一種帶產物返流預處理的汙泥水熱氧化反應系統的製作方法

2023-04-27 08:31:26 1

本實用新型屬於市政汙泥處理領域，尤其涉及汙水處理廠產生的汙泥處理。

背景技術：

市政汙泥是一種由各種微生物以及有機、無機顆粒組成的固液混合的絮狀物質，主要來自於城市汙水淨化處理過程，是城市汙水處理廠的副產物；典型的城市汙水廠基本工藝流程如圖1所示：城市汙水通過城市排水系統進入汙水處理廠，經過格柵與沉砂池之後，汙水中較大的懸浮物或漂浮物以及比重較大的無機顆粒(如泥沙，煤渣等)被去除；然後汙水進入初沉池，汙水中所含有的可沉降性物質沉澱下來形成初沉汙泥；汙水繼續經生物處理進入二沉池，其中一部分汙泥回流用於生物處理，而剩餘的活性汙泥和初沉汙泥一起形成的混合汙泥再進一步經過濃縮和脫水後產生機械脫水汙泥。根據汙水處理環節不同，各環節所產生汙泥的理化性質不盡相同，以初始汙泥和剩餘汙泥為例，其中的有機質含量如下表1所示。

表1汙泥中有機質組成含量

汙水處理廠產生的汙泥經機械脫水後的含水率一般在75％～85％範圍，進一步降低含水率困難。水熱氧化技術是一種新型的汙泥處理技術，在一定的溫度和壓力的水中，氧化劑將汙泥中有機質氧化，生成簡單無汙染的二氧化碳氣體、灰渣和水；汙泥有機質轉化徹底，無NOx、SO2等汙染氣體生成，重金屬處於穩定態，液相產物生化性能良好。

為加速汙水中懸浮顆粒聚集沉降，汙水處理過程添加絮凝劑。絮凝劑使汙泥呈膠團狀，大部分水分包裹其中，機械脫水只能去除表面水和間隙水，佔水分80％左右的膠團內包裹的水分和汙泥細胞內水脫不掉；汙泥自身的膠團特性，導致其汙泥粘度大、流動性差，汙泥水熱氧化系統直接進料困難。

升高汙泥溫度可以使包裹汙泥水分的膜壁破裂，水解有機質，釋放其中的水，從而降低粘度；攪拌使汙泥發生剪切運動，拉扯打碎膠團，也起到粘度降低的作用；因此可採用預熱或攪拌等方式的預處理降低汙泥粘度。

汙泥預熱根據熱源是否與汙泥接觸分為有直接加熱和間接加熱。直接加熱的熱源多為蒸汽或熱水；間接加熱的熱源為蒸汽或導熱油。預熱汙泥所需熱量來自反應後的高溫物料回收的餘熱。由於粘度大，間接換熱方式預熱汙泥容易造成壓損大、管路堵塞；與間接加熱相比，直接加熱的熱損失小，沒有管路壓損和堵塞問題，但蒸汽或水的加入，會使汙泥含水率有一定提高。

採用直接加熱預熱汙泥時，熱源多為高溫物料閃蒸產生的閃蒸汽；閃蒸汽不足以使汙泥預熱到進反應器前要求的溫度，需要在回收餘熱的預熱後再進行別的方式的加熱，如反應後高溫物料的間接換熱和電磁加熱等。反應後液相物料中含有剩餘的溶解氧，採用換熱器間接回收餘熱將導致設備腐蝕，除此之外，換熱器、電磁加熱器設備的投入增加了系統複雜性和設備投資。

綜上所述，目前公布的專利技術中，主要存在汙泥預處理回收的系統熱量不足、反應後液相產物溶解氧在高溫下下腐蝕設備、需增加加熱設備增加投資和系統複雜性等問題。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於：解決現有技術存在的汙泥預處理回收的系統熱量不足，需要增加加熱設備增加投資和系統複雜性，以及反應後液相產物溶解氧在高溫下下腐蝕設備等問題。

本實用新型目的通過下述技術方案來實現：

一種帶產物返流預處理的汙泥水熱氧化反應系統，包括汙泥預處理裝置、攪拌器、水熱氧化反應器和分流器，汙泥預處理裝置上設有汙泥原料入口、反應器氣相產物入口和反應器液相產物入口，以及預處理汙泥出口，汙泥預處理裝置內設有用以攪拌汙泥原料入口進入的汙泥、和反應器氣相產物入口進入的反應器氣相產物、和反應器液相產物入口進入的攜帶部分固相顆粒的反應器液相產物的攪拌器，汙泥預處理裝置的預處理汙泥出口與水熱氧化反應器的汙泥入口之間通過汙泥輸送管路連通，水熱氧化反應器上設有汙泥入口、氧化劑入口、氣相產物出口、排渣口和液相產物出口，水熱氧化反應器的氣相產物出口與汙泥預處理裝置的反應器氣相產物入口連通，水熱氧化反應器的液相產物出口通過分流器分別和汙泥預處理裝置的反應器液相產物入口以及後續處理裝置連通。

