一种超临界水氧化污泥处理的余热梯级利用系统及方法与流程

本发明属于化工及环保技术领域，具体涉及一种超临界水氧化污泥处理的余热梯级利用系统及方法。

背景技术：

随着我国城市人口数量和城市化进程的快速发展，城市污水产量不断增加，污水处理厂的数目、处理能力和污泥产生量也随着增加。每处理1万吨污水平均产生2.6吨80％含水率的湿污泥，2016年污泥产量已突破4000万吨。可见城市污泥产量逐年提升，增速明显。但是，城市污泥的无害化率仍小于25％，没有达到规划的80％的污泥处理处置率。以北京市为例，截至2015年，北京市污泥无害化处理率也仅为23％左右。而根据目前规划到2020年，地级及以上城市的污泥无害化处理处置率需达到90％以上。因此，城市污泥的无害处理目标高。

污泥有机物成分复杂，一般含有碳水化合物14％，蛋白质40％左右，脂类10％左右，木质素17％左右，灰分含量30％～50％。污泥干基有机物含量高达50％～85％，热值在5～18mj/kg，具有资源化利用潜力。另一方面由于污泥较高的有机物含量及氮、磷、钾等营养成分，同时灰分中还含有重金属元素，因此要实现无害化处理，难度较高。

超临界水(supercriticalwater，scw)是指温度、压力均高于其临界点(tc＝374℃，pc＝22.1mpa)的特殊状态下的水。超临界水兼具液态和气态水的性质，可以有机物和氧气互溶，并具有较高的扩散系数和较低的粘度。超临界水氧化技术(supercriticalwateroxidation，简称scwo)是利用水在超临界状态下所具有的特殊性质，使有机物和氧化剂在scw中迅速发生均相氧化反应来彻底分解有机物，生成h2o和co2的过程，与传统污泥处理技术相比，scwo具有如下优势：

(1)氧化效率高，反应时间短：对于许多难降解的有机物，在很短的停留时间内就可以达到99％以上的去除率；

(2)容易实现自热：当有机物浓度大于3％时，系统可以实现自热；

(3)反应空间密闭，无二次污染：有机物可以彻底氧化为h2o和co2等小分子物质。

超临界水氧化技术已经在国内外有所应用，但在利用该技术处理污泥时，需要考虑以下问题：由于超临界水氧化反应条件要求高，需要大量热量对物料进行加热升温，同时由于污泥的有机物含量高，热值高，故若能够合理利用系统的反应热，优化回收利用方案，即能大大降低系统运行过程中的能耗和热量损失，从而降低系统的运行成本，提高系统的经济性，有助于超临界水氧化技术的推广及应用。80％含水率污泥的粘度通常大于10000mpa·s，流动性差，不利于管道输送。故需要对污泥稀释和均质后，才具有一定流动性，随后仍需对污泥进行热水解处理，使污泥粘度降低至6000mpa·s以下以满足系统对物料的输送要求。污泥中氮素含量较高(2～9wt％)，且主要以蛋白质形式存在，在较低的scwo反应条件下氮元素主要被分解为氨氮以及硝酸盐氮进入液相产物，若要实现对氮的达标处理，则需要在较高的氧化系数(3～10倍)，较高的反应条件(600～700℃，27～29mpa)，较长的反应停留时间(100～150s)下进行，这需要极高的成本才能实现，scwo技术处理污泥的经济性将大打折扣，因此需要引进传统脱氨装置对scwo反应出水进行后续处理，故需要引进大量蒸汽对所需处理的物料进行蒸发脱氨。

