CN209161816U - 一种用于污泥连续水热碳化的螺带搅拌式反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于污泥连续水热碳化的螺带搅拌式反应装置，包括：水热反应装置筒体、导热油夹套、螺带刮壁式搅拌器、污泥流量控制系统、温度控制系统、压力控制系统等，主要用于污水处理厂污泥的连续式水热预处理来改变污泥性状，从而降低污泥比阻和提高污泥可脱水性；污泥采用液压污泥泵定量泵入水热反应装置筒体内，通过温度控制系统调节导热油夹套内上、下端口的温度和导热油流速来控制水热反应装置筒体内污泥的热传导加热速度，由压力控制系统调节针型泄压阀开度来连续排出流态污泥以保持筒体内压力达到预设的恒定值，以此实现污泥在螺带搅拌式反应装置内连续进行水热碳化反应。本装置具有生产效率高、能耗低和自动化水平高的优势。

Description

一种用于污泥连续水热碳化的螺带搅拌式反应装置

技术领域

本实用新型涉及污泥处理设备，特别涉及一种用于污泥连续水热碳化的螺带搅拌式反应装置。

背景技术

城市污水处理厂污泥含水率高，不但运输和集中处理处置难度大，长时间堆放容易腐败变质并发出恶臭气体，如何安全有效地处置污泥，解决污泥围城问题，成为环境保护及城市可持续发展的热点问题。截至2017年12月底，全国设市城市累计建成污水处理厂5027 座，污水处理能力达1.88亿吨/天，年产生含水率约80％的污泥5000 多万吨，根据《水污染防治行动计划》要求，地级及以上城市污泥无害化处理处置率应于2020年底前达到90％以上。然而根据调研结果显示，我国污水处理厂所产生的污泥有70％没有得到妥善处理，污泥随意堆放所造成的污染事故和二次污染问题已引起了社会的广泛关注，已成为当前打赢污染防治攻坚战的重点任务之一。

污泥水热碳化是在适宜的温度(120～300℃)和压力(1.2-3.2Mpa) 条件下，在密闭的容器中对污泥进行缺氧裂解，使污泥中的部分微生物细胞体受热膨胀而破裂，释放出有机物、矿物质，大分子有机物水解成小分子物质，因此，污泥水热碳化是一种新型的湿污泥预处理技术，能够显著提高污泥的沉降性能、脱水性能和生物降解性能，水热碳化后污泥的粘度明显下降，在不投加化学药剂的情况下可将约80％含水率的污泥压滤后含水率降到30％-40％，污泥减容效果显著。污泥水热碳化设备具有占地面积小、处理效率高和能耗低的优势，而且相比于污泥干化和焚烧，能抑制恶臭气味的散发，并有效控制二噁英的产生。

在现有的水热碳化运行方式上，使用较普遍的是采用间歇式水热碳化方式，即通过在具有一定大小的水热反应罐体内进行水热碳化反应，在一定的高温和高压下，使得水热反应罐体内的污泥进行水热碳化，待达到相应的时间后，再完全排出完成水热碳化的污泥，接着重新注入新污泥，以此循环进行间歇式运行。这种间歇式的水热碳化反应由于需要排出处理完成的污泥以后，才能进行新污泥的注入，步骤繁琐，最终会导致污泥水热碳化的工作效率低下；并且，在进行污泥更换的整个期间，会导致水热反应罐体内温度和压力值的流失，在新污泥需要进行水热碳化反应时，重新维持到相应温度和压力值的时间会加长，大大降低了工作效率，因此，不适用于大批量对污水处理厂进行预处理。

