CN115231686A - 处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于有机废物处理技术领域，并具体公开了一种处理中大规模有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，所述可控湿式催化氧化闭环管式反应系统处理有机废物的合适规模为150～1000吨/天，包括热化水解段和催化氧化段，热化水解段前设有进料管，热化水解段至少包括一个第一管式反应器，催化氧化段上设有出料口，出料口处设有安全阀口，催化氧化段至少包括一个第二管式反应器，进料管与第一管式反应器相连通，出料口与第二管式反应器相连通，第一管式反应器与第二管式反应器通过弯头依次首尾相连从而形成闭环反应系统。

Description

处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统

技术领域

本发明属于有机废物处理技术领域，具体涉及一种处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统。

背景技术

有机物主要包括以下三大类主要成份：(一)易降解有机物，如糖类、脂类、蛋白质、中小分子量有机物、毒性有机物等；(二)难降解有机物，如木质纤维素(含木质素、半纤维素、纤维素)、高分子(数万分子量以上)有机物等；(三)极难降解有机物，如塑料、橡胶、织物等。处理有机物和有机物资源化利用的方式，主要为预先分拣出第(三)类成份，将第(一)类成份完全或部分降解/去除，第(二)类成份部分氧化制取有机肥/营养土/建筑材料等。

现行的城市废弃物如垃圾、餐厨、污泥、园林废弃物、水肥等的主流处理处置及回收的方法包括焚烧发电、堆肥、填埋及其填埋沼气回收、厌氧发酵等方法。而农村或农业区的废弃物如畜禽粪污、秸秆、病死畜禽等则大都采用厌氧发酵、生化堆肥或焚烧法处理。其他方法，例如热解气化法、热解炼油法、湿氧化的物料或能源回收法等亦被建议采用过。但在无害化及资源化的过程上述诸法仍存在许多缺陷。这些方法的总体经济效益一般也很低或无经济效益。在废弃物处理企业化的过程也需政府补助处理费才能生存。

目前盛行的制有机肥法主要为生物化学法，使用好氧菌(例如传统堆肥法)、或厌氧菌(例如厌氧发酵法)，经由有机固体废弃物的发酵及腐熟以制有机肥，生化法制有机肥的发酵期一般需数周，腐熟则需数周至数月，依菌种、物料特性、处理操作参数及操作方法而定。此生物化学法需时长，所需空间大，处理过程时常产生恶臭，且无法充分去除废弃物中的有毒有害物。例如废弃物中常含有的重金属、有毒有机物(如PCB、二恶英、抗生素等)、病毒病菌、杂草种子也常无法去除或去除不完全。传统由废弃物产生的肥料产品一般品质低劣，农民不喜欢使用。有机肥功能也难在传统产品体现，例如持水、持肥、团具颗粒等功能皆不高。高品质有机肥中所含的植物生长促进剂，如腐植酸、黄腐酸之含量甚低，且难以生产经济价值更高的液态水溶肥。故经济效益不高。

对于高浓度、高毒性以及难生物降解的有机废水，采用常规的物化或生化法处理同样无法达到对此类废水净化的技术及经济要求，应用机械热化学原理，即湿式催化氧化法，可避免上述物化或生化法处理有机废弃物的缺陷。对于城市污水处理厂剩余污泥的无害化、减量化处理，采用干化、堆肥等方法在无害化、减量化上均存在缺陷，采用湿式催化氧化法可以避免此类缺陷。

湿式氧化(WAO)是指在高温(125～320℃)和高压(0.5～10MPa)条件下，以空气中的氧气(或其他氧化剂，如臭氧或过氧化氢等)为氧化剂，在液相中将有机污染物氧化为CO₂和H₂O等无机物或小分子有机废物的方法。1958年F.J.Zimmermann首次采用WAO处理造纸黑液废水，在反应温度为150～350℃，压力为5～20MPa条件下，废水COD降解率达90％以上.目前在欧洲大约有90家工厂采用WAO处理石油、化工、制药工业废水、城市污泥、活性炭再生和垃圾渗漏液等。

由于湿式氧化(WAO)技术需要在高温、高压下进行，因此，设备费用高以及反应条件苛刻限制了它的应用。而且对某些有机物(如多氯联苯、小分子羧酸等)的降解效果不理想，难以完全氧化，有时，还会产生有毒性的中间产物，因此，自70年代以后湿式催化氧化技术(catalytic wet air oxidation，简称CWAO)很快在美国、日本、欧共体等国家得到广泛深入的研究。它是在WAO的基础上，在反应过程中加入适宜的催化剂，使反应温度和压力降低，能有效提高氧化分解能力，加快反应速度，缩短反应时间，而且降低了成本，因此，湿式催化氧化技术已受到普遍的关注。

在WAO过程中，加入适宜的催化剂，可使反应在更低温度、压力和更短的时间内完成，因此，近年来催化剂的研究已成为CWAO的一个研究热点，每年都有大量新型催化剂专利发表。目前应用于CWAO中的催化剂主要包括过渡金属及其氧化物、复合氧化物和盐类，根据催化剂的状态可分为均相和非均相催化剂。

