CN117447040A - 污泥水热炭化连续处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种污泥水热炭化连续处理系统，属于有机固废处理技术领域，包括混料预热罐、水热炭化反应罐和生物炭浆闪蒸罐，生物炭浆闪蒸罐的上部蒸汽出口通过蒸汽输送管与混料预热罐内的搅拌机构连通，通过搅拌机构向混料预热罐内输送闪蒸蒸汽。污泥在混料预热罐中利用生物炭浆闪蒸罐产生的蒸汽加热后，进入水热炭化反应罐发生水热炭化反应，反应结束后物料进入生物炭浆闪蒸罐，通过闪蒸冷却物料并将蒸汽输送至混料预热罐加热污泥。利用闪蒸技术实现物料快速降温，回收的闪蒸蒸汽携带的显热和潜热传递给污泥，并液化为水，在提高污泥温度的同时，降低污泥粘度，提高污泥流动性和热传导率，降低热损失，进而提高系统余热利用效率，降低系统能耗。
Description
技术领域
本发明属于有机固废处理技术领域，尤其涉及一种污泥水热炭化连续处理系统。
背景技术
水热炭化(Hydrothermal Carbonization，缩写为HTC)技术模拟了自然界中煤、石油和天然气生成的过程，并将这一在自然界需要数百万年时间的反应过程，通过适当的温度、压力和酸碱度(pH值)条件下数小时内再现。HTC反应是在排除空气和添加催化剂的条件下，温度180-200℃和压力20-35巴，有机材料(如生物废弃物或污泥)在几小时内炭化成HTC生物炭。该方法在含水环境中进行，因此不需要对输入材料进行干燥处理，并且该方法特别适用于富含水的生物有机废弃物和污泥。水热炭化产物脱水后，HTC生物炭含水率低，由于其热值高，可用于燃煤发电厂的气候友好型发电，或作为水泥厂或垃圾焚烧厂的化石燃料的替代品。
污泥水热炭化技术充分利用水热反应，在密闭高温高压的环境下，将污泥改性转变为生物炭，破坏胞外聚合物，杀灭病原菌等微生物，低成本、高效实现污泥的减量化、稳定化和无害化。由于是密闭高压环境中，没有水分汽化和过多消耗能量，相比热干化技术，能耗仅为1/3，水热生物炭尽可能保留污泥中的物质(有机质和氮磷等营养物)和能量。
水热炭化系统的工业化可以采用间歇式生产也可以采用连续式生产，间隙式生产是分批将物料送入反应釜，密闭环境中加热，在固定的温度和压力下物料发生水热炭化反应，达到反应时间后冷却，排出反应产物，再进行下一批次处理，如此循环。连续式生产是物料连续进入反应系统，在反应器内停留固定时间，再连续排出。间歇式生产由于效率低，一般仅用于研究和小规模生产应用，不被工业大规模生产采用；连续式生产适合于工业大规模生产应用。目前连续式生产采用间接换热余热利用的方式，即将水热炭化后的高温物料采用导热介质间接换热，输送到水热炭化前段污泥，再通过导热介质将热量交换给污泥，过程复杂，多级热交换，换热效率低，系统余热利用效率低，间接换热需要长距离输送，且污泥粘度大、输送阻力大，能耗大，增加系统运行能耗和成本。因此，提高污泥水热炭化余热利用效率，降低系统运行能耗是该技术研究和推广需要解决的主要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种污泥水热炭化连续处理系统，旨在解决现有技术中采用导热介质间接换热存在换热效率低、余热利用效率低，以及系统运行能耗高和成本高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种污泥水热炭化连续处理系统，包括依次相连的混料预热罐、水热炭化反应罐和生物炭浆闪蒸罐，污泥及催化剂分别自混料预热罐上部的进泥口及进料口进入，所述混料预热罐的底部出料口通过输送机构与水热炭化反应罐的进料口相连，所述水热炭化反应罐的出料口通过物料管与生物炭浆闪蒸罐的进料口相连，所述生物炭浆闪蒸罐的上部蒸汽出口通过蒸汽输送管与混料预热罐内的搅拌机构连通，通过混料预热罐的搅拌机构向混料预热罐内的污泥输送闪蒸蒸汽。
