CN112661382B - 一种高温热水解集成装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温热水解集成装置，包括水解罐体、预热系统、搅拌机构、动力单元和检测单元，水解罐体上设有污泥入口和污泥出口，所述预热系统包括导流式换热器和对导流式换热器进行加热的换热器加热单元，导流式换热器设于水解罐体内，导流式换热器设有污泥通道，搅拌机构设于水解罐体内并位于污泥通道下端入口的下方，水解罐体的顶部设有朝向污泥通道上端出口的锥形导流面，动力单元与搅拌机构连接，用于驱动搅拌机构旋转，检测单元包括设于水解罐体上的温度检测元件、压力检测元件和粘度检测元件。本发明通过换热方式减少了蒸汽加热带来的产生大量冷凝水影响污泥的含固率，机械物理切割，污泥破壁效果更佳、污泥受热均匀、加热时间短。

Description

一种高温热水解集成装置

技术领域

本发明涉及污水污泥、化工处理技术领域，尤其涉及一种高温热水解集成装置。

背景技术

污泥处理主要包括采用热水解+高温厌氧消化+脱水+干化的等处理工艺，热水解厌氧消化工艺可提高污泥的水解效果和有机物降解率，增加沼气产量，杀灭污泥中病菌；缩短厌氧消化的停留时间、提高消化池内的污泥浓度、节省占地面积和土建工程投资；同时使消化后的污泥易于脱水，污泥体积减少。与传统的厌氧消化工艺比较，热水解厌氧消化工艺强化了污泥的减量化、稳定化、无害化和资源化的处理目标，当与后续热干化工艺结合时，可降低运行成本。高温热水解工艺通过高温高压，更好的造成污泥絮体解体，微生物细胞破壁，提高污泥游离COD浓度，减轻污泥粘度，更好的提高了消化的产气率与污泥浓度。

目前高温热水解主要依靠传统的六步骤高温热水解，基本不涉及对罐体设计，热水解破壁效果的改良和热水解可能出现的能源、环境问题的解决方法。且现有高温热水解设备有如下缺陷：

(1)加热初期受介质粘度影响，介质流态差，部分介质达到预定温度所需加热时间长，同时存在受热不均的情况，导致同批次介质破壁效果存在偏差的问题；

(2)采用蒸汽直接加热方式导致大量水蒸气冷凝至介质中，影响了介质的含固率，同时造成水资源浪费，存在水资源浪费和臭气逸散的环境问题。

(3)现有水解设备需增加预处理浆化设备；单纯的加热破壁，无物理切割破壁，水解效果不佳。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种通过换热方式减少了蒸汽加热带来的产生大量冷凝水影响污泥的含固率，机械物理切割，污泥破壁效果更佳、污泥受热均匀、加热时间短的高温热水解集成装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高温热热水解集成装置，包括水解罐体、预热系统、搅拌机构、动力单元和检测单元，所述水解罐体上设有污泥入口和污泥出口，所述预热系统包括导流式换热器和对导流式换热器进行加热的换热器加热单元，所述导流式换热器设于水解罐体内，所述导流式换热器设有污泥通道，所述搅拌机构设于水解罐体内并位于污泥通道下端入口的下方，所述水解罐体的顶部设有朝向污泥通道上端出口的锥形导流面，所述动力单元与搅拌机构连接，用于驱动搅拌机构旋转，所述检测单元包括设于水解罐体上的温度检测元件、压力检测元件和粘度检测元件。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述动力单元包括蒸汽涡轮机，所述蒸汽涡轮机位于水解罐体的下方，所述蒸汽涡轮机设有涡轮机蒸汽入口和涡轮机蒸汽出口，所述蒸汽入口连接一蒸汽进入总管，所述蒸汽涡轮机与搅拌机构连接。

所述污泥通道下端入口处设有环形蒸汽管，所述环形蒸汽管与蒸汽进入总管连通，所述环形蒸汽管上设有多个向污泥通道内喷蒸汽的蒸汽喷嘴。

所述换热器加热单元包括换热器蒸汽管道，所述导流式换热器具有换热通道，所述换热器蒸汽管道的入口通过余热回收管道与涡轮机蒸汽出口连接，换热器蒸汽管道的出口与换热通道的入口连接。

