CN108751653B - 一种城市污泥超临界水氧化分段氧化处理系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种城市污泥超临界水氧化分段氧化处理系统及工艺，系统中分离后液相产物的超临界水氧化/湿式氧化处理系统；反应流体进料系统包括污泥进料系统和氧化剂进料系统，氧化剂进料系统包括双氧水泵、氧化剂罐和第二预热器；氧化剂罐的出口连接双氧水泵入口，双氧水泵出口通过带有第二十阀门的管路连接第二预热器的底部入口；第二预热器的上部出口分成两路，一路通过带有流量计和第十三阀门的管路连接第一反应器上部入口；一路通过带有流量计和第十二阀门的管路连接第二反应器上部入口。本发明通过氧化剂的分段加入方式降低氧化剂的消耗量，以促进污泥中有机物的降解和氨氮等物质的去除，从而大幅度提高了城市污泥的处置效果。

Description

一种城市污泥超临界水氧化分段氧化处理系统及工艺

技术领域

本发明属于污泥处理及资源回收利用领域，特别涉及一种城市污泥超临界水氧化分段氧化处理系统及工艺。

背景技术

城市污泥超临界水氧化技术是利用超临界水特性，使污泥中的有机物和氧化剂在超临界条件下快速发生氧化反应来彻底降解有机物。超临界水具有气体输运和液体溶解的性质，有机物和气体(如氧气和氮气)等能完全溶解在超临界水中，而非极性物质如无机盐在超临界水中的溶解度很小，易析出分离。氧化反应在超临界状态下为均相反应，绝大多数有机物在超临界水中的扩散率高，快速氧化有机物，反应产物为CO₂、H₂O及无机盐等无害小分子。由于有机物去除率高，反应彻底，无二次污染，且反应产生的无机盐和重金属可分离，实现回收利用。该技术应用范围广，可用来处理高毒性难降解污泥、废水等污染物。

针对超临界水氧化技术处理城市污泥的研究不断增加，常规的污泥氧化反应都是在富氧环境中进行，而高温和高氧化系数的反应条件下存在处理效率低、能耗大，成本高等问题限制该技术大规模工业化应用。

目前关于城市污泥超临界水氧化分段氧化处理技术的研究少有涉及。鉴于上述问题限制了城市污泥超临界水氧化技术的发展。因此，提出一种城市污泥超临界水氧化分段氧化处理系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种城市污泥超临界水氧化分段氧化处理系统及工艺，以解决现有技术中，污泥在高温和高氧化系数的反应条件下存在的处理效率低、能耗大，成本高的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种城市污泥超临界水氧化分段氧化处理系统，包括反应流体进料系统，超临界水氧化/ 气化处理系统，分离后液相产物的超临界水氧化/湿式氧化处理系统；反应流体进料系统包括污泥进料系统和氧化剂进料系统，氧化剂进料系统包括双氧水泵、氧化剂罐和第二预热器；氧化剂罐的出口连接双氧水泵入口，双氧水泵出口通过带有第二十阀门的管路连接第二预热器的底部入口；第二预热器的上部出口分成两路，一路通过带有流量计和第十三阀门的管路连接第一反应器上部入口；一路通过带有流量计和第十二阀门的管路连接第二反应器上部入口。

进一步的，超临界氧化/气化处理系统包括：第一反应器、第一冷却器、第一高温高压气液分离器、冷却脱水干燥装置、换热器和第二反应器；第一反应器底部出口通过带有第四阀门的管路连接第一冷却器的管侧入口，第一冷却器的管侧出口通过带有第七阀门的管路连接第一高温高压气液分离器入口，第一高温高压气液分离器上部气相出口依次连接冷却脱水干燥装置、第六阀门和第一集气瓶，第一高温高压气液分离器底部液相出口通过带有第九阀门的管路连接换热器的管侧入口，换热器的管侧出口通过带有第十一阀门的管路连接第二反应器上部入口。

