CN205803293U - 一种湿质有机废弃物的连续式处理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种湿质有机废弃物的连续式处理系统，属于环保/污水处理/污泥处理领域，包括污泥泵、套管加热器、水热氧化反应器、尾气处理装置、反应器内换热面、闪蒸罐、脱水装置和给水泵，污泥泵通过污泥输送管道与水热氧化反应器的物料入口连通，污泥输送管道外套有套管加热器。本实用新型系统简单，同时换热器回收高温物料热量更高、能量利用率更高、有更多经济副产物，而且解决换热器腐蚀堵塞问题。

Description

一种湿质有机废弃物的连续式处理系统

技术领域

本实用新型属于环保/污水处理/污泥处理领域，尤其涉及湿质有机废弃物的处理。

背景技术

本实用新型的技术背景是湿质有机废弃物的处理，湿质有机废弃物是指含有大量水分和有机物成分的废弃物，例如市政污泥、畜禽粪便、厨余垃圾、造纸黑液、高浓度有机废水等，特别但不限于城镇污水处理厂产生的市政污泥。污水处理厂产生的典型的经过机械脱水后的污泥含水率约80％，进一步脱水很困难。污泥有恶臭，且内含重金属、病原菌、寄生虫以及某些持久性有机毒物，易对地下水、土壤等产生二次污染，威胁环境安全和公众健康。目前我国每年市政污泥产量超过3000万吨，大量的污泥尚未普遍得到有效的处理处置。传统的污泥处置技术主要有填埋法、土地利用法、焚烧法等。填埋法简便、处置容量大；其缺点是固体废物填埋场选址困难，占用土地资源，给土壤、水体和大气环境带来二次污染。在美国、欧盟等发达国家和地区，填埋法正在被淘汰。土地利用法将污泥进行堆肥处理用作土地肥料。但重金属、多氯联苯、二噁英等难降解的有毒有害物质，将可能引起对土壤的二次污染。焚烧技术将脱水、干化后的污泥送入焚烧炉或利用工业窑炉、电站锅炉等进行焚烧，能最大限度地减少污泥体积。但污泥在焚烧前必须最大限度的脱水、干化，干化过程能耗大，且焚烧烟气中可能产生SOx、NOx、二噁英等二次污染。

污泥水热氧化处理技术是一种新型的污泥处理技术，在一定温度和压力的水中，污泥被空气或氧气等氧化剂氧化，生成无污染的简单气体、水和灰渣。水热氧化方法最早见于美国专利US2824058(Zimmermann等,1953)，后来在不断发展，US3852192A、US3920548A、US4338199A、US4795568A、US4983296A、US5540847A、US5665242A、US5948275A、US6210583B1、US0056910A1和US0060541A1等发明将水热氧化技术应用于处理造纸黑液、石化废水，以及市政污泥等。

美国的一种现有技术提出了一种湿式氧化处理污泥的方法和装置：该方法中，含固率约15％的污泥与沉淀池回流的含固率约5％的部分固态产物在混合器内混合；将后续反应产物闪蒸得到的蒸汽通入混合器中预热污泥；预热至90℃的泥送入全混流反应器，同时通入氧气与污泥发生氧化反应后，引出气相部分，液固产物进入闪蒸装置产生闪蒸汽，用于预热污泥；热量回收后的液固物流进入沉降池，澄清液流出回收，固态产物部分回流至混合器内。该专利取消了污泥预热与产物余热回收的间壁式换热器，而直接采用闪蒸产生部分闪蒸蒸汽并直接与污泥混合用于污泥预热；这一系统有效解决了以下2个关键难题：(1)由于污泥粘度大，若污泥预热采用常规换热器，则压力损失大、易堵塞；(2)常规换热器回收余热，设备腐蚀严重。但是这一方法热量回收效率低，无法产生洁净的外送蒸汽。

