一種兩段式污泥處理的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種兩段式污泥處理的方法和系統(tǒng)。所述的兩段式污泥處理方法包括在兩個不同的裝置中在超臨界水條件下分別進行的污泥氣化反應(yīng)和污泥氧化反應(yīng)，其中所述污泥氣化反應(yīng)包括：將污泥預熱，得到高溫污泥，和將高溫污泥送入氣化反應(yīng)器中，發(fā)生氣化反應(yīng)，形成氣化反應(yīng)后物料；而所述污泥氧化反應(yīng)包括：將所述氣化反應(yīng)后物料通過第一分離裝置進行分離，分別得到氣相物料和液固相物料，并將液固相物料作為所述污泥氧化反應(yīng)原料的至少一部分送入氧化反應(yīng)器中，發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化反應(yīng)后物料；并且使所述氧化反應(yīng)后物料與所述高溫污泥通過所述氣化反應(yīng)器進行換熱，從而實現(xiàn)了利用氧化反應(yīng)所放出的熱量為氣化反應(yīng)提供所需的熱量。
【專利說明】一種兩段式污泥處理的方法和系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于處理污泥的兩段式污泥處理方法和系統(tǒng)，具體地，涉及在超臨界水條件下污泥氣化制合成氣并通過部分氧化氣化產(chǎn)物以實現(xiàn)自熱式污泥氣化的目的的氣體方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]超臨界水是指溫度和壓力均高于其臨界點(T≥374.15°C，P≥22.12MPa)的特殊狀態(tài)的水。超臨界水兼具液態(tài)和氣態(tài)水的性質(zhì)，該狀態(tài)下只有少量的氫鍵存在，介電常數(shù)近似于有機溶劑，具有高的擴散系數(shù)和低的粘度。在足夠高的壓力下，有機物、氧氣能按任意比例與超臨界水互溶，從而使非均相反應(yīng)變?yōu)榫喾磻?yīng)，大大減少了傳熱、傳質(zhì)的阻力，并且無機物特別是鹽類在超臨界水中的溶解度極低，容易將其分離出來。
[0003]近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展帶動了城市化進程的加快，城市污水處理量也越來越大，污水處理后產(chǎn)生的污泥數(shù)量隨之增加，僅以一個中小城市為例，一個污水處理廠產(chǎn)生的活性污泥每天達到100噸以上，而且這個數(shù)量還在不斷增長，大城市的水處理污泥數(shù)量就更多了。因城市污泥的急劇增加而又無法處理掉，給城市的環(huán)境帶來了嚴重的污染，也給城市建設(shè)設(shè)置了很大的障礙，水處理污泥成為城市發(fā)展的瓶頸之一。經(jīng)測試，城市污水處理后的污泥的熱值達5~15MJ/kg左右，具有很高的熱值，從污泥當中回收能量，不僅解決了環(huán)境污染問題，回 收的熱量還可以發(fā)電或生產(chǎn)低壓蒸汽，將污泥變廢為寶，實現(xiàn)無害化、減量化、資源化利用的目的。
[0004]傳統(tǒng)的污泥焚燒處理方案，大都是先將污泥收集和脫水干燥處理后再加入大量的可燃物引燃，放入焚燒爐中進行焚燒。這種焚燒方式一方面因污泥熱值較低，且水分含量大(污泥當中大約含有80%左右的水分，這些水分一部分存在于生物質(zhì)細胞內(nèi)，另外還有相當一部分與污泥沉降過程產(chǎn)生的絮凝劑緊密地結(jié)合在一起，形成絮凝劑水合物，這部分水分在空氣當中放置數(shù)天也很難去除其中的水分，即便在100°C恒溫烘箱內(nèi)仍需要5小時以上，在實際利用污泥氣化時由于能量密度低難以得到高效的利用)，致使爐膛溫度低，燃燒不充分可回收的熱量也少，所以通常還與煤、石油焦等熱值更高的燃料摻混燃燒，燃燒后還會有較多燃燒不充分的固體殘渣，同時尾氣當中含有大量硫氧化物、氮氧化物以及二噁英類有毒有害氣體，對大氣、人體健康均產(chǎn)生不良影響。
[0005]污泥等有機質(zhì)的超臨界水氣化技術(shù)是利用水在超臨界狀態(tài)下所具有的特殊性質(zhì)，使有機物在超臨界水介質(zhì)中迅速發(fā)生反應(yīng)來徹底分解有機物，最終生成ch4、h2、co、co2等氣體，合成氣經(jīng)進一步分離可作化工原料或燃料。
[0006]污泥本身含有一定量的無機鹽類化合物，如鈉鹽、鉀鹽等，這些無機鹽對氣化過程起到一定的催化作用，氣化過程可不必額外補充催化劑即能很好地氣化污泥當中的有機質(zhì)，獲得氫氣、甲烷富集的有效氣體。