鉴于间歇式水热碳化方式的不足，由此催生出了能够连续进行污泥水热碳化的设备，如专利号为ZL201720610374.4的一种连续式污泥热水解管式反应器，其包括管式反应器、加热夹套、加热管、蒸汽喷管，所述管式反应器设有污泥进口法兰、热解泥浆出口，所述加热夹套包裹于所述管式反应器外表面，所述加热管位于所述管式反应器内，所述蒸汽喷管伸入所述管式反应器内部。污泥通过进泥口进入管式反应器内，受到加热夹套和翅式加热管间接加热，同时受到从蒸汽喷管中注入的蒸汽喷射加热，在管式反应器内，污泥在蒸汽冲击下翻腾，和蒸汽不断的完成传热传质，污泥发生热解，污泥中的有机物大分子水解成小分子；污泥热解后，污泥变成了泥浆，从热解泥浆口排出。此种设备虽然通过多种加热方式进行加热，但是会导致能源损耗较大，并且污泥相对粘性较大，位于中心的污泥会无法达到预期温度，会导致加热时间过长造成能源浪费，或者部分未完成热水解的污泥被排出，导致热水解效率和质量无法得到保证，无法在工程中得到大规模应用。

另外，如专利号为ZL201510085553.6的一种连续式污泥水热处理反应釜装置，其主要包括釜体、釜盖、导流内筒、搅拌器、储泥罐和耗散板；釜体流动区域划分为混合区、层流区、出水保温壁、储泥区，所述釜盖上设有出水口，导流内筒上盖和釜盖处有污泥进口、蒸汽进口和氧化剂进口；储泥罐与釜体底部连成一体，储泥罐底部设有泥浆出口；耗散板有3块，每块形状均为矩形，沿釜体轴向扇形分布，耗散板固定安装于导流内筒末端，其作用区域为能量耗散区。此设备通过污泥在混合区进行水热碳化，对污泥进行分解，分解出的颗粒和流液经过耗散板以后平稳下降，颗粒沉淀在储泥区，流液位于储泥区上方的层流区中，由此污泥就可以连续的从污泥进口灌入，实现连续式处理，但在此设备中，处理完的污泥和未处理完的污泥只是通过耗散板进行隔离，存在着热水解热量流失的情况，导致能源损耗变大；同时污泥在混合区进行热水解时，层流区内的流液一定要溢满，不然在进行热水解中的流液会往下，导致处理中的污泥含水量无法达到热水解的含水量条件，最终会导致水热碳化不彻底或无法进行，可见，此设备在连续运行上存在着较多的限制因素。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种用于污泥连续水热碳化的螺带搅拌式反应装置，为了克服目前已商业化推广的间歇式运行的污泥热水解预处理方式的不足，同时降低目前连续式运行的能耗、提高连续式处理能力，为大量污水处理厂脱水后的污泥(80％含水率)的物理改性和高压脱水减量的规模化应用提供了新的技术路线。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种用于污泥连续水热碳化的螺带搅拌式反应装置，包括水热反应装置筒体、导热油夹套、螺带刮壁式搅拌器、变频减速电机、污泥流量控制系统、温度控制系统和压力控制系统。

水热反应装置筒体侧壁下部设置有进料口，其侧壁上部设置有出料口，在进料口的前端安装有单向阀，能够防止水热反应装置筒体内的液态从进料口流出，出料口的后端安装有针型泄压阀，此针型泄压阀内预设有压力值、同时可调节开度来对水热反应装置筒体进行排料和泄压，位于单向阀和水热反应装置筒体之间的进料口上设置有催化剂投加口，催化剂投加口的入口朝上设置。

导热油夹套包裹在水热反应装置筒体外壁上，导热油夹套具有上下两套，两套导热油夹套均包裹在位于出料口之下的水热反应装置筒体外壁上，用于对水热反应装置筒体进行加热；并且每套导热油夹套均具有位于下部的下端口和位于上部的上端口，导热油从每套导热油夹套的下端口流入、上端口流出。

水热反应装置筒体在导热油流动情况下实现对水热反应装置筒体内部加热，水热反应装置筒体内的压力也会随着温度升高而变大，污泥在水热反应装置筒体内完成水热碳化之后，水热碳化充分的污泥会在水热反应装置筒体内的较高压力之下自发上升，当水热反应装置筒体内的压力值大于针型泄压阀的预设压力值时，针型泄压阀会打开一定开度使得经过水热碳化后熟化的污泥连续均匀排出，同时保持水热反应装置筒体内的压力稳定。