国内的另一种现有技术先在水解釜中将污泥水解，水解预处理后的污泥依次被反应器出来的高温物料和电磁加热器加热后进入高温氧化塔；氧化反应后的高温物料通过闪蒸降压并产生蒸汽用于预热污泥；闪蒸后的低压物料通过液固分离得到固体的有机肥基和分离液；分离液分别用于混合调制污泥共同水解、减压蒸发进一步得到固体有机肥基和冷凝水。此外，本专利通过添加弱酸性盐催化水解反应，添加碱式盐用于重金属脱除处理。该专利整个系统复杂，除了余热回收、离心液固分离和核心的氧化反应部分，还有水热预处理、减压蒸发液固分离、与减压蒸发匹配的真空系统、以及蒸汽冷凝系统；除了有机肥基外，无多余副产物；回收的余热不满足系统需求，需另消耗电能预热污泥；且有机肥基主要来源于离心液固分离步骤，该步骤得到的有机肥基重金属未经处理，残留未知。

与前一现有技术相似，国内的另一现有技术也是需要将污泥与回收的液体混合预处理，预处理的污泥一次经高温物料和电磁加热器加热后进入反应器；该专利反应后的高温物料经过换热器预热污泥后，直接进入闪蒸装置通过减压实现气-液固的分离；分离后的液固物料预热氧气回收余热后，通过冷却器进一步降温，利用离心方式实现液固分离；固体外运，液体部分回流至污泥预处理系统。该发明也存在原料预处理、系统回收热量不够、需另耗电预热污泥问题。

综上所述，目前已知的现有技术中，主要存在换热器回收高温物料热量困难、换热器存在腐蚀堵塞风险、系统复杂、副产少、系统能量利用效率低等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提出一种湿质有机废弃物的连续式处理系统，系统简单，能量利用率高，解决装置堵塞问题。

本实用新型的目的通过下述技术方案来实现：

一种湿质有机废弃物的连续式处理系统，包括湿质有机废弃物原料泵、套管加热器、水热氧化反应器、除氧器、换热器、副产蒸汽装置、闪蒸装置、脱水装置、尾气处理装置，除氧器为不需蒸汽的减压除氧装置，原料泵通过原料输送管道与水热氧化反应器的物料入口连通为其输送湿质有机废弃物原料，原料输送管道外套有套管加热器，水热氧化反应器上还设有氧化剂的入口，水热氧化反应器的气相产物出口与尾气处理装置连通，水热氧化反应器的液、固相产物出口与除氧器的物料入口连通，水热氧化反应器内设有反应器内换热面(以移出反应热，维持反应温度)，除氧器的液、固相产物出口与换热器的换热物料入口连通，除氧器的气体出口与尾气处理装置连通，换热器的换热物料出口与闪蒸装置的物料入口连通，闪蒸装置的液、固相产物出口与脱水装置的物料入口连通，脱水装置的滤液出口与污水处理厂的污水处理系统连通。反应器内的受热面及换热器内通除盐水，通过常规的蒸汽发生系统产生饱和蒸汽。

作为选择，换热器由一个或多个换热器串联构成。作为进一步选择，换热器依次由二级换热器和一级换热器串联构成，该情况下汽包下降管出口分别与二级换热器水入口和反应器内受热面入口连通，相应的汽水混合物的出口与汽包汽水混合物入口连通，一级换热器的水入口与给水管路连通，一级换热器的水出口与汽包给水进口连通。除氧器的液、固相产物出口与二级换热器的换热物料入口连通，一级换热器的换热物料出口与闪蒸装置的物料入口连通。

作为选择，水热氧化反应器还设有排渣出口。

作为选择，湿质有机废弃物原料泵是螺杆泵或隔膜泵或柱塞泵。

前述本实用新型主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本实用新型可采用并要求保护的方案；同时，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择任意组合，本领域技术人员在了解本实用新型方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本实用新型所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本实用新型中各零件的作用如下：