作為選擇，汙泥預處理裝置上沒有其他間接和/或直接加熱其內汙泥原料的裝置。

作為選擇，汙泥預處理裝置的預處理汙泥出口與水熱氧化反應器的汙泥入口之間的汙泥輸送管路上也沒有間接和/或直接加熱其內汙泥原料的裝置。

作為選擇，還包括閃蒸罐，水熱氧化反應器的液相產物出口通過分流器分別和汙泥預處理裝置的反應器液相產物入口以及閃蒸罐的汙泥產物入口連通，閃蒸罐的汙泥產物出口與後續處理裝置連通。

作為進一步選擇，汙泥預處理裝置的預處理汙泥出口與水熱氧化反應器的汙泥入口之間的汙泥輸送管路上還設有套管加熱器，套管加熱器對汙泥輸送管路內的汙泥間接加熱，閃蒸罐的閃蒸汽出口與套管加熱器的蒸汽入口連通。該方案中，回收閃蒸汽熱量對汙泥輸送過程進行保溫。

作為另一進一步選擇，後續處理裝置包括換熱器、給水泵和沉降池，換熱器設有給水入口和給水/蒸汽出口，以及汙泥產物入口和汙泥產物出口，閃蒸罐的汙泥產物出口與換熱器的汙泥產物入口連通，給水泵與換熱器的給水入口連通，換熱器的汙泥產物出口與沉降池連通。

作為選擇，汙泥預處理裝置包括汙泥預處理罐以及其外設置的夾套，夾套上設有反應器氣相產物入口和反應器液相產物入口，汙泥預處理罐罐內壁上開有通至罐內的蒸汽孔和液相產物孔，夾套上的反應器氣相產物入口與蒸汽孔相通，夾套上的反應器液相產物入口與液相產物孔相通。

作為選擇，汙泥預處理罐內的攪拌器帶有用以刮除黏在罐內壁上的汙泥的刮刀。

作為選擇，還包括氣相除氧裝置，水熱氧化反應器的氣相產物出口與汙泥預處理裝置的反應器氣相產物入口通過設有氣相除氧裝置的管路連通。

作為選擇，還包括增壓泵，汙泥預處理裝置的預處理汙泥出口與水熱氧化反應器的汙泥入口之間的汙泥輸送管路上設有增壓泵。

前述本實用新型主方案及其各進一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本實用新型可採用並要求保護的方案；且本實用新型，(各非衝突選擇)選擇之間以及和其他選擇之間也可以自由組合。本領域技術人員在了解本實用新型方案後根據現有技術和公知常識可明了有多種組合，均為本實用新型所要保護的技術方案，在此不做窮舉。

本實用新型方案中，水熱氧化反應器中汙泥水熱氧化後生成的氣相產物由反應器頂部引出，通過氣相除氧裝置將其中多餘的氧和生成的二氧化碳去除後，通入汙泥預處理裝置，同時液相產物分流部分回流至汙泥預處理裝置，氣相產物和液相產物同時直接與汙泥接觸預熱汙泥，此時蒸汽和熱水在攪拌作用下預熱汙泥，解決現有技術系統回收熱量不足以預熱汙泥至進料溫度的問題——本實用新型只需要前述產物返流的方式即可實現對汙泥的充分預熱，而不需要現有技術中額外的加熱/預熱裝置，而且本實用新型的預熱方式還可以得到比現有技術更高的預熱溫度(可高至120℃～150℃)，能更大地降低汙泥粘度。

同時，在預熱汙泥的過程中，蒸汽和熱水會增加汙泥的含水率(從75％～85％增加至90％～93％)，通過此方法將預熱汙泥和汙泥濃度調配有機結合，而且，通過增加含水率的方式，本實用新型相對現有技術含水率更高，使得水熱氧化反應器中汙泥中有機質含量正好能維持氧化反應進行溫度而無需額外的吸熱面(現有技術中含水率較低，需要額外的吸熱面吸收反應中額外的熱量控制反應溫度)，同時含水率更高能夠強化進料汙泥在高溫高壓水中的分散效果，縮短氧化反應完成的時間(可只需30～45，乃至15min)。

