清华大学王伟水热干化技术资料

城市污泥处理处置的关键问题与水热处理技术2009年5月江苏·无锡清华大学环境科学与工程系王伟提纲一、我国城市污泥的产生与处理处置现状二、水热技术的工艺研发三、水热系统关键设备研发四、东莞污泥水热干化示范工程五、基于水热技术的污泥处理系统一、我国城市污泥的产生与处理处置现状一、我国城市污泥的产生与处理处置现状9596979899000102030405204060801001201402004006008001000污泥产生量/×104t/a污水产生量/×108m3/a污水产生量年份污泥产生量目前1400万吨/年2015年将增加至3560万吨1、我国城市污泥的产生现状一、我国城市污泥的产生与处理处置现状2、我国城市污泥的处置现状堆肥1%填埋6%干化焚烧10%无处置83%重水轻泥的结果是事倍功半污泥是污水处理的产物，在污水得到净化的同时，约一半的污染物转移到污泥中。不解决好污泥处理处置的问题，污水处理的效果只是“事倍功半”。一、我国城市污泥的产生与处理处置现状3、城市污泥的污染严重污泥形成的“城市沼泽”一、我国城市污泥的产生与处理处置现状4、高含水率是污泥处理处置的瓶颈含水率高造成污泥量巨大污泥含水率从95%降低至80%，污泥体积减少75%，从80%降低至50%体积还将减少60%90807060504030201000102030405060708090100污泥体积(%)含水率(%)水固体含水率(%)热值(kcal/kg)90-226.5080132.0070490.5060849.00501207.50401566.00301924.50202283.00102641.5003000.00含水率高造成污泥热值低污泥含水率越高，热值越低，只有到含水率低于50％时，才适合焚烧脱水泥饼(含水率80％)直接填埋渗滤液水质填埋操作困难堆肥含水率重金属干化焚烧高能耗高成本欧洲:有机物5%我国:含水率60%干化或调理剂控制限值干化至50%需蒸发600kg水一、我国城市污泥的产生与处理处置现状4、高含水率是污泥处理处置的瓶颈•含水率由80%降低到60%，甚至50%，是污泥处理所必须达到的要求•含水率由80%降低到60%，甚至50%，干化环节是污泥处理处置系统耗能的主要环节•《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋泥质》要求含水率低于60%•欧盟填埋导则要求有机物含量必须低于5%一、我国城市污泥的产生与处理处置现状4、高含水率是污泥处理处置的瓶颈含水率由80%降低到60%，污泥减量一半！203050固体水水203050固体水水固体固体水水水水含水率80%含水率60%一、我国城市污泥的产生与处理处置现状4、高含水率是污泥处理处置的瓶颈毛细水间隙水吸附水内部水吸附水：无法通过机械力去除间隙水：游离态，浓缩脱水的去除对象毛细水：较高机械力去除内部水：需进行细胞破碎，或高温干燥去除一、我国城市污泥的产生与处理处置现状4、高含水率是污泥处理处置的瓶颈污泥脱水性能的热力学解析PP压滤脱水示意图机械力脱水的压力做功过程一、我国城市污泥的产生与处理处置现状4、高含水率是污泥处理处置的瓶颈水的蒸发潜热：538kcal/kg水的比热：1kcal/(kg·℃)通过蒸发降低含水率的能耗太大含水率80%含水率30%固体200kg水710kg水90kg固体200kg蒸发掉水710kg水90kg蒸发干燥每吨污泥需要的投入热量44×105kcal折合64kg标准煤一、我国城市污泥的产生与处理处置现状4、高含水率是污泥处理处置的瓶颈二、水热技术的工艺研发二、水热技术的工艺研发破坏污泥细胞，释放胞内水分基于对污泥细胞结构和水分布的原理热作用下有机物水解，破坏胶体结构基于对污泥胶体结构和物理化学降粘度的原理1、水热技术原理水热技术一直都是污泥处理的一个重要发展方向初次应用工艺名称技术特点1939年，英国Porteous工艺污泥185℃热水解，提高污泥消化效率。