環保高效的利用高含水有機廢棄物製備固體燃料的方法以及利用該方法的熱電聯產系統的製作方法

2023-07-11 08:40:11

環保高效的利用高含水有機廢棄物製備固體燃料的方法以及利用該方法的熱電聯產系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及環保高效的利用高含水有機廢棄物製備固體燃料的方法，具體地涉及利用高含水有機廢棄物製備固體燃料的方法，上述利用高含水有機廢棄物製備固體燃料的方法包括：廢棄物混合步驟(a)，將高含水有機廢棄物和城市垃圾投入於Fe系的反應器並進行混合；水解步驟(b)，對上述反應器施加高溫的蒸氣，來加壓上述有機廢棄物和城市垃圾的混合物之後，通過在加壓狀態下進行攪拌，來使上述混合物水解；減壓步驟(c)，排出上述反應器的內部的蒸氣，來將反應器的內部快速減壓並進行靜置，從而將經過上述水解步驟(b)的有機廢棄物低分子化，或者通過增大經過上述水解步驟(b)的城市垃圾的比表面積來使其破碎；真空或差壓步驟(d)，對上述反應器施加真空或差壓條件，來去除經過上述減壓步驟(c)的反應物的水分；以及固體染料化步驟(e)，將經過上述真空或差壓步驟(d)的反應物進行自然乾燥及壓縮成型，來製備水分含量為10～20％的固體燃料。
【專利說明】環保高效的利用高含水有機廢棄物製備固體燃料的方法以 及利用該方法的熱電聯產系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及明顯減少惡臭，且既環保又有效地從高含水有機廢棄物製備固體原料 的方法及利用該方法的熱電聯產系統。

【背景技術】
[0002] 利用焚燒、發酵、直接及間接乾燥等技術來處理有機汙泥和畜產糞尿等有機廢棄 物。然而，焚燒的情況下，生成二惡英等有害物質，需要大量的外部能量，且設置費用很高， 因而存在不經濟的缺點。並且，當進行直接及間接乾燥時，存在將80%的水分降低至15% 所需的能量相當多，且在乾燥過程及乾燥後的固體燃料中產生嚴重的惡臭的問題。並且，發 酵的情況下，存在這種惡臭的產生尤其嚴重，能量效率低，所需時間長，且需處理廢水的問 題。並且，海洋排出因協約的生效而2012年1月以後禁止排出下水汙泥及畜產糞尿，並且 2013年1月以後，在處理食品垃圾的過程中所產生的廢水也將禁止海洋投棄。
[0003] 關於高含水有機廢棄物的處理，為了將高含水有機廢棄物用作能源而正開發將其 固體染料化的技術，這種情況下，必須將水分含量降低至15%以下。這種固體染料化技術大 致分為乾燥和碳化，但考慮總能量部分而最優選為乾燥。然而，當前，存在乾燥的過程中的 惡臭和所生成的燃料的存儲及使用時伴隨的惡臭的問題。


【發明內容】

[0004] 技術問題
[0005] 對此，為了解決如上所述的問題，本發明要解決的問題在於，提供明顯減少惡臭， 且既環保又有效地從高含水有機廢棄物製備固體原料的方法。
[0006] 並且，本發明要解決的問題在於，提供利用通過上述方法製備的固體燃料的熱電 聯產系統。
[0007] 解決問題的手段
