能效系统和水解污泥的方法与流程

本发明涉及处理污泥或有机废物的系统和方法，且更具体地讲，涉及热水解污泥或有机废物的系统和方法。

发明背景

各种系统和方法用于处理污泥和有机废物。例如，有时使污泥和有机废物经过热水解过程，该过程可在厌氧消化之前或之后进行。热水解过程导致细胞壁在高温和高压条件下破裂，且一般产生更容易生物降解的高溶解污泥。具体地讲，热水解采用130℃至180℃范围的高温和一般在3-10bar abs范围的高压。在与厌氧消化结合使用时，热水解过程使长链聚合物解耦(decouples)，且使蛋白水解，且热水解一般使污泥或有机废物以使厌氧消化更有效的方式转化。

热水解过程消耗大量能量。一般通过注射蒸汽并使蒸汽与污泥在水解反应器中混合产生用于水解污泥所需范围的温度和压力。蒸汽注射是污泥水解的高能量密集方面，且废能回收是相对于污泥水解的重大关切问题。在一些情况下，已知在批量水解过程中通过蒸汽闪蒸进入引入污泥或通过加热锅炉进水产生新蒸汽来部分回收能量。这些过程的特征是不太理想的效率和很高成本。

因此，需要并且继续需要改善热水解系统和方法的能量效率。

发明概述

本发明涉及水解污泥或有机废物的热水解系统和方法，该方法连续回收用于热水解过程的大量的能量。

在一些实施方案中，将经水解的污泥引入到废热锅炉，且用于加热锅炉进水并形成蒸汽，蒸汽用于加热引入热水解系统的污泥。在一些情况下，由废热锅炉产生的蒸汽与由主锅炉产生的蒸汽组合。

在其它实施方案中，闪蒸罐布置在热水解系统下游。经水解的污泥连续引入闪蒸罐，并通过在热水解系统和闪蒸罐之间提供受控压降，在闪蒸罐中连续闪蒸蒸汽。该蒸汽被回收，并独立或与由主锅炉产生的蒸汽组合用于加热引入热水解系统的污泥。

另外，本文公开有效混合由废热锅炉、闪蒸罐或主锅炉产生的蒸汽与引入热水解系统的污泥的几种选择。

在一个实施方案中，本发明包括热水解污泥的能效方法。该方法包括将污泥引入一个或多个蒸汽-污泥混合器。从蒸汽-污泥混合器将污泥引入到热水解系统，在此热水解污泥，并形成经热水解的污泥。在此过程中存在主锅炉。第一进水引入到主锅炉，且主锅炉产生新鲜蒸汽。另外，该方法利用与经热水解的污泥相关联的热以产生补充蒸汽。该方法进一步包括结合新鲜蒸汽和补充蒸汽，以形成蒸汽混合物，并在至少一个蒸汽-污泥混合器中混合蒸汽混合物与污泥，或可替代地，在一个或多个蒸汽-污泥混合器中分开混合新鲜蒸汽和补充蒸汽。分开混合指在将新鲜蒸汽和补充蒸汽混合在一起之前使新鲜蒸汽和补充蒸汽与污泥混合。其一个实例为将新鲜蒸汽引入一个混合器，且补充蒸汽引入另一个混合器。本文所述方法可通过两种过程之一产生补充蒸汽。第一，这可由将经热水解的污泥从热水解系统引入到并通过废热锅炉，并且将第二进水进料到并通过废热锅炉以产生补充蒸汽来实现。第二个选择是将经热水解的污泥从热水解系统引入到闪蒸罐，并通过热水解系统和闪蒸罐之间的压降，在闪蒸罐中产生补充蒸汽。

在本发明的另一个实施方案中，该方法包括通过将污泥引入到蒸汽-污泥混合器且随后将污泥引入到产生经热水解的污泥的下游热水解系统来热水解污泥的能效过程。该方法包括将第一进水进料到主锅炉，并产生新鲜蒸汽。该方法进一步包括利用与经热水解的污泥相关联的热以产生补充蒸汽。这可由经热水解的污泥引入并通过废热锅炉，并且第二进水进料并通过废热锅炉，并且加热第二进水以产生补充蒸汽来实现。该方法也包括从主锅炉引导新鲜蒸汽通过其中具有蒸汽注射器的蒸汽管线。补充蒸汽通过蒸汽注射器注射到蒸汽管线，并与新鲜蒸汽混合，以在蒸汽管线中形成蒸汽混合物。该方法包括将蒸汽混合物引入到位于热水解系统上游的蒸汽-污泥混合器，并使蒸汽混合物与其中的污泥混合。

