CN106186628A - 污泥水热处理及其废液催化气化同步反应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种污泥水热处理及其废液催化气化同步反应装置，包括水热和催化气化同步反应室、催化剂固定器、电机搅拌器、供气机构、加热丝；水热和催化气化同步反应室作为反应室，用于容放反应物即污泥和去离子水；催化剂固定器放置于反应室内部，用于将催化剂固定于内部空腔，同时提供通道使得去离之水自由出入空腔与催化剂接触；催化剂固定器的端部设有轴杆，电机搅拌器的输出端连接轴杆，电机搅拌器用于带动催化剂固定器旋转；供气机构的输出管道插入水热和催化气化同步反应室；加热丝内置于水热和催化气化同步反应室的腔壁内。本发明将污泥的水热过程和催化气化过程合二为一，简化了污泥处理过程中的步骤，降低了污泥处理过程中的能耗。

Description

污泥水热处理及其废液催化气化同步反应装置
技术领域
本发明属于污泥水热处理及其废液处理领域，具体涉及一种污泥水热处理及其废液催化气化同步反应装置。
背景技术
随着经济的快速发展和城镇化建设步伐的逐渐加快，我国面临着日益突出的污水污泥处置压力，使得经济与环境的可持续发展受到更为严峻的挑战。具有关资料统计，我国城镇截至2014年12月共建成污水处理厂3717座，污水的每日总处理能力达到1.57×108m3。
污泥作为污水处理过程中的副产品，其特性为高水分、高灰分、高挥发分、低固定碳含量与低热值，另外污泥中含有大量的潜在有毒有害成分如病原菌、重金属、致病微生物等以及有害有机物质，若不经过无害化处理，将会对生态环境以及人类与动物的健康造成严重的潜在威胁。污泥依据其来源可分为工业污水污泥和生活废水污泥，前者中一般有毒有害重金属含量较高，有害有机物含量相对较低；后者一般重金属含量相对较少，氮、磷等元素和有机物含量较高。
污泥的能源可利用性相比于煤炭资源很低，但是污泥总量巨大，能量的回收利用值得关注。但是污泥即使通过机械脱水处理，含水量依旧高达80％，这一点也大大限制了污泥的直接利用。目前国内外污泥的主要处理方式为卫生填埋、海洋倾倒、堆肥农用、建材利用和焚烧等，但是这些方法优缺点很明显，应用上都存在着较大的限制。
在污泥的产生量与日俱增的同时，我国污泥的处置技术和关键装备却相对落后，因此，对污泥采取更加经济高效的无害化、稳定化、减量化以及资源化的处理显得尤为重要，也是目前研究的热点和难点。
发明内容
针对现有技术的迫切技术需求，本发明提出一种用于污泥水热处理及其废液催化气化同步反应装置及方法，其目的在于：(i)污泥的高温水热处理可以降低其中有毒有害物质的含量，同时将污泥中的有机碳溶解于水中；(ii)通过催化气化反应，将液体中有机碳转化为气体的方式转移至气体中，实现了能量的回收和利用；(iii)将水热反应和催化气化置于同一个反应室中，简化了污泥处理和能量回收利用的流程，同时也减少了污泥处理过程中能量的消耗。
为了实现本发明的技术目的，本发明采用了以下技术方案：
一种污泥水热处理及其废液催化气化同步反应装置，包括水热和催化气化同步反应室、催化剂固定器、电机搅拌器、供气机构、加热丝；
水热和催化气化同步反应室作为反应室，用于容放反应物即污泥和去离子水；催化剂固定器放置于反应室内部，用于将催化剂固定于内部空腔，同时提供通道使得去离之水自由出入空腔与催化剂接触；催化剂固定器的端部设有轴杆，电机搅拌器的输出端连接轴杆，电机搅拌器用于带动催化剂固定器旋转；供气机构的输出管道插入水热和催化气化同步反应室；加热丝内置于水热和催化气化同步反应室的腔壁内。
进一步地，所述催化剂固定器包括多个箱体结构，各箱体结构的一侧臂相接或共用，相接或共用的侧臂作为箱体结构旋转的中心轴，中心轴的上端通过轴杆连接电机搅拌器的输出轴；各箱体结构另外相对的两侧壁表面开有用作为去离子水出入通道的孔阵列，孔阵列的开孔尺寸小于催化剂颗粒大小。
