CN207294547U - 生物质热电联产的造纸污泥处理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及造纸污泥处理技术领域，具体涉及生物质热电联产的造纸污泥处理系统，其包括带有搅拌器的污泥收集池、污泥泵、二级厌氧发酵装置、用于将沼气转化为甲醇的甲醇转化装置和沼气热电站，沼气热电站包括甲醇水存储器、甲醇水制氢重整器、换热器、燃料电池、空气余气混合器和控制装置。本实用新型利用造纸污泥制备沼气并实现热能和电能的高效转化和利用，为系统自身供电供热，而且对环境无污染，节能减排效果显著。

Description

生物质热电联产的造纸污泥处理系统

技术领域

本实用新型涉及造纸污泥处理技术领域，具体涉及生物质热电联产的造纸污泥处理系统。

背景技术

造纸行业的不断发展，造纸企业的污水大多经过治理设施处理后达到排放要求。但处理过程中所沉淀下来的造纸污泥又成为了新的污染源。根据造纸废水处理的不同阶段，产生的污泥类型和污泥量是不相同的。按污泥来源可分为：(1)初沉污泥：来自初沉池；(2) 剩余污泥：来自活性污泥法后的二沉池；(3)腐质污泥：来自生物膜法后的二沉池；(4)熟污泥：生污泥经消化后的污泥，又称消化污泥；(5)化学污泥：用化学沉淀法产生的污泥，又称化学泥渣。据统计，每生产1吨的纸，所排出造纸污水当中，污泥的含量就可以高达1.2吨，这些被沉淀出来的造纸污泥成为了困扰造纸企业的难题。随着造纸行业的持续快速发展，每年新生的造纸污泥数量庞大且种类繁多，而且其中含有的成分较复杂。在制浆造纸过程中大部分原料纤维被用来生产纸产品，剩余的生物有机质大部分则转移到废水中，所以造纸污泥生物质含量丰富，有机物含量50％-65％，主要含有纤维素、半纤维素和木质素等。在造纸废水处理过程中，废水经物化、生化方法处理后，其中的90％以上悬浮物被分离出来成为污泥。如何将造纸污泥进行生物质资源化利用具有重要的现实意义。

传统的造纸污泥处理技术主要为制堆肥和填埋，而近些年将造纸污泥作为生物质进行利用的研究主要有焚烧发电、热解技术、制氢技术、制活性炭技术和厌氧消化等，但是现有技术均存在环保不达标、能耗高，或者成本高、效率低的问题，例如对造纸污泥而言，由于其含水率高，在采用焚烧、好氧堆肥等技术对其进行处理时需要对其进行脱水，运行成本较高。若采用好氧堆肥和卫生填埋方法处理，可实现减量化效果，但不能产生沼气而造成资源浪费，且由于含水率很高也有很大的局限性。同时，造纸污泥由于有机物含量高，处理需要大量的动力消耗和营养物添加，也不太适合好氧处理工艺。

发明内容

针对现有技术存在上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种节能环保的生物质热电联产的造纸污泥处理系统，该系统利用造纸污泥制备沼气并实现热能和电能的高效转化和利用。

为实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

提供生物质热电联产的造纸污泥处理系统，包括带有搅拌器的污泥收集池、污泥泵、二级厌氧发酵装置、用于将沼气转化为甲醇的甲醇转化装置和沼气热电站，所述二级厌氧发酵装置包括串联设置的CSTR厌氧反应器和UASB厌氧反应器，所述UASB厌氧反应器的上部设置有三相分离器；

所述污泥收集池的污泥出口通过所述污泥泵依次与所述CSTR厌氧反应器的进料口连接，所述CSTR厌氧反应器的出水口与所述UASB厌氧反应器的底部进水口连接，所述UASB厌氧反应器的出水口与所述污泥收集池的进水口连接，所述CSTR厌氧反应器的和所述三相分离器的沼气出口分别通过管路输送至沼气热电站；

