CN204752349U - 一种污水、污泥、生活垃圾同时进行循环利用的系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种污水、污泥、生活垃圾同时进行循环利用的系统，其特征在于：它包括氧化剂供应系统、膜富集系统、垃圾预处理系统、物料输入系统、反应器、能量回收系统；其中氧化剂供应系统向反应器提供高温高压的氧化剂；膜富集系统用于将污水浓缩分离为浓水和产水；物料输入系统向反应器提供高温高压的浆化物料；反应器的超临界气体为氧化剂供应系统和物料输入系统提供加热氧化剂和浆化物料的热源，水蒸气出口和膜富集系统的产水出口连接电解设备。本系统同时包含了超临界水反应器和膜富集系统，因此可以同时处理高浓度污水、污泥、生活垃圾，利用膜富集系统将高浓度污水进行浓缩，并将浓缩后的污水与研磨后的污泥、生活垃圾混合，配比成具有足够流动性的浆化物料。

Description

一种污水、污泥、生活垃圾同时进行循环利用的系统
技术领域
本实用新型属于污水、固废处理及资源能源循环回收领域，特别涉及一种污水、污泥、生活垃圾同时进行循环利用的系统。
背景技术
当温度和压力分别超过373.946℃、22.064MPa时，水将达到超临界态，对应状态下的水称为超临界水。超临界水具有常温水所不具备的独特性质，如非极性，低粘度、低密度和高扩散系数，氧气和多种有机物质在水体系中形成均一相，消除传质阻力，使本来发生在液相、固相、气相之间的多相反应转化为在SCW中的均相氧化反应，反应速率更快，停留时间更短。而且大多不需使用催化剂，氧化效率很高，大部分有机物的去除率可达99％以上。另外，无机组分与盐类在SCW中溶解度很低，几乎可以完全沉淀析出，使反应过程中盐的分离变得容易。
现有技术中通常利用超临界水氧化技术处理富含有机物的液态污水或垃圾渗滤液，在温度、压力高于水的临界温度和压力的条件下以超临界水作为反应介质，使污水中的有机物与氧化剂发生强烈的氧化反应，最后彻底氧化成CO2、N2、H2O以及盐类等无毒小分子化合物。
但是由于生活垃圾成分复杂，除了少量的渗滤液之外，绝大部分为呈固态的有机物和无机物，这类固态物质缺乏在封闭管道内的流动性，因而当前的生活垃圾处理方式仍然以高污染的填埋和焚烧为主，不能直接使用处理污水和垃圾渗滤液的超临界水反应系统处理。
发明内容
针对现有污水处理技术中生活垃圾只能通过焚烧或填埋处理、污泥只能通过填埋处理的问题，本实用新型提供一种使用超临界氧化技术，能够同时处理污水、污泥、生活垃圾，并将产出的蒸汽、水等产物进行有效利用，以获得可观的经济效益的污水、污泥、生活垃圾同时进行循环利用的系统；以及实现上述系统的污水、污泥、生活垃圾同时进行循环利用的方法。
本实用新型解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种污水、污泥、生活垃圾同时进行循环利用的系统，其特征在于：它包括氧化剂供应系统、膜富集系统、垃圾预处理系统、物料输入系统、反应器；其中所述氧化剂供应系统向所述反应器提供高温高压的氧化剂，包括串接的第一换热器和第一预热器；所述垃圾预处理系统用于对污泥和/或生活垃圾进行研磨，包括研磨机；所述膜富集系统用于将污水浓缩分离为浓水和产水，包括膜富集单元；所述物料输入系统向所述反应器提供高温高压的浆化物料，包括串接的浆化设备、第二换热器和第二预热器，所述膜富集系统的浓水出口连接所述浆化设备和/或研磨机的入口，所述研磨机出口连接所述浆化设备的入口，所述物料输入系统的出口处的浆化物料COD值高于50000mg/L、含水量高于60％；所述反应器的超临界气体出口连接所述第一换热器和第二换热器的外管入口，水蒸气出口和所述膜富集系统的产水出口连接电解设备；所述电解设备的氧气出口连接所述氧化剂供应系统的氧化剂入口。