进一步地，所述孔阵列的开孔采用圆形或多边形。
进一步地，所述水热和催化气化同步反应室为圆柱形，催化剂固定器与中心轴相对的另一侧臂为相匹配的圆弧形。
进一步地，还包括设温度压力传感器和温度压力控制器，温度压力传感器用于实时采集反应温度和压力，温度压力控制器用于依据采集的压力控制供气机构的进气出气阀门开和闭从而调节反应室内的压力，依据采集的温度控制加热丝的工作状态从而调节反应室内的温度。
进一步地，还包括通过管道与水热和催化气化同步反应室连通的收集气袋，用于收集反应产生的产气；以及设置于水热和催化气化同步反应室底部的滤网、废液通过阀门和收集容器，废液通过阀门收集于容器中，污泥收集于滤网上部。
综上所述，本发明有益技术效果体现在：
1)水热和催化气化同步反应室是在同一个封闭的空间中，反应中溶液和催化装置各自占据一定的空间，升温时，两种反应可以同时发生。
2)催化剂固定装置外孔径可以实现液体的自由出入，而污泥却无法进入，同时催化剂被固定于固定装置中，使用中不会减量，可以重复回收使用。
3)催化剂固定器与外部的电机搅拌器通过轴杆连接，反应中催化剂固定器不断转动实现液体与催化剂的充分接触，提高有机碳的溶解效率和催化气化效率。
总的来说，本发明可以一定程度上对污泥进行无害化处理，减少污泥对环境的污染和破坏。污泥中的有机碳实现了向气体中的转移，实现了污泥中的能量得到了回收利用。本发明结构简单，将污泥的水热过程和催化气化过程合二为一，简化了污泥处理过程中的步骤，降低了污泥处理过程中的能耗。
附图说明
图1为本发明污泥的水热处理及其废液的催化气化同步反应装置结构示意图。
图2为本发明催化剂固定器结构示意图。
图3为反应前后样品的重量以及C的迁移变化随着水热温度的变化情况图。
图中，1-收集气袋 2-温度压力控制器 3-电机搅拌器 4-供气机构 5-水热和催化气化反应室 6-支架 7-加热丝 8-阀门 9-收集容器 10-催化剂固定器 11-污泥和去离子水 12-轴杆 13-温度压力传感器 14-滤网
具体实施方式
为了使本发明专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明专利进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明专利，并不用于限定本发明专利。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明同步反应装置的结构示意图。污泥水热处理及其废液催化气化同步反应装置，包括水热和催化气化同步反应室5、催化剂固定器10、电机搅拌器3、供气机构4、加热丝7。水热和催化气化同步反应室5作为反应室，用于容放反应物即污泥和去离子水11；催化剂固定器10放置于反应室内部，催化剂固定器10内填充有催化剂，污泥的有机碳溶解于去离子水中，去离子水流过催化剂固定器10，与催化剂接触反应。催化剂固定器10的端部设有轴杆，电机搅拌器3的输出端连接轴杆，电机搅拌器3带动催化剂固定器10旋转，驱使去离子水流动与催化剂接触更充分，提高有机碳的溶解效率和催化气化效率。供气机构4的输出管道插入水热和催化气化同步反应室5，通过气体输入调节反应室内气压，起到控制反应所需压力的作用。加热丝7内置于水热和催化气化同步反应室5的腔壁内，用于对污泥和去离子水升温，起到程序升温的作用。
催化剂固定器10主要起到放置催化剂且固定催化剂的作用。按照一种较佳实施方式，催化剂固定器10包括多个箱体结构，各箱体结构的一侧臂相接或共用，相接或共用的侧臂作为箱体结构旋转的中心轴，中心轴的上端通过轴杆连接电机搅拌器3的输出轴。各箱体结构另外相对的两侧壁表面开有孔阵列，孔阵列的开孔尺寸小于催化剂颗粒大小，一方面作为去离子水的通道，另一方面防止催化剂流出。孔阵列的开孔可采用圆形或多边形，优选多边形。图2给出了催化剂固定器的一个具体实施例，包括四个箱体结构，侧臂开孔为六边形。
