CN110316928B - 一种热量自给的市政污泥连续水热碳化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热量自给的市政污泥连续水热碳化系统及方法，该系统包括碳化装置和湿热氧化装置，碳化装置包括污泥泵、预热器、加热器、第一开车加热器、碳化反应器、冷却器、储罐和压滤机；湿热氧化装置包括滤液泵、氧气压缩机、换热器、第二开车加热器、催化反应器和气液分离器，碳化装置为湿热氧化装置提供COD作为能源，湿热氧化装置为碳化装置提供碳化热量和温度，使整个污泥碳化系统实现热量自给，不需外热供应，利用污泥炭滤液中的COD为热源，节能显著，同时污泥炭滤液中的COD和TN被氧化为二氧化碳和氮气，使废水可以达标排放，具有节能、生产成本低、污染物零排放等优点。本发明同时公开了该市政污泥连续水热碳化方法。

Description

一种热量自给的市政污泥连续水热碳化系统及方法

技术领域

本发明涉及市政污泥资源化利用技术领域，具体是指一种热量自给的市政污泥连续水热碳化系统及方法。

背景技术

近年来，我国污水处理的总量和处理率都实现了快速提升，污泥是污水处理流程中的重要环节之一，污水处理工艺使大部分污染物质被转移到污泥当中。如处理不当，容易对环境造成二次污染。同时，污泥中也包含很多丰富营养物质，经适当处理可作为肥料和能源物质。因此，如何妥善处理污泥，使其稳定化、无害化、减量化、资源化，成为污泥处理中亟待解决的问题。

目前采用的处理方法有堆肥、厌氧消化、干化脱水、焚烧等，不是减量效果有限就是处理成本太高，或者就是污染严重。虽然我国在污泥处理方面的政策是越来越严，但行业发展始终没有取得重大突破，所以节能、低成本、高效和良好环保效益的处理技术成为行业的迫切需求。

污泥碳化技术是一种新兴的污泥处理技术，投资小，工艺简单，污泥“减量化、无害化、稳定化”效果显著，产品生物炭的应用前景广，占地面积小，运行能耗低。所以在污泥处理市场中占有率越来越大。污泥碳化又分为高温碳化(400～650℃)和低温碳化(200～300℃)二种。

高温碳化：首先将污泥干化到含水20％以下，再送入碳化炉中无氧热解碳化，碳化温度为400～650℃，压力为常压。碳化过程产出可燃气引回燃烧室进行燃烧放热，为碳化反应提供热源。燃烧尾气去废气处理，热解炭冷却后作为产品外运。

高温碳化炉的作用是将污泥加热但不燃烧，污泥经高温干馏产生可燃气，可燃气进入燃烧回路，进行燃烧提供碳化热量。污泥碳化完成后转化为无机炭，可以作为固体燃料。此工艺的缺点是：1、污泥干化耗能巨大，成本太高；2、碳化燃烧尾气中二氧化硫和氮氧化物太高，处理困难；3、需要向环保局申请大量的总量排放指标。

高温碳化的代表技术为实用新型专利ZL201520999452.5“一种有机质碳化系统”。本技术的缺点是：1、需要消耗大量的能量来干化污泥；2、高温碳化产生的可燃气需要进行燃烧来提供碳化热量，可燃气中含有大量硫和氮化合物，在燃烧过程中产生高浓度二氧化硫和氮氧化物尾气，需要复杂的尾气处理系统，同时需要申请大量的总量排放指标，不易被环保主管部门接受。

低温碳化：污泥直接加温加压，碳化过程中裂解细胞，不产生气体，是一种水热碳化工艺，温度为190～250℃，压力为2～6MPa。污泥不必干化，直接投入系统处理。再加上可以回收大量余热，所以本系统较高温碳化节能显著。目前行业中有2种低温水热碳化工艺：一种是用蒸汽直接加热污泥，温度升到190～200℃，压力为2～2.5MPa，此工艺的缺点是：1、因蒸汽直接进入污泥中，把污泥冲稀，减少了容积生产能力；2、因污泥被稀释，产出大量高浓度废液，降低了炭产率；3、因碳化温度较低，产品污泥炭臭味大，对工厂环境及后序产品利用不利。

另一种污泥低温碳化工艺：用导热油加热，反应温度为230～250℃，压力为4～6MPa。因污泥没有被稀释，设备产能大；产出高浓度废液少，便于后序处理；碳化温度高，臭味小，环境友好；因为水热碳化不需燃烧，不用申请总量排放指标，项目易落地。此工艺的缺点：1、虽然较高温法节能，但能耗还是高；2、较高的水热碳化温度导致碳化废液中有机物裂解产物醛类、呋喃类对生化有毒物质含量高，使后序废液难以生化处理。

