一種餐廚垃圾水熱處理方法及裝置製造方法
2023-05-11 05:00:16
一種餐廚垃圾水熱處理方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種餐廚垃圾水熱處理方法及裝置。其中，該方法為：剔除雜質和油脂分離，提取餐廚垃圾中的上層的廢油脂；一級水熱反應：將油脂分離的餐廚垃圾，採用電加熱實現順序升溫，水熱反應溫度在200℃-250℃之間，反應時間在5-25分鐘之間，PH值小於7；熱交換：一級水熱反應後的反應物，通過液體進行冷卻，使其溫度降到130℃-180℃之間；二級水熱反應：對熱交換後的反應物再次進行水熱反應，反應溫度在130℃-180℃之間，反應時間40-80分鐘之間；三相分離：將二級水熱反應後的反應物進行降溫，降至常溫後，將固體、液體和氣體分離。本發明反應時間縮短、能耗低；工藝控制更靈活也更精準；可以優化炭化液的可生物降解性，提高了炭化液進入厭氧處理工藝的效率。
【專利說明】一種餐廚垃圾水熱處理方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及垃圾再利用領域，具體而言，涉及一種餐廚垃圾水熱處理方法及裝置。【背景技術】
[0002]餐廚垃圾的常用處理技術包括厭氧產沼氣、堆肥、提煉生物柴油和生產飼料等。
[0003]目前，利用水熱反應處理餐廚垃圾的研究在國內剛剛起步。1913年，德國學者Friedrich Bergius第一次描述了水熱炭化反應,他也在30年代獲得諾貝爾化學獎。然而水熱炭化反應的工程應用生產高熱值的類煤產品是最近幾年才開始得到重視的領域。生物質在有水為反應介質的條件下，壓力20-35帕，180°C和250°C的溫度範圍內，pH值3_7之間，經過脫水和脫羧過程，反應漿料在乾燥和/或脫水處理之後獲得的固體物質(富碳貧氧)，則類似於煤粉，具有基本上等於化石褐煤的熱值。其產物類似50000和5000萬年形成的褐煤，不同之處在於該反應可在3-12小時內發生。水熱炭化反應的成本偏高是其產業化的主要瓶頸。水熱炭化反應過程是一個放熱反應，具體如下:
[0004]C6H12O6 — C6H20+5H20 Δ H=2300kJ/mol
[0005]水熱反應包括脫水和脫羧兩個過程。發生脫水反應時，也在發生脫羧反應，其導致二氧化碳的產生。選擇較高溫度時，生物質中更多的碳轉換成二氧化碳的形式。然而，通過增加溫度，反應時間可以減少，但是反應過程中，除了脫水和脫羧，還有系列副反應也在發生，特別是水溶性的烴形成，留存在水熱反應液中，可能會導致水熱反應液處理成本增加，而且，長時間的高溫處理，其能耗高，從而導致成本高。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於提供一種餐廚垃圾水熱處理方法及裝置，以解決上述的問題。
[0007]在本發明的實施例中提供了一種餐廚垃圾水熱處理方法，包括以下步驟:
[0008]剔除雜質:剔除餐廚垃圾中的大塊異物；
[0009]油脂分離:將剔除雜質後的餐廚垃圾進行預熱，並保持靜置，提取餐廚垃圾中的上層的廢油脂；
[0010]一級水熱反應:將油脂分離的餐廚垃圾，即反應物，採用電加熱實現順序升溫，水熱反應溫度在200°c -250°c之間，反應時間在5-25分鐘之間，PH值小於7 ；
[0011]熱交換:一級水熱反應後的反應物，通過液體進行冷卻，使其溫度降到130。。-180。。之間；
[0012]二級水熱反應:對熱交換後的反應物再次進行水熱反應，反應溫度在1300C _180°C之間，反應時間40-80分鐘之間；
[0013]三相分離:將二級水熱反應後的反應物進行降溫，降至常溫後，將固體、液體和氣體分離。
[0014]進一步的，所述餐廚垃圾剔除垃圾後的含固率在5-25%之間。
[0015]進一步的，所述一級水熱反應中，反應過程中，pH為3-5。[0016]進一步的，將熱交換和三相分離過程中，降溫產生的熱能傳遞給剔除雜質後餐廚垃圾用於預熱反應物。