所述沼气热电站包括用于将沼气转化为甲醇的甲醇转化装置、甲醇水存储器、甲醇水制氢重整器、换热器、燃料电池、空气余气混合器和控制装置，所述甲醇水制氢重整器设置有重整室、分离室和供甲醇水重整制氢反应所需温度的电加热器，所述控制装置包括控制器和用于向外输出电能的电力输出端口，其中：二级厌氧发酵装置产生的沼气经甲醇转化装置转化为甲醇，该甲醇在所述甲醇水存储器内与水混合制成甲醇水混合溶液，然后输送至所述重整室内发生甲醇和水的重整制氢反应制得氢气和高温余气的混合气，然后混合气经分离室分离出的氢气经所述换热器降温后输送至燃料电池产生电能，该电能通过电力输出端口为系统内的所有用电设备供电；经分离室分离出的高温余气与外界空气经所述空气余气混合器混合后形成所需温度的混合气并为所述 CSTR厌氧反应器、UASB厌氧反应器和甲醇转化装置内的生化反应提供所需的温度。

其中，所述CSTR厌氧反应器设置有用于通入加热介质的夹层，所述夹层通过第一加热管路与所述空气余气混合器的出气口连接，所述第一加热管路设置有与控制器连接的调节阀，所述CSTR厌氧反应器内设置有与控制器连接的温度传感器。

其中，所述UASB厌氧反应器设置有保温层，所述保温层通过第二加热管路与所述空气余气混合器的出气口连接，所述第二加热管路设置有与控制器连接的调节阀，所述UASB厌氧反应器内设置有与控制器连接的温度传感器。

其中，所述甲醇转化装置包括依次连接的固液分离器、脱硫塔、二氧化碳吸收塔、氨气吸收塔、压缩机、甲醇合成塔和气液分离器，所述氨气吸收塔输出的甲烷气体以及氧气分别通过输送管道与压缩机的进气口连通，所述气液分离器的出液口与所述甲醇水存储器连接，所述气液分离器的出气口通过循环管路与压缩机的进气口连通；所述甲醇水存储器和循环管路均设置有与控制器电连接的气体流量控制阀。

其中，所述甲醇合成塔设置有第三加热管路，所述第三加热管路与所述高温余气收集装置连接，所述第三加热管路上设置有调节阀，所述甲醇合成塔设置有温度传感器和压力传感器，所述调节阀、所述温度传感器和所述压力传感器分别与所述控制器电连接。

其中，还包括板框压滤机和烘干装置，所述CSTR厌氧反应器和UASB厌氧反应器的出渣口均与所述板框压滤机进渣口连接，所述板框压滤机的出渣口连接所述烘干装置，所述板框压滤机的出水口与所述污泥收集池的进水口连接。

其中，所述烘干装置包括烘干室，所述烘干室的蒸气进口通过第四加热管路与所述空气余气混合器的出气口连接，所述第四加热管路设置有与控制器连接的调节阀，所述烘干室内设置有与控制器连接的温度传感器。