1954年，英国Zimpro工艺250℃湿式氧化工艺。70年代，英国LPO工艺200℃以下低压氧化，改善脱水性能80年代中，美国Synox工艺加碱热水解，100℃以下90年代中，美国Protox工艺加酸热水解，100℃以下90年代末，美国RTC工艺高压蒸汽快速升温，200～220℃1997年，挪威Cambi工艺水热改性＋厌氧消化，消化率60%。二、水热技术的工艺研发2、水热技术发展的沿革技术特点1——通过对污泥改性提高脱水性能污泥细胞结构破坏二、水热技术的工艺研发3、水热技术特点水热处理前的污泥固体水水热处理后的污泥污泥胶体结构破坏技术特点1——通过对污泥改性提高脱水性能二、水热技术的工艺研发3、水热技术特点02004006008001000120014001600153045607590sludgesurfacelevelina100mLgraduatedcylinerSettlingtime(min)control80℃120℃150℃170℃污泥固液分离性能的显著提高技术特点1——通过对污泥改性提高脱水性能二、水热技术的工艺研发3、水热技术特点蒸发干燥水热干化技术特点2——水热反应过程没有相变，能耗低二、水热技术的工艺研发3、水热技术特点水热处理有机物废弃物低分子有机物CH4等乙酸技术特点3——水热处理解决了污泥厌氧消化的瓶颈二、水热技术的工艺研发3、水热技术特点•水热效果1——污泥脱水性能提高01020304050600100020003000400050006000粘度(CP)热处理时间/min03006009001200150020406080100沉降高度界面高度/ml沉降时间/min未处理80℃120℃150℃170℃180℃/30min30min热处理前热处理后污泥粘度显著降低二、水热技术的工艺研发4、水热处理效果120140160180200304050607080泥饼含水率/%热水解温度/oC30minTS10%VS/TS:67%30min020406080100304050607080泥饼含水率/%热水解时间/min170oCTS10%VS/TS:67%180℃120140160180200304050607080泥饼含水率/%热水解温度/oC30minTS10%VS/TS:67%30min120140160180200304050607080泥饼含水率/%热水解温度/oC30minTS10%VS/TS:67%30min020406080100304050607080泥饼含水率/%热水解时间/min170oCTS10%VS/TS:67%180℃020406080100304050607080泥饼含水率/%热水解时间/min170oCTS10%VS/TS:67%180℃•水热效果1——污泥脱水性能提高二、水热技术的工艺研发4、水热处理效果•水热效果2——生物降解性能改善二、水热技术的工艺研发4、水热处理效果051015200102030405060708090100时间/d日产气量/L·d-1中温ASBR高温ASBROLR=4.196中温ASBR酸化点OLR=7.762OLR=13.106OLR=2.523OLR=10.091停止进料高温ASBR酸化点HRT：10d容积负荷：10kg/m3d总COD去除率：55%二、水热技术的工艺研发4、水热处理效果•水热效果2——生物降解性能改善•开展时间：2003年建设规模：12m3/天•处理对象：浓度3%的浓缩污泥•水热反应器：电加热釜式反应器P-769145623871重力浓缩机，2原泥调节池，3高压进料泵，4制氧机组，5反应釜，6列管换热器，7气液分离器，8浓缩池，9离心脱水机中试研究流程二、水热技术的工艺研发5、中试研究实验室小型反应器中试规模处理装置二、水热技术的工艺研发5、中试研究•中试规模装置上验证了水热处理的效果经水热处理后污泥脱水含水率可降低到50%左右二、水热技术的工艺研发5、中试研究（1）污泥进料浓度过低，增加了系统能耗，相关单元设备的水力负荷大，增加了系统投资；（2）采用换热器回收系统能量，存在换热面易结垢、热阻增加快和换热效率低的问题；（3）采用直接电加热方式存在污泥局部过热、结焦等问题，设备维护困难；（4）在设定的反应温度条件下，氧的反应活性低，充氧对污泥水热效果的促进作用不明显。