污泥和蒸汽最佳混合的水热碳化反应器的制作方法

本发明涉及处理反应器。

本发明的领域更特别地、但非限制性地是富含有机物的污泥处理的领域，污泥例如来自城市或工业污水的消除污染工艺，或者来自管网清除作业。这种处理旨在减小污泥体积，使污泥同时在生物方面和在理化方面保持稳定，以及生产增值副产品。

本发明更特别的是涉及含有有机物的污泥的连续处理、尤其是水热碳化连续处理反应器的领域。

背景技术：

现有技术发展了两类处理：

－热水解，

－水热碳化。

污泥热水解技术在20世纪初由Porteous提出。该技术使用按顺序工作的压力反应器。通常，污泥被泵送到第一反应器中，锅炉产生的蒸汽被注入到第一反应器中，直至在该第一反应器内对于1.5兆帕的压力获得约180℃的温度。接着将该温度保持30分钟，随后将污泥在其固有压力下通过热交换器排出。该热交换器用于从第一反应器排出的污泥中回收热量，及用于加热进入第二反应器的污泥。自此后对这种技术进行了许多发展和改进，以提高生产率和确保连续工作。对水解污泥继而进行生物处理，例如厌气消化，以由此产生生物气，来减少污泥量。

水热碳化技术(HTC)接近热水解，但水热碳化技术并非旨在准备污泥以消化污泥。而是水热碳化技术旨在准备污泥，以利用一般比热水解中更高的压力和热量，在比热水解中更长的时间期间(数小时)，且一般存在试剂，来将污泥转变成高质量的生物炭。

水热碳化技术也可产生生物炭，其为一种类似于腐殖质的产物，可用于改良农业用地，封存二氧化碳。水热碳化技术由Friedrich Bergius于1913年提出，该技术使其在1931年获得诺贝尔化学奖。

这些处理在反应器中或者以顺序方式(分批)进行，实施起来更简单，或者近来以连续方式进行。

在现有技术中已知专利FR3010403，该专利提出一种污泥热水解方法和装置，其具有管式热水解反应器，管式热水解反应器具有第一竖直部分，第一竖直部分由第二竖直部分直接延长。反应器的入口布置在所述第一竖直部分的上部。所述反应器的出口布置在所述第二竖直部分的下部，反之亦然。反应器的入口由至少一个动态初级注射混合器供料，其具有初级均匀混合物出口。含有有机物的待处理污泥输入到该动态初级注射混合器中，所述动态初级注射混合器还具有使新鲜蒸汽(vapeur vive)输送到动态次级注射混合器中的输送装置。

欧洲专利WO2014135734提出一种水解设备，其具有两个串联连接以使待处理有机物循环的循环区部、以及用于向第一循环区部连续供给有机物的装置，用以从该第一循环区部向第二循环区部传送有机物以及从第二循环区部排出有机物。蒸汽和有机物、通常是污泥，在相同部位注入，如同专利FR3010403中那样。

现有技术中解决方案的缺陷

现有技术的这些解决方案不完全令人满意，因为它们意味着在注入到反应器中时要供给大量蒸汽。这表现为能量消耗不好掌握、运行成本高以及干度降低。

现有技术的解决方案适于对于约30分钟的较短停留时间、在通常为0.6兆帕和150℃的中等压力和温度条件下进行的处理。特别是，它们涉及热水解处理，以准备污泥用以进行后面的厌气消化工序。

