CN104998886A - 餐厨废弃物分相产能装置和产能方法 - Google Patents

Abstract

一种餐厨废弃物分相产能装置，蒸汽自旋湿热预处理装置的导热油管道出口与三相保温装置相连，蒸汽出口与蓄热器相连，湿热预处理结束后将导热油和蒸汽的高温余热回收储存至三相换热保温单元。湿热预处理装置底部出料口与叠螺脱水机相连进行固液分离。湿热预处理后的餐厨废弃物经固液分离后的液相进入液相物料发酵罐进行产氢；固相物料发酵罐与调节池相连，经叠螺脱水机后的固体物料经参数调节后由输送泵进入固相物料发酵罐进行产甲烷。厌氧发酵单元的液相发酵罐和固相发酵罐的加热盘管与三相换热保温单元的蓄热器相连，由温控电磁阀对厌氧发酵罐进行保温。本发明可实现餐厨废弃物联产氢气和甲烷气的分相产能，实现最佳能源转化效率。

Description

餐厨废弃物分相产能装置和产能方法

技术领域

本发明属于固体废弃物资源化领域，具体地涉及一种餐厨废弃物分相产能组合装置。

本发明还涉及利用上述装置对餐厨废弃物进行分相产能的方法。

背景技术

近年来，随着生活水平的提高与第三产业的迅猛发展，餐饮业已成为中国经济社会的重要组成部分。与此同时，餐厨废弃物产生量逐年递增，餐厨废弃物已成为生活垃圾的主要组成部分，全国七大城市生活垃圾中的餐厨废弃物含量平均值达到52％左右。部分地区餐厨废弃物简易堆放，滋生蚊蝇，产生恶臭，造成环境污染，对人体健康产生极大风险。

我国餐厨废弃物组分复杂，含水率高达75％～95％，具有高油高盐、高蛋白的特性，组成和产量受社会经济条件、饮食习惯、区域与季节差异性影响显著。此外，餐厨废弃物富含蛋白质、淀粉、纤维素等有机物，微量元素如氮、磷、钾、钙丰富，有毒有害物质如重金属等含量少，能够通过生物厌氧发酵联产作用，将餐厨废弃物中的有机物转化为氢气、甲烷等能源气体，实现其无害化、能源化、减量化。但由于餐厨废弃物高油高有机质抑制微生物活性，导致厌氧系统易酸化崩溃，难以长期稳定运行。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种餐厨废弃物分相产能装置。

本发明的又一目的在于提供一种利用上述装置对餐厨废弃物进行分相产能的方法。

为实现上述目的，本发明提供的餐厨废弃物分相产能装置，其包括：

蒸汽自旋湿热预处理罐的罐体内壁和外壁之间设有控温导油管，控温导油管内填充有导热油，控温导油管与罐体内壁相接触，控温导油管与罐体外壁之间填充有保温材料，罐体顶盖安装有进料口，罐体底部设有出料口；罐体内安装有螺旋排列的蒸汽盘管，蒸汽盘管内侧与尾端设有蒸汽喷口，蒸汽喷口的曲率半径等同于蒸汽盘管的圆半径，蒸汽喷口弧切线与蒸汽盘管的圆切线夹角为5～10°之间；罐体内上部设有管式除油机，除油机的导油口设置有蠕动泵，将刮除的油脂吸出转移至废油回收箱；罐体顶盖的进料口连接调配池的出料口，蒸汽自旋湿热预处理罐底部出料口与叠螺脱水机相连，叠螺脱水机的液态物料出口与厌氧产氢罐相连，厌氧产氢罐顶部出气口连接氢气纯化系统，叠螺脱水机的固相物料出口与厌氧产甲烷罐相连，厌氧产甲烷罐顶部出气口连接沼气净化系统；

蒸汽自旋湿热预处理罐的控温导油管出口连接三相换热自保温装置的换热盘管的导热油入口，蒸汽自旋湿热预处理罐的蒸汽出口连接蓄热器；

三相换热自保温装置的壳体内设有导热油盘管，导热油盘管的下方设有电加热盘管，三相换热自保温装置的底部设有进水阀，由导热油盘管、电加热盘管和进水阀组成三相换热区，三相换热自保温装置的上方设有换热后热水出口；

