一种污泥水热干化处理装置及其水热反应器

摘要

本发明提供了一种污泥水热干化处理装置及其水热反应器，污泥水热干化处理装置包括顺序连接的均质反应器、浆化反应器、水热反应器和闪蒸反应器。均质反应器切碎并搅拌物料，然后将输入至浆化反应器进行均匀预热，预热后的物料在水热反应器中进行水热反应，然后储存在闪蒸反应器中，闪蒸反应器回收的蒸汽可通入浆化反应器和/或水热反应器中。本发明的污泥水热干化处理装置在一定温度和压力下，将污泥中的粘性有机物水解，破坏污泥的胶体结构，促使束缚水和固体颗粒分离。本发明的水热反应器能够对污泥物料均匀加热并提高压力，使污泥物料能够充分均匀地发生水热反应，从而实现脱水的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及污泥水热干化处理技术领域，特别涉及一种污泥水热干化处理装置及其水热反应器。

背景技术

伴随着全球经济的快速发展和人们对环境的日益关注，污水处理量高速增加，导致了污泥产量的迅速扩大。目前，我国每年排放干污泥约为500万吨，而且数量还在不断地增加。如果污泥处理不当会造成严重的二次污染，而污泥处理的投资和运行费用巨大，占整个污水厂投资及运行费用的25％～65％，已成为城市污水处理厂面临的沉重负担。因此，如何经济、高效处置剩余污泥，实现污泥稳定化、无害化、资源化是当今急需解决的重要课题。

污泥中含有大量的微生物细胞和有机物胶体，导致了污泥脱水困难，通常脱水泥饼含水率高达80％左右。污泥处置的手段主要包括堆肥、填埋和焚烧。

污泥用于堆肥物料时，通常需要添加调理剂降低含水至50～60％，需要添加的调理剂总量约为污泥的60％，如污泥堆肥产品的销路不好，污泥量不但没有减少反而增加。

国内个别城市用垃圾卫生填埋场接纳污泥，由于污泥含水率高，容易造成填埋作业困难、渗滤液水质恶化和填埋堆体不稳定，因此，实际上，目前国内大部分垃圾卫生填埋场拒绝污泥进场。

焚烧是实现污泥减量化的有效手段，通常要求焚烧物料的热值大于1200千卡/千克，根据市政污泥的平均泥质水平，只有含水率小于50％时才能满足这一要求。因此填埋、堆肥和焚烧都不宜直接处理含水率80％的脱水泥饼，为满足处置标准和工艺需要，含水率至少要降低到60％以下。如何高效低耗地将污泥含水率由80％降低到60％，成为保障污泥有效处置的技术关键。这通常采用干化方式。但是污泥干化需要消耗大量的能源，如采用蒸汽干化，一吨污泥需要消耗0.8-1吨的蒸汽，运行成本极高。

污泥脱水困难是由于污泥中的水受到多种作用力的束缚，对此，人们做了大量的相关研究。水热干化技术是近年来发展迅速的一种处理方法，通过将污泥加热，在一定温度和压力下使污泥中的粘性有机物水解，破坏污泥的胶体结构，可以同时改善脱水性能和厌氧消化性能。随水热反应温度和压力的增加，颗粒碰撞几率增大，颗粒问的碰撞导致了胶体结构的破坏，使束缚水和固体颗粒分离。另外，加热使污泥中的蛋白质分解，细胞发生破裂，胞内的水分被释放。经过水热处理的污泥在不添加絮凝剂的情况下，机械脱水可使含水率大幅度降低到50％以下，大大提高了污泥的脱水性能，及污泥处置技术向低成本、可持续方向发展的可能性。

但是现有的污泥水热干化处理装置存在着反应效果较差、物料连续性较差的问题，因此污泥水热干化的效率还是很低。

发明内容

本发明提供了一种污泥水热干化处理装置及其水热反应器，能够连续地对污泥进行水热干化处理，提高了水热干化效率。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

