一種餐廚垃圾水熱液化製取燃料油的方法與流程
2023-12-12 08:10:07 6
本發明涉及一種餐廚垃圾水熱液化製取燃料油的方法，可實現餐廚垃圾中有機質的能源化利用。
背景技術：
餐廚垃圾是指食堂、餐廳、社區家庭在食品加工、飲食服務、用餐過程中產生的食物殘渣、廢棄油脂、過期食品等。餐廚垃圾中富含有機質(75～95wt％.d)，主要由糖類、蛋白質與脂肪組成，因而堆放或運輸過程容易滋生有害病菌，處理不當極易引發各類交叉感染疾病。餐廚垃圾含水率普遍在65～85wt％，其幹基高位熱值低於20mj/kg，若用於焚燒發電還需要面臨二噁英等汙染物和預處理脫水等一系列問題，因而餐廚垃圾不適合應用於焚燒處理。《「十二五」全國城鎮生活垃圾無害化處理設施建設規劃》推行將餐廚垃圾從生活垃圾中單獨分類收集，在食堂、餐廳、社區等餐廚垃圾生產地放置餐廚垃圾專用回收桶，每天定時定點收集轉運至處理中心。現行餐廚垃圾處理系統大多為生物處理，包括好氧堆肥和厭氧發酵。然而，生物處理周期長，對原料要求極高，預處理過程繁瑣，並且存在酸中毒與生物安全等隱患，生物處理後仍有約30％殘渣需要送往焚燒廠。因而，餐廚垃圾的生物處理仍然存在諸多問題與不足。而餐廚垃圾的水熱處理方法，是一種安全、高效、綠色的處理方法，能夠實現無害化、減量化與資源化的綜合利用。
水熱處理是指將高含水的餐廚垃圾直接與水混合加熱，在高溫高壓條件下進行的一種熱處置方式，因而該處理方式無需對高含水原料進行脫水預處理。在現有的餐廚垃圾水熱處理技術中，其反應參數較低，一般溫度低於240℃，壓力低於3mpa，停留時間多為數小時，目標產物多為固態顆粒，用於生產有機肥。而餐廚垃圾水熱生產的有機肥，腐熟程度不高，氮磷鉀的含量受限於進料中含量，通常需要後續再添加。因而，水熱製取有機肥多為消納性處理，商用價值不高。
技術實現要素：
本發明目的通過水熱液化處理餐廚垃圾來製取燃料油，實現餐廚垃圾中有機質的能源化利用。本發明無需對高含水的餐廚垃圾進行脫水預處理，水熱處理過程對原料適應性高；製得燃料油熱值高，可進一步催化裂解加工後獲得輕質柴油或汽油。
本發明所採用的技術方案如下：一種餐廚垃圾水熱液化製取燃料油的方法，包括以下步驟：
(1)垃圾收集與分選
將餐廚垃圾收集後，分選出餐廚垃圾中的無機雜質，殘留物作為原料；
(2)油脂分離與粗破碎
將分選後的原料進行離心與靜置處理，分離出上層油脂後，以用作生物柴油或工業油脂原料；將殘留物進行粗破碎，並與液相混合均勻形成泔水懸濁液；
(3)進料預處理
將泔水懸濁液與循環水相混合後，調節固含量在5～25wt％；
(4)水熱液化反應
進料在水熱反應釜內進行水熱反應，反應釜內溫度控制在290～350℃，自壓範圍為8～15mpa，攪拌並在水熱條件下停留20～60min；
(5)有機溶劑萃取與循環
在反應釜內洩壓後，向反應釜內通入有機溶劑萃取出產物油，進行固液分離後，有機溶劑相減壓蒸發後回收再利用，蒸乾後的產物即為製得的燃料油。
進一步地，步驟(1)中無機雜質包括塑料、織物、大型骨塊。
進一步地，步驟(2)中粗破碎要求無明顯大塊食物，粒徑小於10cm。
進一步地，步驟(3)中混合液相可先進行預熱處理，預熱至90～100℃後再送入反應釜。
進一步地，步驟(3)中以保證良好流動性為準，調節固含量在6～20wt％。
進一步地，步驟(3)中將泔水懸濁液與循環水相混合後，調節混合液ph小於3.5，使原料蛋白質中氮轉移至水相中，以保證產物油中較低的氮含量，提高燃料油的清潔利用性。
進一步地，步驟(4)中所述攪拌速率控制在300～400rpm，以保證物料的充分接觸，減少焦顆粒的生成。
進一步地，步驟(4)中所述水熱反應完成後，可對反應釜進行洩壓閃蒸，產生的閃蒸蒸汽與水熱反應釜內餘氣混合後進入預熱罐預熱進料。
進一步地，步驟(5)中所述有機溶劑為烷烴混合物，加入量為產物油：溶劑＝1:30～1:40g/ml。
進一步地，步驟(5)中所述固液分離完成後，水相可與進料中泔水懸濁液混合，以循環利用。
本發明的有益效果是：本發明開創性提出利用餐廚垃圾製取高熱值燃料油，實現了餐廚垃圾的無害化、減量化與能源化綜合利用。本發明首先能對餐廚垃圾實現快速高效地無害化與減量化處理，高溫水熱反應能有效殺死餐廚垃圾中的病毒細菌等生命體，避免有害病菌的傳播，減少對環境的汙染。另外，水熱反應對原料具有極強適應性，對已經變質變臭的有機質也能無差別地處理。在水熱液化過程中，有機質中糖類、蛋白質和脂肪等大分子聚合物先水解成單體，單體再水介質中充分接觸發生聚合與縮合反應，生成芳香類物質；芳香類物質或含氮化合物進一步發生芳構化反應形成產物油或者焦顆粒。本發明製得高熱值、高附加價值的燃料油，熱值高於37mj/kg，輕質汽油組分超過50％，可作為催化裂解原料再加工後獲得輕質柴油或汽油。
