用于对污泥进行水热碳化和湿式氧化的方法和系统与流程

1.本公开内容涉及一种对污泥进行水热碳化的方法，特别是对来自废水处理厂的市政或工业污泥进行水热碳化的方法。


背景技术：

2.污泥是典型的市政或工业废水处理厂中的废水处理后残留物。市政废水处理厂处理来自城市的废水，而工业废水处理厂则处理来自不同工业过程——例如纸浆和造纸厂、工业食品生产设施等——的排出水。畜牧场例如大规模养猪场也是废水和污泥的重要源。本公开的实施方式在所有这些领域中将是有用的。
3.用于废水处理的技术在总体水平上是相似的，但是包括基于要处理的废液流的特性、基本设计、当地要求和环境考虑的具体方案。在瑞典的较大工厂中，废水处理过程通常包括机械预处理，然后进行第一级(沉降)和第二级(好氧)处理步骤。在一些情况中，还可以应用不同形式的第三级处理来移除在处理过的水中残留的有问题的物质，例如药物残留物、有毒的有机物质等。在较小的工厂中，通常可以省略这些阶段中的一个或更多个阶段。
4.几乎所有使用中的废水处理厂都会生成需要被处理的污泥。污泥要么在脱水后(好氧污泥)直接地从工厂回收，要么首先进行厌氧处理以用于沼气生产，其中部分污泥被消化以及剩余物则作为厌氧污泥回收。
5.全世界的废水处理厂每年产生数亿立方公吨的污泥，并且该数量正在迅速地增长。在瑞典，据报道，2010年以每年的干固体的吨(tds/y)为单位的总污泥量为250 000以及目前的数字估计与此相同或较高。因此，污泥处理对社会是巨大的挑战，并且当前的方案与高成本相关联以及经常地还带来负面的环境影响。
6.从1986年开始，欧盟已经采取了若干调节废水污泥的处理和处置的指令，以解决不同方面诸如将污泥用于填埋、磷的回收、污泥的焚化等。不同的指令反映在各个成员国的国家立法中，以及例如在瑞典，自2005年起禁止以填埋法处置污泥。
7.如今，废水污泥的主要用途是在农业和林业/造林业中施肥、混合到用于地面建设项目的植物土壤中以及覆盖和恢复垃圾填埋场、以能量回收的方式焚化、回收化学品和生产化肥、以及最后是填埋，然而，前提是污泥已经经过诸如堆肥化的具体预处理。
8.污泥的焚化，其中能量回收以及烟道气体和灰分的合适的处理以破坏有害的化学品并安全地处理重金属，仍然是有吸引力的选项。然而，污泥的确切组成取决于进入的废水的组成和废水处理厂的类型。具有高浓度的有机成分和/或生物成分的污泥通常难以脱水。含水量是经常很高的，以致在发电厂中焚化时的净热值非常低或者甚至是负的情况下，支持燃料的添加——通常是化石燃料——可能是必要的。
9.c
‑
green technology ab已开发出涉及水热碳化(htc)的步骤的污泥处理方法。


技术实现要素：

10.许多水热碳化(htc)系统的运行通常需要外部能量的供应，例如以电力或气体的
形式。本发明人发现，通过对htc处理的产物(即经htc处理的浆料)进行湿式氧化以及然后使经湿式氧化的浆料经受闪蒸以获得高温蒸汽馏分——该高温蒸汽馏分可以用于将未经处理的浆料加热至htc反应的温度，可以消除或至少显著地减少污泥的htc处理中对外部能量的持续供应的需要。因此，通过氧化反应释放的热以有效地方式被回收并被使用于该过程中。在htc处理下游进行湿式氧化的另外的益处是htc处理增大了化学需氧量(cod)，这意味着已经使得更多的燃料可用于湿式氧化过程。此外，经htc处理的浆料的温度高于进入的污泥或经预加热的污泥的温度，并且较高的温度引起较高的湿式氧化反应速率，这是取决于温度的。与wo 2017/111462中公开的构思相比，本公开的构思被简化，例如，其允许较不复杂的热回收。
11.作为本公开内容的第一方面，因此提供一种对来自废水处理厂的污泥进行水热碳化的方法，包括以下步骤：
12.用至少一个第一蒸汽馏分对污泥进行预加热以获得经预加热的污泥；
13.用第二蒸汽馏分另外加热经预加热的污泥以获得经加热的污泥；
14.在反应器中使经加热的污泥经受水热碳化(htc)以获得经htc处理的浆料；
15.将经htc处理的浆料与氧化剂诸如氧气混合，以获得经湿式氧化的浆料；
