专利名称：有机污泥超临界水氧化治理及资源化利用的系统和方法
技术领域：
本发明涉及到一种有机污泥的超临界水氧化处理及资源化利用的系统和方法，具体地说是用超临界水氧化法处理有机污泥，将其中的有害有机成分转化为水、二氧化碳及少量稳定的无机物等物质，同时利用余热进行发电，在达到污泥“减量、稳定、无害”治理目标的同时，实现能量的综合利用。
背景技术：
随着城市化进程的加快及环保标准的日益提高，污水处理率和污水处理程度也日益得到提高和深化，污泥的产量也因此而大大提高。有机污泥是废水(包括生活废水和工业废水)处理后的产物，含有大量的有毒有害物质，如寄生虫卵、病原微生物、细菌、合成有机物及重金属等，如何对其进行有效的处理处置已成为一个世界性的社会和环境问题。从世界范围看，目前常用的污泥处理处置方法主要有焚烧、填埋、堆肥和投海等。 污泥的焚烧处置主要有两种方法一种是脱水污泥直接焚烧，该法处置工艺环节少，流程简单，但燃料消耗量大，运行费用和运输费用均较高；另一种是将脱水污泥经过干化或者半干化处理后再进行焚燃，虽然能使焚烧相对简单，运输费用减少，但需有配套的干化设备，导致干化费用较高。污泥的焚烧一度很受欢迎，但一次性投资大、运行费用高、由于有机物在燃烧温度低于850°C时会产生二恶英等剧毒物质而需对烟气和焚烧灰进行再处理等缺点限制了其应用。采用填埋法时，污泥中含有的各种有毒有害物质经雨水的浸蚀和渗漏会污染地下水及大气，另外，适宜污泥填埋的大面积场所因污泥的大量产出而显得越来越有限， 而且远距离的运输成本也较高。污泥经堆肥法处理后可实现农业利用，但污泥中所含的病原体及有毒有害物直接应用于农业会造成土壤以及水体的二次污染，在相关技术未成熟的情况下还有其局限性。污泥投海会污染海洋，对海洋生态系统和人类食物链会造成威胁，国际公约已明令禁止。为此，针对有机污泥的特性，积极开发能对污泥进行有效治理的技术具有重要的现实意义。遵循科学发展观，把污泥的处理处置与资源化利用相结合必将成为污泥最佳的最终出路
超临界水氧化技术(Supercritical Water Oxidation, SCW0)是一种新兴的有机废物和废水处理技术。SCWO是指有机物在超临界水条件下与氧化剂发生氧化反应的过程。由于超临界水是气液两相界面消失的单相体系，可与有机物、氧气、空气等以任意比例互溶，使本来发生的多相反应转化为单相反应，反应不再因相间转移而受到限制，从而加快了反应速率，反应时间一般只需几秒至几分钟；SCWO可将难降解的有机物彻底转化为COdnH2O，将氮转化为队或队0等无害物质，将水体中的磷、氯、硫等元素深度氧化，以无机盐的形式从超临界水中沉积下来，实现有机有毒污染物的无害化，COD去除率可达99%以上。超临界水氧化技术适应范围广，反应速率快，氧化分解完全，无二次污染。由于有机污泥的COD或TOC含量较高，采用超临界水氧化技术对其进行处理，不仅能实现污泥的深度处理，而且处理后的流出液具有较高的压力和温度，可先充分利用其能量生产高品位的电能，再将发电后的低品位蒸汽用作热源，可实现污泥的资源化利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种有机污泥超临界水氧化处理及资源化利用的系统和方法。实现上述发明目的的一个技术方案是
一种有机污泥超临界水氧化处理及资源化利用的系统，包括格栅、污泥搅拌破碎机、 污泥压力泵、预热器、氧化剂压力泵、超临界水氧化反应器、高压旋液分离器和发电系统，格栅、污泥搅拌破碎机、污泥压力泵和预热器通过输送管道依次连接，预热器的输出口连接至超临界水氧化反应器输入口，所述氧化剂压力泵连接至超临界水氧化反应器的氧化剂输入口，超临界水氧化反应器内装有加热器，超临界水氧化反应器超临界水输出口和高压旋液分离器，高压旋液分离器超临界水输出口和发电系统输入端连接。所述氧化剂压力泵为高压柱塞泵(对于液态氧化剂)或压缩机(对于气态氧化剂)。 