CN109399892B - 一种用于超临界水氧化系统的污泥连续热水解膜式壁反应器 - Google Patents
一种用于超临界水氧化系统的污泥连续热水解膜式壁反应器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于超临界水氧化系统的污泥连续热水解膜式壁反应器,属于超临界水氧化技术领域,包括筒体,筒体的顶部设有上封头,底部设有下封头,上封头外安装有电机,筒体内设有由电机驱动的转轴,转轴底部固定在下封头上,上封头上设有污泥入口,下封头底部设有污泥出口;筒体内还设置有与筒体共轴且紧贴筒体侧壁的膜式壁换热器;转轴上设有搅拌装置,搅拌装置贯穿膜式壁换热器腔体;在上封头上还设有热流体入口和热流体出口,热流体入口和热流体出口与膜式壁换热器连通。对污泥提供热量使其升温,发生热水解反应使粘度降低,解决背景技术中污泥输送、换热等方面的技术问题,因而本发明可以广泛应用于SCWO连续处理高粘度污泥的系统中。
Description
技术领域
本发明属于超临界水氧化技术领域,具体涉及一种用于超临界水氧化系统的污泥连续热水解膜式壁反应器。
背景技术
污泥是城镇污水处理过程中的副产物。随着人口增长,城镇化水平提高,污水处理厂不断扩建,每处理1万吨污水平均产生5.6吨80%含水率的湿污泥,2016年污泥产量已突破4000万吨。城市污泥的无害化率仍小于25%,没有达到规划的80%的污泥处理处置率。以北京市为例,截至2015年,北京市污泥无害化处理率也仅为23%左右。而目前根据规划要求,到2020年,地级及以上城市的污泥无害化处理处置率需达到90%以上。因此,城市污泥的无害处理目标高。
污泥含水率高,初沉污泥含水率为97–98%,活性污泥含水率为99.2–99.8%,浓缩污泥含水率通常为94–96%;污泥经过机械脱水后含水率仍然高达80%左右,要实现进一步的减量化,常常需要进行高成本的污泥干化处理。污泥有机物成分复杂,一般含有碳水化合物14%左右,蛋白质40%左右,脂类10%左右,木质素17%左右,灰分含量30–50%。城市污泥干基有机物含量高达50–85%,热值在5–18MJ/kg,具有资源化利用潜力。另一方面由于城市污泥较高的有机物含量及氮、磷、钾等营养成分,同时灰分中还含有重金属元素,因此要实现无害化处理,难度较高。污泥含有大量细菌、粪大肠菌和寄生虫卵。这些微生物通过直接与污泥接触,通过食物链传入环境危害人体健康,且污泥具有异味,卫生条件较差。
污泥的传统处理方法包括填埋、堆肥、焚烧等。对于填埋法来讲,污泥含水率高就容易导致填埋场无法正常运行,2007年10月实施的《城镇污水处理厂污泥处置——混合填埋泥质》标准就规定含水率小于等于60%的污泥才能进填埋场。同时污泥填埋需要占用大量场地和大量的运费,且污染环境和地下水。填埋法受限严重,目前国外已很少使用填埋法。对于堆肥法而言,含水率80%左右的污泥需要添加膨松剂调整至含水率50%左右再进行堆肥,添加剂质量为污泥的60%,一旦污泥销路不好,污泥量不降反增。同时,我国采用工业废水、生活污水混合处理技术,因此城市污泥中还含有重金属等有毒有害物质,进一步限制了堆肥法的应用。污泥焚烧是减量化的有效手段,但脱水泥饼因为含水率过高无法直接焚烧。以干污泥热值12.54MJ·kg-1计算,含水率80%的泥饼热值约为2.51MJ·kg-1,难以达到焚烧要求,需要进一步干化至含水率30–50%,同时添加辅助燃料,消耗大量能源,管理复杂,运行成本高。同时,污泥焚烧过程中会产生SO2、NOx及二噁英等二次污染物。总体来讲,城市污泥的传统处理方法都需要对污泥进行干化脱水,其处理处置费用可占污水处理厂运行费用的50%左右。同时,污泥传统处理方法都存在二次污染问题,无害化率低。最后,城市污泥的资源化利用方式,例如堆肥,污泥砖,制陶粒等市场不稳定,群众接受度不高,资源化利用困难。因此需要一种新的技术来实现城市污泥的减量化、无害化和资源化。
