CN111492041A

CN111492041A - 污泥的氧化以及随后的水热碳化

Info

Publication number: CN111492041A
Application number: CN201880081656.7A
Authority: CN
Inventors: 弗雷德里克·伦德奎斯特; 埃里克·奥登; 弗雷德里克·厄曼
Original assignee: C Green Technology AB
Current assignee: C Green Technology AB
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2020-08-04
Also published as: FI3728525T3; ES2939115T3; BR112020012525A2; JP2021508589A; US20210078890A1; EP3728525A4; WO2019125275A1; JP7261802B2; SE1751623A1; EP3728525B1; EP3728525A1; SE541230C2

Abstract

提供了对污泥进行水热碳化的方法，其包括以下步骤：a)对污泥进行预热以获得经预热的污泥；b)向经预热的污泥添加氧化剂、比如氧气；以及c)使来自步骤b)的污泥在反应器中经受水热碳化(HTC)，以获得经HTC处理的污泥。

Description

污泥的氧化以及随后的水热碳化

技术领域

本公开涉及对污泥、尤其是来自废水处理厂的市政或工业污泥进行水热碳化的方法。

背景技术

污泥通常是市政或工业废水处理厂中的废水处理后残留的物质。市政废水处理厂处理来自城市的废水，而工业废水处理厂处理来自例如制浆造纸厂、工业食品生产设施等不同工业过程的水。畜牧业、例如大规模猪饲养也是废水和污泥的重要来源。本公开的实施方式将在所有这些领域中非常有用。

废水处理技术一般而言是相似的，但是根据待处理的废水流的特性、基本设计、当地要求和环境问题而包括特定的解决方案。在瑞典的大型工厂中，废水处理过程通常包括机械预处理，然后进行一级(沉降)和二级(好氧)处理步骤。在一些情况下，还可以采用不同形式的三次处理来去除经处理水中残留的例如药物残留物、有毒的有机物质等的问题物质。在较小的工厂中，通常可以省略这些阶段中的一个或更多个阶段。

几乎所有废水处理厂在使用中都会产生需要处理的污泥。污泥经脱水处理(好氧污泥)后直接从工厂回收，或者首先对污泥进行厌氧处理以生产沼气，其中，污泥的一部分被煮解，剩余污泥则作为厌氧污泥被回收。

全世界的废水处理厂每年产生的污泥达数亿公吨，并且量还在迅速增长。据报道，在2010年瑞典以每年干固体吨(tDS/y)为单位的总污泥量为250000，并且估计目前的数字与2010年相同或比2010年更高。因此，污泥处理对社会而言是巨大的挑战，并且当前的解决方案与高成本相关联，并且还时常与负面环境影响相关联。

从1986年开始，欧盟已经采取若干规范废水污泥处理和处置的指令，该指令涉及不同方面，这些方面比如将污泥用作垃圾填埋场、磷的回收、污泥的焚烧等。各种指令反映在各个成员国的国家立法中，例如在瑞典自2005年起，已经禁止将污泥处置于垃圾填埋场中。

现今，废水污泥的主要用途是：在农业和林业/造林业中施肥，混合在用于地面建设项目的植物土壤中以及覆盖和修复垃圾填埋场，通过回收化学药品和化肥产品以及最后垃圾填埋场的能量回收的焚烧，然而，前提是污泥已经过特定的预处理、比如堆肥。

通过能量回收以及对烟道气和灰的适当处理以破坏有害化学物质并安全地处理重金属的污泥焚烧仍然是有吸引力的选择。然而，污泥的确切组成取决于进入的废水的组成和废水处理厂的类型。通常难以对具有高浓度的有机成分和/或生物成分的污泥进行脱水。水含量通常很高，以致在发电厂中焚烧时的净热值非常低或者甚至是负值，并且可能需要添加辅助燃料、通常为化石燃料。

C-Green Technology AB已开发出一种涉及水热碳化(HTC)步骤的污泥处理方法。既可以从燃烧前的生物燃料中提取磷，也可以从燃烧后的灰中提取磷。

发明内容

许多水热碳化(HTC)系统的操作需要例如以电力或气体的形式的外部能量的供给。本发明人已经发现，通过在HTC反应之前将氧化剂添加至经预热的污泥中，可以消除在对污泥进行HTC处理中持续供给外部能量的需要。氧化剂的添加导致污泥的部分湿氧化。该部分湿氧化是放热的，并产生足够的热以达到HTC反应所需的温度。这种简单的氧化形式实施起来相对容易且价格便宜。