所述的超临界反应器既可以是釜式反应器，也可以是管式反应器。所述发电系统可以由超临界发电机组、电网、供热装置和制冷装置组成，超临界发电机组产生的电能输入电网，发电后的背压蒸汽输出至供热和制冷装置。作为该技术方案的进一步改进，在所述高压旋液分离器超临界水输出口和超临界发电机组输入口之间设有加热器，加热器可将高压旋液分离器排出的超临界水继续加热到580°C以上，维持压力在 25 35MPa，用于超临界发电，将发电效率进一步提高到44%左右，对节约能源减少污染具有重要意义。所述发电系统还可以是由蒸汽轮机、蒸汽发电机组、冷水泵、电网、供热装置和制冷装置组成；蒸汽轮机高温蒸汽出口和蒸汽发电机组输入端连接，蒸汽发电机组输出和电网依次连接；蒸汽轮机次高温蒸汽出口和供热装置、制冷装置分别连接；冷水泵通过管道和高压旋液分离器超临界水输出口连接，用于在超临界水中泵入冷水，将高压旋液分离器超临界水输出口排出的超临界水变成压力为2 14MPa的蒸汽输入蒸汽轮机；蒸汽轮机输出高温蒸汽推动蒸汽轮机发电，蒸汽轮机发电后的背压蒸汽供热或制冷。通过蒸汽轮机实现不同品质能量的梯级利用(温度较高的高品位蒸汽用于发电，温度较低的低品位蒸汽用于供热或制冷)，不仅可提高能源的利用效率，还可减少碳化物和有害气体的排放，取得良好的经济效益和社会效益。实现本发明的另一发明目的的技术方案是
有机污泥超临界水氧化治理及资源化利用的方法，包含以下步骤
(1)利用格栅对待处理的有机污泥进行粗滤，除去其中的大块及条状杂物；
(2)利用污泥搅拌破碎机对粗滤后的有机污泥进行充分的搅拌，使其中的固体颗粒进行一步破碎；
(3)关闭超临界水氧化反应器的出口阀，采用污泥压力泵对待处理的有机污泥加压，同时经预热器加热后，输入超临界水氧化反应器中；
(4)待超临界水氧化反应器内充入一定量的待处理污泥后，关闭污泥压力泵，停止注入污泥，同时启动超临界水氧化反应器内置的加热器，将其内的待处理污泥静态加热至 400 0C ；(5)启动污泥压力泵，控制污泥的流量，当超临界水氧化反应器内的压力达到25 50 MPa，温度达到40(T700 °C时，启动氧化剂压力泵，将氧化剂输入到超临界水氧化反应器内；
(6)根据超临界水氧化反应器内的压力与温度，调节泵入超临界水氧化反应器的待处理污泥及氧化剂的流量，使待处理污泥与氧化剂在超临界水氧化反应器内的停留时间为 100 1000s ；
(7)反应生成的无机物会从超临界水氧化反应器出来的超临界水中析出，采用高压旋液分离器将无机盐分离并从底部排出；
(8)从高压旋液分离器排出的超临界水含有大量的热能输入发电系统进行发电，产生的电能供用户使用或并入电网，发电后的背压蒸汽用于供热和制冷。上述步骤(4)中的氧化剂可以是液氧、空气、KC103、NaC10、KMnO4溶液或H202。上述步骤(8)中所述的发电系统为超临界发电机组。作为本发明的进一步改进，在上述步骤(8)中“将其输入发电系统进行发电”进一步包括以下改进步骤
(8. 1)将高压旋液分离器排出的超临界水继续通过加热器进一步提升压力和温度，使其温度达到580°C以上，压力在3(T40MPa，用于超临界发电，提高发电效率。上述步骤(8)中“将其输入发电系统进行发电”具体包括以下步骤
(8. 2)向高压旋液分离器排出的超临界水中泵入冷水，将其变成压力为2 14MPa的蒸汽，以利用蒸汽轮机发电。本发明的有益效果在于，本发明中采用超临界水氧化反应和超临界发电，将从超临界水氧化反应产生的含有大量的热能和压力能超临界水，经处理后用于超临界发电。超临界发电机组采用高参数的超临界水进行发电，具有发电效率高的优点，能生产出高品位的电能，超临界发电产生的电能输入电网，发电后的背压蒸汽输出至供热和制冷装置。本发明实现了高浓度难降解有机废水的深度处理达标排放或回用与资源化利用的有机结合，具有重大的社会效益、环境效益与经济效益。