针对传统处置方式的不足又出现了许多新兴的污泥处理方法,主要有:制油、熔化、制陶瓷、制造活性炭、和超临界水处理等。其中,超临界水氧化技术(supercriticalwater oxidation,简称SCWO)可以完全实现污泥的减量化、无害化和资源化,在美国国家关键技术所给出的六大领域之一“能源与环境”报告中也指出,超临界水氧化技术是最有前途的处理技术。因此,采用超临界水氧化技术处理城市污泥具有光明的应用前景。
SCWO污泥处理系统中,污泥在预热升温过程中,首先就是发生的就是亚临界区的水解反应,污泥中的细胞破裂,污泥的粘度降低。此外,当污泥被加热至一定温度时,细胞内的吸附水及结合水释放,水更容易与污泥颗粒分离。总体来讲,污泥在亚临界水解阶段的典型表现就是固液相的分离以及有机物从固相向液相的转移,从而有利于污泥在SCWO系统中的流动和输送。
然而,在污泥预热升温初期,由于污泥粘度大,流动性较差,给污泥预处理的运输和传热带来了极大的困难。因此在污泥进入预热器中预热升温之前,对污泥进行热水解处理,降低污泥的粘度,从而降低污泥的输送和换热成本。SCWO污泥处理系统处于长期连续运行状态中,而目前的热水解工艺绝大多数为间歇式的,不具备连续运行的条件,不能实际有效地应用于SCWO污泥处理系统中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于超临界水氧化系统的污泥连续热水解膜式壁反应器,以对污泥提供热量使其升温,发生热水解反应,从而使粘度降低,解决背景技术中污泥输送、换热等方面的技术问题,可以广泛应用于SCWO连续处理高粘度污泥的系统中。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明公开的一种用于超临界水氧化系统的污泥连续热水解膜式壁反应器,包括筒体,筒体的顶部设有上封头,底部设有下封头,上封头外安装有电机,筒体内设有由电机驱动的转轴,转轴底部固定在下封头上,上封头上设有污泥入口,下封头底部设有污泥出口;
筒体内还包括与筒体共轴且紧贴筒体侧壁设置的膜式壁换热器;转轴上设有搅拌装置,搅拌装置贯穿膜式壁换热器腔体;在上封头上还设有热流体入口和热流体出口,热流体入口和热流体出口与膜式壁换热器连通。
本发明的进一步改进在于,膜式壁换热器通过环形钢板焊接密封在筒体内侧壁上,即膜式壁换热器与筒体内壁面用环形钢板焊接,将膜式壁换热器外侧与筒体内壁面密封。
本发明的进一步改进在于,搅拌装置包括设置于转轴上部的桨式搅拌器和设置于转轴下部的框式搅拌器。
更进一步的改进在于,桨式搅拌器和框式搅拌器的直径均小于膜式壁换热器的内径。
本发明的进一步改进在于,热流体入口与膜式壁换热器的下端管口连接,热流体出口与膜式壁换热器的上端管口连接。
本发明的进一步改进在于,所述上封头上还设有稳压装置连接管口。
本发明的进一步改进在于,所述筒体侧壁上设有液位计连接管口。
更进一步改进在于,液位计连接管口有两个,包括设置在筒体外侧壁上部的第一液位计连接管口,以及设置在筒体外侧壁下部的第二液位计连接管口。
本发明的进一步改进在于,筒体外壁及下封头外侧均设有保温层。
本发明的进一步改进在于,转轴底部通过固定底座固定在下封头上。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明的用于超临界水氧化系统的污泥连续热水解膜式壁反应器,通过在筒体内设置与筒体共轴且紧贴筒体侧壁的膜式壁换热器,膜式壁换热器能够对污泥进行预热升温,有效利用了系统热量,采用膜式壁换热器可针对高粘度、流动性差的污泥实现高效换热,提高污泥的换热效率,并防止污泥黏附在管壁上造成传热恶化。在反应器内,热流体可连续、循环进入反应器与污泥进行换热,污泥可连续、循环进入反应器内预热升温,发生热水解反应,通过顶部污泥入口和底部污泥出口实现污泥连续上进下出,同时贯穿膜式壁换热器的搅拌装置能够保证污泥在反应器内的停留时间,达到高效换热及热水解反应的目的。本发明的换热器,使来自超临界水氧化反应的热流体进入膜式壁换热器,利用系统的反应余热通过膜式壁换热器对污泥进行预热升温,有效利用了系统热量,采用膜式壁换热器可针对高粘度、流动性差的污泥实现高效换热,提高污泥的换热效率。