[0007]通常情況下，污水處理廠在污水處理過程中經(jīng)絮凝沉降后產(chǎn)生的泥漿經(jīng)帶式過濾機過濾后，污泥的濃度為20%左右，此時的污泥呈膏狀，沒有流動性，并且污泥的粒度分布較寬，部分有機質(zhì)如纖維素等難以研磨。工業(yè)當中處理污泥需要進一步稀釋和研磨，使其具有良好的流動性和穩(wěn)定性，進而以泥漿的形式泵送進入工藝裝置再進行進一步處理。適當提高泥漿的溫度可以降低流體物料的粘度，提高流體輸送的穩(wěn)定性。
[0008]二氧化碳作為一種溫室氣體，對大氣、環(huán)境產(chǎn)生越來越嚴重的影響。碳排放已成為世界各國關(guān)注的焦點問題。二氧化碳捕集技術(shù)是近幾年科學家研究的熱點問題之一。但由于化工生產(chǎn)過程中，尾氣及工藝裝置的復雜性，002的有效捕集是一個非常困難的問題。專利“^101544419八一種超臨界水氧化處理含有有機物污水或污泥的方法及裝置”提到了氣液分離裝置采用串聯(lián)的第一級氣液分離裝置和第二級氣液分離裝置，通過第一級氣液分離裝置，分出氣體經(jīng)減壓閥或經(jīng)微型汽輪機排入大氣，分出的液體為002和水的混合液，混合液再減壓或經(jīng)小型水輪機至第二級氣液分離裝置，分離出的二氧化碳氣體，再經(jīng)壓縮成商品液體二氧化碳，但該專利沒有提出明確的工藝條件，具體的分離過程沒有明確指出，并且從工藝分離的方法上與本發(fā)明也有明顯不同。
[0009]一般的氣化過程，盡管大部分有機質(zhì)可以被氣化生成合成氣，但也有一定量的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為了液態(tài)化學品(常溫常壓條件下)，如烴類、烷基烴類、芳烴類、酚類等有機化合物，在氣化廢水排放環(huán)節(jié)因為液體當中(1)0(化學需氧量)、10“總有機碳)等參數(shù)過高而難以達不到國家排放標準。當前的比較典型的工藝如魯奇爐氣化過程，直接從氣化爐排出的廢水(61)0 —般10000呢/1以上，產(chǎn)生多種復雜的烴類、芳烴類化合物，后續(xù)廢水處理工藝復雜，處理成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]基于以上問題，本發(fā)明提出一種在超臨界水狀態(tài)下污泥氣化制合成氣并通過部分氧化氣化產(chǎn)物以實現(xiàn)自熱式污泥氣化的目的的兩段式污泥氣體的方法及工藝。
[0011]為此，本發(fā)明通過了如下方面:
[0012]〈IX —種兩段式污泥處理方法，所述的兩段式污泥處理方法包括分別在兩個不同的裝置中在超臨界水條件下進行污泥氣化反應(yīng)和污泥氧化反應(yīng)，其中所述污泥氣化反應(yīng)包括如下步驟:
[0013]8.將污泥預熱，得到高溫污泥，
[0014]匕將高溫污泥送入污泥氣化反應(yīng)器中，發(fā)生氣化反應(yīng)，形成氣化反應(yīng)后物料；
[0015]所述污泥氧化反應(yīng)包括如下步驟:
[0016]0.將所述氣化反應(yīng)后物料通過第一分離裝置(1)進行分離，分別得到氣相物料和液固相物料，并將液固相物料作為所述污泥氧化反應(yīng)原料的至少一部分送入污泥氧化反應(yīng)器中，發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化反應(yīng)后物料；
[0017](1.使所述氧化反應(yīng)后物料與所述高溫污泥通過所述氣化反應(yīng)器進行換熱，得到降溫后的氧化反應(yīng)后物料， 以利用氧化反應(yīng)所放出的熱量為氣化反應(yīng)提供所需的熱量。
[0018]〈2\根據(jù)〈1?所述的兩段式污泥處理方法，其中所述步驟3包括:
[0019]使所述污泥經(jīng)過包括一級預熱、二級預熱和三級預熱在內(nèi)的至少三級預熱，
[0020]其中污泥的一級預熱的熱量由所述污泥氣化反應(yīng)后物料進行分離后的氣相提供，所述二級預熱的熱量由所述污泥氣化反應(yīng)后物料提供，而所述三級預熱的熱量由所述步驟(1中所述的降溫后氧化反應(yīng)后物料提供；[0021]或者
[0022]其中污泥的一級預熱的熱量由所述污泥氣化反應(yīng)后物料進行分離后的氣相提供，所述二級預熱的熱量由所述步驟d中所述的降溫后氧化反應(yīng)后物料提供；所述三級預熱的熱量由所述污泥氣化反應(yīng)后的物料提供。
[0023]〈3〉.根據(jù)以上任一項所述的兩段式污泥處理方法，其中所述第一分離裝置(I)的分離溫度被控制在100~374°C，壓力被控制在0.1~40MPa，以使水以液態(tài)形式存在，同時CO2以氣態(tài)形式存在。