在本发明的另一个实施方案中，热水解污泥的方法包括将污泥引入一个或多个蒸汽-污泥混合器。然后将污泥从至少一个混合器引入到热水解系统，热水解系统产生经热水解的污泥。存在主锅炉接收进水，并产生新鲜蒸汽。该新鲜蒸汽从主锅炉通过蒸汽管线引入到位于热水解系统上游的一个或多个蒸汽-污泥混合器。该方法进一步包括利用与热水解系统相关联的热产生补充蒸汽。这通过将经热水解的污泥引入闪蒸罐，并在热水解系统和闪蒸罐之间保持压降，以使闪蒸罐产生补充蒸汽来实现。随后，该方法包括将补充蒸汽从闪蒸罐引入到位于热水解系统上游的至少一个蒸汽-污泥混合器来实现。

从以下描述和附图的研究，本发明的其它目的和优点将变得显而易见，以下描述和附图只为说明本发明。

附图简述

图1为显示利用废热锅炉产生用于加热引入热水解系统的污泥的蒸汽的示例性热水解方法的示意图。

图2类似于图1，但显示备选方法。

图3为在很多方面类似于图1和2中所示方法的示例性热水解方法的另一个示意图。

图4为显示在热水解过程下游采用闪蒸罐的示例性方法的示意图。

图5类似于图4，但显示备选方法。

图6为采用闪蒸罐的热水解方法的又一个备选实施方案。

图7类似于图4-6，但显示备选方法。

图8显示在热水解系统下游采用闪蒸罐回收热能的另一种备选方法。

图9为在很多方面类似于图4-8中所示方法的又一种备选方法。

图10为包括用于加热引入污泥的有效设计的热水解方法的示意图。

图11描绘类似于图10中所示的方法。

示例性实施方案描述

进一步参考附图，其中显示用于处理污泥或有机废物的系统，且一般由数字100表示。术语“污泥”在本文中使用，且包括有机废物。具体参考图1-3，看到用于处理污泥的系统100包括用于接收和容纳污泥的料斗4，和用于从其输送污泥的在料斗底部布置的输送机32。在输送机32出口侧上布置泵6，泵6可包括螺杆泵(progressive cavity pump)。泵6操作成将污泥泵送到污泥-蒸汽动态混合单元5。一般污泥和蒸汽在混合单元5中的保留时间少于5分钟，且混合单元中转子的速度大于2,000转/分钟。在图2所示的实施方案中，提供一对污泥-蒸汽混合单元5A和5B。在图2实施方案中，提供在混合单元5A和5B之间操作性互连的泵6B。

在污泥-蒸汽混合单元的下游是热水解系统，一般由数字102指示。在本文所示实施方案的情况下，热水解系统102包括三个分批反应器或罐1、2和3。一系列污泥引入管线18、20和22在反应器1、2和3和污泥-蒸汽混合单元5之间操作性互连。另外，存在一系列污泥引出管线17、19和21从反应器1、2和3延伸，并用于从相应反应器输送污泥。另外，各个热水解反应器1、2或3包括蒸气排出阀25，用于从反应器排出不可冷凝气体。

污泥引出管线17、19和21通到废热锅炉7。废热锅炉7可采取各种设计和形式。在一个示例性设计中，废热锅炉7包括一系列延伸通过锅炉实质部分的管。如在图1中看到，废热锅炉7包括连接到管线40的污泥出口，管线40延伸通过两个热交换器(热交换器12和13)或与其呈操作性关系。在热交换器13下游是泵14，用于在一个实例中将管线40中的污泥泵送到厌氧消化器(未显示)。另外，废热锅炉7包括进水入口42和蒸汽引出管线44。可以在具有或不具有厌氧消化过程的情况下采用热水解系统100。另外，即使在结合厌氧消化器采用时，可在厌氧消化器上游或下游采用热水解系统100。

