CN109226174A - 沼气热电三联供的餐饮垃圾处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及餐饮垃圾技术领域，具体涉及沼气热电三联供的餐饮垃圾处理系统，其包括依次连接的物料输送机、粉碎机、固液分离器、打浆机、除砂器和厌氧发酵塔以及污泥罐和沼气热电站，沼气热电站包括甲醇水存储器、甲醇水制氢重整器、换热器、燃料电池、空气余气混合器和控制装置。本发明利用餐饮垃圾的厌氧发酵制备沼气并实现热能和电能的高效转化和利用，为系统自身供电供热，而且对环境无污染，节能减排效果显著。
Description
技术领域
本发明涉及餐饮垃圾技术领域，具体涉及沼气热电三联供的餐饮垃圾处理系统。
背景技术
餐饮垃圾是居民生活、消费过程中必然产生的一种极易腐烂编制的剩饭、剩菜，也是生活垃圾的主要组成部分。我国每年餐饮垃圾产量达到9000万吨，因此目前餐饮垃圾的处理是一大难题。餐饮垃圾含水率高，有机物含量高，油、盐含量较高，在常温下很容易腐烂变质。现有主要处理方法有以下几种：（1）加工成动物饲料，但容易使动物感染疾病，危害人类健康；（2）制成生物柴油，但餐饮垃圾只有小部分成分可以用于制造生物柴油，利用率低；（3）卫生填埋法，但容易厌氧分解产生沼气，不加以控制会造成二次污染；（4）焚烧法，由于餐饮垃圾中含水率高，脱水消耗大量的能量，因此焚烧法投资昂贵，而且焚烧产生的有机废气污染严重；（4）堆肥法，对于分类处理的垃圾此种方法能有效的处理餐饮垃圾，但是对于没有进行分类处理的餐饮垃圾，堆肥得到的肥料中可能含有有害成分，无法直接利用。
发明内容
针对现有技术存在上述技术问题，本发明的目的在于提供一种节能环保的沼气热电三联供的餐饮垃圾处理系统，该系统对餐饮垃圾进行无害化处理的同时生物质沼气的制备以及热能和电能的高效转化和利用。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
提供沼气热电三联供的餐饮垃圾处理系统，包括依次连接的物料输送机、粉碎机、固液分离器、打浆机、除砂器和厌氧发酵塔，以及污泥罐和沼气热电站，所述污泥罐的污泥出口通过污泥泵与所述厌氧发酵塔的污泥进口连通，所述厌氧发酵塔设置有搅拌器和三相分离器，所述三相分离器的沼气出口通过管路将沼气厌氧发酵塔输送至所述沼气热电站；
所述沼气热电站包括用于将沼气转化为甲醇的甲醇转化装置、甲醇水存储器、甲醇水制氢重整器、换热器、燃料电池、空气余气混合器和控制装置，所述甲醇水制氢重整器设置有重整室、分离室和供甲醇水重整制氢反应所需温度的电加热器，所述控制装置包括控制器和用于向外输出电能的电力输出端口，其中：厌氧发酵塔产生的沼气经甲醇转化装置转化为甲醇，该甲醇在所述甲醇水存储器内与水混合制成甲醇水混合溶液，然后输送至所述重整室内发生甲醇和水的重整制氢反应制得氢气和高温余气的混合气，然后混合气经分离室分离出的氢气经所述换热器降温后输送至燃料电池产生电能，该电能通过电力输出端口为系统内的所有用电设备供电；经分离室分离出的高温余气与外界空气经所述空气余气混合器混合后形成所需温度的混合气并为所述厌氧发酵塔和甲醇转化装置内的生化反应提供所需的温度。
其中，所述厌氧发酵塔设置有用于通入加热介质的保温夹层，所述保温夹层通过第一加热管路与所述空气余气混合器的出气口连接，所述第一加热管路设置有与控制器连接的调节阀，所述厌氧发酵塔内设置有与控制器连接的温度传感器。
其中，所述甲醇转化装置包括依次连接的固液分离装置、脱硫塔、二氧化碳吸收塔、氨气吸收塔、压缩机、甲醇合成塔和气液分离器，所述氨气吸收塔输出的甲烷气体以及氧气分别通过输送管道与压缩机的进气口连通，所述气液分离器的出液口与所述甲醇水溶液存储器连接，所述气液分离器的出气口通过循环管路与压缩机的进气口连通；所述甲醇水溶液存储器和循环管路均设置有与控制器电连接的气体流量控制阀。