将氧化剂添加至经预热的污泥中而不是添加至未经加热的污泥的益处是，较高的温度导致更快的湿氧化过程(湿氧化的速率取决于温度)。在高于120℃的温度下，较高的温度还会使氧气在污泥中的溶解度增大，从而进一步促进湿氧化(当氧气为氧化剂时)。此外，污泥的粘度在较高温度下明显较低，从而允许与氧化剂的有效混合。

因此，提供了一种对污泥进行水热碳化的方法，该方法包括以下步骤：

a)对污泥进行预热以获得经预热的污泥；

b)向经预热的污泥添加氧化剂；以及

c)使步骤b)的污泥在反应器中经受水热碳化(HTC)，以获得经HTC处理的污泥。

氧化剂优选是氧气。“氧气”是指包含按体积计的至少80％的氧、优选地按体积计的至少95％的氧的气体。因此，步骤b)中的“添加氧气”不涵盖添加空气(这是由于空气中的氧含量按体积计仅为21％)。使用氧气而不使用空气的益处是较少的惰性气体被添加至反应器。另一个益处是更有效的湿氧化反应。

如技术人员所理解的，该方法是连续的方法。

在步骤b)添加有氧化剂的经预热的污泥的温度通常为至少120℃并且优选地为至少145℃、比如145℃至195℃。更优选地，在步骤b)添加有氧化剂的经预热的污泥的温度为至少150℃、比如150℃至190℃。最优选地，在步骤b)添加有氧化剂的经预热的污泥的温度为至少165℃、比如165℃至190℃。

本公开的污泥优选是来自废水处理厂的市政或工业污泥。

污泥的干固体含量(也称为“总固体”)通常为1％至35％、比如2％至35％、比如3％至32％。如果污泥是厌氧污泥，则干固体含量通常为13％至32％。如果污泥是好氧污泥，则干固体含量通常为5％至15％。灰含量通常为污泥干重的10％至75％、比如12％至50％、比如30％至50％。污泥的高热值(HHV)通常为3.5MJ/kg至21MJ/kg(干重)、比如6MJ/kg至17MJ/kg(干重)。

在不消耗污泥的全部HHV的意义上来说，本公开的湿氧化是部分的。通常，湿氧化消耗小于50％的污泥的HHV，优选地湿氧化消耗5％至20％、比如6％至15％的污泥的HHV。可以相应地调整在该步骤b)中添加氧化剂的量。

本公开促进了磷(P)的分离。因此，本公开的污泥优选地包含例如含量为污泥干重的0.5％至9％、比如污泥干重的1％至9％、比如污泥干重的1.5％至9％的磷。

此外，经处理的污泥用作湿氧化过程的燃料。最终的HTC煤通常也用作燃料。因此，本公开的污泥优选包含例如含量为污泥干重的9％至46％、比如污泥干重的20％至46％的碳(C)。

本公开的湿氧化不需要单独的反应器。反而，例如使用氧气混合器足以使部分与氧化剂混合。因此，在一个实施方式中，没有使用与步骤c)的反应器分开的、用于氧化剂与经预热的污泥之间的反应的反应器。这种实施方式所需的设备可以相对简单，因此价格便宜。然而，为了实现更好的过程控制，允许污泥在步骤b)与步骤c)之间通过用于湿氧化的反应器可以是有益的。在该反应器中的停留时间通常比步骤c)在反应器中的停留时间短。例如，用于湿氧化的反应器中的停留时间可以是10min至60min、比如20min至40min。因此，用于湿氧化的反应器的体积通常小于步骤c)的反应器的体积。例如，用于湿氧化的反应器的体积可以是步骤c)的反应器的体积的10％至50％、比如20％至40％。

当氧化剂是氧气时，通过该方法处理的每公吨干污泥的氧气添加量可以为60kg至260kg、优选地通过该方法处理的每公吨干污泥的氧气添加量为100kg至200kg、更优选地通过该方法处理的每公吨干污泥的氧气添加量为110kg至150kg。

来自步骤c)的经HTC处理的污泥可以通过闪蒸来冷却。这种闪蒸提供优选地用于步骤a)的预热中的至少一种蒸气部分。在一个实施方式中，闪蒸提供了用于在步骤a)的预热中对污泥进行顺序加热的不同温度的至少两种、比如至少三种蒸气部分。

