專利名稱：生物污泥的氣化的制作方法
廢水處理設施將廢水組分分離成粗固體、浮渣粗砂和污泥。污水污泥是懸浮的、膠態的和溶解的有機物和無機物的混合物，它是在處理過程中從廢水分離的。
廢水通常經受一級處理，其中，通過物理方法(例如篩選和重力沉降)除去懸浮的固體成分。化學沉淀適用于除去輕質懸浮固體和膠態固體。
然后將殘余的液體污水進行二級處理，其中，應用微生物(主要是細菌)通過使復合有機物降解和/或殺傷病原體而使廢物成分穩定和變性。微生物的混合物通常被稱為“生物量”。在廢水或污水的生物處理中，廢物成分起微生物的營養物作用，隨著它們使廢物成分穩定和變性，能使它們繁殖和增殖。
所以，廢物處理體系中生物量的量在穩定化和變性處理過程中增大了。為了避免過量的微生物聚集(它能“阻塞”處理過程)，必須從處理體系除去或“廢棄”一部分微生物。廢棄的微生物被稱為“生物污泥”。所有基于生物的處理操作的主要費用部分是需要以環境上可接受的方式處置該生物污泥。
污泥的一般性處理或管理包括生物可降解有機物的穩定化、濃縮和脫水，以及穩定、脫水后的殘渣的最后處置。
產生的污泥通常是稀釋的，數量級為約1～2wt％固體物。為了減少對其它操作的容量負荷，污泥處理中的第一步通常是濃縮(通過諸如重力增濃和浮選這樣的方法)。
來自一級處理的有機污泥通常可被濃縮到約5～8wt％固體物。來自二級處理的污泥通常可被重力增濃到約2～4wt％固體物。
脫水與濃縮不同，因為濃縮仍余下具有液體性質的污泥。脫水則應用機械操作(例如離心、真空和/或加壓過濾)和砂床產生基本上是易碎固體的產品。當污泥的水含量通過脫水被減少到約65～80％時，它形成被稱為“污泥餅”的多孔性固體。污泥餅中沒有游離水，因為水與固體物化學結合或被緊密吸附在內孔中或被保持在微生物的細胞內。
生物污泥是生物廢水處理后殘余的有機生物量。通常必須將生物污泥機械脫水而減少水含量低于約96wt％。生物污泥中主要的水源含于生物污泥中存在的生物區系的細胞內，被稱為“胞內水”。不含游離液體的脫水的生物污泥濾餅可能仍具有80wt％以上的水含量(主要是由于含于脫水的生物污泥細胞中的胞內水的量)。
“干固體”是樣品在105℃的氮氣中被干燥直至未觀察到進一步的重量降低后留下的無水殘渣。術語“游離液體”是未被物理吸附的或阻塞的或化學結合的液體，而且可通過常規過濾操作釋放。
目前可獲得的減少生物污泥的水含量和利用生物污泥的技術費用大而且需要過多的能量。尤其，發現它們都是對于將生物污泥和污水污泥轉化為部分氧化氣化反應適用的原料來說不經濟和不實際的方法。
含于脫水的生物污泥細菌細胞細胞壁內的高胞內水含量通過變性操作中除去胞內水而降低了。該操作包括，在足以弱化細菌細胞壁的溫度下加熱生物污泥。然后使弱化的細胞壁暴露于足以在細胞內形成蒸汽的減壓中而使弱化的細胞壁破裂，于是作為游離水或呈熱的水蒸氣形式釋放胞內水。然后，減少了水的濃縮生物污泥就可作為用來生產合成氣的部分氧化反應中的燃料源。
圖1是表示生物污泥濃縮處理的簡化示意圖。
按本發明，含于生物污泥中的熱值可被用作生產合成氣的部分氧化法中簡單而有效的燃料源。通常將生物污泥與附加的烴類燃料(例如煤或油)結合，在部分氧化反應中經歷共同氣化而產生合成氣。
部分氧化氣化反應是在足以將所需量的燃料或原料轉化為合成氣的反應條件下進行的。反應溫度一般在約900℃～約2,000℃、優選約1,200℃～約1,500℃的范圍內。壓力一般在約1～約250大氣壓、優選約10～約200大氣壓、最優選約20～80大氣壓的范圍內。反應區中的平均停留時間一般在約0.5～約20秒、優選約1～約10秒的范圍內。