本文公开的系统和方法采用各种手段来冷却污泥引出管线40中的污泥。在一个实施方案中，泵34用于引导经处理的废水通过用于冷却在其中通过的污泥的目的的冷却热交换器13。另外，存在可能需要稀释在管线40中通过的污泥的一些情况。在此情况下，可通过泵33泵送A级稀释水，并沿污泥引出管线40在一个或多个位置注入。

除了废热锅炉7外，也提供主锅炉10用于产生蒸汽，蒸汽用于与引入的污泥混合。因此，将锅炉进水、饮用水泵送到水处理单元15，用于在进水引入任一锅炉之前处理进水。在水处理单元15中处理后，引导锅炉进水通过热交换器12，且一般用于为通过污泥引出管线40的污泥提供附加冷却。将来自热交换器12的进水引入到脱气器11。在脱气器中，从进水脱去不可冷凝气体，例如CO₂和O₂。可使用各种类型脱气器。在本文所示实施方案中，从主锅炉10的蒸汽通过蒸汽管线46引入到脱气器11，在此蒸汽接触流动通过脱气器的进水，并去除某些气体。从脱气器11，通过泵31将进水泵送到主锅炉10、废热锅炉7或进入注水管线48。一系列阀，阀23A、23B和23C控制进水从泵31流到锅炉7和10以及流到注水管线48。如在图1中看到，泵31操作成将锅炉进水通过阀23A和通过管线50泵送到主锅炉10。另外，泵31操作成将进水通过阀23B和通过管线52泵送到罐54，罐54也传送性连接到从废热锅炉7引出的蒸汽管线44。阀23C控制进水从泵31流动通过注水管线48。在实际中，由致动器控制或打开和关闭阀23C。

蒸汽管线58从主锅炉10延伸，用于输送由主锅炉产生的蒸汽。在蒸汽管线58中布置蒸汽注射器8，蒸汽注射器8也传送性连接到从罐54延伸的较低压力蒸汽管线60(图1-3)。可采用各种形式的蒸汽注射器8。在一个实施方案中，蒸汽注射器8采取喷射器形式，喷射器操作成将由废热锅炉7产生的蒸汽从蒸汽管线60引入主蒸汽管线58，在此混合由主锅炉10和废热锅炉7产生的蒸汽。

在蒸汽注射器8下游是注水器9，注水器也布置在主蒸汽管线58中。注水器9传送性连接到注水管线48。在注水管线48中布置的阀24控制水流到注水器9。在一个实施方案中，温度传感器与蒸汽管线58相关联，用于感测其中通过的蒸汽的温度。在需要冷却蒸汽管线58中的蒸汽时，温度传感器操作成启动控制阀24，以降低管线58中蒸汽的温度。

如图1中所见，在注水器9下游流动的蒸汽引入到污泥-蒸汽混合单元5，在此注入并在污泥引入到热水解分批反应器1、2和3之前与污泥混合。

图3显示其中蒸汽管线58通到在料斗4的输送机32的备选实施方案。有时将此称为蒸汽注入料斗4的“活底(live bottom)”。在一些实施方案中，涵盖将用于加热污泥的蒸汽注入料斗4的“活底”。在这些情况下，可在下游没有污泥-蒸汽混合单元。在其它实施方案中，部分蒸汽从蒸汽管线58送入蒸汽管线62，蒸汽管线62操作成将蒸汽递送到污泥-蒸汽混合单元5。在此实施方案中，蒸汽在两个点引导，且污泥在输送机位置以及在一个或多个污泥-蒸汽混合单元与蒸汽混合。例如参加图3。

现在转向图4-9中所示的实施方案，由位于热水解系统102下游的闪蒸罐35产生辅助或补充蒸汽。具体地讲，来自分批反应器1、2和3的经水解的污泥引入闪蒸罐35。如后讨论，在热水解系统102和闪蒸罐35之间存在受控压降。蒸汽通过由控制或打开阀37产生的减压闪蒸出闪蒸罐35。如图4-9中所示，在闪蒸罐35中的经闪蒸的蒸汽代表从热水解过程回收的能量，并用于加热分批反应器1、2和3中的随后批次的污泥。