发明人研究发现，换热器腐蚀主要由液相中溶解的氧气导致，因此，本专利在水热氧化反应器出口加设除氧器，将反应后高温物料中溶解的氧气和二氧化碳分离出来，既减轻对下游换热器的腐蚀，同时又实现在水热氧化反应器下游利用换热器充分回收高温物料热量副产蒸汽；湿质有机废弃物原料通过常规管壳式换热器预热易堵塞，在本专利中，直接在原料输送管道外加设套管，将回收高温物料热量产生的蒸汽通入套管内，对原料预热并改善原料的流动性，改善输送堵塞的状况；除了维持反应温度所需热量，水热氧化反应器内多余的反应热通过反应器内换热面换热移出，该部分回收热量以及下游换热器进一步回收的热量，除了能满足原料预热的要求，还能进一步副产蒸汽外送，提高经济性；通过以上措施，可实现换热器回收高温物料热量、解决换热器腐蚀堵塞，降低投资和运行成本，提高系统能量利用率，提高经济性。

本实用新型的有益效果：

1)湿质有机废弃物原料粘度大、预热困难、输送易堵塞管路；通过输送管路外加设蒸汽套管加热的方法，实现原料预热、改善原料流动性，解决管路堵塞的问题，同时提高了系统的能量利用效率。

2)水热氧化反应产物中溶解余氧，腐蚀余热回收设备(主要是换热器)；利用反应后的高温高压产物流自身的能量，在除氧器内消耗部分压力将溶解氧从产物流中释放出来，减轻后续设备由于溶解氧导致的腐蚀问题。

3)目前技术中由于溶解氧的问题未解决，反应热均以闪蒸方式回收，系统能量效率低，产生的闪蒸汽仅供预热原料使用，无外送；本实用新型中，溶解氧问题减轻，可利用换热器分级回收反应热，产生蒸汽除满足系统所需，还有大量富余可外供，系统能量利用率高。

4)环保性能优异。系统产出废气经处理可直接排放；滤液生化性能好，可返回污水处理厂处理；原料中的重金属经水热氧化处理后，性质稳定，绝大多数富集在灰渣中且未超过污泥混合填埋泥质标准，经脱水后的滤渣可做垃圾填埋场覆盖土或做建材等利用。

附图说明

图1是本实用新型实施例的装置流程示意图；

图中，1-料仓 2-污泥泵 3-套管加热器 4-水热氧化反应器 5-除氧器 6-二级换热器7-一级换热器 8-闪蒸罐 9-压滤装置 10-给水泵 11-汽包 12-反应器内换热面 13-尾气处理装置。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。

参考图1所示，一种湿质有机废弃物的连续式处理系统，包括污泥泵2、套管加热器3、水热氧化反应器4、除氧器5、换热器、闪蒸装置(闪蒸罐8)、脱水装置(压滤装置9)、反应器内换热面12、汽包11、给水泵10和尾气处理装置13，除氧器5为不需蒸汽的减压除氧装置，污泥泵2通过污泥输送管道与水热氧化反应器4的物料入口连通为其输送湿质有机废弃物原料，污泥输送管道外套有套管加热器3，水热氧化反应器4的气相产物出口与尾气处理装置13连通，水热氧化反应器4的液、固相产物出口与除氧器5的物料入口连通，水热氧化反应器4还设有氧化剂入口和排渣出口。水热氧化反应器4内还设有反应器内换热面12，除氧器5的液、固相产物出口与换热器的换热物料入口连通，除氧器5的气体出口与尾气处理装置13连通，换热器的换热物料出口与闪蒸罐8的物料入口连通，闪蒸罐8的液、固相产物出口与压滤装置9的物料入口连通，压滤装置9的滤液出口与污水处理厂的污水处理系统连通，给水泵10的水出口与换热器的水入口连通为其提供冷却水，换热器水出口与汽包11的欠焓水入口连通，汽包11下降管出口与反应器内受热面12的水入口连通，反应器内受热面12的汽水混合物出口与汽包11汽水混合物入口连通，汽包11的蒸汽出口分别与套管加热器3的蒸汽入口以及蒸汽外供管路连通。作为优选，换热器由一个或多个换热器串联构成，如本实施例所示，换热器依次由二级换热器6和一级换热器7串联构成，除氧器5的液、固相产物出口与二级换热器6的换热物料入口连通，一级换热器7的换热物料出口与闪蒸罐8的物料入口连通，汽包11下降管出口分别与二级换热器6水入口和反应器内受热面12入口连通，相应的汽水混合物的出口与汽包11汽水混合物入口连通。