離開部分氧化反應器的合成氣反應產物通常包含CO、H2、蒸汽、CO2、H2S、COS、CH4、NH3、N2、揮發性金屬和惰性氣體(例如氬氣)。具體產物組成將隨原料的組成和反應條件而變。非氣態副產物包括特定的物質，通常是碳和無機灰。
生物污泥共同氣化法的效率和經濟生存性要求在與附加的烴類燃料結合并導入用來生產合成氣的部分氧化反應器之前，生物污泥中的固含量增大到盡可能高的水平。重要的是使生物污泥與附加的燃料的比率達到最大值。否則，可能因生物污泥的高水含量和/或差成漿性妨礙燃料填充量。所以，生物污泥的氣化效率隨著生物污泥的水含量降低和固含量增大而增大。生物污泥與烴類燃料基于無水重量基準的合適比率分別是約1∶50～約1∶1，優選約1∶25～約1∶2。
送入脫水操作的生物污泥或生物固體可以呈任意水含量。所以，生物污泥可源自一級處理設施中通過簡單沉降產生的物料，或者來自機械脫水的原料等。初始水含量將影響相對于產生的“干”固體量和熱交換器的尺寸來說除去的水量。優選在脫水操作中應用含大于3wt％干固體的生物污泥物料。
在本發明的一個實施方案中，在蒸發步驟之前通過熱交換用熱源對生物污泥物料預熱。通常熱交換可從合成氣冷卻系統(包括合成氣調溫冷卻器、合成氣冷卻器、氣體閃蒸冷凝器或驟冷水冷卻器)獲得大量低級過剩熱。對于預熱步驟來說一種特別希望的熱源是從生物污泥蒸發器離開的水蒸氣。
將生物污泥物料(通過與從生物污泥蒸發器出來的水蒸氣進行熱交換而預熱了或未預熱)與從生物污泥蒸發器的再沸器出來的熱油流合并。生物污泥蒸發器通常是閃蒸器。通向生物污泥蒸發器的合并的物料流中基于進料時基準(as-fet basis)的熱油與生物污泥的相對量重量比分別是約1∶1～約20∶1，優選約5∶1～約15∶1。
調節接觸步驟中的溫度和壓力以致在進入生物污泥蒸發器之前合并的生物污泥/油流中不出現水的沸騰。重要的是在此時不出現水的沸騰，因為一旦開始沸騰，體積就會迅速地、大幅度地膨脹。例如，一磅水蒸氣的體積大約是一磅水的體積的1,000倍。所以，速度和壓力降根本上增大，除非在蒸發器中提供足夠的空間將蒸汽與生物污泥/油混合物的其余部分隔離。壓力降的急劇性加速了細胞破裂。
熱油和生物污泥通過減壓裝置進入蒸發器。在蒸發器中，從生物污泥的胞內水含量釋放水蒸氣。所述減壓裝置通常是一個位于蒸發器的外部入口的閥。由于熱油與生物污泥接觸和迅速的壓力降低，容納胞內水的細胞結構被減弱了。容納胞內水的弱化的細胞壁就在蒸發器中破裂，釋放胞內水。于是，一些或全部胞內水蒸發，因為進入蒸發器的生物污泥/油混合物的溫度高于閃蒸器壓力下的水飽和溫度。
蒸發器中合適的壓力為約0～約60psia，優選為約0.5～約20psia。減壓步驟之前的生物污泥/油混合物的合適溫度為約80℃～約350℃，優選為約90℃～約250℃。隨著水的蒸發，總的溫度將下降。這被本領域技術人員稱為“絕熱閃蒸”。蒸發器中的和蒸發的那部分水的溫度將是這樣的，即，進入的物料流的焓將等于離開蒸發器的物料流的焓，只是容器壁有較少的焓損耗或熱量損耗。
水蒸氣從蒸發器頂部逸出。熱油和濃縮的生物污泥混合物從蒸發器底部流出。一部分濃縮的生物污泥/油混合物被通入氣化器。殘余物在再沸器中被加熱而提供能量使蒸發步驟中釋放的胞內水轉化為蒸汽。分離的熱油流可被用來加熱通過再沸器的濃縮的生物污泥混合物。需要的話，可往濃縮的生物污泥混合物中添加另外的油，優選在再沸器的燃料油入口處添加。
然后，在再沸器中被加熱的熱油和濃縮的生物污泥混合物直接與生物污泥物料接觸而形成合并的物流。熱油和濃縮的生物污泥混合物對合并的物流提供足夠的熱量而從蒸發器中的生物污泥物料蒸發胞內水。