另外，输入反应器中的污泥可能含有会堵塞反应器的入口或破坏反应器的内部结构的固体废料、尤其是矿物聚集体。现有技术中的解决方案不能减少反应器中的这些因素。

最后，均化污泥蒸汽混合物所需的注射混合器构成昂贵和易损的设备。

技术实现要素：

本发明旨在解决至少一个上述问题或上述缺陷。

为了克服这些缺陷，本发明提出一种反应器，用于对带有有机物的污泥进行处理、尤其是水热碳化处理，反应器具有：

-壳体，壳体具有内室，所述内室用于接纳污泥及用于构成能允许污泥循环的污泥循环通道，

-污泥入口，用于使污泥输入到内室的污泥输入区中，

-污泥出口，用于排放内室中容纳的至少一部分污泥，以及

-蒸汽入口，用于沿蒸汽注入方向将蒸汽注入到内室的蒸汽注入区中，蒸汽注入方向不同于在蒸汽注入区中沿污泥循环通道的污泥循环方向，蒸汽注入区与污泥输入区分开。

优选地，内室具有竖直尺寸L(竖直方向沿地心引力确定)，蒸汽注入区可与污泥输入区分开一段大于L/12、优选大于L/8、更优选大于L/4的距离。该距离视为相应污泥入口和蒸汽入口的两点之间的最短距离。