低温碳化中，有机物经热解转化为无机碳，污泥碳化后的物料呈浆状，用普通压滤机进行脱水，可获得含水率30％的污泥炭和高浓度碳化滤液，其中，COD＝30～60g/L，TN＝5～8g/L。COD(Chemical Oxygen Demand)为化学需氧量，是以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量。TN(Total Nitrogen)为总氮，是水中各种形态无机和有机氮的总量。

低温碳化的代表技术为发明专利：CN108218176A“一种污泥碳化一体机和方法”。本技术的缺点是：1、能耗较高(比高温碳化法低得多)；2、产生高浓度高污染碳化废液需要处理；3、高浓度碳化废液中含有大量不能生化的有毒热解产物。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种热量自给的市政污泥连续水热碳化系统，该系统能够对市政污泥连续水热碳化处理，且不需外供热量，实现节能和低成本。

本发明的这一目的通过如下技术方案来实现的：一种热量自给的市政污泥连续水热碳化系统，其特征在于：所述系统包括碳化装置和湿热氧化装置，所述碳化装置包括污泥泵、预热器、加热器、第一开车加热器、碳化反应器、冷却器、储罐和压滤机，所述的污泥泵、预热器、加热器、第一开车加热器和碳化反应器依次相连通，所述预热器和加热器均具有两个进口和两个出口，污泥泵的出口与预热器的一个进口相连通，预热器的一个出口和加热器的一个进口相连通，加热器的一个出口与第一开车加热器的进口相连通，碳化反应器的出口与预热器的另一个进口相连通，预热器的另一个出口与冷却器的进口相连通，所述冷却器、储罐和压滤机依次相连通，压滤机压滤后产生污泥炭和碳化滤液，在压滤机下方设置滤液槽用于暂存碳化滤液；所述的湿热氧化装置包括滤液泵、氧气压缩机、换热器、第二开车加热器、催化反应器和气液分离器，所述的滤液泵、氧气压缩机、换热器、第二开车加热器和催化反应器依次相连通，所述换热器具有两个进口和两个出口，所述滤液泵的进口与所述滤液槽相连通，碳化滤液进入滤液泵，滤液泵的出口与换热器的一个进口相连通，换热器的一个出口与第二开车加热器相连通，催化反应器的出口与所述加热器的另一个进口相连通，加热器的另一个出口与换热器的另一个进口相连通，换热器的另一个出口与所述气液分离器相连通，所述氧气压缩机与所述滤液泵与换热器之间的管路相连通，用于提供氧气；所述碳化装置为所述湿热氧化装置提供COD作为能源，所述湿热氧化装置为所述碳化装置提供碳化热量和温度，使整个污泥碳化系统实现热量自给，不需外热供应。

本发明采用连续水热碳化工艺处置污泥制备污泥炭，碳化装置和湿热氧化装置耦合为一个系统，碳化装置为湿热氧化装置提供COD作为能源，湿热氧化装置为碳化装置提供热量和温度，同时也处理污染物，使整个系统实现热量自给，零污染排放。该系统利用污泥炭滤液中的COD为热源，节能显著，同时污泥炭滤液中的COD和TN被氧化为二氧化碳和氮气，使废水可以达标排放，具有节能、生产成本低、污染物零排放等优点。

本发明实现碳化过程热量自给的措施是：1、采用连续推流式碳化工艺，最大地回收系统余热；2、碳化装置为湿热氧化装置提供COD和TN作为能源，湿热氧化装置为碳化装置提供碳化热量和温度，使整个污泥碳化系统实现热量自给。

本发明中，所述的预热器、加热器、第一开车加热器、第二开车加热器、换热器和冷却器均为套管式热交换器；其中，预热器：管内走原污泥，夹套内走碳化浆料；第一开车加热器：管内走预热后污泥，夹套内走导热油；第二开车加热器：管内走碳化滤液，夹套内走导热油；加热器：管内走预热后污泥，夹套内走湿热氧化完成液；换热器：管内走冷碳化滤液，夹套内走第一次换热后的湿热氧化完成液；冷却器：管内走换热后的碳化浆料，夹套走冷却水。

本发明中，所述碳化反应器为推流式管式反应器，不设夹套，管外设保温层。

本发明中，所述冷却器和储罐之间设有第一背压阀，所述储罐与压滤机之间设有压滤泵；所述换热器与气液分离器之间设有第二背压阀。

本发明中，所述催化反应器为釜式结构，内设负载式贵金属催化剂或负载式非贵金属催化剂。

本发明的目的之二是提供一种热量自给的市政污泥连续水热碳化方法，该方法可以使碳化废液经湿热氧化处理实现达标排放。

本发明的这一目的通过如下技术方案来实现的：一种热量自给的市政污泥连续水热碳化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤(1)：市政污泥经预处理后打入污泥暂存池中，所述污泥预处理指污泥过滤和沉淀处理，去除杂物和砂石，保障后序输送顺畅，污泥过滤和沉淀处理均为现有技术，采用现有常规手段即可实现；