所述环形蒸汽管与换热通道的出口连通；所述导流式换热器设有与换热通道的出口连通的换热器冷凝水排出管；所述涡轮机蒸汽出口设有涡轮机冷凝水排出管。

所述搅拌机构包括搅拌轴和设于搅拌轴上的搅拌桨，所述搅拌轴与蒸汽涡轮机连接。

所述搅拌轴与蒸汽涡轮机之间设有密封和轴承结构，所述密封和轴承结构包括水润滑式机械密封腔、机械密封、双层骨架油封、骨架油封轴承腔和双层轴承，所述水润滑式机械密封腔两端分别与水解罐体和骨架油封轴承腔对接，所述骨架油封轴承腔与蒸汽涡轮机的壳体对接，所述机械密封设于水润滑式机械密封腔内，所述水润滑式机械密封腔设有润滑水进口和润滑水出口，所述双层骨架油封和双层轴承均设于骨架油封轴承腔内，所述骨架油封轴承腔设有润滑脂注油嘴。

所述动力单元还包括助力电机，所述助力电机与蒸汽涡轮机连接。

所述排气口设有设有释压排气阀；所述水解罐体的底部设有排空口。

所述检测单元还包括液位检测元件。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的该高温热水解集成装置，通过搅拌结构对污泥高速搅拌的同时将污泥推入导流式换热器内，污泥在上升过程中与导流式换热器内壁接触受热，下落过程中与导流式换热器外壁接触受热，双重受热达到预定温度所需要的加热时间短，在进行预热的同时进行搅拌，污泥受热更佳均匀，通过搅拌机构的机械切割方式循环污泥，通过物理切割，污泥破壁效果更佳；通过导流式换热器的换热方式，减少了蒸汽加热带来的产生大量冷凝水影响污泥的含固率，减少了水资源浪费，降低了环境污染问题，可通过粘度传感器检测污泥水解情况，同时对温度和压力进行检测，对污泥水解情况进行控制，达到水解过程全程自动控制的效果。

(2)本发明的该高温热水解集成装置，利用蒸汽涡轮机的余热蒸汽对导流式换热器进行加热，二者共用一个热源，大大节约了能源，达到资源的最大利用。在预热后进行蒸汽直接加热，冷凝水产生少，对介质含固率影响小。

(3)本发明的该高温热水解集成装置，成浆化、预热与导流、加热于一体，节省设备空间。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的B处放大图。

图3是图1的A处放大图。

图中各标号表示：

1、水解罐体；11、污泥入口；12、污泥出口；13、释压排气阀；14、排空口；2、搅拌机构；21、搅拌轴；22、搅拌桨；23、密封和轴承结构；231、水润滑式机械密封腔；232、机械密封；233、双层骨架油封；234、骨架油封轴承腔；235、双层轴承；236、润滑水进口；237、润滑水出口；238、润滑脂注油嘴；239、轴承锁紧螺母；31、温度检测元件；32、压力检测元件；33、粘度检测元件；34、液位检测元件；4、导流式换热器；41、污泥通道；42、换热器蒸汽管道；43、换热通道；44、余热回收管道；45、换热器冷凝水排出管；5、锥形导流面；6、环形蒸汽管；61、蒸汽喷嘴；7、蒸汽涡轮机；71、蒸汽入口；72、涡轮机蒸汽出口；8、蒸汽进入总管；81、蒸汽支管；9、助力电机。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1至图3所示，本实施例的高温热水解集成装置，包括水解罐体1、预热系统、搅拌机构2、动力单元和检测单元。水解罐体1上设有污泥入口11和污泥出口12，污泥入口11在罐体的上端，污泥出口12在罐体的下端。预热系统包括导流式换热器4和对导流式换热器4进行加热的换热器加热单元，导流式换热器4设于水解罐体1内，导流式换热器4为筒状，其中心的通孔构成污泥通道41，导流式换热器4的内壁受热可以对污泥通道41内的污泥进行加热。污泥通道41上端为出口，下端为入口。

