清華大學王偉水熱干化技術(shù)

1、城市污泥處理處置的關(guān)鍵問題與水熱處理技術(shù)2009年年5月月 江蘇江蘇無錫無錫清華大學環(huán)境科學與工程系清華大學環(huán)境科學與工程系王王 偉偉 提 綱一、我國城市污泥的產(chǎn)生與處理處置現(xiàn)狀二、 水熱技術(shù)的工藝研發(fā)三、 水熱系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)四、 東莞污泥水熱干化示范工程五、 基于水熱技術(shù)的污泥處理系統(tǒng)一、我國城市污泥的產(chǎn)生與處理處置現(xiàn)狀一、我國城市污泥的產(chǎn)生與處理處置現(xiàn)狀一、我國城市污泥的產(chǎn)生與處理處置現(xiàn)狀9596979899000102030405204060801001201402004006008001000污泥產(chǎn)生量/104t/a 污水產(chǎn)生量/108m3/a 污水產(chǎn)生量年份 污泥產(chǎn)生量目前1400

2、萬噸/年2015年將增加至3560萬噸1 1、我國城市污泥的產(chǎn)生現(xiàn)狀、我國城市污泥的產(chǎn)生現(xiàn)狀一、我國城市污泥的產(chǎn)生與處理處置現(xiàn)狀2 2、我國城市污泥的處置現(xiàn)狀、我國城市污泥的處置現(xiàn)狀堆肥 1%填埋 6%干化焚燒 10% 無處置 83%u重水輕泥的結(jié)果是事倍功半 污泥是污水處理的產(chǎn)物，在污水得到凈化的同時，約一半的污染物轉(zhuǎn)移到污污泥是污水處理的產(chǎn)物，在污水得到凈化的同時，約一半的污染物轉(zhuǎn)移到污泥中。不解決好污泥處理處置的問題，污水處理的效果只是泥中。不解決好污泥處理處置的問題，污水處理的效果只是“事倍功半事倍功半”。一、我國城市污泥的產(chǎn)生與處理處置現(xiàn)狀3 3、城市污泥的污染嚴重、城市污泥的污染嚴

3、重污泥形成的“城市沼澤”一、我國城市污泥的產(chǎn)生與處理處置現(xiàn)狀4 4、高含水率是污泥處理處置的瓶頸、高含水率是污泥處理處置的瓶頸含水率高造成污泥量巨大含水率高造成污泥量巨大l污泥含水率從污泥含水率從95%降低至降低至80%，污泥體積減少污泥體積減少75%，從，從80%降低降低至至50%體積還將減少體積還將減少60%含水率高造成污泥熱值低含水率高造成污泥熱值低l污泥含水率越高，熱值越低，只污泥含水率越高，熱值越低，只有到含水率低于有到含水率低于50時，才適合時，才適合焚燒焚燒脫水泥餅脫水泥餅(含水率含水率80)直接填埋直接填埋滲濾液水質(zhì)滲濾液水質(zhì)填埋操作困難填埋操作困難堆堆 肥肥含水率含水率重金屬

4、重金屬干化焚燒干化焚燒高能耗高能耗高成本高成本歐洲:有機物5%我國:含水率60%干化或調(diào)理劑控制限值干化至50%需蒸發(fā)600kg水一、我國城市污泥的產(chǎn)生與處理處置現(xiàn)狀4 4、高含水率是污泥處理處置的瓶頸、高含水率是污泥處理處置的瓶頸 含水率由80%降低到60%，甚至50%，是污泥處理所必須達到的要求 含水率由80%降低到60%，甚至50%，干化環(huán)節(jié)是污泥處理處置系統(tǒng)耗能的主要環(huán)節(jié)城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置 混合填埋泥質(zhì)要求含水率低于60% 歐盟填埋導(dǎo)則要求有機物含量必須低于5%一、我國城市污泥的產(chǎn)生與處理處置現(xiàn)狀4 4、高含水率是污泥處理處置的瓶頸、高含水率是污泥處理處置的瓶頸含水率由80%降低到

5、60%，污泥減量一半！固體固體水水水水含水率含水率80%80%含水率含水率60%60%一、我國城市污泥的產(chǎn)生與處理處置現(xiàn)狀4 4、高含水率是污泥處理處置的瓶頸、高含水率是污泥處理處置的瓶頸 吸附水：無法通過機械力去除吸附水：無法通過機械力去除 間隙水：游離態(tài)，濃縮脫水的去除對象間隙水：游離態(tài)，濃縮脫水的去除對象 毛細水：較高機械力去除毛細水：較高機械力去除 內(nèi)部水：需進行細胞破碎，或高溫干燥去除內(nèi)部水：需進行細胞破碎，或高溫干燥去除一、我國城市污泥的產(chǎn)生與處理處置現(xiàn)狀4 4、高含水率是污泥處理處置的瓶頸、高含水率是污泥處理處置的瓶頸u污泥脫水性能的熱力學解析污泥脫水性能的熱力學解析壓濾脫水示意