步骤(2)：将步骤(1)获得的预处理后的污泥经高压污泥泵连续地打入预热器中，被高温碳化浆料加热到T1，T1为140～180℃，优选160℃；再经加热器、第一开车加热器升温到T2，T2为230～270℃，优选250℃；然后进入碳化反应器中进行水热碳化反应，得到碳化产物，温度仍为250℃；

步骤(3)：将步骤(2)获得的250℃的碳化产物在高压污泥泵的驱动下进入预热器与污泥泵连续泵入的污泥换热后温度降到T3，T3为80～110℃，优选100℃；再进入冷却器降温到T4，T4为25～40℃，优选30℃；然后经第一背压阀泄压后进入储罐中，产生不凝碳化尾气和碳化浆料；

步骤(4)：储罐内的碳化浆料经压滤泵打入压滤机进行固液分离，获得含水30～40％的污泥炭产品和碳化滤液，污泥炭含水优选30％；

步骤(5)：碳化滤液由高压滤液泵连续地打入换热器中，再经第二开车加热器温度升到T5，T5为150～180℃，优选160℃；然后进入催化反应器中发生氧化反应，同时，氧气压缩机也把氧气连续地泵入换热器中与碳化滤液混合；碳化滤液中的COD和TN在催化反应器中被氧化为二氧化碳和氮气，并产生大量的热量，温度升到T6，T6为260～300℃，优选280℃；

步骤(6)：将步骤(5)280℃的高温氧化滤液进入加热器与污泥换热，污泥升温到水热碳化温度T7，T7为240～260℃，优选250℃；从而发生碳化反应，高温氧化滤液第一次换热后温度降到T8，T8为170～190℃，优选180℃；再进入换热器中与冷碳化滤液进行第二次换热，第二次换热后氧化滤液温度降到T9，T9为50～60℃，优选50℃；经第二背压阀泄压后进入气液分离器中；

步骤(7)：气液分离器中产生的不凝催化尾气进入尾气处理系统，产生的液体COD小于100mg/L，TN小于10mg/L，可直接排入城市污水管网中；控制好湿热氧化条件，液体COD优选60mg/L，TN优选5mg/L，符合《广东省污水排放标准》(DB44/26-2001)第二时段一级排放标准。

本发明的污泥连续水热碳化方法可以使含水率80～85％的市政污泥深度脱水碳化，转化为污泥炭，且不需外供热量，实现节能和低成本。

本发明中，碳化装置的工作压力为4-6MPa，优选5MPa；物料停留时间为40-70min，优选60min；湿热氧化装置的工作压为5-7MPa，优选7MPa；物料停留时间为30-80min，优选70min。

本发明中，系统开车时各物料为冷态，依靠第一开车加热器把污泥加热到240～280℃进行碳化反应，优选250℃；湿热氧化装置依靠第二开车加热器把碳化滤液加热实现开车并产热，系统热量平衡后关闭第一开车加热器和第二开车加热器的导热油热源，实现热量自给。

本发明的市政污泥连续水热碳化系统计算时的数据模型包括碳化模型和湿式催化氧化模型，具体模型如下：

碳化模型

市政污泥中含有3种物料：水分、灰分、有机质。在碳化过程中，水分和灰分不会变化，有机质会发生碳化反应。因为污泥有机质成分的复杂性，含有多糖、蛋白质、脂类、核酸等物质，根据实验和生产统计结果，碳化反应中约有62.5％的有机质发生反应产生炭和水，另有37.5％的有机质没有反应，碳化反应式如下：

上式中：为简化算法以葡萄糖(C₆H₁₂O₆)为碳化反应模型，以1t(1000kg)有机质为例，62.5％的有机质发生碳化反应，生成250kg纯炭和375kg水，另外有37.5％的有机质(375kg)没有发生反应。也即：

1000kg有机质＝250kg炭+375kg有机质+375kg水

湿式催化氧化模型

碳化过程中没有反应的有机质被泵入湿式催化氧化系统中去湿法燃烧，根据相关市政污泥的分析报告，按COD/有机质＝1.2计，则1kg有机质相当于1.2kgCOD，经计算COD热值近似为2968kcal/kg，

则：1kg有机质完全氧化可产热3562kcal

1kg有机质完全氧化产生二氧化碳量：

由上式可知：1kg有机质完全氧化产生二氧化碳1.65kg

关于氨氮氧化后转化为氮气，反应过程中热量不计。

本发明引进湿式催化氧化工艺，把碳化废液进行湿式催化氧化处理，使难以生化的高浓度COD被氧化掉，同时高浓度氨氮也被氧化为氮气，彻底解决了难生化废液的处置问题。

与现有技术相比，本发明具有显著的技术效果：

(1)本发明采用连续水热碳化系统，大大提高设备处理能力，减小了设备尺寸，同时降低了能耗；预热器、加热器、换热器、冷却器采用套管式热交换器，生产成本低，抗压强度高，安全性好，易于实现连续作业，降低了操作难度，使设备维修容易实现。

