一種污泥濕式氧化的一體化處理反應器及處理方法與流程

本發明涉及污泥處理的技術領域，更具體地講，涉及一種污泥濕式氧化的一體化處理反應器及處理方法。

背景技術：

污泥濕式氧化是繼焚燒、填埋、厭氧發酵、好氧堆肥后的又一污泥處理方式，利用氣體氧化劑在高溫、高壓下對污泥中的有機質進行“濕式燃燒”以達到污泥減量化、無害化、穩定化的目的。

現有的濕式氧化技術基本都包含了兩個關鍵處理步驟：1)污泥的預處理過程，市政污泥特別是市政脫水污泥(含水約80％)的粘度大、無流動性、傳質傳熱效率低，直接處理有很大困難，一般在濕式氧化之前都會先對污泥進行預處理，改變脫水污泥的性狀、降低粘度、增加流動性，這個過程采用的方式是污泥的熱水解；2)熱水解污泥的氧化，在熱水解污泥的基礎上利用氧氣/空氣在高溫高壓下對污泥進行進一步的處理。

現有技術中，中國專利文獻CN104341082A利用高溫蒸汽在水解反應釜中對污泥進行熱水解后輸入高溫氧化塔進行氧化，中國專利文獻CN102786190A利用熱的液體在預處理器中對原始污泥進行熱水解之后輸入氧化反應器進一步處理。但是這樣的污泥濕式氧化處理流程中至少包含了兩個主要裝置：熱水解反應器(或預處理反應器)和濕式氧化反應器，反應系統繁雜、占地面積高、經濟性低。

現有涉及到污泥濕式氧化專利中大部分反應器采用半間歇釜式反應器，如中國專利文獻CN201981109U、中國專利文獻CN105776794A。污泥從入口進入反應器，在高溫高壓下維持一定的停留時間后從下方的污泥出口排出。但是此類反應器傳質效率低，攪拌不均很容易造成局部過熱，半間歇的操作方式也較為麻煩。同時，污泥的濕式氧化過程是一個放熱反應，氧化后會產生高溫高壓的氣體產物，現有的污泥濕式氧化工藝針對這部分氣體都只利用了廢氣中的熱量，但事實上反應器排出的氣體中仍含有一部分沒有來得及反應的氧氣。

技術實現要素：

為了解決現有技術中存在的技術問題，本發明的目的是提供一種融合了污泥的熱水解及氧化過程并保證充分傳質和反應的污泥濕式氧化的一體化處理反應器及處理方法。

本發明的一方面提供了一種污泥濕式氧化的一體化處理反應器，所述反應器包括位于反應器下部的熱水解區和位于反應器中上部的氧化區并且反應器的外部包設有保溫加熱套，其中，

所述熱水解區中設置有攪拌器并且熱水解區的底部設置有排渣口；

所述氧化區中設置導流筒，所述導流筒沿著氧化區的高度方向設置并且導流筒的頂部具有擴張口；所述氧化區的側壁上設置有污泥進口、產物出口和氣體入口且氧化區的頂部設置有氣體出口，所述污泥進口開設在所述導流筒的擴張口的下方，所述氣體入口開設在污泥進口的下方并且位于氧化區的底部，所述產物出口開設在所述導流筒的擴張口的上方，其中，所述氣體入口與設置在所述導流筒與氧化區的側壁之間的第一氣體分布器連接，所述污泥進口處設有污泥分散器。

根據本發明污泥濕式氧化的一體化處理反應器的一個實施例，所述熱水解區中的攪拌器為電磁攪拌器，所述電磁攪拌器的轉動軸不與電機的輸出軸直接連接傳動；所述排渣口的數量為至少一個。

根據本發明污泥濕式氧化的一體化處理反應器的一個實施例，所述保溫加熱套的加熱介質為電、油或蒸汽，當采用油或蒸汽作為加熱介質時，所述保溫加熱套上還設置有介質入口和介質出口。