优选的，所述搅拌机构包括搅拌轴和螺旋叶片，所述搅拌轴的上端贯穿混料预热罐顶壁与电机的主轴相连，所述搅拌轴的下端贯穿混料预热罐的底壁与蒸汽输送管转动相连；所述搅拌轴和螺旋叶片均为中空结构，且搅拌轴和螺旋叶片的外壁上设有若干个出汽孔，所述螺旋叶片通过若干个径向布置的连接管与搅拌轴连通，所述搅拌轴与蒸汽输送管的内腔连通。
优选的，所述混料预热罐中的搅拌机构为双螺旋搅拌机构，所述搅拌轴的外侧交错设置两个螺旋叶片。
优选的，所述输送机构包括输送泵和输料管，所述输料管连接混料预热罐与水热炭化反应罐，所述输送泵设置于输料管上，所述输料管上还设有控制阀。
优选的，所述水热炭化反应罐与生物炭浆闪蒸罐之间的物料管上设有控制阀，所述混料预热罐与生物炭浆闪蒸罐之间的蒸汽输送管上设有控制阀。
优选的，所述生物炭浆闪蒸罐的出口通过输送机构与二次冷却缓存罐相连，所述二次冷却缓存罐通过输送机构与固液分离装置相连；所述水热炭化反应罐内部设有搅拌机构、外壁包裹加热夹套，所述二次冷却缓存罐的外壁包裹冷却夹套。
优选的，所述混料预热罐中污泥进泥温度为0-30℃，出泥温度为60-140℃，工作压力为0.1-1Mpa。
优选的，所述水热炭化反应罐中反应温度160-220℃，工作压力为1-2MPa。
优选的，所述生物炭浆闪蒸罐中工作压力为0.1-1MPa，蒸汽温度100-180℃，产生蒸汽量为50-190kg/t，生物炭浆闪蒸罐中污泥生物炭浆温度为100-180℃。
优选的，污泥为河道清淤底泥、污水处理厂脱水污泥和/或通沟污泥，含水率70-90％。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明利用闪蒸技术实现物料快速降温和余热回收，通过预热污泥提高余热利用率；闪蒸蒸汽用于直接加热前段污泥，避免了常规换热器间接加热热交换效率低的缺点，提高余热利用效率；闪蒸蒸汽携带的显热和潜热传递给污泥，并液化为水，提高污泥含水率，降低污泥粘度，进而提高污泥流动性和热传输效率，降低热损失，进而降低系统能耗；闪蒸蒸汽通过搅拌机构传输至污泥中，与污泥搅拌混合，蒸汽与污泥的混合效率高，加热效果好。本发明占地面积小，建设成本低，能够在污泥连续处理过程中实现余热回收再利用，余热利用效率高，而且可控性强，适合规模化应用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例提供的一种污泥水热炭化连续处理系统的结构示意图；
图2是图1中混料预热罐的内部结构示意图；
图中：1-污泥存储仓；2-混料预热罐；3-水热炭化反应罐；4-生物炭浆闪蒸罐；5-二次冷却缓存罐；6-固液分离装置；7-催化剂存储罐；8-电机；9-温度传感器；10-压力传感器；11-pH传感器；12-粘度传感器；13-加热夹套；14-冷却夹套；15-输送泵；16-控制阀；17—螺旋叶片；18—搅拌轴；19—中空腔体；20—出汽孔；21—进泥口；22—出泥口；23—蒸汽进口。
具体实施方式
