一種高含固生物污泥連續熱水解裝置與方法

《一種高含固生物污泥連續熱水解裝置與方法》是同濟大學於2011年10月20日申請的專利，該專利的申請號為2011103194429，公布號為CN102417285A，授權公布日為2012年4月18日，發明人是董濱、戴翎翎、段妮娜、戴曉虎。

《一種高含固生物污泥連續熱水解裝置與方法》由管式進料器、高溫高壓閃蒸反應釜、閃蒸蒸汽儲汽罐和鍋爐組成。使用方法為：城市及工業生物污泥經過脫水後，含固率為15%~25%，將脫水污泥注入管式進料器，進料器內設定螺旋攪拌推進裝置，使生物污泥在攪拌狀態下緩慢推進到進料器出口，將後續高溫高壓閃蒸反應器內閃蒸釋放出來的蒸汽經加壓後注入管式進料器中，使物料在推進過程中逐漸升溫預熱，並使粘度大大降低。經過預熱後的生物污泥，注入高溫高壓閃蒸反應釜，在0.6~1.5兆帕、130℃~180℃的條件下，經過蒸煮，突然泄壓並實現閃蒸。閃蒸中釋放的大量蒸汽注入蒸汽儲罐。蒸汽儲罐經鍋爐注入補充蒸汽加壓後，向管式進料器供給熱蒸汽，用以鍋爐進水與脫水污泥的預熱，從而實現了高效回收利用閃蒸熱能的目的。《一種高含固生物污泥連續熱水解裝置與方法》具有處理效率高，能耗省、投資省、易於實現設備化的優點。

2016年12月7日，《一種高含固生物污泥連續熱水解裝置與方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種高含固生物污泥連續熱水解裝置與方法》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種高含固生物污泥連續熱水解裝置與方法
• 公布號：CN102417285A
• 授權日：2012年4月18日
• 申請號：2011103194429
• 申請日：2011年10月20日
• 申請人：同濟大學
• 地址：上海市楊浦區四平路1239號
• 發明人：董濱、戴翎翎、段妮娜、戴曉虎
• Int.Cl.：C02F11/10(2006.01)I；C02F11/12(2006.01)I
• 代理機構：上海正旦專利代理有限公司
• 代理人：張磊
• 類別：發明專利

專利背景

高含固生物污泥連續熱水解方法與設備一般適用的生物污泥含固率均在15%以下，針對經過脫水處理後含固率為15%~25%的生物污泥而言，無法實現連續穩定的熱水解預處理操作，《一種高含固生物污泥連續熱水解裝置與方法》正是針對上述問題突破高含固率生物污泥的預處理技術與裝置。

根據反應器中物料的固體含量（TS），厭氧發酵技術可分為低含固發酵（TS≤12%）和高含固發酵（TS≥20%）兩種。低含固發酵技術在市政污泥（TS為2%左右）消化產沼、禽畜糞便厭氧發酵產沼和有機垃圾厭氧產沼等方面已經得到套用，各方面的技術已經比較成熟。與低含固發酵工藝相比，高含固發酵工藝具有如下優點：（1）負荷大，容積產能高，設備體積大大減小；（2）需水量低或不需水，節約水資源；（3）產生沼液少，廢渣含水量低，後續處理費用低；（4）運行過程穩定，無低含固發酵工藝中的浮渣、沉澱等問題；（5）臭氣排放少等。

在污泥高含固厭氧消化過程中，由於污泥中含大量難降解物質及好氧處理過程中的微生物殘體，細胞壁結構限制進一步生物轉化，導致水解酸化菌不易繁殖，產甲烷階段可利用的底物不足，產氣速度慢，是污泥高含固厭氧消化工藝的重要難點之一。高壓熱水解技術能夠有效破解污泥內部的細胞壁結構，使胞內有機物溶出並部分水解為小分子有機物，從而改善污泥的消化性能。但污泥的高壓熱水解工藝仍存在能耗高、設備複雜等問題，限制其推廣利用。

