本發(fā)明屬于污泥水熱處理及其廢液處理領(lǐng)域，具體涉及一種污泥水熱處理及其廢液催化氣化同步反應(yīng)裝置。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的逐漸加快，我國面臨著日益突出的污水污泥處置壓力，使得經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展受到更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。具有關(guān)資料統(tǒng)計，我國城鎮(zhèn)截至2014年12月共建成污水處理廠3717座，污水的每日總處理能力達(dá)到1.57×108m3。

污泥作為污水處理過程中的副產(chǎn)品，其特性為高水分、高灰分、高揮發(fā)分、低固定碳含量與低熱值，另外污泥中含有大量的潛在有毒有害成分如病原菌、重金屬、致病微生物等以及有害有機(jī)物質(zhì)，若不經(jīng)過無害化處理，將會對生態(tài)環(huán)境以及人類與動物的健康造成嚴(yán)重的潛在威脅。污泥依據(jù)其來源可分為工業(yè)污水污泥和生活廢水污泥，前者中一般有毒有害重金屬含量較高，有害有機(jī)物含量相對較低；后者一般重金屬含量相對較少，氮、磷等元素和有機(jī)物含量較高。

污泥的能源可利用性相比于煤炭資源很低，但是污泥總量巨大，能量的回收利用值得關(guān)注。但是污泥即使通過機(jī)械脫水處理，含水量依舊高達(dá)80％，這一點(diǎn)也大大限制了污泥的直接利用。目前國內(nèi)外污泥的主要處理方式為衛(wèi)生填埋、海洋傾倒、堆肥農(nóng)用、建材利用和焚燒等，但是這些方法優(yōu)缺點(diǎn)很明顯，應(yīng)用上都存在著較大的限制。

在污泥的產(chǎn)生量與日俱增的同時，我國污泥的處置技術(shù)和關(guān)鍵裝備卻相對落后，因此，對污泥采取更加經(jīng)濟(jì)高效的無害化、穩(wěn)定化、減量化以及資源化的處理顯得尤為重要，也是目前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的迫切技術(shù)需求，本發(fā)明提出一種用于污泥水熱處理及其廢液催化氣化同步反應(yīng)裝置及方法，其目的在于：(i)污泥的高溫水熱處理可以降低其中有毒有害物質(zhì)的含量，同時將污泥中的有機(jī)碳溶解于水中；(ii)通過催化氣化反應(yīng)，將液體中有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為氣體的方式轉(zhuǎn)移至氣體中，實現(xiàn)了能量的回收和利用；(iii)將水熱反應(yīng)和催化氣化置于同一個反應(yīng)室中，簡化了污泥處理和能量回收利用的流程，同時也減少了污泥處理過程中能量的消耗。

為了實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種污泥水熱處理及其廢液催化氣化同步反應(yīng)裝置，包括水熱和催化氣化同步反應(yīng)室、催化劑固定器、電機(jī)攪拌器、供氣機(jī)構(gòu)、加熱絲；

水熱和催化氣化同步反應(yīng)室作為反應(yīng)室，用于容放反應(yīng)物即污泥和去離子水；催化劑固定器放置于反應(yīng)室內(nèi)部，用于將催化劑固定于內(nèi)部空腔，同時提供通道使得去離之水自由出入空腔與催化劑接觸；催化劑固定器的端部設(shè)有軸桿，電機(jī)攪拌器的輸出端連接軸桿，電機(jī)攪拌器用于帶動催化劑固定器旋轉(zhuǎn)；供氣機(jī)構(gòu)的輸出管道插入水熱和催化氣化同步反應(yīng)室；加熱絲內(nèi)置于水熱和催化氣化同步反應(yīng)室的腔壁內(nèi)。

進(jìn)一步地，所述催化劑固定器包括多個箱體結(jié)構(gòu)，各箱體結(jié)構(gòu)的一側(cè)臂相接或共用，相接或共用的側(cè)臂作為箱體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的中心軸，中心軸的上端通過軸桿連接電機(jī)攪拌器的輸出軸；各箱體結(jié)構(gòu)另外相對的兩側(cè)壁表面開有用作為去離子水出入通道的孔陣列，孔陣列的開孔尺寸小于催化劑顆粒大小。