本发明提供了一种污泥水热干化处理装置，包括：顺序连接的均质反应器、浆化反应器、水热反应器和闪蒸反应器；

所述均质反应器包括第一反应器罐体和伸入至第一反应器罐体内的第一搅拌器，自第一反应器罐体底部的第一物料入口输入至第一反应器罐体内的物料经第一搅拌器切碎并搅拌均匀后、自第一反应器罐体上部的第一物料出口输出至浆化反应器；

所述浆化反应器包括第二反应器罐体、伸入至第二反应器罐体内的第二搅拌器、以及可向第二反应器罐体内通入蒸汽的第一蒸汽管，自第二反应器罐体上部的第二物料入口输入至第二反应器罐体内的物料由第一蒸汽管通入的蒸汽均匀预热，并通过第二搅拌器搅拌均匀后、自第二反应器罐体下部的第二物料出口输出至水热反应器；

所述水热反应器包括第三反应器罐体、伸入至第三反应器罐体内的第三搅拌器、以及可向第三反应器罐体内通入蒸汽的第二蒸汽管，自第三反应器罐体上部的第三物料入口输入至第三反应器罐体内的物料由第二蒸汽管通入的蒸汽均匀加热加压、发生水热反应，并通过第三搅拌器搅拌均匀后、自第三反应器罐体下部的第三物料出口输出至闪蒸反应器；

所述闪蒸反应器包括第四反应器罐体、以及与第四反应器罐体连通的蒸汽回收管，第四反应器罐体储存物料，并将该物料内的蒸汽通过蒸汽回收管回流至浆化反应器和/或水热反应器，第四反应器罐体的上部具有第四物料入口，下部具有第四物料出口。

优选地，所述第三反应器罐体的物料入口设置于第三反应器罐体的侧壁的上部，第三物料出口设置于第三反应器罐体的底部，自浆化反应器输出的污泥物料自第三物料入口输入至第三反应器罐体内，所述第三物料出口与第四反应器罐体的入口连通，所述第三反应器罐体架设在支撑裙座上，

所述第三搅拌器伸入至第三反应器罐体内部搅拌物料，

至少一个第二蒸汽管设置于所述第三反应器罐体内。

优选地，所述第二蒸汽管为环形管，其贴合所述第三反应器罐体的内壁设置，

所述第二蒸汽管表面具有多个用于向第三反应器罐体内通入蒸汽的气孔。

优选地，所述多个气孔沿所述第二蒸汽管的底部等间隔设置。

优选地，所述第二蒸汽管的底部具有两排气孔，

每排气孔与所述第二蒸汽管底部的中心之间的角度差为30°。

优选地，所述第三搅拌器自第三反应器罐体的顶部伸入至第三反应器罐体内，所述第三搅拌器包括电机、由该电机驱动旋转的搅拌桨叶组件、以及自第三反应器罐体内壁突出的至少两个挡板，

所述搅拌桨叶组件包括与电机的输出连接的驱动轴、以及沿驱动轴的轴向等间隔设置的多个桨叶；

所述至少两个挡板等角度间隔地自第三反应器罐体内壁突出，所述挡板与所述多个桨叶的末端之间具有间距。

优选地，所述第三物料出口的直径比所述第三物料入口的直径大一至两个等级。

本发明还提供了一种污泥水热干化处理装置的水热反应器，所述污泥水热干化处理装置包括顺序连接的均质反应器、浆化反应器、水热反应器和闪蒸反应器，

所述水热反应器包括反应器罐体、搅拌器和至少一个用于向所述反应器罐体内通入蒸汽的蒸汽管，

所述反应器罐体的物料入口设置于反应器罐体的侧壁的上部，物料出口设置于反应器罐体的底部，自浆化反应器输出的污泥物料自物料入口输入至反应器罐体内，所述物料出口与所述污泥水热干化处理装置的闪蒸反应器的物料入口连通，所述反应器罐体架设在支撑裙座上，