6、圖機械力脫水的壓力做功過程一、我國城市污泥的產(chǎn)生與處理處置現(xiàn)狀4 4、高含水率是污泥處理處置的瓶頸、高含水率是污泥處理處置的瓶頸水的蒸發(fā)潛熱：538kcal/kg水的比熱：1kcal/(kg )u通過蒸發(fā)降低含水率的能耗太大通過蒸發(fā)降低含水率的能耗太大含水率80%含水率30%固體200kg水水710kg710kg水水90kg90kg固體200kg蒸發(fā)掉水710kg水水90kg90kg蒸發(fā)干燥每噸污泥需要的投入熱量44 105kcal折合64kg標準煤一、我國城市污泥的產(chǎn)生與處理處置現(xiàn)狀4 4、高含水率是污泥處理處置的瓶頸、高含水率是污泥處理處置的瓶頸二、二、 水熱技術(shù)的工藝研發(fā)水熱技術(shù)的工藝研

7、發(fā)二、水熱技術(shù)的工藝研發(fā)F破壞污泥細胞，釋放胞內(nèi)水分破壞污泥細胞，釋放胞內(nèi)水分l 基于對污泥細胞結(jié)構(gòu)和水分布的原理F熱作用下有機物水解，破壞膠體結(jié)構(gòu)熱作用下有機物水解，破壞膠體結(jié)構(gòu)l 基于對污泥膠體結(jié)構(gòu)和物理化學降粘度的原理1 1、水熱技術(shù)原理、水熱技術(shù)原理水熱技術(shù)一直都是污泥處理的一個重要發(fā)展方向初次應(yīng)用初次應(yīng)用工藝工藝名稱名稱技術(shù)特點技術(shù)特點1939年，英國Porteous工藝 污泥185熱水解，提高污泥消化效率。1954年，英國Zimpro工藝250濕式氧化工藝。70年代，英國LPO工藝200以下低壓氧化，改善脫水性能80年代中，美國Synox工藝加堿熱水解，100以下90年代中，美國P

8、rotox工藝加酸熱水解，100以下90年代末，美國RTC工藝高壓蒸汽快速升溫，2002201997年，挪威Cambi工藝水熱改性厭氧消化，消化率60%。二、水熱技術(shù)的工藝研發(fā)2 2、水熱技術(shù)發(fā)展的沿革、水熱技術(shù)發(fā)展的沿革技術(shù)特點1通過對污泥改性提高脫水性能污泥細胞結(jié)構(gòu)破壞二、水熱技術(shù)的工藝研發(fā)3 3、水熱技術(shù)特點、水熱技術(shù)特點水熱處理前的污泥固體水水熱處理后的污泥污泥膠體結(jié)構(gòu)破壞技術(shù)特點1通過對污泥改性提高脫水性能二、水熱技術(shù)的工藝研發(fā)3 3、水熱技術(shù)特點、水熱技術(shù)特點02004006008001000120014001600153045607590 sludge surface level

9、 in a 100mL graduated cylinerSettling time (min) control 80 120 150 170污泥固液分離性能的顯著提高技術(shù)特點1通過對污泥改性提高脫水性能二、水熱技術(shù)的工藝研發(fā)3 3、水熱技術(shù)特點、水熱技術(shù)特點蒸發(fā)干燥蒸發(fā)干燥水熱干化水熱干化技術(shù)特點2水熱反應(yīng)過程沒有相變，能耗低二、水熱技術(shù)的工藝研發(fā)3 3、水熱技術(shù)特點、水熱技術(shù)特點水熱處理有機物廢棄物低分子低分子有機物有機物CH4等乙酸乙酸技術(shù)特點3水熱處理解決了污泥厭氧消化的瓶頸二、水熱技術(shù)的工藝研發(fā)3 3、水熱技術(shù)特點、水熱技術(shù)特點水熱效果1污泥脫水性能提高熱處理前熱處理后污泥粘度顯著降

10、低污泥粘度顯著降低二、水熱技術(shù)的工藝研發(fā)4 4、水熱處理效果、水熱處理效果水熱效果1污泥脫水性能提高二、水熱技術(shù)的工藝研發(fā)4 4、水熱處理效果、水熱處理效果水熱效果2生物降解性能改善二、水熱技術(shù)的工藝研發(fā)4 4、水熱處理效果、水熱處理效果 HRT：10d容積負荷：10kg/m3d總COD去除率：55%二、水熱技術(shù)的工藝研發(fā)4 4、水熱處理效果、水熱處理效果水熱效果2生物降解性能改善 開展時間：2003年 建設(shè)規(guī)模：12m3/天 處理對象：濃度3%的濃縮污泥 水熱反應(yīng)器：電加熱釜式反應(yīng)器P-769 91 14 45 56 62 23 38 87 71 重力濃縮機，2 原泥調(diào)節(jié)池，3 高壓進料泵，

