申请日2017.08.31
公开(公告)日2017.11.24
IPC分类号C02F11/10; C10B53/00; C10G1/00
摘要
本发明公开了一种开放性水域污泥处理用热解反应器，包括反应釜、电加热装置、半连续化加料装置和循环冷却装置，在反应釜内部设置搅拌装置，所述循环冷却装置包括冷却液循环池、冷却盘管;所述半连续化加料装置包括与反应釜相连通的料仓，料仓中部通过进料管与污泥进料口相连通，底部通过出料管与出料口相连通。本发明还公开了开放性水域污泥处理方法，包括预处理、热解、产物分离提取与半连续化加料、出料及后处理四个步骤。本发明将污泥中有机质的40%以上转化为高热值燃料油，有机质转化率高达90%以上，同时生产大量的不凝性气体、固体残渣和水相液体，达到了污泥的最大化利用，显著降低了环保压力。
权利要求书
1.一种开放性水域污泥处理用热解反应器，其特征在于：包括反应釜(1)、电加热装置(2)、半连续化加料装置和循环冷却装置;所述电加热装置(2)内部开设有与反应釜(1)外壁形状相配合的内腔，反应釜(1)设置于电加热装置(2)内腔中、其顶部设置釜盖(11);所述反应釜(1)的釜盖(11)上设置污泥进料口和进气口，釜底设置出料口;在反应釜(1)内部还设置有贯穿釜盖(11)的搅拌装置，所述搅拌装置包括设置在反应釜(1)内部的搅拌杆(51)和桨片(52)、以及设置在反应釜(1)外部的用于输出搅拌动力的搅拌电机(53);所述循环冷却装置包括冷却液循环池、环绕在搅拌杆(51)外部的与冷却液循环池相连通的冷却盘管(4);所述半连续化加料装置包括与反应釜(1)相连通的料仓(3)，料仓(3)的仓底高度不低于反应釜(1)的釜顶高度;所述料仓(3)顶部设置加料口(35)，其中部通过进料管(31)与反应釜(1)的污泥进料口相连通，其底部通过出料管(32)与反应釜(1)的出料口相连通，所述进料管(31)与出料管(32)上均设置可开合的阀门;所述料仓(3)上还安装有液位计(38);
所述反应釜(1)上还设置有温度传感器(14)、安全阀(15)和第一压力传感器(16)，所述第一压力传感器(16)的连接管路上分支第一排气管道，所述第一排气管道上安装第一减压阀(17);所述料仓(3)顶部设置有第二压力传感器(33)，第二压力传感器(33)的连接管路上分支有第二排气管道，第二排气管道连通至不凝气体接收装置;所述第二排气管道上安装有第二减压阀(34)。
2.根据权利要求1所述的一种开放性水域污泥处理用热解反应器，其特征在于：所述反应釜(1)的进气口设置进气管(13)，所述进气管(13)一端连接气体输送管道，另一端插入反应釜(1)中部。
3.根据权利要求1所述的一种开放性水域污泥处理用热解反应器，其特征在于：所述反应釜(1)外壁与电加热装置(2)内腔之间、进料管(31)与出料管(32)的管壁上均设置保温层。
4.根据权利要求1所述的一种开放性水域污泥处理用热解反应器，其特征在于：所述进料管(31)和污泥进料口之间、出料管(32)和出料口之间均通过法兰盘进行连接固定。
5.一种使用权利要求1所述热解反应器的开放性水域污泥处理方法，其特征在于包含以下步骤：
A、预处理
将开放性水域底部的污泥送入沉淀池中静置沉淀，沉淀结束后加入催化剂碳酸钠混匀，然后将污泥送入热解反应器的反应釜和料仓中，盖紧釜盖和料仓加料口，同时关闭进料管阀门和出料管阀门;
B、热解
在反应釜良好密封条件下，打开反应釜的进气口，依次通入氮气和氢气来排尽反应釜中的氧气;停止通氢，开启电加热装置和搅拌装置，对反应物进行升温搅拌反应，通过温度传感器和压力传感器监视反应釜内部的物料温度和压力;当反应釜内温度达300℃~350℃、压力达8 MPa~16 MPa时，开始进行热解反应;
热解过程中随时监控反应釜内压力的变化，若压力降低，则向反应釜中通入氢气增压，若压力升高，则调节第一减压阀进行适量放气减压;
C、产物分离提取与半连续化加料