其中，所述甲醇水制氢重整器设置有启动装置，所述启动装置在甲醇水制氢重整器启动过程中为所述电加热器和输送泵供电。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的生物质热电联产的造纸污泥处理系统，包括带有搅拌器的污泥收集池、污泥泵、二级厌氧发酵装置、用于将沼气转化为甲醇的甲醇转化装置和沼气热电站。工作时，污水收集池内的造纸污泥经搅拌后先输送至CSTR厌氧反应器进行一级厌氧发酵，CSTR厌氧反应器发酵后的污水再进入UASB厌氧反应器进行二级厌氧发酵，然后经三相分离器分离出沼气，CSTR厌氧反应器和UASB厌氧反应器产生的沼气均通过甲醇转化装置制成甲醇，然后甲醇与水的混合溶液作为沼气热电站的原料，输送至甲醇水制氢重整器进行甲醇水重整制氢反应，经分离获得氢气和高温余气，其中的氢气再输送至燃料电池产生电能，该电能为系统中的所有用电设备供电，其中的高温余气的温度高达300～600℃，这部分高品质的热能为CSTR厌氧反应器、UASB厌氧反应器和甲醇转化装置内的生化反应供热，由此实现系统内电能和热能的高效转化和利用。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：(1)沼气热电站利用造纸污泥厌氧发酵-沼气-甲醇-甲醇水重整制氢反应-燃料电池的过程实现了电能、热能的高效转化和利用，所产生的电能直接为所有用电设备供电，实现自给自足，无需外来供电，而且该系统输出的电能为直流电，无需转换即可直接供直流电机使用，相比目前城市电网的集中式供电方式，具有随用随发、不受场地限制以及节能环保的优点；(2)甲醇水重整制氢反应过程所产生大量高品质的热能(高温余气的温度高达300～600℃)，这部分热能完全满足 CSTR厌氧反应器、UASB厌氧反应器和甲醇转化装置内生化反应所需的温度(约 25～35℃)，由此充分利用了甲醇水重整制氢过程中产生的余热实现系统给内部供热的目的，相比现有技术依靠电加热或者沼气燃烧发电供热的方式，转化效率高，大大降低能耗，而且甲醇水重整制氢反应产生的高温余气为二氧化碳和少量未反应的甲醇和水蒸气，余量可以直接排放，对环境无污染，节能减排效果显著；(3)根据系统内沼气转化为甲醇的量、甲醇水重整制氢的用量、各加热模块所需的温度、各用电模块的功率以及甲醇水重整制氢反应中产生的热能和燃料电池输出的电能进行能量恒算，可实现整个系统的热电及污泥处理的智能化控制。

附图说明

图1为本实用新型的生物质热电联产的造纸污泥处理系统的结构示意图。

图2为本实用新型的生物质热电联产的造纸污泥处理系统的甲醇转化装置的结构示意图。

附图标记：

污泥收集池1、污泥泵2、CSTR厌氧反应器3、UASB厌氧反应器4、三相分离器 5、板框压滤机6、烘干装置7；

沼气热电站8、甲醇水制氢重整器81、重整室811、分离室812、换热器82、燃料电池83、电加热器84、甲醇水存储器85、输送泵86、空气余气混合器87；

甲醇转化装置9、固液分离器91、脱硫塔92、二氧化碳吸收塔93、氨气吸收塔94、压缩机95、甲醇合成塔96、气液分离器97；

第一加热管路10、第二加热管路20、第三加热管路30、第四加热管路40、调节阀50、气体流量控制阀60、循环管路70。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本实用新型进行详细说明。

生物质热电联产的造纸污泥处理系统，如图1所示，包括带有搅拌器的污泥收集池1、污泥泵2、二级厌氧发酵装置、用于将沼气转化为甲醇的甲醇转化装置9和沼气热电站8，二级厌氧发酵装置包括串联设置的CSTR厌氧反应器3和UASB厌氧反应器4， UASB厌氧反应器4的上部设置有用于分离沼气的三相分离器5；污泥收集池1的污泥出口通过污泥泵2依次与CSTR厌氧反应器3的进料口连接，CSTR厌氧反应器3的出水口与UASB厌氧反应器4的底部进水口连接，UASB厌氧反应器4的出水口与污泥收集池1的进水口连接，CSTR厌氧反应器3的和三相分离器5的沼气出口分别通过管路输送至沼气热电站8。工作时，污水收集池内的造纸污泥经搅拌后先输送至CSTR厌氧反应器3进行一级厌氧发酵，CSTR厌氧反应器3发酵后的污水再进入UASB厌氧反应器4进行二级厌氧发酵，经UASB厌氧反应器4处理后的水再返回至污泥收集池1用于稀释污泥，通过污泥收集池1内的搅拌器搅拌后形成一定含水量的污泥，有利于后续的厌氧发酵。CSTR厌氧反应器3和UASB厌氧反应器4产生的沼气均通过甲醇转化装置9制成甲醇，然后甲醇与水的混合溶液作为沼气热电站8的原料。