CWAO技术是目前处理高浓度难降解废水最有效的手段之一，也是水处理行业的前沿技术。它适用于治理焦化、染料、农药、印染、石化、皮革等工业中产生的含高浓度COD或高浓度难生物降解化合物(如氨氮、多环芳烃、致癌物)的有机废水。目前，该技术只有少数发达国家实现了工业应用。我国是从20世纪90年代后期开始开发该技术。

通过湿式催化氧化技术(CWAO)处理有机废弃物(包括高浓度有机废水)，以往的做法是通过多个化学反应釜来完成，例如：吕正雄2009年提出的一种高速堆肥法及装置(中国发明专利200910131605.3，简称HiSAP1方法)，2014年提出的一种用于处理有机固体废弃物的方法和装置(中国发明专利201410317274.3，简称HiSAP2方法)，以及2017年提出一种用活性氧及活化操作高速处理有机固体废弃物的方法和装置(中国发明专利201710974726.9，简称HiSAP3方法)。上述三种方法的(HiSAP1方法、HiSAP2方法和HiSAP3方法)主要工艺路线都是将有机废弃物进行预处理后，分别进入到热化反应釜进行热化水解反应，再进入后续的催化氧化反应釜中进行催化氧化反应，完成后将物料排出，排出后的物料可以通过热交换器对新进物料进行热传递，起到对物料预热的效果。

但是，在上述三种方法(HiSAP1方法、HiSAP2方法和HiSAP3方法)的反应过程中，往往要涉及到大量的化学装置和设备，导致整个湿式催化氧化要用到的装置和设备的数量庞大，并且各个装置和设备占地面积大，热化水解釜与稳定釜之间是单向的，无法进行循环处理，釜之间须设泵加压输送物料，该泵用于输送高温高压浆料，维修量甚大，因此，当某个装置遭到损坏并要进行维修时，要对整个系统进行排查，工作量巨大。由于上述三种方法主要用于处理餐厨垃圾、畜禽粪污、高浓度有机废水、污泥等物料，系统中管道多、阀门多、易堵塞，化学装置和设备中的工况环境较差，导致维修困难。物料在系统中作单向运动，虽可通过热交换器回收部分热量，但回收效率相对较低。

由于物料在系统中单向流动，容易使物料的温度变化较频繁，使自控系统动作频繁，持续在这样的工况下工作，会降低控制系统的使用寿命。此外，在上述的湿式催化氧化过程中，要持续充入氧气(即空气)作为反应物，而一般通过空气压缩机来充入氧气(即空气)，因此，充入的氧气(即空气)为大气泡，要通过搅拌机来将充入的氧气(即空气)与要反应的物料进行充分搅拌，但是空气压缩机的能耗较大，一次性投资也大，其传送压力空气及提温所需能量费用约占处理厂的2/3左右，并且容易损坏，损坏时，要耗费较多的人力和物力来进行维修。

因此，为克服上述工艺存在的设备制作成本高、占地面积大、管路多、阀门多、热量回收装置过多、设备维修周期短、费用高、频率高等缺陷，利用湿式催化氧化原理处理有机废弃物(包括高浓度有机废水)，亟需研发一种可替代上述HiSAP1方法、HiSAP2方法和HiSAP3方法的工艺技术。该工艺技术须具有占地面积更小、设备成本更低、管路及阀门少、运行成本更低、维修成本更低和物料可循环更节能等功能。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提出一种快速处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，将水解步骤和氧化步骤分开为两个不同但连续的反应段，即热化水解段和催化氧化段，物料在闭环管式反应系统内循环反应。同时改进物料的搅拌方式、供氧方式、热量回收方式等，使得本套反应系统更加的简单实用。

为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：

一种处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，包括热化水解段和催化氧化段，所述热化水解段前设有进料管，所述热化水解段至少包括一个第一管式反应器，所述催化氧化段上设有出料口，出料口处设有安全阀口，所述催化氧化段至少包括一个第二管式反应器，所述进料管与所述第一管式反应器相连通，所述出料口与所述第二管式反应器相连通，所述第一管式反应器与所述第二管式反应器通过弯头依次首尾相连从而形成闭环反应系统。

进一步，所述进料管设在其中一个第一管式反应器的一端，物料由进料管进入后，依次经过两个第一管式反应器进行热化水解反应，以及两个第二管式反应器进行催化氧化反应后，一部分物料从出料口排出，另一部分物料进行循环并再次进入第一管式反应器中。

进一步，所述进料管设置有流量计和流量调节阀，从而调节物料的进入量，在其中一个第一管式反应器上设置有第一温度计，所述第一温度计用于测量第一管式反应器中物料的温度。

进一步，所述在其中一个第一管式反应器的一端设置推进装置，所述推进装置用于推动物料，推进装置的轴转速及轴功率与物料在反应器中的流速相关，可根据系统回流比进行调节，不同物料及产品具有不同的回流比。

进一步，所述第一管式反应器和第二管式反应器中均设有用于搅拌和导流的静态管道混合器，在两个第二管式反应器上设有多个空气进气口，空气以及回流液体通过气液混合泵由空气进气口导入第二管式反应器中。