[0017]進一步的，所述一級水熱反應和所述二級水熱反應反應過程中添加有催化劑。
[0018]優選的，所述催化劑為有機酸、無機酸或水熱反應液。
[0019]一種餐廚垃圾水熱處理裝置，包括第一反應器、第二反應器和第三反應器；
[0020]所述第一反應器和所述第三反應器為帶螺杆的管道式反應器，所述第二反應器為立式反應罐，所述第一反應器、所述第二反應器和所述第三反應器均配有溫控裝置和攪拌裝置；
[0021]所述第一反應器連接有儲料罐，所述儲料罐連接有雜質剔除裝置，所述第一反應器和所述第二反應器之間連接有熱交換裝置，所述第二反應器與所述第三反應器連接，所述第三反應器連接有固態收集裝置、液態收集裝置、氣態收集裝置和降溫裝置。
[0022]進一步的，所述第一反應器、所述第二反應器和所述第三反應器均連接有壓力檢測裝置。
[0023]進一步的，所述第一反應器和所述第二反應器連接有催化劑添加裝置。
[0024]進一步的，所述熱交換裝置、所述第三反應器與所述儲料罐之間設有用於傳輸熱
量的管路。
[0025]本發明實施例提供的一種餐廚垃圾水熱處理方法及裝置，包括以下優點:
[0026]1、反應時間縮短、能耗低:水熱反應的時間一般在3到12小時之間，該方法及裝置採用了兩級水熱反應，並採用了管式反應器實現了迅速升溫和迅速降溫，使得反應物的總停留時間縮短。與一步法的水熱反應相比，該方法及裝置獲得相同質量的類煤產品的反應時間可以控制在2小時以內，熱能消耗也更少。因此，反應時間縮短、能耗低可節省反應器的容積和佔地需要，從而節約投資和運行費。
[0027]2、工藝控制更靈活也更精準:該方法及裝置通過把帶螺杆的管道式反應器與反應釜的結合來實現兩級水熱反應。提供了根據原料屬性及產品需要，優化工藝條件的可能性，即高溫段水熱反應的溫度/時間與低溫段水熱反應的溫度/時間的優化組合。螺杆管式反應器很好地集成了物料混合、傳質、傳熱或物料分離的功能，利於工藝過程的精準控制。
[0028]3、該方法及裝置可以優化炭化液的可生物降解性，提高了炭化液進入厭氧處理工藝的效率。餐廚垃圾水熱反應液中含有大量小分子有機酸，可以作為氮源、碳源，與其它有機垃圾混合後能提高厭氧發酵的效率。例如與城市有機垃圾，如公共綠地的剪草，菜市場有機垃圾或源頭單獨收集的家庭有機垃圾混合，進行厭氧發酵。厭氧反應後的沼渣也可以與該方法及裝置生產的類煤產品混合堆肥後，作為土壤改良劑。
[0029]4、減緩反應釜的底部沉積和器壁結垢問題。該方法及裝置將高溫段的水熱反應採用了帶螺杆的水平管道式反應器，有助於避免常規立式反應釜中固體物質沉積在反應器底部或在反應器壁上積垢的現象。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1示出了本發明實施例所述一種餐廚垃圾水熱處理裝置結構示意圖。
[0031]圖中:
[0032]1、第一反應器；2、第二反應器；3、儲料罐；4、剔除裝置；5、熱交換裝置；6、第三反應器；7、固態收集裝置；8、液態收集裝置；9、氣態收集裝置；10、催化劑添加裝置。
【具體實施方式】
[0033]下面通過具體的實施例子並結合附圖對本發明做進一步的詳細描述。
[0034]如圖1所示，一種餐廚垃圾水熱處理方法，包括以下步驟:
[0035]剔除雜質:剔除餐廚垃圾中的大塊異物；
[0036]油脂分離:將剔除雜質後的餐廚垃圾進行預熱，並保持靜置，提取餐廚垃圾中的上層的廢油脂；
[0037]—級水熱反應:將油脂分離的餐廚垃圾，即反應物，採用電加熱實現順序升溫，水熱反應溫度在200°C _250°C之間，反應時間在5-25分鐘之間，PH值小於7 ；
[0038]熱交換:一級水熱反應後的反應物，通過液體進行冷卻，使其溫度降到130。。-180。。之間；
[0039]二級水熱反應:對熱交換後的反應物再次進行水熱反應，反應溫度在1300C _180°C之間，反應時間40-80分鐘之間；
[0040]三相分離:將二級水熱反應後的反應物進行降溫，降至常溫後，將固體、液體和氣體分離。
[0041]優選的，餐廚垃圾剔除垃圾後的含固率在5-25%之間。
