專(zhuān)利名稱(chēng)：用于生物材料連續(xù)熱水解的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)生物材料進(jìn)行連續(xù)熱水解的裝置及方法。
背景技術(shù)：
在世界大多數(shù)地區(qū)中，源自家庭、工業(yè)處理以及農(nóng)業(yè)的廢水在排放到小溪、小河和 河流之前要進(jìn)行生物處理。之所以這樣做，目的在于防止某些生物成份污染所述小溪、小河 和河流。這種處理可以是生物降解工藝，其中，生物粒子被降解。然而，某些生物粒子與其 他生物粒子相比更難于降解，由此眾所周知的是，通過(guò)對(duì)含生物物質(zhì)的生物材料進(jìn)行加熱 并使其保持在約140-160攝氏度一段預(yù)定時(shí)間(例如至少半個(gè)小時(shí))來(lái)處理生物材料，以 加速降解過(guò)程。這種處理通稱(chēng)為熱水解，使得生物材料(其呈現(xiàn)對(duì)生物降解依賴(lài))轉(zhuǎn)變成 可容易降解的材料。這種熱水解通常以分批進(jìn)行處理，其中，多批污泥經(jīng)歷熱水解并隨后供給到消化 器。然而，所希望的是能以連續(xù)工藝進(jìn)行所述熱水解。EP1198424中公開(kāi)了這種連續(xù)工藝的例子，該專(zhuān)利給出了一種方法，其中帶有 1-20%的干固物含量的污泥被供給到反應(yīng)器中。在130-180攝氏度的溫度下且在3-10巴 的壓力下，污泥保留在反應(yīng)器中5-60分鐘時(shí)間。隨后，處理過(guò)的生物材料利用熱交換器來(lái)冷卻，以確保污泥的溫度充分低到避免 破壞消化器中的細(xì)菌。為了回收能量，熱交換器通常布置成在將污泥供給到反應(yīng)器中之前 對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)熱。另外的背景技術(shù)可在WO 96/09882、W02006/027062、W092/06925 和 WO 2004/096866 中找到。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種用于連續(xù)熱水解的系統(tǒng)，其適于處理帶有至少 20%的干固物含量的污泥。此外，本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種用于連續(xù)熱水解的系統(tǒng)，其中無(wú)需熱交 換器來(lái)冷卻污泥。此外，本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種系統(tǒng)，其中生物材料的冷卻使得在管式 反應(yīng)器的內(nèi)表面上沒(méi)有或幾乎沒(méi)有粒子沉淀。此外，本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種系統(tǒng)，其適于防止粒子沉淀在與熱水解 用反應(yīng)器連接的供給管路中，諸如蒸汽供給管路。在第一方面，本發(fā)明涉及一種對(duì)管式反應(yīng)器中的包含有機(jī)材料的污泥進(jìn)行連續(xù)熱 水解的方法，通過(guò)以下步驟連續(xù)地進(jìn)行-將所述有機(jī)材料供給到所述反應(yīng)器的進(jìn)料區(qū)中，以增加壓力并在不使所述有機(jī) 材料沸騰的情況下允許溫度在100攝氏度以上；
_在蒸汽供給區(qū)中將蒸汽供給到反應(yīng)器中，以使所述溫度升高到100度以上的溫 度；-保持所述反應(yīng)器中的壓力一段預(yù)定時(shí)間；-在冷卻區(qū)中將水供給到所述反應(yīng)器中，以使所述溫度降低到100度以下，以及；-在輸出區(qū)中將有機(jī)材料輸出。依據(jù)本發(fā)明的所述系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，沒(méi)有或者幾乎沒(méi)有諸如藍(lán)鐵礦和/或鳥(niǎo) 糞石之類(lèi)的物質(zhì)的沉淀發(fā)生。由于溶解度隨著溫度降低而降低，當(dāng)生物材料冷卻到使得給 定化學(xué)物質(zhì)的濃度達(dá)到過(guò)飽和的程度時(shí)，通常發(fā)生這種沉淀。過(guò)飽和通常將導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì) 充分沉淀一定量，以使所述物質(zhì)達(dá)到它的新飽和水平。在本發(fā)明中，通過(guò)噴射冷卻水來(lái)冷卻污泥，并由此使管式反應(yīng)器內(nèi)的生物材料冷 卻，而不是沿著管式反應(yīng)器的內(nèi)表面冷卻生物材料。在常規(guī)系統(tǒng)中，借助適于對(duì)管式反應(yīng)器 的一個(gè)或一個(gè)以上的內(nèi)表面進(jìn)行冷卻的熱交換器，來(lái)冷卻生物材料，由此與所述表面接觸 的污泥被冷卻。然而，隨著所述內(nèi)表面被冷卻，隨著生物材料被冷卻并超過(guò)(pass)上述溫 度，處于與所述變冷的內(nèi)表面接觸的區(qū)域中的污泥將使粒子沉淀在所述表面上。