[0024]〈4〉.根據(jù)以上任一項所述的兩段式污泥處理方法，其中所述方法還包括:所述氣化反應(yīng)后物料經(jīng)分離后的氣相使所述污泥進行一級預熱之后，進行任選的冷卻處理，然后通過第二分離裝置(2)分離得到CO2和合成氣，其中所述第二分離裝置(2)的分離溫度被控制在31°C以下，壓力控制在7.38MPa以上。
[0025]〈5〉.根據(jù)以上任一項所述的兩段式污泥處理方法，其中所述的污泥氣化反應(yīng)過程的工藝溫度被控制在450~700°C，優(yōu)選550~650°C。
[0026]〈6〉.根據(jù)以上任一項所述的兩段式污泥處理方法，其中所述的污泥氧化反應(yīng)過程的工藝溫度被控制在600~750°C，壓力被控制在22.12~25Mpa。[0027]<7>.根據(jù)以上任一項所述的兩段式污泥處理方法，其中所述兩段式污泥處理方法還包括:在三級預熱之后，使污泥進一步與增加的換熱器進行換熱，以使污泥達到氣化工藝溫度。
[0028]〈8〉.根據(jù)以上任一項所述的兩段式污泥處理方法，其中所述一級預熱、二級預熱和三級預熱中每級的工作壓力在超臨界水的臨界壓力以上，其中第一級換熱冷物料從常溫升至100±30°C，二級換熱至330±40°C，第三級換熱420±50°C。
[0029]〈9〉.一種用于處理污泥的兩段式污泥處理系統(tǒng)(設(shè)備)，所述系統(tǒng)包括:預熱裝置，用于使原料污泥進行預熱；
[0030]氣化反應(yīng)裝置，其中經(jīng)過預熱后的原料污泥在氣化反應(yīng)裝置中發(fā)生污泥的氣化反應(yīng)，形成氣化反應(yīng)后物料；
[0031]第一分離裝置，經(jīng)過氣化反應(yīng)后物料在所述第一分離裝置進行分離，分別得到氣相物料和液固相物料；和
[0032]氧化反應(yīng)裝置，在第一分離裝置中得到的液固相物料作為污泥氧化反應(yīng)原料的至少一部分被送入氧化反應(yīng)器中，發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化反應(yīng)后物料，
[0033]其中所述氣化反應(yīng)裝置還與所述氧化反應(yīng)裝置連接，以使得所述氧化反應(yīng)后物料與經(jīng)過換熱的高溫污泥通過所述氣化反應(yīng)裝置進行換熱，從而利用氧化反應(yīng)所放出的熱量為氣化反應(yīng)提供所需的熱量。
[0034]〈10〉.根據(jù)〈9>所述的用于處理污泥的兩段式污泥處理系統(tǒng)，其中所述預熱裝置是至少包括一級預熱裝置、二級預熱裝置和三級預熱裝置在內(nèi)的多級預熱裝置，其中
[0035]所述一級預熱裝置用于污泥原料與污泥氣化氧化反應(yīng)之后通過第一氣化裝置獲得的氣相的熱交換；所述二級預熱裝置用于經(jīng)過一級預熱的污泥與來自氣化反應(yīng)的氣化后物料之間的熱交換，而所述三級預熱用于與由經(jīng)過液固相氧化放熱并與氣化反應(yīng)裝置進行換熱后的熱物料之間的熱交換；
[0036]或者[0037]其中所述一級預熱裝置用于污泥原料與污泥氣化氧化反應(yīng)之后通過第一氣化裝置獲得的氣相的熱交換；所述二級預熱用于與由經(jīng)過液固相氧化放熱并與氣化反應(yīng)裝置進行換熱后的熱物料之間的熱交換；而所述三級預熱裝置用于經(jīng)過二級預熱之后的污泥與由氣化反應(yīng)后的物料之間的熱交換。
[0038]?11\根據(jù)〈9?至〈10?中任一項所述的系統(tǒng)，還包括:第二分離裝置，連接在所述第一預熱裝置的下游，用于將所述低溫氧化反應(yīng)后物料進行分離，分別得到水和固體殘渣。
[0039]?12\根據(jù)〈9?至〈11?中任一項所述的系統(tǒng)，還包括:第三分離裝置，連接在所述第三預熱裝置的下游，用于將經(jīng)過第三預熱裝置的氣相物料進行分離，分別得到⑶2和合成氣。
[0040]〈13\根據(jù)〈9?至〈12?中任一項所述的系統(tǒng)，還包括:增加在三級預熱之后的換熱器。
[0041]本發(fā)明的兩段式污泥處理方法可以實現(xiàn)污泥整體氣化過程能量的整合有效利用，而且通過使經(jīng)第一分離裝置1 (如附圖1和2所示)出來的固液相有機質(zhì)氧化來為氣化過程提供熱量，同時也降低了固液相有機質(zhì)的含量，使下游出水達到國家排放標準。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1是本發(fā)明的兩段式污泥處理方法的工藝流程圖的一個實例。
