申请日2012.01.04
公开(公告)日2013.07.10
IPC分类号C02F11/06; C02F1/72; B01D21/02; B01D19/02; C10L3/00
摘要
本发明属于化工和环境工程领域，涉及一种利用超临界水氧化污泥的方法和装置。具体地，所述方法如下步骤：将污泥进行部分氧化，以得到包含可燃气体的反应后物料;将所述反应后物料中的可燃气体进行分离，得到分离后物料。具体地，所述装置包括：部分氧化单元，用于将污泥进行部分氧化，得到包含可燃气体的反应后物料;和可燃气体分离单元，用于将所述反应后物料中的可燃气体进行分离，得到分离后物料。本发明可以有效地避免可燃气体被氧化，减少了加氧量，降低成本，得到高压可燃气体的同时得到合格出水。同时，本发明具有环境友好、反应速度快、设备占地面积小、成本低、易于规模化处理等优势。
权利要求书
1.一种利用超临界水氧化污泥的方法，包括如下步骤：
将污泥进行部分氧化，得到包含可燃气体的反应后物料;和
将所述反应后物料中的可燃气体进行分离，得到可燃气体，并得 到含有有机质的液体物料以及固体物料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述部分氧化的反应温度 为374-700℃，压力为22.1-35MPa，并且其中氧化剂的用量为污泥 有机质耗氧量的0.5-30%(w/w)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述部分氧化反应的温度 为500-650℃，压力为23-30MPa，并且其中氧化剂的用量为污泥有 机质耗氧量的2-15%(w/w)。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：
将含有有机质的液体物料分离出来;和
用足量氧化剂对分离得到的含有有机质的液体物料进行完全氧 化。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其中，将所述反应后物料中 的可燃气体进行分离是在反应体系的压力下进行的。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述完全氧化反应的温度 为374-700℃，压力为22.1-35MPa，并且所述氧化剂的用量为污泥 有机质耗氧量的100-150%(w/w);优选105-130%(w/w)。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，所述氧化剂 为O2和/或H2O2。
8.一种利用超临界水氧化污泥的装置，包括：
部分氧化单元，用于将污泥进行部分氧化，得到包含可燃气体的 反应后物料;和
可燃气体分离单元，用于将所述反应后物料中的可燃气体进行分 离，得到分离后物料。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，还包括完全氧化单元，用 于将所述分离后物料进行完全氧化。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其中，所述可燃气体分离单 元包括三相分离器，所述三相分离器包括上端面、下端面、物料入口 (1)、气体出口(3)、过滤挡板(4)、器壁(5)、液体过滤器(6)、 液体出口(7)、冷却夹套(9)或冷却盘管(13)、以及出渣口(11); 所述气体出口(3)设置在过滤挡板(4)上方的所述三相分离器的器 壁上，所述液体出口(7)的前端连接液体过滤器(6)，所述三相分 离器的下端设置成锥形的出渣口(11);所述三相分离器上端面和下 端面分别密封;所述冷却夹套(9)或冷却盘管(13)分别具有冷却介 质进口(8)和冷却介质出口(12)。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述三相分离器通过上 法兰(2)和下法兰(10)和/或锥形底进行上端面和下端面的密封。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述三相分离器被构造 成如下的1)-4)中的任一项或多项：