結(jié)果就是， 為了正常工作，必須經(jīng)常清潔這種系統(tǒng)。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)生物材料在污泥供給入口下游的位置處變得較稀時(shí)， 供給到所述系統(tǒng)中的生物材料的干固物含量可以更高。由于干固物含量的水平較高，所以， 與公知系統(tǒng)(包括用于將生物材料冷卻至適于在隨后的消化器中處理的合適溫度的熱交 換器)相比，本發(fā)明的系統(tǒng)的容量大。本發(fā)明的再一優(yōu)點(diǎn)可在于，高溫和增加的壓力可引起期望的化學(xué)反應(yīng)，例如長(zhǎng)鏈 碳分子的酶催化水解。在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語(yǔ)“生物材料”應(yīng)理解為任何源自生物的材料，且可包括 有機(jī)材料。例如來(lái)自工業(yè)處理的廢物、來(lái)自農(nóng)業(yè)/畜牧業(yè)處理的廢物(包括糞便和屠宰場(chǎng) 的廢物)、以及對(duì)家庭、工業(yè)和/或農(nóng)業(yè)/畜牧業(yè)的廢水進(jìn)行處理而獲得的污泥。在大多數(shù)實(shí)施例中，管式反應(yīng)器是細(xì)長(zhǎng)的，以允許將生物材料以預(yù)定速度供給到 一端中、并在保持處理溫度和壓力的同時(shí)逐漸移動(dòng)到管式反應(yīng)器內(nèi)。將認(rèn)識(shí)到的是，對(duì)于給 定的供給速率(每單位時(shí)間的質(zhì)量)，假定反應(yīng)器的長(zhǎng)度保持相同，相比于更細(xì)的反應(yīng)器， 對(duì)于更粗的反應(yīng)器而言，停留時(shí)間更長(zhǎng)。另外，將認(rèn)識(shí)到的是，對(duì)于給定的供給速率，反應(yīng)器 的粗細(xì)(直徑)和長(zhǎng)度確定所述停留時(shí)間。管式反應(yīng)器可包括至少一個(gè)水平部，生物材料沿水平方向在所述水平部?jī)?nèi)流動(dòng)； 和/或至少一個(gè)豎直部，生物材料沿豎直方向在所述豎直部?jī)?nèi)流動(dòng)。作為實(shí)例，整個(gè)管式反 應(yīng)器可沿水平方向延伸，或者整個(gè)管式反應(yīng)器可沿豎直方向延伸。在一個(gè)實(shí)施例中，豎直部設(shè)置在水平部的上游，而蒸汽供給區(qū)設(shè)置在豎直部的下 部。與蒸汽供給區(qū)域設(shè)置在水平部中相比，由于蒸汽相對(duì)于生物材料的浮力，將蒸汽供給 區(qū)設(shè)置在豎直部的下部中使得蒸汽和生物材料以更好的方式混合。原因在于，當(dāng)蒸汽供給 區(qū)設(shè)置在水平部中時(shí)，蒸汽和生物材料可具有分成兩層(上層包含蒸汽而下層包含生物材 料)的趨勢(shì)。在本發(fā)明的上下文中，管式反應(yīng)器的術(shù)語(yǔ)“豎直部”應(yīng)指的是反應(yīng)器具有豎直幾何 分量的任何部分。由此，豎直部將沿著與水平方向垂直的方向延伸。
在一個(gè)具體實(shí)施例中，即當(dāng)豎直部精確豎直地設(shè)置時(shí)，“豎直部”僅具有豎直幾何 分量而無(wú)任何水平幾何分量。在其他實(shí)施例中，豎直部可相對(duì)于豎直定向以0-90度的不同 角度設(shè)置。相對(duì)于豎直方向例如成30度、例如成45度、例如成60度。在本發(fā)明的上下文中，管式反應(yīng)器的術(shù)語(yǔ)“水平部”應(yīng)指的是反應(yīng)器的具有水平幾 何分量的任何部分。由此，水平部將沿著與豎直方向垂直的方向延伸。在一個(gè)具體實(shí)施例中，即當(dāng)水平部精確水平地設(shè)置時(shí)，“水平部”僅具有水平幾何 分量而無(wú)任何豎直幾何分量。在其他實(shí)施例中，水平部可相對(duì)于水平定向以0-90度的不同 角度設(shè)置。相對(duì)于水平方向例如成30度、例如成45度、例如成60度。靜態(tài)或動(dòng)態(tài)混合器可設(shè)置在蒸汽供給區(qū)的下游區(qū)域中，以提高蒸汽和生物材料的 混合。一個(gè)效果在于溫度均勻。將認(rèn)識(shí)到的是，當(dāng)蒸汽供氣區(qū)設(shè)置在水平部中時(shí)，這種靜態(tài) 或動(dòng)態(tài)混合器是極為有利的。此外，將認(rèn)識(shí)到的是，將靜態(tài)或動(dòng)態(tài)混合器設(shè)置在豎直部中， 將使蒸汽和生物材料以改良的方式進(jìn)行混合。蒸汽供給區(qū)可設(shè)置在豎直部的下半部中，例如在下三分之一中、例如在下四分之 一中、例如在下五分之一中。在一個(gè)實(shí)施例中，蒸汽供給區(qū)設(shè)置在豎直部的底部。在一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)靜態(tài)和/或動(dòng)態(tài)混合器設(shè)置在蒸汽供給區(qū)和冷卻區(qū)之間。 這種混合器可均勻分布(即基本等距離間隔開(kāi))，或者所述混合器可成組地設(shè)置。