进一步的，分离后液相产物的超临界水氧化/湿式氧化处理系统包括：分离后液相产物的超临界水氧化/湿式氧化处理系统包括：第二冷却器、背压阀、第二高温高压气液分离器、第二集气瓶和集液箱；第二反应器底部出口通过带有第十三阀门的管路连接第二冷却器的管侧入口，第二冷却器管侧出口通过带有背压阀和第十五阀门的管路连接第二高温高压气液分离器底部入口，第二高温高压气液分离器上部气相出口通过带有第十六阀门的管路连接第二集气瓶；第二高温高压气液分离器底部液相出口通过带有第十七阀门的管路连接集液箱；第二反应器底部液相出口连接排污罐。

进一步的，还包括流体冷却预热处置系统，包括第一水箱和第二水箱；第一水箱底部出口通过带有第五阀门的管路连接第一冷却器的壳侧入口，第一冷却器壳侧出口通过带有第八阀门的管路连接换热器壳侧入口，换热器壳侧出口通过带有第十阀门的管路连接第二水箱上部入口，第二水箱底部出口通过带有第十四阀门的管路连接第二冷却器壳侧入口，第二冷却器壳侧出口连接排污罐。

进一步的，污泥进料系统包括物料罐、搅拌机、高压柱 塞泵和第一预热器；搅拌机的搅拌桨从物料罐上部入口伸入物料罐中，物料罐底部出口连接高压柱塞泵入口，高压柱塞泵出口通过带有第一阀门的管路连接第一预热器底部入口；第一预热器的上部出口通过带有第二阀门的管路连接第一反应器上部入口。

进一步的，高压柱塞泵上配置有变频器。

进一步的，第一反应器、第二反应器中分别设置有电加热器。

本发明还提供了一种城市污泥超临界水氧化分段氧化处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：

(1)物料罐中的城市污泥经过搅拌机搅拌后，通过高压柱塞泵加压经过第一预热器预热进行预热，氧化剂通过氧化剂罐底部进入双氧水泵加压经过第二预热器进行预热，预热后的城市污泥与预热后的氧化剂混合后泵入第一 反应器中通过第一电加热器加热使城市污泥与氧化剂进行超临界水氧化/气化反应；

(2)超临界水氧化/气化反应后产物通过第一反应器底部的出口依次经冷却和分离过程；首先，储存在第一水箱中的冷却水通入第一冷却器中对反应产物进行降温冷却；然后，反应产物进入第一高温高压气液分离器中进行气液分离，气相产物进入冷却脱水干燥装置中进行干燥，气体收集在第一集气瓶中；其次，经过第一冷却器换热后的冷却水通入换热器中对第一高温高压气液分离器的液相产物进行预热；

(3)预热后的液相产物与预热氧化剂混合后进入第二反应器的环形空间内，然后，氧化剂与液相产物通过第二电加热器加热发生超临界水氧化/湿式氧化反应；

(4)反应后的流体通过第二反应器底部出口进入第二冷却器中进行冷却降压，然后进入第二高温高压气液分离器中进行气液固分离，气相产物收集在第二集气瓶中，液相产物进入集液箱中，而残渣暂时储存在排污罐中，最终分别将气相、固相及液相产物储存到第一集气瓶、第二集气瓶、排污罐和集液箱中。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

1、城市污泥的超临界水氧化反应在反应器内分两段进行。城市污泥泵入到反应器的上部空间，在无氧的条件下，发生超临界水气化反应，在有氧的条件下，发生超临界水氧化反应，实现了城市污泥的超临界水氧化/气化反应。反应后的液相产物引入反应器的下端与氧化剂充分混合发生超临界水氧化反应，实现了城市污泥中有机物的彻底降解、无机盐颗粒、氨氮等物质的去除。

2、氧化剂经预热后分上、下两路进入反应器的空间，通过阀门反馈可以精确的控制每路的氧化剂量。城市污泥和氧化剂经预热后从上路通入混合器中进行混合。这样可以有效的实现反应器内的污泥氧化反应在富氧环境中进行，同时也避免了反应器内氧的分布不均匀带来的能耗增加和污染。

本发明通过反应器结构的设置可以有效的实现城市污泥高效、彻底、无害化处置。同时在确保城市污泥无害化处置的前提下，通过氧化剂的分段加入方式降低氧化剂的消耗量，以促进污泥中有机物的降解和氨氮等物质的去除，从而大幅度提高了城市污泥的处置效果。相比其他超临界水氧化系统，本发明系统具有运行稳定、能耗低、效率高等优势，可广泛用于城市污泥超临界水氧化分段氧化处理技术。