[0043]圖2是本發(fā)明的兩段式污泥處理方法的工藝流程圖的另一個實例。
【具體實施方式】
[0044]所謂“兩段式污泥處理方法”也可稱作兩段式污泥氣化的方法或工藝，指的是污泥先經(jīng)過氣化過程，再經(jīng)過氧化過程，氧化過程放出的熱量用于維持氣化過程所吸收的熱量，進而實現(xiàn)自熱式污泥氣化的目的的這樣的一種方法或工藝。
[0045]所述“超臨界水狀態(tài)下”是指溫度和壓力均高于水的臨界點，即T≥374.151且P≥ 22.12MPa
[0046]在本發(fā)明中，術(shù)語“換熱”與“預熱”可以交替使用。
[0047]本發(fā)明的第一方面是提供一種兩段式污泥處理方法，所述的兩段式污泥處理方法包括分別在兩個不同的裝置中在超臨界水條件下進行的污泥氣化反應(yīng)和污泥氧化反應(yīng)，其中所述污泥氣化反應(yīng)包括如下步驟:
[0048]8.將污泥預熱，得到高溫污泥，
[0049]匕將高溫污泥送入氣化反應(yīng)器中，發(fā)生氣化反應(yīng)，形成氣化反應(yīng)后物料；
[0050]所述污泥氧化反應(yīng)包括如下步驟:
[0051]0.將所述氣化反應(yīng)后物料通過第一分離裝置(1)進行分離，分別得到氣相物料和液固相物料，并將液固相物料作為所述污泥氧化反應(yīng)原料的至少一部分送入氧化反應(yīng)器中，發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化反應(yīng)后物料； [0052](1.使所述氧化反應(yīng)后物料與所述高溫污泥通過所述氣化反應(yīng)器進行換熱，得到降溫后的氧化反應(yīng)后物料，以利用氧化反應(yīng)所放出的熱量為氣化反應(yīng)提供所需的熱量。
[0053]在一個裝置內(nèi)進行自熱式氣化反應(yīng)，由于4、00, (:?、及其他如烴類、醇醚類或芳烴類等化合物氧化過程的活化能不同(如⑶活化能為134001(?為179001、％為390001、苯270001、苯酚520()1)，氧化劑會優(yōu)先和(^、(^等氣體反應(yīng)，(?相對更難和氧化劑反應(yīng))，這樣就進而降低了這些氣體在氣相產(chǎn)品當中的含量，從而導致氣相產(chǎn)品單位體積的熱值偏低、價格優(yōu)勢減小。
[0054]而在本發(fā)明中，采用分段式氣化工藝則避免了以上問題，通過氧化經(jīng)第一分離裝置分離出來的固液相有機質(zhì)為氣化過程提供熱量，同時也降低了固液相有機質(zhì)的含量，使下游出水達到國家排放標準。
[0055]在污泥的處理工藝中，氣化反應(yīng)過程總體為吸熱反應(yīng)，為了維持合適的反應(yīng)溫度，需要對氣化過程提供足夠的能量，這些能量可以通過外界補償換熱，也可通過自身部分氧化放熱獲得，但更好的方式是通過氧化氣化過程中在液固相產(chǎn)生的有機質(zhì)來提供氣化反應(yīng)所需要的熱量。這種方式的好處在于，氣化過程中產(chǎn)生的有機質(zhì)得以有效利用，為氣化過程提供了能量，同時降低了自身排放的有機質(zhì)含量，降低了直接氣化過程廢水的處理難度與成本，合理地利用了這部分有機質(zhì)，使出水達到國家排放標準；這種方式也避免了直接部分氧化氣化過程由于合成氣中04、4等氣體的氧化活化能通常低于有機質(zhì)反應(yīng)活化能從而更容易優(yōu)先和氧化劑反應(yīng)的動力學問題，保證了合成氣的收率。本發(fā)明的氣化反應(yīng)器可以做成套管式或其他形式的具有換熱功能的裝置。從有機質(zhì)氣化過程看，升高溫度有利于提高合成氣收率，從而降低液固相有機質(zhì)含量；隨著溫度降低，液固相有機質(zhì)含量相應(yīng)增加，氣相合成氣收率降低。為了獲得更多的合成氣，溫度可以設(shè)置得更高，這樣做的結(jié)果可能導致液固相有機質(zhì)含量過低，不能滿足氣化過程所需要吸收的熱量。解決的方式可以通過調(diào)節(jié)氣化溫度使之得以平衡。通常地，氣化溫度適當降低或縮短停留時間將會增加固液相中有機質(zhì)的含量，如氣化溫度降低501，試驗發(fā)現(xiàn)固液有機質(zhì)可增加約3%。但是，降低溫度往往會使氣化反應(yīng)的反應(yīng)時間延長，這就要求氣化反應(yīng)裝置的容積更大以滿足更長的停留時間，然而更合理的方式是可以在液固相當中增加少量其他助燃劑如甲醇、乙醇、丙酮等有機質(zhì)來保證足夠的有機質(zhì)氧化產(chǎn)生足夠多的能量。[0056]在本發(fā)明的兩段式污泥處理方法中，所述步驟1即污泥原料的預熱過程，包括:使所述污泥經(jīng)過包括一級預熱、二級預熱和三級預熱在內(nèi)的至少三級預熱，其中污泥的一級預熱的熱量由所述污泥氣化反應(yīng)后物料進行分離后的氣相提供，所述二級預熱的熱量由所述污泥氣化反應(yīng)后物料提供，而所述三級預熱的熱量由所述步驟(1中所述的降溫后氧化反應(yīng)后物料提供；