水熱氧化反應器剩餘的攜帶細小灰渣顆粒的液相產物通過閃蒸罐減壓閃蒸的方法，除去溶解氧，減輕對下遊換熱設備的腐蝕，從而實現剩餘高溫物料熱量回收。

通過以上措施，可實現回收系統高溫物料熱量預熱汙泥、緩解溶解氧腐蝕換熱器等問題，降低系統投資，提高系統能量利用率和經濟性。

本實用新型的有益效果：

(1)僅通過回收氣相產物、部分液相產物預熱汙泥，即可保證系統回收熱量滿足汙泥預熱需求。

(2)相對現有技術汙泥預處理後粘度降低、流動性好，在高溫高壓液相水中分散效果好，縮短氧化反應停留時間。

(3)解決現有技術汙泥經產物預熱後還需要進一步加熱帶來的設備增加和投資增加的問題。

(4)採用減壓閃蒸的方式除氧，保證餘熱回收設備的工作環境。

(5)汙泥經過氧化後，不產生有毒有害物質；氣相產物可直接排放，液相生化性能好，可回流至汙水處理廠，固相脫水性且重金屬性質穩定好，脫水後可直接填埋。

附圖說明

圖1是城市汙水處理廠工藝流程圖；

圖2是本實用新型實施例的裝置流程示意圖；

其中1-汙泥料倉 2-螺杆泵 3-汙泥預處理罐 4-攪拌器 5-增壓泵 6-套管加熱器 7-反應器 8-氣相除氧裝置 9-分流器 10-閃蒸罐 11-換熱器 12-給水泵 13-沉降池。

具體實施方式

下列非限制性實施例用於說明本實用新型。

參考圖2所示，帶產物返流的汙泥水熱氧化系統包括：汙泥預處理裝置(汙泥預處理罐3)、攪拌器4、增壓泵5、水熱氧化反應器7、氣相除氧裝置8、分流器9和閃蒸罐10，以及換熱器11、給水泵12、沉降池13等。具體方案如下：

(1)汙泥輸送：利用螺杆泵2，將含水率質量百分數約80％的汙泥，自汙泥料倉1轉移至汙泥預處理罐3。

(2)汙泥預處理：汙泥預處理罐3內設有攪拌器4和刮刀，在攪拌汙泥提供剪切力的同時，刮除黏在罐內壁上的汙泥；水熱氧化反應器7反應生成的氣相產物和攜帶部分固相顆粒的部分液相產物回流至汙泥預處理罐3，在攪拌作用下強化汙泥預熱效果，降粘、調配汙泥含水率；預處理後的汙泥含水率提高至90％以上。汙泥預處理罐3外設有夾套，夾套上有反應器氣相產物入口(蒸汽入口)和反應器液相產物入口(熱水入口)；汙泥預處理罐罐內壁上開有蒸汽孔，通入夾套的蒸汽經蒸汽孔進入汙泥內部；汙泥預處理罐內壁上對稱開有液相產物孔(熱水孔)，返流液相產物通過熱水孔進入汙泥內部；

(3)汙泥加壓輸送：預處理後的汙泥通過高壓泵加壓送入水熱氧化反應器7。

(4)水熱氧化反應：經預熱的汙泥送入水熱氧化反應器7後，與氧氣等氧化劑在高溫高壓水中發生水熱氧化反應，反應溫度為250～300℃、反應壓力在5～11MPa，生成氣體、水、灰渣等產物並釋放反應熱維持反應溫度。

(5)氣相產物除氧氣和二氧化碳：氧化反應後的氣相產物主要組成是水蒸氣、二氧化碳和富餘的氧氣，氣相產物通過氣相除氧裝置8中生石灰等鹼性氧化物和海綿鐵，將其中的二氧化碳和氧氣分離出來，除去氧氣和二氧化碳後的蒸汽送入汙泥預處理罐3反應器氣相產物入口(蒸汽入口)。

(6)液相產物回流：氧化反應後，液相中大顆粒沉積在反應器7底部，定期從反應器7底部排渣口排出；液相中細小灰渣隨液相產物經過分流器9(例如三通分流裝置)，部分返流至汙泥預處理罐3反應器液相產物入口(熱水入口)。

(7)閃蒸除氧：液相產物未返流部分經過閃蒸罐10減壓後閃蒸除氧，溶解其中的氧氣氣化釋放出來，與液固產物分離；閃蒸罐10閃蒸汽返流至套管加熱器6內維持汙泥預熱溫度。

(8)產物餘熱回收：除氧後的產物餘熱經換熱器11與給水泵12的給水換熱回收，產熱水或蒸汽。

(9)產物液固分離：液固產物流入沉降池13，上清液可返回汙水處理廠；經氧化處理後的顆粒脫水性能好，可利用壓濾機等設備機械脫水，脫水濾餅含水率<50％，可直接填埋。