所述多 個(gè)混合器可包括兩個(gè)混合器、三個(gè)混合器、四個(gè)混合器、五個(gè)混合器、六個(gè)混合器、或十個(gè)混 合器。在一個(gè)實(shí)施例中，反應(yīng)器的管設(shè)計(jì)成使得所述管的內(nèi)容物沿著所述管的整個(gè)長(zhǎng)度被 混合。這可以通過(guò)將多個(gè)混合器設(shè)置成以小間距(例如10cm、例如20cm、例如30cm、例如 40cm、例如50cm、例如Im)間隔設(shè)置而得以實(shí)現(xiàn)。所述反應(yīng)器可適于防止冷卻水沿所述反應(yīng)器的上游方向回流。這可以通過(guò)將單向 閥設(shè)置在冷卻區(qū)的上游來(lái)實(shí)現(xiàn)。可替代地或作為補(bǔ)充的是，在反應(yīng)器的水平部中，于冷卻區(qū) 的上游可設(shè)置例如豎直壁的限制件。這種限制件可以設(shè)置在反應(yīng)器的下部?？商娲鼗蜃?為補(bǔ)充的是，反應(yīng)器可在冷卻區(qū)的上游形成豎直部。在一個(gè)實(shí)施例中，反應(yīng)器包括第一豎直部和第二豎直部，在第一豎直部和第二豎 直部之間設(shè)置有水平部，使得第一豎直部設(shè)置在水平部的上游而第二豎直部設(shè)置在水平部 的下游。在該實(shí)施例中，蒸汽供給區(qū)可設(shè)置在第一豎直部的下部，而冷卻區(qū)可裝置在第二豎 直部中(例如在第二豎直部的下部)。在可替代實(shí)施例中，另一水平部可設(shè)置在第二水平部 的下游，而冷卻區(qū)設(shè)置在該另一水平部中。在一個(gè)實(shí)施例中，管式反應(yīng)器的長(zhǎng)度處于5-50米范圍，例如處于10-40米范圍、例 如處于20-30米范圍。在一個(gè)實(shí)施例中，管式反應(yīng)器的直徑處于50-500mm范圍，例如處于 100-400mm范圍、例如處于200_300mm范圍。在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語(yǔ)“連續(xù)熱水解”應(yīng)理解為這樣的處理過(guò)程，其中在新的 未處理的生物材料被供給到所述系統(tǒng)中而同時(shí)已處理的生物材料從所述系統(tǒng)中排出時(shí)進(jìn) 行熱水解的過(guò)程中。供給到管式反應(yīng)器中的蒸汽的壓力可以在2巴以上，例如在5巴以上、例如在10 巴以上、例如在15巴以上，或者例如在20巴以上。在一個(gè)實(shí)施例中，管式反應(yīng)器設(shè)計(jì)成允許預(yù)定停留時(shí)間在5分鐘以上，例如在20 分鐘以上、例如在30分鐘以上、例如在45分鐘以上、例如在60分鐘以上、例如在90分鐘以上、例如在180分鐘以上。在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法包括步驟將化學(xué)試劑供給到所述反應(yīng)器的至少一個(gè) 化學(xué)品供給區(qū)中。在一個(gè)實(shí)施例中，化學(xué)品供給區(qū)設(shè)置在蒸汽供給區(qū)的上游。或者，化學(xué)品 供給區(qū)可設(shè)置在蒸汽供給區(qū)的下游。在又一實(shí)施例中，化學(xué)品供給區(qū)設(shè)置在冷卻區(qū)的上游 和/或化學(xué)品供給區(qū)設(shè)置在冷卻區(qū)的下游。噴射的化學(xué)品可以為可噴射的堿(例如NaOH)， 該堿可以噴射成推進(jìn)長(zhǎng)鏈有機(jī)物(例如生物料的木質(zhì)纖維成分和微生物細(xì)胞壁成分)水解 反應(yīng)?？商娲鼗蛘咦鳛檠a(bǔ)充的時(shí)，堿可以噴射成使水解在降低的溫度(例如120攝氏度) 和降低的壓力(例如7巴)下進(jìn)行。當(dāng)所述裝置用于對(duì)來(lái)自食品工業(yè)或城市活動(dòng)的脂類(lèi)廢物(例如脂肪廢物)進(jìn)行預(yù) 水解時(shí)，可添加所述堿。在另一實(shí)施例中，對(duì)于從生物材料中去除重金屬，可添加用于酸化的化學(xué)品。酸性 條件下的水解可以溶解例如工業(yè)廢水處理廠(chǎng)的生物材料中所吸附的金屬。在熱水解之后， 可從固相部分中分離出液相，以允許單獨(dú)沉淀并從液體中去除金屬，從而在PH中和之后允 許將固相運(yùn)送到厭氧消化器中。在又一實(shí)施例中，噴射的化學(xué)品為氧化劑，例如H2O2或O3或過(guò)醋酸。氧化劑可以 包括或可以不包括無(wú)機(jī)酸或用于PH調(diào)整的堿。提供氧化劑可以減少某些有機(jī)物(例如 BTEX(苯、甲苯、乙苯、二甲苯)或氯化成分(例如多氯聯(lián)苯(PCB))的毒性作用。由此，通過(guò) 依據(jù)本發(fā)明的裝置和/或方法，由于有害有機(jī)物(例如PCB)而農(nóng)耕土地不能接受的擴(kuò)散的 生物材料可被去除毒性。在一個(gè)實(shí)施例中，在冷卻區(qū)中將水供給到反應(yīng)器中，以實(shí)現(xiàn)以下至少一個(gè)方面-使得生物材料的溫度降低到100攝氏度以下的溫度；以及-獲得處理后的生物材料所需的干固物含量。