按照本发明的一种较佳实施方式，水热和催化气化同步反应室5为圆柱形，催化剂固定器10与中心轴相对的另一侧臂为相匹配的圆弧形，这样，催化剂固定器10在旋转的过程中，既可以实现对反应室内部空间的充分利用，又可以避免催化剂固定器与避免的刮擦造成仪器的损坏。
按照本发明的一种较佳实施方式，还可增设温度压力传感器13和温度压力控制器2，温度压力传感器13实时采集反应温度和压力，温度压力控制器2用于依据采集的压力控制供气机构4的进气出气阀门开和闭从而调节反应室内的压力，依据采集的温度控制加热丝7的工作状态从而调节反应室内的温度。。
按照本发明的一种较佳实施方式，还设有通过管道与水热和催化气化同步反应室5连通的收集气袋1，用于收集反应产生的产气；以及设置于水热和催化气化同步反应室5底部的滤网、废液通过阀门8和收集容器9，废液通过阀门8收集于容器9中，污泥收集于滤网14上部以便重复利用。
按照本发明的一种较佳实施方式，整个装置可通过支架6支撑。
本发明装置的工作过程具体为：同步反应过程需首先在催化剂固定器10中加入催化剂，然后将污泥和去离子水11加入水热反应和催化气化反应室5中，通过供气装置4经由进气管道洗净反应室中的空气并观察温度压力控制器2调节反应初压。升温过程中，温度压力控制器2通过控制加热丝7和传感器13来控制升温程序，污泥中的有机碳溶入水中。电机搅拌器3通过轴杆12带动催化剂固定器10旋转，污泥中的有机碳随着温度的升高会通过水热反应溶解于去离子水中，接着含有有机碳的溶液会进入催化剂固定器10发生催化反应生成CH4、CO和H2等气体。反应结束后，产气通过气袋1收集，废液通过阀门8收集于容器9中，污泥收集于滤网14上部。
本发明水热反应和废液催化气化同时在一个反应室中进行，简化实验流程，提高了污泥的处理效率。
试验证明，350℃同步反应后，有机碳约80％转移至气体和液体中，并且大部分能量转移以CH4、CO和H2等形式转移至气体中。
下面以汤逊湖生活污泥为例，利用该水热提质及催化气化同步反应装置开展试验，具体为：
(1)实例选用已过24目筛的汤逊湖生活污泥各20g，加入80g的去离子水配成含水率为80％的污泥溶液；
(2)气化反应室中的催化剂固定装置每次实验前需要在叶片中加入20g Ni/C催化剂，4个扇叶共计加入80g催化剂；
(3)将配好的污泥溶液加于水热和催化反应室中，加入200g去离子水，通入N2洗净里面的空气，设置初压为4MPa,调节催化剂固定装置转速为250r/min，以5K/min的升温速率升温至250℃，维持250℃反应30min。反应结束后待设备空冷至室温后将反应过程中生成的气体用气包收集，反应后的废液从装置下方的滤网过滤收集，水热处理后的污泥从在滤网上进行收集，催化剂回收冲洗后重新使用。
(4)分别调整终温温度为300℃和350℃，重复上述(1)(2)(3)步骤两次。
(5)气袋收集的气体采用采用气相色谱仪(GC)分析测量各气体成分，水热处理过后的液体通过总有机碳(TOC)检测仪检测有机碳的含量，收集的反应后的污泥干燥以后进行工业分析和元素分析。
实例结果如下：
(1)水热反应和催化气化后的污泥
表1是水热处理和催化气化前后污泥的工业分析和元素分析，分析数据可以发现污泥的灰分含量高达一半以上，固定碳的含量不足7％，在水热处理过后，反应后的污泥中挥发分和固定碳的含量都随着水热处理温度的提高而降低，灰分的含量随着水热处理温度的升高而不断增大，在350℃接近90％。在元素分析中，随着实验温度的提高，C、H、O、N在固体产物中的含量都不断的降低。图3为反应前后样品的重量以及C的迁移率变化随着温度的变化情况，从图中可以看出，在水热反应后，污泥中的C大部分已经转移到反应后的气体或者固体中。