蒸汽注入方向可以与蒸汽注入区中的(平均)污泥循环方向相对(优选相反)。以与污泥逆流地注入蒸汽使这种注入产生的涡流最佳化。

反应器还可具有循环器，用于使污泥在内室中沿循环通道循环。

优选地，循环通道具有至少一个闭合回路。

在该文献中，术语“下部”、“上部”、“高”、“低”、“上行”、“下行”、“上方”、“下方”又或者“置于……之上”是相对于地心引力确定的竖直方向而言的。

反应器可在内室的上部部分中具有除气容积，除气容积用于收集污泥中含有的气体散发物，反应器还可具有至少一个排气口，用于排放这些气体散发物。

优选地，反应器可具有至少一个孔口，用于将酸注入到壳体中

在本发明的一种实施方式中，壳体具有壁，壁用于分开污泥循环通道的具有相反的(一般)污泥循环方向(部件)的两个部分。

在该实施方式中，壁可形成管。内室可具有位于管内的内部空间和位于管外的外部空间。

根据本发明的第一变型，反应器布置成使得：

-蒸汽注入区位于管的内部空间的下部区域中，下部区域具有管的第一端部，

-循环器至少部分地位于管的内部空间的上部区域中，上部区域具有管的与第一端部相对的第二端部，以及

-污泥输入区位于管的内部空间的下部区域与上部区域之间。

根据本发明的第二变型，反应器布置成使得：

-污泥输入区位于管的内部空间的下部区域中，下部区域具有管的第一端部，

-循环器至少部分地位于管的内部空间的上部区域中，上部区域具有管的第一端部，以及

-蒸汽注入区位于管的内部空间的下部区域与上部区域之间。

在另一种实施方式中，与上述特征的多种组合相兼容地，壳体具有内套筒，用于至少部分地界定循环通道以构成：

-上行道，其位于在内室的内表面与套筒之间的环形通道中，

-下行道，其位于套筒形成的圆柱形导管中，

-上部横向区段，用于允许污泥从上行道向下行道循环，

-下部横向区段，用于允许污泥从下行道向上行道循环。

可替换地，内套筒可用于至少部分地界定循环通道以构成：

-下行道，其位于在内室的内表面与套筒之间的环形通道中，

-上行道，其位于套筒形成的圆柱形导管中，

-上部横向区段，用于允许污泥从上行道向下行道循环，

-下部横向区段，用于允许污泥从下行道向上行道循环。

根据又一种实施方式，循环通道至少部分地由下述构件界定：

-第一管，其限定上行通道，

-第二管，其限定下行通道，

-第一横向导管，其布置成第一和第二管在它们的上部部分通到该第一横向导管，反应器在第一横向导管的上部部分具有除气容积，除气容积用于收集污泥中含有的气体散发物，以及

-第二横向导管，其布置成第一和第二管在它们的下部部分通到该第二横向导管。

当反应器具有循环器时，循环器可用于产生污泥在第二横向导管中的循环。

反应器还可具有旋液分离器，用于有选择地去除在壳体中循环的污泥中含有的(重)颗粒。

附图说明

通过阅读以下参照附图所示的非限制性实施方式和实施例的详细说明，本发明的其他的优点和特征将体现出来，附图中：

-图1是根据本发明的第一种实施方式的反应器的剖面示意图；

-图2是根据本发明的第二种实施方式的反应器的剖面示意图；

-图3是根据本发明的第三种实施方式的反应器的剖面示意图；

-图4是与图3的反应器兼容的旋液分离器的剖面示意图。

具体实施方式

下面描述的实施方式是非限定性的，尤其可以考虑本发明的这种变型：其只包括描述特征的选择——如果该特征选择足以赋予技术优点或者足以使本发明不同于现有技术的话，所述特征独立于描述的其它特征(即便在包括所述其它特征的一个句子内该选择也是独立的)。该选择包括至少一个特征，优选是没有结构细节或者只有部分结构细节的功能性特征——如果仅该部分细节就足以赋予技术优点或足以使本发明不同于现有技术的话。

在对实施方式和变型的本说明中，蒸汽默认为水蒸汽。

在本说明书中，表述反应器中污泥、混合物或者液体的“循环”系指反应器中污泥、混合物或者液体的任何运动。

在本说明书中，表述“循环通道”系指反应器中沿其进行所述任何运动的通道。

根据本发明的反应器通常能对带有有机物的污泥进行水热碳化处理。

图1表示根据本发明的第一种实施方式的反应器的剖面图，反应器具有：

-壳体100，壳体具有内室，内室用于接纳污泥及构成适于允许污泥循环的污泥循环通道，污泥沿通道的一般循环方向在图1上由箭头2和4示出，箭头2和4这里限定下行方向2和上行方向4，

-污泥入口1，用于使污泥输入到内室的污泥输入区中，

-污泥出口11，用于排放内室中容纳的至少一部分污泥，以及

-蒸汽入口3，用于沿蒸汽注入方向将蒸汽注入到内室的蒸汽注入区中，蒸汽注入方向不同于在蒸汽注入区中沿循环通道的一般污泥循环方向2，蒸汽注入区与污泥输入区分开。

要注意的是，蒸汽入口3没有齐平于壳体100的内室的内表面，而是通到壳体100的内室中央，以致蒸汽入口3被壳体100的内室中所含的污泥+蒸汽混合物环绕。

在该实施方式中，所谓污泥循环，通常是指污泥的相对移动，限定污泥在反应器100内通常为0.1至3米/秒的平均移动速度Vd、污泥由第一入口11注入的通常为0.005至0.1米/秒的平均注入速度Ve、又或者通常为5至100的比率Vd/Ve。

在图1的示例中，以剖面图示出的壳体100为封闭的壳体(即其内部经常不与自由空气连通)。壳体100围绕竖直方向(图1上由高向低或者由低向高的方向)大致呈圆柱形，圆柱形的壳体100由下表面108和上表面109封闭，上下表面大致呈半球形(凹状表面)。

内室具有竖直尺寸L，竖直方向由地心引力确定。在图1所示的反应器中，地心引力沿所述竖直方向施加。

竖直尺寸L这里相当于沿所述竖直方向测得的壳体100的内室的高度，该高度使经过下表面108(从壳体内部看呈凹状)的最低点的水平平面连接于经过上表面109(从壳体内部看呈凹状)的最高点的水平平面。

如图1所示，蒸汽注入区与污泥输入区分开。优选地，这些区分开的距离大于L/12，优选大于L/8，更优选地大于L/4，该距离视为相应地污泥入口1和蒸汽入口3的两点之间的最短距离。

另外，蒸汽注入方向与蒸汽注入区中的污泥循环方向相对(优选相反)。

在本说明书中，表述“蒸汽注入方向与蒸汽注入区中的污泥循环方向相对”是指：对于在蒸汽注入区中沿主方向(在图1情形中竖直向下)的(一般)污泥循环方向，蒸汽注入方向具有与主方向相反的至少一个分量(竖直向上)。换句话说，对于在蒸汽注入区中沿主方向的(一般)污泥循环方向，蒸汽注入方向与主方向形成pi/2到3*pi/2弧度之间的角。优选地，该角具有pi弧度(相反的矢量)。