所述反应器为蒸发壁式超临界水氧化反应器，包括筒体、喷嘴结构和蒸发壁。
所述筒体内部同心设置蒸发壁，所述蒸发壁与筒体之间形成多级环状的封闭的狭隙，所述狭隙在所述筒体上开有入水口，所述入水口通过第三换热器连接一供水装置，所述第三换热器的外管入口连接所述超临界气体出口；所述筒体底部设置出液口。
所述喷嘴结构包括压紧接头、上部法兰、套筒、芯管和喷嘴，在筒体顶部的端盖上固装具有中心通孔的上部法兰；芯管、套筒和上部法兰由内至外依次同轴设置，并在所述套筒的上部加置压紧接头将三者压紧固定为一体；所述芯管的上端与所述物料输入系统的浆化物料出口连通，所述芯管穿出套筒的末端安装喷嘴，靠近所述喷嘴的筒体顶部的端盖上设置燃烧室；所述套筒的外壁与所述上部法兰的通孔内壁之间的环状空腔为氧化剂通道，所述氧化剂通道与所述氧化剂供应系统的氧化剂出口连通。
所述芯管与套筒之间形成密闭空间，芯管外壁设置与套筒内壁顶触的环状台肩；喷嘴外壁设置与燃烧室内壁顶触的支撑凸台。
所述水蒸气出口与电解设备之间设置发电机组。
所述水蒸气出口连接供暖系统。
所述水蒸气出口连接危化危废消毒装置，所述危化危废消毒装置的出口连接所述研磨机。
所述第一换热器、第二换热器的外管出口依次连接压力能回收系统、气液分离系统和二氧化碳回收系统，所述压力能回收系统将回收的压力用于发电；所述气液分离系统将压力能回收后的产物分离成气体和水，所述二氧化碳回收系统将所述气体中的二氧化碳回收；所述气液分离系统和二氧化碳回收系统分离出的水进入供水装置中。
所述膜富集单元包括依次连通的膜池和多级膜浓缩装置；所述多级膜浓缩装置中第一膜浓缩装置与多个产水一路的膜浓缩装置通过产水出口串连，向外输出产水，所述产水一路的膜浓缩装置的浓水返回所述膜池的入口；所述第一膜浓缩装置与多个浓水一路的膜浓缩装置通过浓水出口串连，输出的浓水并入所述膜池的浓水出口，且所述浓水一路的膜浓缩装置的产水接入所述第一膜浓缩装置的产水出口或所述产水一路的膜浓缩装置的产水出口；所述膜池内置平板膜，所述膜浓缩装置为纳滤膜组件或反渗透膜组件。
本实用新型的优点和有益效果为：
本污水、污泥、生活垃圾同时进行循环利用的系统包括氧化剂供应系统、膜富集系统、垃圾预处理系统、物料输入系统、反应器、能量回收系统；其中氧化剂供应系统向反应器提供高温高压的氧化剂；膜富集系统用于将污水浓缩分离为浓水和产水；物料输入系统向反应器提供高温高压的浆化物料；反应器的超临界气体为氧化剂供应系统和物料输入系统提供加热氧化剂和浆化物料的热源，水蒸气出口和膜富集系统的产水出口连接电解设备；电解设备的氧气出口连接氧化剂供应系统的氧化剂入口。本系统同时包含了超临界水反应器和膜富集系统，因此可以同时处理高浓度污水、污泥、生活垃圾，利用膜富集系统将高浓度污水进行浓缩，并将高浓度污水与研磨后的污泥和/或生活垃圾混合，配比成具有足够流动性的浆化物料，既满足超临界水反应对物料的COD需求，又满足系统对管道内物料流动性的需求；而且本系统的处理范围广，对污水的浓度并没有严格限制，形态上也不局限于液体或固体；上述特点解决了现有技术的超临界水反应系统只能单独处理污水或污泥的缺陷。
由于电解后的氧气回用于氧化剂供应系统中作为超临界水氧化反应的补充，且反应器排出的超临界气体加热氧化剂和浆化物料，使得反应中的产物作为能量参与到反应中，完成能量的闭环循环，大大降低输入性能耗。