在一個(gè)實(shí)施例中，將水供給到冷卻區(qū)，從而稀釋濃度，以獲得適于在隨后的在消化 器中處理的預(yù)定干固物含量。這種預(yù)定干固物含量可以是15%%以下的干固物含量，例如 在12%以下、例如在9%以下、例如在6%以下。將認(rèn)識(shí)到的是，生物材料的理想的干固物 含量取決于隨后的消化器，并且在多數(shù)實(shí)施例中的干固物含量必須選擇成避免氨中毒的風(fēng)險(xiǎn)。在一個(gè)預(yù)定實(shí)施例中，冷卻水供給到冷卻區(qū)中，以將生物材料稀釋至約9%的干固 物含量。應(yīng)注意的是，相對(duì)于在進(jìn)料區(qū)處供給到管式反應(yīng)器中的生物材料的水平/百分比 而言，在蒸汽供給區(qū)中添加蒸汽也導(dǎo)致干固物含量的水平/百分比下降。在一個(gè)實(shí)施例中，冷卻水供給到冷卻區(qū)，以使溫度降低到100攝氏度以下，例如在 80攝氏度以下、例如在60攝氏度以下、例如在50攝氏度以下、例如在40攝氏度以下。供給到冷卻區(qū)中的水可以處于1-100攝氏度范圍，例如處于10-50攝氏度范圍。供 給到所述系統(tǒng)中的水可以為自來(lái)水和/或處理過(guò)的水(例如處理過(guò)的廢水)。將認(rèn)識(shí)到的是，在多數(shù)實(shí)施例中，蒸汽供給區(qū)設(shè)置在冷卻區(qū)的上游，以在冷卻污泥 之前允許使污泥的溫度升高。在一個(gè)實(shí)施例中，反應(yīng)器包括例如彼此連續(xù)地設(shè)置的一個(gè)以上的冷卻區(qū)。作為實(shí) 例，兩個(gè)或兩個(gè)以上的冷卻區(qū)可設(shè)置在反應(yīng)器的豎直部中，例如設(shè)置在上述的第二豎直部中。另外，所述反應(yīng)器可包括例如彼此連續(xù)地設(shè)置的一個(gè)以上的蒸汽供給區(qū)。作為實(shí)例， 兩個(gè)或兩個(gè)以上的蒸汽供給區(qū)可設(shè)置在反應(yīng)器的豎直部中，例如設(shè)置在上述的第一豎直部 中。在一個(gè)實(shí)施例中，有機(jī)材料從進(jìn)料區(qū)經(jīng)由蒸汽供給區(qū)和冷卻區(qū)而連續(xù)地供給到輸 出區(qū)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述反應(yīng)器設(shè)計(jì)并控制成使得當(dāng)有機(jī)材料從蒸汽供給區(qū)供給述 冷卻區(qū)時(shí)經(jīng)過(guò)的預(yù)定時(shí)間段最小。所述預(yù)定時(shí)間可以為至少20分鐘，例如至少30分鐘、例 如至少45分鐘、例如至少60分鐘。在一個(gè)實(shí)施例中，所述預(yù)定時(shí)間可以處于20-120分鐘 范圍，例如處于30-60分鐘范圍。所述系統(tǒng)可包括控制器，控制器用于控制進(jìn)料速度、供給到系統(tǒng)中的蒸汽的溫度 和壓力、供給到系統(tǒng)中來(lái)冷卻生物材料的冷卻水的溫度和壓力中的一個(gè)或一個(gè)以上。在一個(gè)具體實(shí)施例中，噴射出的蒸汽的量針對(duì)為廢物材料/污泥的入流來(lái)調(diào)整， 以獲得所需溫度。如前所述，本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)，其中可將具有大的干固物含量的生物材料供 給到所述系統(tǒng)中，例如有機(jī)材料提供了 1-50%的干固物含量，例如在供給到進(jìn)料區(qū)中的污 泥中的10-40%的干固物含量。在另一實(shí)施例中，生物材料限定了污泥的至少20%，例如至 少25%、例如至少30%、例如至少35%、例如至少40%。將認(rèn)識(shí)到的是，在噴射蒸汽的情況下，生物干固物含量的百分比稍稍降低。在一個(gè)具體實(shí)施例中，隨著在管式反應(yīng)器中的處理，具有約9%的干固物含量的液 態(tài)污泥可進(jìn)入到消化器中。一旦位于消化器中，污泥可具有至少一周的停留時(shí)間，例如至少 兩周、例如至少四周。在一個(gè)實(shí)施例中，用于保持管式反應(yīng)器內(nèi)壓力的設(shè)置在管式反應(yīng)器的出口的區(qū) 域中。所述用于保持壓力的裝置適于允許在保持所需壓力的同時(shí)將生物材料經(jīng)由出口從 管式反應(yīng)器中排出。換言之，在不使壓力降落到管式反應(yīng)器中進(jìn)行處理所需的最小壓力 以下的情況下，所述用于保持壓力的裝置適于將生物材料經(jīng)由出口從管式反應(yīng)器中排出。 所述用于保持壓力的裝置可以采取壓力閥的形式，例如包括除非壓力處于預(yù)定水平之上 否則將閥關(guān)閉的彈簧偏壓部件。在替代實(shí)施例中，所述用于保持壓力的裝置采用螺桿泵 (progressing cavity pump)形式，螺桿泵設(shè)置成旋轉(zhuǎn)，以在保持所需最小壓力的同時(shí)將生 物材料從管式反應(yīng)器中移出。