申请日2010.08.30
公开(公告)日2012.10.10
IPC分类号C02F11/06; C10J3/46; C10L1/32; C01B3/32
摘要
本文描述了一种用于处理污水污泥的方法和系统。含碳燃料与污水污泥混合，然后气化该混合物，并且燃烧获得的气体。该方法和系统可以利用湿的污水污泥。
权利要求书
1.一种处理污水污泥的方法，所述方法包括：
(a)将含碳燃料与所述污水污泥混合以形成悬浮液;
(b)气化所述悬浮液以产生包含CO和H2的气体;以及
(c)燃烧所述气体，
从而处理所述污水污泥。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括从所述气体的所述燃烧产 生动力。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述动力通过燃气轮机、蒸汽 轮机和/或热力发动机产生。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述悬浮液包括 分散在所述污水污泥中的所述燃料的颗粒，所述颗粒的特征在于直 径为100μm或更小。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述颗粒的特征在于直径为 20μm或更小。
6.根据权利要求4所述的方法，进一步包括，在所述混合之前，粉碎 固体含碳燃料以产生所述燃料的所述颗粒。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述固体含碳燃料选自由煤、 油页岩和泥炭组成的组。
8.根据权利要求4所述的方法，进一步包括，在所述混合之前，用所 述污水污泥乳化液体含碳燃料以产生所述燃料的所述颗粒。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述悬浮液中的 所述燃料和所述污水污泥的重量比在0.75∶1至3∶1的范围内。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述悬浮液中的 水的浓度为至少25重量百分比。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述气化包括将 所述悬浮液加热到至少1000℃的温度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述加热包括使所述悬浮液与 包含蒸汽的热燃烧产物接触。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，进一步包括在所述气体 的所述燃烧之前，将所述气体与空气混合。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，进一步包括将增塑剂与 所述燃料和所述污水污泥混合。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述增塑剂选自由腐殖酸和氢 氧化钠组成的组。
16.根据权利要求14至15中任一项所述的方法，其中，所述悬浮液中 的所述增塑剂的浓度在0.1%至3%的范围内。
17.一种用于处理污水污泥的系统，所述系统包括：
(a)混合器，被配置用于接收污水污泥、用于接收含碳燃料、 以及用于将所述燃料与所述污水污泥混合以形成悬浮液;
(b)气化器，被配置用于接收来自所述混合器的所述悬浮液， 并适合用于从所述悬浮液产生包含CO和H2的气体;
(c)热源，被配置用于加热所述气化器;以及
(d)燃烧模块，被配置用于接收氧气和用于燃烧在所述气化器 中产生的所述气体。
18.根据权利要求17所述的系统，进一步包括污水污泥供应模块。
19.根据权利要求17至18中任一项所述的系统，进一步包括燃料供应 模块。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的系统，进一步包括动力产生 模块，其被配置用于在所述燃烧模块中从所述气体的所述燃烧产生 动力。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述动力产生模块包括燃气轮 机和/或热力发动机。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的系统，进一步包括粉碎机， 所述粉碎机能够粉碎固体含碳燃料以产生直径为100μm或更小的所 述燃料的颗粒。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述颗粒的直径为20μm或更 小。
24.根据权利要求22至23中任一项所述的系统，其中，所述固体含碳 燃料选自由煤、油页岩和泥炭组成的组。
25.根据权利要求17至21中任一项所述的系统，适合用于用所述污水 污泥乳化液体含碳燃料以产生直径为100μm或更小的所述燃料的颗 粒。
26.根据权利要求17至25中任一项所述的系统，其中，所述热源包括 加热炉。
27.根据权利要求26所述的系统，进一步包括燃料供应模块，被配置用 于向所述加热炉和所述混合器提供所述含碳燃料，所述加热炉适合 用于燃烧所述燃料。
28.根据权利要求26和27中任一项所述的系统，其中，所述加热炉被 配置用于向所述气化器供应燃烧产物，所述燃烧产物包含蒸汽。