上述的污泥水热碳化预处理过程内会涉及到污泥连续投加、温度控制、压力控制的问题，具体如下：

污泥流量控制系统，其包括用于检测水热反应装置筒体内液位的液位计、安装在水热反应装置筒体中部并位于两套导热油夹套之间的 pH计、以及安装在进料口单向阀前的液压污泥泵，其中，液位计安装在水热反应装置筒体顶端，且液位计一端延伸到水热反应装置筒体内，当针型泄压阀在排出部分水热碳化后熟化的污泥后，水热反应装置筒体内的液位会降低，而且pH计显示熟化的污泥的pH在正常范围内，由此会控制液压污泥泵往水热反应装置筒体内泵入新污泥。

温度控制系统，其用于控制水热反应装置筒体内污泥热水解温度在160～260℃之间，主要通过控制导热油的初始温度和导热油在导热油夹套内的流速来实现水热反应装置筒体内的温度控制，具体如下：

温度控制系统包括第一温度传感器、输油管、第二温度传感器、液压油泵，第一温度传感器安装在水热反应装置筒体顶端，用于监控水热反应装置筒体内温度；输油管两端分别与导热油夹套上端口和下端口相连，形成导热油流通回路；第二温度传感器安装在输油管上，用于检测导热油的初始温度；液压油泵安装在输油管上，液压油泵根据第一温度传感器和第二温度传感器的温差来控制导热油夹套内的导热油流速来调节水热反应装置筒体内物料的升温速率。

压力控制系统，其用于控制水热反应装置筒体内压力范围在 1.3～3.0MPa之间，主要通过控制水热反应装置筒体内温度和针型泄压阀的开度来实现水热反应装置筒体内压力的调节，压力控制系统包括：设置于水热反应装置筒体顶端的压力传感器、安全阀和安装在出料口上并可调节开度的针型泄压阀。

因此，在对污泥连续水热碳化预处理过程中，主要通过污泥流量控制系统、温度控制系统和压力控制系统的协同控制来实现对污泥连续水热碳化过程中温度和压力的运行稳定，并保持污泥在水热反应装置筒体内的停留时间在60-120min之间。

此外，水热反应装置筒体上还安装有螺带刮壁式搅拌器，主要用于搅拌混合污泥使得受热均匀，从而加快污泥水热碳化过程。螺带刮壁式搅拌器包括：搅拌轴、螺带搅拌桨叶、刮板和安装在水热反应装置筒体顶端的变频减速电机，搅拌轴通过轴承座固定在水热反应装置筒体内，轴承座安装在水热反应装置底部，搅拌轴另一端(顶端)通过联轴器与变频减速电机相连，即变频减速电机的输出轴竖直往下延伸到水热反应装置筒体内与搅拌轴相连，螺带搅拌桨叶焊接在搅拌轴上，刮板一端与水热反应装置筒体内壁抵接，另一端与螺带搅拌桨叶外缘相连，在搅拌时可避免粘稠的污泥在水热反应装置筒体内壁粘结。

优选地，所述刮壁式搅拌器在水热反应装置筒体内的转速范围为 80～200rpm，即变频减速电机的转速范围为80～200rpm。

优选地，所述水热反应装置筒体的顶部设置有便于检修的人孔，底部设置有与水热反应装置筒体相通的放空阀。

本实用新型对比于现有技术的有益效果：

本实用新型提供的污泥水热碳化工艺是一种在密闭的容器中对湿污泥进行缺氧水热碳化的物理化学改性方法，湿污泥在温度范围 160～260℃和压力范围1.3～3MPa条件下，会使污泥中的微生物细胞体受热膨胀而破裂，释放出有机物、矿物质，污泥中大分子有机物还能水解成小分子物质，能够显著提高污泥的沉降性能和脱水性能。

