CN105579404B - 优化的水热碳化方法及其实施设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在加压并且被加热到碳化温度T0、通常为140℃‑280℃的反应器(3)中净化站的污泥、或者糊状产物或废料的水热碳化方法和设备。根据该方法，待处理产物在被引入到该反应器中之前经历如下步骤：加压，通过沿封闭回路流通且接受来自离开反应器的产物的热量的传热流体在交换器(2)中预热；传热流体在回路中通过外部热源(12)在与离开反应器的产物的交换的下游并且在进入反应器的产物的预热的上游进行加热，并且通过传热流体预热的待处理产物在其进入反应器(3)时的温度为碳化温度T0至T0‑100℃。而且，待处理产物在至少一个管路(1b)中流通，其中包括在预热交换器(2)中，一直到其进入反应器(3)，并且在该管路(1b)的至少一个位置处，进行液体的注入(20)以产生靠着管路(1b)的内壁的液体环(A)，并且降低压降。

Description

优化的水热碳化方法及其实施设备

技术领域

本发明涉及净化站的污泥、或者糊状产物或废料的水热碳化方法，根据该类型的方法，待处理产物被引入加压反应器中并且被加热到碳化温度T0，通常为140℃-280℃，并且待处理产物在被引入反应器中之前经历如下步骤：

-加压，

-通过沿封闭回路流通且接受来自离开反应器的产物的热量的传热流体(fluidethermique)在交换器中预热。

本发明的领域涉及糊状产物或废料、尤其是在水处理过程中产生的那些(净化站污泥)的处理领域。

更确切地，本发明涉及糊状产物、尤其是脱水净化站污泥的优化的水热碳化方法，从而使得能够通过最小化设备尺寸并且改善化学反应而处理大量的产物。

背景技术

要回顾的是，水热碳化是一种下述这样的方法：该方法通过提高液相有机化合物的温度和压力而旨在诱导化学反应，该化学反应使得能够通过释放CO₂分子而提高有机产物的疏水性，这因此能够实现优化脱水。

这种类型的热调理已被用于被认为是液体的化合物，即其干燥度为大约5％或更小，这导致显著的热消耗。

这种类型的热调节还被用于被认为是固体的化合物，即干燥度至少为大约15％、可达到25至30％的糊状产物或污泥。在这种应用中，以两种不同方式设置温度：

或者，通过向反应器中注入蒸汽的直接方式，

或者，通过器壁加热反应器的间接方式，即加热流体在围绕反应器的护套中流通。

直接方式会导致稀释产物，并且如果反应器的初始温度过低的话会导致水锤效应；而且，为了升到高温、尤其是大于200℃，蒸汽压力会变得非常高。

间接方式会导致对反应器尺寸的限制；这是因为热传递仅发生在反应器的器壁上，而其必须要加热内部体积，很快会出现尺寸极限的问题，当超过该尺寸极限时，则不能充分加热产物、尤其是污泥；而且推荐强力搅拌以能够在整个反应器中达到产物均质化。最后，间接方式导致在产物流通方向上的温度分层；有机产物仅在反应器的最后达到其最终温度，这限制了在此最终温度下的产物停留时间。

在通过这种间接方式运行的实例中，提供了通过离开反应器的产物对待处理产物的预热。为此，构成传热流体的油的回路使得能够通过使用“热碳化产物/油”交换器和“热油/待处理冷产物”交换器来回收碳化产物的一部分热量。

交换器存在问题。

对于初始固体产物、即其干燥度为大约至少15％的产物来说，热交换系数以及产物结垢的问题是明显的。根据现有技术，这就是为什么要提供两个交换器，这两个交换器分别是“热碳化产物/油”交换器和“热油/待处理冷产物”交换器，其中油作为中间传热流体；而不是提供单一的“热产物/冷产物”交换器，因为不可能在同心管中管热交换器中彻底清洁易造成沉积的外管。另外，在注入反应器中之前有机产物的预热是局部的，并且限制到尤其为大约90℃的温度，明显低于在反应器中占主导的温度(避免结垢)。产物在反应器中仅仅在由于其入口温度低而变得更长的加热时间之后才能达到碳化温度。因此，反应器的尺寸会相对较大，以确保在第一阶段中加热到碳化温度，然后在第二阶段中碳化。

