申请日2014.03.19
公开(公告)日2014.05.28
IPC分类号F23G5/04; F23G7/00; F23G5/46
摘要
本发明属于污泥处理技术。一种城市污泥热脱水、余热干燥及流化焚烧一体化工艺，初始脱水污泥经换热后，与高温灰渣进行预混合;预热后污泥进行热水解反应罐，水解后进入脱水罐;脱水罐内排出水分，一路经过气浮进入废水蒸发器，蒸发后产生二次蒸汽供给污泥热水解;另一路通过废水余热-污泥换热器;破碎污泥颗粒停留在污泥仓中;污泥仓中破碎污泥进行流化干燥;干燥后污泥进入流化床导热油锅炉焚烧，灰渣除去底灰，高温石英砂与污泥混合并预热污泥。本发明工艺合理，简单，将脱水、余热干燥及液化焚烧有机整合为一体，实现城市污泥有机处理，处理效果佳。
权利要求书
1.一种城市污泥热脱水、余热干燥及流化焚烧一体化工艺，其特征在于：包括如下步骤：
(1)含水80-88%的初始脱水污泥进入换热器，经换热器换热后，与锅炉焚烧排出的高温灰渣进行预混合，污泥被预热，同时实现污泥改性;
(2)预热后污泥进行热水解反应罐，通入废水蒸发器所产生的二次蒸汽，将污泥加热并水解，水解反应完成后，快速进入脱水罐;
(3)在脱水罐内，污泥中水分在系统压力作用下通过安装在脱水罐内部滤芯排出;
(4)脱水罐内排出水分，一路经过气浮除去废水中杂质后，进入废水蒸发器，蒸发后产生二次蒸汽供给污泥热水解;另一路通过废水余热-污泥换热器，给初始污泥预热;
(5)脱水罐内污泥在罐内系统压力作用下爆破排出，被破碎并雾化，由于水分与污泥密度差较大，污泥表面水分被高速压缩空气携带排出，经冷凝后进污水处理，污泥颗粒停留在污泥仓中;
(6)污泥仓中破碎污泥进行流化干燥，烟气经净化处理后外排;
(7)干燥后污泥最后进入流化床导热油锅炉焚烧，将导热油加热，灰渣进入分离器除去底灰，高温石英砂与污泥混合并预热污泥，底灰外排用作制砖;
(8)被加热后导热油循环进入废水蒸发器，将来自压力溶气气浮罐中废水加热至所需温度，所产生二次饱和蒸汽进入热水解反应罐，烟气进入流化床干燥器为污泥干化提供所需热能。
2.根据权利要求1所述的一种城市污泥热脱水、余热干燥及流化焚烧一体化工艺，其特征在于：所述(1)含水率80-88%的污泥中加入污泥总量10%高温灰渣)，然后直接加入热水解反应罐，在热水解反应罐内，饱和蒸汽直接从罐底进入，罐底设置蒸汽分布板，罐内采用旋转搅拌，使得污泥与饱和水蒸气充分接触，实现快速传热与传质，当反应器内温度达到设定温度150-200℃及压力0.5-1.6MPa时，维持反应时间20-30 min左右。
3.根据权利要求1所述的一种城市污泥热脱水、余热干燥及流化焚烧一体化工艺，其特征在于：所述(3)热水解反应罐内污泥加热、水解完成后，为了维持在脱水反应罐内污泥的温度在150℃，污泥在进入脱水罐之前，将脱水罐内充满170℃饱和水蒸气，然后打开热水解反应罐和脱水罐连通阀，然后不断往反应罐顶部补充水蒸气或压缩空气使污泥快速进入脱水罐，为了使得污泥能顺利从热水解反应罐进入脱水罐，脱水罐顶部安装压力控制阀，当脱水罐内压力低于设定压力时关闭，高于设定压力时开启。
4.根据权利要求1所述的一种城市污泥热脱水、余热干燥及流化焚烧一体化工艺，其特征在于：所述(3)在脱水罐内布置多层环状空心滤芯，污泥所含水分在反应罐系统压力作用下透过多层滤芯排出;反应罐系统压力可由压缩空气补充提供。
5.根据权利要求1所述的一种城市污泥热脱水、余热干燥及流化焚烧一体化工艺，其特征在于：所述(3)脱水罐内滤芯与贮水罐相连，贮水罐与脱水罐压力维持0.3-0.4 MPa压差;贮水罐内压力由压缩空气提供，污泥内排出污水进入贮水罐后，在压缩空气压力作用下溶解一定量的空气。