搅拌机构2设于水解罐体1内并位于污泥通道41下端入口的下方，水解罐体1的顶部设有朝向污泥通道41上端出口的锥形导流面5，动力单元与搅拌机构2连接，用于驱动搅拌机构2旋转。搅拌机构2用于对水解罐体1内污泥进行搅拌，搅拌过程中的高速旋转对介质絮体进行切割，达到物理破壁效果，并将污泥推入污泥通道41内，污泥自下而上沿污泥通道41涡涌至罐体顶部，由锥形导流面5导流至罐体四周，又重新落入罐体内。

检测单元包括设于水解罐体1上的温度检测元件31、压力检测元件32和粘度检测元件33。温度检测元件31检测罐体内的温度，压力检测元件32检测罐体内的压力，粘度检测元件33检测罐体内的污泥粘度。温度检测元件31、压力检测元件32和粘度检测元件33优选为温度传感器、压力传感器和粘度传感器。各传感器与PLC控制器连接，整个集成装置的运行通过PLC控制器监控。

工作时，污泥(含固率低于25％)从污泥入口11进入水解罐体1内，至设定位置后，停止污泥进入。接下来开启换热器加热单元，对导流式换热器4进行加热，以使污泥通道41侧壁的壁面升温，开启动力单元驱动搅拌机构2高速旋转，搅拌过程中的高速旋转对介质絮体进行切割，并将污泥推入污泥通道41内，污泥自下而上沿污泥通道41涡涌至罐体顶部，污泥在污泥通道41内通过的过程中与导流式换热器4内壁接触，从而导热受热，再由锥形导流面5导流至罐体四周，又重新落入罐体内，在下落过程中与导流式换热器4外壁接触受热，达到继续升温的效果。通过检测罐体内的温度、粘度和压力的参数来监测装置水解效果。当水解达到达到工艺设定值(温度130℃-160℃，粘度小于2000Pa·s，压力大于0.6Mpa)时，搅拌机构2停止，导流式换热器4停止加热。由污泥出口12排出水解后的污泥。

该高温热水解集成装置，通过搅拌结构对污泥高速搅拌的同时将污泥推入导流式换热器4内，污泥在上升过程中与导流式换热器4内壁接触受热，下落过程中与导流式换热器4外壁接触受热，双重受热达到预定温度所需要的加热时间短，在进行预热的同时进行搅拌，污泥受热更佳均匀，通过搅拌机构2的机械切割方式循环污泥，通过物理切割，污泥破壁效果更佳；通过导流式换热器4的换热方式，减少了蒸汽加热带来的产生大量冷凝水影响污泥的含固率，减少了水资源浪费，降低了环境污染问题，可通过粘度传感器检测污泥水解情况，同时对温度和压力进行检测，对污泥水解情况进行控制，达到水解过程全程自动控制的效果。

本实施例中，搅拌机构2包括搅拌轴21和设于搅拌轴21上的搅拌桨22，搅拌轴21与蒸汽涡轮机7连接。

本实施例中，动力单元包括蒸汽涡轮机7，蒸汽涡轮机7位于水解罐体1的下方，蒸汽涡轮机7设有涡轮机蒸汽入口71和涡轮机蒸汽出口72，蒸汽入口71连接一蒸汽进入总管8，蒸汽涡轮机7的涡轮与搅拌轴21连接搅拌机构2连接。蒸汽进入蒸汽涡轮机7，带动涡轮转动，涡轮驱动搅拌轴21高速旋转。

进一步的，换热器加热单元包括换热器蒸汽管道42，导流式换热器4具有换热通道43，换热器蒸汽管道42的入口通过余热回收管道44与涡轮机蒸汽出口72连接，换热器蒸汽管道42的出口与换热通道43的入口连接。蒸汽涡轮机7内的蒸汽从涡轮机蒸汽出口72出来进入余热回收管道44，再经换热器蒸汽管道42，进入导流式换热器4的换热通道43，对导流式换热器4内外壁进行加热，从而对污泥通道41内的污泥进行加热。导流式换热器4设有与换热通道43的出口连通的换热器冷凝水排出管45，用于排出换热通道43内的冷凝水。涡轮机蒸汽出口72设有涡轮机冷凝水排出管(图中未示出)。涡轮机冷凝水排出管为设置在余热回收管道44上的一个支管，用于排出蒸汽涡轮机7的冷凝水。