[0057]或者
[0058]其中污泥的一級預熱的熱量由所述污泥氣化反應(yīng)后物料進行分離后的氣相提供，所述二級預熱的熱量由所述步驟(1中所述的降溫后氧化反應(yīng)后物料提供；所述三級預熱的熱量由所述污泥氣化反應(yīng)后的物料提供。
[0059]本發(fā)明的這種采用了包括一級換熱、二級換熱和三級換熱在內(nèi)的至少三級的換熱方式，將氣化反應(yīng)后氣液相產(chǎn)品作為熱源對原料進行預熱，最大限度利用工藝熱能，提高能量利用效率，也有利于下游產(chǎn)品的分離。
[0060]在本發(fā)明的兩段式污泥處理方法中，其中所述的第一分離裝置1的分離溫度控制在100~3741，優(yōu)選300~3741，壓力控制在0.1~40腿^，優(yōu)選壓力控制在8.6~30肥3，以使水以液態(tài)形式存在，同時(?以氣態(tài)形式存在。
[0061]本發(fā)明的第二方面是提供一種用于處理污泥的兩段式污泥處理系統(tǒng)(在本文中，所述系統(tǒng)也可以理解為一種設(shè)備)，所述系統(tǒng)包括:用于使原料污泥預熱的預熱裝置，用于污泥氣化反應(yīng)的氣化反應(yīng)裝置、用于污泥氧化反應(yīng)的氧化反應(yīng)裝置和用于分離經(jīng)過污泥氣化反應(yīng)之后的物料的第一分離裝置，其中原料污泥經(jīng)過預熱后被送入氣化反應(yīng)裝置中，發(fā)生氣化反應(yīng)，形成氣化反應(yīng)后物料；所述氣化反應(yīng)后物料通過第一分離裝置進行分離，分別得到氣相物料和液固相物料，液固相物料作為所述污泥氧化反應(yīng)原料的至少一部分被送入氧化反應(yīng)器中，發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化反應(yīng)后物料；所述氧化反應(yīng)后物料與經(jīng)過換熱的高溫污泥通過所述氣化反應(yīng)器進行換熱，從而利用氧化反應(yīng)所放出的熱量為氣化反應(yīng)提供所需的熱量。
[0062]使用本發(fā)明的用于處理污泥的兩段式污泥處理系統(tǒng)，能夠使得所述氣化反應(yīng)裝置中發(fā)生的氣化反應(yīng)所需要的熱量通過發(fā)生在所述氧化反應(yīng)裝置中的氧化氣化時在液固相產(chǎn)生的有機質(zhì)來提供，而且所述氣化過程產(chǎn)生的液態(tài)化學品被提供用作所述氧化過程的原料。
[0063]在本發(fā)明的兩段式污泥處理系統(tǒng)中，所述預熱裝置是至少包括一級預熱裝置、二級預熱裝置和三級預熱裝置在內(nèi)的多級預熱裝置，其中所述一級預熱裝置用于污泥原料與污泥氣化氧化反應(yīng)之后通過第一氣化裝置獲得的氣相的熱交換；所述二級預熱裝置用于經(jīng)過一級預熱的污泥與來自氣化反應(yīng)的氣化后產(chǎn)物之間的熱交換，或者用于與由經(jīng)過液固相氧化放熱并與氣化反應(yīng)裝置進行換熱后的熱物料之間的熱交換；而所述三級預熱裝置用于經(jīng)過二級預熱之后的污泥與由氣化反應(yīng)后的產(chǎn)物之間的熱交換。
[0064]在本發(fā)明中，所述污泥的氧化反應(yīng)的溫度(通常指平均溫度)在600~7501。平均溫度不同于中心溫度，即中心溫度甚至更高一些。氧化反應(yīng)的工藝壓力需保證在超臨界壓力以上，即等于或大于22.121？3，優(yōu)選22.12~251%。
[0065]下面為了更好地描述本發(fā)明，下面參考附圖1和2來描述本發(fā)明的兩段式污泥處理方法，其中所述分離1、分離2、分離3也分別是指第一分離裝置1，第二分離裝置2、第三分離裝置3 ；所述冷卻1和冷卻2也分別是指第一冷卻裝置1和第二冷卻裝置2。圖1顯示的是本發(fā)明的兩段式污泥處理方法的一個實例。具體地，在圖1中，其工藝過程如下:
[0066]污泥原料先進行預處理，例如進行過濾除雜，濾掉較大粒度物質(zhì)防止進入系統(tǒng)堵塞管路等，配制合適的濃度，例如可以是1%~20%的固體濃度，然后分別經(jīng)過一級預熱、二級預熱、三級預熱共三級預熱之后進入氣化反應(yīng)器，污泥中有機質(zhì)如廢油、植物秸桿碎片(主要化學成份是纖維素)、微生物等在氣化反應(yīng)器中完成氣化反應(yīng)后經(jīng)過換熱后進入第一分離裝置1，為了確保進入第一分離裝置1的物料溫度達到工藝溫度(通常是300~3741 ),還可增加一個換熱器用以加熱或冷卻物料溫度。污泥原料經(jīng)過一級預熱后進入二級預熱裝置，并在此與氣化后產(chǎn)品進行能量交換，一方面氣化產(chǎn)物需要降低溫度以保證下游分離過程達到工藝要求，另一方面污泥原料的溫度得以進一步升高，更有利于進行氣化反應(yīng)，提高了能量利用的整體效率。產(chǎn)物經(jīng)過第一分離裝置1將氣相產(chǎn)物和液固相產(chǎn)物分離，其中氣相產(chǎn)物由于具有較高的溫度，可以作為污泥原料一級預熱的能量來源。經(jīng)過換熱的氣相產(chǎn)物溫度進一步降低，為了保證二氧化碳以液態(tài)形式排出，可以經(jīng)過第一冷卻1進一步冷卻，使溫度控制在(?的臨界溫度= 3100 )以下，臨界壓力= 7.381？^以上，經(jīng)過換熱并液化后的002可經(jīng)過第二分離2裝置將合成氣與(?分離開，并得到純度較高的高壓液態(tài)(?，這有利于(?的進一步提純或工業(yè)應(yīng)用。[0067]另外，經(jīng)過第一分離裝置I的分離溫度在保證滿足分離工藝要求的前提下，盡可能高一些，減小能量的需要量。所述的滿足分離工藝要求是指在第一分離裝置I處的分離溫度低于374°C，高于100°C，以此保證水呈現(xiàn)液態(tài)，而CO2呈現(xiàn)氣態(tài)，便于后續(xù)系統(tǒng)的分離。氧化劑可以是02、H2O2等具有氧化性質(zhì)的氣態(tài)或液態(tài)氧化劑。經(jīng)過換熱之后的液固相物料進入三級預熱裝置，進一步提高污泥原料的預熱溫度。經(jīng)過三級預熱的污泥原料可以到達預定的氣化溫度，但考慮到裝置的散熱等其他形式的熱量損失還可以在三級預熱之后增加一個換熱器，補充足夠的能量。經(jīng)過三級預熱的反應(yīng)物料再經(jīng)過第二冷卻裝置2進入第三分離3，經(jīng)過渣水沉降上層分離出清水，下層分離出氣化后的固體灰分、殘渣等產(chǎn)物。
[0068]每級換熱(B卩，預熱)的工作壓力在水的臨界壓力以上，其中第一級換熱使得冷物料(即，污泥)從常溫升至100±30°C，二級換熱使得物料的溫度升高至330±40°C，第三級換熱使得物料的溫度升高至420±50°C。溫度的波動主要受污泥性質(zhì)、反應(yīng)溫度、濃度的影響。若經(jīng)過三級換熱后污泥原料沒有達到最佳的氣化反應(yīng)溫度，則還可以通過外加換熱裝置進行換熱。通常地，最佳的反應(yīng)溫度為約420°C，但由于污泥性質(zhì)本身有所差異，最佳反應(yīng)溫度略有不同，一般的在420±20°C。
[0069]值得指出的是，本發(fā)明并不局限于三級預熱，但是采用三級預熱更有利于利用每一工段的熱量，且縮小了換熱溫差，如液固相有機質(zhì)經(jīng)過氧化具有相對較高的溫度，這部分高品位的熱量優(yōu)先用于氣化反應(yīng)，能夠更大限度地提高換熱效率，其他各級換熱也是這個目的?？蓞⒖紛A點分析的相關(guān)知識。而且，所述一級、二級和三級預熱的劃分也是根據(jù)溫度高低進行的，通常地，級數(shù)越高，用于該級換熱的廢熱的溫度越高，經(jīng)過該級換熱獲得的污泥的溫度相對也越高。[0070]在本發(fā)明中，通常地，三級換熱每級不需要再利用外部熱源補熱，但經(jīng)過三級換熱后溫度若未達到工藝要求的溫度，則可以利用外部熱源補充部分熱量，以利于氣化反應(yīng)。
[0071]經(jīng)過三級預熱之后，物料進入氣化反應(yīng)裝置，在此發(fā)生污泥的氣化過程。如上所述，氣化反應(yīng)過程總體為吸熱反應(yīng)，為了維持合適的反應(yīng)溫度，需要對氣化過程提供足夠的能量，這些能量可以通過外界補償換熱，也可通過自身部分氧化放熱獲得，但更好的方式是通過氧化氣化過程中在液固相產(chǎn)生的有機質(zhì)來提供氣化反應(yīng)所需要的熱量。圖1中可以看出，經(jīng)過第一分離裝置I得到的液固相物料將在氧化裝置中發(fā)生氧化過程，而液固相氧化放熱，并且將放出的熱與氣化反應(yīng)裝置進行換熱。這種方式的好處在于，氣化過程中產(chǎn)生的有機質(zhì)得以有效利用，為氣化過程提供了能量，同時降低了自身排放的有機質(zhì)含量，降低了直接氣化過程廢水的處理難度與成本，合理地利用了這部分有機質(zhì)，使出水達到國家排放標準；這種方式也避免了直接部分氧化氣化過程由于合成氣中ch4、h2等氣體的氧化活化能通常低于有機質(zhì)反應(yīng)活化能從而更容易優(yōu)先和氧化劑反應(yīng)的動力學問題，保證了合成氣的收率。