1)所述物料入口(1)的下端结构为锥形扩径或扩径弯管结构;
2)所述物料入口(1)的入口管的出口部分为弧形管;
3)所述液体过滤器(6)位置设在三相分离器的内部或外部;
4)所述过滤挡板(4)和液体过滤器(6)均为多孔结构。
13.根据权利要求10所述的装置，其中，所述三相分离器的物料 入口(1)方向与所述三相分离器内壁面的对应处设置有物料螺旋导流 凹槽(14)结构。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述三相分离器的物料 入口(1)的下端向所述三相分离器的侧壁倾斜，使物料向三相分离器 的侧壁喷射，并沿着螺旋导流凹槽(14)向下流动。
说明书
一种利用超临界水氧化污泥的方法和装置
技术领域
本发明属于化工和环境工程领域，涉及一种利用超临界水氧化污 泥的方法和装置。
背景技术
污泥特别是城市市政污泥的处理是重要的环境课题。目前采用填 埋法和焚烧法处理。但是，填埋处理会占用一定的填埋空间，并且由 于污泥中存在重金属和可能的有害微生物，可能会污染地下水体。焚 烧技术是目前国内外普遍采用的针对有机物的处理技术，但是高温燃 烧容易产生二噁英、氮氧化物等有毒物质，造成二次污染。此外，对 于高水含量的污泥处理，焚烧设施的投入和运营成本较高。
SCWO(超临界水氧化)技术是20世纪80年代中期由美国学者 Mode11首先提出的新型污水污泥处理方法。它就是利用超临界水的特 性，在温度、压力高于水的临界温度和压力(374℃，22.1MPa)的条 件下以超临界水作为反应介质，水中的有机物与氧化剂发生强烈的氧 化反应，最后彻底氧化成CO2、N2、H2O以及盐类等无毒小分子化合物， 在超临界情况下使发生在液相或固相的有机物和气相O2之间的多相反 应转化为在超临界水中的均相反应。
目前现有的污泥超临界处理技术主要是超临界水完全氧化技术， 通过氧化将污泥中的有机物完全转化为二氧化碳和水。此方法具有环 境友好的特点，但是含碳物质的能量无法得到利用。
因此，亟需新的超临界处理污泥或污泥浆的方法和装置，能够有 效利用污泥中有机质的能量同时可以避免可燃气体被氧化，并且保障 处理后出水合格;同时具有环境友好、反应速度快、设备占地面积小、 成本低、易于规模化处理等优势。
发明内容
本发明人经过深入的研究和创造性的劳动，得到了一种超临界处 理污泥或污泥浆的方法和装置。本发明人发现，本发明可以有效利用 污泥或污泥浆中的有机质产生可燃气体，将可燃气体分离出来得到高 压可燃气体，对分离得到的不合格出水进行完全氧化反应。避免可燃 气体被氧化，减少了加氧量，降低成本，得到高压可燃气体的同时得 到合格出水。同时，本发明具有环境友好、反应速度快、设备占地面 积小、成本低、易于规模化处理等优势。由此提供了下述发明：
本发明的一个方面涉及一种利用超临界水氧化污泥的方法，包括 如下步骤：
将污泥进行部分氧化，得到包含可燃气体的反应后物料;和
将所述反应后物料中的可燃气体进行分离，得到可燃气体，并得 到含有有机质的液体物料以及固体物料。所述含有有机质的液体物料 与固体物料可以是混在一起的，也可以是相互分离的。
根据本发明任一项所述的方法，其中，所述部分氧化的反应温度 为374-700℃，压力为22.1-35MPa，并且氧化剂的用量为污泥有机 质耗氧量的0.5-30%(w/w)。
根据本发明任一项所述的方法，其中，所述部分氧化反应的温度 为500-650℃，压力为23-30MPa，并且氧化剂的用量为污泥有机质 耗氧量的2-15%(w/w)。