前述连续式处理系统的湿质有机废弃物的处理方法，包括以下步骤：

1)原料输送与预热：将经机械脱水后的固体质量含率在5-25％之间的湿质有机废弃物，不进行干化，采用污泥泵2加压后直接经污泥输送管道送入水热氧化反应器4，在污泥输送管道外加设套管加热器3，利用后续热量回收步骤产生的蒸汽预热湿质有机废弃物至100-200℃(优选150-180℃)，多余蒸汽外供；在污泥输送管道上设置套管式伴热，用于预热污泥并降低输送阻力；

2)水热氧化反应：经预热的湿质有机废弃物送入水热氧化反应器4内，与氧气、空气等含氧气态氧化剂在液相中发生水热氧化反应，氧化剂过量系数为1-2，进一步优选为，氧化剂过量系数优选1.05-1.4，更优选1.2-1.4，水热氧化反应器4采用带自由液面的液相全混流的气液固三相床反应器，控制水热氧化反应器4的温度和压力恒定，反应温度200-300℃(优选235-265℃)、反应压力2-20MPa(优选5-8MPa)，反应时间10-60min(优选30-60min)，并保证气相和固相在液相中良好的分散和掺混；在水热氧化反应器4内至少一部分有机质被氧化，产生CO₂气体、水、灰渣等产物并放出热量，反应热通过内置于水热氧化反应器4中的反应器内换热面12部分回收，用于产生蒸汽，水热氧化反应器4顶部分离出的气相产物中含有未完成氧化的CO等气体，经尾气处理装置13处理后达标排放；

3)氧化反应产物除氧：氧化反应完成后的产物中溶解有剩余氧，反应的液相产物携带分散于其中的固相产物从水热氧化反应器4引出后，在除氧器5中通过不需蒸汽的减压除氧方式将其中的溶解的氧和部分CO₂分离出，具体降压至此温度对应的水的饱和压力以下，使得部分水气化为蒸汽，并携带解析出来的溶解的O₂、CO₂等气体排出，使产物溶氧量<15ppb；

4)回收反应热：除氧器5下游进一步设置换热器，经过除氧后的液相产物携带分散于其中的固相产物进入换热器，进行热量回收，用于产生蒸汽；

5)闪蒸脱水分离：热量回收降温后的产物流进入闪蒸罐8，闪蒸至接近常压，部分水气化成闪蒸汽，与液固产物分离；

6)机械脱水：液固产物进入机械脱水装置(压滤装置9)进一步脱水，经脱水后固相形成滤饼，滤饼的含水质量<50％，有机质质量含量<10％，可外运用于填埋或制造建材等；

7)滤液处理：压滤装置9产生的滤液及闪蒸汽冷凝后产生的液体，即系统产生的液相产物中含有未完全氧化的有机质，液相产物的可生化性好，返回污水处理厂用常规的污水处理技术处理。

实施例1：

以某污水处理厂含水质量82.21％污泥为原料，以氧气(99.99％氧气+0.01％氮气)为氧化剂，在具有自由液面的全混流反应器中进行污泥水热氧化反应。污泥工业分析和元素分析及热值分析结果如表1所示，污泥处理量为10362.3kg/h，氧气用量为2215kg/h。污泥经污泥泵加压泵送，输送管线外侧的套管预热器将其由常温加热至约150℃后，送入反应器。储存于液氧罐中的液氧经液氧泵加压，经汽化器加热气化后送入反应器，与污泥发生水热氧化反应。该过程中氧化剂的过量系数为1.2。

