清华大学王伟水热干化技术课件

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
压滤脱水示意图
机械力
P
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
通过蒸发降低含水率的能耗太大
水 90kg
固体 200kg
水 710kg
蒸发 干燥
水 90kg
3、水热技术特点 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 技术特点1——通过对污泥改性提高脱水性能
固体 水
水热处理前的污泥
水热处理后的污泥
污泥胶体结构破坏
二、水热技术的工艺研发
3、水热技术特点 技术特点1——通过对污泥改性提高脱水性能
sludge surface level in a 100mL graduated cyliner
（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。
三、 水热系统关键设备研发
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：
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。
固体 200kg 蒸发掉水
710kg
含水率80%
含水率30%
水的蒸发潜热：538kcal/kg 水的比热：1kcal/(kg ·℃)
每吨污泥需要的投入热量44 ×105kcal 折合64kg标准煤
二、 水热技术的工艺研发
二、水热技术的工艺研发
1、水热技术原理
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
浆化反应器外观
独特设计： 强制搅拌 加热稀化 闪蒸乏汽返混
浆化反应器设计
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。
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
含水率(%)
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
含水率(%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
热值(kcal/kg) -226.50 132.00 490.50 849.00 1207.50 1566.00 1924.50 2283.00 2641.50 3000.00
12
170oC
9
160oC
6
3
0 0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90 闪蒸压力/MPa
50
180℃水热
40
170℃水热
160℃水热
30
20
10
0 0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90 闪蒸压力/MPa
蒸汽携带质量/% 蒸汽携带能量/%
三、水热系统关键设备研发
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
脱水泥饼 (含水率80％)
直接填埋
堆肥
渗滤液水质 填埋操作困难
含水率 重金属
欧洲:有机物<5% 干化或调理剂 我国:含水率<60% 控制限值
干化焚烧
高能耗 高成本
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
尾气处置
废蒸汽 流量 0.56 t/d 固体 0
浆化反应器
浆化污泥
流量 34.65 t/d 固体 8.7%
闪蒸蒸汽
流量 5.21 t/d 固体 0
水热反应器
水热污泥
流量 40.84 t/d 固体 5.9%
浓缩污泥
流量 30 t/d 固体 10%
污泥体积(%)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
水
固体 0
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
含水率(%)
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
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。
• 中试规模装置上验证了水热处理的效果
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
（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、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
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%污泥体积(%)源自1009080
70
60
50
40
30
20
10
水
固体 0
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
泥饼含水率/% 泥饼含水率/%
80
70
3V0S3m/iT0nSm:T6S7in1%0%
60
50
40
30 120 140 160 180 200 热水解温度/oC
80 70 60 50 40 30
0
1V7S10/To8CS:0T6S℃71%0%
20 40 60 80 100
热水解时间/min
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
•水热效果2——生物降解性能改善
20
OLR=4.196
OLR=7.762
OLR=13.106
停止 进料
OLR=2.523
15 中温ASBR 酸化点
高温ASBR 酸化点
10
OLR=10.091
中温ASBR
5
高温ASBR
3、工程外观
工程夜景
四、东莞污泥水热干化示范工程
3、工程外观
水系工热统程单外元观
四、东莞污泥水热干化示范工程
水系工热统程单外元观
4、泥饼性状
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
四、东莞污泥水热干化示范工程
5、物料衡算
水系工热统程单外元观
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。
V，HV
液体进料 F TF, pF, HF
p,T
阀 Q 加热器
L，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。
15
180oC
0 0
180℃/30min
10 20 30 40 50 60
热处理时间/min
污泥粘度显著降低
100
30min
80
60
未处理 80℃
120℃
40
150℃ 170℃
20
0 300 600 900 1200 1500 沉降时间/min
热处理前
热处理后
二、水热技术的工艺研发
4、水热处理效果 •水热效果1——污泥脱水性能提高
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！
30
20
固体
水
水
50
含水率80%
30
20
固体
固体
水
水
水
水
50
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
间隙水 毛细水
吸附水 内部水
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 吸附水：无法通过机械力去除 内部水：需进行细胞破碎，或高温干燥去除
5
6
7
8
4
1
2
3
P-76
9
1 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
中
验
试
室
规
小
模
型
处
反
理
应
装
器
置
二、水热技术的工艺研发
5、中试研究
经水热处理后污 泥脱水含水率可 降低到50%左右
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
二、水热技术的工艺研发
2、水热技术发展的沿革
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
1、我国城市污泥的产生现状
污水产生量/×108m3/a 污泥产生量/×104t/a
140 污水产生量
120
污泥产生量
1000
100
800
80 600
60 400
40
20
200
95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05
年份
目前1400万吨/年
2015年将增加至3560万吨
一、我国城市污泥的产生与处理处置现状
日产气量 /L d·-1
0
0
10 20 30 40 50 60 70 80
90 100
时间 /d
HRT：10d
容积负荷：10kg/m3d
总COD去除率：55%
二、水热技术的工艺研发
5、中试研究 • 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
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%。
水热技术一直都是污泥处理的一个重要发展方向
二、水热技术的工艺研发
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
1、工艺流程
工艺流程图
四、东莞污泥水热干化示范工程
2、平面布置
平面布置图
四、东莞污泥水热干化示范工程
3、工程外观
工程外观
四、东莞污泥水热干化示范工程
3、工程外观
系工统程单外元观
四、东莞污泥水热干化示范工程 24h系工连统程续运单外元观行
2、我国城市污泥的处置现状
无处置 83%
干化焚烧 10%
填埋 6%
堆肥 1%
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 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”。
污泥形成的“城市沼泽”
根据流变学的原理确定了高浓度污泥的极限浓度
沉降桶
H 0.35m
l 0.2m
0.1m
h
2r
排出管
支架
屈服应力/pa
35
r=5mm
r=10mm
28
r=15mm r=20mm
21
14
7
0
2
4
6
8 10 12 14
污泥浓度/%
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。
城市污泥处理处置的关键问题 与水热处理技术
清华大学环境科学与工程系 王伟
2009年5月 江苏·无锡
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
90
75
60
control
80℃
45
120℃ 150℃
170℃
30
15
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Settling time (min)
污泥固液分离性能的显著提高
二、水热技术的工艺研发
3、水热技术特点 技术特点2——水热反应过程没有相变，能耗低
蒸发干燥
水热干化
二、水热技术的工艺研发
3、水热技术特点 技术特点3——水热处理解决了污泥厌氧消化的瓶颈
有机物 废弃物
低分子 有机物
乙酸
CH4等
水热处理
二、水热技术的工艺研发
4、水热处理效果 •水热效果1——污泥脱水性能提高
粘度(CP)
沉降高度界面高度/ml
6000 5000 4000 3000 2000 1000
突破4：开发了连续污泥水热系统的自动控制方案。
上位机 PLC
流
液压温
量
位力度
变
变变变
送
送送送
器
器器器
执1 2 3 4 5 行# # # # # 机 变变变变变 构 频频频频频
器器器器器
四、 东莞污泥水热干化示范工程
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