6.根据权利要求1所述的一种城市污泥热脱水、余热干燥及流化焚烧一体化工艺，其特征在于： 所述(5)脱水罐内污泥排水过程完成后，快速开启罐底阀门，利用罐内余压将脱水后污泥爆破式排入爆破装置。
7.根据权利要求1所述的一种城市污泥热脱水、余热干燥及流化焚烧一体化工艺，其特征在于：所述(5)爆破仓底部安装若干风刀(高压空气提供)，脱水后污泥在进入爆破仓过程中，被垂直方向风刀切割并打碎、雾化，根据污泥与水的密度差，在高速气流与含水污泥的碰撞过程中，水分被高速气流携带，沿气流方向(垂直向)排出，污泥颗粒沿原方向(水平向)与爆破仓碰撞、破碎，最终落入仓底排出。
8.根据权利要求1所述的一种城市污泥热脱水、余热干燥及流化焚烧一体化工艺，其特征在于：所述(6)从爆破仓底排出污泥进入流化床干燥器，与来自污泥焚烧炉烟气对流干燥，将污泥进一步干化。
9.根据权利要求1所述的 一种城市污泥热脱水、余热干燥及流化焚烧一体化工艺，其特征在于：所述(7)从流化床中干燥后污泥进入循环流化床导热油锅炉，污泥焚烧将导热油加热;污泥焚烧后部分灰渣直接加入初始污泥中，给污泥预热，实现部分灰渣的循环利用。
10.一种城市污泥热脱水、余热干燥及流化焚烧一体化系统，其特征是：污泥仓出料口连通污泥污水换热器，污泥污水换热器污泥出口连通污泥-灰渣混合仓，污水出口连通污水处理中心，流化床导热油锅炉灰渣出口经灰渣分离器后连通污泥-灰渣混合仓，污泥-灰渣混合仓出料口连通热水解反应罐，热水解反应罐蒸汽入口连通废水蒸发器蒸汽出口，废水蒸发器蒸汽出口排出的饱和蒸汽直接从热水解反应罐罐底进入，热水解反应罐罐底设置蒸汽分布板，热水解反应罐罐内采用旋转搅拌，热水解反应罐出料口连通脱水罐，脱水罐顶部安装压力控制阀，脱水罐内布置多层环状空心滤芯，脱水罐内滤芯与贮水罐相连，贮水罐与脱压缩空气进口相连通，脱水罐罐底安装阀门，脱水罐排出水分经压力溶气气浮罐后，一路进入废水蒸发器，另一路进入污泥污水换热器;脱水罐污泥出料口连通爆破仓，爆破仓底部安装若干风刀，爆破仓通入压缩空气，爆破仓排出的湿空气进入冷凝器，冷凝器出水进入污水处理中心，爆破仓排出的破碎污泥进入流化床干燥器，干燥后污泥进入流化床导热油锅炉，导热油循环进入废水蒸发器，烟气进入流化床干燥器。
说明书
一种城市污泥热脱水、余热干燥及流化焚烧一体化工艺及系统
一、技术领域
本发明属于污泥处理技术，尤其是一种市政污水处理厂脱水污泥减量化稳定化无害化的处理工艺。
二、背景技术：
污泥是水处理过程中形成的以有机物为主要成分的泥状物质，由多种微生物形成的菌胶团及其吸附的有机和无机颗粒组成的集合体，含有大量的水分及难降解的有机物、重金属和盐类、病原菌、寄生虫卵等。随着我国社会经济和城市化的发展，污水处理厂不断增加，污泥的产量也大幅度增长。污水处理厂产生的污泥经初步浓缩后，含水率仍在80%以上，且其中含有大量的污染物，污泥处理是我国急需解决的环境问题。
截止2010年，全国已建成城镇污水处理厂2832座，城镇污水处理厂年处理污水量达318亿吨，城市和县城的污水排放总量已达到450.8亿吨。其中，657座城市污水排放总量为378.7亿吨，1633座县城污水排放总量为72.1亿吨。总处理能力达1.25亿吨/日，全国96%的设市城市、65%的县城均已建有污水处理厂。“十二五”期间，全国规划范围内的城镇污水处理规模达到1.71亿立方米/日(1万吨生活污水大约能产生干污泥量为1.3吨)。“十二五”期间，全国规划范围内的城镇污泥处理处置规模为2500万吨/年，折合为干泥518.13万吨/年。