在本发明的一个实施方案(称之为“一步法”)中，涉及部分氧 化反应的装置，其如图1所示，其中，1-预热器;2-部分氧化反应器; 3-高压分离器;4-气液分离器。其中：
污泥浆经过预热器1后，达到350-500℃，向预热后的污泥浆中 加入氧化剂，污泥浆和氧化剂混合后进入部分氧化反应器2进行部分 氧化反应，反应生成部分氧化产物。反应产物经过初步降温(例如通 过预热原料或者其它换热形式降温)后进入高压分离器3，反应产物 中的可燃气体与其他物料分离，溶解有CO2的其他物料经过气液分离 器4后，实现CO2与固液残渣的分离。产生的气体可以通过深冷分离、 膜分离等分离方式，将H2、CH4进行进一步分离。
反应产生的可燃气体混合物可以通过深冷分离、吸附分离等方式 进行进一步分离，也可以用于燃烧发电等。
反应后产物的热量可用来预热污泥浆，反应达到稳定态后热量可 以达到平衡，无需另外加入热量;
高压分离器温度<31℃;
可燃气体包括CH4、H2及极少量CO。
根据本发明任一项所述的方法，还包括如下步骤：
将含有有机质的液体物料分离出来;和
用足量氧化剂对分离得到的含有有机质的液体物料进行完全氧 化。
根据本发明任一项所述的方法，氧化剂为常温进料或者预热后进 料，例如温度为常温-600℃，优选80-500℃，优选200-450℃。 氧化剂的压力为22.5-40MPa，优选24-32MPa。
根据本发明任一项所述的方法，原料(污泥和/或污泥浆)预热后 温度达到300-500℃，优选350-450℃。
根据本发明任一项所述的方法，其中，所述氧化剂为O2和/或 H2O2。
根据本发明任一项所述的方法，其中，将所述反应后物料中的可 燃气体进行分离是系统(反应体系)压力条件下进行的;分离后的可 燃气体压力大于或等于13MPa。
高压可燃气体在罐装使用、输送等各方面具有很大优势，一般罐 装压力要在13MPa以上。本发明得到的上述高压可燃气体比现有的低 压可燃气体便于使用和输送，在节能的同时提高了使用效率。
根据本发明任一项所述的方法，其中，所述完全氧化反应的温度 为374-700℃，压力为22.1-35MPa，并且所述氧化剂的用量为污泥 有机质耗氧量的100-150%(w/w);优选105-130%(w/w)。
根据本发明任一项所述的方法，其中，完全氧化后出水可以达到 国家排放标准。
根据本发明任一项所述的方法，其还包括将可燃气体或完全氧化 产物与作为原料的污泥或污泥浆进行热交换的步骤。
在本发明的一个实施方案(称之为“两步法”)中，涉及完全氧 化反应的装置，其如图2所示，其中，1-预热器;2-部分氧化反应器; 5-三相分离器;6-完全氧化反应器。其中：
污泥浆经过预热器1，达到300-500℃，向预热后的污泥浆中加 入氧化剂(如氧气)，预热后的污泥浆与少量氧气进行混合在部分氧 化反应器2中进行部分氧化反应，反应生成CH4、H2、CO2等部分氧化 反应气体产物，反应产物经三相分离器5将初步反应后的产物中的气 体、固体残渣和含有未处理有机质的液体进行分离，分离后的含有机 质的液体与第二股氧化剂混合，在完全氧化反应器6中进行完全氧化 反应，氧化反应得到洁净产物，产物可以达到国家环境排放要求。
反应产生的热量可用来预热原料污泥浆，反应达到稳定态后热量 可以达到平衡，无需另外加入热量。
部分氧化反应氧化剂用量为污泥有机质COD(化学需氧量)的0.5 -30%，优选2-15%;
三相分离器操作温度为250-350℃;
三相分离后的气体产物中包括CH4、H2、CO2及极少量CO;
三相分离后的气体产物为高压气体产物，气体压力为13-30MPa;
完全氧化反应温度为374-700℃，压力为22.1-35MPa;
分离器温度的降低可以通过与冷原料污泥浆的换热实现。
本发明的另一方面涉及一种利用超临界水氧化污泥的装置，包括：