下面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的一部分实施例，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。
参见图1，本发明提供的一种污泥水热炭化连续处理系统包括依次相连的混料预热罐2、水热炭化反应罐3和生物炭浆闪蒸罐4，污泥及催化剂分别自混料预热罐2上部的进泥口及进料口进入，所述混料预热罐2的底部出料口通过输送机构与水热炭化反应罐3的进料口相连，所述水热炭化反应罐3的出料口通过物料管与生物炭浆闪蒸罐4的进料口相连，所述生物炭浆闪蒸罐4的上部蒸汽出口通过蒸汽输送管与混料预热罐2内的搅拌机构连通，通过混料预热罐2的搅拌机构向混料预热罐2内的污泥输送闪蒸蒸汽。污泥在混料预热罐中利用生物炭浆闪蒸罐产生的蒸汽直接加热后，再进入水热炭化反应罐发生水热炭化反应，反应结束后的物料进入生物炭浆闪蒸罐，通过闪蒸冷却物料并以蒸汽形式回收热量，将蒸汽输送至混料预热罐直接加热污泥，冷却的物料继续后续处理，控制水热炭化反应罐进出料的流速一样，实现连续生产。
在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，所述搅拌机构包括搅拌轴18和螺旋叶片17，所述搅拌轴18的上端贯穿混料预热罐2顶壁与电机8的主轴相连，所述搅拌轴18的下端贯穿混料预热罐2的底壁与蒸汽输送管转动相连；所述搅拌轴18和螺旋叶片17均为设有中空腔体19的中空结构，且搅拌轴18和螺旋叶片17的外壁上设有若干个出汽孔20，所述螺旋叶片17通过若干个径向布置的连接管(图中未画出)与搅拌轴18连通，所述搅拌轴18与蒸汽输送管的内腔连通。具体制作时，混料预热罐2的底部设有进泥口22、顶部侧壁上设有出泥口21，搅拌轴的下端设有蒸汽进口23，蒸汽进口23通过安装旋转接头实现与蒸汽输送管转动相连。
作为一种优选结构，所述混料预热罐2中的搅拌机构为双螺旋搅拌机构，所述搅拌轴18的外侧交错设置两个螺旋叶片17。利用双螺旋搅拌机构能够使污泥与蒸汽充分混合，实现污泥的快速加热。
具体制作时，所述输送机构包括输送泵15和输料管，所述输料管连接混料预热罐2与水热炭化反应罐3，所述输送泵15设置于输料管上，所述输料管上还设有控制阀16。同时，所述水热炭化反应罐3与生物炭浆闪蒸罐4之间的物料管上设有控制阀16，所述混料预热罐2与生物炭浆闪蒸罐4之间的蒸汽输送管上设有蒸汽流量计和控制阀16。为了方便控制混料预热罐2及水热炭化反应罐3的顺利运行，在混料预热罐2上还设有温度传感器9和压力传感器10，在水热炭化反应罐3还设有温度传感器9、压力传感器10、pH值传感器11和粘度传感器12，通过在线监测混料预热罐2及水热炭化反应罐3的温度和压力，确保其安全运行；同时，通过在线监测水热炭化反应罐3中的pH值及物料粘度，能够保证水热炭化反应的所需条件，还能够提高反应速度。
进一步优化上述技术方案，如图1所示，所述生物炭浆闪蒸罐4的出口通过输送机构与二次冷却缓存罐5相连，所述二次冷却缓存罐5通过输送机构与固液分离装置6相连；所述水热炭化反应罐3内部设有搅拌机构、外壁包裹加热夹套13，所述二次冷却缓存罐5的外壁包裹冷却夹套14。同时，污泥预先在污泥存储仓1缓存，通过污泥存储仓1与混料预热罐2之间输送机构的输送泵及控制阀来控制污泥的添加量；催化剂储存在催化剂存储罐7内，通过输送机构的输送泵及控制阀来控制催化剂的添加量。图1中空心箭头表示物料流向。
其中，催化剂采用无机酸或有机酸，无机酸为硫酸、硝酸或盐酸，有机酸为甲酸、乙酸、草酸、柠檬酸、酒石酸或乳酸。