城市污泥既是污染物又是一种资源。污泥中含有大量有机物质，具有燃料价值。我国的脱水污泥处理及资源化利用工艺技术依然没有形成一个统一的思路。研究安全、高效、经济的污泥处理工艺，实现污泥的减量化、稳定化、无害化成为广为关注的热点问题。目前污泥处置方式主要有三种：填埋、土地利用、焚烧。填埋是传统的污泥处理方式，由于会产生二次污染和适宜污泥填埋的场所越来越有限，污泥填埋的应用已经受到了限制。土地利用主要包括污泥农用、污泥用于森林与园艺、废弃矿场等场地的改良等，污泥中的有毒有害物会导致土壤或水体污染。污泥焚烧是近年来应用较广泛的处置方式，其优点在于能最大限度地实现污泥的减量化。污泥焚烧处置有两种方式：一是直接焚烧, 即将脱水污泥掺入煤或油等辅助燃料后燃烧。二是污泥经干化后再焚烧，脱水污泥进一步进行干化处理后进行焚烧。干化方式分直接干化和间接干化两种，两者的区别在于热源是直接还是间接作为换热介质进行加热。
污泥中含低级有机物，如氨基酸、腐植酸、细菌及代谢产物、多环芳烃、杂环类化合物等，其结构比较简单，并且已经经过二级生物氧化，受到不同程度的分解破坏，易于高温分解，因此分解温度、起燃温度和燃尽温度较低，易于燃烧，且干化后污泥含水率低，减少了水分蒸发能量消耗，因此干化焚烧具有较大优势，与污泥直接焚烧相比，一次性投资少，处理成本低。因此，污泥干化-焚烧是城市污水处理厂进行污泥合理开发利用的必经途径，是污泥实行减量化、稳定化、无害化、资源化的良好方法。干污泥中含有近40%的有机物质，具有可燃性，所以污泥既被视为废弃物，又被视为一种生物质资源。合理利用污泥资源已成为污泥有效利用的一个新的发展趋势。
公开日期为2007年9月26日，公开号为CN101041544，申请号为200710011115.0的发明专利为本申请人申请的转鼓压膜污泥干燥机，通过压辊带着输送网带随着内部通水蒸汽的旋转加热面转动，带动脱水污泥沿着旋转加热面与输送网带转动，水蒸汽的热传导作用使污泥含水率降低。这种设备是在薄膜根据污泥性质及换热原理研究开发的。但是这种工艺存在诸多难以克服的难题，首先，由于污泥的高粘度，在干燥过程中发生严重的粘带问题，导致输送带网孔堵塞，水分迁移及挥发严重受阻，导致干燥效率下降;其次，污泥中水分绝大部分被气化，由此使得能耗大幅增加。
公开日期为2008年7月23日，公开号为CN101224912，申请号为200810026039.5的发明专利公开了一种污泥干燥方法，提出将脱水污泥与干污泥进行混合搅拌，得出的产品一部分作为产品出售，一部分继续干燥成干污泥与湿污泥掺混搅拌，即通过掺混方法避开污泥干燥的胶粘相区间。这种方法从理论上分析是完全可行的，但在实际操作中需要添加大量的干污泥掺混才能得到所需含水率值的产品，没有从根本上越过当前污泥干燥的壁垒。
公开日期为2011年9月20日，公开号为102381820A，申请号为201110279705.8的发明专利公开了一种基于水热改性技术的污泥处理工艺，提出将污泥加入稀释水后进入均质装置内充分混合均质后进入浆化装置,浆化后污泥进入水热反应器进行水热反应,经水热后污泥进入闪蒸器中减压闪蒸，经冷却器冷却至35-45℃后进入高压隔膜压滤机进行压滤脱水，脱水泥饼制作成生物质燃料棒,进入锅炉为水热反应器和闪蒸器提供蒸汽。该污泥处理工艺存在的主要不足如下：(1)需要加入大量稀释水，由此增大了水热浆化过程蒸汽消耗量;(2)污泥降温后呈稳定胶体状态，压滤脱水较难，高压压滤能耗高。
综上所述，污泥处理的核心在于在能耗较低的条件下实现有效干燥，污泥的高含水率、高粘性导致其脱水干燥瓶颈难以克服，传统的加热气化干燥方法由于能好过高终究无法实现产业化运行。因此，亟需开发一种低能耗、高效的污泥脱水、干化一体化工艺，真正实现污泥的无害化、资源化处理。
发明内容：