附图说明

图1是本发明城市污泥超临界水氧化分段氧化处理系统的结构示意图。

图中：1物料罐；2搅拌机；3高压柱塞泵；4第一预热器；5第二预热器；6/7、流量计；8第一水箱；9第一冷却器；10第一集气瓶；11冷却脱水干燥装置；12第一高温高压气液分离器；13换热器；14第二水箱；15第二冷却器；16背压阀；17第二高温高压气液分离器； 18压力表；19第二集气瓶；20集液箱；21排污罐；22双氧水泵；23氧化剂罐；E1第一电加热器；E2第二电加热器；R1第一反应器；R2第二反应器；V1～V20为第一到第二十阀门。

具体实施方式

下面结合图1和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

一种城市污泥超临界水氧化分段氧化处理系统，包括反应流体进料系统，超临界水氧化/ 气化处理系统，分离后液相产物的超临界水氧化/湿式氧化处理系统和流体冷却预热处置系统。

(1)反应流体进料系统包括污泥进料系统、氧化剂进料系统；

污泥进料系统包括物料罐1、搅拌机2、高压柱 塞泵3和第一预热器4；搅拌机2的搅拌桨从物料罐1上部入口伸入物料罐1中，物料罐1底部出口连接高压柱塞泵3入口，高压柱塞泵3 出口通过带有第一阀门V1的管路连接第一预热器4底部入口；第一预热器4的上部出口通过带有第二阀门V2的管路连接第一反应器R1上部入口；

氧化剂进料系统包括双氧水泵22、氧化剂罐23和第二预热器5；氧化剂罐23的出口连接双氧水泵22入口，双氧水泵22出口通过带有第二十阀门V20的管路连接第二预热器5的底部入口；第二预热器5的上部出口分成两路，一路通过带有流量计6和第十三阀门V13的管路连接第一反应器R1上部入口；一路通过带有流量计7和第十二阀门V12的管路连接第二反应器R2上部入口；

(2)超临界水氧化/气化处理系统：

超临界水氧化/气化处理系统包括：第一反应器R1、第一冷却器9、第一高温高压气液分离器12、冷却脱水干燥装置11、换热器13和第二反应器R2；

第一反应器R1底部出口通过带有第四阀门V4的管路连接第一冷却器9的管侧入口，第一冷却器9的管侧出口通过带有第七阀门V7的管路连接第一高温高压气液分离器12入口，第一高温高压气液分离器12上部气相出口依次连接冷却脱水干燥装置11、第六阀门V6和第一集气瓶10，第一高温高压气液分离器12底部液相出口通过带有第九阀门V9的管路连接换热器13的管侧入口，换热器13的管侧出口通过带有第十一阀门V11的管路连接第二反应器 R2上部入口；

(3)分离后液相产物的超临界水氧化/湿式氧化处理系统：

分离后液相产物的超临界水氧化/湿式氧化处理系统包括：第二冷却器15、背压阀16、第二高温高压气液分离器17、第二集气瓶19和集液箱20；

第二反应器R2底部出口通过带有第十三阀门V13的管路连接第二冷却器15的管侧入口，第二冷却器15管侧出口通过带有背压阀16和第十五阀门V15的管路连接第二高温高压气液分离器17底部入口，第二高温高压气液分离器17上部气相出口通过带有第十六阀门V16的管路连接第二集气瓶19；第二高温高压气液分离器17底部液相出口通过带有第十七阀门V17 的管路连接集液箱20；第二反应器R2底部液相出口连接排污罐21；

高压柱塞泵3上配置有变频器，可以控制城市污泥输送速率，进而控制城市污泥在反应器中的停留时间。

第一反应器R1、第二反应器R2中分别设置有电加热器，第一反应器R1中设置第一电加热器E1，用以加热城市污泥及氧化剂使其进行超临界水氧化/气化反应；第二反应器R2中设置第二电加热器E2，用以加热第一高温高压气液分离器液相产物使其进行超临界水氧化/湿式氧化反应。