[0008] 用於解決如上所述的問題的本發明作為一實施方式涉及利用高含水有機廢棄物 製備固體燃料的方法，上述利用高含水有機廢棄物製備固體燃料的方法包括：廢棄物混合 步驟（a)，將高含水有機廢棄物和城市垃圾投入於Fe系的反應器並進行混合；水解步驟 (b)，對上述反應器施加高溫的蒸氣，來加壓上述有機廢棄物和城市垃圾的混合物之後，通 過在加壓狀態下進行攪拌，來使上述混合物水解；減壓步驟（c)，排出上述反應器的內部的 蒸氣，來將反應器的內部快速減壓並進行靜置，從而將經過上述水解步驟（b)的有機廢棄 物低分子化，或者通過增大經過上述水解步驟（b)的城市垃圾的比表面積來使其破碎；真 空或差壓步驟（d)，對上述反應器施加真空或差壓條件，來去除經過上述減壓步驟（c)的反 應物的水分；以及固體染料化步驟（e)，將經過上述真空或差壓步驟（d)的反應物進行自然 乾燥及壓縮成型，來製備水分含量為10?20%的固體燃料。
[0009] 並且，作為另一實施方式，本發明涉及利用通過上述方法製備的固體燃料的熱電 聯產系統。
[0010] 發明的效果
[0011] 本發明具有如下效果：將高含水有機廢棄物和城市垃圾投入於Fe系的反應器並 進行混合，且施加高溫高壓的水蒸氣，由此藉助基於水蒸氣自由基的分解力、Fe反應催化劑 的基於蛋白腖反應的促進而非常有效地分解有機物及惡臭成分，並且，藉助快速減壓工序， 破碎有機廢棄物，完全分解，並有效乾燥有機廢棄物的內部水，由此製備固體燃料。尤其，本 發明具有如下效果：在施加高溫高壓的蒸氣後經過快速減壓的步驟，由此將未分解的有機 廢棄物低分子化，並使城市垃圾膨脹來增大比表面積，以大大提高幹燥的效率，從而能夠在 短時間內製備固體燃料。
[0012] 並且，通過本發明的方法製備的固體燃料具有如下效果：因具有高的低位發熱量 而能夠提供為代替化石能源的優秀的能源，從而能夠藉助利用該固體燃料的熱電聯產系統 有效生產電力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1示出了本發明的高含水有機廢棄物的處理系統。
[0014] 圖2示出了水的離子積變化和介電常數變化曲線。

【具體實施方式】
[0015] 本發明涉及如下的環保高效的利用高含水有機廢棄物製備固體燃料的方法，將高 含水有機廢棄物和城市垃圾投入於Fe系的反應器並進行混合，且施加高溫高壓的水蒸氣， 由此藉助基於水蒸氣自由基的分解力、Fe反應催化劑的基於蛋白腖反應的促進而分解有機 物及惡臭成分，並且，藉助快速減壓工序，破碎有機廢棄物，完全分解，並有效乾燥有機廢棄 物的內部水。
[0016] 以下，對本發明進行詳細說明。
[0017] 本發明涉及利用高含水有機廢棄物製備固體燃料的方法，上述利用高含水有機廢 棄物製備固體燃料的方法包括：廢棄物混合步驟（a)，將高含水有機廢棄物和城市垃圾投 入於Fe系的反應器並進行混合；水解步驟（b)，對上述反應器施加高溫的蒸氣，來加壓上述 有機廢棄物和城市垃圾的混合物之後，通過在加壓狀態下進行攪拌，來使上述混合物水解； 減壓步驟（c)，排出上述反應器的內部的蒸氣，來將反應器的內部快速減壓並進行靜置，從 而將經過上述水解步驟（b)的有機廢棄物低分子化，或者通過增大經過上述水解步驟（b) 的城市垃圾的比表面積來使其破碎；真空或差壓步驟（d)，對上述反應器施加真空或差壓 條件，來去除經過上述減壓步驟（c)的反應物的水分；以及固體染料化步驟（e)，將經過上 述真空或差壓步驟（d)的反應物進行自然乾燥，來製備水分含量為10?20%的固體燃料。