本发明提出了一种城市污泥处理及处置一体化工艺，该方法适用于城市脱水污泥无害化处理及处置。将污泥热水解改性、爆破实现细胞破壁、自动排水、高速气流实现污泥水分离、烟气余热流化床干燥、废水蒸发二次蒸汽回用等工艺结合起来的高含水率膏状物体的干燥一体化系统工艺。
本发明具体技术方案如下：一种城市污泥热脱水、余热干燥及流化焚烧一体化工艺，包括如下步骤：
(1)含水80-88%的初始脱水污泥中加入石英砂，经换热器换热后，与高温灰渣进行预混合，污泥被预热;
(2)预热后污泥进行热水解反应，水解反应完成后，快速进入脱水罐;
(3)在脱水罐内，污泥中水分在系统压力作用下通过安装在脱水罐内部滤芯排出;
(4)脱水罐内排出水分，一部分经过气浮除去废水中杂质后，进入废水蒸发器，蒸发后产生二次蒸汽供给污泥热水解;另一部分通过废水余热-污泥换热器，给初始污泥预热;
(5)脱水罐内污泥在罐内系统压力作用下爆破排出，被破碎并雾化，由于水分与污泥密度差较大，污泥表面水分被高速压缩空气携带排出，经冷凝后进污水处理，污泥颗粒停留在污泥仓中;
(6)污泥仓中破碎污泥进行流化干燥，烟气经净化处理后外排;
(7)干燥后污泥最后进入流化床导热油锅炉焚烧，将导热油加热，灰渣进入分离器除去底灰，高温石英砂与污泥混合并预热污泥，底灰外排用作制砖;
(8)被加热后导热油循环进入废水蒸发器7，将来自压力溶气气浮罐6中废水加热至所需温度，所产生二次饱和蒸汽进入热水解反应罐4，烟气进入流化床干燥器。
所述(1)含水率80-88%的污泥中加入污泥总量10%(质量)的高温灰渣，然后直接加入热水解反应罐，在热水解反应罐内，饱和蒸汽直接从罐底进入，罐底设置蒸汽分布板，罐内采用旋转搅拌，使得污泥与饱和水蒸气充分接触，实现快速传热与传质，当反应器内温度达到设定温度150-200℃及压力0.5-1.6MPa时，维持反应时间10-30 min左右。
所述(3)热水解反应罐内污泥加热、水解完成后，为了维持在脱水反应罐内的温度不低于150℃，污泥在进入脱水罐之前，将脱水罐内充满170℃饱和水蒸气，然后打开热水解反应罐和脱水罐连通阀，然后不断往反应罐顶部补充水蒸气或压缩空气使污泥快速进入脱水罐，为了使得污泥能顺利从热水解反应罐进入脱水罐，脱水罐顶部安装压力控制阀，当脱水罐内压力低于设定压力时关闭，高于设定压力时开启。
所述(3)在脱水罐内布置多层环状空心滤芯，污泥所含水分在脱水罐内系统压力作用下透过多层滤芯排出;反应罐系统压力可由压缩空气补充提供。
所述(3)脱水罐内滤芯与贮水罐相连，贮水罐与脱水罐压力维持0.3-0.4 MPa压差;贮水罐内压力由压缩空气提供，污泥内排出污水进入贮水罐后，在压缩空气压力作用下溶解一定量的空气。
所述(4)脱水罐内排出水分，一部分经过气浮除去废水中杂质后，进入废水蒸发器，蒸发后产生二次蒸汽供给污泥热水解;另一部分通过废水余热-污泥换热器，给初始污泥预热。
所述(5)脱水罐内污泥排水过程完成后，快速开启罐底阀门，利用罐内余压将脱水后污泥爆破式排入爆破装置。
所述(5)爆破仓底部安装若干风刀(高压空气提供)，脱水后污泥在进入爆破仓过程中，被垂直方向风刀切割并打碎、雾化。根据污泥与水的密度差，在高速气流与含水污泥的碰撞过程中，水分被高速气流携带，沿气流方向(垂直向)排出，污泥颗粒沿原方向(水平向)与爆破仓碰撞、破碎，最终落入仓底排出。
所述(6)从爆破仓底排出污泥进入流化床干燥器，与来自污泥焚烧炉烟气对流干燥，将污泥进一步干化。
所述(7)从流化床中干燥后污泥进入循环流化床导热油锅炉，污泥焚烧将导热油加热;污泥焚烧后部分灰渣直接加入初始污泥中，给污泥预热，实现部分灰渣的循环利用。