在本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明涉及一種對(duì)含有機(jī)材料的污泥進(jìn)行連續(xù)水解的裝 置，所述裝置包括管式反應(yīng)器，所述管式反應(yīng)器帶有_用于將污泥供給到所述反應(yīng)器的進(jìn)料區(qū)中的入口 ；-用于將蒸汽供給到所述反應(yīng)器的蒸汽供給區(qū)中的入口；-用于將冷卻水供給到所述反應(yīng)器的冷卻區(qū)中的入口；以及-允許處理過(guò)的污泥從所述反應(yīng)器中排出的出口。依據(jù)所述第二個(gè)方面的本發(fā)明可包括依據(jù)所述第一方面的本發(fā)明的特征和/或 部件的任意組合。作為實(shí)例，所述裝置可包括所述控制單元，控制單元適于控制蒸汽供給到蒸汽供 給區(qū)中，以升高壓力，并且在所述管式反應(yīng)器中的生物材料不沸騰的情況下允許溫度在100攝氏度以上。作為另一實(shí)例，所述反應(yīng)器可包括如在本發(fā)明第一方面所述的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)混合 器。作為又一實(shí)例，所述反應(yīng)器可包括如所述第一方面所述的水平部和/或豎直部?？商娲鼗蛘咦鳛檠a(bǔ)充的是，所述控制單元適于控制冷卻水供給到冷卻區(qū)中，以 使溫度降低到100攝氏度以下的值。在一個(gè)實(shí)施例中，所述反應(yīng)器包括用于將化學(xué)試劑供給到所述反應(yīng)器的化學(xué)品供 給區(qū)中的入口。在一個(gè)實(shí)施例中，所述反應(yīng)器適于防止冷卻水沿所述反應(yīng)器的上游方向回流。來(lái)自第一方面的且也適用于本發(fā)明第二方面的上述實(shí)例僅為例子，且第一方面的 任何特征和/或部件均適用于第二方面。在第三方面，本發(fā)明涉及一種分別依據(jù)第一方面和第二方面的所述方法和/或裝 置的使用，其用于制備用于制造生物制品(例如生物燃料、生物化學(xué)品或生物聚合物)的生 物材料。當(dāng)制造這些制品時(shí)，原生物料可能難于轉(zhuǎn)換成有價(jià)值的制品，且由此通常在這種 制品制造中的第一步可為原生物料熱水解。這種使用原生物材料的熱水解成分的使用使得 它們更能順從于化學(xué)和/或生物轉(zhuǎn)變成最終生物制品。該水解處理在在100-200攝氏度范圍的溫度下和/或1-12巴壓力和/或預(yù)定時(shí) 間內(nèi)(例如0-5小時(shí))進(jìn)行。此外，所述處理可帶有或不帶有增加水性化學(xué)品處理，且具有 先前提及的生物材料的固體濃度。在第四方面，本發(fā)明涉及分別依據(jù)第一方面和第二方面的方法和/或裝置的使 用，其用于對(duì)生物材料進(jìn)行巴式滅菌(pasterization)。在一個(gè)實(shí)施例中，巴式滅菌處理包括步驟將生物材料加熱到預(yù)定溫度(例如70 攝氏度以上的溫度)。此外，所述巴式滅菌處理可包括步驟保持所述溫度預(yù)定時(shí)間段(例 如一個(gè)小時(shí))。


現(xiàn)在將參照附圖進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，在附圖中圖1公開(kāi)了依據(jù)本發(fā)明的連續(xù)熱水解用系統(tǒng)的實(shí)施例；圖2公開(kāi)了依據(jù)本發(fā)明的管式反應(yīng)器；以及圖3公開(kāi)了依據(jù)發(fā)明的管式反應(yīng)器的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式圖1公開(kāi)了用于處理生物材料的污泥處理系統(tǒng)100。污泥處理系統(tǒng)100包括貯存 器102，貯存器102適于盛裝生物材料且與生物材料供給系統(tǒng)102流體地連接。生物材料的 溫度可以處于0-100攝氏度的范圍。生物材料可以具有占生物材料至少20%的干固物含 量。污泥處理系統(tǒng)100還包括管式反應(yīng)器106和消化器108。貯存器102經(jīng)由管式反應(yīng)器 106和冷卻器110 (冷卻器110是可選的且對(duì)于所述系統(tǒng)的功能而言不是必需的)流體地連 接至消化器108。管式反應(yīng)器106包括污泥入口 112，污泥可通過(guò)污泥入口 112供給到管 式反應(yīng)器106中；以及污泥出口 114，在預(yù)定處理時(shí)間段(例如5分鐘至5小時(shí)、例如30分鐘、例如60分鐘、例如2小時(shí)、例如3小時(shí)、例如4小時(shí))之后，污泥通過(guò)污泥出口 114從管 式反應(yīng)器106中排出。在一個(gè)實(shí)施例中，管式反應(yīng)器的長(zhǎng)度為5-50米，例如為10米、例如為20米、例如 為30米、例如為40米。在一個(gè)實(shí)施例中，管式反應(yīng)器的直徑處于50-500mm的范圍，例如為 100mm、例如為200mm、例如為300mm、例如為400mm。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，管式反應(yīng)器 的直徑為1米，例如為2米、例如為3米、例如為4米、例如為5米。