[0018] 在本發明中，上述廢棄物混合步驟（a)為將高含水有機廢棄物和城市垃圾投入於 Fe系的反應器並進行混合的步驟，優選地，上述高含水有機廢棄物為選自畜產糞尿、下水汙 泥、食物垃圾中的一種以上，上述高含水有機廢棄物的水分含量為80 %以上，上述城市垃圾 包括紙類及塑料類。這是因為在減壓步驟中通過減壓實現低分子化的有機廢棄物與隨著膨 脹而具有增大的比表面積的紙類及塑料類城市垃圾發生反應，從而將乾燥的效率最大化， 並且，包括作為石油類有機物質的塑料類城市垃圾，由此能夠提高所生成的固體燃料的低 位發熱量。在上述城市垃圾中，紙類優選為50?55重量百分比，塑料類優選為40?45重 量百分比。
[0019] 並且，在上述廢棄物混合步驟（a)中，更優選地，將上述高含水有機廢棄物和城市 垃圾以3. 5?4:0. 5?1的比例投入並進行混合。並且，更優選地，將上述高含水有機廢棄 物和城市垃圾以70?90%的填充率投入於上述反應器並進行混合。這是因為即使將所需 廢棄物以如上所述的高的填充率投入於反應器的內部，也可從反應器的外部供給高溫高壓 的水蒸氣而維持與飽和水蒸氣的接觸反應，因而能夠將廢棄物的處理容量最大，來提高反 應的效率。
[0020] 並且，在本發明中，上述水解步驟（b)為對上述反應器施加高溫的蒸氣，來加壓上 述有機廢棄物和城市垃圾的混合物之後，通過在加壓狀態下進行攪拌，來使上述混合物水 解的步驟，通過加壓分解組成有機廢棄物的物質並進行低分子化，且分解包含硫酸成分的 惡臭成分來去除惡臭，並藉助高溫明顯降低有機廢棄物的含水率。此時，優選地，利用與上 述反應器相連接的鍋爐，來對上述反應器施加200?250°C的蒸氣，使得反應器的內部壓力 成為20?25大氣壓後，進行攪拌來實現水解反應。圖2示出了水的離子積（[H+][0H-])的 變化和介電常數的變化，如圖2所示，在200?250°C溫度下離子反應最活潑，與常溫相比， 呈現約1000倍以上的活性，且介電常數與常溫相比降低至1/3?1/4水準，因此在離子之 間產生電位差，從而能夠增加有機物分解力。對此，在小於上述溫度及壓力範圍的情況下， 有機物的分解及惡臭的減少效果降低，從而不能獲得所需的效果，且超過上述溫度及壓力 範圍的情況下，會導致能量損失。
[0021] 並且，在本發明的上述步驟（b)中，利用與上述反應器相連接的鍋爐來供給蒸氣， 直接與溫度低的有機廢棄物相接觸並噴射，而無需變為高溫水的過程，反應器內的有機廢 棄物與從鍋爐供給的水蒸氣相接觸而發生物理化學反應，由此明顯提高反應的效率。並且， 如上所述，利用從外部供給的鍋爐來供給蒸氣，而不發生與高溫水反應的現象，因此，即使 填充於反應器的內部的廢棄物的量增加，也可維持反應，從而能夠將待處理的廢棄物的混 合物以達到反應器的70?90%的方式進行填充，來發生與水蒸氣的接觸反應。
[0022] 並且，上述水解反應在Fe系的反應器的內部進行，因此藉助Fe的催化作用，尤其， 能夠在反應器內飽和水蒸氣所佔的區域促進蛋白腖反應，從而能夠明顯提高反應的效率， 且隨著反應器的處理及運轉，在反應器的內部形成1?2mm的有機膜，由此能夠防止NaCl 等引起的腐蝕。
[0023] 並且，在本發明中，上述減壓步驟（c)為排出上述反應器的內部的蒸氣，來將反應 器的內部快速減壓並進行靜置，從而將經過上述水解步驟（b)的有機廢棄物低分子化，或 者通過增大經過上述水解步驟（b)的城市垃圾的比表面積來使其破碎的步驟，對利用高溫 的蒸氣加壓的狀態的反應物進行瞬間減壓來增大體積，由此進行低分子化或破碎。通過這 種減壓步驟，作為原料的城市垃圾的體積瞬間膨脹而使比表面積增大，由此隨著與含水有 機物進行反應而乾燥，能夠相當縮短乾燥時間，從而明顯提高幹燥的效率，優選地，以將上 述反應器的內部的蒸氣排出10?120秒鐘來使上述反應器的內部壓力成為0. 9?1. 1大 氣壓的方式快速減壓。