而关于超临界水氧化系统的余热回收利用已有一些相关的报道，但还存在不少缺点：目前的超临界水氧化系统，其余热回收利用的方法主要是物料在反应器中反应后的高温产物通过一个简单的换热器将热量直接传递给物料或中间换热介质，从而达到热量的利用。这种方法虽然对超临界水氧化反应过程中的反应放热量进行的利用，但并不符合热量梯级利用的标准。热量的梯级利用包括按质用能和逐级多次利用两个方面。按质用能就是尽可能不使高质能源去做低质能源可完成的工作；在一定要用高温热源来加热时，也尽可能减少传热温差；在只有高温热源，又只需要低温加热的场合下，则应先用高温热源发电，再利用发电装置的低温余热加热，如热电联产。逐级多次利用就是高质能源的能量不一定要在一个设备或过程中全部用完，因为在使用高质能源的过程中，能源的温度是逐渐下降的(即能质下降)，而每种设备在消耗能源时，总有一个最经济合理的使用温度范围。这样，当高质能源在一个装置中已降至经济适用范围以外时，即可转至另一个能够经济使用这种较低能质的装置中去使用，使总的能源利用率达到最高水平。热量的梯级利用可以提高整个系统的热量利用效率，是节能的重要措施。

目前，还没有一种专门针对超临界水氧化污泥处理的预热梯级利用的系统和方法。

技术实现要素：

为了合理利用系统热能，优化系统余热利用方案，本发明的目的在于提供一种超临界水氧化污泥处理的余热梯级利用系统及方法，本发明能够达标处理污泥并进行高效、梯级的余热利用和回收，降低系统能耗和运行成本，提高系统经济性，实现污泥无害化和资源化处理。

本发明公开的一种超临界水氧化污泥处理的余热梯级利用系统，包括污泥预处理单元、超临界水氧化单元、反应后处理单元、余热利用单元；

所述污泥预处理单元包括污泥预热罐、均质乳化泵、热水解反应器，污泥预热罐物料侧出口与均质乳化泵入口相连，均质乳化泵出口与热水解反应器物料侧入口相连；

所述超临界水氧化单元包括高压变频柱塞泵、高温预热器、加热器及反应器，高压变频柱塞泵入口与热水解反应器物料侧出口相连，高压变频柱塞泵出口与高温预热器物料侧入口相连，高温预热器的物料侧出口与加热器的入口相连，加热器的出口与反应器入口相连，反应器入口还与供氧化剂的设备相连；

所述反应后处理单元包括降压分离单元、再沸器、脱氨单元，所述余热利用单元包括余热制冷制热单元、余热制热单元；

反应器出口与高温预热器热流体侧入口相连，高温预热器热流体侧出口与再沸器热流体侧入口相连，再沸器热流体侧出口与热水解反应器中热流体侧入口相连，热水解反应器中热流体侧出口与污泥预热罐热流体侧入口相连，污泥预热罐热流体侧出口与余热制冷制热单元入口相连，余热制冷制热单元出口与降压分离单元入口相连，降压分离单元出口与脱氨单元物料侧入口相连；

所述脱氨单元物料侧出口分为两路，一路与余热制热单元入口相连，另一路与再沸器物料侧入口相连；

所述再沸器物料侧出口与脱氨单元蒸气侧入口相连。

进一步，所述污泥预热罐中设有换热器和搅拌器。

进一步，所述热水解反应器中设有换热器和搅拌器。

进一步，换热器形式为螺旋盘管式或水夹套式，搅拌器形式为浆式搅拌器、涡轮式搅拌器、锚式搅拌器或螺带式搅拌器。

进一步，所述高温预热器形式为套管式换热器。

进一步，所述加热器形式为电磁加热器、红外线加热器或电阻加热器。

进一步，所述反应器形式为管式反应器或釜式反应器。

进一步，所述再沸器形式为热虹吸式再沸器、强制循环式再沸器或釜式再沸器，其内部换热管形式为列管式或螺旋盘管。

本发明还公开了一种超临界水氧化污泥处理的余热梯级利用方法，基于上述余热梯级利用系统，包括以下步骤：

1)污泥进入污泥预热罐中进行第一级预热升温，经均质乳化泵研磨后直至粒径小于系统设定值，研磨后的污泥进入热水解反应器进行预热升温，使污泥发生热水解反应，粘度减小至系统设定值；