对于这样的实施方式，可以使用一种布置结构，该布置结构包括：

-闪蒸装置，闪蒸装置使来自步骤c)的经HTC处理的污泥经受闪蒸以获得冷却部分和至少一种蒸气部分；以及

-蒸气引导装置，蒸气引导装置用于将所述至少一种蒸气部分引导至用于步骤a)的预热的预热装置。

闪蒸装置可以包括串联设置的至少两个、比如至少三个闪蒸容器，以提供不同温度的蒸气部分。此外，预热装置可以包括串联设置的诸如文丘里混合器(venturi mixer)的至少两个蒸气混合器、比如至少三个蒸气混合器。蒸气引导装置优选地将闪蒸容器连接至蒸气混合器，使得污泥可以被逐步预热。

步骤c)中经HTC处理的污泥的温度为180℃至250℃、优选地180℃至230℃、更优选地190℃至225℃。

由于预热不足以使污泥达到反应器中HTC处理的温度，所以执行湿氧化步骤。步骤c)中经HTC处理的污泥的温度通常比步骤b)中的添加有氧化剂的经预热的污泥的温度高至少20℃(比如，高20℃至65℃)、并且优选地至少高30℃(比如，30℃至65℃)。

在步骤c)的反应器中的平均停留时间通常为0.25h至8h、并且优选地为0.5h至2h。

附图说明

图1和图2图示了根据本公开的方法的不同示例性实施方式。

具体实施方式

在图1中示意性地图示了根据本公开的方法的第一示例性实施方式。从来源接收(A)污泥，该来源可以是市政废水处理厂、工业过程或农业或畜牧业中的设施。可以直接从工厂或构成系统的一部分的储存罐中接收污泥。污泥通常具有约30℃的初始温度和约30％的干物质含量。在例如通过来自相同过程/系统的液体流的可选的初始加热(未示出)之后，污泥在预热装置101中被预热。优选地通过例如在串联设置的第一蒸气混合器102、第二蒸气混合器103和第三蒸气混合器104中逐步添加蒸气来进行预热。在每个蒸气混合器102、103、104的下游设置有泵102p、103p、104p。在预热装置101之后，获得温度约为175℃的经预热的污泥。

在氧气混合器105中将氧气添加至经预热的污泥，以实现经预热的污泥的部分湿氧化。氧气混合器连接至氧气罐(未示出)。系统中处理的每公吨干污泥的氧气量约为130kg。湿氧化不是瞬时的。而是，在污泥在氧气混合器105的下游流动时将持续进行湿氧化。

添加氧后，污泥被引导至反应器106以用于污泥的水热碳化(HTC)。在反应器106的上游部分中，可能正在进行湿氧化反应，这意味着反应器106的上游部分中的温度通常低于反应器106的下游部分中的温度。在反应器的下游部分中，温度通常在205℃至215℃的范围内。

来自反应器106的经HTC处理的污泥在闪蒸装置107中进行闪蒸，从而产生至少一种蒸气部分，该蒸气部分用于在预热装置101中对污泥进行预热。优选地，闪蒸装置107包括串联设置的若干闪蒸容器，以产生不同温度的蒸气部分。例如，闪蒸装置107可以包括：第一闪蒸容器108，第一闪蒸容器108产生相对较高温度的蒸气部分，该蒸气部分被引导至预热装置101的第三蒸气混合器104；第二闪蒸容器109，第二闪蒸容器109产生中等温度的蒸气部分，该蒸气部分被引导至预热装置101的第二蒸气混合器103；以及第三闪蒸容器110，第三闪蒸容器110产生较低温度的蒸气部分，该蒸气部分被引导至预热装置101的第一蒸气混合器102。

在闪蒸装置107下游获得的冷却的浆料被脱水(未示出)，从而获得至少一种液体流(该液体流可以用于对进入污泥的初始加热和/或稀释)和包含HTC煤的浓部分。

系统100可以包括使用外部热量的加热器111、比如电加热器以用于冷启动过程。加热器111优选地布置在氧气混合器的下游但在反应器106的上游。

在图2中示意性地示出了根据本公开的系统的第二示例性实施方式。从来源接收污泥(A)，该来源可以是市政废水处理厂、工业过程或农业或畜牧业中的设施。可以直接从工厂或构成系统的一部分的储存罐中接收污泥。污泥通常具有约30℃的初始温度和约30％的干物质含量。在例如通过来自相同过程/系统的液体流的可选的初始加热(未显示)之后，污泥在预热装置101中被预热。优选地通过例如在串联设置的第一蒸气混合器102、第二蒸气混合器103和第三蒸气混合器104中逐步添加蒸气来进行预热。在每个蒸气混合器102、103、104的下游设置有泵102p、103p、104p。在预热装置101之后，获得温度约为175℃的经预热的污泥。