沼气热电站8包括用于将沼气转化为甲醇的甲醇转化装置9、甲醇水存储器85、甲醇水制氢重整器81、换热器82、燃料电池83、空气余气混合器87和控制装置，甲醇水制氢重整器81设置有重整室811、分离室812和供甲醇水重整制氢反应所需温度的电加热器84，控制装置包括控制器和用于向外输出电能的电力输出端口，其中：CSTR 厌氧反应器3和UASB厌氧反应器4二者产生的沼气经甲醇转化装置9转化为甲醇，该甲醇在甲醇水存储器85内与水混合制成甲醇水混合溶液，作为甲醇重整制氢反应的原料，通过输送泵86输送至重整室811内发生甲醇和水的重整制氢反应制得氢气和高温余气的混合气，然后混合气经分离室812分离出的氢气经换热器82降温后输送至燃料电池83产生电能，该电能通过电力输出端口为系统内的所有用电设备供电，由此，本实用新型利用造纸污泥厌氧发酵-沼气-甲醇-甲醇水重整制氢反应-燃料电池83的过程实现了电能、热能的高效转化和利用，所产生的电能直接为所有用电设备供电，实现自给自足，无需外来供电，而且该系统输出的电能为直流电，无需转换即可直接供直流电机使用，相比目前城市电网的集中式供电方式，具有随用随发、不受场地限制以及节能环保的优点；同时，经分离室812分离出的高温余气与外界空气经空气余气混合器87 混合后形成所需温度的混合气并为CSTR厌氧反应器3、UASB厌氧反应器4和甲醇转化装置9内的生化反应提供所需的温度。由于高温余气的温度高达300～600℃，这部分高品质的热能完全可以满足沼气厌氧发酵和甲醇合成反应所需的温度，由此充分利用了甲醇水重整制氢过程中产生的余热实现系统给内部供热的目的，相比现有技术依靠电加热或者锅炉燃烧供热的方式，大大降低能耗，而且甲醇水重整制氢反应产生的高温余气为二氧化碳和少量未反应的甲醇和水蒸气，余量可以直接排放，对环境无污染，节能减排效果显著。

具体的，CSTR厌氧反应器3设置有用于通入加热介质的夹层，夹层通过第一加热管路10与空气余气混合器87的出气口连接，第一加热管路10设置有与控制器连接的调节阀50，CSTR厌氧反应器3内设置有与控制器连接的温度传感器。

具体的，UASB厌氧反应器4设置有保温层，保温层通过第二加热管路20与空气余气混合器87的出气口连接，第二加热管路20设置有与控制器连接的调节阀50，UASB 厌氧反应器4内设置有与控制器连接的温度传感器。利用高温余气作为加热介质，对CSTR厌氧反应器3、UASB厌氧反应器4和甲醇转化装置9加热提供其内生化反应所需的温度，并通过调节阀50和温度传感器实现温度的自动化调控。

本实施例中，如图2所示，甲醇转化装置9包括依次连接的固液分离器91、脱硫塔92、二氧化碳吸收塔93、氨气吸收塔94、压缩机95、甲醇合成塔96和气液分离器 97。由于污水在厌氧塔5内厌氧发酵产生的沼气为含有甲烷、硫化物和二氧化碳等的混合物，先经过固液分离器91除去固体杂质，然后依次经过脱硫塔92除去硫化物、经过二氧化碳吸收塔93除去二氧化碳、经过氨气吸收塔94除去氨气后获得纯度较高的甲烷气体，再输送至甲醇合成装置用于制备甲醇，氨气吸收塔94输出的甲烷气体以及氧气分别通过输送管道与压缩机95的进气口连通，气液分离器97的出液口与甲醇水存储器85连接，气液分离器97的出气口通过循环管路与压缩机95的进气口连通；甲醇水存储器85和循环管路70均设置有与控制器电连接的气体流量控制阀60。上述过程中，甲烷提取装置提取的甲烷气体和外供氧气(如氧气瓶提供氧气)经过压缩机95加压后输送至甲醇合成塔96内氧化反应生成甲醇，其中甲烷和氧气按8～9:1～2的体积比混合，在150～220℃和80～125个大气压的条件下，反应制得甲醇，反应式是：2CH₄+ O₂＝2CH₃OH。甲醇合成塔96内生成的甲醇以及未反应的甲烷等剩余气体经过气液分离器97冷凝分离后获得的甲醇输送至甲醇水存储器85，分离后的剩余气体再通过循环管路70返回至压缩机95进气口，再进入甲醇合成塔96合成甲醇。输送管道和循环管路 70均设置有与控制器连接的气体流量控制阀60，通过气体流量控制阀60实现各管路中气体流量的自动化控制，压缩机95由沼气热电站8输出的电能供电。进一步，沼气热电站8为甲醇合成反应输送热能，甲醇合成塔96设置有与空气余气混合器87连接的第三加热管路30，第三加热管路30上设置有调节阀50，甲醇合成塔96内设置有与控制器连接的温度传感器和压力传感器，从而实现对甲醇合成塔96内反应温度和压力的自动化控制。利用甲醇转化装置9将沼气转化为甲醇，从而为沼气热电站8补充提供甲醇水重整制氢发电过程所需的原料。