反应器内维持反应温度235℃、反应压力5MPa、停留时间1h；为维持反应器内反应温度，需将反应热通过布置在反应器内的受热面吸收移出，该处受热面的吸热负荷约为4765kW；为维持反应器内压力稳定，气相产物不断从反应器内排出，液固产物及其中溶解的氧气、CO₂等气体一起进入减压除氧装置内，经过除氧后的液相中溶氧量小于15ppb，减压除氧后的高温物料温度压力分别为205℃、1.912MPa。除氧后的高温物料依次通过二级换热器和一级换热器，分别放热667kW和835kW，物料温度由205℃分别降至166℃、80℃。流量8387kg/h的给水由给水泵加压后送入换热系统；常温给水在一级换热器中预热成约106℃的不饱和水后，进入二级换热器加热至173℃；然后进入反应器内的三级换热器加热成1MPa饱和蒸汽；饱和蒸汽经分流，2752kg/h的饱和蒸汽用于预热污泥，其余5635kg/h的饱和蒸汽外送。

本实施例中,经过水热氧化处理，污泥中有机质的分解率约为95％，水热氧化产物灰渣中有机质质量含量小于10％(干基灼烧失重)，滤液的COD约为23000mg/L,尾气中不含SO2、NOx等气态污染物，CO含量约3400mg/Nm3(干气)，尾气经变压吸附脱除CO后达标排放。

实施例1中污泥原样和反应后灰渣的重金属质量含量及与CJ/T249-2007《城镇污水处理厂污泥处置——混合填埋泥质》标准的对比见表2。可见污泥中的大部分重金属元素经过水热氧化处理后富集于灰渣中，且灰渣中的重金属含量满足CJ/T249-2007《城镇污水处理厂污泥处置——混合填埋泥质》标准的要求，可做填埋处理。

表1某污水处理厂污泥工业分析与元素分析结果

表2.污泥原样及水热氧化后灰渣重金属含量(mg/kg干基)

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种湿质有机废弃物的连续式处理系统，其特征在于：包括湿质有机废弃物原料泵、套管加热器、水热氧化反应器、除氧器、换热器、副产蒸汽装置、闪蒸装置、脱水装置、尾气处理装置，除氧器为不需蒸汽的减压除氧装置，原料泵通过原料输送管道与水热氧化反应器的物料入口连通为其输送湿质有机废弃物原料，原料输送管道外套有套管加热器，水热氧化反应器上还设有氧化剂的入口，水热氧化反应器的气相产物出口与尾气处理装置连通，水热氧化反应器的液、固相产物出口与除氧器的物料入口连通，水热氧化反应器内设有反应器内换热面，除氧器的液、固相产物出口与换热器的换热物料入口连通，除氧器的气体出口与尾气处理装置连通，换热器的换热物料出口与闪蒸装置的物料入口连通，闪蒸装置的液、固相产物出口与脱水装置的物料入口连通，脱水装置的滤液出口与污水处理厂的污水处理系统连通。

2.如权利要求1所述的湿质有机废弃物的连续式处理系统，其特征在于：换热器由一个或多个换热器串联构成。

3.如权利要求2所述的湿质有机废弃物的连续式处理系统，其特征在于：换热器依次由二级换热器和一级换热器串联构成，除氧器的液、固相产物出口与二级换热器的换热物料入口连通，一级换热器的换热物料出口与闪蒸装置的物料入口连通。

4.如权利要求1所述的湿质有机废弃物的连续式处理系统，其特征在于：水热氧化反应器还设有排渣出口。

5.如权利要求1所述的湿质有机废弃物的连续式处理系统，其特征在于：湿质有机废弃物原料泵是螺杆泵或隔膜泵或柱塞泵。