发明内容

本发明的目的尤其在于提供一种水热碳化方法，其使得能够最小化反应器处的热需求，以能够构造非混合大型反应器，同时控制交换器的可利用性问题。

上面提出的目标以及随后将呈现的其它目标通过优化水热碳化方法来达成。

根据本发明，如上定义类型的净化站的污泥、或者糊状产物或废料的水热碳化方法的特征在于，传热流体在回路中通过外部热源在与离开反应器的产物的交换的下游并且在进入反应器的产物的预热的上游进行加热，

并且通过传热流体预热的待处理产物在其进入反应器时的温度为碳化温度T0至T0-100℃。

优选地，待处理产物的干燥度为15％-30％。

有利地，待处理产物在至少一个管路中流通，其中包括在预热交换器中，一直到其进入反应器，并且在该管路的至少一个位置处，进行液体的注入以产生靠着管路的内壁的液体环，并且降低压降。

优选地，注入的液体是酸溶液，其不仅降低压降，还避免或至少减少结垢。酸溶液的注入可在预热交换器的各水平处进行，以控制交换器的堵塞。

有利地，该交换器的压降被控制，并且在压降增加的情况下，为了液体环而注入的酸溶液的量增加。

交换器的热交换系数有利地被控制，并且在交换系数降低的情况下，为了液体环而注入的酸溶液的量增加。

反应器中的压力通常为20-35巴。传热流体优选是油，但也可使用过热水。

“液体环”形式的酸的注入在污泥加压之后进行。

有利地，该方法使用壁加热的非混合隔板式反应器，其中产物以活塞流形式流通。

在存储和脱水之前提供产物的冷却。

本发明还涉及实施如上定义的方法的设备，包括：

-反应器，其被加压并且被加热到碳化温度T0，通常为140℃-280℃，

-对反应器的供料管道中的产物加压的泵，

-热交换器，用于由在封闭回路中流通并且在另一交换器中接受来自离开反应器的产物的热量的传热流体来预热待处理产物，

这种设备的特征在于，该设备包括锅炉，用于在与离开反应器的产物的交换的下游并且在进入反应器的产物的预热的上游加热封闭回路的传热流体，

并且由锅炉向传热流体供应的热功率足以使得反应器入口处的产物的温度在碳化温度T0和T0-100℃之间。

优选地，待处理产物在至少一个管路中流通，其中包括在预热交换器中，一直到其进入反应器，并且在该管路的至少一个位置处，至少一个横向支管被设置并且连接到液体注入管路并且用于产生靠着管路的内壁的液体环。