热解反应结束后，关闭电加热装置，向冷却盘管中通入冷却液、对釜内物料进行降温;待温度降低至250℃以下后，缓慢打开第一减压阀和进料管上的球阀，反应釜内的高温气体通过进料管逸入预先加入了预处理污泥的料仓中;高温气体与冷的预处理污泥发生接触换热，高温气体中的一部分被冷凝成油、漂浮于预处理污泥的液面上，另一部分未凝结的气体逸出预处理污泥表面、在料仓内产生新的压力;当料仓与反应釜之间的压力达到平衡后，打开出料管上的止回阀，料仓和反应釜之间的高度差使得料仓内的预处理污泥自动流入反应釜内进行补充，达到半连续化加料;加料完成后，关闭料仓与反应釜之间的球阀和止回阀，继续进行高温高压热解反应，同时通过料仓顶部的第二泄压阀将不凝性气体导入不凝气体收集装置中;
D、出料及后处理
料仓中的待处理污泥经过2~3次的半连续化加料后完全转移至反应釜中，循环热解反应结束后，重复步骤C中的冷却降温、及高温气体逸入料仓过程，通过前几次热解时收集的油状液体对高温气体进行冷凝，最终在料仓内获得油状液体，反应釜内残留固体残渣;分别将油状液体、固体残渣和不凝气体收集后进行进一步处理。
6.根据权利要求5所述的一种开放性水域污泥处理方法，其特征在于：所述步骤A中静置沉淀时间为1 h~4 h，催化剂碳酸钠的加入量为污泥质量的2%~5%;所述反应釜中污泥的加入量不超过反应釜容积的1/2，料仓中污泥的加入量不超过反应釜中污泥加入量的3倍。
7.根据权利要求5所述的一种开放性水域污泥处理方法，其特征在于：所述步骤B中，反应温度为320℃~340℃，反应压力为10 MPa ~15 MPa;所述热解反应时间为15min~60 min。
8.根据权利要求5所述的一种开放性水域污泥处理方法，其特征在于：所述步骤C中，所述半连续化加料的加料量不超过步骤A中反应釜中预处理污泥的加料量。
9.根据权利要求5所述的一种开放性水域污泥处理方法，其特征在于：所述步骤D中，待反应釜内的压力降至常压、温度降至室温时，打开釜盖、断开釜底排料口与出料管之间的法兰，由底部排料口收集固体残渣。
说明书
一种开放性水域污泥处理用热解反应器及污泥处理方法
技术领域
本发明涉及一种开放性水域污泥处理用热解反应器及处理方法，属于资源环境技术领域。
背景技术
我国幅员辽阔，各种开放性水域(天然河流、湖泊、港湾及城市河道)众多;在许多经济发达、人口密集地区，工农业生产等人类活动导致绝大多数的开放性水域受到不同程度的污染，大量污染物在底部污泥中富集、造成底部污泥的严重污染。当外界环境发生变化时，底部污泥中蓄积的污染物会重新释放至水环境，成为长久性污染源。
我国的开放性水域底部污泥存在体量大、分布范围广的特点。疏浚法是目前国内外治理污染河湖的主要措施，即通过机械作用将被污染的开放性水域底部污泥疏浚到地面、再进行后续处理。目前，我国对于疏浚的开放性水域底部污泥的综合利用刚刚起步，主要采用的还是填埋、堆肥等方法，这些处理技术存在投资较大、处理不彻底、产生二次污染或不能有效回收污泥中的能源等问题。随着生态文明建设目标的提出和相关法律的完善，将开放性水域的底部污泥进行无害化处理和资源化利用是今后必然的选择。
与开放性水域底部污泥的处理相比，我国在生产污泥、生活污泥的处理方面具有更多研究。目前，已报道的用于污泥资源化利用的方法包括生物制氢、厌氧消化产沼气和热解制油三种。其中，生物制氢在国内外均属于比较前沿的污泥能源化技术，目前多处于探索起步阶段，处理条件还不成熟。厌氧消化产沼气技术需要较长的处理时间，一般在20到30天以上，导致消化池体积大，基建费用较高，且运行管理复杂。与其他两种方法相比，热解制油技术较为成熟，处理设备简单，污泥能量利用率较好、甚至污泥接近完全利用，但是，与生活污泥、生产污泥相比，开放性水域底部污泥量很大、分布范围广、含水量和杂质含量比较高、有机质含量相对较低。