在氧气混合器105中将氧气添加至经预热的污泥中，以实现对经预热的污泥的部分湿氧化。氧气混合器连接至氧气罐(未示出)。系统中处理的每公吨干污泥的氧气量可以约为130kg。湿氧化不是瞬时的。因此，在氧气混合器105的下游设置用于湿氧化的反应器112。污泥在该反应器112中的停留时间可以是约30min，30min被认为对于湿氧化反应是足够的。

来自用于湿氧化的反应器112的经湿氧化的污泥的温度通常为200℃至215℃。该经湿氧化的污泥被引导至反应器106以用于对污泥进行水热碳化(HTC)。由于放热反应(例如，HTC反应以及可能在剩余氧作用下的氧化)和热损失，温度在HTC反应器106中的不同位置之间可能略有变化。污泥在HTC反应器106中的停留时间可以是约1.5h、即是用于湿氧化的反应器112中的停留时间的约三倍。因此，HTC反应器的体积可以是用于湿氧化的反应器106的体积的三倍。

来自反应器106的经HTC处理的污泥在闪蒸装置107中经受闪蒸，从而产生至少一种蒸气部分，该蒸气部分用于在预热装置101中对污泥进行预热。优选地，闪蒸装置107包括串联设置的若干闪蒸容器，以产生不同温度的蒸气部分。例如，闪蒸装置107可以包括：第一闪蒸容器108，第一闪蒸容器108产生相对较高温度的蒸气部分，该蒸气部分被引导至预热装置101的第三蒸气混合器104；第二闪蒸容器109，第二闪蒸容器109产生中等温度的蒸气部分，该蒸气部分被引导至预热装置101的第二蒸气混合器103；以及第三闪蒸容器110，第三闪蒸容器110产生较低温度的蒸气部分，该蒸气部分被引导至预热装置101的第一蒸气混合器102。

在闪蒸装置107下游获得的冷却的浆料被脱水(未示出)，从而获得至少一种液体流(该液体流可以用于对进入的污泥进行初始加热和/或稀释)和包含HTC煤的浓部分。

Claims

1.一种对污泥进行水热碳化的方法，所述方法包括以下步骤：

a)对所述污泥进行预热以获得经预热的污泥；

b)向所述经预热的污泥添加氧化剂，所述氧化剂比如为氧气；以及

c)使来自步骤b)的所述污泥在反应器中经受水热碳化(HTC)，以获得经水热碳化处理的污泥。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

d)使来自步骤c)的所述经水热碳化处理的污泥经受闪蒸以获得至少一种蒸气部分和冷却部分，其中，在步骤a)的所述预热中使用所述至少一种蒸气部分。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述污泥在步骤b)与步骤c)之间通过用于湿氧化的反应器。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述用于湿氧化的反应器的体积小于步骤c)的反应器的体积。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述用于湿氧化的反应器的体积是步骤c)的反应器的体积的10％至50％。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述用于湿氧化的反应器的体积是步骤c)的反应器的体积的20％至40％。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述污泥是来自废水处理厂的市政或工业污泥。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，步骤c)中的所述经经水热碳化处理的污泥的温度为180℃至250℃、优选地180℃至230℃、更优选地190℃至225℃。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，步骤c)中的所述经水热碳化处理的污泥的温度比步骤b)中添加有所述氧化剂的所述经预热的污泥的温度高至少20℃、优选地比步骤b)中添加有所述氧化剂的所述经预热的污泥的温度高至少30℃。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤b)中添加有所述氧化剂的所述经预热的污泥的温度为145℃至195℃、比如150℃至190℃，优选地为165℃至190℃。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤c)的反应器中的平均停留时间为0.25h至8h、优选地0.5h至2h。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤b)中所添加的氧化剂的量使得：湿氧化反应使所述污泥的高热值(HHV)降低5％至49％、优选地5％至20％、更优选地6％至15％。