CN114393009B - 一种难脱水有机固废处理工艺系统 - Google Patents

一种难脱水有机固废处理工艺系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种难脱水有机固废处理工艺系统。本发明可应用于污泥、菌渣、药渣、沼渣、固碳生物生物质等高含水、难脱水有机固废。充分利用了当前热泵技术最大可以加热到130℃的技术现状，利用热泵加热低热蒸汽实现间壁低温循环热水解，克服了传统高温热水解易结垢能耗高、低温热水解热源能耗高的问题。

Description

一种难脱水有机固废处理工艺系统
技术领域
本发明涉及高含水、难脱水的有机固废处理领域，尤其是难脱水有机固废处理工艺系统。
背景技术
目前，国家双碳政策下，如何节能，降碳成为热点话题。在环保领域，污染物处理技术为了环境安全通常都是不惜高耗能的，如此，作为一名环保工作者，如何平衡污染治理和节能降碳固碳是一个深刻问题。在环保处理中，水处理会产生大量的污泥，这样的污泥是整个污水工业的污染物的浓缩，也是整个人类社会生活产生的碳集合，如何处理既是环保污染控制的重点、也是社会能耗的重大去处、更是人类固碳的一大舞台，如果能实现污泥的固碳，根据人类的碳排放主要分生活和生产两大领域，生活这一板块的碳排放就会被大大缩小，反而成为源源不断的碳汇，实现固碳。而诸如菌渣、药渣等高含水难脱水污染物和污泥具有相同的性质。开发一种处理高含水难脱水有机固废的技术在污染治理领域势在必行。
同时，在固碳领域，诸如微藻、水污染水生修复植物、固碳生物的一大瓶颈就是固碳生物质的脱水，这样的生物质同样具有前述高含水难脱水的性质，所以在固碳领域开发一种处理高含水难脱水有机固废的技术在固碳领域同样势在必行。
而难脱水有机固废通常加热破壁后脱水性能能得到大幅提升，降低脱水能耗和难度，所以热水解技术一直是较好的污泥脱水技术，热水解技术主要分为高温加压处理法(直接出入法、反应罐除外间接加热法、水载体间接加热法)、低温加压处理法，高温加压处理法温度较高虽然处理效果较高，但是对蒸汽温度压力、设备等要求较高、容易结垢，而低温加压处理法虽然效果不如高压处理法，但是对加热温度要求低，污水BOD含量低即减少了污水中的易降解碳源。
热解技术是在污染治理和固碳领域都大有可为的技术，可是已知存在能耗高的问题，特别是随着热解温度的升高，能量损耗越大，投资成本越大，能量利用效率越低。而笔者从业中了解到节能技术中热泵技术是一项重点的节能技术，随着社会发展，热泵也越来越被应用到各方面，如何将热泵、热解、热水解有机的结合在一起，是污水、固废环保领域实现双碳目标的关键。
经调查尚未发现目前将三者有机结合在一起的技术专利，笔者结合长期相关工作经验总结发现，类似但其实不同于本发明的有：污泥热水解(直接或添加药剂)-脱水干化(螺旋、板框、自身余热蒸发、好氧发酵生物干化、废水换热等)-碳化或好氧堆肥或焚烧工艺，精细化利用热泵等各种热回收利用的热解工艺系统并没有，本专利具有独到的创新性。
发明内容
本发明所要解决的问题是，针对上述现有技术中的缺点，提出创新方案，尤其是提供一种难脱水有机固废处理工艺系统，可适用于污泥、菌渣、药渣、沼渣、固碳生物生物质等高含水、难脱水有机固废的脱水稳定处理和固碳，并将易生物降解碳转化为稳定的难生物降解碳，同时系统尽可能节能。
为解决上述问题，本发明采用的方案如下：一种难脱水有机固废处理工艺系统，其特征在于，包括低温热水解部分和热处理热泵耦合部分；所述低温热水解部分包括余热浆化利用预处理单元、间壁低温循环热水解单元、压滤脱热污水单元、低温干化脱水单元；所述热处理热泵耦合部分包括热解碳化单元、热解固定碳热泵余热回收单元、污水源余热热泵加热系统单元；