16.使经湿式氧化的浆料经受闪蒸以获得第二蒸汽馏分和经预冷却的浆料；
17.使经预冷却的浆料在至少一个步骤中经受闪蒸以获得至少一个第一蒸汽馏分和经冷却的浆料；
18.将经冷却的浆料分离成液体馏分和固体馏分；以及
19.将液体馏分路由到废水处理厂以用于另外的处理。
20.上述方法的湿式氧化引起液体馏分的cod减少，这减少了废水处理厂中任何减少cod的处理(典型地是厌氧处理)的负载。此外，湿式氧化消耗了颗粒状的有机物料，这减少了固体馏分的体积(典型地必须将其运输到另外的地点)，并使磷和其他灰分成分中的固体馏分富集。
21.氧化剂优选的是氧气。“氧气”是指包含按体积计至少80％的氧的气体，优选地包含按体积计至少95％的氧的气体。因此，步骤b)中的“添加氧气”不包括添加空气(因为空气的氧含量按体积计为仅21％)。使用氧气代替空气的益处是较少的惰性气体被添加至反应器。另外的益处是更有效率的湿式氧化反应
22.如本领域技术人员所理解的，该方法是连续方法。
23.优选地，本公开内容的污泥是来自废水处理厂的市政或工业污泥。
24.可以在至少两个步骤中使经预冷却的浆料经受闪蒸以获得不同温度的至少两个第一蒸汽馏分。优选地，将这至少两个第一蒸汽馏分用于在预加热步骤中相继地加热污泥。在一个实施方式中，使经预冷却的浆料在至少三个步骤(例如三个步骤或四个步骤)中经受闪蒸以获得不同温度的至少三个第一蒸汽馏分(例如三个或四个第一蒸汽馏分)，其优选地被用于在预加热步骤中相继地加热污泥。
25.污泥的干固体含量(也称为“总固体”)典型地为1至35％，诸如2至35％，诸如3至32％。如果污泥是厌氧污泥，则干固体含量通常为13至32％。如果污泥是好氧污泥，则干固体含量典型地为5至15％。灰分含量典型地为污泥的干重量的10至75％，诸如12至50％，诸如30至50％。污泥的较高的热值(hhv)典型地为3.5至21mj/kg，诸如6至17mj/kg(干重量)。
26.本公开的湿式氧化典型地不使用浆料的全部能量含量。例如可以将经htc处理的浆料的热含量降低5至50％，优选地5至25％，更优选地9至16％。可以相应地调整在该方法中添加的氧化剂的量。热含量可以通过弹式量热计测量。
27.htc处理对污泥的热含量仅有很小的影响。因此，未经处理的污泥的热含量典型地在湿式氧化之后保留50至95％，诸如75至95％，诸如84至91％。
28.本公开内容促进了磷(p)的分离。相应地，本公开内容的污泥可以包括磷，例如其量为污泥的干重量的0.5至9％，诸如污泥的干重量的1至9％，诸如污泥的干重量的1.5至9％。
29.优选地，本公开内容的污泥包括碳(c)，例如其量为污泥干重量的9至46％，诸如污泥的干重量的20至46％。
30.为了获得足够的时间以用于湿式氧化反应，可以将经htc处理的浆料和氧化剂的混合物在反应器中保留一段时间。在这种反应器中的保留时间可以例如为5至40分钟，诸如5至20分钟。这种反应器的体积可以例如是htc的反应器体积的5至30％，诸如为5至20％。
31.氧化剂可以直接地被添加到这种反应器。在这种情况下，反应器可以是逆流或并流流动反应器或吸收塔。然而，可能更优选地，将氧化剂添加到在反应器上游的经htc处理的浆料以用于湿式氧化反应，例如使用气体混合器。
32.当氧化剂是氧气时，其添加量为通过该方法处理的每吨干污泥中添加60至260kg，优选地通过该方法处理的每吨干污泥中添加100至200kg，更优选地通过该方法处理的每吨干污泥中添加110至150kg。
33.在反应器中的平均保留时间典型地为0.25至8小时以及优选地0.5至2小时。
34.经htc处理的浆料的化学需氧量(cod)典型地至少为30g/l，优选地为30至50g/l，更优选地为35至45g/l。
35.经htc处理的浆料的温度典型地为180至250℃以及优选地为180至230℃。更优选地为190至225℃。