進(jìn)一步地，所述孔陣列的開孔采用圓形或多邊形。

進(jìn)一步地，所述水熱和催化氣化同步反應(yīng)室為圓柱形，催化劑固定器與中心軸相對的另一側(cè)臂為相匹配的圓弧形。

進(jìn)一步地，還包括設(shè)溫度壓力傳感器和溫度壓力控制器，溫度壓力傳感器用于實時采集反應(yīng)溫度和壓力，溫度壓力控制器用于依據(jù)采集的壓力控制供氣機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣出氣閥門開和閉從而調(diào)節(jié)反應(yīng)室內(nèi)的壓力，依據(jù)采集的溫度控制加熱絲的工作狀態(tài)從而調(diào)節(jié)反應(yīng)室內(nèi)的溫度。

進(jìn)一步地，還包括通過管道與水熱和催化氣化同步反應(yīng)室連通的收集氣袋，用于收集反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)氣；以及設(shè)置于水熱和催化氣化同步反應(yīng)室底部的濾網(wǎng)、廢液通過閥門和收集容器，廢液通過閥門收集于容器中，污泥收集于濾網(wǎng)上部。

綜上所述，本發(fā)明有益技術(shù)效果體現(xiàn)在：

1)水熱和催化氣化同步反應(yīng)室是在同一個封閉的空間中，反應(yīng)中溶液和催化裝置各自占據(jù)一定的空間，升溫時，兩種反應(yīng)可以同時發(fā)生。

2)催化劑固定裝置外孔徑可以實現(xiàn)液體的自由出入，而污泥卻無法進(jìn)入，同時催化劑被固定于固定裝置中，使用中不會減量，可以重復(fù)回收使用。

3)催化劑固定器與外部的電機(jī)攪拌器通過軸桿連接，反應(yīng)中催化劑固定器不斷轉(zhuǎn)動實現(xiàn)液體與催化劑的充分接觸，提高有機(jī)碳的溶解效率和催化氣化效率。

總的來說，本發(fā)明可以一定程度上對污泥進(jìn)行無害化處理，減少污泥對環(huán)境的污染和破壞。污泥中的有機(jī)碳實現(xiàn)了向氣體中的轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)了污泥中的能量得到了回收利用。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，將污泥的水熱過程和催化氣化過程合二為一，簡化了污泥處理過程中的步驟，降低了污泥處理過程中的能耗。

附圖說明

圖1為本發(fā)明污泥的水熱處理及其廢液的催化氣化同步反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明催化劑固定器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為反應(yīng)前后樣品的重量以及C的遷移變化隨著水熱溫度的變化情況圖。

圖中，1-收集氣袋 2-溫度壓力控制器 3-電機(jī)攪拌器 4-供氣機(jī)構(gòu) 5-水熱和催化氣化反應(yīng)室 6-支架 7-加熱絲 8-閥門 9-收集容器 10-催化劑固定器 11-污泥和去離子水 12-軸桿 13-溫度壓力傳感器 14-濾網(wǎng)

具體實施方式

為了使本發(fā)明專利的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明專利進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明專利，并不用于限定本發(fā)明專利。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1是本發(fā)明同步反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。污泥水熱處理及其廢液催化氣化同步反應(yīng)裝置，包括水熱和催化氣化同步反應(yīng)室5、催化劑固定器10、電機(jī)攪拌器3、供氣機(jī)構(gòu)4、加熱絲7。水熱和催化氣化同步反應(yīng)室5作為反應(yīng)室，用于容放反應(yīng)物即污泥和去離子水11；催化劑固定器10放置于反應(yīng)室內(nèi)部，催化劑固定器10內(nèi)填充有催化劑，污泥的有機(jī)碳溶解于去離子水中，去離子水流過催化劑固定器10，與催化劑接觸反應(yīng)。催化劑固定器10的端部設(shè)有軸桿，電機(jī)攪拌器3的輸出端連接軸桿，電機(jī)攪拌器3帶動催化劑固定器10旋轉(zhuǎn)，驅(qū)使去離子水流動與催化劑接觸更充分，提高有機(jī)碳的溶解效率和催化氣化效率。供氣機(jī)構(gòu)4的輸出管道插入水熱和催化氣化同步反應(yīng)室5，通過氣體輸入調(diào)節(jié)反應(yīng)室內(nèi)氣壓，起到控制反應(yīng)所需壓力的作用。加熱絲7內(nèi)置于水熱和催化氣化同步反應(yīng)室5的腔壁內(nèi)，用于對污泥和去離子水升溫，起到程序升溫的作用。