(2)本发明增设碳化废液湿热氧化装置，经湿热氧化产生的热量不仅为碳化反应充足供热，而且大幅度消除了废液中的COD和TN，并且不必申请二氧化硫和氮氧化物排放总量，使项目易于落地。

(3)本发明碳化装置采用较高温度(250℃)碳化反应，使碳化浆料和碳化尾气臭味大幅度降低，减轻了后序尾气除臭压力，改善了环境质量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

附图1是本发明市政污泥连续水热碳化系统和方法实施例一的流程框图；

附图2是本发明市政污泥连续水热碳化系统和方法实施例一带温度控制点的流程框图，该图省略了第一开车加热器和第二开车加热器；

附图3是本发明本发明市政污泥连续水热碳化系统和方法实施例一连续水热碳化物料平衡图；

附图4是本发明本发明市政污泥连续水热碳化系统和方法实施例一连续水热碳化热量平衡图；

图4A是图4的局部放大图，显示污泥碳化热量平衡；

图4B是图4的局部放大图，显示压滤工序热量平衡；

图4C是图4的局部放大图，显示滤液湿式氧化热量平衡；

附图5是本发明市政污泥连续水热碳化系统和方法实施例二带温度控制点的流程框图；

附图6是本发明本发明市政污泥连续水热碳化系统和方法实施例二连续水热碳化物料平衡图；

附图7是本发明本发明市政污泥连续水热碳化系统和方法实施例二连续水热碳化热量平衡图；

图7A是图7的局部放大图，显示污泥碳化热量平衡；

图7B是图7的局部放大图，显示压滤工序热量平衡；

图7C是图7的局部放大图，显示滤液湿式氧化热量平衡；

附图8是本发明市政污泥连续水热碳化系统和方法实施例三带温度控制点的流程框图；

附图9是本发明本发明市政污泥连续水热碳化系统和方法实施例三连续水热碳化物料平衡图；

附图10是本发明本发明市政污泥连续水热碳化系统和方法实施例三连续水热碳化热量平衡图；

图10A是图10的局部放大图，显示污泥碳化热量平衡；

图10B是图10的局部放大图，显示压滤工序热量平衡；

图10C是图10的局部放大图，显示滤液湿式氧化热量平衡。

具体实施方式

实施例一

本发明热量自给的市政污泥连续水热碳化系统的实施例一如图1、图2所示，图2省略了第一开车加热器和第二开车加热器，图2中加热器向碳化反应器输送的污泥的温度就是污泥经加热器、第一开车加热器升温后的温度；换热器向催化反应器输送的碳化滤液的温度就是碳化滤液经换热器、第二开车加热器升温后的温度。

该系统包括碳化装置和湿热氧化装置，碳化装置和湿热氧化装置耦合为一个系统，碳化装置为湿热氧化装置提供COD作为能源，湿热氧化装置为碳化装置提供热量和温度，同时也处理污染物，使整个系统实现热量自给，零污染排放。

碳化装置包括污泥泵、预热器、加热器、第一开车加热器、碳化反应器、冷却器、储罐和压滤机，污泥泵、预热器、加热器、第一开车加热器和碳化反应器依次相连通，预热器和加热器均具有两个进口和两个出口，污泥泵的出口与预热器的一个进口相连通，预热器的一个出口和加热器的一个进口相连通，加热器的一个出口与第一开车加热器的进口相连通，碳化反应器的出口与预热器的另一个进口相连通，预热器的另一个出口与冷却器的进口相连通，冷却器、储罐和压滤机依次相连通，压滤机压滤后产生污泥炭和碳化滤液，在压滤机下方设置滤液槽用于暂存碳化滤液。冷却器和储罐之间设有第一背压阀，储罐与压滤机之间设有压滤泵，碳化反应器为推流式管式反应器，不设夹套，管外设保温层。

湿热氧化装置包括滤液泵、氧气压缩机、换热器、第二开车加热器、催化反应器和气液分离器，滤液泵、氧气压缩机、换热器、第二开车加热器和催化反应器依次相连通，换热器具有两个进口和两个出口，滤液泵的进口与滤液槽相连通，碳化滤液进入滤液泵，滤液泵的出口与换热器的一个进口相连通，换热器的一个出口与第二开车加热器相连通，催化反应器的出口与加热器的另一个进口相连通，加热器的另一个出口与换热器的另一个进口相连通，换热器的另一个出口与气液分离器相连通，氧气压缩机与滤液泵与换热器之间的管路相连通，用于提供氧气。换热器与气液分离器之间设有第二背压阀。