所述搅拌器伸入至反应器罐体内部搅拌反应器罐体内的物料，

所述蒸汽管设置于所述反应器罐体内。

优选地，所述蒸汽管为环形管，其贴合所述反应器罐体的内壁设置，

所述蒸汽管表面具有多个用于向反应器罐体内通入蒸汽的气孔。

优选地，所述多个气孔沿所述蒸汽管的底部等间隔设置。

优选地，所述蒸汽管的底部具有两排气孔，

每排气孔与所述蒸汽管底部的中心之间的角度差为30°。

优选地，所述搅拌器自反应器罐体的顶部伸入至反应器罐体内，所述搅拌器包括电机、由该电机驱动旋转的搅拌桨叶组件、以及自反应器罐体内壁突出的至少两个挡板，

所述搅拌桨叶组件包括与电机的输出连接的驱动轴、以及沿驱动轴的轴向等间隔设置的多个桨叶；

所述至少两个挡板等角度间隔地竖直设置在反应器罐体内壁，所述挡板与所述多个桨叶的末端之间具有间距。

优选地，所述物料出口的直径比所述物料入口的直径大一至两个等级。

本发明的污泥水热干化处理装置针对现有的污泥处理装置反应效果差、物料连续性较差的问题，基于污泥水热干化处理技术，通过对污泥进行粉碎、加热，在一定温度和压力下，将污泥中的粘性有机物水解，破坏污泥的胶体结构，促使束缚水和固体颗粒分离。

另外，由于本发明的污泥水热干化处理装置的四个反应器之间处理过程连贯，反应器进出料无停留，因此能够使污泥的水热干化处理过程处于连续运行的状态。

本发明提供的用于污泥水热干化处理装置的水热反应器通过向反应器罐体内通入蒸汽，在反应器罐体内形成一定的温度和压力，并通过搅拌器使物料快速均匀地进行传质传热，从而为物料的水热反应提供必须的温度和压力，使其能够均匀地发生水热反应。本发明的水热反应器中的搅拌桨叶组件采用桨叶和挡板相互配合的结构，有利于物料的均匀混合和受热。

附图说明

图1是本发明的污泥水热干化处理装置的结构示意图；

图2是本发明的污泥水热干化处理装置的水热反应器的结构示意图；

图3是本发明的污泥水热干化处理装置的水热反应器的蒸汽管的截面图。

具体实施方式

本发明提供了一种污泥水热干化处理装置及其水热反应器，能够连续地对污泥进行水热干化处理，提高了水热干化效率。

图1是本发明的污泥水热干化处理装置的结构示意图。如图1所示，本发明的污泥水热干化处理装置包括顺序连接的均质反应器101、浆化反应器102、水热反应器103和闪蒸反应器104。

其中，均质反应器101包括第一反应器罐体和伸入至第一反应器罐体内的第一搅拌器。均质反应器101的第一物料入口111设置在第一反应器罐体的底部，第一物料出口112设置在第一反应器罐体的侧壁的上部。污泥物料通过高压泵，自第一物料入口111输入至第一反应器罐体内，经第一搅拌器切碎并搅拌均匀后，由第一物料出口112输出至浆化反应器102。

浆化反应器102包括第二反应器罐体、伸入至第二反应器罐体内的第二搅拌器、以及可向第二反应器罐体内通入蒸汽的第一蒸汽管213。浆化反应器102的第二物料入口211设置在第二反应器罐体的侧壁的上部，第二物料出口212设置在第二反应器罐体下封头的底部。自均质反应器101输出的污泥物料自第二物料入口211输入至第二反应器罐体内，并由第一蒸汽管213通入的蒸汽均匀预热，经第二搅拌器搅拌均匀后，自第二物料出口212输出至水热反应器103。

水热反应器103包括第三反应器罐体、伸入至第三反应器罐体内的第三搅拌器、以及可向第三反应器罐体内通入蒸汽的第二蒸汽管313。水热反应器103的第三物料入口311设置在第三反应器罐体的侧壁的上部，第三物料出口312设置在第三反应器罐体下封头的底部。自水热反应器103输出的污泥物料自第三物料入口311输入至第三反应器罐体内、并由第二蒸汽管313通入的蒸汽均匀加热加压，在该温度和压力下，在第三反应器罐体内发生水热反应，并通过第三搅拌器搅拌均匀后、自第三物料出口312输出至闪蒸反应器104。