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例 中，管式反應(yīng)器的長(zhǎng)度為100米，例如為200米、例如為300米、例如為400米、例如為500 米。在使用過(guò)程時(shí)，盛裝在貯存器102中的污泥通過(guò)送料器116而供給到管式反應(yīng)器 106中，該送料器116用于將污泥經(jīng)由污泥入口 112供給到管式反應(yīng)器106中。送料器116可適于將污泥強(qiáng)制性地送入到管式反應(yīng)器106中，從而增加了管式反 應(yīng)器106內(nèi)的壓力。將認(rèn)識(shí)到的是，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的壓力增加時(shí)，在不引起污泥沸騰的情況 下，管式反應(yīng)器106內(nèi)的污泥的溫度可升高至100攝氏度以上的溫度。污泥處理系統(tǒng)100包括蒸汽供給入口 118，蒸汽通過(guò)蒸汽供給入口 118供給到管式 反應(yīng)器106中，從而使得溫度增加到100攝氏度以上的溫度。當(dāng)管式反應(yīng)器106中的壓力 通過(guò)送料器116已經(jīng)增加時(shí)，在不引起管式反應(yīng)器106中的內(nèi)容物沸騰的情況下，溫度可以 升至100攝氏度以上的點(diǎn)。在一些實(shí)施例中，將供給到管式反應(yīng)器106中的蒸汽在至少15 巴的壓力下供給到管式反應(yīng)器106中。在一個(gè)實(shí)施例中，消化器108中產(chǎn)生的氣體的至少一部分被用于加熱水，以產(chǎn)生 蒸汽。因此，氣體的至少一部分經(jīng)由氣體供給系統(tǒng)111供給到蒸汽發(fā)生器109中。在將污泥從污泥入口 112朝污泥出口 114供給的同時(shí)，由于出口壓力閥120的原 因，可使管式反應(yīng)器內(nèi)保持預(yù)定壓力。所述預(yù)定壓力必須高得足以避免沸騰，因?yàn)楣苁椒磻?yīng) 器106中的內(nèi)容物的沸騰將破壞反應(yīng)器。此外，管式反應(yīng)器106包括相對(duì)于環(huán)境溫度對(duì)管式反應(yīng)器106進(jìn)行絕熱的構(gòu)件。因 此，在污泥從污泥入口 112朝污泥出口 114的行進(jìn)過(guò)程中，污泥可保持基本相同的溫度，而 無(wú)需進(jìn)一步對(duì)所述過(guò)程進(jìn)行加熱。在多數(shù)實(shí)施例中，出口壓力閥120下游的壓力等于或基本等于大氣壓力。因此，將 認(rèn)識(shí)到的是，污泥的溫度必須在通過(guò)出口壓力閥120之前下降，以防止污泥沸騰。將認(rèn)識(shí)到 的是，溫度應(yīng)降到比所述系統(tǒng)的場(chǎng)所處于大氣壓力下的沸點(diǎn)(即在海平面處100攝氏度) 低的點(diǎn)。為了降低污泥的溫度，污泥處理系統(tǒng)100包括一個(gè)或一個(gè)以上的用于將冷卻水加 入到污泥中的冷卻水入口 122。如前所述，加入冷卻水的一個(gè)好處在于能降低溫度。另一好 處在于，與不添加水且專(zhuān)門(mén)通過(guò)熱交換器來(lái)冷卻污泥的常規(guī)系統(tǒng)相比，進(jìn)入到管式反應(yīng)器 106的污泥的干固物含量可以更高。通過(guò)添加冷卻水，經(jīng)過(guò)依據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)供給的污泥被冷卻，這使得污泥變稀。因 此，將認(rèn)識(shí)到的是，在依據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中，冷卻水入口 122上游的干固物含量必要地必須 更高。由此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易領(lǐng)悟到，對(duì)于從相應(yīng)系統(tǒng)中排出的污泥中的相同濃度的 干固物含量而言，供給到本發(fā)明的系統(tǒng)中的污泥的濃度將比常規(guī)系統(tǒng)高。將認(rèn)識(shí)到的是，供給到冷卻水入口 122中的冷卻水可以為自來(lái)水、處理過(guò)的水或者將對(duì)消化器108中正常進(jìn)行的處理不造成干擾或阻止的任何其他類(lèi)型的水。在一個(gè)實(shí)施例中，供給到管式反應(yīng)器106中的污泥的干固物含量約為19%，且溫 度升至至少150攝氏度。在后面的實(shí)施例中，停留時(shí)間(即污泥保持在管式反應(yīng)器106中 的時(shí)間段)處于半小時(shí)或一小時(shí)的范圍內(nèi)。在后面的實(shí)施例中，處于冷卻水入口 122下游 的污泥的干固物含量約為9%，且溫度約為80攝氏度。在一些實(shí)施例中，系統(tǒng)包括冷卻器110，冷卻器110用于使處理過(guò)的污泥的溫度更 進(jìn)一步降低。冷卻器110可采用熱交換器的形式，熱交換器用于回收來(lái)自污泥的熱能，使得 所述熱能可用于加熱污泥，例如在將污泥供給到污泥入口 112之前。在所述系統(tǒng)中，最后的處理步驟是，將污泥供給到消化器108中，在消化器108中 開(kāi)始細(xì)菌學(xué)處理，以便生物降解污泥。為了將處理過(guò)的污泥與已盛裝在消化器108中的污泥混合，污泥處理系統(tǒng)100可 包括攪拌器124。可替代地或者作為補(bǔ)充的是，污泥處理系統(tǒng)100可包括再循環(huán)系統(tǒng)126， 再循環(huán)系統(tǒng)126適于將已存在于消化器108中的污泥與從管式反應(yīng)器106中排出的污泥混