其中，所述甲醇合成塔设置有第二加热管路，所述第二加热管路与所述高温余气收集装置连接，所述第二加热管路上设置有调节阀，所述甲醇合成塔设置有温度传感器和压力传感器，所述调节阀、所述温度传感器和所述压力传感器分别与所述控制器电连接。
其中，还包括油水分离器，所述油水分离器的进液口与所述固液分离器的出液口连通，所述油水分离器的出水口与所述厌氧发酵塔的进水口连通。
其中，所述物料输送机为螺杆输送机，所述粉碎机包括进料斗，所述进料斗与所述螺杆输送机的出料口连接。
其中，还包括压滤机，所述厌氧发酵塔的出料口与所述压滤机进料口连接，所述压滤机的出渣口连接沼渣槽，所述压滤机的出液口连接沼液槽。
其中，所述甲醇水制氢重整器设置有启动装置，所述启动装置在甲醇水制氢重整器启动过程中为所述电加热器和输送泵供电。
本发明的有益效果：
本发明的沼气热电三联供的餐饮垃圾处理系统，包括依次连接的物料输送机、粉碎机、固液分离器、打浆机、除砂器和厌氧发酵塔，以及污泥罐和沼气热电站，污泥罐的污泥出口通过污泥泵与所述厌氧发酵塔的污泥进口连通，厌氧发酵塔设置有搅拌器和三相分离器，三相分离器的沼气出口通过管路将沼气厌氧发酵塔输送至沼气热电站。工作时，餐饮垃圾经物料输送机将固体物质和液体物质进行初步分离后，固体物质进入粉碎机进行破碎处理，然后经固液分离器得到有机质的干渣和油水混合物，其中有机质的干渣再经过打浆机进一步粉碎制浆，然后浆料经过除砂器去除小颗粒杂质后获得匀质浆料进入厌氧发酵罐在一定温度进行沼气发酵，产生的沼气输送至沼气热电站转化为电能和热能：沼气先通过甲醇转化装置制成甲醇，然后甲醇与水的混合溶液作为沼气热电站的原料，输送至甲醇水制氢重整器进行甲醇水重整制氢反应，经分离获得氢气和高温余气，其中的氢气再输送至燃料电池产生电能，该电能为系统中的所有用电设备供电，其中的高温余气的温度高达300~600℃，这部分高品质的热能为厌氧发酵塔和甲醇转化装置内的生化反应供热，由此实现系统内沼气与电能和热能的高效转化和利用。与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）沼气热电站利用餐饮垃圾-厌氧发酵-沼气-甲醇-甲醇水重整制氢反应-燃料电池的过程，在餐饮垃圾处理的同时实现了自身电能、热能的高效转化和利用，所产生的电能直接为所有用电设备供电，实现自给自足，无需外来供电，而且该系统输出的电能为直流电，无需转换即可直接供直流电机使用，相比集中式供电方式，具有随用随发、不受场地限制以及节能环保的优点；另一方面，甲醇水重整制氢反应过程所产生大量高品质的热能（高温余气的温度高达300~600℃），这部分热能完全满足厌氧发酵塔和甲醇转化装置内生化反应所需的温度，由此充分利用了甲醇水重整制氢过程中产生的余热实现系统给内部供热的目的，相比现有技术依靠电加热或者沼气燃烧发电供热的方式，转化效率高，大大降低能耗，而且甲醇水重整制氢反应产生的高温余气为二氧化碳和少量未反应的甲醇和水蒸气，余量可以直接排放，对环境无污染，节能减排效果显著；
（2）餐饮垃圾依次经过粉碎机、固液分离器、打浆机、除砂器处理后获得匀质浆料进入厌氧发酵罐，该过程能够使餐饮垃圾有机质完全破碎，而且保证进入厌氧发酵罐的浆料中的固体颗粒的粒度控制在10mm以下，从而提高后续厌氧发酵的效率，而且有避免泵、管道的堵塞；
（3）根据系统内餐饮垃圾的沼气转化率、沼气转化为甲醇的量、甲醇水重整制氢的用量、各加热模块所需的温度、各用电模块的功率以及甲醇水重整制氢反应中产生的热能和燃料电池输出的电能进行能量恒算，可实现整个系统的餐饮垃圾处理量以及热电的智能化控制。
附图说明
图1为本发明的沼气热电三联供的餐饮垃圾处理系统的结构示意图。
图2为本发明的沼气热电三联供的餐饮垃圾处理系统的甲醇转化装置的结构示意图。
附图标记：
物料输送机1、粉碎机2、固液分离器3、打浆机4、除砂器5、厌氧发酵塔6、污泥罐7；
