CN113185071A - 一种催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统及方法，属于污泥处理技术领域，包括污泥热水解预处理单元、污泥水热碳化单元和产物回收单元；通过将热水解技术与水热水热碳化技术相结合设计系统结构，来对生物质和工业废弃物进行资源化处置，在对废物处置的同时产生的二次污染很小，在污泥处置的过程，因为水的存在，流动性强，系统能耗和运行成本得以降低，整个系统兼具经济性和生态价值，为废物处置以及污泥的资源化利用提供了一定思路。

Description

一种催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统及方法

技术领域

本发明属于污泥处理技术领域，具体涉及一种催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统及方法。

背景技术

在生产生活中不可避免地产生大量污水，且污水处理厂在对污水进行处理的过程中会产生大量的污泥，污泥中特别是城市污泥中高含水、富有机质，同时含有无机组分、病原微生物以及其他有毒有害物质(二噁英等)。

当前，填埋、堆肥、热解和焚烧等是常见的污泥处理处置技术，但它们或多或少存在一些不足，现有的污泥热化学处置系统大多为单一技术支撑，产物获取比较单一，污泥的资源化利用较低。焚烧作为污泥的主要处置方法，会产生CO,NOx,SO₂，PCDD/Fs和重金属在内的大量污染物，虽然减量化明显，但环境风险高。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统及方法，通过将热水解以及水热碳化技术相结合，对生物质和工业废弃物进行资源化处置，该方法在注重污泥减量化的同时减少二次污染的产生。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统，包括污泥热水解预处理单元、污泥水热碳化单元和产物回收单元；

所述污泥热水解预处理单元，包括依次相连的污泥浆化机、换热器、预热器和水解反应器，污泥浆化机的入口为污泥进料口，出口与换热器相连，在污泥浆化机与换热器相连的管路上设有阀门一，换热器的冷流体出口与预热器的入口相连，热流体出口连接至污泥水热碳化单元；水解反应器设有两个入口和两个出口，其入口a连接预热器的出口，入口b为催化剂进料口，其出口c与换热器的热流体进口相连，其出口d以及换热器的热流体出口均连接至污泥水热碳化单元；

所述污泥水热碳化单元，包括依次相连的水热碳化反应器和冷却器，水热碳化反应器设有三个入口，其入口m与换热器的热流体出口相连，入口l与水解反应器的出口d相连，入口n与产物回收单元相连。

优选地，所述产物回收单元，包括气液分离器、离心设备、液液分离器和燃烧器，气液分离器的入口与冷却器的出口相连，且在该相连的管路上还设有阀门二；气液分离器的设有两个出口，其出口p与燃烧器相连，出口q与离心设备相连，离心设备的一个出口v通过阀门三与液液分离器的入口相连，另一个出口u连接水热炭回收系统，液液分离器的一个出口x连接至燃烧器，另一个出口y通过阀门四连接至水热碳化反应器的入口n。

进一步优选地，在污泥浆化机与阀门一相连的管路上设有输送设备一，在气液分离器与离心设备相连的管路上设有输送设备二。

优选地，水解反应器中添加的催化剂为碳质催化剂。

进一步优选地，碳质催化剂选用煤灰或锯末。

优选地，离心设备采用过滤式离心机或沉降式离心机。

本发明还公开基于上述的催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统的污泥处理方法，包括以下步骤：

1)污泥进入污泥浆化机中进行浆化处理，然后输送至预热器中进行预热，预热污泥流入水解反应器中，同时催化剂由水解反应器的进料口加入，预热污泥与催化剂进行水解反应制得热液，热液和预热前的冷物料即污泥在换热器中换热以回收余热；

2)经步骤1)热水解后的热液进入水热碳化反应器进行水热碳化反应，水热碳化反应后的反应液经冷却器冷却后进入产物回收单元处理。

本发明还公开基于上述的催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统的污泥处理方法，包括以下步骤：

1)污泥进入污泥浆化机中进行浆化处理，然后输送至预热器中进行预热，预热污泥流入水解反应器中，同时催化剂由水解反应器的进料口加入，预热污泥与催化剂进行水解反应制得热液，热液和预热前的冷物料即污泥在换热器中换热以回收余热；