本发明在具体运行过程中，各参数控制如下：
污泥采用含水率70-90％的河道清淤底泥、污水处理厂脱水污泥和/或通沟污泥，混料预热罐2中的污泥进泥温度为0-30℃，出泥温度为60-140℃，工作压力为0.1-1Mpa；水热炭化反应罐中的反应温度160-220℃，工作压力为1-2MPa；生物炭浆闪蒸罐中的工作压力为0.1-1MPa，蒸汽温度100-180℃，产生蒸汽量为50-190kg/t，生物炭浆闪蒸罐中污泥生物炭浆温度为100-180℃。
以下通过3个具体实施例和一个比较例来解释本发明：
处理对象：马鞍山某污水处理厂剩余污泥的脱水污泥，含水率80％，有机质含量50％；
催化剂为硫酸：试剂级；
实施例1
设计污泥水热炭连续处理系统的处理能力为100kg/d，水热炭化反应温度180℃，反应时间3h，反应压力2MPa。
依次连接混料预热罐、水热炭化反应罐、生物炭浆闪蒸罐，生物炭浆闪蒸罐再连接混料预热罐。混料预热罐与水热炭化反应罐之间有螺杆泵和控制阀，水热炭化反应罐与生物炭浆闪蒸罐之间有控制阀，生物炭浆闪蒸罐与混料预热罐之间有控制阀和蒸汽流量计。
混料预热罐容积15L，内部设有双螺旋搅拌，搅拌轴和螺旋叶片均为中空结构，在搅拌轴和螺旋叶片的表面开设出汽孔，在生物炭浆闪蒸罐的蒸汽出口安装蒸汽输送管；配备温度计和压力计。
水热炭化反应罐容积15L，外有导热油加热夹套，内部设有双螺旋搅拌，搅拌轴和螺旋叶片均为中空结构，里面通入加热导热油；配备温度计、pH计、粘度计和压力计。
生物炭浆闪蒸罐容积15L，内部设有搅拌装置；配备温度计和压力计。
步骤一、污泥通过螺杆泵输送至混料预热罐，进泥量为12.5kg/h，在混料预热罐中污泥与催化剂搅拌混合，同时蒸汽通过搅拌机构进入混料预热罐，边搅拌边与污泥接触混合，污泥升温至95℃，工作压力0.11MPa；
步骤二、预热后的污泥用螺杆泵输送至水热炭化反应罐，进泥量为12.96kg/h，在温度180℃，压力2MPa条件下反应3h，污泥变为污泥生物炭浆，出料流量为12.96kg/h；
步骤三、闪蒸出料，调节水热炭化反应罐与生物炭浆闪蒸罐之间的控制阀，保持出泥量为12.96kg/h。在生物炭浆闪蒸罐中，通过调节生物炭浆闪蒸罐与混料预热罐之间的控制阀实现闪蒸蒸汽温度110℃，压力0.14MPa，蒸汽流量0.46kg/h(吨污泥产蒸气量110kg/t)，蒸汽输送至混料预热罐直接加热污泥；生物炭浆闪蒸罐中污泥生物炭浆处理流量为12.5kg/h，生物炭浆闪蒸罐中污泥生物炭浆降温至110℃，降温后的污泥生物炭浆继续冷却处理。
统计得到该污泥水热炭化连续处理系统的能耗为0.45MJ/kg。
实施例2
设计污泥水热炭连续处理系统，处理能力100kg/d，水热炭化反应温度180℃，反应时间3h，反应压力2MPa。
依次连接混料预热罐、水热炭化反应罐、生物炭浆闪蒸罐，生物炭浆闪蒸罐再连接混料预热罐。混料预热罐与水热炭化反应罐之间有螺杆泵和控制阀，水热炭化反应罐与生物炭浆闪蒸罐之间有控制阀，生物炭浆闪蒸罐与混料预热罐之间有控制阀和蒸汽流量计。
混料预热罐容积15L，内部设有双螺旋搅拌，搅拌轴和螺旋叶片均为中空结构，搅拌轴和螺旋叶片的表面开设出汽孔，连接闪蒸罐产生蒸汽输送管道；配备温度计和压力计。
水热炭化反应罐容积15L，外有导热油加热夹套，内部设有双螺旋搅拌，搅拌轴和螺旋叶片均为中空结构，里面通入加热导热油；配备温度计、pH计、粘度计和压力计。