进一步，所述静态管道混合器表面均匀附着催化氧化反应所需的催化剂，在混合物料时同时起到催化的作用，以降低物料氧化的温度与压力。

进一步，第二管式反应器中的静态混合器在每个空气进气口处以互作反向混合的方式设置。

进一步，在靠近出料口的第二管式反应器处设置有第二温度计，用于测量第二管式反应器中物料进行氧化反应的温度。

进一步，还包括热交换器和闪蒸罐，所述出料口与所述热交换器相连，所述热交换器与闪蒸罐相连，物料从出料口经过换热器后，进入闪蒸罐，迅速沸腾汽化并进行两相分离，产生大量的水蒸气，水蒸气由罐顶出口排出，低压物料由罐底出口排出。

进一步，还包括浆料槽和冷却槽，闪蒸罐顶部水蒸气出口与浆料槽相连，用于加热浆料槽中的物料以及补充水分，闪蒸罐底部物料出口与冷却槽相连。

进一步，所述浆料槽与所述热交换器相连，所述浆料槽通过渣浆泵将物料传输至热交换器中，在热交换器与出料口进入热交换器中的物料进行热传递。

进一步，还包括固液分离机、回流液槽和气液混合泵，所述冷却槽与所述固液分离机相连，所述冷却槽中的物料进入到所述固液分离机中并进行固液分离，所述固液分离机与所述回流液槽相连，固液分离机将分离后的液体传输至所述回流液槽中，分离出来的固体为固态有机肥肥基，所述气液混合泵将回流液槽中的液体回流至第二管式反应器中，直到回流液槽中的液体达到液态有机肥肥基的要求后再全部排出。

进一步，气液混合泵将回流液槽中的液体与空气混合后，由空气进气口进入第二管式反应器中，在第二管式反应器中再次进行催化氧化反应，通过控制回流次数达到浓缩液态物料的作用。

进一步，气液混合泵吸气口设置空气流量计，用于测量和控制进气量。

进一步，所述第一管式反应器、第二管式反应器和浆料槽上均设有加热装置，浆料槽上的加热装置用于给物料预热，第一管式反应器上的加热装置用于将物料加热至水解反应要求的温度，第二管式反应器上的加热装置用于将水解后的物料加热至催化氧化反应要求的温度。

进一步，所述加热装置为电加热装置，或者，所述加热装置为燃料加热装置。

进一步，物料在第一管式反应器的容积以及物料在第二管式反应器的容积均为30min设计处理量的容积。

进一步，进料管处物料的流量与出料口处物料流量相同，回流比指物料从第二管式反应器返回第一管式反应器的回流物料流量与出料口处物料流量的比值，回流比根据处理物料不同及不同产品需求进行设置，通常可设置为1:1～4:1，回流比越大，物料在反应器中的流速越大，系统需要消耗的空气量越大，推进装置的轴转速及功率也越大。

更进一步，所述反应系统可用于高浓度有机废水的处理、有机污泥无害化处理、畜禽粪污资源化利用、餐厨垃圾资源化利用、农业生产有机固废资源化利用中的一种或者多种。

更进一步，所述反应系统能够根据用户需求，通过调整运行参数生产含氨基酸、腐殖酸、黄腐酸的有机肥料。

本发明的有益效果和优点为：

本发明可用于：①高浓度有机废水的处理；②有机污泥无害化处理；③畜禽粪污资源化利用；④餐厨垃圾资源化利用；⑤农业生产有机固废资源化利用。以上有机废物可以进行单一处理，也可以多种有机废物综合处理，适用范围广。

本发明将水解步骤和氧化步骤分开为两个不同但连续的反应段，即热化水解段和催化氧化段，物料在闭环管式反应系统内循环反应，根据处理物料的性质和规模进行堆叠或平行排列，布置灵活，同时改进物料的搅拌方式、供氧方式、热量回收方式等，使得整套反应系统更加的简单实用，可进行大规模推广使用。

本发明改变传统的釜式反应器，热化水解釜与稳定釜之间必须设泵进行加压输送高温高压物料，运行过程中极容易出现堵塞、损坏的问题，频繁维修导致生产成本偏高，采用管式反应器则可避免设置大量的动设备，具有占地面积更小、设备成本更低、管路及阀门少、运行成本更低、维修成本更低和物料可循环更节能等功能。

本发明用于处理有机废物，包括前处理、热化水解、催化氧化以及固液分离全流程仅需耗时2～3小时，适用的处理规模为150～1000吨/时，其中物料在热化水解段和催化氧化段的容积均为30min设计处理量的容积，即有机废物热化水解和催化氧化的时间均为30min，根据处理物料的性质，调节进料速率及回流比即可。

本发明用于处理有机废物，改变传统的搅拌方式，采用推流式浆叶推进装置及静态混合器，静态管道混合器采用静态挡板式，一顺一逆、首尾相连固定在管道内，使物料均匀混合，起到搅拌和导流的作用，其中催化氧化段中的静态混合器在每个空气进气口处以互作反向混合的方式设置。静态管道混合器为耐腐蚀材料制成，表面均匀附着催化氧化反应所需的催化剂，在混合物料的同时起到催化的作用，以降低物料氧化的温度与压力，因此系统中物料的温度、压力更为稳定，有利于自动控制系统的运作，延长设备使用寿命。