2)经步骤1)热水解后的热液进入水热碳化反应器中进行水热碳化反应，水热碳化反应后的反应液经冷却器冷却后进入气液分离器分离回收气体，剩余液体输送至离心设备中分离出水热炭；

3)经步骤2)分离出水热炭后的液体进入液液分离器，分离出的生物原油被回收，分离出的水相则送入水热碳化反应器中作为反应介质继续参与水热碳化反应；

4)经步骤2)回收的气体和步骤3)回收的生物原油被分别送入燃烧器中燃烧，用于为步骤1)的污泥预热提供热量。

优选地，步骤1)中，预热污泥与催化剂于60～180℃进行水解反应。

优选地，步骤2)中，是在180～250℃下进行水热碳化反应。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统，通过将热水解技术与水热水热碳化技术相结合设计系统结构，来对生物质和工业废弃物进行资源化处置，该系统包括污泥热水解预处理单元、污泥水热碳化单元和产物回收单元，污泥热水解预处理单元包括依次相连的污泥浆化机、换热器、预热器和水解反应器，再污泥浆化机浆化后的污泥通过预热器进行预热后送入水解反应器进行水热，催化剂则由专门的进料口进入水解反应器，从而支持水分释放通道，提高污泥内水的释放速率。热水解后的热液进入换热器，提供部分预热物料的热量，减少能耗。余热利用后的热液和预热过后的物料一起送入水热碳化反应器中进行水热碳化，水解得到的水相能够作为水热碳化的反应介质，水热碳化完成后对反应液进行冷却降压后再输送至产物分离回收单元进行产物回收处理。该系统将热水解技术与水热碳化工艺相结合，在对废物处置的同时产生的二次污染很小，在污泥处置的过程，因为水的存在，流动性强，系统能耗和运行成本得以降低，整个系统兼具经济性和生态价值，为废物处置以及污泥的资源化利用提供了一定思路。

进一步地，产物分离回收单元冷却降压后的液体依次进入气液分离器，离心设备以及液液分离器进行产物回收，分别得到气体，水热炭和生物原油，气体和生物原油在燃烧器中燃烧，提供污泥预热所需热量，水热炭作为主要产物被收集以后续利用，保证污泥的能量转化率。分离出生物原油后的水相进入水热碳化反应器进行再循环。产物分离回收单元的多级设备串联工作，使得多相产物被回收利用，提高了系统的经济性以及污泥的能量转换效率。

本发明公开的基于上述催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统的污泥处理方法，首先对污泥进行热水解预处理，使得污泥破碎，释放结合水；较低的水解温度避免了难降解的COD化合物的产生和相对较高的能耗；同时添加碳质骨架材料如煤灰，锯末作为催化剂，显著改善了污泥的渗透性，提高了游离水的释放速率，为后续水热碳化营造了良好的反应条件，有助于高值产物的产生。

进一步地，预热污泥与催化剂于60～180℃进行水解反应，较低的水解温度避免了难降解的COD化合物的产生和相对较高的能耗。

进一步地，将水热碳化产物回收后剩余的水相进行循环利用，参与新的水热碳化，在减少废液排放的同时，有利于增加产物的产量，提高资源回收效率。

附图说明

图1为本发明公开的一种催化热水解辅助水热碳化的城市污泥处置系统的结构示意图；

其中：1为污泥浆化机；2为输送设备一；3为阀门一；4为预热器；5为水解反应器；6为换热器；7为水热碳化反应器；8为冷却器；9为阀门二；10为气液分离器；11输送设备二；12为离心设备；13为阀门三；14为液液分离器；15为燃烧器；16为阀门四。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明公开的一种催化热水解辅助水热碳化的城市污泥处置系统，包括污泥热水解预处理单元、污泥水热碳化单元以及产物处理回收单元。

所述污泥热水解预处理单元包括污泥浆化机1、预热器4、水解反应器5、换热器6、输送设备一2和阀门一3。污泥浆化机1的入口为污泥进料口，其出口与换热器6的冷流体入口之间通过输送设备一2、阀门一3和管路相连，预热器6的冷流体出口与预热器4的入口相连，预热器4的出口与水解反应器5的入口a相连接，水解反应器5的入口b为催化剂进料口，出口c与换热器6的热流体进口相连，换热器6的热流体出口和水解反应器5的出口d连接至污泥水热碳化单元。