进一步,所述膜式壁换热器与筒体内壁面用环形钢板焊接,对膜式壁换热器进行贴壁设计,将膜式壁换热器与筒体内壁面的环形空隙密封,在增大换热面积的同时,防止污泥进入该环形空间内静止、黏附在换热器表面。
进一步,采用桨式搅拌器和框式搅拌器的组合搅拌形式,同时满足对污泥的轴向剪切和径向剪切,并能够满足对大容量污泥的搅拌混匀,从而使污泥快速均质和由上向下推进。转轴上部桨式搅拌器能够实现轴向的大剪切力,促进流体的上下交换,提高流体湍流程度,加强传热、传质过程,快速达到反应参数;下部框式搅拌器能够实现径向的搅拌,且能够实现大体积污泥的搅拌。
进一步,桨式搅拌器与框式搅拌器直径较大,与膜式壁换热器壁面间隙较小,有利于传热过程的进行,快速旋转时,搅拌器叶片所带动的液体把静止层从反应釜壁上带下来。
进一步,热流体入口从膜式壁换热器的下端进入,从膜式壁换热器的上端经过热流体出口流出反应器,实现了热流体可连续、循环进入反应器对污泥进行换热。
进一步,所述筒体侧壁上设有液位计连接管口,上封头上设有稳压装置连接管口,通过连接液位计对反应器内的液位进行调节控制,以保证反应器连续安全地运行,同时通过连接稳压装置对反应器内部的压力进行调节控制,以保证反应器内始终维持反应条件。
进一步,在筒体和下封头外部假设保温层,防止热量散失,提高换热效率。
进一步地,转轴顶部与电机连接固定于上封头,底部由固定底座固定于下封头,防止搅拌装置转动引起的转轴震动、偏移。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为膜式壁换热器结构示意图;
其中,1为电机;2为转轴;3为桨式搅拌器;4为框式搅拌器;5为固定底座;6为膜式壁换热器;7为环形钢板;8为筒体;9为保温层;10为上封头;11为下封头;N1热流体入口;N2为热流体出口;N3为污泥入口;N4为污泥出口;N5a为第一液位计连接管口;N5b为第二液位计连接管口;N6为稳压装置连接管口。
具体实施方式
参考图1所示,本发明的用于超临界水氧化系统的污泥连续热水解膜式壁反应器,包括筒体8、膜式壁换热器6和搅拌装置;筒体8的顶部设有上封头10,底部设有下封头11,筒体8和下封头11外侧设有保温层9;
筒体8内还设置有与筒体8共轴且紧贴筒体8侧壁的膜式壁换热器6膜式壁换热器6的结构如图2所示。膜式壁换热器6通过与热流体换热为污泥提供热量,使污泥升温达到反应条件,发生热水解反应;膜式壁换热器6与筒体8内壁贴近,增加了膜式壁换热器6的换热面积。转轴2上设有搅拌装置,搅拌装置贯穿膜式壁换热器6腔体。转轴2由电机1驱动,转轴2通过固定底座5固定在下封头11上,电机1位于上封头10的上方中部。
所述转轴2顶部由电机1固定于上封头10,底部由固定底座5固定于下封头11,防止搅拌装置转动引起的转轴2震动、偏移。上封头10设有污泥热流体入口N1和热流体出口N2,来自于超临界水氧化反应后的热流体从上封头10上的热流体入口N1进入膜式壁换热器6的下端管口,为污泥提供热量,使污泥升温达到反应条件,以发生热水解反应,放热结束后的热流体从膜式壁换热器6的上端管口经上封头10上的热流体出口N2流出反应器。
所述上封头10设有污泥入口N3,下封头11底部设有污泥出口N4,污泥来自于超临界水氧化系统的上游设备,通过上封头10上的污泥入口N3进入反应器上部,经过与热流体换热后升温达到热水解反应条件,反应降粘后的污泥通过下封头11上的污泥出口N4进入超临界水氧化系统的下游设备。
所述上封头10上设有稳压装置连接管口N6,通过连接稳压装置使反应器内部压力始终维持在反应条件需要的压力范围内。
筒体8的侧壁设有液位计连接管口,液位计连接管口有两个,包括设置在筒体8外侧壁上部的第一液位计连接管口N5a,以及设置在筒体8外侧壁下部的第二液位计连接管口N5b。通过连接液位计可随时显示、控制筒体8内的液位,以保证反应器连续、稳定、安全运行。