利用蒸汽涡轮机7的余热蒸汽对导流式换热器4进行加热，二者共用一个热源，大大节约了能源，达到资源的最大利用。导流式换热器4的换热通道43内设有螺旋盘管，可满足蒸汽的通过、传热受热、介质导流、冷凝水排放等多项要求。

本实施例中，污泥通道41下端入口处设有环形蒸汽管6，环形蒸汽管6上设有多个向污泥通道41内喷蒸汽的蒸汽喷嘴61。环形蒸汽管6有两种进蒸汽的方式，一种为环形蒸汽管6通过蒸汽支管81与蒸汽进入总管8连接，由蒸汽进入总管8向环形蒸汽管6提供蒸汽，另一种为环形蒸汽管6与换热通道43的出口连通，由换热通道43提供预热蒸汽。两种方式可以自由组合，可以选择一种，也可以两种一起，具体根据加热的时间、加热温度或者当其中一个出现故障来设置。各管路上均设有开关阀。环形蒸汽管6的一种工作模式为：当污泥通过导流式换热器4预热达不到工艺所设定的温度，或者达到设定温度所需的时间更长时，在导流式换热器4对污泥预热一定时间后，关闭换热器冷凝水排出管45的开关阀，打开环形蒸汽管6与换热通道43的出口之间的开关阀，余热回收管道44的蒸汽经换热器蒸汽管道42、换热通道43进入环形蒸汽管6，于此同时，打开蒸汽支管81上的开关阀，高温蒸汽经蒸汽支管81也进入环形蒸汽管6，两路蒸汽在环形蒸汽管6内汇合，再经蒸汽喷嘴61向污泥通道41内喷出，利用蒸汽直接对污泥进行加热，使污泥迅速达到预设加热温度，由于污泥在预热后再进行蒸汽直接加热，蒸汽冷凝水凝结少，蒸汽对污泥含固率影响小。

本实施例中，动力单元还包括助力电机9，助力电机9与蒸汽涡轮机7连接。在污泥排出水解罐体1前还有一个保温保压的过程，此过程中，停止加热，停止蒸汽输入，并关闭各管路上的阀门，保持住罐内压力与温度。此时还需要搅拌切割，但是由于蒸汽停止输入，蒸汽涡轮机7无法启动，此时可以打开助力电机9，助力电机9驱动蒸汽涡轮机7启动，进而驱动搅拌轴21高速旋转，进行搅拌、切割、推流的工作。

本实施例中，水解罐体的顶部设有释压排气阀14，释压排气阀14在污泥进入时通过阀门排放罐体内气体；在污泥排放时通过阀门导入气体；在蒸汽释压时，通过阀门开度控制排放蒸汽，保证罐内压力、蒸汽流量在设计工艺参数内。水解罐体1的底部设有排空口15，检修和除杂时使用，通过排空口15排出罐内污泥，方便水解罐体1内部设备与蒸汽涡轮机7的维修，同时对于污泥中固体颗粒杂质较多的工况下，可通过排空口15定期排放杂质。

本实施例中，检测单元还包括液位检测元件34，液位检测元件34优选为液位传感器，用于检测水解罐体1内的污泥液位。在污泥进入水解罐体1后，通过液位传感器检测使污泥到达工艺液位，停止污泥投加。