11、4 制氧機組，5 反應(yīng)釜，6 列管換熱器， 7氣液分離器，8 濃縮池，9 離心脫水機中試研究流程二、水熱技術(shù)的工藝研發(fā)5 5、中試研究、中試研究實驗室小型反應(yīng)器中試規(guī)模處理裝置二、水熱技術(shù)的工藝研發(fā)5 5、中試研究、中試研究 中試規(guī)模裝置上驗證了水熱處理的效果經(jīng)水熱處理后污泥脫水含水率可降低到50%左右二、水熱技術(shù)的工藝研發(fā)5 5、中試研究、中試研究（1） 污泥進料濃度過低，增加了系統(tǒng)能耗，相關(guān)單元設(shè)備的水力負荷大，增加了系統(tǒng)投資；（2） 采用換熱器回收系統(tǒng)能量，存在換熱面易結(jié)垢、熱阻增加快和換熱效率低的問題；（3） 采用直接電加熱方式存在污泥局部過熱、結(jié)焦等問題，設(shè)備維護困難；（4） 在設(shè)定

12、的反應(yīng)溫度條件下，氧的反應(yīng)活性低，充氧對污泥水熱效果的促進作用不明顯。 二、水熱技術(shù)的工藝研發(fā)6 6、通過中試研究發(fā)現(xiàn)工藝和設(shè)備存在的問題、通過中試研究發(fā)現(xiàn)工藝和設(shè)備存在的問題三、三、 水熱系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)水熱系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備研發(fā) 從中試研究至今，課題組又進行了多年的研究，對系統(tǒng)與工藝開展了技術(shù)攻關(guān)，獲得了推動技術(shù)發(fā)展的重大突破：三、水熱系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)突破突破1 1：開發(fā)了污泥漿化反應(yīng)器，提高了進料污：開發(fā)了污泥漿化反應(yīng)器，提高了進料污泥的濃度，大幅度降低了系統(tǒng)能耗。泥的濃度，大幅度降低了系統(tǒng)能耗。三、水熱系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)突破突破1 1：開發(fā)了污泥漿化反應(yīng)器，提高了進料污：開發(fā)了污泥漿化反應(yīng)器，

13、提高了進料污泥的濃度，大幅度降低了系統(tǒng)能耗。泥的濃度，大幅度降低了系統(tǒng)能耗。污泥濃度過高不利于水熱反應(yīng)根據(jù)流變學的原理確定了高濃度污泥的極限濃度246810121473521280 屈服應(yīng)力/pa污泥濃度/% r=5mm r=10mm r=15mm r=20mm14三、水熱系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)突破突破1 1：開發(fā)了污泥漿化反應(yīng)器，提高了進料污：開發(fā)了污泥漿化反應(yīng)器，提高了進料污泥的濃度，大幅度降低了系統(tǒng)能耗。泥的濃度，大幅度降低了系統(tǒng)能耗。漿化反應(yīng)器外觀漿化反應(yīng)器外觀漿化反應(yīng)器設(shè)計漿化反應(yīng)器設(shè)計獨特設(shè)計：獨特設(shè)計： 強制攪拌強制攪拌 加熱稀化加熱稀化 閃蒸乏汽返混閃蒸乏汽返混 三、水熱系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備

14、研發(fā)突破突破1 1：開發(fā)了污泥漿化反應(yīng)器，提高了進料污：開發(fā)了污泥漿化反應(yīng)器，提高了進料污泥的濃度，大幅度降低了系統(tǒng)能耗。泥的濃度，大幅度降低了系統(tǒng)能耗。反應(yīng)器的特點反應(yīng)器的特點污泥蒸汽逆流混合蒸汽高速噴射 局部湍流攪拌器 分層分區(qū)攪拌三、水熱系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)突破突破2 2：開發(fā)了蒸汽直接加熱方式的水熱反應(yīng)器，：開發(fā)了蒸汽直接加熱方式的水熱反應(yīng)器，提高加熱效率，實現(xiàn)高濃度污泥均勻反提高加熱效率，實現(xiàn)高濃度污泥均勻反應(yīng)，避免反應(yīng)器結(jié)焦。應(yīng)，避免反應(yīng)器結(jié)焦。三、水熱系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)突破突破3 3：開發(fā)了用于換熱的閃蒸反應(yīng)器，加熱污：開發(fā)了用于換熱的閃蒸反應(yīng)器，加熱污泥閃蒸的熱蒸汽直接加熱冷泥，熱損