2)将步骤1)处理后的污泥经高压变频柱塞泵打入高温预热器中，然后流经加热器后进入反应器中；

3)氧化剂在反应器中与经步骤2)处理的污泥中的有机物在超临界条件下发生均相反应，有机物被氧化为co2、n2及h2o，反应后的高温流体进入高温预热器，与后续进入高温预热器的污泥发生热交换，对后续进入的污泥进行预热；

4)经步骤3)换热降温后的流体进入再沸器中，后进入热水解反应器内对污泥加热升温使其发生热水解反应，进入污泥预热罐对污泥进行第一级预热，然后进入余热制冷制热单元进行余热回收，使流体降温至降压分离单元的设定温度；

5)经步骤4)的流体进入降压分离单元进行降压分离，处理后的流体进入后续脱氨单元；

6)经步骤5)脱氨的流体一部分进入余热制热单元进行余热回收利用，另一部分进入再沸器中，被后续来自高温预热器的热流体加热蒸发产生蒸气，蒸气进入脱氨单元对经降压分离单元降压分离后的流体进行蒸发脱氨，同时来自高温预热器的热流体就会降温，然后进入水解反应器内，之后按照步骤4)和步骤5)所述的路径再次进入脱氨单元，开始循环。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的超临界水氧化污泥处理的余热梯级利用系统，包括污泥预处理单元、超临界水氧化单元、反应后处理单元、余热利用单元；污泥预处理单元将污泥经过均质乳化泵进行研磨至设定粒径后，依次经过污泥预热罐、热水解反应器进行逐级升温、降粘后，利用高压变频柱塞泵加压后输送到高温预热器中预热，并与氧化剂混合，在超临界水氧化单元中的反应器中发生超临界水氧化反应；反应结束后与高温预热器内的污泥、再沸器内的脱氨流体、热水解反应器以及污泥预热罐内的污泥依次进行热交换；然后进入余热制冷制热单元将高压较高温流体的余热回收用于制冷制热，使用反应后处理单元中的降压分离单元对降低至系统设定温度的流体进行降压分离，随后进入脱氨单元进行氨氮的处理，进入余热制热单元将低压较低温流体的余热回收用于制热，最终实现污泥的近零排放，最大化地实现了污泥超临界水氧化反应热的梯级利用。

进一步，在污泥预热罐和热水解反应器中设置换热器和搅拌器，通过换热器可以与反应器中进行超临界水氧化反应后所产生的高温流体进行热交换，来自反应器的高温流体对污泥预热罐和热水解反应器中的污泥进行分级预热升温。通过搅拌器使污泥预热罐中的污泥更好地受热，使热水解反应器中的污泥更快速地发生热水解反应，降低粘度。

进一步，高温预热器、反应器、加热器及再沸器形式多样化，在任一零部件出现问题时，工作人员的可选择性多，易更换。

本发明公开的基于余热梯级利用系统的处理方法，创新性的对污泥超临界水氧化处理后的反应热进行了梯级利用。采用污泥预热罐和热水解反应器对污泥进行分级预热升温，从而达到热水解反应温度条件实现污泥的降粘；采用高温预热器对均质污泥进行预热升温，使物料达到超临界反应温度条件；在反应器中经过scwo处理的污泥，反应后的高温流体进入反应后处理单元和余热利用单元，采用余热利用单元对反应后高压流体、低压流体进行余热回收分别用于制冷制热和制热；采用降压分离单元对流体降压分离，对分离出去的固体残渣进行稳定化、无害化填埋，对分离出去的气体进行对空排放；采用脱氨单元对超临界水氧化处理后的出水进行氨氮处理，同时对脱氨流体进行回收利用，实现资源化利用；来自反应器的高温流体会依次经过高温预热器、再沸器、热水解反应器、污泥预热罐，对后续进入的污泥进行升温，与进入再沸器的脱氨流体进行热交换，通过再沸器使脱氨流体再沸产生蒸气用于后续蒸氨，实现持续蒸发脱氨。此能量多级利用的超临界水氧化污泥处理方法可以完全实现工业处理污泥的近零排放和系统余热的高效利用。