本系统的产物中除了无机盐之外，还有可资源化的氢气、二氧化碳，且由反应器排出的蒸汽能够进行供暖、发电和对危化危废消毒；将现今单一的利用超临界水氧化反应处理垃圾的技术，扩展为具有高利润的产业生态，为垃圾处理产业增加了新的赢利点。
本系统通过调节反应器内的温度与压力，可以改变水的密度、粘度、扩散系数、介电常数等物理化学特性，从而改变其对有机物的溶解性能，达到选择性控制反应产物的目的。本系统超临界水氧化系统中的反应是均相反应，停留时间以秒来计量，因此具有处理速度快，设备体积小的优点。
本系统反应器的喷嘴结构中，芯管外表面与套筒内表面形成密闭的空隙，当预热的燃料流经芯管细长小孔时，可以有效地减少与外界的热交换，避免热量损失。且芯管外壁间隔制有多个与套筒内壁顶触的环状台肩，喷嘴外壁圆周均匀间隔制有多个与燃烧室内壁顶触的支撑凸台，此结构降低了芯管震动的幅度，有利于保持燃料流动的稳定性。
附图说明
图1是本实用新型的系统结构示意图
图2是本实用新型的蒸发壁式超临界水氧化反应器结构示意图
图3是本实用新型的喷嘴结构的示意图
图4是本实用新型的喷嘴的示意图
图5是本实用新型的膜富集单元的示意图
具体实施方式
下面通过具体实施例对本实用新型作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。
实施例1：
如图1所示，本实用新型的系统包括氧化剂供应系统、膜富集系统、垃圾预处理系统、物料输入系统、反应器5，其中：
氧化剂供应系统用于向反应器提供温度和压力范围在300-400℃，25-30Mpa高温高压的氧气或双氧水等氧化剂，包括依次连接的氧气储罐11、增压泵12、汽化器13、第一换热器14和第一预热器16，高压缓冲罐15连接在第一换热器14和第一预热器16之间的气路上，第一预热器16的氧气出口连接反应器5的氧化剂入口57。
膜富集系统包括预处理单元和膜富集单元21，其中预处理单元包括依次连通的格栅22和沉砂池23，用于对污水进行过滤和沉淀，格栅22过滤出的栅渣汇入垃圾预处理系统的入口。膜富集单元21产出的浓水进入垃圾预处理系统和/或物料输入系统，产水用于回用或电解制氢。
垃圾预处理系统包括依次连接的地下储料池31、抓斗料仓32、研磨机33和水选池34，污泥和生活垃圾可通过地下储料池31进入系统，地下储料池31还连接一除臭系统35，对污泥和生活垃圾产生的恶臭气体进行除臭；膜富集系统输出的浓水可输入研磨机33中参与对污泥和生活垃圾的研磨；水选池34中分选出的固态无机物进入沉砂池23中除砂，使之不再进入系统中循环，水选出的有机浆液进入物料输入系统。
物料输入系统用于向反应器提供具备足够流动性的温度和压力范围在250-400℃，22-35Mpa的高温高压浆化物料，包括依次连接的浆化搅拌槽41、第一高压泵42、第二换热器43、第二预热器44。如果有机浆液的含水量达不到60％，浆化搅拌槽41的入口连通污水富集单元21的浓水出口、水选池34的有机浆液出口，将固态和液态的物质一同搅拌均匀，配制成成含水量为60％以上的浆化物料，以满足在封闭管道内的流动性需求，本实施例优选含水量为85％。
第二预热器44的出口连接反应器5的物料入口，浆化物料与氧化剂在反应器5的上部混合；或令第二预热器44与第一预热器16的出口同时连接一混合器，将浆化物料与氧化剂在反应器5外部充分混合；第二高压泵45和第三换热器46连通，第二高压泵45的入口连接一水罐47，第三换热器46的出口连通反应器5蒸发壁狭隙的入水口。在研发过程中经过复杂的理论推算和模拟实验验证，浆化物料的COD值下限为50000mg/L左右，如果太过低于这个下限，系统的热量不足以通过换热的方式将浆化物料、氧化剂加热到超临界水氧化反应所需的温度，需要另行加热消耗能量，则不能达到本实用新型自加热、向外输出能量以获得经济效益的目的。