根據本發明污泥濕式氧化的一體化處理反應器的一個實施例，在反應器啟動的最初階段利用所述保溫加熱套對反應器進行加熱，在反應穩定后停止加熱，其中，反應器上還設置有測溫單元和測壓單元。

根據本發明污泥濕式氧化的一體化處理反應器的一個實施例，所述氣體入口通入的氣體氧化劑為氧氣和/或空氣，所述污泥進口通入的污泥是含水量為80～90％的污泥；所述反應器內的反應溫度為150～350℃，壓力為2～20MPa。

根據本發明污泥濕式氧化的一體化處理反應器的一個實施例，所述氧化區的上部具有氣體空間，反應后的廢氣進入所述氣體空間后通過氣體出口流出反應器，其中，一部分廢氣重新加壓后返回至反應器中，另一部分廢氣用于預熱新鮮的污泥或氣體氧化劑或直接進行尾氣處理后排放。

根據本發明污泥濕式氧化的一體化處理反應器的一個實施例，所述氧化區的側壁上還設置有循環氣入口，所述循環氣入口通過外接氣路與所述氣體出口連接以將一部分廢氣返回至反應器中，其中，所述循環氣入口開設在污泥進口的下方且在氣體入口的上方，所述循環氣入口與設置在所述導流筒與氧化區的側壁之間的第二氣體分布器連接。

本發明的另一方面提供了一種污泥濕式氧化的一體化處理方法，采用上述污泥濕式氧化的一體化處理反應器進行污泥濕式氧化降解的一體化處理，得到處理后的污泥。

根據本發明污泥濕式氧化的一體化處理方法的一個實施例，所述方法包括以下步驟：

A、先將反應器中的液位提升控制至產物出口以上，使加壓至預定壓力的氣體氧化劑通過氣體入口和第一氣體分布器進入反應器的氧化區中均勻鼓泡，同時開啟保溫加熱套將反應器內的溫度加熱至預定溫度；

B、將污泥通過污泥進口的污泥分散器分散后通入反應器中，污泥沉入反應器下部的熱水解區并在攪拌器的作用下混合、水解變成污泥漿；所述污泥漿在熱水解區的頂部隨水流進入氧化區并且通過導流筒內外的升流式內循環與所述氣體氧化劑接觸反應并放出大量的反應熱，待反應穩定后停止加熱；

C、從排渣口間歇性地排出沉積的大塊砂石，回收利用通過氣體出口流出的反應后的廢氣，從產物出口抽出反應后的污泥，直至完成污泥的濕式氧化降解處理，其中，污泥抽出量以能夠維持反應器內的正常液面高度進行控制。

根據本發明污泥濕式氧化的一體化處理方法的一個實施例，將一部分廢氣重新加壓后返回至反應器中，將另一部分廢氣用于預熱新鮮的污泥或氣體氧化劑或直接進行尾氣處理后排放。

本發明整合了污泥濕式氧化過程中污泥熱水解及污泥濕式氧化的兩個過程，在同一反應器中實現污泥濕式氧化處理，有效地提高了污泥濕式氧化設備的經濟性，設計合理且可操作性強；本發明降低了對進料污泥含水量的限值，從無流動性的脫水污泥(80％的含水量)到具有流動性的污泥(90％的含水量)均可適用，無需預處理直接進料；反應器出來的的廢氣中包含未反應的氧氣，廢氣通過外部氣體循環重新進入反應器中，提高了氣體在反應器中的停留時間，提高了污泥降解效率，也提高了氧氣的利用率。

附圖說明

圖1示出了根據本發明示例性實施例的污泥濕式氧化的一體化處理反應器的結構示意圖。

圖2示出了污泥分散器的結構示意圖。

附圖標記說明：

1-反應器、2-熱水解區、3-氧化區、4-攪拌器、5-排渣口、6-導流筒、7-擴張口、8-污泥進口、9-產物出口、10-氣體入口、11-氣體出口、12-循環氣入口、13-氣體循環泵、14-第一氣體分布器、15-第二氣體分布器。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