[0072]類似地，污泥原料的氣化過程還可以通過工藝流程2 (如附圖2所示)來實現(xiàn)。所述工藝流程I和工藝流程2的主要區(qū)別在于污泥原料在二級預熱裝置中所獲得的能量由經(jīng)過液固相氧化放熱并與氣化反應(yīng)裝置進行換熱后的熱物料提供，三級預熱裝置的能量由氣化反應(yīng)后的產(chǎn)物提供。采用圖1和圖2所示的兩種換熱路徑，目的在于合理地利用各工段各品位的熱能，提高整體熱效率。圖1和圖2所示例的這兩種換熱方式均可以實現(xiàn)整體氣化過程能量的整合有效利用。[0073]圖2所示的具體的工藝流程說明可參考工藝流程圖1的說明得以理解。
[0074]通常地，污泥濃度在1 %~10%范圍內(nèi)優(yōu)先使用工藝流程1，濃度在11 %~20%范圍內(nèi)優(yōu)先使用工藝流程2。主要原因在于原料濃度較低時氣化過程吸收的熱量相對較少，液固相有機質(zhì)經(jīng)過氧化放熱并部分傳給氣化反應(yīng)裝置，但出口仍然有相對較高的溫度，熱能品味更高，用在第三級換熱可提高換熱效率。同樣地，濃度高時，氣化反應(yīng)吸熱較多，液固相流體經(jīng)過氣化反應(yīng)后出口的溫度相對較低，置于第二級換熱更有利，故優(yōu)先采用工藝流程
2。另一方面，液固相經(jīng)氧化后放熱，溫度還受到液固相有機質(zhì)濃度的影響，只要有機質(zhì)濃度足夠高，放熱足夠多，可以保證經(jīng)過氣化反應(yīng)工段仍然使出口保持較高的溫度，則仍然采用工藝流程1的路線。比較工藝流程1和工藝流程2可以看出，主要的區(qū)別在于液固相流體經(jīng)過氣化反應(yīng)換熱后的出口溫度。若溫度高于氣化反應(yīng)要求的工藝溫度，則使其作為第三級換熱的熱源。若相對較低則使其作為第二級換熱的熱源。通過下面的實施例3和實施例4即可看出，高濃度氣化反應(yīng)并不局限于采用工藝流程2的技術(shù)路線。
[0075]下面還將通過實施例對本發(fā)明進行更詳細的描述，但是這些實施例并不是對本發(fā)明范圍的限制，本發(fā)明的范圍應(yīng)當由權(quán)利要求書進行限定。
[0076]實施例
[0077]下面參照附圖1的工藝流程圖對本發(fā)明的具體實施方案進行了描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然還可以想到在本發(fā)明權(quán)利要求范圍內(nèi)的其它實施方案。
[0078]實施例中所使用的污泥原料的基本性質(zhì)如下面的表1中所示。
[0079]表1原料污泥的基本性質(zhì)
【權(quán)利要求】
1.一種兩段式污泥處理方法，所述的兩段式污泥處理方法包括在兩個不同的裝置中在超臨界水條件下分別進行污泥氣化反應(yīng)和污泥氧化反應(yīng)，其中所述污泥氣化反應(yīng)包括: 將污泥預熱，得到高溫污泥， 匕將高溫污泥送入污泥氣化反應(yīng)器中，發(fā)生氣化反應(yīng)，形成氣化反應(yīng)后物料； 所述污泥氧化反應(yīng)包括: 0.將所述氣化反應(yīng)后物料通過第一分離裝置(1)進行分離，分別得到氣相物料和液固相物料，并將液固相物料作為所述污泥氧化反應(yīng)原料的至少一部分送入污泥氧化反應(yīng)器中，發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化反應(yīng)后物料； (1.使所述氧化反應(yīng)后物料與所述高溫污泥通過所述氣化反應(yīng)器進行換熱，得到降溫后的氧化反應(yīng)后物料，以利用氧化反應(yīng)所放出的熱量為氣化反應(yīng)提供所需的熱量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩段式污泥處理方法，其中所述步驟3包括: 使所述污泥經(jīng)過包括一級預熱、二級預熱和三級預熱在內(nèi)的至少三級預熱， 其中污泥的一級預熱的熱量由所述污泥氣化反應(yīng)后物料進行分離后的氣相提供，所述二級預熱的熱量由所述污泥氣化反應(yīng)后物料提供，而所述三級預熱的熱量由所述步驟(1中所述的降溫后氧化反應(yīng)后物料提供； 或者 其中污泥的一級預熱的熱量由所述污泥氣化反應(yīng)后物料進行分離后的氣相提供，所述二級預熱的熱量由所述步驟(1中所述的降溫后氧化反應(yīng)后物料提供；所述三級預熱的熱量由所述污泥氣化反應(yīng)后的物料提供。