有利地，在待处理产物和传热流体之间的热交换器是同心管式的，并且待处理产物在其中注入了用于形成液体环的液体的内部管路中流通，传热流体流过外部管路。

有利地，该热交换器是延长型的，包含最小弯曲以使液体环保持就位。在多个弯曲的情况下，提供多个注入。

该反应器可由热油进行器壁加热，并且是隔板式的，也即在产物路径中包含隔板。反应器可进行搅拌以通过刮擦反应器的边缘进行清洁。

该设备在锅炉的出口处包括使得能够通过由锅炉提供的热油进行反应器器壁加热的三通阀，这个三通阀使得能够通过混合调节温度。

附图说明

除了以上所述的设置之外，本发明还在于一定数量的其它设置，它们将根据下面参照附图描述的非限制性实施例将更明确地进行讨论。在附图中：

图1为实施本发明方法的设备的示意图。

图2为用于待处理产物的流通的管路的局部示意性纵向截面图，管路带有液体注入管，用于产生液体环(anneau)，并且

图3为在液体注入管处的图2的管路的横向示意性截面图。

具体实施方式

本发明基于一种原创性的方法，其在于结合了：

-油/产物管中管间接交换器的品质，

-利用液体环技术，

-以及简单反应器中污泥的水热碳化。

参照附图中的图1，可看到待处理产物经由管道1a到达泵1。

在经由管道或管路1b通过泵1加压离开时，稀酸注入20利用液体环技术来实施。该注入通过通到泵的加压出口管路1b的至少一个横向(尤其是径向)管20a(图2和3)来进行。通常设置至少两个完全相反的液体注入，并且优选规则分布在周缘上的四个注入。

由于在管道系统中的低速率以及无搅拌而如此形成的“酸液体环”A(图2和3)保持粘着到管路的内壁上，并且因此溶解由于产物加热而导致的可能的水垢。而且，这种酸参与碳化反应并且影响碳化产物的脱水能力。

优选为同心管中管类型的交换器2使用热的传热流体、优选热油来加热产物。

根据本发明，油通过锅炉12而被加热到150-350℃、优选250℃的温度。锅炉由设备的外部供应燃料、尤其是天然气。逆流热油在交换器2中加热产物，直至几乎达到其最终温度140-240℃、优选200℃。

确定交换器2的油侧尺寸以使交换器出口处的油温度尽可能低，尤其是比待加热产物的温度高10至80℃、优选高40℃。

产物进入隔板式反应器3，在其中以活塞流形式一直流通到出口。反应器由护套3a围绕，形成双层壁，在双层壁中流通有热油，用于加热反应器。与泵(未示出)组合或不组合的三通混合阀13使得能够调节反应器护套中的油温度。阀13包括一个连接到锅炉12出口的通路、一个连接到护套3a入口的通路、以及一个连接到护套3a出口的通路，该出口还连接到锅炉12中的油入口。在反应器入口处已经非常热的待处理产物在反应器中获得弱的结垢能力。在反应器3上设置未示出的通风口，以用于排出所产生的气体。

离开反应器的产物通过交换器4加热逆流油回路。油回路通过泵11移动。锅炉12位于交换器4的下游和通过交换器2的预热的上游。

反应器3可进行搅拌以能够在特别结垢性的产物的情况下更新交换层。

在通过水热碳化的超脱水的情况下，其余装置5、6、30、31、32、50使设备完整。交换器5使得能够借助于中间流体50而冷却离开交换器4的碳化产物。通常为阀门的减压工具6使得能够无蒸发地传送到储存槽30。泵31获取离开槽30的产物，且使得能够在过滤器32中过滤产物，以得到超脱水产物。

为了进一步改善所述方法，液体环形式的酸注入可在交换器2的多个位置处进行，以使得能够更新液体环的层。

要指出的是，旨在降低压降的液体环可通过注入水或者有利地注入聚合物来获得，而酸被注入到反应器3中。

有利地，在入口2a和出口2b(图1)之间的交换器的压降尤其通过对入口和出口之间的压差敏感的传感器2c控制。传感器2c将表示压降的信号传送到用于注入酸溶液的单元20b。单元20b考虑压降的变化。在这个压降增加的情况下，为了液体环而注入的酸溶液的量被增加，以降低这个压降。

有利地，测量交换器2的入口2a的温度和交换器2b的出口2b的温度以及泵1的产物侧流量，以计算交换器2中的交换热量。还测量交换器2的入口和出口的油温度以计算并监测交换器2的热交换系数，并且如果该热交换系数降低的话调配酸的量。