本說明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。

本發明提供了一種集成了污泥熱水解-氧化過程的反應器，反應器分為熱水解區和氧化區，氧化區形式上采用具有較高傳質效率的升流式內循環反應形式，反應后排出的廢氣通過再循環再次進入反應器中提高氧氣的停留時間，兼顧了經濟性、反應效率和處理效果等多個方面。

下面先對本發明污泥濕式氧化的一體化處理反應器的結構和原理進行詳細的說明。

圖1示出了根據本發明示例性實施例的污泥濕式氧化的一體化處理反應器的結構示意圖。

如圖1所示，根據本發明的示例性實施例，所述污泥濕式氧化的一體化處理反應器包括位于反應器1下部的熱水解區2和位于反應器1中上部的氧化區3并且反應器1的外部包設有保溫加熱套(未示出)。其中，下部的熱水解區2用于實現污泥的熱水解，氧化區3用于實現熱水解污泥的氧化降解，保溫加熱套則實現對反應器的加熱和保溫作用。

具體地，熱水解區2中設置有攪拌器4并且熱水解區2的底部設置有排渣口5。熱水解區2位于反應器的下部，則當反應器工作時，污泥進入反應器后會直接沉入底部并在高溫高壓的熱水解區2中水解，水解后的污泥成為粒徑小、流動性高的泥漿狀態，由此能夠在上部水流的帶動下進入上部的氧化區進行氧化降解反應。

優選地，熱水解區2中的攪拌器4采用電磁攪拌器，并且電磁攪拌器的轉動軸不與電機的輸出軸直接連接傳動，解決了機械攪拌器與反應器軸封失效和泄漏的問題，攪拌器4的持續攪拌作用能夠使污泥均勻加熱，避免了局部過熱的情況。熱水解區2底部的排渣口能夠定期排放比重比較大的不容固體，如大塊砂石等，排渣口5的數量優選地為至少一個。

反應器1外部設置有用于對反應器加熱的保溫加熱套，保溫加熱套的加熱介質可以采用電、油或蒸汽，當采用油或蒸汽作為加熱介質時，保溫加熱套上還設置有介質入口和介質出口。并且，只需要在反應器1啟動的最初階段利用保溫加熱套對反應器1進行加熱，污泥開始反應后放出的熱量足以維持整個反應器的正常運行，在反應穩定后即可停止加熱。為了便于檢測反應器1中的溫度和壓力情況，反應器1上還設置有測溫單元和測壓單元(未示出)。

并且，氧化區3中設置有導流筒6，導流筒6沿著氧化區3的高度方向設置并且導流筒6的頂部具有擴張口7；氧化區3的側壁上設置有污泥進口8、產物出口9和氣體入口10且氧化區3的頂部設置有氣體出口9，污泥進口8開設在導流筒6的擴張口7的下方，氣體入口10開設在污泥進口8的下方并且位于氧化區3的底部，產物出口9開設在導流筒6的擴張口7的上方，氣體入口10與設置在導流筒6與氧化區3的側壁之間的第一氣體分布器14連接，污泥進口8處設有污泥分散器。其中，第一氣體分布器14事實上是環設在導流筒6之外并能夠在導流筒6與氧化區3的側壁之間均勻地實現氣體噴出和分布，第一氣體分布器15的氣體出口朝上設置。圖2示出了污泥分散器的結構示意圖，如圖2所示，污泥分散器為孔板結構形式，大塊污泥經過污泥分散器分散成小塊后進入反應器，有利于后續處理的有效進行。此外，為了便于進行產物的抽出，產物出口9優選地設置在污泥進口的相對側。

其中，氣體入口10通入的氣體氧化劑為氧氣和/或空氣，優選為氧氣；污泥進口8通入的污泥是含水量為80～90％的污泥，本發明的反應器降低了對進料污泥含水量的限制，從無流動性的脫水污泥(80％含水)到具有流動性的污泥(90％含水)均可適用，無需預處理直接進料；產物出口9用于不斷抽出反應后的泥漿，維持反應器內的液面高度；氣體出口11則用于排出污泥反應后的廢氣。優選地，本發明反應器1內的反應溫度為150～350℃，壓力為2～20MPa。

