用于有机废弃物处理的超临界水处理装置及有机废弃物的处理方法

摘要

本发明提供了一种用于有机废弃物处理的超临界水处理装置，包括：由耐压外壳和设置有微孔的内壁组成的双层反应器，所述内壁围成反应室，所述耐压外壳与所述内壁形成空腔；分别贯穿所述耐压外壳和所述内壁、与所述反应室相通的进料管和出料管；贯穿所述耐压外壳与所述空腔相通的高压气体进气管。本发明还提供了一种有机废弃物的处理方法。本发明利用设置有微孔的内壁形成的反应室作为超临界氧化反应的场所，通过高温高压的空气将反应液局限在反应室内；同时，高压空气经由设置有微孔的内壁进入反应室时，能够在内壁内表面上形成气膜，从而阻止盐沉积的固体附着在管壁造成的内壁或管道堵塞，也可以避免反应液与内壁直接接触，减少对处理装置的腐蚀。

说明书

技术领域

本发明属于有机废弃物处理技术领域，尤其涉及一种用于有机废弃物处 理的超临界水处理装置及有机废弃物的处理方法。

背景技术

城市污泥是指城市污水处理厂在污水处理过程中产生的固态、半固态及 液态废弃物，含有污水中大部分的污染物质，是污水处理过程中不可避免的 产物。随着污水处理量的增加，污泥的产量也越来越大，如何有效处理与处 置城市污泥已经成为各个城市迫切需要解决的难题。

目前，城市污泥常用的处理方法主要包括卫生填埋、污泥焚烧、污泥堆 肥、污泥建材利用和水体消纳等。污泥卫生填埋始于20世纪60年代，到目 前为止，已经发展成为一项比较成熟的技术，具有投资少、容量大、见效快、 利于推广等特点，但是污泥卫生填埋需要占用大量场地，而且会产生难以处 理的垃圾渗滤液，可能会污染地下水；污泥焚烧可以最大限度的减少污泥的 体积，使污泥中病原微生物、寄生虫卵、病毒等彻底被杀死，部分重金属在 高温状态下也被固化；但是，污泥焚烧成本较高，焚烧过程中会产生二噁英 等剧毒空气污染物；污泥堆肥是指在污泥中加入一定比例的秸秆、稻草、木 屑或生活垃圾等膨松剂和调理剂，利用微生物对污泥进行发酵并将其转化为 类腐植质的过程，可以作为农业用肥，但是堆肥污泥中含有的重金属可能会 引起二次污染；污泥作为建材主要用于污泥制砖、制纤维板、制生态水泥等， 但是，当污泥中含有重金属时，会增加炉窑的烟气处理与控制的难度，并需 要重金属浸出进行监控；污泥水体消纳是指将污泥投入海洋等水体中，利用 水体的自净能力进行消纳，但消纳后其中的污染物质排放到水体中，对水体 造成污染和伤害，不符合环境保护和可持续发展的要求。

超临界水是指温度和压力均高于其临界点(T＝374.15℃，P＝22.12MPa) 的特殊状态的水，超临界水同时具有极性与非极性的溶解性能，可以与氧气 或有机物以任意比互溶，成为均一相，能够消除相间的传质阻力，加快反应 速率因此，大多数有机废弃物在超临界水中可在几分钟内达到99.9％以上的去 除率。同时，超临界水对有机物的氧化反应较为完全、彻底，有机物中的碳 转化为二氧化碳、氢转化为水、卤素原子转化为卤化物的离子、硫和磷分别 转化为硫酸盐和磷酸盐、氮转化为硝酸或氮气等。另外，超临界水氧化在氧 化过程中能够释放大量热，一旦开始，无需外界能量反应即可自然维持。超 临界水氧化技术即是超临界水具有的特殊性质氧化有机物的一种高级氧化技 术，具有应用范围广、氧化速度快、氧化彻底、无二次污染等优点，成为废 弃有机物，如城市污泥等处理的主要方法之一。