如图2所示，当浆化物料与氧化剂在反应器5的上部混合时，反应器5为蒸发壁式超临界水氧化反应器，其包括筒体51、喷嘴结构52、蒸发壁53，喷嘴结构52自筒体51顶部伸入。筒体51内部同心设置蒸发壁53，蒸发壁53与筒体51之间形成沿筒体轴向分布的多级环状的封闭的狭隙54，每个狭隙54在筒体51上开有入水口55。蒸发壁53由多孔材料制成，入水口55连通第三换热器46的出口，使亚临界水通过蒸发壁53渗入筒体51中，在蒸发壁53内表面形成水膜。水膜溶解了在超临界反应过程中产生的无机盐，阻止了无机盐在内壁上的结垢，同时防止了腐蚀性物质与内筒壁接触从而造成的腐蚀；脱盐后的反应流体从底部出口58流出，提高了装置的安全性，蒸发壁的使用降低了对筒体51材料的选择难度。
筒体51上部制有物料入口56及氧化剂入口57连通喷嘴结构52，筒体51底部制有液体排出口56。筒体51的上部设置超临界气体出口，连接第一换热器14、第二换热器43和第三换热器46的外管入口，用以加热通过换热器内管的气体和流体。
如图3所示，喷嘴结构52包括压紧接头521、上部法兰522、套筒523、芯管524、喷嘴525，在筒体51顶部的端盖上固装上部法兰522，芯管524同轴固装于套筒523内部后，纵向安装于上部法兰522的中心通孔内，并在套筒523的上部加置压紧接头521将上部法兰522、套筒523、芯管524压紧固定为一体。芯管524内为中空的物料通道528，芯管524穿出套筒523的末端安装与物料通道528下端连通的喷嘴525，靠近喷嘴525的筒体51顶部的端盖上设置有燃烧室526。
套筒523的外壁与上部法兰522的通孔内壁之间的环状空腔为氧化剂通道527，与筒体51的氧化剂入口57连通，物料通道528的上端与物料入口56连通。芯管524与套筒523之间形成密闭空间，当预热的物料经过物料通道528细长小孔时，可以有效地减少与外界的热交换，避免热量损失。芯管524外壁间隔制有多个与套筒523内壁顶触的环状台肩529，如图4所示，喷嘴525外壁圆周均匀间隔制有多个与燃烧室526内壁顶触的支撑凸台520。此结构降低了芯管524震动的幅度，有利于保持物料流动的稳定性。
实施例2：
第一换热器14、第二换热器43和第三换热器46的外管出口依次连接压力能回收系统61、气液分离系统62和二氧化碳回收系统63，为实施例1的扩展。其中压力能回收系统61通过液力透平回收气体压力，之后将回收的压力用于发电；气液分离系统62中将降压之后的气体经过气液分离器、吸附器脱水之后，再通过水冷器降温至25℃，经过精馏塔分离氧气输入氧化剂供应系统中回用；分离后的气体输入二氧化碳回收系统63中回收二氧化碳；气液分离器和二氧化碳回收系统63分离出的水进入水罐47中，可经过第三换热器46加热后进入反应器5内的循环。
实施例3：
反应器5上部的蒸汽输出，分别用于发电、供暖、危化危废处理和制氢，为实施例1的扩展。具体在于，通过发电机组64的冷却水以及膜富集单元21输出的产水进入电解池65，电解得到的氢气进行回收，氧气输入氧化剂供应系统中回用；利用蒸汽对危化危废进行消毒，经过消毒处理后的危化危废进入垃圾预处理系统的研磨机33中与污泥以及生活垃圾一同研磨。危化危废指的是工业或医疗过程中产生的危险化学品和危险废料。
实施例4：