所述余热浆化利用预处理单元利用压滤脱热污水单元产生的高温污水对有机固废浆化处理，利用污水源余热热泵加热系统单元收集的热量对浆化液进行加热；
所述间壁低温循环热水解单元用于对浆化处理后的有机固废进行热水解，使浆化有机固废细胞裂解、变性、杀菌消毒；利用污水源余热热泵加热系统单元向间壁低温循环热水解单元提供热量；
所述压滤脱热污水单元对经过热水解的滚烫的有机固废进行压滤脱水，得到含水率在35％-50％的半干污泥、高温污水，高温污水一部分直接回流至余热浆化利用预处理单元，其余通过管道通入污水源余热热泵加热系统单元；
所述低温干化脱水单元对压滤脱水后的半干污泥进一步干化脱水，获得干热污泥；
所述热解碳化单元利用天然气或沼气混合单元自产的高温油气焚烧加热对干热污泥进行热解，获得热解固定碳和烟气，多余高温油气和产生的烟气供污水源余热热泵加热系统单元对其收集的污水进行加热；
所述热解固定碳热泵余热回收单元利用冷却换热器将热的热解固定碳冷却到常温，利用冷却传热热泵将冷却换热器中形成的热水中的热量泵至污水源余热热泵加热系统单元，对其收集的污水进行加热；
所述污水源余热热泵加热系统单元收集各工艺段产生的各种废热流体，并保温，利用热解碳化单元和热解固定碳热泵余热回收单元的余热对收集的污水进行加热；利用污水源热泵将热供给到余热浆化利用预处理单元、间壁低温循环热水解单元，最后热量被泵走的多余污水进入水处理设备处理。
进一步，所述难脱水有机固废处理工艺系统，其特征在于，所述余热浆化利用预处理单元包括浆化设备、浆化液加热设备；浆化设备热水来源于压滤的部分高温污水，浆化液加热设备热量来源于污水源余热热泵加热系统单元。
进一步，所述难脱水有机固废处理工艺系统，其特征在于，所述间壁低温循环热水解单元包括间壁低温加热热水解反应器、蒸汽再加热器；加热后的浆化液进入间壁低温加热热水解反应器，蒸汽再加热器为间壁低温加热热水解反应器提供120℃-130℃饱和蒸汽，并对其利用过的低热蒸汽再加热循环利用，间壁低温加热热水解反应器的热量来源于120℃-130℃饱和蒸汽间接加热；而120℃-130℃饱和蒸汽又来自：污水源余热热泵加热系统加热蒸汽再加热器，使被间壁低温加热热水解反应器利用过的低品质的低热蒸汽升温、升压、饱和成为较高品质的120℃-130℃饱和蒸汽，如此实现循环加热。
进一步，所述难脱水有机固废处理工艺系统，其特征在于，压滤脱热污水单元包括压滤设备，经过热水解的滚烫的有机固废通入压滤设备，压滤设备压滤下，脱水得到含水率在35％-50％含水率的有机固废、高温污水；高温污水一部分直接回流至余热浆化利用预处理单元，剩余部分用管道连通至污水源余热热泵加热系统单元的污水混合容器。
进一步，所述难脱水有机固废处理工艺系统，其特征在于，低温干化脱水单元包括干化设备、蒸汽热泵，利用蒸汽热泵进行干燥，产生的中温冷凝污水管道连通至污水源余热热泵加热系统单元的污水混合容器。
进一步，所述难脱水有机固废处理工艺系统，其特征在于，热解碳化单元包括热解碳化设备、污水热水燃气锅炉、“烟气污水、烟气空气换热器”、烟气净化设备；热解碳化设备采用天然气或沼气混合热解碳化单元自产的高温油气焚烧加热，多余的高温油气连通至污水热水燃气锅炉，加热污水源余热热泵加热系统单元的污水混合容器里的污水，烟气通入“烟气污水、烟气空气换热器”，加热污水源余热热泵加热系统单元的污水混合容器里的污水和燃烧所需的进气，烟气净化设备处理最后的尾气。
