而可获得相比于现有技术显著流体化的污泥：污泥在设备中的流动因而得到了极大地促进并且压降相应地被减小，尤其是在热交换器中。

6.2对比试验

针对来自净化站的污泥进行对比试验。这种污泥含有大量有机物质并且具有大约27％的干燥度。

污泥被分成三批料，每批料通过下述方法之一处理：

-传统方法(图2的曲线1)，不注入蒸汽，也没有机械结构破坏步骤；

-如第6.1段中描述的本发明方法，不注入蒸汽到动态混合器6中(图2的曲线2)；或者

-如第6.1段中描述的本发明方法，注入190℃的蒸汽到动态混合器6中以使待处理污泥的温度达到40℃(图2的曲线3)。

首先测量水解反应器11的入口处的污泥粘度。正如可观察到的，该污泥表现得象流变-增稠性的触变流体，即粘度随剪切应力而增加。但是，无论所施加的应力如何，在这个图中可看到粘度的降低总是以相同的比例发生。但是，符合本发明的图2中的曲线2和3示出的粘度小于通过现有技术的传统方法处理的污泥的粘度(曲线1)。结构破坏步骤因而使得能够显著降低污泥中存在的内部应力。注入190℃的蒸汽以加热污泥到40℃的步骤能够改善污泥的粘度，但不足以仅由此解决所观察到的粘度问题。结构破坏步骤使得能够显著地降低污泥的粘度。

针对在图3所示条件下处理的三个污泥批料(未经处理污泥，以2000rpm搅拌(battues)的污泥以及以2000rpm搅拌并预热到40℃的污泥)来评价在标称直径(DN)为16mm的1.5m管道中的压降变化。改变污泥在管道中流通的流量以评价这个参数对压降的影响。污泥因而以66L/h的流量Q1或者以100L/h的流量Q2流通。正如可由图3看到的，流量越大，压降的增加越大。另一个要点在于，本发明的方法使得能够相对于传统方法以因数2减小压降。通过组合蒸汽向动态混合器中的注入，从而使得能够相对于传统方法以因数4减小压降。因此，本发明的方法能够显著降低粘度并且减小通过交换器的压降。

Claims (14)

1.连续热水解包含有机物质的待处理污泥的方法，所述方法包括至少：

a.使所述待处理污泥结构破坏以产生经结构破坏污泥的步骤；

b.在热水解反应器内热水解所述经结构破坏污泥以产生经水解污泥的步骤；

c.冷却所述经水解污泥的步骤；

所述结构破坏步骤在于：

-将所述待处理污泥引入动态混合器中；

-加热来自所述动态混合器的所述污泥，这种加热通过在热交换器中引入以下物质来实现：一方面是来自所述动态混合器的所述污泥，并且另一方面是所述经水解污泥，这导致了所述冷却.

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结构破坏步骤另外包括将蒸汽注入到所述动态混合器中的步骤.

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述待处理污泥在所述动态混合器内经历1500rpm至4000rpm、优选1500rpm至2000rpm的速度梯度.

4.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，被注入到所述动态混合器中的所述蒸汽具有120℃-190℃的温度和/或2巴-13巴的压力。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括利用动态注入器-混合器同时进行加压蒸汽向来自所述热交换器的所述污泥中的注入以及所述污泥与所述蒸汽的混合的步骤，以获得被加热到所希望的热水解温度的经结构破坏污泥的均匀混合物，所述混合物被输送到所述热水解反应器中.

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，被注入到所述动态注入器-混合器中的所述蒸汽具有1巴-23巴的压力和/或100℃-220℃的温度。

7.相据权利要求1至6任意一项所述的方法，其特征在于，所述动态注入器-混合器包括转子，所述转子的转速在所述结构破坏步骤期间为500rpm-2000rpm.

8.根据权利要求1至7任意一项所述的方法，其特征在于，所述待处理污泥具有至少20％、优选至少40％的干燥度.

9.根据权利要求1至8任意一项所述的方法，其特征在于，所述冷却步骤之后是消化冷却的所述经水解污泥的步骤.

10.用于实施根据权利要求1至9任意一项所述的方法的设备，包括：

a.待处理污泥的输送装置(5)；

b.动态混合器(6)，包含用于所述待处理污泥的入口以及经结构破坏污泥的出口；

c.热交换器(7)，包含与经结构破坏污泥的所述出口连接的第一入口以及加热的经结构破坏污泥的出口；

d.热水解反应器(11)，包含与加热的经结构破坏污泥的所述出口连接的入口、加压蒸汽的入口以及经水解污泥的出口；

e.所述经水解污泥的再循环装置(12)，所述再循环装置与所述热交换器的第二入口连接，所述热交换器另外包含冷却的经水解污泥的出口。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述设备包括向所述动态混合器(6)注入蒸汽的装置(100).

12.根据权利要求10或11任意一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括动态注入器-混合器(9)，所述动态注入器-混合器(9)包含用于来自所述热交换器的经结构破坏污泥的入口、蒸汽入口(101)以及加热的经结构破坏污泥的均匀混合物的出口，其与所述热水解反应器的入口连接.

13.根据权利要求10至12之一所述的设备，还包括消化器(15)，所述消化器(15)包含与冷却的经水解污泥的所述出口连接的入口。

14.根据权利要求10至13之一所述的设备，其特征在于，所述热交换器(9)基本上竖直或水平延伸。