[0042]一級水熱反應中，反應過程中，pH優選的是小於7，更優的pH為3-5。
[0043]將熱交換和三相分離過程中，降溫產生的熱能傳遞給剔除雜質後餐廚垃圾用於預熱反應物。其中，整個系統中，油脂分離過程中需要吸收熱量，而熱交換和三相分離時則查出熱量，所以，將產出的熱量用於給油脂分離進行預熱，實現了能源再利用。
[0044]—級水熱反應反應和二級水熱反應過程中添加有催化劑。水熱反應的脫水和脫羧過程都可以通過加入合適的催化劑被促進。因此，所需的轉化程度已經可以在較低的溫度和較少的反應時間達到。
[0045]優選的，催化劑為有機酸、無機酸或水熱反應液。
[0046]—種餐廚垃圾水熱處理裝置，包括第一反應器1、第二反應器2和第三反應器6 ；
[0047]第一反應器I和第三反應器6為帶螺杆的管道式反應器，第二反應器2為立式反應罐，第一反應器1、第二反應器2和第三反應器6均配有溫控裝置和攪拌裝置；
[0048]第一反應器I連接有儲料罐3，儲料罐3連接有雜質剔除裝置4，第一反應器I和第二反應器2之間連接有熱交換裝置5，第二反應器2與第三反應器連接，第三反應器6連接有固態收集裝置7、液態收集裝置8、氣態收集裝置9和降溫裝置。
[0049]其中，液態收集裝置8:接收固、液、氣三相分離器產生的水熱反應液，其中，部分反應液回流第一反應器I中，循環使用。其餘部分進入下一級工藝。下一級工藝優選厭氧反應產生沼氣，特別適合與其它有機廢棄物進行混合發酵。符合汙水處理廠需要的情況下，可選擇回流到進入汙水處理廠的生物處理單元或反消化單元，補充碳源。根據餐廚垃圾的不同屬性，某些情況下，水熱反應液可能含有酚類物質，其中單價酚類，像苯酚，甲酚和愈創木酚要求特殊處理，因為它們會抑制厭氧反應，直接排放會危害健康和環境。控制恰當的反應溫度，有可能降低水熱反應液裡單價酚類的含量。受不同工藝和不同餐廚垃圾屬性的影響，水熱反應液的氨氮濃度可能在600mg/L到1500mg/L之間，COD濃度在8000mg/L到15000mg/L之間。
[0050]固態收集裝置7:接收經第二級反應器的固、液、氣三相分離裝置出來的固體物質，稱為「類煤產品」，這時的含水率在40%-60%之間，熱值(幹基HHV )在29000 (kJ/kg) -32000 (kj/kg)之間，但不限於此。餐廚垃圾(幹基 HHV)為 18000 (kj/kg)-23000 (kj/kg)之間，但不限於此。類煤產品可以作為燃料外運給火電廠，水泥廠等。水熱反應產生的類煤產品也具有多孔性結構、碳含量高的特徵，因此也可以作為原料，外運給生物質炭化廠或者作為土壤修復劑的載體。類煤在酸性條件下獲得，它的多孔結構和微酸特性，使其可能成為改良鹼性土壤的原料。
[0051]氣態收集裝置9:水熱反應的一個副產物是從固液氣三相分離裝置中分離的氣體。氣體需要進行收集，並使其通過氣體淨化濾池，然後才能排放到環境。氣體濾池中的填料可選擇生物濾料外加一些添加劑。水熱氣的主要成分是CO2還包括少量的其它氣體。也可以根據需要，利用現有的碳補足技術回收co2。
[0052]第一反應器1、第二反應器2和第三反應器6均連接有溫控裝置和壓力檢測裝置。上述裝置用於控制反應器運行過程中的參數，保證反應器正常使用。
[0053]為了便於水熱反應的進行，可以在其中添加催化劑，第一反應器I和第二反應器2連接有催化劑添加裝置10。
[0054]熱交換裝置5、第三反應器6與儲料罐3之間設有用於傳輸熱量的管路。熱交換裝置5和第三反應器6使用過程中產生的熱量通過管路傳遞給儲料罐，進行預熱。
[0055]優選的，第一反應器I和第三反應器6為管道式耐壓反應器，第二反應器2為帶保溫功能的反應釜。
[0056]上述實施例提供的一種餐廚垃圾水熱處理方法及裝置，包括以下優點:
[0057]1、反應時間縮短、能耗低:水熱反應的時間一般在3到12小時之間，該方法及裝置採用了兩級水熱反應，並採用了管式反應器實現了迅速升溫和迅速降溫，使得反應物的總停留時間縮短。與一步法的水熱反應相比，該方法及裝置獲得相同質量的類煤產品的反應時間可以控制在2小時以內，熱能消耗也更少。因此，反應時間縮短、能耗低可節省反應器的容積和佔地需要，從而節約投資和運行費。