氧化區3實際上為升流式內循環結構，經過加壓后的氣體氧化劑(空氣/氧氣)通過氣體入口10和第一氣體分布器14進入氧化區3，帶動床層中的熱水解泥漿向上流動，形成氣液固三相流體。當三相流體到達導流筒6的擴張口7的高度時，氣體因密度小浮力大保持向上流動直至氣體出口11，液體和污泥大顆粒因密度大翻流進入擴張口7內并在導流筒6內部向下流出導流筒6，重新進入導流筒6與氧化區側壁之間的外部空間，繼續在氣流的帶動下向上流動，形成一個完整循環餅維持整個反應體系的自循環過程。污泥顆粒在導流筒6的內外不段循環，增加了污泥在氧化區3內的停留時間，污泥中的有機質得到充分降解并得到處理后的污泥。由此可知，上述反應器各口的設置位置是與整體結構和工藝密切相關并且非常重要的，其直接決定了反應能否正常進行和循環能否正常維持。

空氣和/或氧氣通過氣體入口10進入反應器1之后，以鼓泡方式在反應器內向上運動并帶動泥漿在反應器1內循環。通過控制氣體流量可在氧化區3形成大量小氣泡，小氣泡比表面積較大，能夠提高氣液固三相的傳質效率。反應后的廢氣(包括未反應的空氣、氧氣、水蒸氣及反應生成的氣體)從液面上方離開反應區并排出。其中，氧化區3的上部還具有氣體空間，反應后的廢氣進入氣體空間后經過除沫再通過氣體出口11流出反應器1.

優選地，為了有效利用反應后的廢氣，一部分廢氣經氣體循環泵13等重新加壓后循環返回至反應器1中，另一部分廢氣用于預熱新鮮的污泥或氣體氧化劑或直接進行尾氣處理后排放，提高了氧氣的利用率。

相對應地，氧化區3的側壁上還設置有循環氣入口12，循環氣入口12通過外接氣路與氣體出口11連接以將一部分廢氣返回至反應器1中，其中，循環氣入口12開設在污泥進口8的下方且在氣體入口10的上方，循環氣入口12與設置在導流筒6與氧化區3的側壁之間的第二氣體分布器15連接。類似地，第二氣體分布器15事實上也是環設在導流筒6之外并能夠在導流筒6與氧化區3的側壁之間且在第一氣體分布器14的上方均勻地實現氣體噴出和分布，第二氣體分布器16的氣體出口朝上設置，提高氣體在反應器中的停留時間，并進一步提高污泥降解效率和氧氣利用率。

針對現有技術中污泥濕式氧化處理設備的缺陷，本發明提出了一種高度集成的反應器，融合了污泥的熱水解及氧化過程，實用性更高；并且，本發明的反應器實際上是一種升流式內循環連續反應器，污泥在反應器內循環保證了其停留時間，并且反應器內氣泡比表面積較大，相間接觸好且傳質效率高；此外，本發明將反應后的廢氣循環再次通入反應器中，可以增加氣體氧化劑在反應器中的停留時間，提高氧氣的利用率，經濟性上得到大大提升。綜上，本發明針對現有技術提出了合理的解決方案，力圖在經濟性和處理效率上尋找最佳方案，將來可應用于實際工程中。

接下來，則對本發明的污泥濕式氧化的一體化處理方法進行具體說明。本發明的方法采用上述污泥濕式氧化的一體化處理反應器進行污泥濕式氧化降解的一體化處理，得到處理后的污泥。具體地，該方法包括以下步驟：

A、先將反應器中的液位提升控制至產物出口以上，使加壓至預定壓力的氣體氧化劑通過氣體入口和第一氣體分布器進入反應器的氧化區中均勻鼓泡，同時開啟保溫加熱套將反應器內的溫度加熱至預定溫度；

