CN101020826A - 厨余垃圾的焦化处理方法及其处理装置 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种厨余垃圾的焦化处理方法及其处理设备。以常见的干燥后的厨余垃圾(主要包括米面、鱼、肉、骨、废餐具、纸巾、蔬菜以及果皮果核等)为原料，首先预热到200℃左右使其干燥，然后在滚筒式加热反应炉内以变化的加热速度(50～200℃/min)加热到450～600℃，并在此温度下进行焦化热解反应直至反应完全。厨余垃圾的焦化裂解可产生固体、液体、气体三种产物。其中，固体产物的主要成分为生物质焦炭；液体产物的成分为生物油，通过后处理，可以改质为代替汽油、柴油等的液体燃料；气体产物为可燃气体。

Description

厨余垃圾的焦化处理方法及其处理装置

[技术领域]

本发明涉及厨余垃圾的资源化处理技术，特别是涉及一种能安全有效地处理厨余垃圾同时产生具有极高经济价值的产物的厨余垃圾的焦化处理技术。

[技术背景]

随着经济发展和生活水平的提高，厨余垃圾正成为我国城市管理者面临的新课题。虽然一部分城市已经采取措施加以治理，但无论从技术、管理等各层面分析，厨余垃圾处理在我国仅是起步，亟带各方的高度重视和解决。

目前我国厨余垃圾处理的主要方式有填埋、堆肥和生物法处理三种。其中填埋因其处理成本较底，成为我国主要的一种处理厨余垃圾的方式，但是直接填埋容易造成二次污染，有机物腐败过程中产生的渗滤液易对地下水造成污染，同时其难闻的气味也会污染空气；堆肥法是将厨余垃圾堆积在地面或置于某种发酵装置中，它的优势是能够产生肥料，实现厨余垃圾的重利用，但是堆肥产生的肥料往往质量不高，农民不愿意使用，导致堆肥销路不畅，同时堆肥也会产生臭气，影响环境。生物法处理泛指一些新的处理技术，例如甲烷发酵技术，生物降解等。越来越多的人和部门正在投入到如何更好地处理厨余垃圾的研究中。

中国专利200510034527.7公开了一种将厨余垃圾转化为肥料的方法，通过预处理后，按比例加入辅料，配比混合，烘干降低水分至70％左右，同时将厨余垃圾和辅料的混合物与除臭发酵菌群按比例混合；再堆积升温发酵制成普通有机肥料，或供蚯蚓处理，制成天然优质肥料。该方法通过生物处理法将厨余垃圾变成肥料，是非常好的方式，目前很多关于厨余垃圾的处理新方法的最终目的都是把它变成肥料，但这些只能说是堆肥技术的改进，总体思路还是一样的。

美国专利20060278742公开了一种厨余垃圾的处理装置，它包括物料传输部分；一个碾磨机器；还有一个连接碾磨机器的永磁电机。为了减小整个设备的高度，还设置了一个出口装置。该发明设备主要用于家庭厨余垃圾的处理，目前有很多关于厨余垃圾处理装置的发明都是应用于家庭处理的小装置，虽然在很多发达国家这种推广做得比较好，但在我国，这种发明目前并不适应国情。我国更需要能够处理集中垃圾的发明和处理装置。

[发明内容]

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能高效地解决厨余垃圾带来的污染问题，同时能够产生生物原油(厨余焦油)以及其他化工原料的处理厨余垃圾的焦化工艺和装置，其特征在于该方法步骤如下：

1)厨余垃圾的预处理，由于厨余垃圾的成分较为复杂，存在很多无法利用的杂质，且含有较多的水分，所以在进行焦化处理前需要进行原料的除杂质和除水分的处理。通过余热进行干燥，同时去除里面无法利用的玻璃、陶瓷以及动物硬骨等。最后粉碎至直径小于5mm的小粒径。

2)厨余垃圾的预热阶段，把经过预处理过后的厨余垃圾预热到200±50℃，进一步去除水分，提高进入焦化加热系统的基础温度。

3)加热炉的加热反应阶段，该部分是整个工艺的核心，在没有或者含少量空气的条件下，对厨余垃圾进行较快的变速加热，加热速度为：50～200℃/min，加热到450～600℃，在这个温度下，厨余垃圾将进行焦化热解反应。