附图说明

图1为本发明超临界水氧化污泥处理的余热梯级利用系统的结构示意图。

其中，1为污泥预热罐；2为均质乳化泵；3为热水解反应器；4为高压变频柱塞泵；5为高温预热器；6为加热器；7为反应器；8为余热制冷制热单元；9为降压分离单元；10为脱氨单元；11为再沸器；12为余热制热单元。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，本发明的一种能量多级利用的超临界水氧化污泥处理系统，整个系统包括污泥预处理单元、超临界水氧化单元、反应后处理单元、余热利用单元。

所述污泥预处理单元包括污泥预热罐1、均质乳化泵2、热水解反应器3，污泥预热罐1物料侧出口与均质乳化泵2入口相连，均质乳化泵2出口与热水解反应器3物料侧入口相连；在污泥预热罐1、热水解反应器3中均设有换热器和搅拌器，方便后续进行换热。污泥进入污泥预热罐1中进行第一级预热升温，经均质乳化泵2研磨后直至粒径小于系统设定值，研磨后的污泥进入热水解反应器3进行第二级预热升温，使污泥发生热水解反应，粘度减小至系统设定值。

所述超临界水氧化单元包括高压变频柱塞泵4、高温预热器5、加热器6及反应器7，高压变频柱塞泵4入口与热水解反应器3物料侧出口相连，高压变频柱塞泵4出口与高温预热器5物料侧入口相连，高温预热器5的物料侧出口与加热器6的入口相连，加热器6的出口与反应器7入口相连；提供氧化剂的设备与反应器7入口相连；将污泥预处理单元预处理后的污泥经高压变频柱塞泵4打入高温预热器5中，与超临界水氧化反应后的高温流体发生热交换，使污泥达到超临界条件，然后流经加热器6后进入反应器7中，氧化剂在反应器7中与经高温预热处理的污泥中的有机物在超临界条件下发生均相反应，有机物被氧化为co2、n2及h2o。首次进行热交换的高温流体来自于加热器6，加热器6仅在启动和停机时使用。

所述反应后处理单元包括降压分离单元9、再沸器11、脱氨单元10；所述余热利用单元包括余热制冷制热8单元、余热制热单元12。

反应器7出口与高温预热器5热流体侧入口相连，高温预热器5热流体侧出口与再沸器11热流体侧入口相连，再沸器11热流体侧出口与热水解反应器3中热流体侧入口相连，热水解反应器3中热流体侧出口与污泥预热罐1热流体侧入口相连，污泥预热罐1热流体侧出口与余热制冷制热单元8入口相连，余热制冷制热8单元出口与降压分离单元9入口相连，降压分离单元9出口与脱氨单元10物料侧入口相连。

脱氨单元10物料侧出口分为两路，一路与再沸器11物料侧入口相连，一路与余热制热单元12入口相连，余热制热12单元出口物料可无污染排放；再沸器11物料侧出口与脱氨单元10蒸气侧入口相连。

本发明的能量多级利用的超临界水氧化污泥处理系统，在使用时：

在反应器7中反应后的高温流体进入高温预热器5，对后续被泵入高温预热器5中的污泥进行预热换热，降温后的流体进入再沸器11中，然后进入热水解反应器3内对污泥加热升温使其发生热水解反应，后进入污泥预热罐1对污泥进行第一级预热，然后进入余热制冷制热单元8进行余热回收，使流体降温至降压分离单元9的设定温度后进入降压单元9进行降压分离，处理后的流体进入后续脱氨单元10，经脱氨的流体一部分进入下游的余热制热单元12进行最后一级的余热回收利用，另一部分则进入再沸器11中，被后续来自高温预热器5的热流体加热蒸发，作为蒸气源产生蒸气，蒸气进入脱氨单元10对经降压分离单元9降压分离后的流体进行蒸发脱氨。