本发明用于处理有机废物，改变传统的空气压缩机供氧方式，设置多个空气进气口，采用气液混合泵的方式充入空气，在气液混合泵吸气口处设置空气流量计，用于测量及控制空气进气量。气液混合泵可以边吸料边吸气，将物料与空气在泵内加压混合，而且气液混合泵能够将空气打碎呈微小气泡，加大了空气与反应的物料的接触面积，在催化剂的作用下，可以使得化学反应效率更高，有机物降解效率更高，有害物质分解的更加彻底。采用气液混合泵供气可克服传统方式供气不稳定及大气泡翻腾的问题，也可以节省空气压缩机、搅拌机等大额设备成本、维修成本以及能耗成本，从而大大降低生产成本。

本发明用于处理有机废物，大部分物料在闭式管中循环，可最大限度实现物料的热量回收，通过热交换器将出料与进料进行热交换，给进料预热，闪蒸罐以及出料口处向上的排气口排出的水蒸气也可以给进料预热，达到节能的效果。

本发明用于处理有机废物，如用于有机废物的无害化、减量化处理，可将有害有机物彻底的清除，产品无臭味，也不会腐败，可用于制作陶粒、免烧砖、改良回填土或城市绿化。

本发明用于处理有机废物，如用于有机废物的资源化利用，可用于生产高品质有机肥，通过调整运行参数即可简易地生产出含氨基酸、腐殖酸、黄腐酸、NO_X ^-、SO_X、Ca²⁺及其他植物生长促进剂的液态有机肥，固态有机肥主要成份为木质纤维素、纤维素、半纤维素和腐殖酸，能够改善土壤的团粒结构，吸水持肥能力强，不含有细菌、寄生虫、有害病毒等有害微生物及有毒有机物，除可以对农作物有很强的促进生长、增产、增收外，并兼具土壤重修复、盐碱地治理、土壤荒漠化/石漠化治理、解决中国种植业面源污染等功能。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统的结构示意图；

图2为图1所示处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统的部分结构示意图。

图中：1-第一管式反应器；11-第一温度计；2-第二管式反应器；21-出料口；211-安全阀口；22-空气进气口；23-第二温度计；3-进料管；4-推进装置；5-加热装置；6-测压元件；7-浆料槽；71-热交换器；8-冷却槽；9-固液分离机；91-回流液槽；92-气液混合泵；93-气液混合泵吸气口；10-闪蒸罐。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1和图2示意性的显示了本发明一种实施方式的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统的结构。

本发明可用于：①高浓度有机废水的处理；②有机污泥无害化处理；③畜禽粪污资源化利用；④餐厨垃圾资源化利用；⑤农业生产有机固废资源化利用。

处理上述有机废物过程主要包括下述三个工艺：前处理工艺、可控湿式催化氧化处理工艺和产品精炼工艺，其中的可控湿式催化氧化处理工艺是关键。

前处理工艺包括废弃物收集及储存、机械预处理、湿分拣制浆，其中：废弃物收集及储存是在负压密闭空间采自动的滤水及传送设备按照预计处理速率传送物料至机械预处理操作；物化预处理将上述生态垃圾进行湿度、粒度及温度调制及搅拌混合，并于需要时加入并混合添加剂。

产品精炼含两类有机肥的精炼操作：第一类操作为将上述固态有机肥进行活化膨化操作并进一步经由植物生长促进剂的生成及肥料大量元素或微量元素的调配而制成符合国家肥料标准的各类固态有机肥及专用肥，或直接经造粒或研磨成粉状制成符合国家标准的普通有机肥；或经由大量元素及腐殖酸/黄腐酸的调整而制成腐殖酸复混肥，亦可经由有益菌的调配制成符合国家肥料标准的生物有机肥或复合微生物肥；第二类操作将上述的液态水溶肥经重金属及部分小分子有机酸的去除，并可通过控制回流次数进行浓缩或不浓缩，再进行大量元素或微量元素的调配以制成大量元素水溶肥或微量元素水溶肥；亦可经由活性氧化法产生高浓度黄腐酸，在调整大量元素浓度后可制成腐植酸水溶肥。

本系统中须将物料破碎至≤5mm，然后用输送带运至湿分拣制浆单元。由于前处理工艺和产品精炼工艺均属于现有的技术，因此，其详细过程不再赘述。

可控湿式催化氧化处理系统是处理有机废物的关键，其中的热化水解及催化氧化反应是核心，结合本实施例，具体描述如下：

在本实施例中，在热化水解段前设置有进料管3，热化水解段至少包括一个第一管式反应器1，催化氧化段上设置有出料口21，催化氧化段至少包括一个第二管式反应器2，进料管3与第一管式反应器1相连通，出料口21与第二管式反应器2相连通，第一管式反应器1与第二管式反应器2相互连通从而形成闭环反应系统。

在本实施例中，如图1所示，第一管式反应器1和第二管式反应器2均有两个，两个第一管式反应器1和两个第二管式反应器2通过四个弯头依次首尾相连形成闭环反应系统。具体而言，右边的第一管式反应器1的下端与下面的第二管式反应器2的右端相连通，右边的第一管式反应器1的上端与上面的第一管式反应器1的右端相连通，左边的第二管式反应器2下端与下面的第二管式反应器2的左端相连通，左边的第二管式反应器2上端与上面的第一管式反应器1左端相连通，在连通处设置弯管或者三通。