本实施例中，预热器、加热器、第一开车加热器、第二开车加热器、换热器和冷却器均为套管式热交换器；其中，预热器：管内走原污泥，夹套内走碳化浆料；第一开车加热器：管内走预热后污泥，夹套内走导热油；第二开车加热器：管内走碳化滤液，夹套内走导热油；加热器：管内走预热后污泥，夹套内走湿热氧化完成液；换热器：管内走冷碳化滤液，夹套内走第一次换热后的湿热氧化完成液；冷却器：管内走换热后的碳化浆料，夹套走冷却水。催化反应器为釜式结构，内设负载式贵金属催化剂，也可以内设负载式非贵金属催化剂。

本实施例热量自给的市政污泥连续水热碳化方法，具体过程如下：

将含水80％、干基灰分50％的市政污泥以200t/d的流量由高压污泥泵打入套管式预热器中，被碳化完成浆料加热到160℃，再进入套管式加热器中，被湿热催化完成液加热到250℃，进入管式推流式碳化反应器中进行反应，物料在碳化反应器中停留约1h使碳化完成，温度为250℃的碳化浆料再进入预热器中去加热原污泥，被原污泥冷却到100℃，然后进入冷却器中被循环冷却水冷却到30℃，再通过第一背压阀泄压后进入碳化浆料储罐，产生碳化尾气去尾气处理，产生冷碳化浆料经压滤泵打入压滤机中去脱水，获得含水率30％的污泥炭35.71t，其中含绝干炭25t，干基热值为1600kcal/kg。

同时压滤产生COD为51.3g/L的碳化滤液164.29t，经高压滤液泵打入湿热氧化装置的换热器中，被第一次换热后的湿热催化完成液加热到160℃，同时氧气压缩机把工业氧气连续地打入换热器中，与碳化滤液合并进入釜式湿热催化氧化反应器中进行氧化反应，经过约1h的氧化放热反应，物料温度由160℃升到280℃，再进入碳化装置的加热器中去加热污泥，被污泥冷却185℃，然后进入湿热氧化装置的换热器中去加热冷碳化滤液，最后催化氧化完成液温度降到65℃，经第二背压阀泄压后进入气液分离器中，产生催化尾气去尾气处理，产生清洁水159.711t，其COD约为60mg/L，TN约5mg/L，符合广东省地方标准《水污染物排放限值》(DB44/26-2001)第二时段一级排放标准，可以直接排放。

本实施例中碳化装置工作压力为5MPa，湿热催化氧化部分工作压力为6MPa。碳化装置的物料停留时间为1h；湿热催化氧化部分的物料停留时间为1h。

本实施例物料平衡图见附图3，热量平衡图见附图4至图4C。

本实施例的计算过程如下：

含水80％的市政污泥，干基灰分50％，200t/d。

计算：绝干污泥＝200t×(1-80％)＝40t

灰分＝40t×50％＝20t

有机质＝40t-20t＝20t

经碳化后产出：纯炭＝20t×250kg/t＝5t

绝干炭＝5t纯炭+20t灰分＝25t；

碳化产水＝20t×375kg/t＝7500kg；

没有反应的有机质＝20t×375kg/t＝7500kg；

反应后总水分＝200t×80％+7.5t-1.42t总氮＝166.08t；

水中有机质浓度＝7.5t/166.08t＝4.52％

因炭含水30％，所以湿炭量＝25t/(1-30％)＝35.71t

夹带水分＝35.71-25＝10.71t

水中夹带有机质＝10.71×4.48％＝0.48t

碳化滤液计算：

总重＝200t-35.71t＝164.29t

有机质＝7.5t-0.48t＝7.02t

COD＝7.02×1.2＝8.424t

总氮＝1.42t

水分＝164.29-7.02-1.42＝155.37t

完全氧化需氧量＝COD量＝8.424t

完全氧化产生二氧化碳量＝7.02t×1.65＝11.583t

热量计算：

(1)原污泥200t从20℃升到160℃吸热＝24 640 000kcal

碳化浆料200t从250℃降到100℃放热＝26 035 200kcal

放热＞吸热，传热合理

(2)预热污泥200t从160℃升到250℃吸热＝15 840 000kcal

催化氧化完成液172.714t从280℃降到185℃放热＝16 407 830kcal

放热＞吸热，传热合理

(3)碳化滤液164.29t从30℃升到160℃吸热＝19 968 702kcal

换热后的催化完成液172.714t从185℃降到65℃放热＝20 725 680kc

放热＞吸热，传热合理

(4)换热后的碳化滤液从160℃升到280℃吸热22 960 560kc

碳化滤液中有机物7.02t完全氧化放热＝25 005 240kcal

放热＞吸热，传热合理

综上所述，整个碳化系统可实现热量自给，不需外热供应。

实施例二

本发明热量自给的市政污泥连续水热碳化系统的实施例二的结构如图5所示，和实施例一相同，方法步骤也相同。

本实施例热量自给的市政污泥连续水热碳化方法，具体过程如下：

将含水85％、干基灰分40％的市政污泥以200t/d的流量由高压污泥泵打入套管式预热器中，被碳化完成浆料加热到160℃，再进入套管式加热器中，被湿热催化完成液加热到250℃，进入管式推流式碳化反应器中进行反应，物料在碳化反应器中停留约1h使碳化完成，温度为250℃的碳化浆料再进入预热器中去加热原污泥，被原污泥冷却到100℃，然后进入冷却器中被循环冷却水冷却到30℃，再通过第一背压阀泄压后进入碳化浆料储罐，产生碳化尾气去尾气处理，产生冷碳化浆料经压滤泵打入压滤机中去脱水，获得含水率30％的污泥炭23.571t，其中含绝干炭16.5t，干基热值为2182kcal/kg。