發明內容

技術方案

《一種高含固生物污泥連續熱水解裝置與方法》提出的高含固生物污泥連續熱水解裝置，由管式進料器2、高溫高壓反應釜7、蒸汽儲罐12和鍋爐9組成，其中：管式進料器2頂部分別設有進料槽1和蒸汽進口4，管式進料器2內設有螺帶攪拌推進器5，螺帶攪拌推進器5連線電機3；管式進料器2一側下部通過管道和螺桿泵6連線高溫高壓反應釜7的進料口，高溫高壓反應釜7內設有蒸汽噴口8，蒸汽噴口8通入高溫高壓反應釜7底部，高溫高壓反應釜7內上部設有防噴濺罩10；鍋爐9的蒸汽出口通過管道連線蒸汽噴口8，高溫高壓反應釜7的上部一側的蒸汽出口通過管道和單向閥11連線蒸汽儲罐12；蒸汽儲罐12通過管道和單向閥連線換熱器13，換熱器13的出口分別通過管道連線蒸汽進口4和鍋爐9；鍋爐9的蒸汽出口通過單向閥11連線蒸汽儲罐12。

《一種高含固生物污泥連續熱水解裝置與方法》提出的高含固生物污泥連續熱水解的方法，具體步驟如下：

（1）城市或工業生物污泥經脫水處理，使其含固率為15%~25%；

（2）將步驟（1）所得脫水污泥送入管式進料器的首端，脫水污泥在螺帶攪拌推進器的攪拌作用下與由蒸汽進口進入的熱蒸汽均勻混合，脫水污泥在管式進料器中停留時間為2~8小時，脫水污泥在加熱與攪拌推進過程中其粘度逐漸下降，至管式進料器末端，脫水污泥已完全漿化，其粘度下降為低於進料時的1/10~1/5；

（3）步驟（2）物料通過螺桿泵輸送入高溫高壓反應釜，蒸汽從物料底部送入高溫高壓反應釜內，控制高溫高壓反應釜內壓力為0.6~1.5兆帕，溫度為130℃~180℃，對物料蒸煮15~45分鐘；蒸煮完成後，將高溫高壓反應釜與蒸汽儲罐連通，使高溫高壓反應釜內蒸汽迅速泄入蒸汽儲罐中，高溫高壓反應釜內壓力降低至0.1~0.15兆帕，高溫高壓反應釜內物料劇烈沸騰；物料在閃蒸過程中，細胞中的胞內物質由於爆沸而將細胞壁漲破，從而使胞內物質釋出，大大提高了物料的脫水性能和厭氧消化性能，並使物料粘度進一步降低，有利於後續處理。閃蒸過程釋出大量蒸汽注入蒸汽儲罐，蒸汽儲罐經補充蒸汽加壓後，向管式進料器供給熱蒸汽，用以物料的加熱，從而實現了利用閃蒸回收熱預熱物料的目的。

《一種高含固生物污泥連續熱水解裝置與方法》將城市及工業生物污泥經過脫水後，含固率為15%~25%，物料呈固態、粘度高、攪拌及物料輸送均困難。該發明技術將高含固生物污泥物料注入管式進料器，進料器內設定螺旋攪拌推進裝置，使生物污泥在攪拌狀態下緩慢推進到進料器出口，將後續高溫高壓閃蒸反應器內閃蒸釋放出來的蒸汽經加壓後注入進料器中，使物料在推進過程中逐漸升溫預熱，並使粘度大大降低，從而解決了後續的物料輸送與有效通入蒸汽的難題。經過預熱後的高含固生物污泥，注入高溫高壓閃蒸反應釜，在0.6~1.5兆帕、130℃~180℃的條件下，經過15~45分鐘高溫高壓蒸煮，突然泄壓並實現閃蒸。閃蒸中釋放的大量蒸汽注入蒸汽儲罐。蒸汽儲罐經鍋爐注入補充蒸汽加壓後，向管式生物污泥進料器供給熱蒸汽，用以物料的加熱，從而實現了利用閃蒸回收熱能預熱物料的目的。該發明解決了高含固生物污泥的進料、高壓閃蒸、能量高效回收等一系列問題，可使污泥中80%的有機質從細胞中釋出，具有處理效率高，能耗省、投資省、易於實現設備化的優點。