图1为本发明实施例1有机污泥超临界水氧治理及资源化利用的系统流程示意图； 图2为本发明实施例2有机污泥超临界水氧治理及资源化利用的系统流程示意图； 图3为本发明实施例3为有机污泥超临界水氧治理及资源化利用的系统流程示意图。图中1-格栅；2-污泥搅拌破碎机；3-污泥压力泵；4-预热器；5-超临界水氧化反应器；6-加热器；7-氧化剂压力泵；8-高压旋液分离器；9-超临界发电机组；10-蒸汽轮机；11-蒸汽发电机组；12-加热器；13-超临界发电机组；51-超临界水氧化反应器输入口； 52-氧化剂输入口；53-超临界反应器输出口。A-有机污泥；B-氧化剂；C-无机盐；D-电网；E-供热；F-制冷；G-冷水。
具体实施例方式下面结合实施例做进一步说明。实施例1
如图1示，有机污泥的超临界水氧治理及资源化利用系统，包括格栅1、污泥搅拌破碎机2、污泥压力泵3、预热器4、超临界水氧化反应器5、氧化剂压力泵7、高压旋液分离器8和超临界发电机组9。格栅1、污泥搅拌破碎机2、污泥压力泵3和预热器4通过输送管道依次连接，预热器4的输出口连接至超临界水氧化反应器的输入口 51，氧化剂压力泵7连接至超临界水氧化反应器5的氧化剂输入口 52。超临界水氧化反应器内装有加热器6。超临界反应器的输出口 53接高压旋液分离器8的入口，高压旋液分离器8的流体出口接超临界发电机组8，氧化剂压力泵7的输出口接入超临界反应器5。有机污泥超临界水氧治理及资源化利用的方法，包括以下步骤
(1)利用格栅1对待处理污泥进行粗滤，除去其中的大块及条状杂物；
(2)利用污泥搅拌破碎机2对粗滤后的有机污泥进行充分的搅拌，使其中的固体颗粒进行一步破碎；
(3)关闭超临界水氧化反应器5的出口阀，采用污泥压力泵3对待处理的有机污泥加压，同时经预热器4加热后，输入超临界水氧化反应器5中；
(4)待超临界水氧化反应器5内充入一定量的待处理污泥后，关闭污泥压力泵3，停止注入污泥，同时启动超临界水氧化反应器内置的加热器6，将其内的待处理污泥静态加热至 400 0C ；
(5)启动污泥压力泵3，控制污泥的流量，当超临界水氧化反应器5内的压力达到25、0 MPa，温度达到30(Γ500 ！时，启动氧化剂压力泵7，将氧化剂输入到超临界水氧化反应器5 内；
(6)根据超临界水氧化反应器5内的压力与温度，调节泵入超临界水氧化反应器5的待处理污泥及氧化剂的流量，使待处理污泥与氧化剂在超临界水氧化反应器5内的停留时间为10(T1000S，使其中所含的有机物、重金属离子等经充分反应生成为无机盐、水和(X)2等；
(7)由于无机盐在超临界水中的溶解度极微，反应生成的无机物会从超临界水氧化反应器5出来的超临界水中析出，因此采用高压旋液分离器8将无机盐分离并从底部排出；
(8)该反应为放热反应，从高压旋液分离器8排出的超临界水含有大量的热能，将其输入超临界发电机组9进行发电，产生的电能供用户使用或并入电网D，发电后的背压蒸汽用于供热E和制冷F，实现能量的梯级利用。实施例2
如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于发电系统是由蒸汽轮机10、蒸汽发电机组 11、冷水泵12、电网D、供热装置E和制冷装置F组成；蒸汽轮机10高温蒸汽出口和蒸汽发电机组11输入端连接，蒸汽发电机组11输出和电网D依次连接；蒸汽轮机10次高温蒸汽出口和供热装置E、制冷装置F分别连接；冷水泵12通过管道和高压旋液分离器8超临界水输出口连接。高压旋液分离器8排出的超临界水不是用于超临界发电，而是通过加入冷水G使其降温降压变成蒸汽，然后利用蒸汽轮机发电，发电后的背压蒸汽用于供热或制冷。有机污泥超临界水氧治理及资源化利用的方法，包括以下步骤
(1)利用格栅1对待处理污泥进行粗滤，除去其中的大块及条状杂物；
(2)利用污泥搅拌破碎机2对粗滤后的有机污泥进行充分的搅拌，使其中的固体颗粒进行一步破碎；