因此，在图1中可看到，蒸汽入口3实现蒸汽通过支管(piquage)的注入，支管设在壳体底部，以使蒸汽入口3通到内室中的区域2b中，污泥在区域2b中沿下行方向2移动，并且以使这种蒸汽注入大致向上进行(如箭头3a、3b、3c和3d所示)。因此，蒸汽以与向(区域2b中箭头2表示的)污泥循环方反向地注入。蒸汽可由一个中央喷嘴又或多个喷嘴3a、3b、3c、3d注入。喷嘴3a、3b、3c、3d可连接于一个或多个导流板或散流器(未示出)，以增大涡流。

在图1所示的实施方式中，蒸汽入口3和污泥入口1布置成使得蒸汽注入高度A1低于污泥输入高度A2。

蒸汽与污泥之间发生强烈搅动，其中，蒸汽趋向于向壳体100的上部上升，而污泥流变性小，接近水，趋向于向壳体100的下部下降。这种搅动使可能的尚未液化的污泥团块破碎。此外，这种搅动加剧蒸汽冷凝，从而向周围环境快速提供其热量。

图1所示的反应器的壳体100具有内套筒101，内套筒用于界定循环通道以构成：

-上行道4b，其位于在内室的内表面与套筒101之间的环形通道中，

-下行道2b，其位于套筒101所形成的圆柱形导管中，

-上部横向区段21，用于允许污泥从上行道4b向下行道2b循环，

-下部横向区段22，用于允许污泥从下行道2b向上行道4b循环。

在所描述的实施例中，污泥的输入通过通到下行道2b的支管1进行。为此，污泥输入导管穿过壳体100的壁以及内套筒101，以通到下行道2b中。

图1所示的反应器还具有循环器6，例如叶片式循环器，用于使(与蒸汽混合的)污泥在内室中沿循环通道循环，即用于直接在反应器内产生或者保持(与蒸汽混合的)污泥的循环(即运动)，而不受污泥由污泥入口1输入到反应器的壳体100中的输入速度的方向和幅度的影响。

根据未示出的变型，该循环器6可包括：

-具有一个或多个叶片的搅拌器，和/或

-螺旋器，和/或

-泵，和/或

-污泥循环回路，和/或

-起泡器。

优选地，循环器6布置在下行道2b的上部部分中，并在上部横向区段21的下方和污泥输入区的上方。

换句话说，图1所示的壳体100具有壁101(该壁相应于前述内套筒101)，壁101用于分开循环通道的具有相反的污泥循环方向2、4的两个部分。因此，污泥在上行道4b中沿上行方向4循环，在下行道2b中沿下行方向2循环。

在该实施例中，壁101形成管，壳体100的内室具有在管101内的内部空间(下行道2b)、和在管外的外部空间(上行道4b)。管101相应于前述内套筒101。

在该第一种实施方式中，反应器布置成使得：

-蒸汽注入区位于管101的内部空间2b的下部区域中，下部区域具有管的第一端部(图1中向下)，

-循环器6至少部分地位于管101的内部空间2b的上部区域中，上部区域具有管的与第一端部相对的第二端部(图中向上)，以及

-污泥输入区位于管101的内部空间2b的下部区域与上部区域之间。

因此，循环通道具有至少一个闭合回路，在图1所示的实施例中，所述闭合回路经过管101的内部2b和外部4b。每个闭合回路还具有向污泥出口11的分支。

理想地，如果考虑反应器中污泥流循环路线，那么，这些污泥流循环路线形成具有可能朝向污泥出口11的分支的至少一个闭合回路。

反应器在内室的上部部分中、在上部横向区段21上方具有除气容积8，用于收集污泥中含有的气态散发物，反应器还具有至少一个排气口10，用于排放这些气体散发物。

该除气容积8在图1上由壳体100中容纳的污泥所到达的料位N、由壳体100的所述上表面109、以及由壳体100的内室的一部分内表面加以界定，该内表面是大致圆柱形状的内表面。