一種採用前述系統的帶產物返流預處理的汙泥水熱氧化反應方法，具體包括：

汙水處理廠經機械脫水後汙泥(含固率質量百分數在15％～25％之間)，經螺杆泵2轉移至汙泥預處理罐3內。

在汙泥預處理罐3內，水熱氧化反應器7返流的氣相產物和部分液相產物在攪拌作用下直接加熱汙泥；汙泥溫度升高至100℃～150℃，優選為120℃～150℃，汙泥含水率質量百分數調配至90％～93％，汙泥粘度降至220mPa.s以下(最低可降至20mPa.s以下)，汙泥輸送阻力減小。

汙泥經增壓泵5輸送至水熱氧化反應器7，汙泥加壓輸送管外設套管加熱器6，閃蒸罐10閃蒸汽返流至套管加熱器6內維持汙泥預熱溫度。

水熱氧化反應器7內氧氣做氧化劑，經加壓裝置進入反應器；氧氣保證一定的過量係數，氧氣過量係數為1～1.4，優選為1.1～1.2；水熱氧化反應器7內維持一定液位，自由液面以上為氣相空間；控制反應器溫度維持在250℃～300℃，優選為250℃，壓力維持在5～11MPa；溫度、壓力的選擇與汙泥調配濃度有關，汙泥氧化有機質放出的熱量恰好維持反應溫度；反應停留時間控制在15～60min，優選為30～45min。

反應生成的氣相產物自反應器頂部氣相空間引出，經氣相除氧裝置8後送入汙泥預處理罐3內，氣相產物中二氧化碳預熱汙泥後，直接排放。

反應後的液相產物中分散著固相顆粒，自反應器自由液面以下引出後，經分流器9返流至預處理罐，返流量由反應條件所需的汙泥濃度決定；在返流液相產物中可以添加化學分散劑、穩定劑、氧化劑等化學試劑，提高預處理罐內的降粘效果，縮短預處理時間。剩餘的液固產物流進入閃蒸罐10絕熱降壓，部分水氣化，溶解於其中的氧氣和二氧化碳等氣體析出；閃蒸汽返流至套管加熱器6內，除氧後的液固產物進入換熱器，回收餘熱。

反應後的大顆粒灰渣沉積在水熱氧化反應器7底部，水熱氧化反應器7底部設置排渣口定期排渣。

應用示例：

以含水率約80％的汙泥為原料，以純氧為氧化劑，在具有自由液面的反應器中進行汙泥水熱氧化反應。汙泥的工業分析和元素分析結果見表2：

表2某汙水處理廠汙泥工業分析與元素分析結果

表中，工業分析為質量百分濃度，M為水分含量，A為灰分含量，V為揮發分含量，FC為固定碳含量。

汙泥處理量為1t/h，過氧係數為1.2。汙泥(20℃，1MPa，1000kg/h，含水率質量百分數82.21％)由汙泥料倉經螺杆泵轉移到汙泥預處理罐內，預處理罐內設攪拌槳，罐體外設有夾套，罐體周圍開孔；蒸汽和熱水通入夾套，在攪拌的同時由夾套經過孔口進入汙泥中預熱，預熱後的汙泥溫度達到150℃、含水率達到92.8％、在剪切速率35s-1的條件下表觀粘度降低至100mPa.s以下，流動性好。預熱後的汙泥2492kg/h輸送至反應器，反應器中反應氧氣來源於液氧站，存儲於液氧槽內的液氧經液氧泵加壓、經汽化器氣化後送入反應器內，在高溫高壓水中與汙泥中有機質反應。

反應溫度維持在250℃、反應壓力5MPa、停留時間半小時；在考慮到有機質不完全反應和反應器散熱損失的前提下，進反應器時汙泥內有機質含量能維持反應溫度。反應生成的氣相產物在自由液面頂部空間聚集，為了維持反應器內壓力穩定，將氣相產物不斷的從反應器頂部抽出；氣相產物的摩爾組成79％H2O+5％O2+1％N2+15％CO2；氣相產物(250℃，5MPa，595kg/h)送至預處理罐夾套的蒸汽入口。液固產物中溶解有剩餘的O2和生成的CO2，自反應器出來後經過分流裝置，控制質量流量1130kg/h的產物流返流至汙泥預處理罐夾套的熱水入口，另一部分980kg/h進入減壓閃蒸除氧裝置，在絕熱條件下犧牲約4MPa的壓力，將溶解氣釋放出來，產生的閃蒸汽(97.5％水蒸氣+2.44％CO2+10-4氧，179℃，1MPa，222kg/h)回流至汙泥加壓輸送管外的套管內，維持預熱汙泥的溫度不低於150℃。除氧後的物料通過換熱器，被冷卻水吸收餘熱後冷卻至約60℃後，排放到沉降池；冷卻水吸熱產成飽和蒸汽。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。