[0058]2、工藝控制更靈活也更精準:該方法及裝置通過把帶螺杆的管道式反應器與反應釜的結合來實現兩級水熱反應。提供了根據原料屬性及產品需要，優化工藝條件的可能性，即高溫段水熱反應的溫度/時間與低溫段水熱反應的溫度/時間的優化組合。螺杆管式反應器很好地集成了物料混合、傳質、傳熱或物料分離的功能，利於工藝過程的精準控制。
[0059]3、該方法及裝置可以優化炭化液的可生物降解性，提高了炭化液進入厭氧處理工藝的效率。餐廚垃圾水熱反應液中含有大量小分子有機酸，可以作為氮源、碳源，與其它有機垃圾混合後能提高厭氧發酵的效率。例如與城市有機垃圾，如公共綠地的剪草，菜市場有機垃圾或源頭單獨收集的家庭有機垃圾混合，進行厭氧發酵。厭氧反應後的沼渣也可以與該方法及裝置生產的類煤產品混合堆肥後，作為土壤改良劑。
[0060]4、減緩反應釜的底部沉積和器壁結垢問題。該方法及裝置將高溫段的水熱反應採用了帶螺杆的水平管道式反應器，有助於避免常規立式反應釜中固體物質沉積在反應器底部或在反應器壁上積垢的現象。
[0061]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種餐廚垃圾水熱處理方法，其特徵在於，包括以下步驟: 剔除雜質:剔除餐廚垃圾中的大塊異物； 油脂分離:將剔除雜質後的餐廚垃圾進行預熱，並保持靜置，提取餐廚垃圾中的上層的廢油脂； 一級水熱反應:將油脂分離的餐廚垃圾，即反應物，採用電加熱實現順序升溫，水熱反應溫度在200℃ -250℃之間，反應時間在5-25分鐘之間，PH值小於7 ； 熱交換:一級水熱反應後的反應物，通過液體進行冷卻，使其溫度降到130°C _180°C之間； 二級水熱反應:對熱交換後的反應物再次進行水熱反應，反應溫度在130°C -180°C之間，反應時間40-80分鐘之間； 三相分離:將二級水熱反應後的反應物進行降溫，降至常溫後，將固體、液體和氣體分離。
2.根據權利要求1所述的餐廚垃圾水熱處理方法，其特徵在於，所述餐廚垃圾剔除垃圾後的含固率在5-25%之間。
3.根據權利要求1所述的餐廚垃圾水熱處理方法，其特徵在於，所述一級水熱反應中，反應過程中，pH為3-5。
4.根據權利要求1所述的餐廚垃圾水熱處理方法，其特徵在於，將熱交換和三相分離過程中，降溫產生的熱能傳遞給剔除雜質後餐廚垃圾用於預熱反應物。
5.根據權利要求1所述的餐廚垃圾水熱處理方法，其特徵在於，所述一級水熱反應和所述二級水熱反應反應過程中添加有催化劑。
6.根據權利要求5所述的餐廚垃圾水熱處理方法，其特徵在於，所述催化劑為有機酸、無機酸或水熱反應液。
7.一種餐廚垃圾水熱處理裝置，其特徵在於，包括第一反應器、第二反應器和第三反應器； 所述第一反應器和所述第三反應器為帶螺杆的管道式反應器，所述第二反應器為立式反應罐，所述第一反應器、所述第二反應器和所述第三反應器均配有溫控裝置和攪拌裝置； 所述第一反應器連接有儲料罐，所述儲料罐連接有雜質剔除裝置，所述第一反應器和所述第二反應器之間連接有熱交換裝置，所述第二反應器與所述第三反應器連接，所述第三反應器連接有固態收集裝置、液態收集裝置、氣態收集裝置和降溫裝置。
8.根據權利要求7所述的餐廚垃圾水熱處理裝置，其特徵在於，所述第一反應器、所述第二反應器和所述第三反應器均連接有壓力檢測裝置。
9.根據權利要求7所述的餐廚垃圾水熱處理裝置，其特徵在於，所述第一反應器和所述第二反應器連接有催化劑添加裝置。
10.根據權利要求7所述的餐廚垃圾水熱處理裝置，其特徵在於，所述熱交換裝置、所述第三反應器與所述儲料罐之間設有用於傳輸熱量的管路。
【文檔編號】B09B3/00GK103894393SQ201410139557
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月8日 優先權日:2014年4月8日
【發明者】盧紅雁, 陳利民, 顏炯, 李澤瓊, 曹霞 申請人:四川大學