由料位N接连划分除气容积8和壳体100中容纳的污泥的界线是因为反应器处于压力下并且除气容积8中收集的气体排放物向下推动污泥。

反应器的壳体100中容纳的污泥通常连续地循环，以使污泥在通过污泥出口11排放之前进行多个周期(或者沿相同的循环通道多次通过)。

为了说明反应器的实施方式，污泥进入流在循环器6的叶片与蒸汽注入3喷嘴3a、3b、3c、3d之间，输入到下行道2b中。在污泥输入区和蒸汽注入区这两个区域之间，由于蒸汽和污泥逆流循环，污泥和蒸汽构成的混合物经受强力涡流。这些涡流增大蒸汽与污泥之间的相互作用，从而可均匀化混合物。污泥可能含有纤维，纤维在沿经下行道2b、下部横向区段22、上行道4b、然后是上部横向区段21的循环通道到达循环器6上之前，在与蒸汽相互作用的区域中大大分解。因此，纤维缠绕在循环器6的叶片上的问题减少。

另外，使用这种实施方式，污泥中含有的无机物部分和聚集体趋向于在重力作用下沉积在壳体100的内室的底部(下表面108的内面上)，从而减少这些无机物部分和聚集体与循环器6的叶片的相互作用。

内套筒101的尺寸确定成使得，污泥在上行道4b处的平均循环速度与在下行道2b中的平均循环速度为相同数量级。污泥在上行道4b与下行道2b之间的循环速度比约为0.5至5。通常，上行道2b中的速度是0.1-3米/秒，典型地为0.5-1.5米/秒。

在一种实施方式中，冷污泥注入到下行道2b中的注入速度低于循环速度，通常约为0.005至0.1米/秒。由于蒸汽对污泥的剪切现象，输入的冷污泥被热污泥快速带动循环而均匀混合，其温度因而升高较快。

由于循环器6，通过与注入蒸汽相互作用而被均匀混合的污泥被引导到上行道4b中，在上行道中污泥继续均匀化。

接着，污泥-蒸汽混合物到达上部横向区段21，在涡流方面平静下来。在该上部横向区段21中，不冷凝气泡与污泥分开，上升到除气容积8中而不向下分布。气泡分离这样所产生的气体通常由通过压力调节器(未示出)控制的阀(未示出)、经排气口10定期排出。

接着，污泥通过循环器6回到下行道2b中。在该阶段，污泥液化，大部分污泥块缩小成不再影响循环器6的运行。接着，可在多个污泥循环周期，相继在下行道2b与上行道4b之间(即在闭合回路中)进行碳化反应。

防旋涡系统例如叶片7可安装在循环器6的上方，以防在反应器的下行道2b中形成优先通道和旋涡式涡流。

图1所示的反应器具有孔口9，孔口9用于注入酸到壳体100中。优选地，在污泥输入区的下游(相对于污泥循环而言)且在蒸汽注入区的上游，酸被注入到下行道2b中。酸的这种注入也可在上行道4b中或者上部横向区段21或下部横向区段22中的一个或另一个中进行(未示出)。

碳化污泥的排放，即其从壳体100的内室由污泥出口11的排出，优选在反应器的下部、在下部横向区段22处，例如在壳体100的底部，由穿过下表面108实现的支管进行。这种配置可排出和去除不可碳化的固体物质，例如砂。因此，这些固体物质优选从反应器排出，而污泥的液态有机内含物继续在循环通道上循环。

应当指出，在循环器6发生故障的情况下，蒸汽由蒸汽入口3的注入允许在下行道2b中搅动污泥，进行自然循环。

图2示出本发明的第二种实施方式，其中，反应器具有与第一种实施方式的反应器相同的机械装置或构件。不同之处只是这些机械装置或构件的布置。因此，主要以与图1的不同之处来描述图2。