污泥水热碳化过程中通过污泥流量控制系统控制液压污泥泵输送污泥的流量大小，并且通过温度控制系统控制水热反应装置筒体内的反应温度位于160～260℃之间；同时，压力控制系统通过压力传感器的检测监控，配合上调节水热反应温度和针型泄压阀的开度来调节水热反应装置筒体内的压力值位于1.3～3MPa之间。

当水热反应装置筒体内的压力值大于针型泄压阀预设值时，针型泄压阀会打开排出位于水热反应装置筒体顶端的污泥(经过水热碳化熟化的污泥)，液位计会检测到液位下降，液压污泥泵会连续泵入污泥，实现污泥连续水热碳化过程，以此克服目前已商业化推广的间歇式运行的污泥热水解预处理方式的不足，同时降低目前连续式运行的能耗、提高连续式处理能力，为大量污水处理厂脱水后的污泥(80％含水率)的物理改性和高压脱水减量的规模化应用提供了新的技术路线。

附图说明

图1为实施例中水热反应装置筒体的剖视图；

图2为实施例中水热反应装置筒体管口示意图。

附图标记：1、水热反应装置筒体；2、导热油夹套；3、加强筋； 4、搅拌轴；5、支撑座；6、放空阀；7、轴承座；8、进料口；9、催化剂投加口；10、螺带搅拌桨叶；11、刮板；12、变频减速电机；13、人孔；14、温度探头口；15、出料口；16、第一进油口；17、第一出油口；18、pH探头口；19、压力表口；20、安全阀接口；21、液位计口；22、第二进油口；23、第二出油口。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

一种用于污泥连续水热碳化的螺带搅拌式反应装置，参照图1所示，包括:水热反应装置筒体1、导热油夹套2、螺带刮壁式搅拌器、污泥流量控制系统、温度控制系统和压力控制系统。

水热反应装置筒体1底端四周均设置有支撑座5，支撑座5用于支撑水热反应装置筒体1，在水热反应装置筒体1底端设置有放空阀 6，放空阀6位于水热反应装置筒体1最底端的正下方，并且水热反应装置筒体1的顶部设置有便于检修的人孔13。

对于此实施例的具体内容，展开如下：

参照图1所示，水热反应装置筒体1侧壁下部和侧壁上部分别设置有进料口8和出料口15，进料口8和出料口15均与水热反应装置筒体1内部相通，进料口8前端安装有单向阀，同时单向阀和水热反应装置筒体1之间的进料口8上设置有催化剂投加口9，催化剂投加口9一端与进料口8相连并相通、另一端竖直朝上连接催化剂计量泵，出料口15的后端安装有针型泄压阀。

导热油夹套2包裹在水热反应装置筒体的外壁上，导热油夹套2 用于存储具有一定温度的导热油，在此实施例中，导热油夹套2设置有上、下两套(不局限于两套，具体数量根据设备具体需要可进行调整)，位于下部的导热油夹套2的下端口和上端口分别为第一进油口 16、第一出油口17；位于上部的导热油夹套2的下端口和上端口分别为第二进油口22、第二出油口23，导热油从位于导热油夹套2下部的下端口流入、上端口流出。

位于下部的导热油夹套2包裹住了位于进料口8下方的水热反应装置筒体1的侧壁和水热反应装置筒体1底端的外壁、以及位于进料口8和出料口15之间的部分水热反应装置筒体1侧壁。并且第一进油口16位于水热反应装置筒体1的底端，第一出油口17位于水热反应装置筒体1的侧壁上。

位于上部的导热油夹套2上的第二进油口22和第二出油口23均位于水热反应装置筒体1的侧壁上，并且第二进油口22处于稍低于出料口15的位置。

参照图1所示，螺带刮壁式搅拌器包括搅拌轴4、螺带搅拌桨叶 10、刮板11和安装在水热反应装置筒体1顶端的变频减速电机12，搅拌轴4通过轴承座7安装在水热反应装置筒体1内，轴承座7安装在水热反应装置筒体1内部的底端，搅拌轴4另一端(顶端)竖直往上设置，同时通过联轴器与变频减速电机12相连，即变频减速电机 12的输出轴竖直往上延伸到水热反应装置筒体1内与搅拌轴4相连，保证螺带式搅拌器在搅拌过程中可保持运转平稳。