4)高温储罐的反应阶段，在通过加热炉后，物料进入高温储罐，储罐温度为450～600℃，保持与加热炉温度相同，部分在加热炉内未完全反应的物料在这里继续反应直至反应完全。

5)产物的收集阶段，反应过程中产生的高温气体进入冷凝器冷却并收集冷凝液体产物，该部分液体称为厨余焦油，成分包括：饱和烃，芳烃，沥青质，极性物，不饱和烃及含氧衍生物等。一般它的产量占整个预处理后的厨余垃圾质量的50％左右，是焦化工艺的主要产物；一部分无法冷凝的气体另行收集，该部分气体主要成分为二氧化碳和一氧化碳，还有少量烃类气体和氢气；固体产物至一个反应周期结束后从冷却了的高温储罐中取出，它的主要成分为优质生物焦炭。

6)产物的后处理阶段，通过加氢精制等后处理使三相产物具有更高的经济价值。

进一步地所述步骤1)中厨余垃圾粉碎后的颗粒的直径小于3mm。

进一步地所述步骤2)中的预热温度为200±20℃。

进一步地所述步骤3)中的加热终温为480～550℃

为了更好地实现上述焦化工艺，本发明提供了一种厨余垃圾焦化处理装置，主要包括进料系统(1)、滚筒式加热反应炉(5)、出料系统(8)、高温储罐(9)以及检测控制系统(6)和(7)，所述出料系统(8)再连接高温储罐(9)及高温储罐(9)连接气体处理系统(10)。同时包括连接在高温储罐(9)和滚筒式加热反应炉(5)上气体排出通道(4)、以及连接在通道(4)后的气体处理设备(10)。包括连接进料系统(1)和滚筒式加热反应炉(5)的螺旋输送机(2)，以及用于动静密封的氮气输入(3)。

1)进料系统，厨余垃圾通过进料口(1-1)进料，当进料占整个进料仓2/3以上后，进料仓口关闭，进行简单密封。物料通过电动震壁器(1-2)震动下落进入螺旋输送机(2)，通过螺旋输送机(2)进入滚筒式加热反应炉(5)。

2)加热反应系统，滚筒式加热反应炉(5)是整个焦化工艺的主要部件，它通过倾角滚动实现物料的运输前进，通过电热丝加热物料，物料在加热到一定温度后，开始焦化热解反应，同时内设特殊波形倒料板，如图2所示，使物料受热均匀、反应充分、前进有序。其中，(6-1)是滚筒的温度检测，(6-2)是温度控制，(3)是气环密封的氮气源。

3)出料系统，厨余垃圾进行焦化反应之后从出料系统(8)中出料到高温储罐(9)。其中(8-1)为出料端的观察口，(8-2)为连接高温储罐的快速密封接头。

4)高温储罐，高温储罐(9)作为整个系统的重要部分，起到了储存固体产物和辅助反应的作用。它作为一个相对独立的加热反应系统，独立配有控制系统(7)。

5)气体产物处理系统，除了存储固体产物的高温储罐(9)之外，焦化热解产生的气体产物是最为重要的产物，它通过连接主反应器的(4-1)和辅反应器的(4-2)两个气体通道进入气体处理系统(10)，简单的气体处理系统(10)是一个冷凝器，把高温气体产物冷凝下来。

本发明与现有厨余垃圾处理技术相比具有如下优点：

1)本发明的推广适应性好，既有别与那种只适应家庭应用的简单处理技术，又有别与大规模的填埋堆肥技术，它的技术手段更为先进，不仅可以以社区为单位，制造小规模处理设备，同时也可以进行大规模的厨余垃圾焦化处理。

2)本发明的技术手段较为简单，相对于复杂的生物法处理技术，本发明处理方式更为简洁卫生，处理效率更高，处理设备的制造成本也较低。

3)本发明的产物经济性高，目前大部分厨余垃圾处理技术的主要目的在于处理垃圾，而不是利用垃圾。即使有部分技术能够产生肥料等具有一定经济价值的产物，但这种肥料的质量往往不高，其处理方式的经济性不明显。而本发明的产物为具有极高经济价值的优质焦炭、生物焦油和可燃气体。其中生物焦油经过精制加工可生成汽油、柴油等高效能源。

[附图说明]