通常，市政污泥未经处理前含水量高达99%，且含有重金属(如Co、Pb、Ni等)，污泥的有机成分中含有大量的蛋白质、脂肪、矿物油、腐殖质、细菌以及细菌的各级代谢产物，其中也包含了寄生虫或卵、微生物、一些工业用高分子材料的残渣、废油漆、各种有机溶剂的残余、有机物的焦或者是不完全分解物，使得污泥制油难度大大提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种开放性水域污泥处理用热解反应器及处理方法，将污泥中的有机质转化为高热值的燃料油，同时副产可回收利用的不凝性气体和固体残渣，达到污泥的最大化利用。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种开放性水域污泥处理用热解反应器，包括反应釜、电加热装置、半连续化加料装置和循环冷却装置;所述电加热装置内部开设有与反应釜外壁形状相配合的内腔，反应釜设置于电加热装置内腔中、其顶部设置釜盖;所述反应釜的釜盖上设置污泥进料口和进气口，釜底设置出料口;在反应釜内部还设置有贯穿釜盖的搅拌装置，所述搅拌装置包括设置在反应釜内部的搅拌杆和桨片、以及设置在反应釜外部的用于输出搅拌动力的搅拌电机;所述循环冷却装置包括冷却液循环池、环绕在搅拌杆外部的与冷却液循环池相连通的冷却盘管;所述半连续化加料装置包括与反应釜相连通的料仓，料仓的仓底高度不低于反应釜的釜顶高度;所述料仓顶部设置加料口，其中部通过进料管与反应釜的污泥进料口相连通，其底部通过出料管与反应釜的出料口相连通，所述进料管与出料管上均设置可开合的阀门;所述料仓上还安装有液位计;
所述反应釜上还设置有温度传感器、安全阀和第一压力传感器，所述第一压力传感器的连接管路上分支第一排气管道，所述第一排气管道上安装第一减压阀;所述料仓顶部设置有第二压力传感器，第二压力传感器的连接管路上分支有第二排气管道，第二排气管道连通至不凝气体接收装置;所述第二排气管道上安装有第二减压阀。
本发明的进一步改进在于：所述反应釜的进气口设置进气管，所述进气管一端连接气体输送管道，另一端插入反应釜中部。
本发明的进一步改进在于：所述反应釜外壁与电加热装置内腔之间、进料管与出料管的管壁上均设置保温层。
本发明的进一步改进在于：所述进料管和污泥进料口之间、出料管和出料口之间均通过法兰盘进行连接固定。
一种使用上述热解反应器的开放性水域污泥处理方法，包含以下步骤：
A、预处理
将开放性水域底部的污泥送入沉淀池中静置沉淀，沉淀结束后加入催化剂碳酸钠混匀，然后将污泥送入热解反应器的反应釜和料仓中，盖紧釜盖和料仓加料口，同时关闭进料管阀门和出料管阀门;
B、热解
在反应釜良好密封条件下，打开反应釜的进气口，依次通入氮气和氢气来排尽反应釜中的氧气;停止通氢，开启电加热装置和搅拌装置，对反应物进行升温搅拌反应，通过温度传感器和压力传感器监视反应釜内部的物料温度和压力;当反应釜内温度达300℃~350℃、压力达8MPa~16 MPa时，开始进行热解反应;
热解过程中随时监控反应釜内压力的变化，若压力降低，则向反应釜中通入氢气增压，若压力升高，则调节第一减压阀进行适量放气减压;
C、产物分离提取与半连续化加料
热解反应结束后，关闭电加热装置，向冷却盘管中通入冷却液、对釜内物料进行降温;待温度降低至250℃以下后，缓慢打开第一减压阀和进料管上的球阀，反应釜内的高温气体通过进料管逸入预先加入了预处理污泥的料仓中;高温气体与冷的预处理污泥发生接触换热，高温气体中的一部分被冷凝成油、漂浮于预处理污泥的液面上，另一部分未凝结的气体逸出预处理污泥表面、在料仓内产生新的压力;当料仓与反应釜之间的压力达到平衡后，打开出料管上的止回阀，料仓和反应釜之间的高度差使得料仓内的预处理污泥自动流入反应釜内进行补充，达到半连续化加料;加料完成后，关闭料仓与反应釜之间的的球阀和止回阀，继续进行高温高压热解反应，同时通过料仓顶部的第二泄压阀将不凝性气体导入不凝气体收集装置中;
D、出料及后处理
料仓中的待处理污泥经过2~3次的半连续化加料后完全转移至反应釜中，循环热解反应结束后，重复步骤C中的冷却降温、及高温气体逸入料仓过程，通过前几次热解时收集的油状液体对高温气体进行冷凝，最终在料仓内获得油状液体，反应釜内残留固体残渣;分别将油状液体、固体残渣和不凝气体收集后进行进一步处理。