36.湿式氧化增大经htc处理的浆料的温度。经湿式氧化的浆料的温度可以例如为220至260℃，优选地为230至250℃，更优选地为235至245℃。
37.第二蒸汽馏分的温度可以为190至240℃，优选地为200至230℃，更优选地为210至220℃，第二蒸汽馏分是通过闪蒸经湿式氧化的浆料而获得的高温蒸汽馏分。
38.该第二蒸汽馏分升高了经预加热的污泥的温度。使用第二蒸汽馏分的另外地加热经预加热的污泥的步骤可能例如使温度增大至少10℃(例如10至50℃)，优选地至少15℃(例如15至50℃)，更优选地至少20℃(例如20至50℃)，诸如至少25℃(例如25至50℃)。
39.第二蒸汽馏分的温度典型地比经加热的污泥的温度高9至40℃。优选地，第二蒸汽馏分的温度典型地比经加热的污泥的温度高10至35℃，诸如高10至30℃，诸如高10至21℃。
40.此外，第二蒸汽馏分的温度典型地比经预加热的污泥的温度高25至75℃。优选地，第二蒸汽部分的温度比经预加热的污泥的温度高30至70℃，更优选地高40至60℃。
41.可以从下面关于第二方面的讨论中得出第一方面另外的实施方式。
42.作为本公开内容的第二方面，提供有一种用于对来自废水处理厂的污泥进行水热碳化(htc)的系统，包括：
43.反应器(htc反应器)，用于使污泥经受htc以获得经htc处理的浆料；
44.分离装置，用于将经湿式氧化和经冷却的浆料分离成液体馏分和固体馏分；
45.污泥路由装置，用于将污泥路由至htc反应器，该污泥路由装置包括预加热装置和另外的加热装置，其中，另外的加热装置被布置在所述预加热装置的下游；以及
46.浆料路由装置，用于将经htc处理的浆料从htc反应器路由至分离装置，该浆料路由装置包括用于将经htc处理的浆料与氧化剂混合的混合器以及第一闪蒸装置和第二闪蒸装置，其中该混合器被布置在第一闪蒸装置的上游以及第二闪蒸装置被布置在第一闪蒸装置的下游；
47.第一蒸汽路由装置，用于将蒸汽从第一闪蒸装置路由至另外的加热装置；
48.第二蒸汽路由装置，用于将蒸汽从第二闪蒸装置路由至预加热装置；以及
49.液体馏分路由装置，用于将液体馏分从分离装置路由到废水处理厂。
50.如本领域技术人员所理解的，该系统适于连续过程并且htc反应器是连续反应器。
51.优选地，氧化剂为氧气，以及优选地，混合器为氧气混合器。也可以使用其他类型的氧化装备，诸如逆流或并流流动反应器或吸收塔。
52.为了提供用于湿式氧化反应的时间，浆料路由装置可以包括布置在混合器与第一闪蒸装置之间的第二反应器。混合器也可以是第二反应器的一部分。
53.由于湿式氧化反应典型地比htc过程所需的时间更少，第二反应器的体积可以是htc反应器体积的5至30％，诸如5至20％。
54.第二闪蒸装置可以包括串联布置的至少两个诸如至少三个闪蒸容器以提供不同温度的蒸汽馏分。此外，预加热装置可以包括串联布置的至少两个诸如至少三个蒸汽混合器。优选地，第二蒸汽路由装置将闪蒸容器连接到蒸汽混合器以使污泥可以被逐步地预加热。
55.蒸汽混合器可以是文丘里混合器。
56.否则，第一方面的实施方式加以必要的变更适用于第二方面。
附图说明
57.图1例示了根据本公开内容的一种用于污泥处理的系统的示例性实施方式。
具体实施方式
58.在图1中示意性地例示了根据本公开内容的系统100的示例性实施方式。从废水处理厂101接收污泥。污泥可以直接地从工厂101接收或者从形成系统100的一部分的存储罐(未示出)接收。污泥典型地具有约30℃的初始温度以及约30％的干物质含量。在可选的初始加热(未示出)之后，污泥在预加热装置103中被预加热。优选地，通过例如在串联布置的第一蒸汽混合器104和第二蒸汽混合器105中逐步添加蒸汽来实施预加热。在每个蒸汽混合器104、105的下游，布置有泵104p、105p。在预加热装置103之后，获得具有约175℃的温度的经预加热的污泥。经预加热的污泥在另外的加热装置106中被另外地被加热，该另外的加热装置典型地是蒸汽混合器以及在其后布置有泵106p。将另外经加热的污泥进给至反应器108，在该反应器中污泥经历水热碳化(htc)。典型地具有200至215℃的温度的经htc处理的浆料从反应器108中被取出。经htc处理的浆料的压力由泵(未示出)稍微地增大。然后将氧气添加至在氧气混合器110中经htc处理的浆料。氧气混合器被连接到加压的氧气罐(未示