(4)流体冷却预热处置系统：

流体冷却预热处置系统包括第一水箱8和第二水箱14；

第一水箱8底部出口通过带有第五阀门V5的管路连接第一冷却器9的壳侧入口，第一冷却器9壳侧出口通过带有第八阀门V8的管路连接换热器13壳侧入口，换热器13壳侧出口通过带有第十阀门V10的管路连接第二水箱14上部入口，第二水箱14底部出口通过带有第十四阀门V14的管路连接第二冷却器15壳侧入口，第二冷却器15壳侧出口通过第十八阀门V18 连接排污罐21。

参阅图1所示，本发明的一种城市污泥超临界水氧化分段氧化处理工艺，包括以下步骤：

(1)物料罐1中的城市污泥经过搅拌机2搅拌后，通过高压柱塞泵3加压经过第一预热器4进行预热，氧化剂通过氧化剂罐23底部进入双氧水泵22加压经过第二预热器5进行预热，预热后的城市污泥与预热后的氧化剂混合后泵入第一 反应器R1中通过第一电加热器E1加热使城市污泥与氧化剂进行超临界水氧化/气化反应。

(2)超临界水氧化/气化反应后产物通过第一反应器R1底部的出口依次经冷却和分离过程。首先，储存在第一水箱8中的冷却水通入第一冷却器9中对反应产物进行降温冷却。然后，反应产物进入第一高温高压气液分离器12中进行气液分离，气相产物进入冷却脱水干燥装置 11中进行干燥，气体收集在第一集气瓶10中。其次，经过第一冷却器9换热后的冷却水通入换热器13中对第一高温高压气液分离器12的液相产物进行预热。

(3)预热后的液相产物与预热氧化剂混合后进入第二反应器R2的环形空间内，然后，氧化剂与液相产物通过第二电加热器E2加热发生超临界水氧化/湿式氧化反应。

(4)反应后的流体通过第二反应器R2底部出口进入第二冷却器15中进行冷却降压，然后进入第二高温高压气液分离器17中进行气液固分离，气相产物收集在第二集气瓶19中，液相产物进入集液箱20中，而残渣暂时储存在排污罐21中，最终分别将气相、固相及液相产物储存到第一集气瓶10、第二集气瓶19、排污罐21和集液箱20中。

Claims (6)

1.一种城市污泥超临界水氧化分段氧化处理系统，其特征在于：包括反应流体进料系统、超临界水氧化/气化处理系统和分离后液相产物的超临界水氧化/湿式氧化处理系统；

反应流体进料系统包括污泥进料系统和氧化剂进料系统，氧化剂进料系统包括双氧水泵(22)、氧化剂罐(23)和第二预热器(5)；氧化剂罐(23)的出口连接双氧水泵(22)入口，双氧水泵(22)出口通过带有第二十阀门(V20)的管路连接第二预热器(5)的底部入口；第二预热器(5)的上部出口分成两路，一路通过带有流量计(6)和第三阀门(V3)的管路连接第一反应器(R1)上部入口；一路通过带有流量计(7)和第十二阀门(V12)的管路连接第二反应器(R2)上部入口；

污泥进料系统的出口连接第一反应器(R1)上部入口；

超临界水氧化/气化处理系统，用于污泥进料系统泵入的污泥和氧化剂进料系统泵入的氧化剂进行超临界水氧化/气化反应；

超临界水氧化/湿式氧化处理系统，用于加热超临界水氧化/气化处理系统生成的液相产物使其进行超临界水氧化/湿式氧化反应；

超临界氧化/气化处理系统包括：第一反应器(R1)、第一冷却器(9)、第一高温高压气液分离器(12)、冷却脱水干燥装置(11)、换热器(13)和第二反应器(R2)；

第一反应器(R1)底部出口通过带有第四阀门(V4)的管路连接第一冷却器(9)的管侧入口，第一冷却器(9)的管侧出口通过带有第七阀门(V7)的管路连接第一高温高压气液分离器(12)入口，第一高温高压气液分离器(12)上部气相出口依次连接冷却脱水干燥装置(11)、第六阀门(V6)和第一集气瓶(10)，第一高温高压气液分离器(12)底部液相出口通过带有第九阀门(V9)的管路连接换热器(13)的管侧入口，换热器(13)的管侧出口通过带有第十一阀门(V11)的管路连接第二反应器(R2)上部入口；