29.根据权利要求26所述的系统，其中，所述加热炉和所述气化器被配 置为一体模块，所述一体模块包括其中发生燃烧的第一区和其中发 生气化的第二区。
30.根据权利要求29所述的系统，其中，所述一体模块进一步包括第三 区，其中发生所述气体的所述燃烧，使得所述一体模块包括所述加 热炉、所述气化器和所述燃烧模块。
31.根据权利要求17至30中任一项所述的系统，其中，所述热源和所 述气化器被配置用于在所述气化器中将所述悬浮液加热至至少1000 ℃的温度。
32.根据权利要求17至31中任一项所述的系统，进一步包括被配置用 于向所述燃烧模块供应氧气的压缩机。
33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述氧气和所述气体一起供应 给所述燃烧模块。
34.根据权利要求26至27中任一项所述的系统，进一步包括被配置用 于向所述加热炉供应氧气的压缩机。
35.根据权利要求32至34中任一项所述的系统，其中，所述供应氧气 包括供应压缩空气。
36.根据权利要求17至35中任一项所述的系统，适合用于以在0.75∶1 至3∶1的范围内的重量比混合所述燃料与所述污水污泥。
37.根据权利要求17至36中任一项所述的系统，适合用于形成包含至 少25重量百分比的水的悬浮液。
38.根据权利要求17至37中任一项所述的系统，进一步包括用于雾化 刚进入气化器的所述悬浮液的雾化器。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述雾化器包括转动部件，被 配置用于减少通过所述悬浮液中的所述燃料的颗粒堵塞所述雾化 器。
40.根据权利要求17至39中任一项所述的系统，适合用于将增塑剂与 所述燃料和所述污水污泥混合。
41.根据权利要求40所述的系统，其中，所述增塑剂选自由腐殖酸和氢 氧化钠组成的组。
42.根据权利要求40至41中任一项所述的系统，适合用于以所述悬浮 液中的增塑剂浓度在0.1%至3%的范围内混合所述增塑剂。
说明书
用于处理污水污泥的方法和系统
技术领域
本发明，在其一些实施方式中，涉及污水处理，并且更具体地，但不 是排他地，涉及用于处理污水污泥(sewage sludge)的方法和系统。
背景技术
污水处理通常涉及通过从大量的废水中分离固体而形成污水污泥。污 水污泥通常包含大约90-95%的水，剩下的大多是固体有机物。污泥可以 在填埋场处理，但是由于现代社会所产生的大量污水污泥，导致这需要相 当大的填埋空间。另外，污泥中重金属、致病微生物和/或寄生虫的存在产 生健康危害。
在许多情况下，通过经过微生物消化来处理污泥，以减少污泥中有机 物的含量和致病微生物的数量。消化可以是厌氧或好氧的。消化是一个缓 慢且高成本的过程，对于厌氧消化需要多达30天。另外，好氧消化通常 需要曝气(通风，aeration)，这增加了运行成本。
由于涉及的高能量成本以及排放物中的污染物，所以污泥的焚烧存在 问题，并因此不常用于污泥处理和处置。因为在可以焚烧有机物之前用于 干燥污泥需要的大量的能量，所以污泥的焚烧不是成本有效的产生能量的 方法。
气化是吸热过程，其通过使含碳材料(碳质材料，carbonaceous material)与氧气和/或蒸汽(水蒸汽，steam)反应而将含碳材料转化成一 氧化碳和氢气。气化中的主要化学反应是：
C+H2O→H2+CO(+131.4kJ/mol)
美国专利No.4,793,8555描述了掺混有固体燃料的具有10%的残留水 分的干燥污水污泥的气化。含氧气体也被送入气化器。气化发生在流化床 中，该流化床形成在气化过程中形成的渣池上方。在气化器中产生的气体 可用于产生动力(发电，power generation)或作为用于铁矿石的还原气体。
美国专利No.5,230,211描述了包含固体含碳燃料、磨碎的干燥污水污 泥、和具有约17至40%的固体含量的脱水污水污泥(重量比分别为3至 8∶0.5至2∶0.5至2)的浆料的气化。
利用干燥或部分干燥的污水污泥的方法具有需要事先从污泥中去除 一部分或全部的水的缺点。这样的程序(例如，通过加热而蒸发水)通常 涉及高能耗，以及更多的时间和设备。
McAuley等人[Water Engineering & Management，May 2001，pp.18-22] 描述了抑制基于污水污泥的气化的系统，其能够干燥污泥以及减少污泥至 其灰分含量。该工艺不需要不同于氧气和污泥本身的材料。产生可用作燃 气轮机(gas turbine)中的燃料的可燃气体，从而提供用于从空气中提取 氧气的能量。
国际专利申请PCT/IL2007/000655(公开为WO2007/138592)描述了 通过将复合燃料引入到炉中进行燃烧，而从污水污泥产生动力，该复合燃 料包括在液体污水污泥介质中的煤悬浮液。
另外的背景技术包括美国专利No.4,444,126、No.4,526,588和 No.7,763,088。
发明内容
本发明的发明人现已设计并成功地实施了一种新型方法和系统，用于 处理污水污泥，同时利用气化工艺。所设计的方法和系统可以用于处理污 水污泥，同时避免预干燥(预烘干，pre-drying)污泥。
根据本发明的一些实施方式的一个方面，提供了一种处理污水污泥的 方法，该方法包括：
(a)将含碳燃料与污水污泥混合以形成悬浮液;
(b)气化该悬浮液以产生包含CO和H2的气体;以及
(c)燃烧该气体，
从而处理该污水污泥。