部分氧化单元，用于将污泥进行部分氧化，得到包含可燃气体的 反应后物料;和
可燃气体分离单元，用于将所述反应后物料中的可燃气体进行分 离，得到分离后物料。
根据本发明任一项所述的装置，其中，还包括完全氧化单元，用 于将所述分离后物料进行完全氧化。
根据本发明任一项所述的装置，其中，所述可燃气体分离单元包 括三相分离器，所述三相分离器包括上端面、下端面、物料入口(1)、 气体出口(3)、过滤挡板(4)、器壁(5)、液体过滤器(6)、液 体出口(7)、冷却夹套(9)或冷却盘管(13)、以及出渣口(11); 所述气体出口(3)设置在过滤挡板(4)上方的所述三相分离器的器 壁上，所述液体出口(7)的前端连接液体过滤器(6)，所述三相分 离器的下端设置成锥形的出渣口(11);所述三相分离器上端面和下 端面分别密封;所述冷却夹套(9)或冷却盘管(13)分别具有冷却介 质进口(8)和冷却介质出口(12)。冷却介质可以是水或者需要预热 的冷物料。
三相分离器能够实现高温高压状态下混合物料中气体、固体和液 体的有效分离。超/亚临界反应或产生气体及固体残渣的高温高压反应 后的反应产物从该装置顶部物料入口(1)进入，经过分散并降温后液 体和固体停留在该装置的下部。气体经过过滤挡板(4)并通过气体出 口(3)排出系统外部，所述排出气体为高压气体。固体在给装置底部 沉积，携带少量液体通过渣水出口排出系统。液体先经过液体过滤器 (6)然后通过液体出口(7)排出系统。该系统温度的降低通过设置 在装置内部的冷却盘管(13)或外部的冷却夹套(9)实现。
根据本发明任一项所述的装置，其中，所述三相分离器通过上法 兰(2)和下法兰(10)和/或锥形底进行上端面和下端面的密封。
根据本发明任一项所述的装置，其中，所述三相分离器被构造成 如下的1)-4)中的任一项或多项：
1)所述物料入口(1)的下端结构为锥形扩径或扩径弯管结构;
2)所述物料入口(1)的入口管的出口部分为弧形管;
3)所述液体过滤器(6)位置设在三相分离器的内部或外部;
4)所述过滤挡板(4)和液体过滤器(6)均为多孔结构。
根据本发明任一项所述的装置，其中，所述三相分离器的物料入 口(1)方向与所述三相分离器内壁面的对应处设置有物料导流槽(14) (例如螺旋导流凹槽)结构。
根据本发明任一项所述的装置，其中，所述三相分离器的物料入 口(1)的下端向所述三相分离器的侧壁倾斜，使物料向三相分离器的 侧壁喷射，并沿着螺旋导流凹槽(14)向下流动。
根据本发明任一项所述的装置，在具体的实施方式中，其中所用 三相分离器分别如附图3或附图4所示。
本发明的装置中所用的三相分离器，设备结构简单，用于超临界 氧化/气化、高温高压反应后产生的三相物料流的分离，以便于分别对 三相物流进行后处理。
本发明中，术语“污泥”包括但不限于市政污泥，污水(例如城 市污水或生活污水)、污泥浆。其中，优选为市政污泥。所述污泥浆 也可以通过向污泥中加入适量的水，通过搅拌得到;污泥浆浓度为5 -30%(w/w)，优选7-18%(w/w)。其中，所述污泥浆浓度是指干 固体占污泥浆重量的百分比。
术语“部分氧化”是指用少于使污泥完全氧化所需的氧化剂的量 对污泥进行氧化。
术语“可燃气体”包括甲烷、氢气、以及一氧化碳中的一种或多 种。
发明的有益效果
本发明得到了可燃气体，提高了污泥的利用率，并且避免了可燃 气体被氧化，出水COD可以达到国家排放标准。本发明具有环境友好、 反应速度快、设备占地面积小等优势。本发明的方法得到的可燃气体 可以是高压可燃气体，比现有的低压可燃气体便于使用和输送(高压 可燃气体在罐装使用、输送等各方面具有很大优势，一般罐装压力要 在13MPa以上)，在节能的同时提高了使用效率。此外，本发明的三 相分离器克服了现有技术中的体积巨大、结构复杂、以及液体固体夹 带的缺点，能够对固液气特别是高温高压下的固液气进行有效分离。