闪蒸反应器104包括第四反应器罐体、以及与第四反应器罐体连通的蒸汽回收管。闪蒸反应器104的第四物料入口411设置在第四反应器罐体的侧壁的上部，第四物料出口412设置在第四反应器罐体下封头的底部。第四反应器罐体用于储存物料，并将该物料内残留的蒸汽通过蒸汽回收管413回流至浆化反应器102和/或水热反应器103。

本发明的污泥水热干化处理装置是利用水热干化处理原理，对污泥进行深度脱水。在一定的温度和压力下，污泥发生水热反应，其中的粘性有机物发生水解，从而破坏污泥的胶体结构，促使束缚水和固体颗粒分离。另外，加热还会使污泥中的蛋白质分解，细胞发生破裂，使胞内的水分被释放，进行机械脱水即可使含水率大幅度降低，从而提高污泥的脱水性能。

其中，均质反应器101是污泥水热干化处理装置的一级预处理设备，主要针对物料粘度大，胶状半固态的特点进行设计。其利用第一反应器罐体内的第一搅拌器高速切碎物料、并将切碎的物料搅拌均匀。通过将物料切碎，能够降低污泥的颗粒尺寸和重量，从而促使束缚水和固体颗粒更容易分离。另外，通过降低污泥的颗粒尺寸，使得物料更容易搅拌均匀，使物料达到均质的目的。

另外，由于均质反应器101的第一物料入口设置于第一反应器罐体的底部，第一物料出口设置于第一反应器罐体的上部，能够避免物料在均质反应器101内发生堆积、从而形成搅拌盲区的问题，且有利于物料能够堆满第一反应器罐体，保证进出料无堆积停留，使物料在污泥水热干化处理装置中保持连续运行的状态。

浆化反应器102是污泥水热干化处理装置的二级预处理设备，主要针对物料粘度大的特点进行设计。其利用第二搅拌器对经均质后的物料进行充分搅拌，浆化反应器102具有能够向第二反应器罐体内通入蒸汽的第一蒸汽管。通过向第二反应器罐体内的物料通入蒸汽，能够对均质后的物料进行预加热，从而为污泥进行水热反应做准备，然后将进行预加热后的物料自第二物料出口输出至水热反应器103。另外，浆化反应器102可采用间歇进出料的方式，以使物料的加热和搅拌更加充分。

进一步地，浆化反应器102可进一步设置多个位于不同位置处的温度监控器，从而根据第二反应器罐体内的物料温度调整第一蒸汽管的通气量，使物料能够均匀地进行预加热、并充分搅拌。通过设置浆化反应器102对污泥物料进行预加热处理，将对污泥物料进行加热、加压的过程分解为在浆化反应器102和水热反应器103中分别进行，能够缩短污泥在水热反应器103内发生反应的时间，并实现节省能源的目的。由于污泥物料在浆化反应器和水热反应器中的停留时间均加以缩短，因此能够保证物料处于连续运行处理的状态。

水热反应器103是污泥水热干化处理装置的主要反应设备，其具有能够向第三反应器罐体内通入蒸汽的第二蒸汽管。通过向第三反应器罐体内的物料通入蒸汽，使物料在一定的温度和压力下发生水热反应，将污泥加热至细胞破裂，胞液溶出，从而释放水分，实现脱水的目的。

进一步地，水热反应器103可进一步设置多个位于不同位置处的温度监控器，从而根据第三反应器罐体内的物料温度调整第二蒸汽管的通气量，使物料能够均匀地进行加热、并充分搅拌。另外，水热反应器103可采用间歇进出料的方式，以使物料的水热反应更加充分。