[0024] 並且，本發明的特徵在於，上述真空或差壓步驟（d)為對上述反應器施加真空或 差壓條件，來去除經過上述減壓步驟（c)的反應物的水分的步驟，優選地，利用與上述反應 器相連接的真空泵，來對上述反應器施加10?15分鐘的真空或差壓條件，從而去除經過上 述減壓步驟（c)的反應物中所含有的水分的5?10%。
[0025] 並且，本發明的特徵在於，上述固體染料化步驟（e)為將經過上述步驟（d)的反應 物進行自然乾燥，來製備水分含量為10?20%的固體燃料的步驟，優選地，所製備的固體 燃料的低位發熱量為5000kcal/kg以上。
[0026] 並且，作為另一實施方式，本發明涉及利用通過上述方法製備的固體燃料的熱電 聯產系統。即，本發明可提供如下的熱電聯產系統，從上述高含水有機廢棄物和城市垃圾制 備固體燃料（垃圾衍生燃料（RDF))，並向上述垃圾衍生燃料專用燃燒器及鍋爐供給上述固 體燃料，來生產過熱蒸氣，藉助利用上述過熱蒸氣的蒸汽發電系統生產電力。
[0027] 以下，通過實施例對本發明進行詳細說明。
[0028] 實施例
[0029]〈實施例1>
[0030] 製作分批式的具有Fe材質的5m3的大小的反應器，並且儘快向反應器投入含水率 為80?85%的畜產糞尿3. 5t和紙類城市垃圾（MSW)O. 5?It後，關閉了反應器上部的投 入口。與投入結束同時，混合畜產糞尿和城市垃圾，並供給210°C溫度的水蒸氣，來使反應 器的內部壓力成為23atm。此時，所投入的飽和水蒸氣或過熱水蒸氣在預先準備的反應器 上部的水蒸氣供給專用鍋爐中在約3?5分鐘內達到反應條件，從而中斷了水蒸氣的供給。 以使所供給的水蒸氣和對象廢棄物之間發生物理化學反應的方式以10?15rpm的速度進 行了攪拌。在反應進行期間，當成為預先設定的溫度和壓力以下的條件時，間歇性地供給飽 和水蒸氣或過熱蒸氣，來維持了 210°C溫度、23atm壓力的氣氛。根據處理對象物的物性，維 持30?60分鐘的上述狀態，來充分發生基於水蒸氣、處理對象有機物及Fe系的反應器的 藉助催化作用的蛋白腖反應。
[0031] 然後，打開減壓閥，並通過蒸氣排出口瞬間排出水蒸氣，直到2分鐘內成為大氣壓 (1大氣壓）為止，從而將上面的在反應過程中未分解的有機物、有機細胞或城市垃圾進行 低分子化或破碎。低分子化或破碎結束後，在高溫真空或差壓條件下，為了去除反應器內的 反應物的水分，利用外部的真空（差壓）泵，來執行約10?15分鐘的真空（差壓）工序， 從而去除了反應物內的所有水分的約5?10%。反應後所生成的生成物移向槳葉式自然幹 燥場後，進行自然乾燥，由此生成了含水率為15%的最終固體燃料。
[0032]〈比較例1>
[0033] 利用上述實施例1的方法製備固體燃料，且以不添加城市垃圾（MSW)的方式製備 了固體燃料。
[0034]〈比較例2>
[0035] 利用上述實施例1的方法製備固體燃料，且不經過加壓後排出蒸氣來瞬間快速減 壓的過程，來製備了固體燃料。
[0036] 實駘及結果
[0037] 將未經過處理的高含水廢棄物和比較例1及比較例2作為對照組，來測定上述實 施例的基於固體燃料的製備時間（乾燥時間）的含水量的變化，並將由此得到的結果示於 下列表1中。