三相换热自保温装置的换热后热水出口分别连接厌氧产氢罐的加热盘管入水口和厌氧产甲烷罐的加热盘管入水口，三相换热自保温装置的进水阀分别各连接厌氧产氢罐的加热盘管出水口和厌氧产甲烷罐的加热盘管出水口。

所述的餐厨废弃物分相产能装置，其中，蒸汽自旋湿热预处理罐的罐体为不锈钢材质，罐体顶盖与罐体之间以法兰密闭连接，罐体顶盖安装有压力安全阀，罐体底部为圆锥形，罐体顶盖的进料口安装有进料阀门，罐体底部的出料口安装有出料阀门，进料阀门和出料阀门均配有输料泵；进料阀门和出料阀门均为电磁阀与手动阀两套并联使用，电磁阀与电控设备相连。

所述的餐厨废弃物分相产能装置，其中，蒸汽自旋湿热预处理罐的控温导油管呈螺旋状缠绕在罐体内壁与外壁之间，螺旋状的控温导油管之间填充有保温材料。

所述的餐厨废弃物分相产能装置，其中，三相换热自保温装置的导热油盘管的导热油入口设在三相换热自保温装置的上部，导热油盘管的导热油出口设在三相换热自保温装置的下部，导热油出口连接蒸汽自旋湿热预处理罐的控温导油管入口；电加热盘管与导热油盘管相互平行设置。

所述的餐厨废弃物分相产能装置，其中，进水阀为四通阀，进水阀与三相换热自保温装置之间设有止水阀门；位于电加热盘管和进水阀之间设有布水网盘，以实现三相换热器的均匀布水。

所述的餐厨废弃物分相产能装置，其中，厌氧产氢罐和厌氧产甲烷罐均为圆柱形罐体，罐内安装有垂直变频搅拌机控制搅拌速度；罐体内壁安装有加热盘管，采用热水循环控制，加热盘管的管路出口配置有温度变送器、进水流量计。

本发明提供的利用上述餐厨废弃物分相产能装置对餐厨废弃物进行处理的方法：

1)餐厨废弃物破碎进入调配池，料液打入蒸汽自旋湿热预处理罐进行油脂回收，多余热量进入蓄热器，通过三项换热自保温装置进行蓄放热保温；

2)蒸汽自旋湿热预处理罐的液料经叠螺脱水机进行固液分离，分离出的液态物料进入厌氧产氢罐，由厌氧产氢罐的加热盘管的热水循环控制发酵温度，并依据挥发性脂肪酸总量变化，通过控制搅拌频率以避免厌氧系统酸化崩溃；

3)叠螺脱水机分离出的固相物料进入厌氧产甲烷罐，控制搅拌频率；

4)生成的氢气和沼气分别由厌氧产氢罐和厌氧产甲烷罐的顶部出气口收集，进入脱水罐、脱硫罐进行纯化后使用。

所述的方法，其中，餐厨废弃物经过破碎机破碎后，由自来水或沼液调配，并经过格栅去除大块杂质。

本发明的优点如下：

(1)餐厨废弃物经湿热预处理改变了物料固液两相的理化性质，经过本工艺预处理，餐厨废弃物的大分子有机物经水和作用分解为小分子有机物，并由固相进入液相，固相中的粗蛋白转化为易于微生物利用的小分子类蛋白物质和氨基酸，使液相易生物降解的组分增加，易于生物制氢，固相易酸化降解组分减少，保证产甲烷系统的稳定运行。可见，本发明可实现餐厨废弃物联产氢气和甲烷气的分相产能，达到最大的能源化效率，能源转化效率达到70％以上。

(2)湿热预处理改变了餐厨废弃物的理化性质和固液分离性能，提高后续产能处理能力。本发明的蒸汽自旋湿热预处理装置采用蒸汽盘管与蒸汽喷口的组合工艺导入高温高压蒸汽，在为餐厨废弃物提供湿热处理必须的热量的同时，以高温蒸汽喷出的动力带动餐厨废弃物搅拌，从而代替搅拌桨的作用，使热量传递更加均匀，传质表面积较现有油浴反应釜高出2～3倍；可实现年平均设备维修费用减少50％，同时提高设备使用年限3年以上；在高温高压蒸汽喷入物料的同时，也省却了由于常压湿热处理时常发生的物料失水过多，在物料进行处理之前需要另行加入处理配水的步骤。