生物炭浆闪蒸罐容积15L，内部设有搅拌装置；配备温度计和压力计。
步骤一、污泥通过螺杆泵输送至混料预热罐，进泥量为12.5kg/h，在混料预热罐中污泥与催化剂搅拌混合，同时蒸汽通过搅拌装置进入混料预热罐，边搅拌边与污泥接触混合，污泥升温至90℃，工作压力0.12MPa；
步骤二、预热后的污泥用螺杆泵输送至水热炭化反应罐，进泥量为12.93kg/h，在温度180℃，压力2MPa条件下反应3h，污泥变为污泥生物炭浆，出料流量为12.93kg/h；
步骤三、闪蒸出料，调节水热炭化反应罐与生物炭浆闪蒸罐之间的控制阀，保持出泥量为12.93kg/h。在生物炭浆闪蒸罐中，通过调节生物炭浆闪蒸罐与混料预热罐之间的控制阀实现闪蒸蒸汽温度115℃，压力0.17MPa，蒸汽流量0.43kg/h(吨污泥产蒸气量103kg/t)，蒸汽输送至混料预热罐直接加热污泥；生物炭浆闪蒸罐中污泥生物炭浆处理流量为12.5kg/h，生物炭浆闪蒸罐中污泥生物炭浆降温至115℃，降温后的污泥生物炭浆继续冷却处理。
统计得到该污泥水热炭化连续处理系统的能耗为0.42MJ/kg
实施例3
设计污泥水热炭处理系统，处理能力100kg/d，水热炭化反应温度220℃，反应时间1h，反应压力3MPa。
依次连接混料预热罐、水热炭化反应罐、生物炭浆闪蒸罐，生物炭浆闪蒸罐再连接混料预热罐。混料预热罐与水热炭化反应罐之间有螺杆泵和控制阀，水热炭化反应罐与生物炭浆闪蒸罐之间有控制阀，生物炭浆闪蒸罐与混料预热罐之间有控制阀和蒸汽流量计。
混料预热罐容积15L，内部设有双螺旋搅拌，搅拌轴和螺旋叶片均为中空结构，搅拌轴和螺旋叶片的表面开设出汽孔，连接闪蒸罐产生蒸汽输送管道；配备温度计和压力计。
水热炭化反应罐容积15L，外有导热油加热夹套，内部设有双螺旋搅拌，搅拌轴和螺旋叶片均为中空结构，里面通入加热导热油；配备温度计、pH计、粘度计和压力计。
生物炭浆闪蒸罐容积15L，内部设有搅拌装置；配备温度计和压力计。
步骤一、污泥通过螺杆泵输送至混料预热罐，进泥量为12.5kg/h，在混料预热罐中污泥与催化剂搅拌混合，同时蒸汽通过搅拌装置进入混料预热罐，边搅拌边与污泥接触混合，污泥升温至120℃，工作压力0.2MPa；
步骤二、预热后的污泥用螺杆泵输送至水热炭化反应罐，进泥量为13.2kg/h，在温度220℃，压力3MPa条件下反应1h，污泥变为污泥生物炭浆，出料流量为13.2kg/h；
步骤三、闪蒸出料，调节水热炭化反应罐与生物炭浆闪蒸罐之间的控制阀，保持出泥量为13.2kg/h。在生物炭浆闪蒸罐中，通过调节生物炭浆闪蒸罐与混料预热罐之间的控制阀实现闪蒸蒸汽温度125℃，压力0.23MPa，蒸汽流量0.7kg/h(吨污泥产蒸气量150kg/t)，蒸汽输送至混料预热罐直接加热污泥；生物炭浆闪蒸罐中污泥生物炭浆处理流量为12.5kg/h，生物炭浆闪蒸罐中污泥生物炭浆降温至125℃，降温后的污泥生物炭浆继续冷却处理。
统计得到该污泥水热炭化连续处理系统的能耗为0.52MJ/kg
比较例
采用导热油间接加热方式，水热炭化系统分为前段预热系统，水热炭化反应系统和后端冷却系统。水热炭化反应系统是在导热油炉中通过天然气燃烧给导热油加热至200℃，导热油再通过反应釜夹套间接换热为水热炭化反应釜加热，发生水热炭化反应，反应温度为180℃，反应时间2h；反应后的高温物料通过导热油间接换热，冷却物料至110℃，换热后导热油输送至反应釜前段污泥预热系统，将污泥从室温加热至60℃，再进水热炭化反应釜。污泥水热炭化能耗为0.7MJ/kg。