本实施例中，搅拌轴21与蒸汽涡轮机7之间设有密封和轴承结构23，密封和轴承结构23用于密封水解罐体1和密封蒸汽涡轮机7内的蒸汽，同时用于连接搅拌轴21与涡轮。密封和轴承结构23包括水润滑式机械密封腔231、机械密封232、双层骨架油封233、骨架油封轴承腔234和双层轴承235，水润滑式机械密封腔231两端分别与水解罐体1和骨架油封轴承腔234对接，骨架油封轴承腔234与蒸汽涡轮机7的壳体对接，机械密封232设于水润滑式机械密封腔231内，水润滑式机械密封腔231设有润滑水进口236和润滑水出口237，双层骨架油封233和双层轴承235均设于骨架油封轴承腔234内，骨架油封轴承腔234设有润滑脂注油嘴238。机械密封232、双层骨架油封233和双层轴承235依次套在搅拌轴21上，通过轴承锁紧螺母239锁紧。

工作原理：

根据工艺情况，所述集成装置运行可分为以下几阶段；

一、污泥进入阶段：在PLC控制下，污泥自污泥入口11进入水解罐体1，同时释压排气阀13将罐内气体排出，根据液位检测元件34感应液位(液位低于罐体容积4/5)，使污泥到达工艺液位，停止污泥投加，关闭释压排气阀13；

二、污泥预热阶段：在PLC控制下，关闭蒸汽支管81上的阀门，打开蒸汽进入总管8上阀门，蒸汽(1.0Mpa以上饱和蒸汽)进入蒸汽涡轮机7，带动蒸汽涡轮机7中涡轮转动，然后将动力传输给搅拌轴21，期间助力电机9可根据转速与扭矩大小适时启动；搅拌轴21和搅拌桨22的高速转动，可将污泥自污泥通道41中间推流至锥形导流面5，通过锥形导流面5导流，自罐体四周下落；同时，经过涡轮机蒸汽出口72的蒸汽自余热回收管道42、换热器蒸汽管道43进入换热通道44，在换热通道44内自顶部向下加热换热通道44的金属导热体，金属导热受热后对流经污泥通道41的介质进行加热，达到余热加热效果。在此期间，所产生的冷凝水自换热器冷凝水排出管45排出回收利用。

三、污泥加热阶段：在PLC控制下，通过温度检测元件31的温度感应，使罐内预热至额定的工艺温度(大于100℃)，关闭换热器冷凝水排出管45上阀门，打开环形蒸汽管6与换热通道43的出口之间的开关阀，余热回收管道44的蒸汽经换热器蒸汽管道42、换热通道43进入环形蒸汽管6，再经蒸汽喷嘴61向污泥通道41内喷出，同时搅拌桨22进行推流切割，保证污泥循环受热，达到均匀受热要求。在此过程中，通过温度检测元件31、压力检测元件32和粘度检测元件33检测的数据(温度130℃-160℃，粘度小于2000Pa·s，压力大于0.6Mpa)来确保装置水解效果。

此过程中，当导流式换热器4出现破碎或堵塞情况下，可打开蒸汽支管81上的开关阀，使蒸汽经蒸汽支管81也进入环形蒸汽管6，再经蒸汽喷嘴61向污泥通道41内喷出，对污泥进行直接加热。

四、保温保压阶段：当温度检测元件31、压力检测元件32达到工艺设计值(温度130℃-160℃，压力大于0.6Mpa)后，在PLC控制下，关闭蒸汽进入总管8阀门，保持住罐内压力与温度，此时通过PLC控制变频器使用助力电机9驱动搅拌轴21，进行推流切割，根据粘度检测元件33数据(粘度需最低下降500Pa·s)变化确定装置水解效果。