本实施例中，生物质热电联产的造纸污泥处理系统还包括板框压滤机6和烘干装置 7，CSTR厌氧反应器3和UASB厌氧反应器4的出渣口均与板框压滤机6进渣口连接，板框压滤机6的出渣口连接烘干装置7，造纸污泥经过CSTR厌氧反应器3和UASB 厌氧反应器4厌氧发酵后剩下的沉淀物通过板框压滤机6压滤脱水后获得沼渣，该沼渣经过烘干后可制作成有机肥用于农作物。板框压滤机6的出水口与污泥收集池1的进水口连接，板框压滤机6压滤出的水分返回输送至污泥收集池1用于稀释污泥，通过污泥收集池1内的搅拌器搅拌后形成一定含水量的污泥，有利于后续的厌氧发酵。

具体的，烘干装置7包括烘干室，烘干室的蒸气进口通过第四加热管路40与空气余气混合器87的出气口连接，第四加热管路40设置有与控制器连接的调节阀50，烘干室内设置有与控制器连接的温度传感器。烘干装置7直接利用沼气热电站8自身产生的高温混合气作为烘干用的蒸汽，大大降低了能耗。

本实施例中，甲醇水制氢重整器81设置有启动装置。首先，启动装置在甲醇水制氢重整器81启动过程中，为输送泵86和电加热器84供电，以使甲醇水重整制氢反应启动，获得氢气和高温余气，氢气进入燃料电池83，燃料电池83工作产生电能，由此沼气热电站8产生电能和热能，再为整个系统供电供热，从而形成循环系统。具体的，启动装置为蓄电池；或者为燃烧式启动装置，其通过燃烧甲醇为重整室811加热；或者为贮氢瓶，该贮氢瓶可在甲醇水制氢重整器81启动过程中，为燃料电池83输入氢气，使燃料电池83 工作产生电能，进而为输送泵86及电加热器84供电。

本实用新型可以根据造纸污泥厌氧发酵产生的沼气量、沼气转化为甲醇的量、沼气热电站8所需甲醇水的用量、各加热模块所需的温度、各用电模块的功率以及甲醇水重整制氢反应中产生的热能以及燃料电池83输出的电能进行能量恒算，从而将造纸污泥处理与产生的生物质沼气、热能、电能关联，形成一体化循环系统，其具有广阔的产业化应用前景。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.生物质热电联产的造纸污泥处理系统，其特征在于：包括带有搅拌器的污泥收集池、污泥泵、二级厌氧发酵装置、用于将沼气转化为甲醇的甲醇转化装置和沼气热电站，所述二级厌氧发酵装置包括串联设置的CSTR厌氧反应器和UASB厌氧反应器，所述UASB厌氧反应器的上部设置有三相分离器；