在图4实施方案中，来自闪蒸罐35的蒸汽通过蒸汽管线64连接到输送机32或料斗4的“活底”。由生物气锅炉10产生的蒸汽通过管线58引入到下游污泥-蒸汽混合单元5。因此，在这种情况下，蒸汽在热水解系统102上游的两个位置与污泥混合。在图5实施方案中，在闪蒸罐35中收集的蒸汽通过管线64引入到位于泵6和污泥-蒸汽混合单元5之间的平行搅浆机16。与动态混合器比较，预热罐，如搅浆机，将具有较长污泥保留时间。在预热罐或搅浆机中混合通常由再循环泵提供。在此情况下，可以将主要新鲜蒸汽管线58中的蒸汽引入到污泥-蒸汽混合单元5或引入到平行搅浆机16或二者。转向图6中所示实施方案，在闪蒸罐35中收集的蒸汽通过管线64引入到第一污泥-蒸汽混合单元5A，而将来自主锅炉10的蒸汽引入到下游污泥-蒸汽混合单元5B。在图7实施方案的闪蒸罐35中收集的蒸汽通过蒸汽管线64引入到包括泵31的再循环回路。再循环回路传送性连接到搅浆机16，并使污泥再循环通过再循环回路。将主要新鲜蒸汽管线58中的蒸汽引入到下游污泥-蒸汽混合单元5。

在图8中描绘的过程在很多方面类似于以上所述和在图2中所示的过程，不同之处在于废热锅炉7被闪蒸罐35代替。在图8实施方案的情况下，从闪蒸罐35排出的蒸汽通过蒸汽注射器或喷射器8从管线66引入主蒸汽管线58，在此闪蒸蒸汽与由主锅炉10产生的蒸汽混合。在此情况下，管线58中的经混合蒸汽引入到第一污泥-蒸汽混合单元5A。由主锅炉10产生的部分蒸汽可通过管线62转到第二下游污泥-蒸汽混合单元5B。图9中所示实施方案类似于图8中所示和以上讨论的实施方案，不同之处在于在蒸汽管线58中组合的蒸汽引入到料斗4的“活底”。由锅炉10产生的部分蒸汽可通过管线62转到污泥-蒸汽混合单元5。

在图10中所示的实施方案排除废热锅炉7和闪蒸罐35二者。在此情况下，由主锅炉10产生的蒸汽通过管线58引入到污泥-蒸汽混合单元5。在图11中所示的实施方案中，废热锅炉7和闪蒸罐35不并入整个系统和过程。然而，经水解的污泥从热水解系统102引入到热交换器68，热交换器68操作成将热从污泥引出管线40转移到在泵6和污泥-蒸汽混合单元5之间延伸的污泥引入管线。

以上讨论的系统和方法设计成在热水解污泥过程中得到最低可能能耗。这由优化热水解过程和尽可能多地回收能量成为可能。这至少部分通过采用废热锅炉7或闪蒸罐35实现。在两种情况下，与经水解的污泥相关联的热能用于产生辅助或补充蒸汽，辅助或补充蒸汽与由主锅炉10产生的新鲜蒸汽组合或与其结合使用。

来自城市或工业废水处理厂的污泥一般具有约10%和约40%之间的干固含量。如上讨论，该污泥在热水解系统102上游的一个或多个点与蒸汽混合。一般蒸汽在约150℃至约200℃。在与污泥混合时，污泥-蒸汽混合物的平均温度一般为140℃-180℃。如上讨论，可以按多种方式实现污泥-蒸汽混合物。这些在图1-11中图示。在一些情况下，在同一蒸汽-污泥混合器中混合污泥和蒸汽。在其它情况下，将蒸汽注入污泥，并通过注射阀与其混合。在一些实施方案中，搅浆机16或其它便利结构可用于用污泥吸收蒸汽并与其混合。通过加入蒸汽并加热污泥，可见污泥粘度将减小，并因此更容易地泵送或输送污泥。

在本文讨论的示例性实施方案中，将污泥进料到至少三个反应器或罐1、2和3之一，取决于哪个罐准备接收污泥。污泥在罐中保留约10-20分钟，这连同140℃-180℃之间的高温确保污泥水解。由此可见，在本文公开的示例性热水解过程中，各个罐将以三种模式操作：填充、保留和排空。反应器1、2和3将优选平行操作，使整个过程为连续过程。各模式将占据约20分钟。在三个反应器或罐各自中的压力由污泥温度限定，在165℃下将为约7.0bar绝对压力。也可考虑从通过加热污泥释放的气体的压力，气体主要为二氧化碳。在反应器中会随时间积累不可冷凝气体。各罐或反应器顶部包括排放在热水解过程期间产生的不可冷凝气体的设备。因此，在热水解系统102操作期间将排放不可冷凝气体。