出)。在系统100中处理的每吨干污泥中的氧气量为约250kg。湿式氧化不是瞬时的。相反，当馏分流向氧气混合器110的下游时，它将继续进行。为了允许有时间进行放热的湿式氧化反应，因此可以将第二反应器111布置在氧气混合器110的下游。从第二反应器111获得的经湿式氧化的浆料典型地具有约240℃的温度以及被引导至产生具有约220℃的温度的高温蒸汽馏分和经预冷却的浆料的第一闪蒸装置112。高温蒸汽馏分被路由至另外的加热装置106并因此被用于加热经预加热的污泥。
59.在第二闪蒸装置113中使经预冷却的浆料经受闪蒸，该第二闪蒸装置产生至少一个蒸汽馏分，所述至少一个蒸汽馏分被用于对预加热装置103中的污泥进行预加热。优选地，闪蒸装置113包括串联布置的若干闪蒸容器，以产生不同温度的蒸汽馏分。例如，闪蒸装置113可以包括：第一闪蒸容器114，该第一闪蒸容器产生被路由至预加热装置103的第二蒸汽混合器105的“中等”温度的蒸汽馏分；以及第二闪蒸容器115，该第二闪蒸容器产生被路由至预加热装置103的第一蒸汽混合器104的相对低温度的蒸汽馏分。
60.在第二闪蒸装置113下游获得的经冷却的浆料由分离装置116分离成：液体流，该液体流被路由回到废水处理厂101以用于另外的处理；以及固体馏分，该固体馏分通过上游湿式氧化过程已经被富集有灰分成分，诸如磷。
61.系统100可以包括使用外部热的加热器107，诸如电加热器，以用于冷启动过程。加热器107优选地被布置在另外的加热装置106的下游，但是在反应器108的上游。
62.预加热装置103、另外的加热装置106、相关联的泵和加热器107形成用于将污泥路由到反应器108的污泥路由装置102的部分。
63.氧气混合器110、第二反应器111、第一闪蒸装置112和第二闪蒸装置113形成用于将经htc处理的浆料从反应器108路由至分离装置116的浆料路由装置109的一部分。

技术特征：
1.一种对来自废水处理厂的污泥进行水热碳化的方法，包括以下步骤：用至少一个第一蒸汽馏分对所述污泥进行预加热以获得经预加热的污泥；用第二蒸汽馏分另外加热所述经预加热的污泥以获得经加热的污泥；在反应器中使所述经加热的污泥经受水热碳化(htc)以获得经htc处理的浆料；将所述经htc处理的浆料与氧化剂诸如氧气混合，以获得经湿式氧化的浆料；使所述经湿式氧化的浆料经受闪蒸以获得第二蒸汽馏分和经预冷却的浆料；使所述经预冷却的浆料在至少一个步骤中经受闪蒸以获得至少一个第一蒸汽馏分和经冷却的浆料；将所述经冷却的浆料分离成液体馏分和固体馏分；以及将所述液体馏分路由到废水处理厂以用于另外的处理，其中，所述第二蒸汽馏分被用于将经预加热的污泥加热至htc反应的温度。2.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述经htc处理的浆料的温度为180至250℃，优选地为180至230℃以及更优选地为190至225℃。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述经湿式氧化的浆料的温度为220至260℃，优选地为230至250℃以及更优选地为235至245℃。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二蒸汽馏分的温度为190至240℃，优选地为200至230℃以及更优选地为210至220℃。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，另外加热所述经预加热的污泥的步骤使温度升高至少10℃，优选地至少15℃，更优选地至少20℃，最优选地25至50℃。