所述污泥收集池的污泥出口通过所述污泥泵依次与所述CSTR厌氧反应器的进料口连接，所述CSTR厌氧反应器的出水口与所述UASB厌氧反应器的底部进水口连接，所述UASB厌氧反应器的出水口与所述污泥收集池的进水口连接，所述CSTR厌氧反应器的和所述三相分离器的沼气出口分别通过管路输送至沼气热电站；

所述沼气热电站包括用于将沼气转化为甲醇的甲醇转化装置、甲醇水存储器、甲醇水制氢重整器、换热器、燃料电池、空气余气混合器和控制装置，所述甲醇水制氢重整器设置有重整室、分离室和供甲醇水重整制氢反应所需温度的电加热器，所述控制装置包括控制器和用于向外输出电能的电力输出端口，其中：二级厌氧发酵装置产生的沼气经甲醇转化装置转化为甲醇，该甲醇在所述甲醇水存储器内与水混合制成甲醇水混合溶液，然后输送至所述重整室内发生甲醇和水的重整制氢反应制得氢气和高温余气的混合气，然后混合气经分离室分离出的氢气经所述换热器降温后输送至燃料电池产生电能，该电能通过电力输出端口为系统内的所有用电设备供电；经分离室分离出的高温余气与外界空气经所述空气余气混合器混合后形成所需温度的混合气并为所述CSTR厌氧反应器、UASB厌氧反应器和甲醇转化装置内的生化反应提供所需的温度。

2.根据权利要求1所述的生物质热电联产的造纸污泥处理系统，其特征在于：所述CSTR厌氧反应器设置有用于通入加热介质的夹层，所述夹层通过第一加热管路与所述空气余气混合器的出气口连接，所述第一加热管路设置有与控制器连接的调节阀，所述CSTR厌氧反应器内设置有与控制器连接的温度传感器。

3.根据权利要求1所述的生物质热电联产的造纸污泥处理系统，其特征在于：所述UASB厌氧反应器设置有保温层，所述保温层通过第二加热管路与所述空气余气混合器的出气口连接，所述第二加热管路设置有与控制器连接的调节阀，所述UASB厌氧反应器内设置有与控制器连接的温度传感器。

4.根据权利要求1所述的生物质热电联产的造纸污泥处理系统，其特征在于：所述甲醇转化装置包括依次连接的固液分离器、脱硫塔、二氧化碳吸收塔、氨气吸收塔、压缩机、甲醇合成塔和气液分离器，所述氨气吸收塔输出的甲烷气体以及氧气分别通过输送管道与压缩机的进气口连通，所述气液分离器的出液口与所述甲醇水存储器连接，所述气液分离器的出气口通过循环管路与压缩机的进气口连通；所述甲醇水存储器和循环管路均设置有与控制器电连接的气体流量控制阀。

5.根据权利要求4所述的生物质热电联产的造纸污泥处理系统，其特征在于：所述甲醇合成塔设置有第三加热管路，所述第三加热管路与所述高温余气收集装置连接，所述第三加热管路上设置有调节阀，所述甲醇合成塔设置有温度传感器和压力传感器，所述调节阀、所述温度传感器和所述压力传感器分别与所述控制器电连接。

6.根据权利要求1所述的生物质热电联产的造纸污泥处理系统，其特征在于：还包括板框压滤机和烘干装置，所述CSTR厌氧反应器和UASB厌氧反应器的出渣口均与所述板框压滤机进渣口连接，所述板框压滤机的出渣口连接所述烘干装置，所述板框压滤机的出水口与所述污泥收集池的进水口连接。

7.根据权利要求6所述的生物质热电联产的造纸污泥处理系统，其特征在于：所述烘干装置包括烘干室，所述烘干室的蒸气进口通过第四加热管路与所述空气余气混合器的出气口连接，所述第四加热管路设置有与控制器连接的调节阀，所述烘干室内设置有与控制器连接的温度传感器。

8.根据权利要求1所述的生物质热电联产的造纸污泥处理系统，其特征在于：所述甲醇水制氢重整器设置有启动装置，所述启动装置在甲醇水制氢重整器启动过程中为所述电加热器和输送泵供电。