催化劑固定器10主要起到放置催化劑且固定催化劑的作用。按照一種較佳實施方式，催化劑固定器10包括多個箱體結(jié)構(gòu)，各箱體結(jié)構(gòu)的一側(cè)臂相接或共用，相接或共用的側(cè)臂作為箱體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的中心軸，中心軸的上端通過軸桿連接電機(jī)攪拌器3的輸出軸。各箱體結(jié)構(gòu)另外相對的兩側(cè)壁表面開有孔陣列，孔陣列的開孔尺寸小于催化劑顆粒大小，一方面作為去離子水的通道，另一方面防止催化劑流出。孔陣列的開孔可采用圓形或多邊形，優(yōu)選多邊形。圖2給出了催化劑固定器的一個具體實施例，包括四個箱體結(jié)構(gòu)，側(cè)臂開孔為六邊形。

按照本發(fā)明的一種較佳實施方式，水熱和催化氣化同步反應(yīng)室5為圓柱形，催化劑固定器10與中心軸相對的另一側(cè)臂為相匹配的圓弧形，這樣，催化劑固定器10在旋轉(zhuǎn)的過程中，既可以實現(xiàn)對反應(yīng)室內(nèi)部空間的充分利用，又可以避免催化劑固定器與避免的刮擦造成儀器的損壞。

按照本發(fā)明的一種較佳實施方式，還可增設(shè)溫度壓力傳感器13和溫度壓力控制器2，溫度壓力傳感器13實時采集反應(yīng)溫度和壓力，溫度壓力控制器2用于依據(jù)采集的壓力控制供氣機(jī)構(gòu)4的進(jìn)氣出氣閥門開和閉從而調(diào)節(jié)反應(yīng)室內(nèi)的壓力，依據(jù)采集的溫度控制加熱絲7的工作狀態(tài)從而調(diào)節(jié)反應(yīng)室內(nèi)的溫度。。

按照本發(fā)明的一種較佳實施方式，還設(shè)有通過管道與水熱和催化氣化同步反應(yīng)室5連通的收集氣袋1，用于收集反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)氣；以及設(shè)置于水熱和催化氣化同步反應(yīng)室5底部的濾網(wǎng)、廢液通過閥門8和收集容器9，廢液通過閥門8收集于容器9中，污泥收集于濾網(wǎng)14上部以便重復(fù)利用。

按照本發(fā)明的一種較佳實施方式，整個裝置可通過支架6支撐。

本發(fā)明裝置的工作過程具體為：同步反應(yīng)過程需首先在催化劑固定器10中加入催化劑，然后將污泥和去離子水11加入水熱反應(yīng)和催化氣化反應(yīng)室5中，通過供氣裝置4經(jīng)由進(jìn)氣管道洗凈反應(yīng)室中的空氣并觀察溫度壓力控制器2調(diào)節(jié)反應(yīng)初壓。升溫過程中，溫度壓力控制器2通過控制加熱絲7和傳感器13來控制升溫程序，污泥中的有機(jī)碳溶入水中。電機(jī)攪拌器3通過軸桿12帶動催化劑固定器10旋轉(zhuǎn)，污泥中的有機(jī)碳隨著溫度的升高會通過水熱反應(yīng)溶解于去離子水中，接著含有有機(jī)碳的溶液會進(jìn)入催化劑固定器10發(fā)生催化反應(yīng)生成CH₄、CO和H₂等氣體。反應(yīng)結(jié)束后，產(chǎn)氣通過氣袋1收集，廢液通過閥門8收集于容器9中，污泥收集于濾網(wǎng)14上部。

本發(fā)明水熱反應(yīng)和廢液催化氣化同時在一個反應(yīng)室中進(jìn)行，簡化實驗流程，提高了污泥的處理效率。

試驗證明，350℃同步反應(yīng)后，有機(jī)碳約80％轉(zhuǎn)移至氣體和液體中，并且大部分能量轉(zhuǎn)移以CH₄、CO和H₂等形式轉(zhuǎn)移至氣體中。