所述污泥水热碳化单元包括水热碳化反应器7、冷却器8和阀门二9。污泥预处理单元的换热器6的热流体出口以及水解反应器5的出口d通过管路与污泥水热碳化单元的水热碳化反应器7的两个入口m，l分别相连，水热碳化反应器7的出口通过管路连接至冷却器8的入口，冷却器8的出口通过阀门二9连接至产物回收单元。

所述产物回收单元包括气液分离器10、离心设备12、液液分离器14、燃烧器15、输送设备二11、阀门三13和阀门四16。产物回收单元的气液分离器10的入口与污泥水热碳化单元相连，气液分离器10的出口p与燃烧器15相连，出口q通过输送设备二11连接至离心设备12的入口，离心设备12的出口u与水热炭回收系统相连，出口v通过阀门三13与液液分离器14的入口相连；液液分离器14的出口x与燃烧器15相连接，出口y通过阀门四16与污泥水热碳化单元的水热碳化反应器7的入口n相连。

优选地，催化剂可为煤灰或者锯末，作为工业废弃物或者生物质废物方便获得，在促进污泥脱水的同时，提高了废物的处置利用效率。

优选地，输送设备一2、输送设备二11可为泵。

优选地，离心设备12可为过滤式离心机或沉降式离心机。

参考图1，本发明公开的一种催化热水解辅助水热碳化的污泥处置方法，包括以下步骤：

1)在污泥浆化机1中浆化后的污泥经输送设备一2输送至预热器4中进行预热，预热污泥流入水解反应器5中进行水解反应(60-180℃)，同时催化剂由水解反应器5的进料口加入，水解反应完成后的热液和预热前的冷物料在换热器6中换热以回收余热；

2)经步骤1)热水解后的污泥液进入水热碳化反应器7中进行水热碳化(180-250℃)处理；

3)经步骤2)水热碳化后的反应液经过冷却器8冷却后，进入气液分离器10分离回收气体，剩余液体由输送设备二11送入离心设备12中，进一步分离出水热炭；

4)经步骤3)分离出水热炭后的液体进入液液分离器14，分离出的生物原油进行回收，可进一步提质，提高其热值，而水相则再次送入水热碳化反应器7中作为反应介质重新参与水热碳化。

5)经步骤3)和4)回收到的气体和生物原油送入燃烧器15中燃烧，以满足污泥预热所需的热量要求，减少能耗。

综上所述，本发明公开的催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统及方法，将水热碳化和热水解结合，水热碳化以水为反应介质，将其应用于污泥处置技术，不需要高能量消耗的污泥干燥脱水步骤。水热碳化通过水解，缩合，脱羧，脱水和芳构化等复杂反应能保留污泥中较多的有机碳，而且能有效富集营养元素和固定重金属，降低污泥中的有害物质对于环境的不利影响。热水解作为一种预处理方法，能消耗胞外聚合物中蛋白质和多糖，释放结合水，从而提高污泥的脱水能力，使污泥均匀化，提高流动性，更有利于后续转化。催化剂的加入，则能显著加速热水解反应，通过增加水分释放通道，提高游离水的释放速率。

因此，本发明的方案具体创新优势如下：

1)将热水解技术与水热碳化工艺相结合，在对废物处置的同时，产生较少的二次污染，具有较高的环保价值；

2)首先对污泥进行热水解预处理，使得污泥破碎，释放结合水；较低的水解温度避免了难降解的COD化合物的产生和相对较高的能耗；同时添加碳质骨架材料如煤灰，锯末作为催化剂，显著改善了污泥的渗透性，提高了游离水的释放速率，为后续水热碳化营造了良好的反应条件，有助于高值产物的产生；

3)设有气液分离器、离心设备、液液分离器和燃烧器等分离设备，这些设备串联工作，使得多相产物被回收利用，提高了系统的经济性以及污泥的能量转换效率；

4)将水热碳化产物回收后剩余的水相进行循环利用，参与新的水热碳化，在减少废液排放的同时，有利于增加产物的产量，提高资源回收效率。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统，其特征在于，包括污泥热水解预处理单元、污泥水热碳化单元和产物回收单元；