此外，蒸汽自旋湿热预处理装置独特的将湿热预处理与除油过程有机结合，利用湿热处理过程中油水分离和可浮油流动性特性进行油脂的回收利用，避免了物料再次冷却沉淀，降低油水分离效率的难题。在除油的同时可以使用导热油对设备罐体与设备内部物料进行余热回收，充分利用系统内部热量。

(3)独特的三相保温、控温节能设计，充分利用湿热预处理导热油和蒸汽余热、锅炉水余热，采用三相换热保温装置对厌氧罐进行温控，同时温控保证好氧制肥装置的启动运行，实现餐厨废弃物处理系统的最佳热回收循环利用率，使能耗低、投资运行成本低。

(4)本发明的装置采用变频控制器、温度变送器、液位变送器、压力变送器实现工艺的自动化联动控制，可实现一键式操作，运行维护简单，适合城市和村镇的推广应用。

附图说明

图1为本发明装置结构和工艺流程示意图。

图2为图1中蒸汽自旋湿热预处理罐的结构示意图。

图3为图1中三相换热保温装置的结构示意图。

图4A为餐厨废弃物分相产氢潜力实验数据。

图4B为餐厨废弃物分相产甲烷潜力实验数据。

附图中标记说明

1调配池；

2蒸汽自旋湿热预处理罐，201安全阀，202蒸汽入口，203预处理罐顶盖，204法兰，205最高液面，206控温导油管，207保温材料，208管式除油机，209废油回收箱，210收油管，211蒸汽喷口，212蒸汽盘管，213出料口；

3蓄热器；

4三项换热自保温装置，401安全压力阀，402导热油入口，403导热油盘管，404电加热盘管，405电控开关，406四通阀，407硅胶，408换热后热水出口，409导热油出口，410布水网盘；

5叠螺脱水机；

6厌氧产氢罐；

7厌氧产甲烷罐。

具体实施方式

本发明提出一种餐厨废弃物分相产能工艺和配套装置，通过湿热水解预处理改变餐厨废弃物的油水分离特性，依据液相和固相的物质转化规律进行分相厌氧产能，从而实现实现最高的能源转化效率，可以实现餐厨废弃物最大能源转化效率，减少二次污染，改进公知技术中存在的缺陷。

请参阅图1，本发明提供的餐厨废弃物分相产能装置，包括：

由蒸汽自旋湿热预处理罐2和调配池1组成的蒸汽自旋湿热预处理单元；

由三相换热保温装置4和蓄热器3组成的三相换热保温单元；以及由厌氧产氢罐6和厌氧产甲烷罐7两个厌氧发酵罐组成的厌氧发酵单元。

请参阅图2，蒸汽自旋湿热预处理罐2其主体为一圆柱形的反应罐，该反应罐为不锈钢材质，圆柱罐体底部为圆锥形，设有出料口213。蒸汽自旋湿热预处理罐2的罐体顶盖203通过法兰204与罐体密封连接，罐体顶盖内处于最高液位5以上70～100mm的位置设有除油机208，导油口设置在废油回收箱209之下，在一个实施例中的除油机采用管式除油机。除油机的收油管210的管长大于等于罐体圆切面周长，除油机208的刮油板下方30～50mm处安装有废油回收箱209，废油回收箱209下部的导油口利用蠕动泵将刮除的油脂吸出，转移至反应罐外部进行收集。

蒸汽自旋湿热预处理罐2的罐体内壁与外壁之间处安装有控温导油管206，控温导油管206内填充有导热油，控温导油管206以螺旋状紧密缠绕在罐体内壁与外壁之间，控温导油管206与罐体的内壁相接触，螺旋状的控温导油管之间以及与罐体外壁之间设有保温材料207。蒸汽自旋湿热预处理罐的控温导油管206的出口连接后述的三相换热自保温装置4换热盘管的导热油入口402，蒸汽自旋湿热预处理罐的蒸汽出口连接后述的蓄热器3。