改善效果

1.採用順序的方法，逐步降低脫水污泥的粘度，從而解決了高含固生物污泥的輸送與高溫蒸煮難題。該方法先用用螺帶攪拌推進器與蒸汽使物料逐漸漿化，將其粘度降為初始粘度的1/10以下，從而使物料通過簡單泵送的方式導入反應釜內，並可以保證蒸汽可以從物料底部進入反應釜，從而提高蒸汽的利用效率。

2.該方法實現了能量高效率回收的操作。先將閃蒸的低壓蒸汽導入蒸汽儲罐，再導入鍋爐蒸汽使儲罐內蒸汽壓力溫度均達到設計值，然後將儲罐內蒸汽導入管式進料器前端實現對物料的預熱與漿化，避免了閃蒸蒸汽瞬間進入管式進料器而短時間內無法有效傳熱所造成的能量損失。

3.該方法可實現高含固高粘度物料的連續熱水解處理，可實現連續進料與出料操作，便於自動化操作，設備占地少，有利於實現工程化套用。

4.《一種高含固生物污泥連續熱水解裝置與方法》方法可破解生物污泥中微生物的細胞壁，使胞內細胞質釋出，從而大大提高了污泥的脫水性能，經該方法處理後，污泥厭氧消化性能得到明顯提高，且污泥採用常規板框壓濾後可將含水率降到60%。

附圖說明

圖1是《一種高含固生物污泥連續熱水解裝置與方法》處理方法示意圖。

圖中標號：1為進料槽，2為管式進料器，3為電機，4為蒸汽進口，5為螺帶攪拌推進器，6為螺桿泵，7為高溫高壓反應釜，8為蒸汽噴口，9為鍋爐，10為防噴濺罩，11為單向閥，12為蒸汽儲罐，13為鍋爐進水換熱器。

圖1

權利要求

1.一種高含固生物污泥連續熱水解的裝置，由管式進料器（2）、高溫高壓反應釜（7）、蒸汽儲罐（12）和鍋爐（9）組成，其特徵在於：管式進料器（2）頂部分別設有進料槽（1）和蒸汽進口（4），管式進料器（2）內設有螺帶攪拌推進器（5），螺帶攪拌推進器（5）連線電機（3）；管式進料器（2）一側下部通過管道和螺桿泵（6）連線高溫高壓反應釜（7）的進料口，高溫高壓反應釜（7）內設有蒸汽噴口（8），蒸汽噴口（8）通入高溫高壓反應釜（7）底部，高溫高壓反應釜（7）內上部設有防噴濺罩（10）；鍋爐（9）的蒸汽出口通過管道連線蒸汽噴口（8），高溫高壓反應釜（7）的上部一側的蒸汽出口通過管道和單向閥（11）連線蒸汽儲罐（12）；蒸汽儲罐（12）通過管道和單向閥連線換熱器（13），換熱器（13）的出口分別通過管道連線蒸汽進口（4）和鍋爐（9）；鍋爐（9）的蒸汽出口通過單向閥（11）連線蒸汽儲罐（12）。

2.一種如權利要求1所述的高含固生物污泥連續熱水解裝置的使用方法，其特徵在於具體步驟如下：

（1）城市或工業生物污泥經脫水處理，使其含固率為15%~25%；

（2）將步驟（1）所得脫水污泥送入管式進料器的首端，脫水污泥在螺帶攪拌推進器的攪拌作用下與由蒸汽進口進入的熱蒸汽均勻混合，脫水污泥在管式進料器中停留時間為2~8小時，脫水污泥在加熱與攪拌推進過程中其粘度逐漸下降，至管式進料器末端，脫水污泥已完全漿化，其粘度下降為低於進料時的1/10~1/5；