此外，螺带搅拌桨叶10沿搅拌轴4轴线方向焊接在搅拌轴4上，刮板11一端与水热反应装置筒体1内壁抵接，另一端与螺带搅拌桨叶10外缘相连，刮板11具体与水热反应装置筒体1内四周侧壁和底端内壁抵接，用于避免粘稠的污泥在水热反应装置筒体1内壁粘结。刮板11一部分与水热反应装置筒体1内部侧壁抵接、另一部分与水热反应装置筒体1最底端内壁抵接，并且螺带搅拌桨叶10的两个端部均连接有沿水平方向设置的连接条，连接条的两个端部与刮板11 相连、中部与搅拌轴4相连，而且位于两根连接条之间的搅拌轴4上设置有与螺带搅拌桨叶10和刮板11均相连的加强筋3。

值得一提的是，参照图1和图2所示，水热反应装置筒体1顶端设置有用于分别安装压力传感器和温度传感器的压力表口19和温度探头口14、用于分别安装安全阀和液位计的安全阀接口20和液位计口21，同时位于两套导热油夹套2之间的位置上设置有PH探头口18。

值得说明的是，污泥流量控制系统，其包括用于检测水热反应装置筒体1内液位的液位计、安装在水热反应装置筒体1中部并位于两套导热油夹套2之间的pH计、以及安装在进料口8单向阀前的液压污泥泵，液位计安装在水热反应装置筒体1顶端，液位计一端延伸到水热反应装置筒体1内，当针型泄压阀在排出部分水热碳化熟化的污泥后，水热反应装置筒体1内的液位会降低，由此会控制液压污泥泵往水热反应装置筒体1内泵入新污泥。

温度控制系统用于控制水热反应装置筒体1那污泥热水解温度在160～260℃之间，主要通过控制导热油的初始温度和导热油在导热油夹套2内的流速来实现水热反应装置筒体1内的温度控制，具体如下：

温度控制系统包括第一温度传感器、输油管、第二温度传感器、液压油泵，第一温度传感器安装在水热反应装置筒体1顶端，用于监控水热反应装置筒体1内温度；输油管两端分别与导热油夹套2上端口和下端口相连，形成导热油流通回路；第二温度传感器安装在输油管上，用于检测导热油的初始温度；液压油泵安装在输油管上，液压油泵根据第一温度传感器和第二温度传感器的温差来控制导热油夹套2内的导热油流速来调节水热反应装置筒体1内物料的升温速率。

压力控制系统，其用于控制水热反应装置筒体1内压力范围在 1.3～3.0MPa之间，主要通过控制水热反应装置筒体1内温度和针型泄压阀的开度来实现水热反应装置筒体1内压力的调节，压力控制系统包括：设置于水热反应装置筒体1顶端的压力传感器、安全阀和安装在出料口15上并可调节开度的针型泄压阀。

因此，在对污泥连续水热碳化预处理过程中，主要通过污泥流量控制系统、温度控制系统和压力控制系统的协同控制来实现对污泥连续水热碳化过程中温度和压力的运行稳定，并保持污泥在水热反应装置筒体1内的停留时间在60-120min之间。

此外，刮壁式搅拌器在水热反应装置筒体1内的转速范围在 80～200rpm之间，热水解时间在60-120min之间。

其生产过程：

预热后的湿污泥经液压污泥泵连续泵入水热反应装置筒体1下部的进料口8内，并通过污泥流量控制系统中的液位计控制液压污泥泵输送污泥的流量。然后第二温度传感器会对导热油的初始温度进行检测，导热油经过液压油泵输送到导热油夹套2的下端口内，温度控制系统会根据导热油的初始温度进行调控导热油的流速，即通过调节液压油泵的转速来控制导热油流速，配合上第一温度传感器对水热反应装置筒体1内温度进行检测，以此控制水热反应装置筒体1内的反应温度位于160～260℃之间；同时，压力控制系统通过压力传感器的检测，并配合调节水热反应温度和针型泄压阀的开度来调节水热反应装置筒体1内的压力值位于1.3～3MPa之间，在异常情况通过安装阀进行泄压，保证湿污泥在水热反应装置筒体1停留时间为 60-120min。