所述步骤A中静置沉淀时间为1 h~4 h，优选为2 h;催化剂碳酸钠的加入量为污泥质量的2%~5%，优选为4%;所述反应釜中污泥的加入量不超过反应釜容积的1/2，料仓中污泥的加入量不超过反应釜中污泥加入量的3倍。
所述步骤B中，反应温度为320℃~340℃，反应压力为10 MPa ~15 MPa;所述热解反应时间为15 min ~60 min。
所述步骤C中，所述半连续化加料的加料量不超过步骤A中反应釜中预处理污泥的加料量。
所述步骤D中，待反应釜内的压力降至常压、温度降至室温时，打开釜盖、断开釜底排料口与出料管之间的法兰，由底部排料口收集固体残渣。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明提供了一种开放性水域污泥处理用热解反应器及污泥处理方法，通过一系列物理化学作用，将含水率高达90%的污泥中的有机大分子转变为液态有机小分子，使污泥中有机质的40%以上转化为热值不小于33 MJ/Kg的燃料油，相应有机质的转化率高达90%以上，同时生产大量的不凝性气体、固体残渣和水相液体，不凝性气体的主要成分是CO、CO2和CxHy，可以作为燃料使用;固体残渣具有多孔结构和较大的比表面积，吸附性强，可以用于脱硫剂或作为建筑材料(制砖等)，达到了污泥的最大化利用，显著降低了环保压力。
所述热解反应器中，反应釜与半连续化加料装置的料仓相连接，当反应釜中的污泥热解完全后再将料仓中储存的污泥分批次加入反应釜中进行连续反应，一方面减少了投料次数和充泄压操作频率，能够使得污泥中残存的有机大分子得到充分的转化，提高热解反应效率和产油率;另一方面，由于开放性水域污泥中的有机质含量低于城市污泥，单次热解后产生的油及不凝性气体较少，此时进行萃取在收率和经济性上并不可行，因此，这种多次连续的热解反应，将生成的油贮存在该料仓的方法，待生成的油富集到达一定量后再进行后续的萃取步骤，减少后处理的频率和成本。
热解所产生的高温气体产物不是直接进行冷凝，而是通过管路引入半连续化加料装置的料仓中，第一，有效利用高温气体产物的热能对料仓中存储的污泥进行预热，减少污泥在反应釜中的加热时间，减少能量消耗;第二，料仓中存储的低温污泥自发形成了一个“冷凝装置”，来自反应釜的高温气体与低温污泥接触后冷凝生成油，并由于密度较小的原因而漂浮到污泥表面，无需设置额外的冷凝装置和冷凝液系统，可直接实现高温气体的冷凝与分离;第三，反应釜中的高温气体由反应釜转移至料仓中，未凝结的气体在料仓中产生压力、从而实现料仓压力和反应釜压力的平衡，料仓中的污泥在高度差作用下流入反应釜中，无需额外提供加料动力。
本发明提供的开放性水域污泥处理方法对原料污泥的含水量要求低，来自开放性水域底部的污泥只需进行简单的自然沉降就可送入热解反应器进行热解，无需对污泥进行专门的脱水干化处理(如絮凝、板框压滤、加热烘干等)，大大节省了污泥干燥过程的能源消耗，显著降低处理成本。
本发明向污泥中加入适量的催化剂碳酸钠，能够有效缩短热解时间、降低热解温度、减少固体剩余物的量和控制热解产品的分布范围。催化剂的加入量控制为污泥质量的2%~5%，如果加入量过少，则起不到催化作用;若加入量过多，不但不会起到额外的催化效果，反而会影响热解固体产物的质量，并提高成本。
本发明热解反应前使用氢气来置换氧气，氢气的通入，一方面可以使热解油中的不饱和烃转化为熔点较低的饱和烃，提高产油率，实现污泥的资源化利用;另一方面可以使开放性水域污泥中含有的难降解的致癌物质多环芳烃(PAHs)发生转化，从而实现污泥的无害化;经检测，本发明方法所得到的燃料油的测试指标均符合380CST质量标准的要求。
本发明热解过程利用污泥中的水形成的蒸汽压在反应器内部形成高压、即可实现高压反应，而无需外加产生高压设备，减少占地面积和维护检修难度。