具体而言，进料管3可以设置在如图1所示的右边的第一管式反应器1的下端，物料自进料管3进入系统后依次经过两个第一管式反应器1进行热化水解反应，和两个第二管式反应器2进行催化氧化反应后，一部分物料从出料口21排出，另一部分物料进行循环并再次进入第一管式反应器1中。

易降解有机物如糖类、脂类、蛋白质、中小分子量有机物及有害有机物的水解可经由热水解、碱水解、酸水解或酶水解完成，其中以热水解为佳，不需要外加添加剂。

热化水解反应的主要目的是将易降解有机物液化、部分半纤维素水解、松散木质纤维素并产生有机自由基以启动连锁反应分解有机物。

催化氧化反应的主要目的是在催化剂的作用下，快速地将已热化水解的易降解有机物完全氧化，而将部分难降解有机物氧化产生腐植酸及黄腐酸等植物生长促进剂。该反应需要氧化剂的存在，本系统的氧化剂主要为O₂·^-(超氧阴离子)，HOO·(氢过氧自由基)，HOO^-(氢过氧阴离子)，OH·(羟基自由基)，H₂O₂(过氧化氢)，O₃(臭氧)的活性氧。

根据已有的研究，氧化反应主要属于自由基反应。通常分为3个阶段，即链的引发、链的发展或传递和链的终止。链的引发：由反应物生成最初自由基，这个过程因为断裂分子中的键需要一定能量，常加入引发剂，本系统采用热水解产生有机自由基的方法诱发。反应如下：

易降解有机物中的氢萃取：

RH+OH·→R·+H₂O

易降解有机物中的强氧化：

RX+OH·→RX·⁺+OH^-

易降解有机物分子中的不键断裂：

RX+OH·→RXOH·

有机分子的热解：

R1→R2·+R3·+····

上述形成的R·会进一步形成ROO·与水形成HOO·及ROH，或与另外的有机分子形成R·及ROOH，其物化现象即分解有机物及产生一系列连锁反应：

ROO·+H₂O→ROH+HOO·

ROO·+RH→ROOH+R·

而上述的HOO·及R·又引起连锁反应，分解有机物及产生O₂及H₂O₂,如下:

HOO·+ROO·→RO·+O₂+OH·

HOO·+RH→R·+H₂O₂

上述反应过程中，RH、RX、R1、R2...均代表有机废物；R·、RX·⁺、RXOH·、ROO·均代表有机自由基。

由连锁反应产生的氧化剂又周而复始反应及至溶解性的易降解有机物几全消失。

催化氧化反应非常复杂，其反应原理可简述如下：

其中：CaHbOcNdSe：代表有机废物；ROS代表活性氧。

为控制废弃物进料中的有效有机质(以纤维素为主)的有机肥料成分不被分解，较佳方法为在催化氧化反应前采用不使其液化的方法；粉碎或制浆的进料调至颗粒小于5mm为佳，热化水解反应温度控制在130～180℃之间，以液化及水解易降解有机废物，在此温度范围内木质素不会液化，而半纤维素及部分纤维素则会液化；液化后的半纤维素及部分纤维素会在催化氧化反应过程中产生腐植酸及黄腐酸等植物生长促进剂，以促进有机肥产品的品质。

此外，第一管式反应器1和第二管式反应器2的数量也可以根据需要来进行改变，在本实施例中，第一管式反应器1和第二管式反应器2均有两个。在其他实施例中，第一管式反应器1和第二管式反应器2均有三个，或者第一管式反应器1有两个，第二管式反应器2有三个等。第一管式反应器1和第二管式反应器2可以根据需要来进行堆叠或平行排列，布置灵活，只要第一管式反应器1和第二管式反应器2相互连通形成闭环反应系统即可。

上述的每一个管式反应器均采用耐腐蚀耐高温材料制作而成，并包裹保温材料，内表面附着催化剂，因此，能承受较高的压力及温度，具有利于热量回收、运行能耗低、动设备少、易于维护、反应参数连续变化、易于控制、运行灵活、结构紧凑和占地面积小等优点。

第一管式反应器1中的温度因废弃物的不同而不同，一般选在130～180℃间的无氧情况下进行，反应的停留时间一般30分钟內，进料的颗粒大小较佳范围为≤5mm。

在本实施例中，可以在进料管3设置有流量计和流量调节阀，通过流量计可以直观的看到物料的流量，而通过流量调节阀可以调节物料的进入量。

在本实施例中，如图1所示，可以在上面的第一管式反应器1的右端上设置有第一温度计11，第一温度计11可以测量第一管式反应器1中物料的温度，该物料的温度基本等于进料管3中物料的温度，因此，可以用来监控进料管3中物料进入第一管式反应器1时的温度。同时在如图1所示的右侧的第一管式反应器1上可以设置有加热装置，当右侧的第一管式反应器1中物料的温度没有达到预设温度时，即物料温度没有达到130～180℃时，可以开启加热装置或者增大加热装置的功率，加热装置可以加热进入到右侧的第一管式反应器1中的物料，并使得物料达到130～180℃。