分离后液相产物的超临界水氧化/湿式氧化处理系统包括：第二冷却器(15)、背压阀(16)、第二高温高压气液分离器(17)、第二集气瓶(19)和集液箱(20)；

第二反应器(R2)底部出口通过带有第十三阀门(V13)的管路连接第二冷却器(15)的管侧入口，第二冷却器(15)管侧出口通过带有背压阀(16)和第十五阀门(V15)的管路连接第二高温高压气液分离器(17)底部入口，第二高温高压气液分离器(17)上部气相出口通过带有第十六阀门(V16)的管路连接第二集气瓶(19)；第二高温高压气液分离器(17)底部液相出口通过带有第十七阀门(V17)的管路连接集液箱(20)；第二反应器(R2)底部液相出口连接排污罐(21)。

2.根据权利要求1所述的一种城市污泥超临界水氧化分段氧化处理系统，其特征在于，还包括流体冷却预热处置系统，所述流体冷却预热处置系统包括第一水箱(8)和第二水箱(14)；

第一水箱(8)底部出口通过带有第五阀门(V5)的管路连接第一冷却器(9)的壳侧入口，第一冷却器(9)壳侧出口通过带有第八阀门(V8)的管路连接换热器(13)壳侧入口，换热器(13)壳侧出口通过带有第十阀门(V10)的管路连接第二水箱(14)上部入口，第二水箱(14)底部出口通过带有第十四阀门(V14)的管路连接第二冷却器(15)壳侧入口，第二冷却器(15)壳侧出口连接排污罐(21)。

3.根据权利要求1所述的一种城市污泥超临界水氧化分段氧化处理系统，其特征在于，污泥进料系统包括物料罐(1)、搅拌机(2)、高压柱 塞泵(3)和第一预热器(4)；搅拌机(2)的搅拌桨从物料罐(1)上部入口伸入物料罐(1)中，物料罐(1)底部出口连接高压柱塞泵(3)入口，高压柱 塞泵(3)出口通过带有第一阀门(V1)的管路连接第一预热器(4)底部入口；第一预热器(4)的上部出口通过带有第二阀门(V2)的管路连接第一反应器(R1)上部入口。

4.根据权利要求3所述的一种城市污泥超临界水氧化分段氧化处理系统，其特征在于：所述高压柱塞泵(3)上配置有变频器。

5.根据权利要求1所述的一种城市污泥超临界水氧化分段氧化处理系统，其特征在于：所述第一反应器(R1)、第二反应器(R2)中分别设置有电加热器。

6.一种城市污泥超临界水氧化分段氧化处理工艺，其特征在于，基于权利要求1所述的一种城市污泥超临界水氧化分段氧化处理系统，包括以下步骤：

(1)物料罐(1)中的城市污泥经过搅拌机(2)搅拌后，通过高压柱塞泵(3)加压经过第一预热器预热(4)进行预热，氧化剂通过氧化剂罐(23)底部进入双氧水泵(22)加压经过第二预热器(5)进行预热，预热后的城市污泥与预热后的氧化剂混合后泵入第一 反应器(R1)中通过第一电加热器(E1)加热使城市污泥与氧化剂进行超临界水氧化/气化反应；

(2)超临界水氧化/气化反应后产物通过第一反应器(R1)底部的出口依次经冷却和分离过程，首先，储存在第一水箱(8)中的冷却水通入第一冷却器(9)中对反应产物进行降温冷却；然后，反应产物进入第一高温高压气液分离器(12)中进行气液分离，气相产物进入冷却脱水干燥装置(11)中进行干燥，气体收集在第一集气瓶(10)中；其次，经过第一冷却器(9)换热后的冷却水通入换热器(13)中对第一高温高压气液分离器(12)的液相产物进行预热；

(3)预热后的液相产物与预热氧化剂混合后进入第二反应器(R2)的环形空间内，然后，氧化剂与液相产物通过第二电加热器(E2)加热发生超临界水氧化/湿式氧化反应；

(4)反应后的流体通过第二反应器(R2)底部出口进入第二冷却器(15)中进行冷却降压，然后进入第二高温高压气液分离器(17)中进行气液固分离，气相产物收集在第二集气瓶(19)中，液相产物进入集液箱(20)中，而残渣暂时储存在排污罐(21)中，最终分别将气相、固相及液相产物储存到第一集气瓶(10)、第二集气瓶(19)、排污罐(21)和集液箱(20)中。

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