[0038] 表 1

【權利要求】
1. 一種利用高含水有機廢棄物製備固體燃料的方法，其特徵在於，包括： 廢棄物混合步驟（a)，將高含水有機廢棄物和城市垃圾投入於Fe系的反應器並進行混 合； 水解步驟（b)，對上述反應器施加高溫的蒸氣，來加壓上述有機廢棄物和城市垃圾的混 合物之後，通過在加壓狀態下進行攪拌，來使上述混合物水解； 減壓步驟（c)，排出上述反應器的內部的蒸氣，來將反應器的內部快速減壓並進行靜 置，從而將經過上述水解步驟（b)的有機廢棄物低分子化，或者通過增大經過上述水解步 驟（b)的城市垃圾的比表面積來使其破碎； 真空或差壓步驟（d)，對上述反應器施加真空或差壓條件，來去除經過上述減壓步驟 (c)的反應物的水分；以及 固體染料化步驟（e)，將經過上述真空或差壓步驟（d)的反應物進行自然乾燥，來製備 水分含量為10?20%的固體燃料。
2. 根據權利要求1所述的利用高含水有機廢棄物製備固體燃料的方法，其特徵在於， 在上述廢棄物混合步驟（a)中，上述高含水有機廢棄物為選自畜產糞尿、下水汙泥、食物垃 圾中的一種以上，上述高含水有機廢棄物的水分含量為80 %以上，上述城市垃圾包括紙類 及塑料類。
3. 根據權利要求2所述的利用高含水有機廢棄物製備固體燃料的方法，其特徵在於， 在上述廢棄物混合步驟（a)中，將上述高含水有機廢棄物和城市垃圾以3. 5?4:0. 5?1 的比例投入並進行混合。
4. 根據權利要求2所述的利用高含水有機廢棄物製備固體燃料的方法，其特徵在於， 在上述廢棄物混合步驟（a)中，將上述高含水有機廢棄物和城市垃圾以70?90 %的填充率 投入於上述Fe系的反應器並進行混合。
5. 根據權利要求1所述的利用高含水有機廢棄物製備固體燃料的方法，其特徵在於， 在上述水解步驟（b)中，利用與上述反應器相連接的鍋爐，來對上述反應器施加200? 250°C的蒸氣，並加壓上述有機廢棄物和城市垃圾的混合物，使得反應器的內部壓力成為 20?25大氣壓。
6. 根據權利要求1所述的利用高含水有機廢棄物製備固體燃料的方法，其特徵在於， 在上述減壓步驟（c)中，以將上述反應器的內部的蒸氣排出10?120秒鐘來使上述反應器 的內部壓力成為〇. 9?1. 1大氣壓的方式快速減壓。
7. 根據權利要求1所述的利用高含水有機廢棄物製備固體燃料的方法，其特徵在於， 在上述真空或差壓步驟（d)中，利用與上述反應器相連接的真空泵，來對上述反應器施加 10?15分鐘的真空或差壓條件，從而去除經過上述減壓步驟（c)的反應物中所含有的水分 的5?10%。
8. 根據權利要求1所述的利用高含水有機廢棄物製備固體燃料的方法，其特徵在於， 在上述固體染料化步驟（e)中製備的固體燃料的低位發熱量為5000kcal/kg以上。
9. 一種熱電聯產系統，其特徵在於，向鍋爐供給利用權利要求1至8中的任一項所述的 利用高含水有機廢棄物製備固體燃料的方法來製備的固體燃料來生產過熱蒸氣，並利用所 生產的過熱蒸氣來生產電力。
【文檔編號】B09B3/00GK104508093SQ201380025548
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年5月15日 優先權日:2012年5月17日
【發明者】河在炫 申請人:河在炫, 高瀬淨二