在本实施例中，物料在第一管式反应器1的容积以及物料在第二管式反应器2的容积均为30min设计处理量的容积。

在本实施例中，如图1所示，可以在上面的第一管式反应器1的右端设置推进装置4，推进装置4设置有推流式桨叶，搅拌轴转动时，可以带动推流式桨叶转动，推流式桨叶可以推动物料向上面的第一管式反应器1的左端移动，因此，推进装置4可以用来推动物料，同时，推进装置4还可以起到搅拌物料的作用，本实施例中的推进装置4采用耐腐蚀材料制成。

更为具体的，在本实施例中，推进装置的轴转速及轴功率与物料在反应器中的流速相关，可根据系统回流比进行调节，不同物料及产品具有不同的回流比。

本实施例中的第一管式反应器1为压力容器，其压力主要由所选定的温度下的水的饱和蒸汽压决定；第一管式反应器1的酸碱度依废弃物种类及所选的操作参数而定。

在本实施例中，如图1所示，第一管式反应器1和第二管式反应器2中均安装有用于搅拌和导流的静态管道混合器，静态管道混合器为耐腐蚀材料制成的，并在静态管道混合器的表面附着催化剂，催化剂可以在混合物料的同时起到催化的作用，可以降低物料氧化的温度和压力。静态管道混合器采用静态挡板式，一顺一逆、首尾相连固定在管道内，使物料均匀混合，静态管道混合器的具体结构也可以参照现有技术，不再细说。

在本实施例中，如图1和图2所示，可以在两个第二管式反应器2上设置有多个空气进气口22，通过在空气进气口22处设置气液混合泵，气液混合泵将空气和回流物料导入至第二管式反应器2内。气液混合泵吸气口93处设置空气流量计，用于测量及控制空气进气量。通过设置多个空气进气口22使回流物料中富含微小气泡，大大增加了物料与空气的接触面积，从而使得空气与物料更充分更均匀混合反应。

空气进气口22前设置了气液混合泵，气液混合泵可以使得气液比为1:9～2:8，吸气量为8～20％，边吸物料边吸气、泵内加压混合，产生微细的气泡，气泡直径为20μ～30μ，因此，可以增加物料中的溶解氧浓度，由于气泡足够细，使气-液传质效率更高、反应速度更快且更彻底。

由于本发明在第二管式反应器2上设置有空气进气口22，气液混合泵92可以将空气和要反应的物料进行混合，将空气打碎呈微小气泡，微小气泡的直径很小，因此，充入的空气可以与物料进行充分接触，在催化剂的作用下，可以使得化学反应效率更高，使得有机废物降解效率更高，有害物质分解的更加彻底，相对于通过空气压缩机充入空气这一方式而言，气液混合泵92充入的气体气泡直径更小，并且已经与物料充分混合了，不需要增加搅拌机，降低了一次性投资，此外，气液混合泵92的一次性投资更低、能耗更低且维修也更为简便，可以大大降低生产成本。

气液混合泵92增加水中的氧浓度后，可以生成含O₂·^-(超氧阴离子)，HOO·(氢过氧自由基)，HOO^-(氢过氧阴离子)，OH·(羟基自由基)，H₂O₂(过氧化氢)，O₃(臭氧)的活性氧，以高速分解已热化水解或液化的易降解有机物，完全杀灭细菌、寄生虫、有害病毒等有害微生物及有毒有机物，同时根据物料特性及产品要求有选择性地将部分难降解有机物氧化，使物料稳定并保留有用成份，达到资源化利用的目的，从而重复利用资源。

此外，如图1和图2所示，在本实施例中，在下面的第二管式反应器2的左端设置有测压元件6，测压元件6可以测量本发明整体内部的压力情况，可以通过压力情况来反应物料状态是否稳定。

在本实施例中，在第一管式反应器1和第二管式反应器2的内管壁以及静态混合器表面上均设置有过渡金属氧化物，金属氧化物可以作为物料在氧化反应过程中的催化剂。

在本实施例中，如图1所示，在靠近出料口21的第二管式反应器2处，即下面的第二管式反应器2的右端可以设置有第二温度计23，第二温度计23可以测量氧化反应的温度，当温度过高或过低，可通过调整空气供气量、进料速度或加热器功率来调节。

此外，为了能够将已经处理好的物料中的热量进行回收，本发明还包括浆料槽7和热交换器71，出料口21与热交换器71相连通，浆料槽7与热交换器71相连，浆料槽7通过渣浆泵72将物料传输至热交换器71中，出料口21反应后的物料传输至热交换器71中并与浆料槽7传输出的物料进行热传递。因此，要进行处理的物料首先放在浆料槽7中，浆料槽7的物料通过渣浆泵72传输至热交换器71，同时，出料口21出来的已经反应的物料也会进入到热交换器71中，出料口21出来的已经反应的物料通过热交换器71与要进行处理的物料进行热传递，完成热传递后，可以对要进行处理的物料进行预热，可以节约要进行处理的物料的加热能耗，降低整体的生产成本。