一种城市污泥热脱水、余热干燥及流化焚烧一体化系统，污泥仓出料口连通污泥污水换热器，污泥污水换热器污泥出口连通污泥-灰渣混合仓，污水出口连通污水处理中心，流化床导热油锅炉灰渣出口经灰渣分离器后连通污泥-灰渣混合仓，污泥-灰渣混合仓出料口连通热水解反应罐，热水解反应罐蒸汽入口连通废水蒸发器蒸汽出口，废水蒸发器蒸汽出口排出的饱和蒸汽直接从热水解反应罐罐底进入，热水解反应罐罐底设置蒸汽分布板，热水解反应罐罐内采用旋转搅拌，热水解反应罐出料口连通脱水罐，脱水罐顶部安装压力控制阀，脱水罐内布置多层环状空心滤芯，脱水罐内滤芯与贮水罐相连，贮水罐与脱压缩空气进口相连通，脱水罐罐底安装阀门，脱水罐排出水分经压力溶气气浮罐后，一路进入废水蒸发器，另一路进入污泥污水换热器;脱水罐污泥出料口连通爆破仓，爆破仓底部安装若干风刀，爆破仓通入压缩空气，爆破仓排出的湿空气进入冷凝器，冷凝器出水进入污水处理中心，爆破仓排出的破碎污泥进入流化床干燥器，干燥后污泥进入流化床导热油锅炉，导热油循环进入废水蒸发器，烟气进入流化床干燥器。
本工艺的优点在于：
(1)节能优势：对于处理含水80-87%(质量)的城市脱水污泥，不需外加燃料或外加热量，即可实现污泥的彻底处理;
(2)环保优势：污泥全过程处理无需外加药剂(如各类絮凝剂);采用流化焚烧可避免污泥燃烧过程二噁英的生成;加热污泥所用蒸汽由污泥中脱出水制取，无需额外洁净水。
(3)系统工艺流程简单，设备投资低。
本发明采用热水解技术，首先将含水率约80-90%城市脱水污泥加热至一定温度(150-200℃)，使污泥胞外聚合物中的多糖、蛋白质获得一定程度的降解，使其持水性降低;同时污泥胶体稳定性下降，粘度大幅降低。首先，污泥被蒸汽直接加热至所需温度，实现污泥改性。然后该污泥进入自动排水系统，将污泥中水分通过滤芯自动排出，实现泥水自动分离，所排出水分进入污水压力溶气气浮系统，实现气浮除去污水中悬浮物及其他大分子污染物，进行污水初步预处理。排水后污泥爆式进入爆破仓实现污泥细胞破壁，并被高速气流切割并粉碎，污泥表面残余水分被气流携带分离。脱水后污泥进入余热烟气流化床干燥器，与来自锅炉烟气进行对流干燥，进一步将污泥脱水、干燥。干燥后污泥进入流化焚烧炉，焚烧所产生热量一部分用于加热导热油，另一部分余热烟气用于流化床干燥器中干化污泥;被加热后导热油进入废水蒸发器为废水蒸发提供热量，最后，导热油回流进入导热油炉循环加热。本工艺发明适用于城市脱水污泥无害化处理及处置，污泥自身所含热量可满足污泥全过程处理所需。是一种无害化、资源化处理高含水率膏状物体的清洁、高效工艺。
本发明系统设置合理紧凑，其中预热系统主要包括废水预热污泥及流化床焚烧炉高温石英砂预热两部分，其功能是回收废水中余热以及灰渣余热，灰渣除了具有预热污泥，另外一个主要功能是利用灰渣中所带电荷中和污泥胶体所带静电，破坏污泥胶体稳定性。热水解系统将预热后污泥与蒸汽混合，将污泥加热至设定温度，实现污泥改性。自动排水系统将污泥中水分通过滤芯自动排出，实现泥水自动分离，并进入污水压力溶气气浮系统。污水压力溶气气浮系统中，来自自动排水系统的污水溶解压缩空气后，通过减压释放溶解空气，实现气浮除去污水中悬浮物及其他大分子污染物，进行污水初步预处理。爆破系统将脱水后污泥进一步破碎，同时实现污泥细胞破壁，并被高速气流切割并粉碎，污泥表面残余水分被气流携带分离，比重大于水的污泥自然回落到污泥仓。余热烟气干燥系统中，来自污泥仓污泥进入流化床干燥器，与来自锅炉烟气进行对流干燥，进一步将污泥脱水、干燥。流化焚烧系统由流化焚烧和导热油炉两部分组成，将来自余热烟气干燥系统中干燥后污泥流化焚烧，将导热油加热至所需温度。废水蒸发系统中，部分来自污水压力溶气气浮系统中，经初步处理后污水被来自流化焚烧系统导热油加热并蒸发，二次蒸汽进入污泥热水解系统为污泥热水解提供热量，导热油回流进入导热油炉循环加热。