在相应罐中保留污泥20分钟后，从引出管线引出污泥，并送到废热锅炉7。如前提到，废热锅炉7包括一系列管。在一个实施方案情况下，引入废热锅炉7的入口42的进水引入并通过管。另一方面，污泥围绕管移动，并通过废热锅炉7。来自经水解的污泥的热通过管壁转移到进水，且在一个典型实例中，这产生130℃-150℃范围的饱和蒸汽。经水解的污泥通过管线40离开废热锅炉，并通过热交换器12和13。在一个典型实例中，在锅炉进水到达脱气器11之前，流动通过热交换器12的经水解的污泥将锅炉进水加热到约95℃。流动通过热交换器13的经水解的污泥将进一步冷却污泥。另外，可将冷却或稀释水加到污泥引出管线40中的污泥，以达到8%-10%范围的干固含量，和约35℃-55℃之间的温度，这是嗜热或嗜温消化二者的合适温度范围。存在多种手段保证污泥流动通过废热锅炉7和两个热交换器12和13。设想在一些实施方案中反应器1、2和3中的压力为约8bar abs，这足以迫使污泥通过废热锅炉7和通过热交换器12和13。在任何情况下，泵14，如附图中所示，为螺杆泵，它通过由各罐的液位发送器(例如，测力仪) 28、29或30控制的恒定流量使罐排空。如果系统中的压力足够，则可使螺杆泵14与阀或将保持合适压力的另一个设备交换。应理解，在一个反应器排空时，罐中液体上方的压力减小，且在罐中一定液位，罐中的水将开始缓慢蒸发，以保证在实际温度下罐中的液体和高于液体表面的气体之间的平衡。水蒸发将使液体冷却约1℃-2℃。那么在罐排空期间液体的温度将从约165℃降低到163℃。

有一个风险是，污泥从三个反应器在管中闪蒸或蒸煮到废热锅炉7。为了避免这种闪蒸风险，可能有必要高于废热锅炉7布置三个反应器。在此情况下，液体中的静压将防止管道系统中闪蒸，只要管系统中的压降不过高或太高。

如上讨论，可以用主锅炉10产生主蒸汽流，主锅炉10可由相关联的厌氧消化器产生的生物气供能。到锅炉10的进水在水处理单元15中处理，并由热交换器12预热。可用各种类型预处理系统去除例如硬度和其它结垢或污垢物质。例如，可用各种类型的薄膜分离单元或离子交换处理锅炉进水。在离开热交换器12后，引导进水通过脱气器11，在此去除气体，并将至少部分进水从脱气器通过管线50泵送到主锅炉10。例如参加图1。除了供给锅炉10外，也将进水引入罐54，随后通过管线56进入废热锅炉7的进水入口42。如上讨论，与通过废热锅炉7的经水解的污泥相关联的热能引起蒸汽从进水产生。锅炉7和10二者均产生饱和蒸汽。然而，废热锅炉7在比主蒸汽锅炉10低的压力下产生蒸汽。例如，废热锅炉7一般在140℃-150℃下产生蒸汽，而主锅炉10将在200℃-220℃下产生饱和蒸汽。由废热锅炉7产生的蒸汽通过由主蒸汽锅炉10产生的蒸汽提升。即，通过采用注射器系统或喷射器8，由废热锅炉7产生的蒸汽注入蒸汽管线58，在此其与由锅炉10产生的蒸汽混合。如果组合的蒸汽的温度高于阀值，则可通过将进水从管线48注入主蒸汽管线58冷却组合的蒸汽，如图1中所示。如上讨论，将由废热锅炉7和主锅炉10产生的蒸汽送到热水解系统102上游的一个或多个点，以形成污泥-蒸汽混合物。

关于采用废热锅炉7的实施方案(图1-3中所示的实施方案)，在启动期间，蒸汽供应完全从蒸汽锅炉10得到。这种情况直到废热锅炉7开始运行，并且能够产生蒸汽。一旦废热锅炉7处于运行中，它就将连续承担更多负荷。一旦处于完全运行或处于稳态运行，废热锅炉将提供与引入污泥混合所需的约35%-40%蒸汽，且其余部分将由主锅炉10提供。