更进一步地，在本实施例中，闪蒸罐10、冷却槽8、固液分离机9和回流液槽91和气液混合泵92，闪蒸罐10与热交换器71相连，反应后的物料经由热交换器71后进入到闪蒸罐10，闪蒸罐10顶部的水蒸气进入到浆料槽7，用于预加热浆料槽中的物料以及补充水分，闪蒸罐10底部的物料进入到冷却槽8中，冷却槽8与固液分离机9相连，冷却槽8中的物料进入到固液分离机9中并进行固液分离，固液分离机9与回流液槽91相连，固液分离机9将分离后的液体传输至回流液槽91中，固液分离机9分离出来的固体为固态有机肥肥基。回流液槽91通过气液混合泵92将液体回流至第二管式反应器2中，经由气液混合泵92传输至空气进气口22处，同时气液混合泵92还会将空气变成微小气泡，将与要反应的物料进行充分混合，回流液槽91中的液体达到液态有机肥肥基的要求后即可全部排出。

此外，在本实施例中，第一管式反应器1、第二管式反应器2和浆料槽7上均安装加热装置5，浆料槽7上的加热装置5用于给物料预热，第一管式反应器1上的加热装置5用于将物料加热至水解反应要求的温度，第二管式反应器2上的加热装置5用于将水解后的物料加热至催化氧化反应要求的温度。

更为具体的，在本实施例中加热装置5可以为电加热装置，如：电磁通电加热。在其他实施例中，加热装置5可以也可以是燃料加热装置，如：可以是天然气加热装置。

本发明中，物料可以在第一管式反应器1和第二管式反应器2中进行循环，回流循环比可根据处理物料的性质与数量进行调整。物料催化氧化过程释放出大量的热量，在循环过程中与进料管3中的物料进行热量交换以及为热化水解反应提供热量。

在本实施例中，进料管3处物料的流量与出料口21处物料流量相同，回流比指物料从第二管式反应器2返回第一管式反应器1的回流物料流量与出料口21处物料流量的比值，回流比根据处理物料不同及不同产品需求进行设置，通常可设置为1:1～4:1，回流比越大，本发明需要消耗的空气量越大，推进装置的轴转速及功率也越大。

本发明的工作过程如下：

首先，有机废物经预处理工艺破碎至≤5mm，然后用输送带运至湿分拣制浆送入浆料槽7中，浆料槽7中的物料经由渣浆泵71送入到热交换器中，经过热传递后，将物料送入到进料管3中，进料管3中的物料到达其中一个第一管式反应器1中进行初步热化水解，后经由推进装置的推进，完全进入到第二个第一管式反应器1中，进一步进行热化水解反应。紧接着进入到第二管式反应器2中，在第二管式反应器2中进行催化氧化，反应完成后的物料一部分再次进入到第一管式反应器1中，通过物料循环实现热量回收，另一部分则经由出料口21排出。经由出料口21排出的物料进入到热交换器71中，将物料中的热量传递给将要送入进料管3的物料，对将要送入进料管3的物料进行预热。

出料口21排出的物料经由热交换器71后进入到闪蒸罐10，闪蒸罐10顶部的水蒸气进入到浆料槽7，用于加热浆料槽中的物料以及补充水分，闪蒸罐10底部的物料进入到冷却槽8中，冷却槽8与固液分离机9相连，冷却槽8中的物料进入到固液分离机9中并进行固液分离，固液分离机9与回流液槽91相连，固液分离机9将分离后的液体传输至回流液槽91中，固液分离机9分离出来的固体为固态有机肥肥基，进入产品精炼环节。

气液混合泵92可以边吸回流液槽91中的回流液边吸空气，将回流液与空气在泵内加压混合，经由空气进气口22处回流至第二管式反应器2中，气液混合泵92可以将空气变成微小气泡，气-液传质效果更好，大大增加了空气与回流液的接触面积，使催化氧化反应效率更高，有机物降解效率更高，有害物质分解的更加彻底。回流液槽91中的液体达到液态有机肥肥基的要求后即可全部排出，进入产品精炼环节。

由于物料在系统中循环反应，部分或大部分物料可以多次通过第二管式反应器，由于氧化反应速度很快(毫秒级)，其主要控制参数为充氧量，可使反应更完全。物料循环的次数根据处理物料不同及不同产品需求进行设置，物料循环次数与回流比相关联，通常回流比可设置为1:1～4:1，回流比越大，系统需要消耗的空气量越大，推进装置的轴转速及功率也越大。通过排出物料的量，较为简单的调整运行参数，可以生产不同性质的有机肥产品。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，所述反应系统处理规模适用于150～1000吨/天，其特征在于：包括热化水解段和催化氧化段，所述热化水解段前设有进料管(3)，所述热化水解段至少包括一个第一管式反应器(1)，所述催化氧化段上设有出料口(21)，出料口(21)处设有安全阀口(211)，所述催化氧化段至少包括一个第二管式反应器(2)，所述进料管(3)与所述第一管式反应器(1)相连通，所述出料口(21)与所述第二管式反应器(2)相连通，所述第一管式反应器(1)与所述第二管式反应器(2)通过弯头依次首尾相连从而形成闭环反应系统。

2.根据权利要求1所述的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，其特征在于：所述进料管(3)设在第一管式反应器(1)的一端，物料由进料管(3)进入后，依次经过两个第一管式反应器(1)进行热化水解反应，以及两个第二管式反应器(2)进行催化氧化反应后，一部分物料从出料口(21)排出，另一部分物料进行循环并再次进入第一管式反应器(1)中。