所述污泥热水解预处理单元，包括依次相连的污泥浆化机(1)、换热器(6)、预热器(4)和水解反应器(5)，污泥浆化机(1)的入口为污泥进料口，出口与换热器(6)相连，在污泥浆化机(1)与换热器(6)相连的管路上设有阀门一(3)，换热器(6)的冷流体出口与预热器(4)的入口相连，热流体出口连接至污泥水热碳化单元；水解反应器(5)设有两个入口和两个出口，其入口a连接预热器(4)的出口，入口b为催化剂进料口，其出口c与换热器(6)的热流体进口相连，其出口d以及换热器(6)的热流体出口均连接至污泥水热碳化单元；

所述污泥水热碳化单元，包括依次相连的水热碳化反应器(7)和冷却器(8)，水热碳化反应器(7)设有三个入口，其入口m与换热器(6)的热流体出口相连，入口l与水解反应器(5)的出口d相连，入口n与产物回收单元相连。

2.根据权利要求1所述的催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统，其特征在于，所述产物回收单元，包括气液分离器(10)、离心设备(12)、液液分离器(14)和燃烧器(15)，气液分离器(10)的入口与冷却器(8)的出口相连，且在该相连的管路上还设有阀门二(9)；气液分离器(10)的设有两个出口，其出口p与燃烧器(15)相连，出口q与离心设备(12)相连，离心设备(12)的一个出口v通过阀门三(13)与液液分离器(14)的入口相连，另一个出口u连接水热炭回收系统，液液分离器(14)的一个出口x连接至燃烧器(15)，另一个出口y通过阀门四(16)连接至水热碳化反应器(7)的入口n。

3.根据权利要求2所述的催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统，其特征在于，在污泥浆化机(1)与阀门一(3)相连的管路上设有输送设备一(2)，在气液分离器(10)与离心设备(12)相连的管路上设有输送设备二(11)。

4.根据权利要求1～3所述的催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统，其特征在于，水解反应器(5)中添加的催化剂为碳质催化剂。

5.根据权利要求4所述的催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统，其特征在于，碳质催化剂选用煤灰或锯末。

6.根据权利要求1～3所述的催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统，其特征在于，离心设备(12)采用过滤式离心机或沉降式离心机。

7.基于权利要求1所述的催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统的污泥处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)污泥进入污泥浆化机(1)中进行浆化处理，然后输送至预热器(4)中进行预热，预热污泥流入水解反应器(5)中，同时催化剂由水解反应器(5)的进料口加入，预热污泥与催化剂进行水解反应制得热液，热液和预热前的冷物料即污泥在换热器(6)中换热以回收余热；

2)经步骤1)热水解后的热液进入水热碳化反应器(7)进行水热碳化反应，水热碳化反应后的反应液经冷却器(8)冷却后进入产物回收单元处理。

8.基于权利要求2～6中任意一项所述的催化热水解辅助水热碳化的污泥处置系统的污泥处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)污泥进入污泥浆化机(1)中进行浆化处理，然后输送至预热器(4)中进行预热，预热污泥流入水解反应器(5)中，同时催化剂由水解反应器(5)的进料口加入，预热污泥与催化剂进行水解反应制得热液，热液和预热前的冷物料即污泥在换热器(6)中换热以回收余热；

2)经步骤1)热水解后的热液进入水热碳化反应器(7)中进行水热碳化反应，水热碳化反应后的反应液经冷却器(8)冷却后进入气液分离器(10)分离回收气体，剩余液体输送至离心设备(12)中分离出水热炭；

3)经步骤2)分离出水热炭后的液体进入液液分离器(14)，分离出的生物原油被回收，分离出的水相则送入水热碳化反应器(7)中作为反应介质继续参与水热碳化反应；

4)经步骤2)回收的气体和步骤3)回收的生物原油被分别送入燃烧器(15)中燃烧，用于为步骤1)的污泥预热提供热量。

9.根据权利要求7或8所述的污泥处理方法，其特征在于，步骤1)中，预热污泥与催化剂于60～180℃进行水解反应。

10.根据权利要求7或8所述的污泥处理方法，其特征在于，步骤2)中，是在180～250℃下进行水热碳化反应。

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