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩段式污泥處理方法，其中所述第一分離裝置(1)的分離溫度被控制在100~3741，壓力被控制在0.1~401？^以使水以液態(tài)形式存在，同時(?以氣態(tài)形式存在。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩段式污泥處理方法，其中所述方法還包括:所述氣化反應(yīng)后物料經(jīng)分離后的氣相使所述污泥進行一級預熱之后，進行任選的冷卻處理，然后通過第二分離裝置(2)分離得到(?和合成氣，其中所述第二分離裝置(2)的分離溫度被控制在311以下，壓力控制在7.381？^以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩段式污泥處理方法，其中所述兩段式污泥處理方法還包括:在三級預熱之后，使污泥進一步與增加的換熱器進行換熱，以使污泥達到氣化工藝溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的兩段式污泥處理方法，其中所述一級預熱、二級預熱和三級預熱中每級的工作壓力在超臨界水的臨界壓力以上，其中第一級換熱冷物料從常溫升至100 ± 30，二級換熱至330 ± 40，第三級換熱420 ± 50。
7.一種用于處理污泥的兩段式污泥處理系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 預熱裝置，用于使原料污泥進行預熱； 氣化反應(yīng)裝置，其中經(jīng)過預熱后的原料污泥在氣化反應(yīng)裝置中發(fā)生污泥的氣化反應(yīng)，形成氣化反應(yīng)后物料； 第一分離裝置，經(jīng)過氣化反應(yīng)后物料在所述第一分離裝置進行分離，分別得到氣相物料和液固相物料；和 氧化反應(yīng)裝置，在第一分離裝置中得到的液固相物料作為污泥氧化反應(yīng)原料的至少一部分被送入氧化反應(yīng)器中，發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化反應(yīng)后物料， 其中所述氣化反應(yīng)裝置還與所述氧化反應(yīng)裝置連接，以使得所述氧化反應(yīng)后物料與經(jīng)過換熱的高溫污泥通過所述氣化反應(yīng)裝置進行換熱，從而利用氧化反應(yīng)所放出的熱量為氣化反應(yīng)提供所需的熱量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于處理污泥的兩段式污泥處理系統(tǒng)，其中所述預熱裝置是至少包括一級預熱裝置、二級預熱裝置和三級預熱裝置在內(nèi)的多級預熱裝置，其中 所述一級預熱裝置用于污泥原料與污泥氣化氧化反應(yīng)之后通過第一氣化裝置獲得的氣相的熱交換；所述二級預熱裝置用于經(jīng)過一級預熱的污泥與來自氣化反應(yīng)的氣化后物料之間的熱交換，而所述三級預熱用于與由經(jīng)過液固相氧化放熱并與氣化反應(yīng)裝置進行換熱后的熱物料之間的熱交換； 或者 其中所述一級預熱裝置用于污泥原料與污泥氣化氧化反應(yīng)之后通過第一氣化裝置獲得的氣相的熱交換；所述二級預熱用于與由經(jīng)過液固相氧化放熱并與氣化反應(yīng)裝置進行換熱后的熱物料之間的熱交換；而所述三級預熱裝置用于經(jīng)過二級預熱之后的污泥與由氣化反應(yīng)后的物料之間的熱交換。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，還包括：第二分離裝置，連接在所述第一預熱裝置的下游，用于將所述低溫氧 化反應(yīng)后物料進行分離，分別得到水和固體殘渣。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，還包括：第三分離裝置，連接在所述第三預熱裝置的下游，用于將經(jīng)過第三預熱裝置的氣相物料進行分離，分別得到(?和合成氣。
【文檔編號】C02F11/00GK103833190SQ201210488089
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月27日
【發(fā)明者】宋慶峰, 程樂明, 張玉寶, 谷俊杰, 王青, 宋成才, 高志遠, 劉揚, 曹雅琴, 杜娟 申請人:新奧科技發(fā)展有限公司