蒸汽自旋湿热预处理罐2的罐体内壁螺旋排列有蒸汽盘管212，蒸汽盘管212的螺旋半径为罐体内壁半径的70％。蒸汽盘管212螺旋间隔可根据工程规模和温控要求等比例放大，在一个实施例中蒸汽盘管螺旋间隔为50～200mm。蒸汽盘管212内侧与尾端设有蒸汽喷口211，蒸汽喷口211的曲率半径等同于蒸汽盘管圆半径，蒸汽喷口弧切线与同点盘管圆切线夹角为5～10°之间；蒸汽喷口211与蒸汽盘管212接合处的内径、外径统一，蒸汽喷口211处的内径与蒸汽盘管的内径比为1:2～1:3，用以增强高温蒸汽喷出速度，利用高温蒸汽喷射动力达到物料搅拌的作用，同时加热物料和补充水分。蒸汽入口202由电磁阀与手动阀双相控制。罐体顶盖安装有压力安全阀201，控制罐体内部压力在0.1～0.15Mpa微压环境，保证安全操作。

蒸汽自旋湿热预处理罐2罐体顶盖的进料口安装有进料阀门，连接后述的调配池1，罐体底部的出料口安装有出料阀门，并配有输料泵。进料阀门和出料阀门为电磁阀与手动阀两套并联使用，进料阀门和出料阀门的电磁阀与电控设备相连实现控制，手动阀保证在电磁阀故障或断电时稳定运行。蒸汽自旋湿热预处理罐2底部出料口与叠螺脱水机5相连，叠螺脱水机5的液态物料出口与厌氧产氢罐6相连，厌氧产氢罐顶部出气口连接氢气纯化系统，叠螺脱水机5的固相物料出口与厌氧产甲烷罐7相连，厌氧产甲烷罐顶部出气口连接沼气净化系统。

请参阅图3，三相换热自保温装置4的壳体为双层不锈钢结构，在一个实施例中高径比2:1～3:1，壳体内设有导热油盘管403、四通阀406和电加热盘管404组成的三相换热区结构，电加热盘管404与导热油盘管403相互平行地设置。导热油盘管403采用无缝不锈钢管，螺旋紧密盘绕于三相换热自保温装置的中心，导热油盘管403的导热油入口402设在三相换热自保温装置的上方，导热油盘管403的导热油出口409设在三相换热自保温装置的下方，与蒸汽自旋湿热预处理罐2的控温导油管206相连。在一个实施例中导热油盘管的盘管排数为2～8排，盘管间隔1～5cm，管束之间设置分程隔板，将盘管分为顺次串接的若干组，各组盘管数目大致相等，管程4～10程。三相换热自保温装置的底部设有四通阀406(自调换热进水口)，使热交换管程流体与壳程流体成逆流布置，以增强传热，保障换热效率，减少管内壁积炭，防止堵塞。电加热盘管404由电控开关405启动或关闭。四通阀406与三相换热自保温装置之间设有止水阀，四通阀406分别与蓄热器3的饱和蒸汽水管道和CSTR厌氧发酵罐5低温水管道相连接。三相换热自保温装置底部位于电加热盘管404和四通阀406之间设有布水网盘410，以实现三相换热器的均匀布水，提高热交换效果。三相换热自保温装置的上方设有换热后热水出口408。三相换热自保温装置与顶盖之间设有硅胶407，以加强密封效果。顶盖上设有安全压力阀401。

蓄热器3为蒸汽式直流蓄热器，其主体为卧式圆筒形压力装置，内部安装有充热和放热设备、软化水箱，外部设有视窗、液位计、控制阀门和安全阀门。湿热水解过程中，多余的热负荷以蒸汽的形式进入蓄热器内部的软化水箱中贮存，形成饱和蒸汽水，完成储热，当三相换热器中热负荷不足时，蓄热器的压力控制阀开启饱和蒸汽水进入三相换热器中，维持换热系统稳定的热负荷，节约能耗。