五、污泥排出阶段：当污泥水解达到工艺要求，通过PLC控制，停止助力电机9的运行，同时通过释压排气阀14控制阀门开度，对罐内蒸汽进行缓慢排放，待罐内压力达到工艺参数(低于0.02Mpa)时，打开排空口15处阀门进行污泥排放，同时释压排气阀14将外界气体吸入罐内。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种高温热水解集成装置，其特征在于：包括水解罐体（1）、预热系统、搅拌机构（2）、动力单元和检测单元，所述水解罐体（1）上设有污泥入口（11）和污泥出口（12），所述预热系统包括导流式换热器（4）和对导流式换热器（4）进行加热的换热器加热单元，所述导流式换热器（4）设于水解罐体（1）内，所述导流式换热器（4）设有污泥通道（41），所述搅拌机构（2）设于水解罐体（1）内并位于污泥通道（41）下端入口的下方，所述水解罐体（1）的顶部设有朝向污泥通道（41）上端出口的锥形导流面（5），所述动力单元与搅拌机构（2）连接，用于驱动搅拌机构（2）旋转，所述检测单元包括设于水解罐体（1）上的温度检测元件（31）、压力检测元件（32）和粘度检测元件（33），所述动力单元包括蒸汽涡轮机（7），所述蒸汽涡轮机（7）位于水解罐体（1）的下方，所述蒸汽涡轮机（7）设有涡轮机蒸汽入口（71）和涡轮机蒸汽出口（72），所述蒸汽入口（71）连接蒸汽进入总管（8），所述蒸汽涡轮机（7）与搅拌机构（2）连接，所述污泥通道（41）下端入口处设有环形蒸汽管（6），所述环形蒸汽管（6）与蒸汽进入总管（8）连通，所述环形蒸汽管（6）上设有多个向污泥通道（41）内喷蒸汽的蒸汽喷嘴（61），所述换热器加热单元包括换热器蒸汽管道（42），所述导流式换热器（4）具有换热通道（43），所述换热器蒸汽管道（42）的入口通过余热回收管道（44）与涡轮机蒸汽出口（72）连接，换热器蒸汽管道（42）的出口与换热通道（43）的入口连接，所述环形蒸汽管（6）与换热通道（43）的出口连通；所述导流式换热器（4）设有与换热通道（43）的出口连通的换热器冷凝水排出管（45）；所述涡轮机蒸汽出口（72）设有涡轮机冷凝水排出管；环形蒸汽管（6）的一种工作模式为：当污泥通过导流式换热器（4）预热达不到工艺所设定的温度，或者达到设定温度所需的时间更长时，在导流式换热器（4）对污泥预热一定时间后，关闭换热器冷凝水排出管（45）的开关阀，打开环形蒸汽管（6）与换热通道（43）的出口之间的开关阀，余热回收管道（44）的蒸汽经换热器蒸汽管道（42）、换热通道（43）进入环形蒸汽管（6），与此同时，打开蒸汽支管（81）上的开关阀，高温蒸汽经蒸汽支管（81）也进入环形蒸汽管（6），两路蒸汽在环形蒸汽管（6）内汇合，再经蒸汽喷嘴（61）向污泥通道（41）内喷出，利用蒸汽直接对污泥进行加热。

2.根据权利要求1所述的高温热水解集成装置，其特征在于：所述搅拌机构（2）包括搅拌轴（21）和设于搅拌轴（21）上的搅拌桨（22），所述搅拌轴（21）与蒸汽涡轮机（7）连接。

3.根据权利要求2所述的高温热水解集成装置，其特征在于：所述搅拌轴（21）与蒸汽涡轮机（7）之间设有密封和轴承结构（23），所述密封和轴承结构（23）包括水润滑式机械密封腔（231）、机械密封（232）、双层骨架油封（233）、骨架油封轴承腔（234）和双层轴承（235），所述水润滑式机械密封腔（231）两端分别与水解罐体（1）和骨架油封轴承腔（234）对接，所述骨架油封轴承腔（234）与蒸汽涡轮机（7）的壳体对接，所述机械密封（232）设于水润滑式机械密封腔（231）内，所述水润滑式机械密封腔（231）设有润滑水进口（236）和润滑水出口（237），所述双层骨架油封（233）和双层轴承（235）均设于骨架油封轴承腔（234）内，所述骨架油封轴承腔（234）设有润滑脂注油嘴（238）。

4.根据权利要求1所述的高温热水解集成装置，其特征在于：所述动力单元还包括助力电机（9），所述助力电机（9）与蒸汽涡轮机（7）连接。

5.根据权利要求1所述的高温热水解集成装置，其特征在于：所述水解罐体（1）的顶部设有释压排气阀（13）；所述水解罐体（1）的底部设有排空口（14）。

6.根据权利要求1所述的高温热水解集成装置，其特征在于：所述检测单元还包括液位检测元件（34）。

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