现有技术公开了多种用于有机废弃物处理的超临界水处理装置，但由于 超临界水氧化有机物过程中会产生酸，会引起设备的强烈腐蚀；而亚临界溶 液被迅速加热到超临界温度时，由于盐的溶解度大幅度降低，会有大量盐析 出，并沉积在反应器内，引起反应器堵塞等。研究表明，利用水膜将反应器 壁和发生超临界水氧化的反应液隔离开来是解决上述技术问题的有效方法(M. J.Cocero，Journal of supercritical Fluids，2004，41-55)，如申请号为 200910022344.1的中国专利文献公开了一种分区的超临界水氧化反应器，其 引入由蒸发壁组成的内腔室，进行物理分区，内腔室和承压腔室之间留有的 空隙作为蒸发壁水区，内腔室内部贴近壁面处为蒸发壁水膜区，在由蒸发壁 包围的蒸发壁包围的蒸发壁水膜区以外的区域包含有超临界水、有机物、氧 化剂以及腐蚀性离子等物质，提供了超临界水反应的场所，而内腔室和承压 腔室之间留有空隙的区域则只包含有干净的蒸发壁水。蒸发壁水渗入蒸发壁， 在蒸发壁的内表面形成一层薄的保护性水膜，从而阻止腐蚀性离子或氧化剂 接触蒸发壁的内表面，减少对蒸发壁的腐蚀作用。该反应器通过物理分区， 实现了压力作用和腐蚀作用的分离，能够解决反应器的腐蚀和堵塞问题，但 是其结构复杂，不易进行日常运行和维护。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种用于有机废弃物处理 的超临界水处理装置及有机废弃物的处理方法，本发明提供的超临界水处理 装置结构简单，日常运行和维护简单，且能够减少腐蚀或盐沉积现象的发生。

本发明提供了一种用于有机废弃物处理的超临界水处理装置，包括：

由耐压外壳和设置有微孔的内壁组成的双层反应器，所述内壁围成反应 室，所述耐压外壳与所述内壁形成空腔；

分别贯穿所述耐压外壳和所述内壁、与所述反应室相通的进料管和出料 管；

贯穿所述耐压外壳与所述空腔相通的高压气体进气管。

优选的，所述内壁的材质为微孔陶瓷或微孔金属。

优选的，所述耐压外壳的材质为金属。

本发明还提供了一种有机废弃物的处理方法，包括以下步骤：

向上述技术方案所述的处理装置中通入预热的高压空气；

将预热的由有机废弃物和水组成的混合物经由高压泵泵入反应室中进行 反应，得到反应产物；

将所述反应产物降温、分离。

优选的，所述预热高压空气的温度为200℃～600℃。

优选的，所述预热高压空气的压力为10MPa～50MPa。

优选的，所述预热的由有机废弃物和水组成的混合物的温度为200℃～600 ℃。

优选的，所述预热的由有机废弃物和水组成的混合物的压力为 10MPa～50MPa。

与现有技术相比，本发明提供的用于有机废弃物处理的超临界水处理装 置包括由耐压外壳和设置有微孔的内壁组成的双层反应器，所述内壁围成反 应室，所述耐压外壳与所述内壁形成空腔；分别贯穿所述耐压外壳和所述内 壁、与所述反应室相通的进料管和出料管；贯穿所述耐压外壳与所述空腔相 通的高压气体进气管。本发明将预热后的由有机废弃物和水组成的混合物经 由高压泵泵入上述处理装置的反应室中，同时，通过高压气体进气管向上述 处理装置的空腔中通入预热的高压空气，有机废弃物与空气中的氧气在超临 界水中进行剧烈的氧化反应，将有机废弃物分解。本发明利用设置有微孔的 内壁形成的反应室作为超临界氧化反应的场所，通过高温高压的空气将反应 液局限在反应室内不与耐压外壳接触，从而减少反应液对耐压外壳的腐蚀； 同时，高压空气经由设置有微孔的内壁进入反应室时，能够在内壁的内表面 上形成一层气膜，该气膜不仅可以阻止盐沉积的固体附着在管壁造成的内壁 或管道堵塞，也可以避免反应液与内壁直接接触，减少反应液对处理装置的 腐蚀。另外，本发明提供的处理装置结构简单，不仅便于日常运行和维护， 也便于规模化生产。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于废弃有机物处理的超临界水处理装置的 结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种用于有机废弃物处理的超临界水处理装置，包括：