(3)关闭超临界水氧化反应器输出口53的阀门，采用污泥压力泵3对待处理的有机污泥加压，同时经预热器4加热后，输入超临界水氧化反应器5中；(4)待超临界水氧化反应器5内充入一定量的待处理污泥后，关闭污泥压力泵3，停止注入污泥，同时启动超临界水氧化反应器内置的加热器6，将其内的待处理污泥静态加热至 400 0C ；
(5)启动污泥压力泵3，控制污泥的流量，当超临界水氧化反应器5内的压力达到25、0 MPa，温度达到30(Γ500 ！时，启动氧化剂压力泵7，将氧化剂输入到超临界水氧化反应器5 内；
(6)根据超临界水氧化反应器5内的压力与温度，调节泵入超临界水氧化反应器5的待处理污泥及氧化剂的流量，使待处理污泥与氧化剂在超临界水氧化反应器5内的停留时间为10(T1000S，使其中所含的有机物、重金属离子等经充分反应生成为无机盐、水和(X)2等；
(7)由于无机盐在超临界水中的溶解度极微，反应生成的无机物会从超临界水氧化反应器5出来的超临界水中析出，因此采用高压旋液分离器8将无机盐分离并从底部排出；
(8)该反应为放热反应，从高压旋液分离器8排出的超临界水具有很高的温度和压力， 通过向其内泵入冷水，使其压力和温度达到蒸汽轮机所需的压力和温度，利用蒸汽轮机10 膨胀做功，带动发电机组11发电，产生的电能供用户使用或并入电网D，发电后的背压蒸汽用于供热E和制冷F，实现能量的梯级利用。实施例3
如图3所示，本实施例与实施例1区别在于，在高压旋液分离器8超临界水输出口和超临界发电机组输入口设有加热器12，高压旋液分离器8排出的超临界水不是直接进行超临界发电，而是通过加热器12继续加热，使其温度达到580°C以上，压力在3(T40MPa，然后用于超临界发电，从而使发电效率进一步提高，发电后的背压蒸汽用于供热或制冷。有机污泥超临界水氧治理及资源化利用的方法，包括以下步骤
(1)利用格栅1对待处理污泥进行粗滤，除去其中的大块及条状杂物；
(2)利用污泥搅拌破碎机2对粗滤后的有机污泥进行充分的搅拌，使其中的固体颗粒进行一步破碎；
(3)关闭超临界水氧化反应器5的出口阀，采用污泥压力泵3对待处理的有机污泥加压，同时经预热器4加热后，输入超临界水氧化反应器5中；
(4)待超临界水氧化反应器5内充入一定量的待处理污泥后，关闭污泥压力泵3，停止注入污泥，同时启动超临界水氧化反应器内置的加热器6，将其内的待处理污泥静态加热至 400 0C ；
(5)启动污泥压力泵3，控制污泥的流量，当超临界水氧化反应器5内的压力达到25、0 MPa，温度达到30(Γ500 ！时，启动氧化剂压力泵7，将氧化剂输入到超临界水氧化反应器5 内；
(6)根据超临界水氧化反应器5内的压力与温度，调节泵入超临界水氧化反应器5的待处理污泥及氧化剂的流量，使待处理污泥与氧化剂在超临界水氧化反应器5内的停留时间为10(T1000S，使其中所含的有机物、重金属离子等经充分反应生成为无机盐、水和(X)2等；
(7)由于无机盐在超临界水中的溶解度极微，反应生成的无机物会从超临界水氧化反应器5出来的超临界水中析出，因此采用高压旋液分离器8将无机盐分离并从底部排出；
(8)该反应为放热反应，从高压旋液分离器8排出的超临界水含有大量的热能，将其经过加热器12继续加热，使其温度达到580°C以上，压力在3(T40MPa，然后进入超超临界发电机组13，产生的电能供用户使用或并入电网D，发电后的背压蒸汽用于供热E和制冷F，实现能量的梯级利用。
权利要求
1.一种有机污泥超临界水氧化处理及资源化利用的系统，其特征是，该系统包括格栅、 污泥搅拌破碎机、污泥压力泵、预热器、氧化剂压力泵、超临界水氧化反应器、高压旋液分离器和发电系统，格栅、污泥搅拌破碎机、污泥压力泵和预热器通过输送管道依次连接，预热器的输出口连接至超临界水氧化反应器输入口，所述氧化剂压力泵连接至超临界水氧化反应器的氧化剂输入口，超临界水氧化反应器内装有加热器，超临界水氧化反应器超临界水输出口和高压旋液分离器，高压旋液分离器超临界水输出口和发电系统输入端连接。