转向图4-9中所示的实施方案，其中所示过程在很多方面类似于图1-3中所示过程，但其中废热锅炉7被闪蒸罐35代替。在图4-9的实施方案中，经水解的污泥从热水解系统102，且具体地从反应器1、2和3引入到闪蒸罐35。闪蒸罐中的压力保持在约1.4和2.7bar之间，相当于110℃-130℃温度范围。通过调节阀37控制闪蒸罐35中的压力以保持闪蒸罐35中大致恒压。有多种方法控制污泥从三个反应器1、2和3连续流到闪蒸罐35。在一种方法中，提供了用结构38(例如，固定孔)与阀17、19和21一起，由“静压损失”控制污泥连续流到闪蒸罐35。在此，主压降超过“静压损失”，且流动由阀17、19和21控制。控制污泥从反应器1、2和3流到闪蒸罐35的另一种方式是不采用“静压损失”的方法。该方法包括重复打开和关闭阀17、19和21。即，一个阀打开短时间，这将在短时间段内导致到闪蒸罐35的相对大流。然后，阀将关闭，且当然也将没有到闪蒸罐35的流。重复打开和关闭这些阀的这一过程重复选择的时间段。这两种方法的运行通过与反应器1、2和3相关联的负荷传感器或液位发送器28、29和30控制。

从闪蒸罐35排出的闪蒸蒸汽以类似于如何使用由废热锅炉7产生的蒸汽的方式使用。即，从闪蒸罐35排出的闪蒸蒸汽与由主锅炉10产生的蒸汽组合，或在一些情况下，独立用于加热到热水解系统102的引入污泥。例如，在图4所示实施方案中，将由闪蒸罐产生的蒸汽通过管线64引入到料斗4的“活底”，在此使蒸汽与引入污泥混合。来自锅炉10的蒸汽通过管线58引入到下游污泥-蒸汽混合单元5。在图5中所示实施方案中，来自闪蒸罐35的蒸汽通过管线64引入到平行搅浆机16。由锅炉10产生的蒸汽通过管线58引入到污泥-蒸汽混合单元5或引入到搅浆机16或二者。在图6中所示实施方案的情况下，由闪蒸罐35产生的蒸汽通过管线64引入到第一污泥-蒸汽混合单元5A，而由锅炉10产生的蒸汽引入到下游污泥-蒸汽混合单元5B。在图7实施方案中，来自闪蒸罐的蒸汽通过管线64引入到与搅浆机16相关联的循环管线。此外，由锅炉10产生的污泥通过管线58引入到污泥-蒸汽混合单元5。

图8中所示实施方案在很多方面类似于图2中所示和以上讨论的实施方案，不同之处在于废热锅炉7被闪蒸罐35代替。在任何情况下，从闪蒸罐35的闪蒸蒸汽由蒸汽注射器8通过管线66引入，并使其在管线58中与由锅炉10产生的蒸汽混合。在管线58中的组合蒸汽引入到第一污泥-蒸汽混合单元5A，而由锅炉10产生的部分蒸汽通过管线62转到第二污泥-蒸汽混合单元5B。图9中所示实施方案在很多方面类似于图8的实施方案，不同之处在于在管线58中组合的蒸汽引入到料斗4的“活底”。换句话讲，将蒸汽注入输送机外壳的一部分，并与由输送机32输送的污泥混合。由锅炉10产生的蒸汽的转移部分引入到污泥-蒸汽混合单元5。

以上讨论的系统和方法存在很多优点。首先，系统和方法提供能量的有效使用。结合并使用废热锅炉7和闪蒸罐35二者，以回收大量的能量，不然会损失掉。一旦回收，能量连续转化成蒸汽，并有效与引入污泥混合。其次，整个系统维护容易和经济。例如，通过蒸汽与热水解反应器外的污泥混合实质减少维护问题和成本。

在不脱离本发明的基本特征的情况下，本发明当然可以按本文具体阐述外的其它方式实施。本发明的实施方案应在所有方面被认为是说明性而非限制性，且旨在其中包括附加权利要求的意义和等价范围内的所有变化。