[发明专利]一种超临界水氧化污泥处理的余热梯级利用系统及方法

说明书

本发明公开了一种超临界水氧化污泥处理的余热梯级利用系统及方法，属于化工及环保技术领域。通过热水解反应器使污泥升温热水解，通过污泥预热罐对污泥进行第一级预热升温，以超临界水氧化技术为核心，污泥在SCWO反应放热后成为高温热流体，依次通过高温预热器、再沸器、热水解反应器、污泥预热罐对物料进行高温段预热至超临界条件，通过再沸器使脱氨流体再沸产生蒸气用于后续蒸氨，通过余热制冷制热单元对高压流体的余热进行回收利用，再流经降压分离单元后，进入脱氨单元进一步对流体进行氨氮处理，最后通过余热制热单元对低压流体的余热进行回收利用，从而实现污泥无害化处理和系统能量的高效利用，有效地降低了运行成本，增加了系统经济性。

技术领域

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(supercritical water，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(Supercritical WaterOxidation，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。