闪蒸反应器104是污泥水热干化处理装置的储存装置，其用于储存经过水热反应的污泥物料。进一步地，为了节省能源，闪蒸反应器104的第四反应器罐体内进一步设置蒸汽回收挡板，该蒸汽回收挡板设置于邻近闪蒸反应器104的第四物料入口处，输入闪蒸反应器104的物料在冲击蒸汽回收挡板后，物料中残余的蒸汽会被释放。闪蒸反应器104进一步包括蒸汽回收管，该蒸汽回收管的一端与第四反应器罐体连通，另一端可与浆化反应器102和/或水热反应器103连通，从而将回收的蒸汽加以循环利用，达到节约能源的目的。

进一步地，闪蒸反应器104可进一步设置多个位于不同位置处的温度监控器，当物料达到出料温度后，经过脱水后的物料可自第四物料出口输出。

由于在一定温度和压力下能够使污泥中的粘性有机物水解，破坏污泥的胶体结构，可以同时改善脱水性能和厌氧消化性能。且随着水热反应温度和压力的增加，颗粒碰撞几率增大，颗粒间的碰撞导致了胶体结构的破坏，使束缚水和固体颗粒分离。另外，加热使污泥中的蛋白质分解，细胞发生破裂，胞内的水分被释放。因此通过使用本发明的污泥水热干化处理装置，经过水热处理的污泥在不添加絮凝剂的情况下，机械脱水可使含水率大幅度降低到50％以下，大大提高了污泥的脱水性能。且本发明的污泥水热干化处理装置的结构简单，并能够实现能源的循环利用，因此能够大大降低污泥干化处理的成本。

图2是本发明的污泥水热干化处理装置的水热反应器的结构示意图。如图2所示，本发明的污泥水热干化处理装置的水热反应器103包括反应器罐体201、搅拌器202和用于向反应器罐体201内通入蒸汽的至少一个蒸汽管203。反应器罐体201的物料入口204设置于反应器罐体201的侧壁的上部，物料出口205设置于反应器罐体201的底部，物料出口205与污泥水热干化处理装置的闪蒸反应器的入口连通。

搅拌器202伸入至反应器罐体201内部，以搅拌和切碎反应器罐体201内的物料。搅拌器202可如图2所示，自反应器罐体201的顶部伸入至反应器罐体201内部，或者自位于反应器罐体201的侧壁上的人孔/安装孔206伸入至反应器罐体201内。进一步地，反应器罐体201的底部采用封头207密封以确保反应器罐体201的密封质量，则物料出口205安装于封头207上。

由于通入水热反应器的污泥物料已经过均质反应器的切碎搅拌、以及浆化反应器的预热搅拌，因此其物料入口204设置于反应器罐体201的上部，而物料出口205则设置于反应器罐体201的底部。则物料通入水热反应器时直接可到达物料出口处进行处理，而无需等待反应器罐体201内充满污泥后再进行处理，从而节省物料处理时间。优选地，本发明的水热反应器采取间歇性出料的方式，以保证物料处理的连续性。

由于水热反应器103是污泥水热干化处理装置的主处理设备，其用于为污泥物料提供发生水热反应所需的压力和温度，以使污泥物料在反应器罐体201内发生水热反应，实现污泥物料的脱水处理。因此在反应器罐体201内设置了至少一个蒸汽管203，其通过向反应器罐体201内通入蒸汽，以形成一定的温度和压力的环境，并通过搅拌器202的搅拌使物料均匀混合及受热。

由于在一定温度和压力下能够使污泥中的粘性有机物水解，破坏污泥的胶体结构，可以同时改善脱水性能和厌氧消化性能。且随着水热反应温度和压力的增加，颗粒碰撞几率增大，颗粒间的碰撞导致了胶体结构的破坏，使束缚水和固体颗粒分离。另外，加热使污泥中的蛋白质分解，细胞发生破裂，胞内的水分被释放。因此通过使用本发明的水热反应器，经过水热处理的污泥在不添加絮凝剂的情况下，机械脱水可使含水率大幅度降低到50％以下，大大提高了污泥的脱水性能。