测量热交换系数k的概念得自以下的关系式：

Q＝kSDT其中

Q：交换热量，

k：交换器的热交换系数，

S：交换面积，

DT：两个流体之间的对数温度差。

因此k＝Q/(SDT)。

通过测量两个流体之一的Q＝流量*(入口T°-出口T°)和DT(即在每个产物的入口和出口的温度之间计算)，则由此得出k，其如果降低的话则是结垢的信号，其换言之也可通过以下的事实衡量：应当“提高油温度”以达到相同的最终温度，也就是说，由于k减小，要增大DT以具有相同的Q。

交换器2可为矩形类型或其它类型的，并且配备有自动清洁装置。

Claims (16)

1.在加压并且被加热到碳化温度T0的反应器(3)中净化站的污泥、或者糊状产物或废料的水热碳化方法，根据该方法，待处理产物在被引入到该反应器中之前经历如下步骤：

‐加压，

‐通过沿封闭回路流通且接受来自离开反应器的产物的热量的传热流体在交换器中预热，

其特征在于，传热流体在回路中通过外部热源(12)在与离开反应器的产物的交换的下游并且在进入反应器的产物的预热的上游进行加热，

并且通过传热流体预热的待处理产物在其进入反应器(3)时的温度为碳化温度T0至T0-100℃，

并且待处理产物在至少一个管路(1b)中流通，其中包括在预热交换器中，一直到其进入反应器，并且在该管路的至少一个位置处，进行液体的注入(20)以产生靠着管路的内壁的液体环(A)，并且降低压降。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，该碳化温度T0为140℃-280℃。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于，液体注入步骤通过至少两个完全相反的液体注入来进行。

4.根据权利要求1-3任一项的方法，其特征在于，待处理产物的干燥度为15％-30％。

5.根据权利要求1-3任一项的方法，其特征在于，注入的液体是酸溶液。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于，酸溶液的注入在预热交换器的各水平处进行，以控制交换器的堵塞。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于，该交换器的压降被控制，并且在压降增加的情况下，为了液体环而注入的酸溶液的量增加。

8.根据权利要求6的方法，其特征在于，交换器的交换系数被控制，并且在交换系数降低的情况下，为了液体环而注入的酸溶液的量增加。

9.根据权利要求1-3任一项的方法，其特征在于，反应器中的压力为20-35巴。

10.根据权利要求1-3任一项的方法，其特征在于，传热流体是油。

11.净化站的污泥、或者糊状产物或废料的水热碳化设备，包括：

-反应器(3)，其被加压并且被加热到碳化温度T0，

-对反应器的供料管道中的产物加压的泵(1)，

-热交换器(2)，用于由在封闭回路中流通并且在另一交换器(4)中接受来自离开反应器的产物的热量的传热流体来预热待处理产物，

这种设备的特征在于，该设备包括锅炉，用于在与离开反应器的产物的交换的下游并且在进入反应器的产物的预热的上游加热封闭回路的传热流体，

并且由锅炉向传热流体供应的热功率足以使得反应器入口处的产物的温度在T0和T0-100℃之间，T0是碳化温度，

并且待处理产物在至少一个管路(1b)中流通，其中包括在预热交换器中，一直到其进入反应器，并且在该管路的至少一个位置处，至少一个横向支管(20a)被设置并且连接到液体注入(20)管路并且用于产生靠着管路的内壁的液体环(A)。

12.根据权利要求11的设备，其特征在于该碳化温度T0为140℃-280℃。

13.根据权利要求11的设备，其特征在于在待处理产物和传热流体之间的热交换器(2)是同心管式的，并且待处理产物在其中注入了用于形成液体环的液体的内部管路中流通，传热流体流过外部管路。

14.根据权利要求11-13任一项的设备，其特征在于该反应器(3)由热油进行器壁加热，并且是隔板式的。

15.根据权利要求11-13任一项的设备，其特征在于反应器进行搅拌以通过刮擦反应器的边缘进行清洁。

16.根据权利要求15的设备，其特征在于该设备在锅炉的出口处包括使得能够通过由锅炉提供的热油进行反应器器壁加热的三通阀(13)，这个三通阀使得能够通过混合调节温度。