优选地,膜式壁换热器6与筒体8内壁面用环形钢板7焊接,将膜式壁换热器6外侧与筒体8内壁面环形空隙密封,在增大换热面积的同时,防止污泥进入膜式壁换热器6与筒体8内壁之间,因无流动而粘附在换热器壁面上。
搅拌装置包括设置于转轴2上部的桨式搅拌器3和转轴2下部的框式搅拌器4。桨式搅拌器3与框式搅拌器4直径大,但均小于膜式壁换热器6的内径,可以放置在膜式壁换热器6的腔体内,桨式搅拌器3和框式搅拌器4与膜式壁换热器6壁面间隙较小,有利于传热过程的进行,快速旋转时,搅拌器叶片所带动的污泥能够把静止层从反应釜壁上带下来。
所述桨式搅拌器3能够实现轴向的大剪切力,促进流体的上下交换,提高流体湍流程度,加强传热、传质过程,快速达到反应参数;框式搅拌器4能够实现径向的搅拌,且能够实现大体积污泥的搅拌;调节组合搅拌器的转速使其适合于不同污泥性质、不同的反应条件和不同反应要求。通过搅拌装置的设置,实现了用于SCWO系统的污泥连续热水解,实现污泥连续上进下出,通过桨式搅拌器的下旋,保证污泥在反应器内的停留时间,达到高效换热及热水解反应的目的。
综上所述,本发明利用SCWO系统的反应余热通过膜式壁换热器对污泥进行预热升温,使污泥升温达到反应条件,发生热水解反应,有效利用了系统热量,采用膜式壁换热器针对高粘度、流动性差的污泥实现高效换热,提高污泥的换热效率,并防止污泥黏附在管壁上造成传热恶化。
Claims (8)
1.一种用于超临界水氧化系统的污泥连续热水解膜式壁反应器,其特征在于,包括筒体(8),筒体(8)的顶部设有上封头(10),底部设有下封头(11),上封头(10)外安装有电机(1),筒体(8)内设有由电机(1)驱动的转轴(2),转轴(2)底部固定在下封头(11)上,上封头(10)上设有污泥入口(N3),下封头(11)底部设有污泥出口(N4);
筒体(8)内还设置有与筒体(8)共轴且紧贴筒体(8)侧壁的膜式壁换热器(6);转轴(2)上设有搅拌装置,搅拌装置贯穿膜式壁换热器(6)腔体;在上封头(10)上还设有热流体入口(N1)和热流体出口(N2),热流体入口(N1)和热流体出口(N2)与膜式壁换热器(6)连通,膜式壁换热器(6)通过环形钢板(7)焊接密封在筒体(8)内侧壁上,搅拌装置包括设置于转轴(2)上部的桨式搅拌器(3)和设置于转轴(2)下部的框式搅拌器(4)。
2.根据权利要求1所述的一种用于超临界水氧化系统的污泥连续热水解膜式壁反应器,其特征在于,桨式搅拌器(3)和框式搅拌器(4)的直径均小于膜式壁换热器(6)的内径。
3.根据权利要求1所述的一种用于超临界水氧化系统的污泥连续热水解膜式壁反应器,其特征在于,热流体入口(N1)与膜式壁换热器(6)的下端管口连接,热流体出口(N2)与膜式壁换热器(6)的上端管口连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于超临界水氧化系统的污泥连续热水解膜式壁反应器,其特征在于,所述上封头(10)上还设有稳压装置连接管口(N6)。
5.根据权利要求1所述的一种用于超临界水氧化系统的污泥连续热水解膜式壁反应器,其特征在于,所述筒体(8)侧壁上设有液位计连接管口。
6.根据权利要求5所述的一种用于超临界水氧化系统的污泥连续热水解膜式壁反应器,其特征在于,液位计连接管口有两个,包括设置在筒体(8)外侧壁上部的第一液位计连接管口(N5a),以及设置在筒体(8)外侧壁下部的第二液位计连接管口(N5b)。
7.根据权利要求1~6中任意一项所述的一种用于超临界水氧化系统的污泥连续热水解膜式壁反应器,其特征在于,筒体(8)外壁及下封头(11)外侧均设有保温层(9)。
8.根据权利要求1~6中任意一项所述的一种用于超临界水氧化系统的污泥连续热水解膜式壁反应器,其特征在于,转轴(2)底部通过固定底座(5)固定在下封头(11)上。
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