二、水热技术的工艺研发6、通过中试研究发现工艺和设备存在的问题三、水热系统关键设备研发从中试研究至今，课题组又进行了多年的研究，对系统与工艺开展了技术攻关，获得了推动技术发展的重大突破：三、水热系统关键设备研发突破1：开发了污泥浆化反应器，提高了进料污泥的浓度，大幅度降低了系统能耗。90807060504030201000102030405060708090100污泥体积(%)含水率(%)水固体三、水热系统关键设备研发突破1：开发了污泥浆化反应器，提高了进料污泥的浓度，大幅度降低了系统能耗。污泥浓度过高不利于水热反应根据流变学的原理确定了高浓度污泥的极限浓度ml2.0hr2排出管沉降桶支架m1.0mH35.0ml2.0hr2排出管沉降桶支架m1.0mH35.0246810121473521280屈服应力/pa污泥浓度/%r=5mmr=10mmr=15mmr=20mm14三、水热系统关键设备研发突破1：开发了污泥浆化反应器，提高了进料污泥的浓度，大幅度降低了系统能耗。浆化反应器外观浆化反应器设计独特设计：强制搅拌加热稀化闪蒸乏汽返混三、水热系统关键设备研发突破1：开发了污泥浆化反应器，提高了进料污泥的浓度，大幅度降低了系统能耗。反应器的特点•污泥－蒸汽逆流混合•蒸汽高速喷射局部湍流•搅拌器分层分区搅拌三、水热系统关键设备研发突破2：开发了蒸汽直接加热方式的水热反应器，提高加热效率，实现高浓度污泥均匀反应，避免反应器结焦。p,T液体进料FTF,pF,HFQ加热器阀V，HVL，HL三、水热系统关键设备研发突破3：开发了用于换热的闪蒸反应器，加热污泥闪蒸的热蒸汽直接加热冷泥，热损失小，设备稳定性强。0.150.300.450.600.750.9003691215蒸汽携带质量/%闪蒸压力/MPa180oC170oC160oC0.150.300.450.600.750.9001020304050180℃水热170℃水热160℃水热蒸汽携带能量/%闪蒸压力/MPa三、水热系统关键设备研发突破3：开发了用于换热的闪蒸反应器，加热污泥闪蒸的热蒸汽直接加热冷泥，热损失小，设备稳定性强。上位机PLC流量变送器液位变送器压力变送器温度变送器1#变频器5#变频器2#变频器3#变频器4#变频器执行机构三、水热系统关键设备研发突破4：开发了连续污泥水热系统的自动控制方案。四、东莞污泥水热干化示范工程项目位置建成时间：2008年10月处理规模：30吨/天应用单位：东莞市市区污水处理厂实施单位：清华大学北京健坤伟华新能源科技有限公司四、东莞污泥水热干化示范工程工艺流程图四、东莞污泥水热干化示范工程1、工艺流程平面布置图2、平面布置四、东莞污泥水热干化示范工程工程外观四、东莞污泥水热干化示范工程3、工程外观系统单元工程外观四、东莞污泥水热干化示范工程3、工程外观24h连续运行工程夜景系统单元工程外观四、东莞污泥水热干化示范工程3、工程外观水热单元系统单元工程外观四、东莞污泥水热干化示范工程3、工程外观水热处理后的污泥性状与泥土类似，黑褐色，疏松多孔污泥含水率低于55％，易成型。水热处理前水热处理后水热单元系统单元工程外观四、东莞污泥水热干化示范工程4、泥饼性状废蒸汽流量0.56t/d固体0尾气处置浆化反应器均质罐水热反应器蒸汽发生器闪蒸反应器水热离心机滤液处置泥饼处置浆化污泥流量34.65t/d固体8.7%闪蒸蒸汽流量5.21t/d固体0水热蒸汽流量6.19t/d固体0水热污泥流量40.84t/d固体5.9%闪蒸污泥流量35.63t/d固体6.7%脱水滤液流量30.29t/d固体0脱水泥饼流量5.34t/d固体45%浓缩污泥流量30t/d固体10%水热