如图5所示，膜富集单元21包括依次连通的膜池211和多级膜浓缩装置，为实施例1的扩展。其中多级膜浓缩装置中第一膜浓缩装置212与多个产水一路的膜浓缩装置213通过产水出口串连，向外输出产水，产水一路的膜浓缩装置213的浓水返回膜池211的入口；第一膜浓缩装置212与多个浓水一路的膜浓缩装置214通过浓水出口串连，输出的浓水并入膜池211的浓水出口，且上述多个浓水一路的膜浓缩装置214的产水接入第一膜浓缩装置212或产水一路的膜浓缩装置213的产水出口。膜富集单元21的产水出口连接电解池65用于制氢，浓水出口进入浆化搅拌槽41和/或研磨机33。膜池211中内置平板膜，膜浓缩装置为纳滤膜组件或反渗透膜组件。
实施例5：
反应器5的筒体51底部液体排出口56排出的盐溶液依次经过储盐罐71、盐水泵72进入浓盐水处理系统73，经过浓盐水处理系统73的蒸发脱盐处理后，蒸汽可用于发电机组64发电，析出的无机盐与沉砂池36滤除的砂石一同做填埋处理。
本实用新型实现上述系统的方法的步骤包括：
1)预处理，包括对污泥、生活垃圾的预处理和对污水的浓缩，其中：
a)污水依次经过格栅、沉砂和膜富集，得到浓水、产水和栅渣；其中膜富集单元包括依次连接的膜池和多级膜浓缩装置，多级膜浓缩装置向外输出产水，膜池和多级膜浓缩装置一同向外输出浓水；浓水可进入步骤b)的研磨阶段；
b)栅渣、污泥、生活垃圾混合后，依次经过研磨和水选，去除垃圾中的渣土和砂石，得到有机浆液；
2)物料输入，如果将步骤1)得到的有机浆液含水量低于60％，则将步骤1)中的浓水与有机浆液进行浆化搅拌，配制成含水量为60％以上、COD值高于50000mg/L的浆化物料；同时启动氧化剂供应系统，向超临界氧化反应器提供氧化剂；
超临界水氧化反应器启动之初，浆化物料和氧化剂通过高压泵和预热器加温加压至超临界反应所需温度和压力(温度控制在250～400℃，压力控制在22～35MPa)之后，分别进入超临界氧化水反应器的物料入口和氧化剂入口；待超临界氧化水反应器工作一段时间后，关闭预热器，利用输出的超临界气体进行换热，完成浆化物料和氧化剂的升温；
3)超临界水氧化，浆化物料和氧化剂进入超临界水氧化反应器中混合燃烧，产生超临界气体、蒸气和无机盐溶液；无机盐溶液自超临界水氧化反应器底部排出；
4)超临界气体经过步骤2)的换热后，生成温度在200℃左右的低温高压的气体进行压力能回收，产生低温低压气体；之后对低温低压气体进行气液分离，气体部分继续进行二氧化碳回收，液体部分经过加温加压后，以亚临界水的形态在超临界水氧化反应器的蒸发壁内表面形成水膜；
5)无机盐溶液进行脱盐，生成无机盐；
6)自步骤3)的蒸汽可用于供暖、发电；
7)步骤a)的产水和步骤6)的余水用于电解制氢，产生的氧气输入步骤2)中的氧化剂供应系统中循环。
除此之外，
8)上述步骤6)中，蒸汽还可用作对危化危废的消毒，消毒后的危化危废与步骤b)的生活垃圾一同进行研磨。
尽管为说明目的公开了本实用新型的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本实用新型的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (10)