根据本发明的一些实施方式的一个方面，提供了一种用于处理污水污 泥的系统，该系统包括：
(a)混合器，被配置(构造，configure)用于接收污水污泥、用于 接收含碳燃料、以及用于混合该燃料与污水污泥以形成悬浮液;
(b)气化器，被配置用于接收来自混合器的悬浮液，并适合用于从 该悬浮液产生包含CO和H2的气体;
(c)热源(heat source)，被配置用于加热气化器;以及
(d)燃烧模块(combustion module)，被配置用于接收氧气和用于燃 烧在气化器中产生的气体。
根据本发明的一些实施方式，该方法进一步包括从气体的燃烧产生动 力(发电或产生功率，generating power)。
根据本发明的一些实施方式，该动力通过燃气轮机(gas turbine)、蒸 汽轮机(steam turbine)和/或热力发动机(heat engine)产生。
根据本发明的一些实施方式，悬浮液包括分散在污水污泥中的燃料的 颗粒，这些颗粒的特征在于直径为100μm或更小。
根据本发明的一些实施方式，颗粒的特征在于直径为20μm或更小。
根据本发明的一些实施方式，该方法进一步包括，在混合之前，粉碎 固体含碳燃料以产生燃料的颗粒。
根据本发明的一些实施方式，固体含碳燃料选自由煤(炭，coal)、 油页岩(oil shale)和泥炭(泥煤，peat)组成的组。
根据本发明的一些实施方式，该方法进一步包括，在混合之前，用污 水污泥乳化液体含碳燃料以产生燃料的颗粒。
根据本发明的一些实施方式，悬浮液中的燃料和污水污泥的重量比在 0.75∶1至3∶1的范围内。
根据本发明的一些实施方式，悬浮液中的水的浓度为至少25重量百 分比(wt%)。
根据本发明的一些实施方式，气化包括将悬浮液加热到至少1000℃ 的温度。
根据本发明的一些实施方式，本文中描述的加热包括使悬浮液与包含 蒸汽的热燃烧产物接触。
根据本发明的一些实施方式，该方法进一步包括在燃烧气体之前将气 体与空气混合。
根据本发明的一些实施方式，该方法进一步包括将增塑剂与燃料和污 水污泥混合。
根据本发明的一些实施方式，增塑剂选自由腐殖酸(胡敏酸，humic acid)和氢氧化钠组成的组。
根据本发明的一些实施方式，悬浮液中的增塑剂的浓度在0.1%至3 %的范围内。
根据本发明的一些实施方式，该系统进一步包括污水污泥供应模块 (supply module)。
根据本发明的一些实施方式，该系统进一步包括燃料供应模块。
根据本发明的一些实施方式，该系统进一步包括动力产生模块(发电 模块，power generation module)，被配置用于在燃烧模块中从气体的燃烧 产生动力。
根据本发明的一些实施方式，动力产生模块包括燃气轮机和/或热力 发动机。
根据本发明的一些实施方式，该系统进一步包括粉碎机(研磨机， grinder)，其能够粉碎固体含碳燃料以产生直径为100μm或更小的燃料的 颗粒。
根据本发明的一些实施方式，该系统适合用于用污水污泥乳化液体含 碳燃料以产生直径为100μm或更小的燃料的颗粒。
根据本发明的一些实施方式，燃料的颗粒的直径为20μm或更小。
根据本发明的一些实施方式，热源包括加热炉(furnace)。
根据本发明的一些实施方式，该系统包括燃料供应模块，被配置用于 向加热炉和混合器提供含碳燃料，该加热炉适合用于燃烧该燃料。
根据本发明的一些实施方式，该加热炉被配置用于向气化器提供燃烧 产物，该燃烧产物包含蒸汽。
根据本发明的一些实施方式，加热和气化器被配置作为包括其中发生 燃烧的第一区和其中发生气化的第二区的一体模块(整体模块，unified module)。
根据本发明的一些实施方式，该一体模块进一步包括第三区，其中发 生气体的燃烧，因而该一体模块包括本文中描述的加热炉、气化器和燃烧 模块。
根据本发明的一些实施方式，热源和气化器被配置用于将气化器中的 悬浮液加热至至少1000℃的温度。
根据本发明的一些实施方式，该系统进一步包括配置用于向燃烧模块 供应氧气的压缩机(compressor)。
根据本发明的一些实施方式，氧气和本文中描述的气体一起供应给燃 烧模块。
根据本发明的一些实施方式，该系统进一步包括配置用于向加热炉供 应氧气的压缩机。
根据本发明的一些实施方式，供应氧气包括供应压缩空气。
根据本发明的一些实施方式，该系统适合用于以在0.75∶1至3∶1范围 内的重量比混合燃料和污水污泥。
根据本发明的一些实施方式，该系统适合用于形成包含至少25重量 百分比的水的悬浮液。
根据本发明的一些实施方式，该系统进一步包括用于雾化刚进入气化 器的悬浮液的雾化器(atomizer)。
根据本发明的一些实施方式，该雾化器包括配置用减少雾化器通过悬 浮液中的燃料的颗粒堵塞的转动部件(rotating part)。
根据本发明的一些实施方式，该系统适合用于混合增塑剂与燃料和污 水污泥。
根据本发明的一些实施方式，该系统适合用于以悬浮液中的增塑剂的 浓度在0.1%至3%的范围内混合该增塑剂。
除非另有定义，本文中使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明 所属领域的普通技术人员普遍理解相同的含义。虽然与本文中描述的那些 类似或等价的方法和材料可以用于本发明实施方式的实施或测试，但以下 描述了示例性的方法和/或材料。如果冲突，将参照本专利说明书，包括定 义。另外，这些材料、方法和实施例仅是举例说明性的，而不是必要地限 制性的。