厌氧发酵单元由厌氧产氢罐6和厌氧产甲烷罐7组成，其结构为：圆柱形罐体，罐顶加盖，盖上安装通气管，管上安装球阀。罐体高径比1:1～3:1，内部安装有垂直变频搅拌机控制搅拌速度；内壁安装有加热盘管，与三相换热保温装置相连，采用热水循环控制，设定温度自动开启相应电磁阀以实现加热。管路出口配置温度变送器、进水流量计，以实现对进料各种工艺条件的精确控制。

厌氧产氢罐6和厌氧产甲烷罐7的罐顶端高度的1/2～3/4处设有一条外循环管路，由外循环泵进行强制循环，并在管路上安装在线pH、电导仪、溶氧仪等监控仪表，预留2～3个取样口，便于监控反应罐内各工艺参数，保证料液的均匀混合，防止产生死角。

厌氧产氢罐6和厌氧产甲烷罐7由顶部进料，出料由输送泵经底部抽出，配置电极杆式液位开关防止高液位溢流。

本发明的上述装置对餐厨废弃物进行能源化利用的方法：

餐厨废弃物经过破碎机破碎后，由自来水或沼液调配，过格栅去除大块杂质后，经渣浆泵将料液打入湿热预处理罐进行预处理，泵出口设置就地压力表，泵后设置止回阀。蒸汽自旋湿热预处理后的料液经叠螺脱水机进行高效固液分离，其中，液相物料由发酵罐顶端进入，变频搅拌机控制物料搅拌，加热盘管的热水循环控制发酵温度，产生的生物气由罐体顶部出气口收集进入氢气纯化系统，发酵后的沼渣由输送泵经底部抽出。固相物料进入调节池，经pH等参数调节后的物料进入固相物料发酵罐，进料由上部进入，出料为中部偏下位置经溢流出料，产生的沼气由罐体顶部出气口收集进入沼气纯化系统，经脱水脱硫后收集利用。

一个具体实施例如下：

取自食堂的餐厨废弃物，首先经人工分选去除筷子、骨头、塑料袋等难降解大块物质后破碎，进入调配池1。由自来水或厌氧发酵罐回流沼液调配，加水量50％，pH值6～8之间。经渣浆泵将料液打入10L的蒸汽自旋湿热预处理罐2进行预处理，预处理温度150℃，加热时间30min，泵出口设置就地压力表，泵后设置止回阀。

湿热预处理结束同时，启动自动除油机和冷却系统，进行油脂回收，多余热量进入蓄热器3，通过三项换热自保温装置4进行蓄放热保温。其余料液经叠螺脱水机5进行高效固液分离，其中，液相物料经泵送至5m³的CSTR厌氧产氢罐6，加热盘管的热水循环控制发酵温度在35±1℃，水力停留时间24～48h，通过变频搅拌机自动控制搅拌频率为12～24h/d，避免厌氧产氢系统pH低于5，导致酸化崩溃。固相物料经渣浆泵送至10m³的CSTR厌氧产甲烷罐7，通过变频搅拌机自动控制搅拌频率为4～6h/d，水力停留时间10～30d。生成的气体分别由产氢罐和产甲烷罐的顶部出气口收集，进入脱水罐、脱硫罐进行纯化后使用。

从图4A和图4B的累计产氢气、甲烷的实验结果可以看出，本发明采用的组合装置可以显著提高氢气、甲烷的产气率，累积产氢最高达194.28mL/g.VS，产氢最高速率达到15.57mL/h；累积产甲烷最高达329.08mL/g.VS，最高产甲烷速率为14.97mL/h，与已有工艺相比提高了3～5倍。

Claims (8)

1.一种餐厨废弃物分相产能装置，其包括：

蒸汽自旋湿热预处理罐的罐体内壁和外壁之间设有控温导油管，控温导油管内填充有导热油，控温导油管与罐体内壁相接触，控温导油管与罐体外壁之间填充有保温材料，罐体顶盖安装有进料口，罐体底部设有出料口；罐体内安装有螺旋排列的蒸汽盘管，蒸汽盘管内侧与尾端设有蒸汽喷口，蒸汽喷口的曲率半径等同于蒸汽盘管的圆半径，蒸汽喷口弧切线与蒸汽盘管的圆切线夹角为5～10°之间；罐体内上部设有管式除油机，除油机的导油口设置有蠕动泵，将刮除的油脂吸出转移至废油回收箱；罐体顶盖的进料口连接调配池的出料口，蒸汽自旋湿热预处理罐底部出料口与叠螺脱水机相连，叠螺脱水机的液态物料出口与厌氧产氢罐相连，厌氧产氢罐顶部出气口连接氢气纯化系统，叠螺脱水机的固相物料出口与厌氧产甲烷罐相连，厌氧产甲烷罐顶部出气口连接沼气净化系统；