图1是厨余垃圾焦化工艺处理装置图。

图2是滚筒式加热反应炉内波形倒料板结构。

图3是实施例1中厨余焦油碳链分布图。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，经过预处理后的厨余垃圾，通过进料口(1-1)进入进料系统(1)，进料到整个料仓2/3以上后，关闭进料口。物料经过电动震壁器(1-2)的作用下到螺旋输送机(2)(该输送机为机械无极变速，转速可调)，通过螺旋输送机(2)进入滚筒式加热反应炉(5)进行焦化热解反应。

滚筒式加热反应炉(5)为回转式筒体，采用耐热合金加工而成，炉管内表面光滑平整，内设特殊波形倒料板，使物料受热均匀、反应充分、前进有序。筒体进料端采用端面密封和氮气气环密封，端面密封材料为陶瓷纤维盘根(密质，耐高温)配合进口四氟耐高温端面密封圈；出料端采用组合密封方式，以多道高温陶瓷纤维盘根和金属压紧圈组合使用的磨擦密封为主配合密闭氮气气环。该炉采用电加热，加热元件为铁烙铝(OCr27AL7Mu2)加热丝，采用加热丝半镶嵌式整体真空浇注轻质圆形炉衬，热效率高、寿命长、布线简洁、安装维修方便。本炉采用3区加热3点控温，图中(6-2)为三点控温，(6-1)为温度检测。同时，炉体的转速和倾角可以进行调节以改变物料在炉体内的焦化时间。

在进料前，滚筒加热炉预热至500℃，厨余垃圾物料在其中被迅速加热，加热速度为50～200℃/min，在到达炉体温度后，物料维持在此温度下进行焦化热解反应，通过调节筒体转速和倾角，使物料在炉体的焦化时间为2个小时，此时物料基本焦化完全，通过出料系统(8)后进入高温储罐(9)。通过出料端观察口(8-1)可观察物料的焦化情况，以便调整焦化时间。

进入高温储罐(9)里的物料大部分已完成焦化反应，主要为厨余焦炭，同时部分未反应完全的物料在这里继续反应。该储罐独立控温，单独配控制系统，如图中(7)为高温储罐的温控系统。高温储罐的运行温度同样控制在500℃。

同时，在反应炉(5)中焦化反应产生的气体产物通过通道(4-1)，在高温储罐中焦化反应产生的气体产物通过通道(4-2)，一起进入气体处理系统(7)。气体处理系统(7)通过冷凝分别收集液体和气体产物。

整个焦化工艺系统，从进料端(1)到高温储罐(9)，都具有良好密封性，保证气体产物的完全收集；同时，整个工艺从进料端(1)到高温储罐(9)包括气体通道(4)都做保温处理，从而减少工艺能耗，保证焦化温度和提高工艺的经济性；根据工艺运行周期的大小合理设计进料仓和高温储罐的容积。

实施例1

模拟厨余垃圾的焦化工艺，采用小型间歇式反应炉实验方式精确测试厨余垃圾焦化数据。原料为厨余垃圾，粉碎至小于0.5mm，除杂质后预热至200℃。然后在加热炉的内迅速升温至500℃。经充分反应、分馏后所得产物产率如表1所示。

表1  厨余垃圾焦化产物收率(wt％)

原料	固体产物收率	液体产物收率	气体产物收率
				厨余垃圾	31.1070	52.3495	16.5435

借鉴石油部标准SY/T5119-1995“岩石可溶有机物和原油族组分分析方法”进行液体产物(厨余焦油)的族分层析。试样中的沥青质用氯仿溶解，待氯仿挥发后用正戊烷沉淀过滤得沥青质，其可溶物通过硅胶和氧化铝层析柱，利用不同类型有机物同吸附剂之间吸附性能及各淋洗液极性的不同，依次采用正戊烷、苯、甲醇，将其中的饱和烃、芳烃和极性物馏分分别淋洗出，驱赶溶剂、称量，求得试样中各组分的含量，用差减法求得样品中其它不溶物含量，结果见表2。

表2  厨余焦油族组分分析结果(wt％)