15、失泥閃蒸的熱蒸汽直接加熱冷泥，熱損失小，設(shè)備穩(wěn)定性強。小，設(shè)備穩(wěn)定性強。0.150.300.450.600.750.9003691215蒸汽攜帶質(zhì)量/%閃蒸壓力/MPa 180oC 170oC 160oC0.150.300.450.600.750.9001020304050 180水熱 170水熱 160水熱蒸汽攜帶能量/%閃蒸壓力/MPa三、水熱系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)突破突破3 3：開發(fā)了用于換熱的閃蒸反應(yīng)器，加熱污：開發(fā)了用于換熱的閃蒸反應(yīng)器，加熱污泥閃蒸的熱蒸汽直接加熱冷泥，熱損失泥閃蒸的熱蒸汽直接加熱冷泥，熱損失小，設(shè)備穩(wěn)定性強。小，設(shè)備穩(wěn)定性強。三、水熱系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)突破突破4 4：開發(fā)

16、了連續(xù)污泥水熱系統(tǒng)的自動控制方案。：開發(fā)了連續(xù)污泥水熱系統(tǒng)的自動控制方案。四、四、 東莞污泥水熱干化示范工程東莞污泥水熱干化示范工程項目位置建成時間：2008年10月處理規(guī)模：30噸/天應(yīng)用單位：東莞市市區(qū)污水處理廠實施單位：清華大學 北京健坤偉華新能源科技有限公司四、東莞污泥水熱干化示范工程工藝流程圖四、東莞污泥水熱干化示范工程1 1、工藝流程、工藝流程平面布置圖2 2、平面布置、平面布置四、東莞污泥水熱干化示范工程工程外觀四、東莞污泥水熱干化示范工程3 3、工程外觀、工程外觀系統(tǒng)單元工程外觀四、東莞污泥水熱干化示范工程3 3、工程外觀、工程外觀24h連續(xù)運行工程夜景系統(tǒng)單元工程外觀四、東莞

17、污泥水熱干化示范工程3 3、工程外觀、工程外觀水熱單元系統(tǒng)單元工程外觀四、東莞污泥水熱干化示范工程3 3、工程外觀、工程外觀水熱處理后的污泥性狀與泥土類似，黑褐色，疏松多孔污泥含水率低于55，易成型。水熱處理前水熱處理后水熱單元系統(tǒng)單元工程外觀四、東莞污泥水熱干化示范工程4 4、泥餅性狀、泥餅性狀廢蒸汽流量 0.56 t/d固體 0尾氣處置漿化反應(yīng)器均質(zhì)罐水熱反應(yīng)器蒸汽發(fā)生器閃蒸反應(yīng)器水熱離心機濾液處置泥餅處置漿化污泥流量 34.65 t/d固體 8.7%閃蒸蒸汽流量 5.21 t/d固體 0水熱蒸汽流量 6.19 t/d固體 0水熱污泥流量 40.84 t/d固體 5.9%閃蒸污泥流量 35

18、.63 t/d固體 6.7%脫水濾液流量 30.29 t/d固體 0脫水泥餅流量 5.34 t/d固體 45%濃縮污泥流量 30 t/d固體 10%水熱單元系統(tǒng)單元工程外觀四、東莞污泥水熱干化示范工程5 5、物料衡算、物料衡算廢蒸汽流量 0.56 t/d溫度 100焓值 1.5GJ/d漿化反應(yīng)器均質(zhì)罐水熱反應(yīng)器閃蒸反應(yīng)器水熱離心機漿化污泥流量 34.65 t/d溫度 100焓值 14.5GJ/d閃蒸蒸汽流量 5.21 t/d溫度 110焓值 14.0GJ/d水熱蒸汽流量 6.19 t/d溫度 200焓值 17.3GJ/d水熱污泥流量 34.84t/d溫度 180焓值 31.2GJ/d閃蒸污泥流量 35.63 t/d溫度 110焓值 16.4GJ/d脫水濾液流量 30.29 t/d溫度 80焓值 10.2GJ/d脫水泥餅流量 5.34 t/d溫度 80焓值 1.8GJ/d濃縮污泥流量 30 t/d溫度 20焓值 2.5GJ/d散熱損失熱損失率 5%焓值 0.5GJ/d散熱損失熱損失率 5%焓值 0.7GJ/d散熱損失熱損失率 5%焓值 0.6GJ/d冷卻溫度 80焓值 4.5GJ/d水熱單元系統(tǒng)單元工程外觀四、東莞污泥水熱干化示范工程6 6、能量衡算、能量衡算五、五、 基于水熱技術(shù)的污泥處理系統(tǒng)基于水