下面以湯遜湖生活污泥為例，利用該水熱提質(zhì)及催化氣化同步反應(yīng)裝置開展試驗，具體為：

(1)實例選用已過24目篩的湯遜湖生活污泥各20g，加入80g的去離子水配成含水率為80％的污泥溶液；

(2)氣化反應(yīng)室中的催化劑固定裝置每次實驗前需要在葉片中加入20g Ni/C催化劑，4個扇葉共計加入80g催化劑；

(3)將配好的污泥溶液加于水熱和催化反應(yīng)室中，加入200g去離子水，通入N₂洗凈里面的空氣，設(shè)置初壓為4MPa,調(diào)節(jié)催化劑固定裝置轉(zhuǎn)速為250r/min，以5K/min的升溫速率升溫至250℃，維持250℃反應(yīng)30min。反應(yīng)結(jié)束后待設(shè)備空冷至室溫后將反應(yīng)過程中生成的氣體用氣包收集，反應(yīng)后的廢液從裝置下方的濾網(wǎng)過濾收集，水熱處理后的污泥從在濾網(wǎng)上進(jìn)行收集，催化劑回收沖洗后重新使用。

(4)分別調(diào)整終溫溫度為300℃和350℃，重復(fù)上述(1)(2)(3)步驟兩次。

(5)氣袋收集的氣體采用采用氣相色譜儀(GC)分析測量各氣體成分，水熱處理過后的液體通過總有機(jī)碳(TOC)檢測儀檢測有機(jī)碳的含量，收集的反應(yīng)后的污泥干燥以后進(jìn)行工業(yè)分析和元素分析。

實例結(jié)果如下：

(1)水熱反應(yīng)和催化氣化后的污泥

表1是水熱處理和催化氣化前后污泥的工業(yè)分析和元素分析，分析數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)污泥的灰分含量高達(dá)一半以上，固定碳的含量不足7％，在水熱處理過后，反應(yīng)后的污泥中揮發(fā)分和固定碳的含量都隨著水熱處理溫度的提高而降低，灰分的含量隨著水熱處理溫度的升高而不斷增大，在350℃接近90％。在元素分析中，隨著實驗溫度的提高，C、H、O、N在固體產(chǎn)物中的含量都不斷的降低。圖3為反應(yīng)前后樣品的重量以及C的遷移率變化隨著溫度的變化情況，從圖中可以看出，在水熱反應(yīng)后，污泥中的C大部分已經(jīng)轉(zhuǎn)移到反應(yīng)后的氣體或者固體中。

表1水熱催化氣化反應(yīng)前后污泥的工業(yè)分析及元素分析

(2)水熱反應(yīng)和催化氣化后的液體

表2水熱及催化氣化反應(yīng)后溶液中的C的含量及相關(guān)比例

注：比例P1代表反應(yīng)后溶液中的C占反應(yīng)前污泥中C的比例，P2代表反應(yīng)后溶液中C占遷移向液體和氣體中C的百分比。

從表2可以，水熱反應(yīng)和催化氣化后溶液中雖然會有部分的有機(jī)碳存在于溶液中，但是這一部分C含量占總碳和遷移碳的含量較低，在反應(yīng)溫度高于300℃時，C含量占總碳和遷移碳的比例均低于3.5％。這是因為在反應(yīng)中，C首先通過水熱反應(yīng)從污泥中溶解于液體中，隨液體進(jìn)入催化劑中進(jìn)行氣化反應(yīng)生成CO₂、CH₄等氣體，從而實現(xiàn)能量從固體向氣體的轉(zhuǎn)移。

(3)水熱反應(yīng)和催化氣化后的液體

表3水熱及催化氣化反應(yīng)后生成的各氣體及所占比例

水熱及催化計劃反應(yīng)后，產(chǎn)氣中CH₄的含量最高，占總量的一半以上，當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到350℃，生成的其中H₂、CH₄和CO的含量接近80％。綜合(1)(2)(3)可知，水熱反應(yīng)和催化氣化一體化裝置可以使污泥中的大部分能量轉(zhuǎn)移至氣體中，即一定程度可以實現(xiàn)污泥的無害化處理，同時也實現(xiàn)了污泥的回收利用。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明專利的實施例而已，并不用以限制本發(fā)明專利，凡在本發(fā)明專利的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。