优选地，蒸汽管203为环形管，其贴合反应器罐体201的内壁设置。蒸汽管表面具有多个用于向反应器罐体201内通入蒸汽的气孔。为了避免污泥物料堵塞气孔，该气孔可沿蒸汽管203的底部等间隔设置。为了便于污泥加热的均匀性，本发明的水热反应器可设置多个蒸汽管203，该蒸汽管203间隔地设置在反应器罐体201内的不同高度处，以实现提高加热速度和均匀性的目的。

图3为本发明的水热反应器的蒸汽管的一个实施例的截面图。如图3所示，蒸汽管203的底部可具有两排气孔301，每排气孔301与蒸汽管底部的中心302之间的角度差为30°。进一步地，为了防止污泥堵塞蒸汽管203，蒸汽管203可进一步设置多个用于排放管内污泥的排污口(未示出)。

优选地，为了控制污泥物料的温度，使反应在合适的温度和压力下进行，本发明的水热反应器进一步包括多个位于不同位置处的温度监控器209，从而根据反应器罐体201内的物料温度调整蒸汽管203的通气量、以及搅拌器202的搅拌速度。

如图2所示，搅拌器202包括电机401、由电机401驱动旋转的搅拌桨叶组件402、以及自反应器罐体201内壁突出的至少两个挡板403。其中搅拌桨叶组件402包括与电机401的输出连接的驱动轴421、以及沿驱动轴421的轴向方向等间隔设置的多个桨叶422。经过浆化反应器预热之后的物料含水量较高，粘度有所降低，因此物料的流动性较好，因此桨叶422可采用四斜叶可拆开启涡轮式。

进一步地，由于反应器罐体201的内壁还具有至少两个突出的挡板403，该至少两个挡板403等角度间隔地竖直设置在反应器罐体内壁，且挡板403的端部与桨叶422的末端之间具有预设长度的间距，该间距根据物料特性进行选择。挡板403可以通过焊接、或固定装置等固定于反应器罐体201的内壁。

由于物料的流动性较好，因此桨叶422的转动可以带动反应器罐体201内的物料流动，而自反应器罐体内壁突出的挡板403通过阻挡物料流向、并使物料沿挡板方向产生竖直方向的运动，从而形成上下对流，利于物料的均匀混合及受热。

优选地，搅拌桨叶组件402中最下方的桨叶422伸入至反应器罐体的封头内，则输入至反应器罐体201内的物料先落入封头207内，封头207内的物料经过桨叶422的带动搅拌，能够实现物料的均匀混合及受热，避免形成搅拌盲区。而随着物料的不断输入物料液面上升至其他桨叶422处，桨叶422和挡板403的组合即可实现反应器罐体内的物料都能进行均匀的混合和受热。当反应器罐体201内的物料温度已达到反应条件时，物料即可通过物料出口205输出至闪蒸反应器。

为了避免物料出口205出现絮状物料堆积而形成堵塞，物料出口205的管径应尽量大，以保证出料的畅通，即物料出口205的直径应大于物料入口204的直径。优选地，物料出口205的管径可比物料入口204的直径大一至两个等级。例如物料入口204的管径为DN50，那么物料出口205管径高出一至两个等级，取为DN65或者DN80。

优选地，为了实现物料的充分混合、均匀受热的目的，搅拌器202的电机采用变频调速电机，且可设置为工作在较低转速。

进一步地，为了避免出现物料流挂现象，反应器罐体201的内表面和搅拌器202的外表面均需要进行抛光处理，且其材料应根据物料特性选择为具有耐腐蚀性和耐磨损的材料。

本发明的污泥水热干化处理装置的水热反应器针对物料粘度大的特点，增加了先搅拌、后切碎的功能，不仅避免在反应器罐体内出现搅拌盲区、发生物料堆积的现象，而且使物料在反应器罐体内实现充分的切碎、搅拌，以达到均质的目的。通过使用本发明的水热反应器，能够对污泥物料均匀加热并提高压力，使污泥物料能够充分均匀地发生水热反应，从而实现脱水的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。