表1水热催化气化反应前后污泥的工业分析及元素分析
(2)水热反应和催化气化后的液体
表2水热及催化气化反应后溶液中的C的含量及相关比例
注：比例P1代表反应后溶液中的C占反应前污泥中C的比例，P2代表反应后溶液中C占迁移向液体和气体中C的百分比。
从表2可以，水热反应和催化气化后溶液中虽然会有部分的有机碳存在于溶液中，但是这一部分C含量占总碳和迁移碳的含量较低，在反应温度高于300℃时，C含量占总碳和迁移碳的比例均低于3.5％。这是因为在反应中，C首先通过水热反应从污泥中溶解于液体中，随液体进入催化剂中进行气化反应生成CO2、CH4等气体，从而实现能量从固体向气体的转移。
(3)水热反应和催化气化后的液体
表3水热及催化气化反应后生成的各气体及所占比例
水热及催化计划反应后，产气中CH4的含量最高，占总量的一半以上，当反应温度达到350℃，生成的其中H2、CH4和CO的含量接近80％。综合(1)(2)(3)可知，水热反应和催化气化一体化装置可以使污泥中的大部分能量转移至气体中，即一定程度可以实现污泥的无害化处理，同时也实现了污泥的回收利用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明专利的实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种污泥水热处理及其废液催化气化同步反应装置，其特征在于，包括水热和催化气化同步反应室(5)、催化剂固定器(10)、电机搅拌器(3)、供气机构(4)、加热丝(7)；
水热和催化气化同步反应室(5)作为反应室，用于容放反应物即污泥和去离子水(11)；催化剂固定器(10)放置于反应室内部，用于将催化剂固定于内部空腔，同时提供通道使得去离之水自由出入空腔与催化剂接触；催化剂固定器(10)的端部设有轴杆，电机搅拌器(3)的输出端连接轴杆，电机搅拌器(3)用于带动催化剂固定器(10)旋转；供气机构(4)的输出管道插入水热和催化气化同步反应室(5)；加热丝(7)内置于水热和催化气化同步反应室(5)的腔壁内。
2.根据权利要求1所述的污泥水热处理及其废液催化气化同步反应装置，其特征在于，催化剂固定器(10)包括多个箱体结构，各箱体结构的一侧臂相接或共用，相接或共用的侧臂作为箱体结构旋转的中心轴，中心轴的上端通过轴杆连接电机搅拌器(3)的输出轴；各箱体结构另外相对的两侧壁表面开有用作为去离子水出入通道的孔阵列，孔阵列的开孔尺寸小于催化剂颗粒大小。
3.根据权利要求2所述的污泥水热处理及其废液催化气化同步反应装置，其特征在于，所述孔阵列的开孔采用圆形或多边形。
4.根据权利要求2或3所述的污泥水热处理及其废液催化气化同步反应装置，其特征在于，所述水热和催化气化同步反应室(5)为圆柱形，催化剂固定器(10)与中心轴相对的另一侧臂为相匹配的圆弧形。
5.根据权利要求1或2或3所述的污泥水热处理及其废液催化气化同步反应装置，其特征在于，还包括设温度压力传感器(13)和温度压力控制器(2)，温度压力传感器(13)用于实时采集反应温度和压力，温度压力控制器(2)用于依据采集的压力控制供气机构(4)的进气出气阀门开和闭从而调节反应室内的压力，依据采集的温度控制加热丝7的工作状态从而调节反应室内的温度。
6.根据权利要求1或2或3所述的污泥水热处理及其废液催化气化同步反应装置，其特征在于，还包括通过管道与水热和催化气化同步反应室(5)连通的收集气袋(1)，用于收集反应产生的产气；以及设置于水热和催化气化同步反应室(5)底部的滤网、废液通过阀门(8)和收集容器(9)，废液通过阀门(8)收集于容器(9)中，污泥收集于滤网(14)上部。
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