來自蒸發器的塔頂餾出蒸汽可通過與進入的生物污泥或油熱交換被冷卻。然后，塔頂餾出蒸汽就可在分離的冷凝器中或在氣體閃蒸冷凝器被進一步冷卻。從蒸汽冷凝的水可被用作部分氧化氣化反應中的緩和劑。過剩的水可被通到廢水處理廠，在按環境法規排放水之前除去懸浮的和溶解的有機物。
可應用外部蒸汽或燃料對再沸器加熱，或者再沸器可應用一些或全部可得自部分氧化氣化系統的熱源(取決于可獲得的能量)。部分氧化氣化系統包括合成氣調溫冷卻器、合成氣冷卻器、氣體閃蒸冷凝器或驟冷水冷卻器。應用的熱量和熱源將取決于所要求的生物污泥與油的比率和應用的生物污泥或污水的水含量。
現在參照圖1，生物污泥流2進入熱交換器4，它在這里與從生物污泥蒸發器8的頂部出來的熱水蒸氣流6間接接觸。熱水蒸氣流6將生物污泥2間接預熱到約35℃～約250℃的溫度。冷卻的水蒸氣流10(它也可能是液體和蒸汽的混合物)離開熱交換器4(此時它的溫度是約25℃～約120 ℃)，進入冷凝器12，它在那里被分為水流13和水流14，所述水流13可起部分氧化氣化反應的緩和劑的作用(未示出)，水流14可被再循環到廢水處理廠(未示出)。
受熱的生物污泥流16離開熱交換器4(此時它的溫度是約30 ℃～約240℃)，與從再沸器20出來的熱油流18(它的溫度是約80℃～約350℃)直接接觸而形成合并的油/污泥流22(溫度為約105℃～250℃)。熱油流18還包含從蒸發器8引出的管道24中的濃縮生物污泥的一部分30。合并的油/污泥流22通過減壓裝置23(它通常是一個閥)，使物流22進入生物污泥蒸發器8時壓力降低。壓力通常低于物流22的溫度下水的飽和壓力，例如約0.01大氣壓(.147psia)～約2大氣壓(29.4psia)。生物污泥流16與熱油流18在超過物流22的溫度下水飽和壓力的壓力下接觸。這就防止水的蒸發直到物流22通過減壓裝置23。壓力可以是約0.1大氣壓(1.47psia)～約40大氣壓(587.8psia)。
熱油流18可以是熱值高于約8,000 BTU/磅的任何油。合適的油的典型實例包括重質原油、燃料油、常壓渣油、減壓渣油、減粘裂化爐焦油、溶劑脫瀝青渣油或這些油的組合。
生物污泥蒸發器8在設計成使物流22中的生物污泥的含胞內水的細菌細胞破裂的條件下操作。熱油的化學性質和溫度(數量級為約80℃～約350℃)起作用而減弱或破裂容納胞內水的生物污泥的細胞壁。
壓力從高于物流18和16混合時水飽和壓力降到低于蒸發器8中的水飽和壓力，這引起一部分胞內水蒸發，導致由于熱油對細胞膜的作用而預先減弱了的生物污泥的大部分細菌細胞壁破裂。以物流6中的蒸汽形式釋放胞內水(它從蒸發器8的頂部逸出)。
熱油和濃縮的生物污泥流24(它是在釋放胞內水后剩下的)離開蒸發器8，溫度為約105℃～約250℃。
從生物污泥蒸發器8的底部出來的濃縮的生物污泥/油物流24被分成油/污泥流25和30。可以根據需要將來自儲罐40的附加的油原料26與油/污泥流25合并而形成共同氣化物流28，將它通入部分氧化氣化系統(未示出)，用作生產合成氣的部分氧化反應的燃料。
最后，必須在操作中添加油而補償物流25中的油損耗。可以在泵32上游的物流42中或者在泵32下游的物流27中添加這種油，根據設計優選性和可利用的油的溫度和壓力進行選擇。
來自油原料儲罐40的另外的油原料流42可與油/污泥流30合并而形成合并的物流44，使它通過泵32進入再沸器20。如果儲罐40中的油是以足夠高的壓力獲得的，就可在泵32的下游物流27中而不是在上游物流42中添加它。
含于物流24中的生物污泥干固體與物流27和42中的油的比率為約0.01∶1～約1∶1，優選約0.1∶1～約0.99∶1。