附圖說明
圖1為本發明餐廚垃圾水熱液化製取燃料油工藝流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
本發明提供的一種餐廚垃圾水熱液化製取燃料油的方法，包括以下步驟：
(1)垃圾收集與分選
將餐廚垃圾收集後，分選出餐廚垃圾中的無機雜質，殘留物作為原料；
(2)油脂分離與粗破碎
將分選後的原料進行離心與靜置處理，分離出上層油脂後，以用作生物柴油或工業油脂原料；將殘留物進行粗破碎，並與液相混合均勻形成泔水懸濁液。分離出的油脂具有極高應用價值，可單獨收集後用作工業原料，不需經過高溫高壓水熱處理；
(3)進料預處理
將泔水懸濁液與循環水相混合後，調節固含量在5～25wt％；
(4)水熱液化反應
進料在水熱反應釜內進行水熱反應，反應釜內溫度控制在290～350℃，自壓範圍為8～15mpa，攪拌並在水熱條件下停留20～60min；
(5)有機溶劑萃取與循環
在反應釜內洩壓後，向反應釜內通入有機溶劑萃取出產物油，進行固液分離後，有機溶劑相減壓蒸發後回收再利用，蒸乾後的產物即為製得的燃料油。
進一步地，步驟(1)中餐廚垃圾可從專用垃圾桶中單獨收集，以減少餐廚垃圾中塑料、織物、大型骨塊等無機雜物。從專用桶中收集的餐廚垃圾富含有機質，參考含量範圍為75～95wt％(幹基)，主要由糖類(30～50wt％)、蛋白質(15～20wt％)與脂肪(6～30％)組成。
進一步地，步驟(2)中粗破碎要求無明顯大塊食物，粒徑小於10cm。
進一步地，步驟(3)中混合液相可先進行預熱處理，預熱至90～100℃後再送入反應釜。
進一步地，步驟(3)中以保證良好流動性為準，調節固含量在6～20wt％。
進一步地，步驟(3)中將泔水懸濁液與循環水相混合後，調節混合液ph小於3.5，使原料蛋白質中氮轉移至水相中，以保證產物油中較低的氮含量，提高燃料油的清潔利用性。
進一步地，步驟(4)中所述攪拌速率控制在300～400rpm，以保證物料的充分接觸，減少焦顆粒的生成。
進一步地，步驟(4)中所述水熱反應完成後，可對反應釜進行洩壓閃蒸，產生的閃蒸蒸汽與水熱反應釜內餘氣混合後進入預熱罐預熱進料。
進一步地，步驟(5)中所述有機溶劑為烷烴混合物，加入量為產物油：溶劑＝1:30～1:40g/ml。
進一步地，步驟(5)中所述固液分離完成後，水相中含大量可溶性有機質，總有機碳含量參考範圍為1～5g/l，ph參考範圍為4～6，可與進料中泔水懸濁液混合，以循環利用；水相循環利用有助於輕質烴類的生成，提高燃料油的產率。
進一步地，步驟(5)製得的燃料油產率可達45wt％，熱值高於37mj/kg，殘炭值低於15wt％，能量回收率超過80％。製得燃料油將呈現黑色粘稠狀。
實施例
如圖1所示，將餐廚垃圾專用桶中垃圾收集轉運至處理中心後，分揀出餐廚垃圾中塑料、織物、大型骨塊等雜質。對分揀後餐廚垃圾進行離心靜置，將上層油脂單獨收集作為工業原料；將下層殘留食物和懸濁液進行粗破碎，破碎後無明顯大塊食物，粒徑小於10cm。將粗破碎後泔水懸濁液與循環水相混合，使混合液固含量為11.1wt％，並調節ph為3.0。將混合後餐廚垃圾經過進料倉送入預熱罐，利用閃蒸後回收的高溫蒸汽對進料進行預熱，預熱終溫為90℃。將預熱後餐廚垃圾送入反應釜，加熱至320℃，壓力為10.9mpa，攪拌轉速為300rpm，停留20min後開啟閃蒸閥門。閃蒸洩壓後蒸汽送入預熱罐預熱下一批進料。從閃蒸釜和反應釜底部通入有機溶劑(混合烷烴)對產物油進行萃取，加入量為1:30g/ml(產物油：溶劑)。萃取液進行固液分離，固相為生成的焦顆粒與底渣。水相中富含可溶性有機物，總有機碳含量為1.6g/l，ph為5.8，作為循環水與進料餐廚垃圾混合。有機溶劑相經過蒸發後回收利用，蒸乾後殘留產物即為燃料油。
表1為餐廚垃圾水熱液化製取燃料油方法的不同反應參數與相應產物燃料油特性對應表。從表中可見，燃料油的熱值均高於37mj/kg，殘炭值低於15％，輕質汽油含量均高於50％；產物燃料油與傳統石油化工中渣油特性類似，已經具備能源利用特性。但由於餐廚垃圾組分中蛋白質含氮量高，因而產物油中氮含量較高。因而本發明控制進料混合液ph在3.5以下，可使氮含量大幅轉移至水相，以降低產物燃料油中的氮含量，實現清潔利用。
表1