2.根据权利要求1所述的有机污泥超临界水氧化处理及资源化利用的系统，其特征是，所述氧化剂压力泵为高压柱塞泵或压缩机。
3.根据权利要求1所述的有机污泥超临界水氧化处理及资源化利用的系统，其特征是，所述发电系统由超临界发电机组、电网、供热装置和制冷装置组成，超临界发电机组产生的电能输入电网，发电后的背压蒸汽输出至供热和制冷装置。
4.根据权利要求1所述的有机污泥超临界水氧化处理及资源化利用的系统，其特征是，所述发电系统由蒸汽轮机、蒸汽发电机组、冷水泵、电网、供热装置和制冷装置组成；蒸汽轮机高温蒸汽出口和蒸汽发电机组输入端连接，蒸汽发电机组输出和电网依次连接；蒸汽轮机次高温蒸汽出口和供热装置、制冷装置分别连接。
5.根据权利要求3所述的有机污泥超临界水氧化处理及资源化利用的系统，其特征是，在所述高压旋液分离器超临界水输出口和超临界发电机组输入口设有加热器。
6.有机污泥超临界水氧化治理及资源化利用的方法，其特征是，该方法包含以下步骤(1)利用格栅对待处理的有机污泥进行粗滤，除去其中的大块及条状杂物；(2)利用污泥搅拌破碎机对粗滤后的有机污泥进行充分的搅拌，使其中的固体颗粒进行一步破碎；(3)关闭超临界水氧化反应器的出口阀，采用污泥压力泵对待处理的有机污泥加压，同时经预热器加热后，输入超临界水氧化反应器中；(4)待超临界水氧化反应器内充入一定量的待处理污泥后，关闭污泥压力泵，停止注入污泥，同时启动超临界水氧化反应器内置的加热器，将其内的待处理污泥静态加热至 400 0C ；(5)启动污泥压力泵，控制污泥的流量，当超临界水氧化反应器内的压力达到25 50 MPa,温度达到40(Γ700 V时，启动氧化剂压力泵，将氧化剂输入到超临界水氧化反应器内；(6)根据超临界水氧化反应器内的压力与温度，调节泵入超临界水氧化反应器的待处理污泥及氧化剂的流量，使待处理污泥与氧化剂在超临界水氧化反应器内的停留时间为 100 1000s ；(7)反应生成的无机物会从超临界水氧化反应器出来的超临界水中析出，采用高压旋液分离器将无机盐分离并从底部排出；(8)从高压旋液分离器排出的超临界水含有大量的热能输入发电系统进行发电，产生的电能供用户使用或并入电网，发电后的背压蒸汽用于供热和制冷。
7.有机污泥超临界水氧化治理及资源化利用的方法，其特征是，所述的发电系统为超临界发电机组。
8.有机污泥超临界水氧化治理及资源化利用的方法，其特征是，上述步骤(8)中“将其输入发电系统进行发电”进一步包括以下改进步骤(8. 1)将高压旋液分离器排出的超临界水继续通过加热器进一步提升压力和温度，使其温度达到580°C以上，压力在3(T40MPa，用于超超临界发电。
9.有机污泥超临界水氧化治理及资源化利用的方法，其特征是，上述步骤(8)中“将其输入发电系统进行发电”具体包括以下步骤(8. 2)向高压旋液分离器排出的超临界水中泵入冷水，将其变成压力为2 14MPa的蒸汽，用于蒸汽轮机发电。
全文摘要
本发明涉及一种有机污泥超临界水氧化处理及资源化利用的系统和方法，有机污泥超临界水氧化处理及资源化利用的系统包括格栅、污泥搅拌破碎机、污泥压力泵、预热器、氧化剂压力泵、超临界水氧化反应器、高压旋液分离器和发电系统，格栅、污泥搅拌破碎机、污泥压力泵和预热器通过输送管道依次连接，预热器的输出口连接至超临界水氧化反应器输入口，所述氧化剂压力泵连接至超临界水氧化反应器的氧化剂输入口，超临界水氧化反应器内装有加热器，超临界水氧化反应器超临界水输出口和高压旋液分离器，高压旋液分离器超临界水输出口和发电系统输入端连接。
文档编号C02F11/18GK102503066SQ20111043883
公开日2012年6月20日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者周玲, 廖传华, 张阔, 朱跃钊, 杨丽, 武一鸣, 郭丹丹, 陈海军 申请人:南京凯盛国际工程有限公司, 南京工业大学