可以用作為物流34被引入的蒸汽、閃蒸氣體或熱水或熱合成氣對再沸器20加熱，從而為再沸器20提供熱源，它作為冷凝液、水或冷卻的合成氣流36離開。
應用的熱源將取決于所需的生物污泥與油的比率和應用的生物污泥的水含量。
油/污泥流25與濃縮的油/污泥原料30的比率分別可在約1∶1～約1∶100、優選約1∶2～約1∶50的范圍內變化。
除非另外說明，本申請中給出的所有的份數和百分數都以重量表示。
實施例在圖1的操作系統中處理300磅含4wt％干固體的生物污泥。預熱后，將生物污泥與3100磅混合物(包含2743.4磅油、329.2磅干固體和27.4磅水)合并。然后將加熱的合并生物污泥/油混合物進行減壓處理和在1.4大氣壓(20.58psia)下蒸發，這樣導致生物污泥的細菌細胞壁破裂而釋放287磅呈熱的水蒸氣形式的胞內水并產生3113磅濃縮的生物污泥/油混合物(它從蒸發器排出)。濃縮的生物污泥/油混合物被分為113磅生物污泥/油的第一物流，為部分氧化反應提供共氣化燃料流。
將余下的3000磅濃縮的生物污泥/油混合物與100磅油合并后泵入再沸器，合并物在這里被加熱到350℃并且與進入的生物污泥混合。
權利要求
1.一種濃縮包含很多細菌細胞的生物污泥的方法，所述細胞具有含胞內水的細胞壁，所述方法包括(a)將生物污泥脫水到至少約3wt％的干固含量；(b)在足以弱化含胞內水的細胞壁的溫度下和在足以使弱化的細胞壁破裂而釋放胞內水的減壓下加熱脫水的生物污泥；以及(c)從生物污泥破裂的細胞以熱水蒸氣形式蒸發釋放的胞內水，于是產生濃縮的生物污泥。
2.權利要求1的方法，其中，所述濃縮的生物污泥被用作部分氧化氣化反應的燃料源。
3.權利要求1的方法，其中，脫水的生物污泥通過與熱油直接接觸而被加熱，從而形成熱油/生物污泥混合物。
4.權利要求1的方法，其中，用于弱化脫水的生物污泥細胞壁的加熱溫度為約80℃～約350℃。
5.權利要求1的方法，其中，破裂壓力為約0psia～約60psia。
6.權利要求1的方法，其中，用于蒸發釋放的胞內水的溫度為約105℃～約250℃。
7.權利要求1的方法，其中，將熱水蒸氣冷凝并用作部分氧化氣化反應的緩和劑。
8.權利要求3的方法，其中，熱油/生物污泥混合物經歷足夠的溫度和壓力而弱化、破裂并從生物污泥釋放胞內水，于是產生熱濃縮的生物污泥/油混合物。
9.權利要求3的方法，其中，在與熱油接觸之前，脫水的生物污泥通過與從生物污泥的破裂細胞釋放的熱水蒸氣間接接觸而被預熱。
10.權利要求8的方法，其中，熱油與生物污泥的比率分別為約1∶1～約15∶1。
11.權利要求8的方法，其中，將濃縮的生物污泥/油與足量的烴類物質合并而形成用于部分氧化氣化反應的燃料。
12.權利要求11的方法，其中，濃縮的油/生物污泥與烴類燃料的比率為約1∶50～約1∶1。
13.權利要求11的方法，其中，所述烴類物質是一種熱值至少是約8,000 BTU/磅的油。
全文摘要
含于脫水的生物污泥細菌細胞細胞壁中的高胞內水含量通過在變性操作中除去胞內水而減少了。該操作包括:在足以弱化細菌細胞壁的溫度(4)下將生物污泥(2)加熱。然后將弱化的細胞壁暴露于足以在細胞內形成蒸汽的減壓(8)中而使弱化的細胞壁破裂,于是釋放胞內水。減少了水的濃縮生物污泥(24)就可作為生產合成氣的部分氧化反應中的燃料源。
文檔編號C02F11/00GK1330701SQ99814537
公開日2002年1月9日 申請日期1999年12月3日 優先權日1998年12月17日
發明者J·D·溫特, G·N·里克特 申請人:德士古發展公司