进一步，所述难脱水有机固废处理工艺系统，其特征在于，污水源余热热泵加热系统单元包括污水混合容器、污水源热泵、水处理设备；污水混合容器将与各工艺段产生的各种废热流体混合收集，保温；污水源热泵与污水混合容器进行热交互，通过污水源热泵将热供给到余热浆化利用预处理单元的浆化有机固废、间壁低温循环热水解单元的低热蒸汽，实现废热梯级利用，最后热量被泵走的多余污水进入水处理设备处理。
本发明的技术效果如下：本发明可应用于污泥、菌渣、药渣、沼渣、固碳生物生物质等高含水、难脱水有机固废。充分利用了当前热泵技术最大可以加热到130℃的技术现状，利用热泵加热低热蒸汽实现间壁低温循环热水解，克服了传统高温热水解易结垢能耗高、低温热水解热源能耗高的问题；利用了污水混合容器耦合污水源热泵，使传统的污泥低温干化冷凝污水成为了热泵热源之一，实现了污泥低温干化的余热利用；利用了冷却换热器耦合冷却传热热泵，实现了工艺末端大量热碳余热利用；利用“热解+污水热水燃气锅炉+烟气余热污水换热器”配合污水混合容器，结合水的高比热容，实现了污水的废热蓄热；利用裂解、芳香化、低温碳化等反应机理，实现干化后易降解碳源转化为难降解碳汇，再治理污染的同时实现了固碳，符合国家双碳政策；同时全流程有机的结合，努力降低了传统工艺的温度上限，根据温度越高散热损耗越大的原理，尽可能的实现了节能降耗。
余热浆化利用预处理单元利用压滤的部分高温污水实现了部分污水利用，实现了节水。
间壁低温循环热水解单元虽然破壁效果不如传统的高温加压热水解，但是也规避了高温加压处理法温度较高、对蒸汽设备等要求较高、容易结垢的问题；同时也不同于传统的低温加压处理法，本发明巧妙利用了现在热泵技术的加热上限在130℃左右，同时低温热水解温度区间也在该温度附近，利用热泵进行了低热蒸汽的再加热利用，实现了在较低温度下热水解，同时利用了废热。
不同于常规的低温干化脱水单元产生的冷凝污水直接外排，而是利用蓄水设备将废热水其中包括压滤废水、干化冷凝水、热解碳冷却水冷却后产生的热水等都利用水的高比热容蓄积起来，方便污水源热泵循环泵热，梯级利用。
热解种类较多，有高温气化、中温液化、低温碳化，从本工艺的初心出发，以低温碳化为基础，尽量减少本工艺的最高温度，减少散热就是节能降碳，同时采用天然气或者生物沼气焚烧可辅以碳化过程产生的少量热解油气为热解热源，热解油气也经过热水燃气锅炉焚烧加热蓄热的污水池水，尽可能提高稳定热泵的污水源，烟气污水、烟气空气换热器则实现了烟气的余热梯级利用，依次加热蓄热的污水池水、燃烧系统的进气。
目前市场上主流的是热水解+厌氧生物处理技术，然而，生物处理必然导致易降解生物质的碳逸出，面对严峻的碳排放形势，本工艺可以尽可能将二氧化碳固定在难生物降解生物炭中，这是和“热水解+厌氧生物处理技术”最大的不同。
附图说明
图1为难脱水有机固废处理工艺系统流程图。
其中1：余热浆化利用预处理单元；2：间壁低温循环热水解单元；3：压滤脱热污水单元；4：低温干化脱水单元；5：热解碳化单元；6：热解固定碳热泵余热回收单元；7：污水源余热热泵加热系统单元；8：浆化设备；9：浆化液加热设备；10：间壁低温加热热水解反应器；11：压滤设备；12：干化设备；13：蒸汽热泵；14：热解设备碳化；15：污水热水燃气锅炉；16：烟气污水、烟气空气换热器；17：烟气净化设备；18：冷却换热器；19：冷却传热热泵；20：污水混合容器；21：污水源热泵；22：水处理设备。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