之后都会有一部分的脱氨流体进入再沸器11，与来自高温预热器5的热流体进行热交换，脱氨流体被加热蒸发产生蒸气，同时来自高温预热器5的热流体就会降温，然后进入水解反应器3内。通过循环蒸发、循环换热，实现了整体系统余热的持续性利用。

只有首次进入污泥预热罐1、热水解反应器3、高温预热器5的污泥需要外部的热量加热升温，之后就可以利用反应器7中的反应热对后续进入系统的污泥进行预热，大大降低系统运行过程中的能耗和热量损失，不再需要外部提供热能，从而降低系统的运行成本，提高系统的经济性，有助于超临界水氧化技术的推广及应用。

所述污泥预热罐1中设有换热器和搅拌器，换热器形式可为螺旋盘管式和水夹套式，搅拌器形式可为浆式搅拌器、涡轮式搅拌器、锚式搅拌器、螺带式搅拌器等。

所述污泥热水解反应器3中设有换热器和搅拌器，换热器形式可为螺旋盘管式和水夹套式，搅拌器形式可为浆式搅拌器、涡轮式搅拌器、锚式搅拌器、螺带式搅拌器等。

所述高温预热器5形式为套管式换热器，其换热管排列形式不限于u型管等。

所述加热器6形式可为电磁加热器、红外线加热器、电阻加热器等。

所述反应器7形式可为管式反应器、釜式反应器等。

所述再沸器11形式可为热虹吸式再沸器、强制循环式再沸器、釜式再沸器等，其内部换热管形式可为列管式、螺旋盘管等。

当然，本发明的再沸器11不限于连接于高温预热器5与热水解反应器3之间，所述余热制冷制热单元8不限于连接于污泥预热罐1和降压分离单元9之间，所述余热制热单元12不限于连接于脱氨单元10之后，即所述热流体流程顺序不限于如上所述，具体根据余热的品质进行合理高效的梯级利用。

本发明的超临界水氧化污泥处理的余热梯级利用方法，基于上述余热梯级利用系统，包括以下步骤：

1)污泥进入污泥预热罐中进行第一级预热升温，经均质乳化泵研磨后直至粒径小于系统设定值，研磨后的污泥进入热水解反应器进行预热升温，使污泥发生热水解反应，粘度减小至系统设定值；

2)将步骤1)处理后的污泥经高压变频柱塞泵打入高温预热器中，然后流经加热器后进入反应器中；

3)氧化剂在反应器中与经步骤2)处理的污泥中的有机物在超临界条件下发生均相反应，有机物被氧化为co2、n2及h2o，反应后的高温流体进入高温预热器，与后续进入高温预热器的污泥发生热交换，对后续进入的污泥进行预热；

4)经步骤3)换热降温后的流体进入再沸器中，后进入热水解反应器内对污泥加热升温使其发生热水解反应，进入污泥预热罐对污泥进行第一级预热，然后进入余热制冷制热单元进行余热回收，使流体降温至降压分离单元的设定温度；

5)经步骤4)的流体进入降压分离单元进行降压分离，处理后的流体进入后续脱氨单元；

6)经步骤5)脱氨的流体一部分进入余热制热单元进行余热回收利用，另一部分进入再沸器中，被后续来自高温预热器的热流体加热蒸发产生蒸气，蒸气进入脱氨单元对经降压分离单元降压分离后的流体进行蒸发脱氨，同时来自高温预热器的热流体就会降温，然后进入水解反应器内，之后按照步骤4)和步骤5)所述的路径再次进入脱氨单元，开始循环。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。