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二蒸汽馏分的温度比所述经加热的污泥的温度高9至40℃，优选地高10至35℃，诸如高10至30℃，诸如高10至21℃。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二蒸汽馏分的温度比所述经预加热的污泥的温度高25至75℃，优选地高30至70℃，更优选地高40至60℃。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述污泥是市政污泥或工业污泥。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述经预冷却的浆料在至少两个步骤中经受闪蒸以获得不同温度的至少两个第一蒸汽馏分，所述至少两个第一蒸汽馏分优选地被用于在预加热步骤中相继地加热所述污泥。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在将所述经htc处理的浆料与所述氧化剂混合的步骤与使所述经湿式氧化的浆料经受闪蒸的步骤之间的停留时间为5至75分钟，诸如5至40分钟，诸如5至20分钟。11.一种用于对来自废水处理厂的污泥进行水热碳化(htc)的系统，包括：反应器(htc反应器)，用于使污泥经受htc以获得经htc处理的浆料；分离装置，用于将经湿式氧化和经冷却的浆料分离成液体馏分和固体馏分；污泥路由装置，用于将污泥路由至htc反应器，所述污泥路由装置包括预加热装置和另外的加热装置，其中，所述另外的加热装置被布置在所述预加热装置的下游；以及浆料路由装置，用于将经htc处理的浆料从所述htc反应器路由至分离装置，所述浆料路由装置包括用于将所述经htc处理的浆料与氧化剂混合的混合器以及第一闪蒸装置和第二闪蒸装置，其中所述混合器被布置在所述第一闪蒸装置的上游以及所述第二闪蒸装置被布置在所述第一闪蒸装置的下游；
第一蒸汽路由装置，用于将蒸汽从所述第一闪蒸装置路由至所述另外的加热装置；第二蒸汽路由装置，用于将蒸汽从所述第二闪蒸装置路由至所述预加热装置；以及液体馏分路由装置，用于将液体馏分从所述分离装置路由到废水处理厂。12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述浆料路由装置包括布置在所述混合器与所述第一闪蒸装置之间的第二反应器。13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述混合器是第二反应器的一部分。14.根据权利要求12或13所述的系统，其中，所述第二反应器的体积为所述htc反应器的体积的5至30％，诸如5至20％。15.根据权利要求11至14中任一项所述的系统，其中：所述第二闪蒸装置包括串联布置的至少两个闪蒸容器以提供不同温度的蒸汽馏分；所述预加热装置包括串联布置的至少两个蒸汽混合器；以及所述第二蒸汽路由装置将至少两个所述闪蒸容器连接到至少两个所述蒸汽混合器以使所述污泥能够被逐步地预加热。
技术总结
提供一种对来自废水处理厂的污泥进行水热碳化的方法，包括以下步骤：用至少一个第一蒸汽馏分对污泥进行预加热以获得经预加热的污泥；用第二蒸汽馏分另外加热经预加热的污泥以获得经加热的污泥；在反应器中使经加热的污泥经受水热碳化(HTC)以获得经HTC处理的浆料；将经HTC处理的浆料与氧化剂诸如氧气混合，以获得经湿式氧化的浆料；使经湿式氧化的浆料经受闪蒸以获得第二蒸汽馏分和经预冷却的浆料；使经预冷却的浆料在至少一个步骤中经受闪蒸以获得至少一个第一蒸汽馏分和经冷却的浆料；将经冷却的浆料分离成液体馏分和固体馏分；以及将液体馏分路由到废水处理厂以用于另外的处理，其中，第二蒸汽馏分被用于将经预加热的污泥加热至HTC反应的温度。还提供了相应的系统。统。统。


技术研发人员：弗雷德里克
受保护的技术使用者：C-绿色科技公司
技术研发日：2019.11.22
技术公布日：2021/6/29