同时压滤产生COD为44g/L的碳化滤液176.429t，经高压滤液泵打入湿热氧化装置的换热器中，被第一次换热后的湿热催化完成液加热到160℃，同时氧气压缩机把工业氧气连续地打入换热器中，与碳化滤液合并进入釜式湿热催化氧化反应器中进行氧化反应，经过约1h的氧化放热反应，物料温度由160℃升到274℃，再进入碳化装置的加热器中去加热污泥，被污泥冷却175℃，然后进入湿热氧化装置的换热器中去加热冷碳化滤液，最后催化氧化完成液温度降到50℃，经第二背压阀泄压后进入气液分离器中，产生催化尾气去尾气处理，产生清洁水172.449t，其COD约为60mg/L，TN约5mg/L，符合广东省地方标准《水污染物排放限值》(DB44/26-2001)第二时段一级排放标准，可以直接排放。

本实施例中碳化装置工作压力为5.5MPa，湿热催化氧化部分工作压力为7MPa。碳化装置的物料停留时间为1h；湿热催化氧化部分的物料停留时间为1h。

本实施例物料平衡图见附图6，热量平衡图见附图7至图7C。

本实施例的计算过程如下：

含水85％的市政污泥，干基灰分40％，200t/d。

计算：绝干污泥＝200t×(1-85％)＝30t

灰分＝30t×40％＝12t

有机质＝30t-12t＝18t

经碳化后产出：纯炭＝18t×250kg/t＝4.5t

绝干炭＝4.5t纯炭+12t灰分＝16.5t；

碳化产水＝18t×375kg/t＝6750kg；

没有反应的有机质＝18t×375kg/t＝6750kg；

反应后总水分＝200t×85％+6.75t-1.065t总氮＝175.685t；

水中有机质浓度＝6.75t/175.685t＝3.84％

因炭含水30％，所以湿炭量＝16.5t/(1-30％)＝23.571t

夹带水分＝23.571-16.5＝7.071t

水中夹带有机质＝7.071×3.84％＝0.272t

碳化滤液计算：

总重＝200t-23.571t＝176.429t

有机质＝6.75t-0.272t＝6.478t

COD＝6.478×1.2＝7.774t

总氮＝1.065t

水分＝176.429-6.478-1.065＝168.886t

完全氧化需氧量＝COD量＝7.774t

完全氧化产生二氧化碳量＝6.478t×1.65＝10.689t

热量计算：

(1)原污泥200t从20℃升到160℃吸热＝25 480 000kcal

碳化浆料200t从250℃降到100℃放热＝26 958 900kcal

放热＞吸热，传热合理

(2)预热污泥200t从160℃升到250℃吸热＝16 380 000kcal

催化氧化完成液184.203t从274℃降到175℃放热＝18 236 097kcal

放热＞吸热，传热合理

(3)碳化滤液176.429t从30℃升到160℃吸热＝21 948 148kcal

换热后的催化完成液184.203t从175℃降到50℃放热＝23 025 375kc

放热＞吸热，传热合理

(4)换热后的碳化滤液从160℃升到274℃吸热23 010 630kc

碳化滤液中有机物6.478t完全氧化放热＝23 074 636kcal

放热＞吸热，传热合理

综上所述，整个碳化系统可实现热量自给，不需外热供应。

实施例三

本发明热量自给的市政污泥连续水热碳化系统的实施例三的结构如图8所示，和实施例一相同，方法步骤也相同。

本实施例热量自给的市政污泥连续水热碳化方法，具体过程如下：

将含水85％、干基灰分50％的市政污泥以200t/d的流量由高压污泥泵打入套管式预热器中，被碳化完成浆料加热到150℃，再进入套管式加热器中，被湿热催化完成液加热到230℃，进入管式推流式碳化反应器中进行反应，物料在碳化反应器中停留约1h使碳化完成，温度为230℃的碳化浆料再进入预热器中去加热原污泥，被原污泥冷却到90℃，然后进入冷却器中被循环冷却水冷却到30℃，再通过第一背压阀泄压后进入碳化浆料储罐，产生碳化尾气去尾气处理，产生冷碳化浆料经压滤泵打入压滤机中去脱水，获得含水率30％的污泥炭26.786t，其中含绝干炭18.75t，干基热值为1600kcal/kg。