实施例：一种难脱水有机固废处理工艺系统，由余热浆化利用预处理单元1、间壁低温循环热水解单元2、压滤脱热污水单元3、低温干化脱水单元4、热解碳化单元5、热解固定碳热泵余热回收单元6、污水源余热热泵加热系统单元7、浆化设备8、浆化液加热设备9、间壁低温加热热水解反应器10、压滤设备11、干化设备12、蒸汽热泵13、热解设备碳化14、污水热水燃气锅炉15、“烟气污水、烟气空气换热器”16、烟气净化设备17、冷却换热器18、冷却传热热泵19、污水混合容器20、污水源热泵21、水处理设备22等构成。
系统运行流程如下：
一种难脱水有机固废处理工艺系统，包括2个部分，低温热水解部分和热处理热泵耦合部分；其中低温热水解部分：余热浆化利用预处理单元、间壁低温循环热水解单元、压滤脱热污水单元、低温干化脱水单元；其中热处理热泵耦合部分：热解碳化单元、热解固定碳热泵余热回收单元、污水源余热热泵加热系统单元。
前述余热浆化利用预处理单元，含浆化设备、浆化液加热设备。浆化设备热水来源于压滤的部分高温污水，加热设备热量来源于污水源余热热泵加热系统的加热。(大于85％高含水有机固废可以直接利用污水源余热热泵加热系统加热，不大于85％高含水有机固废则进行浆化后使其含水率＞85％。)
前述间壁低温循环热水解单元，包括间壁低温加热热水解反应器、蒸汽再加热器；经过余热浆化利用预处理单元的有机固废通入间壁低温加热热水解反应器细胞裂解、变性、易于脱水、杀菌消毒等，间壁低温加热热水解反应器的热量来源于120℃-130℃饱和蒸汽间接加热；120℃-130℃饱和蒸汽来源于蒸汽再加热器利用污水源余热热泵加热系统加热间壁低温加热热水解反应器利用过的低热蒸汽(150～260℃、1.4～2.6MPa饱和蒸汽)。
前述压滤脱热污水单元，含压滤设备，经过热水解的滚烫的有机固废通入压滤设备，压滤设备压滤下，脱水得到含水率在35％-50％含水率的有机固废、高温污水；高温污水用管道连通至污水混合容器，一部分直接回流至余热浆化利用预处理单元。
前述低温干化脱水单元，含干化设备、蒸汽热泵，利用蒸汽热泵进行干燥，产生的中温冷凝污水管道连通至污水混合容器(干化后含水率一般＜10％)。
前述热解碳化单元，含热解碳化设备、污水热水燃气锅炉、“烟气污水、烟气空气换热器”、烟气净化设备。热解碳化设备采用天然气或沼气混合单元自产的高温油气焚烧加热，多余的高温油气连通至污水热水燃气锅炉，不停的加热污水混合容器里的污水，烟气通入“烟气污水、烟气空气换热器”，也加热污水混合容器里的污水和燃烧系统的进气，烟气净化设备处理最后的尾气。
前述热解固定碳热泵余热回收单元，含冷却换热器、冷却传热热泵；冷却换热器将热的热解固定碳冷却到常温左右，冷却传热热泵将形成的热水中的热量泵到污水混合容器。
前述污水源余热热泵加热系统，含污水混合容器、污水源热泵、水处理设备。污水混合容器将与各工艺段产生的各种废热流体混合收集，需保温。污水源热泵与污水混合容器进行热交互，通过热泵可以将低温度下的废热泵到高温度下的节能性质，将热供给到余热浆化利用预处理单元的浆化有机固废、间壁低温循环热水解单元的低热蒸汽，实现废热梯级利用，最后热量被泵走的多余污水进入水处理设备处理。

Claims (5)

1.一种难脱水有机固废处理工艺系统，其特征在于，包括低温热水解部分和热处理热泵耦合部分；所述低温热水解部分包括余热浆化利用预处理单元、间壁低温循环热水解单元、压滤脱热污水单元、低温干化脱水单元；所述热处理热泵耦合部分包括热解碳化单元、热解固定碳热泵余热回收单元、污水源余热热泵加热系统单元；
所述余热浆化利用预处理单元利用压滤脱热污水单元产生的高温污水对有机固废浆化处理，利用污水源余热热泵加热系统单元收集的热量对浆化液进行加热；所述余热浆化利用预处理单元包括浆化设备、浆化液加热设备；浆化设备热水来源于压滤的部分高温污水，浆化液加热设备热量来源于污水源余热热泵加热系统单元；