3.根据权利要求2所述的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，其特征在于：所述进料管(3)设置有流量计和流量调节阀，从而调节物料的进入量，在其中一个第一管式反应器(1)上设置有第一温度计(11)，所述第一温度计(11)用于测量第一管式反应器(1)中物料的温度。

4.根据权利要求3所述的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，其特征在于：所述在其中一个第一管式反应器(1)的一端设置推进装置(4)，所述推进装置(4)用于推动物料。

5.根据权利要求4所述的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，其特征在于：所述第一管式反应器(1)和第二管式反应器(2)中均设有用于搅拌和导流的静态管道混合器，在两个第二管式反应器(2)上设有多个空气进气口(22)，空气以及回流液体通过气液混合泵(92)由空气进气口(22)导入第二管式反应器(2)中。

6.根据权利要求5所述的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，其特征在于：回流液气液混合泵的吸气口(93)处装有空气流量计，用于测量及控制空气进气量。

7.根据权利要求6所述的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，其特征在于：所述静态管道混合器表面均匀附着催化氧化反应所需的催化剂，在混合物料的同时起到催化的作用，以降低物料氧化的温度与压力。

8.根据权利要求7所述的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，其特征在于：第二管式反应器(2)中的静态混合器在每个空气进气口(22)处以互作反向混合的方式设置。

9.根据权利要求8所述的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，其特征在于：在靠近出料口(21)的第二管式反应器(2)处设置有第二温度计(23)，用于测量第二管式反应器(2)中物料进行氧化反应的温度。

10.根据权利要求9所述的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，其特征在于：还包括热交换器(71)、闪蒸罐(10)、浆料槽(7)和冷却槽(8)，所述出料口(21)与所述热交换器(71)相连，所述热交换器(71)与闪蒸罐(10)相连，闪蒸罐(10)顶部与浆料罐(7)相连，闪蒸罐(10)底部与冷却槽(8)相连，物料从出料口经过热交换器(71)后，进入闪蒸罐(10)，迅速沸腾汽化并进行两相分离，产生大量的水蒸气，水蒸气由闪蒸罐(10)罐顶出口排出后进入浆料槽(7)，用于加热浆料，低压物料由闪蒸罐(10)罐底出口排出后进入冷却槽(12)。

11.根据权利要求10所述的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，其特征在于：所述浆料槽(7)与所述热交换器(71)相连，所述浆料槽(7)通过渣浆泵(72)将物料传输至热交换器(71)中，在热交换器(71)与出料口(21)进入热交换器(71)中的物料进行热传递。

12.根据权利要求11所述的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，其特征在于：还包括固液分离机(9)、回流液槽(91)和气液混合泵(92)，所述冷却槽(8)与所述固液分离机(9)相连，所述冷却槽(8)中的物料进入到所述固液分离机(9)中并进行固液分离，所述固液分离机(9)与所述回流液槽(91)相连，固液分离机(9)将分离后的液体传输至所述回流液槽(91)中，分离出来的固体为固态有机肥肥基，所述气液混合泵(92)将回流液槽(91)中的液体回流至第二管式反应器(2)中，直到回流液槽(91)中的液体达到液态有机肥肥基的要求后再全部排出。

13.根据权利要求12所述的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，其特征在于：气液混合泵(92)将回流液槽(91)中的液体与空气混合后，由空气进气口(22)进入第二管式反应器(2)中，在第二管式反应器(2)中再次进行催化氧化反应，通过控制回流次数达到浓缩液态物料的作用。

14.根据权利要求13所述的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，其特征在于：所述第一管式反应器(1)、第二管式反应器(2)和浆料槽(7)上均设有加热装置(5)，浆料槽(7)上的加热装置(5)用于给物料预热，第一管式反应器(1)上的加热装置(5)用于将物料加热至水解反应要求的温度，第二管式反应器(2)上的加热装置(5)用于将水解后的物料加热至催化氧化反应要求的温度。

15.根据权利要求14所述的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，其特征在于：所述加热装置(5)为电加热装置，或者，所述加热装置为燃料加热装置。

16.根据权利要求15所述的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，其特征在于：物料在第一管式反应器(1)的容积以及物料在第二管式反应器(2)的容积均为30min设计处理量的容积。

17.根据权利要求16所述的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，其特征在于：进料管(3)处物料的流量与出料口(21)处物料流量相同，回流比指物料从第二管式反应器(2)返回第一管式反应器(1)的回流物料流量与出料口(21)处物料流量的比值，回流比根据处理物料不同及不同产品需求进行设置，通常可设置为1:1～4:1，回流比越大，物料在反应器中的流速越大，系统需要消耗的空气量越大，推进装置的轴转速及功率也越大。

18.根据权利要求17所述的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，其特征在于：所述反应系统可用于高浓度有机废水的处理、有机污泥无害化处理、畜禽粪污资源化利用、餐厨垃圾资源化利用、农业生产有机固废资源化利用中的一种或者多种。

19.根据权利要求18所述的处理有机废物的可控湿式催化氧化闭环管式反应系统，其特征在于：所述反应系统能够根据用户需求，通过调整运行参数生产含氨基酸、腐殖酸、黄腐酸的有机肥料。

Images