同时压滤产生COD为37.2g/L的碳化滤液173.214t，经高压滤液泵打入湿热氧化装置的换热器中，被第一次换热后的湿热催化完成液加热到160℃，同时氧气压缩机把工业氧气连续地打入换热器中，与碳化滤液合并进入釜式湿热催化氧化反应器中进行氧化反应，经过约1h的氧化放热反应，物料温度由160℃升到260℃，再进入碳化装置的加热器中去加热污泥，被污泥冷却172℃，然后进入湿热氧化装置的换热器中去加热冷碳化滤液，最后催化氧化完成液温度降到48℃，经第二背压阀泄压后进入气液分离器中，产生催化尾气去尾气处理，产生清洁水169.713t，其COD约为60mg/L，TN约5mg/L，符合广东省地方标准《水污染物排放限值》(DB44/26-2001)第二时段一级排放标准，可以直接排放。

本实施例中碳化装置工作压力为6MPa，湿热催化氧化部分工作压力为7MPa。碳化装置的物料停留时间为1h；湿热催化氧化部分的物料停留时间为1h。

本实施例物料平衡图见附图9，热量平衡图见附图10至图10C。

本实施例的计算过程如下：

含水85％的市政污泥，干基灰分50％，200t/d。

计算：绝干污泥＝200t×(1-85％)＝30t

灰分＝30t×50％＝15t

有机质＝30t-15t＝15t

经碳化后产出：纯炭＝15t×250kg/t＝3.75t

绝干炭＝3.75t纯炭+15t灰分＝18.75t；

碳化产水＝15t×375kg/t＝5625kg；

没有反应的有机质＝15t×375kg/t＝5625kg；

反应后总水分＝200t×85％+5.625t-1.065t总氮＝174.56t；

水中有机质浓度＝5.625t/174.56t＝3.22％

因炭含水30％，所以湿炭量＝18.75t/(1-30％)＝26.786t

夹带水分＝26.786-18.75＝8.036t

水中夹带有机质＝8.036×3.22％＝0.259t

碳化滤液计算：

总重＝200t-26.786t＝173.214t

有机质＝5.625t-0.259t＝5.366t

COD＝5.366×1.2＝6.439t

总氮＝1.065t

水分＝173.214-5.366-1.065＝166.783t

完全氧化需氧量＝COD量＝6.439t

完全氧化产生二氧化碳量＝5.366t×1.65＝8.854t

热量计算：

(5)原污泥200t从20℃升到150℃吸热＝23 660 000kcal

碳化浆料200t从230℃降到90℃放热＝25 233 760kcal

放热＞吸热，传热合理

(6)预热污泥200t从150℃升到230℃吸热＝14 560 000kcal

催化氧化完成液179.653t从260℃降到172℃放热＝15 809 464kcal

放热＞吸热，传热合理

(7)碳化滤液173.214t从30℃升到160℃吸热＝21 948 148kcal

换热后的催化完成液179.653t从172℃降到48℃放热＝22 276 972kc

放热＞吸热，传热合理

(8)换热后的碳化滤液从160℃升到260℃吸热18 995 540kc

碳化滤液中有机物5.366t完全氧化放热＝19 113 692kcal

放热＞吸热，传热合理

综上所述，整个碳化系统可实现热量自给，不需外热供应。

本发明所产污泥碳中硫和氮含量极低，大部分的硫和氮在碳化过程中转入碳化滤液中，经氧化反应后，硫转化为石膏，氮转化为氮气，所以本发明所产污泥碳属清洁燃料，可用于砖瓦行业烧结用。

本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，本发明所述工艺方法也适用于其它固废，如餐厨垃圾、畜禽粪便、造纸污泥、印染污泥、园林垃圾和生活垃圾等废物的碳化处理，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，采用湿热氧化碳化滤液的方法提供碳化热量，或提供一部分的碳化热量，对此做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应属于在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热量自给的市政污泥连续水热碳化系统，其特征在于：所述系统包括碳化装置和湿热氧化装置，所述碳化装置包括污泥泵、预热器、加热器、第一开车加热器、碳化反应器、冷却器、储罐和压滤机，所述的污泥泵、预热器、加热器、第一开车加热器和碳化反应器依次相连通，所述预热器和加热器均具有两个进口和两个出口，污泥泵的出口与预热器的一个进口相连通，预热器的一个出口和加热器的一个进口相连通，加热器的一个出口与第一开车加热器的进口相连通，碳化反应器的出口与预热器的另一个进口相连通，预热器的另一个出口与冷却器的进口相连通，所述冷却器、储罐和压滤机依次相连通，压滤机压滤后产生污泥炭和碳化滤液，在压滤机下方设置滤液槽用于暂存碳化滤液；所述的湿热氧化装置包括滤液泵、氧气压缩机、换热器、第二开车加热器、催化反应器和气液分离器，所述的滤液泵、氧气压缩机、换热器、第二开车加热器和催化反应器依次相连通，所述换热器具有两个进口和两个出口，所述滤液泵的进口与所述滤液槽相连通，碳化滤液进入滤液泵，滤液泵的出口与换热器的一个进口相连通，换热器的一个出口与第二开车加热器相连通，催化反应器的出口与所述加热器的另一个进口相连通，加热器的另一个出口与换热器的另一个进口相连通，换热器的另一个出口与所述气液分离器相连通，所述氧气压缩机与所述滤液泵与换热器之间的管路相连通，用于提供氧气；所述碳化装置为所述湿热氧化装置提供COD作为能源，所述湿热氧化装置为所述碳化装置提供碳化热量和温度，使整个污泥碳化系统实现热量自给，不需外热供应。