在该第二种实施方式中，污泥在上行道4bb的下部输入。

下行道2bb不再如同图1所示解决方案中那样位于管101的内部空间4bb中，而是位于在管101外部的空间2bb中。

因此，上行道4bb位于套筒101内。如同图1所示解决方案中那样，下行道2bb和上行道4bb两者由上部横向区段21和下部横向区段22进行连接。

蒸汽注入由通到在套筒101内部空间的上行道4bb中的支管进行。

污泥输入到在管101的内部空间的上行道4bb中。

在图2所示的第二种实施方式中，蒸汽入口3和污泥入口1布置成污泥输入高度A3低于蒸汽注入高度A4。

与图1所示的实施方式类似地，反应器还具有防旋涡系统7，其这次是安装在循环器6的下方，即相对于污泥循环方向4安装在循环器6的上游。

可以采用任何其他配置，例如污泥入口1和/或蒸汽入口3布置成输入污泥和/或注入蒸汽到上行道4b中(图1的实施方式)，或者输入污泥和/或注入蒸汽到下行道2bb中(图2的实施方式)，但是，其相对于这里描述的实施方式没有带来显著优点。

图3和4示出第三种实施方式，其中，循环通道由下述构件限定：

-第一管，其限定上行通道4bc，

-第二管，其限定下行通道2bc，

-第一横向导管5，其布置成使得第一和第二管在它们的上部部分通到该第一横向导管5，反应器在第一横向导管5的上部部分具有除气容积8，除气容积用于收集污泥中含有的气体散发物，以及

-第二横向导管12，其布置成使得第一和第二管在它们的下部部分通到该第二横向导管12中。

与图1和2的实施方式类似地，除气容积8在图3上由壳体100中容纳的污泥到达的料位N、由壳体100的上表面109、以及由壳体100的内室的一部分内表面界定。

另外，循环器6，例如离心泵，在该实施例中，用于产生污泥在第二横向导管12中的循环。

在该第三种实施方式中，蒸汽入口3用于在下行通道2bc的下部、以与反应器中容纳的污泥的循环方向反向地注入蒸汽。

污泥入口1用于由位于上行通道4bc下部的支管输入冷污泥，以允许污泥在其到达循环器6处、及由污泥出口11从反应器排出之前，移动最长时间。

污泥在其中低速循环的第一横向导管5允许向除气容积8、然后向排放孔10除去不冷凝气体。

在该第三种实施方式中，酸可由孔口9注入到上行通道4bc中(如图3所示)或者下行通道2bc中(未示出)。

排放支管11位于第二横向导管12中，用以优选在循环器6的上游(相对于污泥循环)，构成污泥出口，使得在重力作用下或者由例如图4所示的旋液分离器400，优先排出污泥中含有的无机物颗粒。

备用支管11b布置在上行通道4bc的下部，用于排放在该部位处产生的可能聚集的重颗粒。该备用支管11b的周期性开启可周期性地排放聚集的颗粒。

可替换地，污泥的输入也可在下行通道2bc中进行(未示出)。在这种情况下，循环器6优先位于上行通道4bc中(未示出)。

循环器6和污泥入口1的相应位置可采用任何其他配置，但是，相对于这里描述的实施方式，所述任何其他配置并没有提供显著的优势。

应当指出，如果循环器6由可接纳固体物料的离心型泵构成，那么，污泥也可直接在循环器6上游注入，以在循环器中被破碎来获得更良好的均匀化(未示出)。但是，这种方式意味着在污泥输入到反应器中之前必然要进行污泥预处理，以确保循环器6中不会发生任何纤维缠绕。

图4示出旋液分离器400，其可在图3的反应器上安装在第二横向导管12中并在排放支管11处。

这种旋液分离器400用于有选择地去除污泥中含有的重颗粒(重砂)。现有技术人员公知的离心分离原理允许去除重砂，而允许略微液化的物质继续在反应器中循环移动。

在如图3所示的反应器中布置如图4所示的旋液分离器400，可允许最少量的磨蚀物质在壳体100的内室和循环器6中循环。

显然，本发明并不局限于刚描述的实施例，许多布置可提供给这些实施例，而这不会超出本发明的范围。例如，图4所示的旋液分离器可用于图1或图2所示的实施方式中。另外，本发明的不同的特征、形状、变型和实施方式只要不是互不相容或不是相互排斥，则可根据各种组合彼此结合。