B、將污泥通過污泥進口的污泥分散器分散后通入反應器中，污泥沉入反應器下部的熱水解區并在攪拌器的作用下混合、水解變成污泥漿；所述污泥漿在熱水解區的頂部隨水流進入氧化區并且通過導流筒內外的升流式內循環與所述氣體氧化劑接觸反應并放出大量的反應熱，待反應穩定后停止加熱；

C、從排渣口間歇性地排出沉積的大塊砂石，回收利用通過氣體出口流出的反應后的廢氣，從產物出口抽出反應后的污泥，直至完成污泥的濕式氧化降解處理，其中，污泥抽出量以能夠維持反應器內的正常液面高度進行控制。

在反應的過程中，優選地將一部分廢氣重新加壓后返回至反應器中，將另一部分廢氣用于預熱新鮮的污泥或氣體氧化劑或直接進行尾氣處理后排放。

下面結合具體實施例對本發明的污泥濕式氧化的一體化處理反應器及處理方法作進一步說明。

將圖1所示的一體化處理反應器用于污泥氧化降解，反應器啟動之前需先將液位提升至產物出口以上。將空氣和/或氧氣加壓至5MPa并從氣體入口和第一氣體分布器進入反應器的氧化區中進行均勻鼓泡，氣泡向上運動時帶動水流在反應器內部作循環流動。

反應器外部保溫的加熱套維持反應器的啟動溫度在250℃。加熱介質可以采用電、油或蒸汽，當采用油或蒸汽時，相應地在保溫套上設置介質入口和出口。反應器加熱只需要在裝置剛啟動的一段時間內進行，污泥開始反應后放出的熱量足以維持整個反應器的正常運行。

將含水量為80～90％的污泥從污泥進口的污泥分散器分散通入，污泥沉入底部的熱水解區并在電磁攪拌器的作用下開始混合、水解，污泥性狀發生改變，由不具流動性的固體變為具有一定流動性的漿態，隨后在熱水解區的頂部隨水流進入氧化區與空氣和/或氧氣接觸反應并放出大量的反應熱。反應器上設置測溫單元以監控反應器內的溫度為250℃，即當反應穩定后停止外部加熱，利用反應放出的反應熱維持反應進行。

反應后的泥漿從產物出口抽出，抽出量以維持正常液面高度進行控制。泥漿隨著氣體在導流筒與氧化區側壁之間向上流動，到達擴張口高度時，較重的污泥顆粒翻入導流筒的內部并從導流筒下部流出重新進入循環。導流筒外部的漿液氣體含量高、密度低并向上流動；導流筒內部的漿液氣體含量低、密度高并向下運動，維持整個反應體系的自循環過程。循環過程增加了污泥在氧化區內的停留時間，污泥中的有機物得到充分降解。在反應過程中，從反應器底部的排渣口間歇性地排出沉積在底部的大塊砂石。

反應后的廢氣(包括未反應的空氣、氧氣、水蒸氣及反應生成的氣體)向上流出液面進入與反應器上部的氣體空間，經過頂部除沫器后通過氣體出口流出反應器。一部分廢氣在氣體循環泵作用下重新加壓至略高于系統壓力從循環氣體入口回到反應器，另一部分廢氣進入下一流程并可經過換熱器用于預熱新鮮污泥或氧化劑，也可直接經過尾氣處理裝置后排放。

綜上所述，本發明的一體化處理反應器及處理方法整合了污泥濕式氧化過程中污泥熱水解及污泥濕式氧化的兩個過程，在同一反應器中實現污泥濕式氧化處理，有效地提高了污泥濕式氧化設備的經濟性，設計合理且可操作性強；本發明降低了對進料污泥含水量的限值，從無流動性的脫水污泥(80％的含水量)到具有流動性的污泥(90％的含水量)均可適用，無需預處理直接進料；反應器出來的的廢氣中包含未反應的氧氣，廢氣通過外部氣體循環重新進入反應器中，提高了氣體在反應器中的停留時間，提高了污泥降解效率，也提高了氧氣的利用率。

本發明并不局限于前述的具體實施方式。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。