（3）步驟（2）物料通過螺桿泵輸送入高溫高壓反應釜，蒸汽從物料底部送入高溫高壓反應釜內，控制高溫高壓反應釜內壓力為0.6~1.5兆帕，溫度為130℃~180℃，對物料蒸煮15~45分鐘；蒸煮完成後，將高溫高壓反應釜與蒸汽儲罐連通，使高溫高壓反應釜內蒸汽迅速泄入蒸汽儲罐中，高溫高壓反應釜內壓力降低至0.1~0.15兆帕，高溫高壓反應釜內物料劇烈沸騰；物料在閃蒸過程中，細胞中的胞內物質由於爆沸而將細胞壁漲破，使物料粘度進一步降低，有利於後續處理；閃蒸過程釋出大量蒸汽注入蒸汽儲罐，蒸汽儲罐經補充蒸汽加壓後，向管式進料器供給熱蒸汽，用以物料的加熱。

實施方式

結合上述附圖，對《一種高含固生物污泥連續熱水解裝置與方法》進一步的描述。

經過脫水預處理後，含固率達到15%~25%的生物污泥，倒入該發明裝備的進料槽1，進入管式進料器2。管式進料器內設定由電機3驅動的螺帶攪拌推進器5，污泥物料在螺帶攪拌推進器5的攪拌作用下與由蒸汽進口4進入的熱蒸汽均勻混合，脫水污泥物料在攪拌混合中加熱，並逐步由常溫被加熱到90度左右。在慢速攪拌與加熱狀態下，脫水污泥物料的粘度明顯降低，可降低為原泥的1/10以下。經過2~6小時的預處理後，脫水污泥已經漿化，預處理後漿化污泥由螺桿泵6送入高溫高壓反應釜7中。由蒸汽噴口8向高溫高壓反應釜7中的漿化污泥噴入蒸汽，蒸汽由鍋爐9提供，鍋爐9輸出蒸汽壓力為1~1.5兆帕，溫度為160℃~200℃。在加壓蒸汽作用下，高溫高壓反應釜7中漿化污泥壓力上升到0.6~1.5兆帕，溫度達到130℃~180℃，並在此壓力和溫度條件下保持15~45分鐘。完成該程式後，高溫高壓反應釜7頂部閥門突然打開，高溫高壓反應釜7進入閃蒸階段，高溫高壓反應釜7內漿化污泥物料瞬間閃蒸，產生大量攜帶污泥的蒸汽，蒸汽進入頂部蒸汽管湧出，而爆起的污泥被高溫高壓反應釜7上部的防噴濺罩10分離而不會進入蒸汽出口。閃蒸瞬間產生的大量蒸汽通過單向閥11進入蒸汽儲罐12中。由於蒸汽儲罐12的體積達到反應釜7的5倍以上，所以兩罐連通後可將高溫高壓反應釜7的壓力瞬間降至0.1~0.15兆帕，達到閃蒸的目的。而閃蒸釋放出來的大量蒸汽被保存在蒸汽儲罐12中，但該蒸汽壓力較低，無法有效供入管式進料器以預熱污泥。需要從鍋爐9通過單向閥11向蒸汽儲罐12補充蒸汽，以使其壓力達到0.6兆帕以上以備使用。蒸汽儲罐12內達到一定壓力的蒸汽一方面通過換熱器13用於預熱鍋爐9進水，以減少鍋爐9的能耗；另一方面，由於蒸汽量熱值遠超過鍋爐9進水預熱的需求，經過換熱後的冷凝而成的熱水和未使用的熱蒸汽共同進入管式進料器2的蒸汽進口4，用於預熱脫水污泥。

榮譽表彰

2016年12月7日，《一種高含固生物污泥連續熱水解裝置與方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。