由耐压外壳和设置有微孔的内壁组成的双层反应器，所述内壁围成反应 室，所述耐压外壳与所述内壁形成空腔；

分别贯穿所述耐压外壳和所述内壁、与所述反应室相通的进料管和出料 管；

贯穿所述耐压外壳与所述空腔相通的高压气体进气管。

本发明将预热后的由有机废弃物和水组成的混合物经由高压泵泵入上述 处理装置的反应室中，同时，通过高压气体进气管向上述处理装置的空腔中 通入预热的高压空气，有机废弃物与空气中的氧气在超临界水中进行剧烈的 氧化反应，将有机废弃物分解。本发明利用设置有微孔的内壁形成的反应室 作为超临界氧化反应的场所，通过高温高压的空气将反应液局限在反应室内 不与耐压外壳接触，从而减少反应液对耐压外壳的腐蚀；同时，高压空气经 由设置有微孔的内壁进入反应室时，能够在内壁的内表面上形成一层气膜， 该气膜不仅可以阻止盐沉积的固体附着在管壁造成的内壁或管道堵塞，也可 以避免反应液与内壁直接接触，减少反应液对处理装置的腐蚀。另外，本发 明提供的处理装置结构简单，不仅便于日常运行和维护，也便于规模化生产。

为了进一步说明本发明，以下结合附图对本发明提供的用于废气有机物 处理的超临界水处理装置进行详细描述。

参见图1，图1为本发明实施例提供的用于废弃有机物处理的超临界水处 理装置的结构示意图，其中，1为耐压外壳，2为设置有微孔的内壁，内壁2 围成反应室，3为耐压外壳1和内壁2形成的空腔，4为贯穿耐压外壳1和内 壁2且与反应室相通的进料管，5为贯穿耐压外壳1和内壁2且与反应室相通 的出料管，6为贯穿耐压外壳1且与空腔3相通的高压气体进气口。

所述超临界水处理装置具有由耐压外壳1和内壁2形成的双层结构，其 中，耐压外壳1为外层结构，能够承受高温高压，可以为耐压金属材质，本 发明并无特殊限制。内壁2为内层结构，内壁2上设置有微孔，便于高压气 体透过微孔进入内壁2围成的反应室内。内壁2的材质可以为微孔陶瓷或者 微孔金属，本发明并无特殊限制。

内壁2围成反应室，为废弃有机物在超临界水中进行反应的主要场所。 本发明对所述反应室的形状没有限制，可以为矩形、圆柱形或者本领域技术 人员熟知的其他任何形状。内壁2和耐压外壳1形成空腔3，空腔3可容纳高 温高压气体，使高温高压气体透过内壁2的微孔进入反应室内，参与氧化反 应的同时，在内壁2内表面形成气膜，防止腐蚀和盐沉积。

本发明提供的处理装置还包括进料管4，进料管4贯穿耐压外壳1和内壁 2，与反应室相通。预热后的由水和废弃有机物组成的混合物经由进料管4直 接进入反应室，在反应室进行反应。在本实施例中，进料管4设置在反应室 的顶部，在其他实施例中，进料管4也可以设置在反应室的下部。

本发明提供的处理装置还包括出料管5，出料管4贯穿耐压外壳1和内壁 2，与反应室相通。预热后的由水和废弃有机物组成的混合物经由进料口4直 接进入反应室，在反应室进行反应后得到的反应产物从出料管5排出。在本 实施例中，出料管5设置在反应室的底部，在其他实施例中，出料管5也可 以设置在反应室的上部。

本发明提供的处理装置还包括高压气体进气管6，高压气体进气管6贯穿 耐压外壳1，与空腔3相通。高压气体从高压气体进气管6进入空腔3内，并 透过内壁2上的微孔进入反应室内参与废弃有机物的氧化反应，同时在内壁2 上的内表面上形成气膜，避免腐蚀或沉积。