样品	饱和烃	芳烃	极性物	沥青质	不饱和烃及含氧衍生物
						厨余焦油	4.99	5.28	21.41	11.44	56.88

在上述焦油组分中，沥青质是分子量较大的多种聚合物的混合体，难以用一般的色谱方法进行分离和鉴定。其余族分的利用价值较大，故采用色谱-质谱联用(GC-MS)法分离沥青质以外的族分进行全烃气相色谱分析，分析标准为SY/T5779-1995。这种分析方法不是只针对分离出的烃成分，是对全部的碳数在C₁-C₃₅间的有机化合物的认识。经过分析，得到如图三所示的厨余焦油碳链分布图。

实施例2

采用滚筒式加热反应炉进行焦化反应，测量三相产物收率。原料为厨余垃圾，粉碎至小于2mm，除杂质后预热至200℃。然后通过进料系统进入滚筒式加热反应炉的内迅速升温至500℃，经过反应输送到高温储罐。经充分反应、分馏后所得产物产率如表3所示。

表3  厨余垃圾焦化产物收率(wt％)

原料	固体产物收率	液体产物收率	气体产物收率
				厨余垃圾	33.2	48.2	18.6

在产物中最具经济价值的固体产物(厨余焦炭)收率为33.2％，液体产物(厨余焦油)收率为48.2％，两者占到了整个厨余垃圾总质量的81.4％。说明该焦化工艺的效果非常好，具有很高的经济性和生产价值。

Claims (8)

1、一种厨余垃圾的焦化处理方法，其特征在于该方法步骤如下：

1)厨余垃圾的预处理，将厨余垃圾进行干燥，除去不可再利用的杂质，最后粉碎至直径小于5mm的小粒径；

2)厨余垃圾的预热阶段，将厨余垃圾颗粒预热到200±50℃，同时进一步去除里面的水分；

3)加热炉的加热反应阶段，进入滚筒式加热反应炉，在该炉中，厨余垃圾颗粒以50～200℃/min的变化的加热速度被迅速加热到450～600℃，即反应炉的温度，同时进行焦化裂解反应；

4)高温储罐的反应阶段，在通过加热炉后，物料进入高温储罐，储罐温度为450～600℃，保持与加热炉温度相同，部分未完全反应的物料在这里继续反应直至反应完全；

5)产物的收集阶段，反应过程中产生的高温气体进入冷凝器冷却并收集冷凝液体产物，一部分无法冷凝的气体另行收集，固体产物至一个反应周期结束后从冷却了的高温储罐中取出；

6)产物的后处理阶段，通过加氢精制等后处理使三相产物具有更高的经济价值。

2、根据权利要求1所述的厨余垃圾的焦化处理方法，其特征在于所述步骤1)中的厨余垃圾粉碎后的颗粒直径小于3mm。

3、根据权利要求1所述的厨余垃圾的焦化处理方法，其特征在于所述步骤3)中的滚筒式加热反应炉的温度保持在480～550℃。

4、一种厨余垃圾的焦化处理装置，其特征在于包括厨余垃圾的预处理部分以及加热反应传输部分，还包括高温储罐以及产物收集和后续处理部分，所述厨余垃圾的加热反应传输包括厨余垃圾进料系统1依次连接在所述进料系统(1)之后的螺旋输送机(2)、滚筒式加热反应炉(5)、出料系统(8)；所述出料系统(8)再连接高温储罐(9)及高温储罐(9)连接气体处理系统(10)。

5、根据权利要求4所述的厨余垃圾的焦化处理装置，其特征在于所述焦化处理装置中的进料系统(1)包括具有封闭功能的进料口(1-1)和使物料均匀下落的电动震壁器(1-2)。

6、根据权利要求4所述的厨余垃圾的焦化处理装置，其特征在于所述焦化处理装置中的滚筒式加热反应炉体(5)的转动速度和倾角可以调节，并通过温度检测控制系统(6)进行多点检测控温，两端的动静密封采用端面密封和氮气气环密封相结合的结构。

7、根据权利要求4所述的厨余垃圾的焦化处理装置，其特征在于所述焦化处理装置中采用主反应段-滚筒式加热反应炉(5)和辅反应段一高温储罐(9)相结合的结构，同时主反应段和辅反应段各备一个气体收集通道分别为主通道(4-1)和辅通道(4-2)。

8、根据权利要求4所述的厨余垃圾的焦化处理装置，其特征在于所述焦化处理装置中的高温储罐(9)以及其连接的气体处理系统(10)可由现有技术渣油延迟焦化设备中的焦炭塔及其后续设备所代替。

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