2.根据权利要求1所述的热量自给的市政污泥连续水热碳化系统，其特征在于：所述的预热器、加热器、第一开车加热器、第二开车加热器、换热器和冷却器均为套管式热交换器；其中，预热器：管内走原污泥，夹套内走碳化浆料；第一开车加热器：管内走预热后污泥，夹套内走导热油；第二开车加热器：管内走碳化滤液，夹套内走导热油；加热器：管内走预热后污泥，夹套内走湿热氧化完成液；换热器：管内走冷碳化滤液，夹套内走第一次换热后的湿热氧化完成液；冷却器：管内走换热后的碳化浆料，夹套走冷却水。

3.根据权利要求1所述的热量自给的市政污泥连续水热碳化系统，其特征在于：所述冷却器和储罐之间设有第一背压阀，所述储罐与压滤机之间设有压滤泵。

4.根据权利要求1所述的热量自给的市政污泥连续水热碳化系统，其特征在于：所述换热器与气液分离器之间设有第二背压阀。

5.采用权利要求1至4任一项所述的热量自给的市政污泥连续水热碳化系统进行污泥连续水热碳化的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤(1)：市政污泥经预处理后打入污泥暂存池中，所述污泥预处理指采用现有技术进行污泥过滤和沉淀处理，去除杂物和砂石，保障后续输送顺畅；

步骤(2)：将步骤(1)获得的污泥经污泥泵连续地打入预热器中，被高温碳化浆料加热到T1，再经加热器、第一开车加热器升温到T2，然后进入碳化反应器中进行水热碳化反应，得到碳化产物，温度仍为T2；

步骤(3)：将步骤(2)获得的碳化产物进入预热器与污泥泵连续泵入的污泥换热后温度降到T3，再进入冷却器降温到T4，然后泄压后进入储罐中，产生不凝碳化尾气和碳化浆料；

步骤(4)：储罐内的碳化浆料经浆料泵打入压滤机进行固液分离，获得污泥炭产品和碳化滤液；

步骤(5)：碳化滤液由滤液泵连续地打入换热器中，再经第二开车加热器温度升到T5，然后进入催化反应器中发生氧化反应，同时，氧气压缩机也把氧气连续地泵入换热器中与碳化滤液混合；碳化滤液中的COD和TN在催化反应器中被氧化为二氧化碳和氮气，并产生大量的热量，温度升到T6；

步骤(6)：将步骤(5)产生的高温氧化滤液进入加热器与污泥换热，污泥升温到水热碳化温度T7，从而发生碳化反应，高温氧化滤液第一次换热后温度降到T8，再进入换热器中与冷碳化滤液进行第二次换热，第二次换热后氧化滤液温度降到T9，泄压后进入气液分离器中；

步骤(7)：气液分离器中产生的不凝催化尾气进入尾气处理系统，产生的液体直接排入城市污水管网中。

6.根据权利要求5所述的污泥连续水热碳化的方法，其特征在于：所述T1为140～180℃；所述T2为230～270℃；所述T3为80～110℃；所述T4为25～40℃。

7.根据权利要求5所述的污泥连续水热碳化的方法，其特征在于：所述T5为150～180℃；所述T6为260～300℃；所述T7为240～260℃；所述T8为170～190℃；所述T9为50～60℃。

8.根据权利要求5所述的污泥连续水热碳化的方法，其特征在于：所述碳化装置的工作压力为4-6MPa，物料停留时间为40-70min。

9.根据权利要求5所述的污泥连续水热碳化的方法，其特征在于：所述湿热氧化装置的工作压为5-7MPa，物料停留时间为30-80min。

10.根据权利要求5所述的污泥连续水热碳化的方法，其特征在于：所述系统开车时各物料为冷态，依靠第一开车加热器把污泥加热进行碳化反应，湿热氧化装置依靠第二开车加热器把碳化滤液加热实现开车并产热，系统热量平衡时关闭第一开车加热器和第二开车加热器的导热油热源，实现热量自给。

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