在湿污泥进行水热碳化处理的过程中，变频减速电机12会驱动搅拌轴4转动，并带着螺带搅拌桨叶10在水热反应装置筒体1内进行搅拌，同时刮板11会刮下位于水反应装置筒体1内壁上的污泥，以提高污泥水热碳化反应过程的传热效率。

当水热反应装置筒体1内的压力值大于针型泄压阀预设值时，针型泄压阀会打开排出部分已熟化的污泥，依次实现污泥连续的水热碳化过程，可克服目前已商业化推广的间歇式运行的污泥热水解预处理方式的不足，同时降低目前连续式运行的能耗、提高连续式处理能力，为大量污水处理厂脱水后的污泥(80％含水率)的物理改性和高压脱水减量的规模化应用提供了更适用和可靠的技术路线。

以上所述仅是本实用新型的示范性实施方式，而非用于限制本实用新型的保护范围，本实用新型的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (5)

1.一种用于污泥连续水热碳化的螺带搅拌式反应装置，包括:水热反应装置筒体(1)、导热油夹套(2)、螺带刮壁式搅拌器、污泥流量控制系统、温度控制系统、压力控制系统，其特征在于：

所述水热反应装置筒体(1)侧壁下部设置有进料口(8)、侧壁上部设置有出料口(15)，其中，进料口(8)前端安装有单向阀，出料口(15)的后端安装有针型泄压阀；

所述导热油夹套(2)包裹在水热反应装置筒体(1)的外壁上，由上下两套组成，每套导热油夹套(2)均具有下端口和上端口，导热油从下端口流入、上端口流出；

所述螺带刮壁式搅拌器包括：通过轴承座(7)固定在水热反应装置筒体(1)内的搅拌轴(4)、焊接在搅拌轴(4)的螺带搅拌桨叶(10)、螺带搅拌桨叶(10)外缘连接与水热反应装置筒体(1)内壁抵接的刮板(11)、以及通过联轴器与搅拌轴(4)相连的变频减速电机(12)。

2.根据权利要求1所述的一种用于污泥连续水热碳化的螺带搅拌式反应装置，其特征在于：所述水热反应装置筒体(1)的顶部设置有便于检修的人孔(13)，所述水热反应装置筒体(1)的底部设置有放空阀(6)。

3.根据权利要求1所述的一种用于污泥连续水热碳化的螺带搅拌式反应装置，其特征在于：所述污泥流量控制系统包括设置于水热反应装置筒体(1)顶端的液位计、安装在水热反应装置筒体(1)中部并位于两套导热油夹套(2)之间的pH计、以及安装在进料口(8)单向阀前的液压污泥泵。

4.根据权利要求1所述的一种用于污泥连续水热碳化的螺带搅拌式反应装置，其特征在于：所述温度控制系统用于控制水热反应装置筒体(1)内污泥温度范围在160～260℃，所述温度控制系统包括用于监控水热反应装置筒体(1)内水热反应温度的第一温度传感器、与导热油夹套(2)上端口和下端口相连的输油管、安装在输油管上的第二温度传感器、以及用于调节导热油流速的液压油泵。

5.根据权利要求1所述的一种用于污泥连续水热碳化的螺带搅拌式反应装置，其特征在于：所述压力控制系统用于控制水热反应装置筒体(1)内压力范围在1.3～3.0MPa，所述压力控制系统包括设置于水热反应装置筒体(1)顶端的压力传感器、安全阀和安装在出料口(15)上并可调节开度的针型泄压阀。