I=I O因?yàn)橐汛嬖谟谙?08中的污泥的溫度通常將低于從管式反應(yīng)器106中排出 的污泥的溫度，所以所述再循環(huán)系統(tǒng)還將有助于進(jìn)一步冷卻從管式反應(yīng)器106中排出的污 泥。作為實(shí)例，從管式反應(yīng)器106中排出的污泥和已存在于消化器108中的污泥可以 以1 19的關(guān)系混合(即從管式反應(yīng)器106中排出的污泥中的每一份與已存在于消化器 中的污泥中的19份混合)。如果從管式反應(yīng)器106中排出的污泥的溫度為80攝氏度，而從 消化器108中再循環(huán)的污泥的溫度為55攝氏度，則從再循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入到消化器中的污泥的 溫度約為56攝氏度，S卩比已存在于消化器108中的污泥的溫度高了一度。將認(rèn)識(shí)到的是，為了防止由于進(jìn)入消化器108中的污泥的溫度較高而導(dǎo)致消化器 108中的污泥的溫度逐漸增加，消化器108必須相應(yīng)地絕熱，或者必須相應(yīng)地調(diào)整從管式反 應(yīng)器106中排出的污泥的溫度。此外，所述系統(tǒng)可包括防止沉淀物(鳥(niǎo)糞石、或藍(lán)鐵礦、或鈣)沉淀在與管式反應(yīng) 器106流體地連接的供給管路中(即在蒸汽供給入口 118和/或冷卻水入口 122和/或污 泥入口 112中)的構(gòu)件128。這種沉淀可在所述系統(tǒng)關(guān)閉的過(guò)程中發(fā)生。構(gòu)件128可適于 將油(例如植物油)泵送到所述入口中，從而當(dāng)一個(gè)或一個(gè)以上的所述供給入口減壓時(shí)，污 泥將不回退到所述入口中，且由此當(dāng)污泥被冷卻時(shí)不可能在所述入口導(dǎo)致沉淀。構(gòu)件128 可以是可自動(dòng)控制的和/或可人工控制的。將認(rèn)識(shí)到的是，由于礦物油的低價(jià)格，構(gòu)件128 提供了保持最昂貴的入口的簡(jiǎn)單便宜方式。圖3公開(kāi)了管式反應(yīng)器106的實(shí)施例，其中，反應(yīng)器106包括豎直部130和水平部 132。在圖3的實(shí)施例中，豎直部130設(shè)置在水平部132的上游。此外，在圖3的實(shí)施例中， 這兩個(gè)部130、132相對(duì)彼此成直角設(shè)置，從而豎直部不具有任何水平幾何分量134，而水平 部不具有任何豎直幾何分量136。管式反應(yīng)器包括污泥入口 112和兩個(gè)蒸汽供給入口 118，生物材料通過(guò)污泥入口 112進(jìn)行供給，兩個(gè)蒸汽供給入口 118的下面一個(gè)設(shè)置在豎直部130的下三分之一中、而上 面的一個(gè)設(shè)置在豎直部130的下二分之一中。
此外，管式反應(yīng)器106包括設(shè)置在冷卻水入口 122下游的出口壓力閥120。為了防 止冷卻水的回流，防回流構(gòu)件138設(shè)置在冷卻水入口 122的上游。在圖3的實(shí)施例中，防回 流構(gòu)件138以障礙物形式設(shè)置在管式反應(yīng)器106的下部。然而，如前所述，構(gòu)件138可設(shè)置 成單向閥。
權(quán)利要求
一種對(duì)管式反應(yīng)器中的包含有機(jī)材料的污泥進(jìn)行連續(xù)熱水解的方法，通過(guò)以下步驟連續(xù)地進(jìn)行 將所述有機(jī)材料供給到所述反應(yīng)器的進(jìn)料區(qū)中，以便增加壓力并且在不使所述有機(jī)材料沸騰的情況下允許溫度在100攝氏度以上； 在蒸汽供給區(qū)中將蒸汽供給到所述反應(yīng)器中，以便使溫度升高到100度以上的溫度； 保持所述反應(yīng)器中的壓力一段預(yù)定時(shí)間； 在冷卻區(qū)中將水供給到所述反應(yīng)器中，以便使所述溫度降低到100度以下，以及； 在輸出區(qū)中將所述有機(jī)材料輸出。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括步驟將化學(xué)試劑供給到所述反應(yīng)器的化學(xué)品供 給區(qū)中。
3.依據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，供給到所述冷卻區(qū)中的水的溫度處于1到 100度之間。