所述间壁低温循环热水解单元用于对浆化处理后的有机固废进行热水解，使浆化有机固废细胞裂解、变性、杀菌消毒；利用污水源余热热泵加热系统单元向间壁低温循环热水解单元提供热量，所述间壁低温循环热水解单元包括间壁低温加热热水解反应器、蒸汽再加热器；加热后的浆化液进入间壁低温加热热水解反应器，蒸汽再加热器为间壁低温加热热水解反应器提供120℃-130℃饱和蒸汽，并对其利用过的低热蒸汽再加热循环利用，间壁低温加热热水解反应器的热量来源于120℃-130℃饱和蒸汽间接加热；而120℃-130℃饱和蒸汽又来自：污水源余热热泵加热系统加热蒸汽再加热器，使被间壁低温加热热水解反应器利用过的低品质的低热蒸汽升温、升压、饱和成为较高品质的120℃-130℃饱和蒸汽，如此实现循环加热；
所述压滤脱热污水单元对经过热水解的滚烫的有机固废进行压滤脱水，得到含水率在35％-50％的半干污泥、高温污水，高温污水一部分直接回流至余热浆化利用预处理单元，其余通过管道通入污水源余热热泵加热系统单元；
所述低温干化脱水单元对压滤脱水后的半干污泥进一步干化脱水，获得干热污泥；
所述热解碳化单元利用天然气或沼气混合单元自产的高温油气焚烧加热对干热污泥进行热解，获得热解固定碳和烟气，多余高温油气和产生的烟气供污水源余热热泵加热系统单元对其收集的污水进行加热；
所述热解固定碳热泵余热回收单元利用冷却换热器将热的热解固定碳冷却到常温，利用冷却传热热泵将冷却换热器中形成的热水中的热量泵至污水源余热热泵加热系统单元，对其收集的污水进行加热；
所述污水源余热热泵加热系统单元收集各工艺段产生的各种废热流体，并保温，利用热解碳化单元和热解固定碳热泵余热回收单元的余热对收集的污水进行加热；利用污水源热泵将热供给到余热浆化利用预处理单元、间壁低温循环热水解单元，最后热量被泵走的多余污水进入水处理设备处理。
2.根据权利要求1所述难脱水有机固废处理工艺系统，其特征在于，压滤脱热污水单元包括压滤设备，经过热水解的滚烫的有机固废通入压滤设备，压滤设备压滤下，脱水得到含水率在35％-50％含水率的有机固废、高温污水；高温污水一部分直接回流至余热浆化利用预处理单元，剩余部分用管道连通至污水源余热热泵加热系统单元的污水混合容器。
3.根据权利要求1所述难脱水有机固废处理工艺系统，其特征在于，低温干化脱水单元包括干化设备、蒸汽热泵，利用蒸汽热泵进行干燥，产生的中温冷凝污水管道连通至污水源余热热泵加热系统单元的污水混合容器。
4.根据权利要求1所述难脱水有机固废处理工艺系统，其特征在于，热解碳化单元包括热解碳化设备、污水热水燃气锅炉、“烟气污水、烟气空气换热器”、烟气净化设备；热解碳化设备采用天然气或沼气混合热解碳化单元自产的高温油气焚烧加热，多余的高温油气连通至污水热水燃气锅炉，加热污水源余热热泵加热系统单元的污水混合容器里的污水，烟气通入“烟气污水、烟气空气换热器”，加热污水源余热热泵加热系统单元的污水混合容器里的污水和燃烧所需的进气，烟气净化设备处理最后的尾气。
5.根据权利要求1所述难脱水有机固废处理工艺系统，其特征在于，污水源余热热泵加热系统单元包括污水混合容器、污水源热泵、水处理设备；污水混合容器将与各工艺段产生的各种废热流体混合收集，保温；污水源热泵与污水混合容器进行热交互，通过污水源热泵将热供给到余热浆化利用预处理单元的浆化有机固废、间壁低温循环热水解单元的低热蒸汽，实现废热梯级利用，最后热量被泵走的多余污水进入水处理设备处理。
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