为了使废弃有机物充分在超临界水中进行氧化反应，本发明设置有多个 高压气体进气管6，使高压气体充分通过空腔3进入反应室内，并在内壁2内 表面形成气膜。

本发明提供的处理装置可用于在超临界水的存在下处理废弃有机物，包 括城市污泥或其他废弃有机物等，其使用方法如下：

将预热后的由水和废弃有机物的混合物通过高压泵经由进料管4直接进 入反应室内；同时，经过预热的高压空气经由高压气体进气管6进入空腔3， 并通过内壁2上的微孔进入反应室中与废弃有机物混合；在高温高压作用下， 水变为超临界水，废弃有机物与空气中的氧气在超临界水中发生剧烈氧化反 应，生成二氧化碳、水、氮气等气体或卤化物、硫酸盐、磷酸盐或硝酸盐等 固体。

在上述过程中，高压气体能够将反应液局限在反应室中，不与耐压外壳1 接触，从而减少对耐压外壳1的腐蚀，减少对处理装置的腐蚀；同时，高压 空气经由设置有微孔的内壁进入反应室时，能够在内壁的内表面上形成一层 气膜，该气膜不仅可以阻止盐沉积的固体附着在管壁造成的内壁或管道堵塞， 也可以避免反应液与内壁直接接触，减少反应液对处理装置的腐蚀。

本发明还提供了一种有机废弃物的处理方法，包括以下步骤：

向上述技术方案所述的处理装置中通入预热的高压空气；

将预热的由有机废弃物和水组成的混合物经由高压泵泵入反应室中进行 反应，得到反应产物；

将所述反应产物降温、分离。

本发明以上述技术方案所述的处理装置、采用超临界水处理技术对废弃 有机物进行处理，使预热后的由废弃有机物和水的混合物经由进料管4进入 反应室，同时使预热的高压空气经由高压气体进气管6进入空腔3，并透过内 壁2上的微孔进入反应室与混合物混合。

在本发明中，所述废弃有机物可以为城市污泥或其他废弃有机物，首先 将其与水混合，得到混合物。本发明对所述水和废弃有机物的用量没有特殊 限制，本领域技术人员熟知的比例即可。

得到混合物后，将其进行预热，并通过高压泵经由进料管4泵入反应室 内。本发明对所述预热、高压泵等均无特殊限制，进入反应室的混合物的温 度优选为200℃～600℃，更优选为250℃～550℃，最优选为300℃～500℃；所 述混合物的压力优选为10MPa～50MPa，更优选为20MPa～40MPa，最优选为 25MPa～30MPa。

在将高压空气通入之前，首先经高压空气进行预热。本发明对所述预热 方法没有特殊限制，预热后的高压空气的温度优选为200℃～600℃，更优选为 250℃～550℃，最优选为300℃～500℃；所述预热后的高压空气的压力优选为 10MPa～50MPa，更优选为20MPa～40MPa，最优选为25MPa～30MPa。

同时将预热后的混合物和预热后的高压空气通入上述技术方案中的处理 装置后，在高温高压的作用下，水成为超临界状态的水，废弃有机物和空气 中的氧气在超临界水中发生剧烈氧化反应，将废弃有机物处理。在废弃有机 物和氧气发生氧化反应的过程中自然放热，使超临界水保持超临界状态，从 而便于废弃有机物的持续处理。

经过处理后，得到的处理产物，即废液的温度优选为400℃～600℃，更优 选为450℃～550℃；压力优选为20MPa～40MPa，更优选为25MPa～3030MPa。 处理完毕后，将得到的反应产物通过出料管5后按照本领域技术人员熟知的 方法进行降温、固气分离处理后，即可直接排放。

本发明利用设置有微孔的内壁形成的反应室作为超临界氧化反应的场 所，通过高温高压的空气将反应液局限在反应室内不与耐压外壳接触，从而 减少反应液对耐压外壳的腐蚀；同时，高压空气经由设置有微孔的内壁进入 反应室时，能够在内壁的内表面上形成一层气膜，该气膜不仅可以阻止盐沉 积的固体附着在管壁造成的内壁或管道堵塞，也可以避免反应液与内壁直接 接触，减少反应液对处理装置的腐蚀。另外，本发明提供的处理装置结构简 单，不仅便于日常运行和维护，也便于规模化生产。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润 饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。