4.依據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述管式反應(yīng)器包括至少一個(gè)水 平部，生物材料在所述水平部?jī)?nèi)沿水平方向流動(dòng)；和/或至少一個(gè)豎直部，生物材料在所述 豎直部?jī)?nèi)沿豎直方向流動(dòng)。
5.依據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述蒸汽供給區(qū)設(shè)置在所述冷卻區(qū) 的上游。
6.依據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述有機(jī)材料從所述進(jìn)料區(qū)經(jīng)由所 述蒸汽供給區(qū)和所述冷卻區(qū)連續(xù)地供給至所述輸出區(qū)。
7.依據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述反應(yīng)器設(shè)計(jì)并控制成使得，當(dāng)所 述有機(jī)材料從所述蒸汽供給區(qū)供給到所述冷卻區(qū)時(shí)所經(jīng)過(guò)的預(yù)定時(shí)間段最小。
8.依據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，還包括步驟估計(jì)供給到所述管式反應(yīng)器中的生物材料中的干固物含量；以及 _將水供給到所述冷卻區(qū)中，以便確保從所述管式反應(yīng)器中排出的處理過(guò)的生物材料 的干固物含量處于預(yù)定水平。
9.依據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述有機(jī)材料限定了供給到所述進(jìn) 料區(qū)中的污泥中1-50%的干固物含量。
10.依據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述有機(jī)材料限定了供給到所述進(jìn) 料區(qū)中的污泥中至少20%的干固物含量。
11.一種對(duì)包括有機(jī)材料的污泥進(jìn)行連續(xù)水解的裝置，所述裝置包括管式反應(yīng)器，所述 管式反應(yīng)器帶有_用于將污泥供給到所述反應(yīng)器的進(jìn)料區(qū)中的入口； -用于將蒸汽供給到所述反應(yīng)器的蒸汽供給區(qū)中的入口； -用于將冷卻水供給到所述反應(yīng)器的冷卻區(qū)中的入口 ；以及 -允許處理過(guò)的污泥從所述反應(yīng)器中排出的出口。
12.依據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述反應(yīng)器包括用于在所述反應(yīng)器的化學(xué)品 供給區(qū)將化學(xué)試劑供給到所述反應(yīng)器中的入口。
13.依據(jù)權(quán)利要求11或12所述的裝置，其中，所述裝置包括控制單元，所述控制單元用 于控制“將污泥供給到所述污泥進(jìn)料區(qū)，以便升高壓力并且在所述管式反應(yīng)器中的生物材料 不沸騰的情況下允許溫度在100攝氏度以上；以及-將蒸汽供給到蒸汽供給區(qū)，以便使溫度升高。
14.依據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述反應(yīng)器用于防止所述冷卻水沿所述反應(yīng) 器的上游方向回流。
15.依據(jù)權(quán)利要求13或14所述的裝置，其中，所述控制單元用于控制冷卻水供給到所 述冷卻區(qū)中，以便使溫度降低到100攝氏度以下的點(diǎn)。
16.依據(jù)權(quán)利要求11-15中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，用于蒸汽的入口設(shè)置在用于冷卻 水的入口的上游。
17.依據(jù)權(quán)利要求13-16中任一項(xiàng)所述的裝置，還包括用于確定進(jìn)入到所述管式反應(yīng) 器中的生物材料的干固物含量的構(gòu)件；其中，所述控制裝置用于將冷卻水供給到所述冷卻 區(qū)中，以便確保從所述管式反應(yīng)器中排出的生物材料具有預(yù)定的干固物含量。
18.依據(jù)權(quán)利要求11-17中任一項(xiàng)所述的裝置，還包括防止在所述裝置的一個(gè)或一個(gè) 以上的所述入口中沉淀的構(gòu)件，所述構(gòu)件用于當(dāng)所述反應(yīng)器關(guān)閉時(shí)將油供給到入口中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對(duì)污泥進(jìn)行連續(xù)熱水解的方法，其是通過(guò)將污泥供給到管式反應(yīng)器中，接著使所述反應(yīng)器中的溫度和壓力升高。不利用熱交換器或類(lèi)似單元來(lái)冷卻污泥，而是通過(guò)將水引入到污泥中來(lái)冷卻污泥。
文檔編號(hào)C02F1/02GK101981175SQ200980111189
公開(kāi)日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者S·J·霍伊斯高 申請(qǐng)人:威立雅水務(wù)解決方案與技術(shù)支持公司