蒸汽自旋湿热预处理罐的控温导油管出口连接三相换热自保温装置的换热盘管的导热油入口，蒸汽自旋湿热预处理罐的蒸汽出口连接蓄热器；

三相换热自保温装置的壳体内设有导热油盘管，导热油盘管的下方设有电加热盘管，三相换热自保温装置的底部设有进水阀，由导热油盘管、电加热盘管和进水阀组成三相换热区，三相换热自保温装置的上方设有换热后热水出口；

三相换热自保温装置的换热后热水出口分别连接厌氧产氢罐的加热盘管入水口和厌氧产甲烷罐的加热盘管入水口，三相换热自保温装置的进水阀分别各连接厌氧产氢罐的加热盘管出水口和厌氧产甲烷罐的加热盘管出水口。

2.根据权利要求1所述的餐厨废弃物分相产能装置，其中，蒸汽自旋湿热预处理罐的罐体为不锈钢材质，罐体顶盖与罐体之间以法兰密闭连接，罐体顶盖安装有压力安全阀，罐体底部为圆锥形，罐体顶盖的进料口安装有进料阀门，罐体底部的出料口安装有出料阀门，进料阀门和出料阀门均配有输料泵；进料阀门和出料阀门均为电磁阀与手动阀两套并联使用，电磁阀与电控设备相连。

3.根据权利要求1所述的餐厨废弃物分相产能装置，其中，蒸汽自旋湿热预处理罐的控温导油管呈螺旋状缠绕在罐体内壁与外壁之间，螺旋状的控温导油管之间填充有保温材料。

4.根据权利要求1所述的餐厨废弃物分相产能装置，其中，三相换热自保温装置的导热油盘管的导热油入口设在三相换热自保温装置的上部，导热油盘管的导热油出口设在三相换热自保温装置的下部，导热油出口连接蒸汽自旋湿热预处理罐的控温导油管入口；电加热盘管与导热油盘管相互平行设置。

5.根据权利要求1所述的餐厨废弃物分相产能装置，其中，进水阀为四通阀，进水阀与三相换热自保温装置之间设有止水阀门；位于电加热盘管和进水阀之间设有布水网盘，以实现三相换热器的均匀布水。

6.根据权利要求1所述的餐厨废弃物分相产能装置，其中，厌氧产氢罐和厌氧产甲烷罐均为圆柱形罐体，罐内安装有垂直变频搅拌机控制搅拌速度；罐体内壁安装有加热盘管，采用热水循环控制，加热盘管的管路出口配置有温度变送器、进水流量计。

7.利用权利要求1所述餐厨废弃物分相产能装置对餐厨废弃物进行处理的方法：

1)餐厨废弃物破碎进入调配池，料液打入蒸汽自旋湿热预处理罐进行油脂回收，多余热量进入蓄热器，通过三项换热自保温装置进行蓄放热保温；

2)蒸汽自旋湿热预处理罐的液料经叠螺脱水机进行固液分离，分离出的液态物料进入厌氧产氢罐，由厌氧产氢罐的加热盘管的热水循环控制发酵温度，并依据挥发性脂肪酸总量变化，通过控制搅拌频率以避免厌氧系统酸化崩溃；

3)叠螺脱水机分离出的固相物料进入厌氧产甲烷罐，控制搅拌频率；

4)生成的氢气和沼气分别由厌氧产氢罐和厌氧产甲烷罐的顶部出气口收集，进入脱水罐、脱硫罐进行纯化后使用。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，餐厨废弃物经过破碎机破碎后，由自来水或沼液调配，并经过格栅去除大块杂质。