1.一种污水、污泥、生活垃圾同时进行循环利用的系统，其特征在于：它包括氧化剂供应系统、膜富集系统、垃圾预处理系统、物料输入系统、反应器；其中所述氧化剂供应系统向所述反应器提供高温高压的氧化剂，包括串接的第一换热器和第一预热器；所述垃圾预处理系统用于对污泥和/或生活垃圾进行研磨，包括研磨机；所述膜富集系统用于将污水浓缩分离为浓水和产水，包括膜富集单元；所述物料输入系统向所述反应器提供高温高压的浆化物料，包括串接的浆化设备、第二换热器和第二预热器，所述膜富集系统的浓水出口连接所述浆化设备和/或研磨机的入口，所述研磨机出口连接所述浆化设备的入口，所述物料输入系统的出口处的浆化物料COD值高于50000mg/L、含水量高于60％；所述反应器的超临界气体出口连接所述第一换热器和第二换热器的外管入口，水蒸气出口和所述膜富集系统的产水出口连接电解设备；所述电解设备的氧气出口连接所述氧化剂供应系统的氧化剂入口。
2.如权利要求1所述的一种污水、污泥、生活垃圾同时进行循环利用的系统，其特征在于：所述反应器为蒸发壁式超临界水氧化反应器，包括筒体、喷嘴结构和蒸发壁。
3.如权利要求2所述的一种污水、污泥、生活垃圾同时进行循环利用的系统，其特征在于：所述筒体内部同心设置蒸发壁，所述蒸发壁与筒体之间形成多级环状的封闭的狭隙，所述狭隙在所述筒体上开有入水口，所述入水口通过第三换热器连接一供水装置，所述第三换热器的外管入口连接所述超临界气体出口；所述筒体底部设置出液口。
4.如权利要求2所述的一种污水、污泥、生活垃圾同时进行循环利用的系统，其特征在于：所述喷嘴结构包括压紧接头、上部法兰、套筒、芯管和喷嘴，在筒体顶部的端盖上固装具有中心通孔的上部法兰；芯管、套筒和上部法兰由内至外依次同轴设置，并在所述套筒的上部加置压紧接头将三者压紧固定为一体；所述芯管的上端与所述物料输入系统的浆化物料出口连通，所述芯管穿出套筒的末端安装喷嘴，靠近所述喷嘴的筒体顶部的端盖上设置燃烧室；所述套筒的外壁与所述上部法兰的通孔内壁之间的环状空腔为氧化剂通道，所述氧化剂通道与所述氧化剂供应系统的氧化剂出口连通。
5.如权利要求4所述的一种污水、污泥、生活垃圾同时进行循环利用的系统，其特征在于：所述芯管与套筒之间形成密闭空间，芯管外壁设置与套筒内壁顶触的环状台肩；喷嘴外壁设置与燃烧室内壁顶触的支撑凸台。
6.如权利要求1所述的一种污水、污泥、生活垃圾同时进行循环利用的系统，其特征在于：所述水蒸气出口与电解设备之间设置发电机组。
7.如权利要求1所述的一种污水、污泥、生活垃圾同时进行循环利用的系统，其特征在于：所述水蒸气出口连接供暖系统。
8.如权利要求1所述的一种污水、污泥、生活垃圾同时进行循环利用的系统，其特征在于：所述水蒸气出口连接危化危废消毒装置，所述危化危废消毒装置的出口连接所述研磨机。
9.如权利要求1所述的一种污水、污泥、生活垃圾同时进行循环利用的系统，其特征在于：所述第一换热器、第二换热器的外管出口依次连接压力能回收系统、气液分离系统和二氧化碳回收系统，所述压力能回收系统将回收的压力用于发电；所述气液分离系统将压力能回收后的产物分离成气体和水，所述二氧化碳回收系统将所述气体中的二氧化碳回收；所述气液分离系统和二氧化碳回收系统分离出的水进入供水装置中。
10.如权利要求1所述的一种污水、污泥、生活垃圾同时进行循环利用的系统，其特征在于：所述膜富集单元包括依次连通的膜池和多级膜浓缩装置；所述多级膜浓缩装置中第一膜浓缩装置与多个产水一路的膜浓缩装置通过产水出口串连，向外输出产水，所述产水一路的膜浓缩装置的浓水返回所述膜池的入口；所述第一膜浓缩装置与多个浓水一路的膜浓缩装置通过浓水出口串连，输出的浓水并入所述膜池的浓水出口，且所述浓水一路的膜浓缩装置的产水接入所述第一膜浓缩装置的产水出口或所述产水一路的膜浓缩装置的产水出口；所述膜池内置平板膜，所述膜浓缩装置为纳滤膜组件或反渗透膜组件。
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