表1是上述3个实施例和比较例的参数和能耗对比。由表1可知采用本发明能够利用闪蒸蒸汽余热加热前段污泥，提高其预热温度，从而降低污泥预热压力，降低系统能耗。
表1
综上可知，本发明提供的污泥水热炭化连续处理系统利用闪蒸技术冷却物料并回收水热炭化余热，用于直接加热前段污泥，闪蒸蒸汽携带的显热和潜热传递给污泥，并液化为水，在提高污泥温度的同时，降低污泥粘度，提高污泥流动性和热传导率，进而提高污泥水热炭化处理系统的余热利用效率，降低系统能耗。
在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。
Claims (10)
1.一种污泥水热炭化连续处理系统，其特征在于：包括依次相连的混料预热罐、水热炭化反应罐和生物炭浆闪蒸罐，污泥及催化剂分别自混料预热罐上部的进泥口及进料口进入，所述混料预热罐的底部出料口通过输送机构与水热炭化反应罐的进料口相连，所述水热炭化反应罐的出料口通过物料管与生物炭浆闪蒸罐的进料口相连，所述生物炭浆闪蒸罐的上部蒸汽出口通过蒸汽输送管与混料预热罐内的搅拌机构连通，通过混料预热罐的搅拌机构向混料预热罐内的污泥输送闪蒸蒸汽。
2.根据权利要求1所述的污泥水热炭化连续处理系统，其特征在于：所述搅拌机构包括搅拌轴和螺旋叶片，所述搅拌轴的上端贯穿混料预热罐顶壁与电机的主轴相连，所述搅拌轴的下端贯穿混料预热罐的底壁与蒸汽输送管转动相连；所述搅拌轴和螺旋叶片均为中空结构，且搅拌轴和螺旋叶片的外壁上设有若干个出汽孔，所述螺旋叶片通过若干个径向布置的连接管与搅拌轴连通，所述搅拌轴与蒸汽输送管的内腔连通。
3.根据权利要求2所述的污泥水热炭化连续处理系统，其特征在于：所述混料预热罐中的搅拌机构为双螺旋搅拌机构，所述搅拌轴的外侧交错设置两个螺旋叶片。
4.根据权利要求1所述的污泥水热炭化连续处理系统，其特征在于：所述输送机构包括输送泵和输料管，所述输料管连接混料预热罐与水热炭化反应罐，所述输送泵设置于输料管上，所述输料管上还设有控制阀。
5.根据权利要求1所述的污泥水热炭化连续处理系统，其特征在于：所述水热炭化反应罐与生物炭浆闪蒸罐之间的物料管上设有控制阀，所述混料预热罐与生物炭浆闪蒸罐之间的蒸汽输送管上设有控制阀。
6.根据权利要求1所述的污泥水热炭化连续处理系统，其特征在于：所述生物炭浆闪蒸罐的出口通过输送机构与二次冷却缓存罐相连，所述二次冷却缓存罐通过输送机构与固液分离装置相连；所述水热炭化反应罐内部设有搅拌机构、外壁包裹加热夹套，所述二次冷却缓存罐的外壁包裹冷却夹套。
7.根据权利要求1-6任一项所述的污泥水热炭化连续处理系统，其特征在于：所述混料预热罐中污泥进泥温度为0-30℃，出泥温度为60-140℃，工作压力为0.1-1Mpa。
8.根据权利要求7所述的污泥水热炭化连续处理系统，其特征在于：所述水热炭化反应罐中反应温度160-220℃，工作压力为1-2MPa。
9.根据权利要求8所述的污泥水热炭化连续处理系统，其特征在于：所述生物炭浆闪蒸罐中工作压力为0.1-1MPa，蒸汽温度100-180℃，产生蒸汽量为50-190kg/t，生物炭浆闪蒸罐中污泥生物炭浆温度为100-180℃。
10.根据权利要求7所述的污泥水热炭化连续处理系统，其特征在于：污泥为河道清淤底泥、污水处理厂脱水污泥和/或通沟污泥，含水率70-90％。
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