沼气热电站8、甲醇水制氢重整器81、重整室811、分离室812、换热器82、燃料电池83、电加热器84、甲醇水存储器85、输送泵86、空气余气混合器87；
甲醇转化装置9、固液分离器91、脱硫塔92、二氧化碳吸收塔93、氨气吸收塔94、压缩机95、甲醇合成塔96、气液分离器97；
油水分离器11、压滤机12；
第一加热管路10、第二加热管路20、调节阀50、气体流量控制阀60、循环管路70。
具体实施方式
以下结合具体实施例及附图对本发明进行详细说明。
沼气热电三联供的餐饮垃圾处理系统，如图1所示，包括依次连接的物料输送机1、粉碎机2、固液分离器3、打浆机4、除砂器5和厌氧发酵塔6，以及污泥罐7和沼气热电站8，污泥罐7的污泥出口通过污泥泵与厌氧发酵塔6的污泥进口连通，厌氧发酵塔6设置有搅拌器和三相分离器，三相分离器的沼气出口通过管路将沼气厌氧发酵塔6输送至沼气热电站8。具体的，物料输送机1为螺杆输送机，粉碎机2包括进料斗，进料斗与螺杆输送机的出料口连接。餐饮垃圾经螺杆输送机可将固体物质和液体物质进行初步分离。
本实施例中，还包括油水分离器11，油水分离器11的进液口与固液分离器3的出液口连通，油水分离器11的出水口与厌氧发酵塔6的进水口连通。经固液分离器3分离得到有机质的干渣和油水混合物，其中油水混合物中再经油水分离器11去油后的含水混合物中含有可发酵的有机物质，因此去油后的含水混合物再输送至厌氧发酵塔6用于稀释物料以及沼气发酵。
本发明的餐饮垃圾处理系统的工作原理为：餐饮垃圾经螺杆输送机先将餐饮垃圾中的固体物质和液体物质进行初步分离，然后固体物质被输送至粉碎机2进行破碎处理，然后经固液分离器3得到有机质的干渣和油水混合物，其中有机质的干渣再经过打浆机4进一步粉碎制浆，然后浆料经过除砂器5去除小颗粒杂质后获得匀质浆料，进入厌氧发酵罐在一定温度进行沼气发酵，产生的沼气输送至沼气热电站8转化为电能和热能。上述餐饮垃圾发酵前的处理过程能够使餐饮垃圾有机质完全破碎，保证进入厌氧发酵罐的浆料中的固体颗粒的粒度控制在10mm以下，从而提高后续厌氧发酵的效率，而且有避免泵、管道的堵塞。
本实施例中，沼气热电站8包括用于将沼气转化为甲醇的甲醇转化装置9、甲醇水存储器85、甲醇水制氢重整器81、换热器82、燃料电池83、空气余气混合器87和控制装置，甲醇水制氢重整器81设置有重整室811、分离室812和供甲醇水重整制氢反应所需温度的电加热器84，控制装置包括控制器和用于向外输出电能的电力输出端口，其中：厌氧发酵塔6产生的沼气经甲醇转化装置9转化为甲醇，该甲醇在甲醇水存储器85内与水混合制成甲醇水混合溶液，作为甲醇重整制氢反应的原料，通过输送泵86输送至重整室811内发生甲醇和水的重整制氢反应制得氢气和高温余气的混合气，然后混合气经分离室812分离出的氢气经换热器82降温后输送至燃料电池83产生电能，该电能通过电力输出端口为系统内的所有用电设备供电，由此，本发明利用造纸污泥厌氧发酵-沼气-甲醇-甲醇水重整制氢反应-燃料电池83的过程实现了电能、热能的高效转化和利用，所产生的电能直接为所有用电设备供电，实现自给自足，无需外来供电，而且该系统输出的电能为直流电，无需转换即可直接供直流电机使用，相比目前城市电网的集中式供电方式，具有随用随发、不受场地限制以及节能环保的优点；同时，经分离室812分离出的高温余气与外界空气经空气余气混合器87混合后形成所需温度的混合气并为厌氧发酵塔6和甲醇转化装置9内的生化反应提供所需的温度。由于高温余气的温度高达300~600℃，这部分高品质的热能完全可以满足沼气厌氧发酵和甲醇合成反应所需的温度，由此充分利用了甲醇水重整制氢过程中产生的余热实现系统给内部供热的目的，相比现有技术依靠电加热或者锅炉燃烧供热的方式，大大降低能耗，而且甲醇水重整制氢反应产生的高温余气为二氧化碳和少量未反应的甲醇和水蒸气，余量可以直接排放，对环境无污染，节能减排效果显著。
具体的，厌氧发酵塔6设置有用于通入加热介质的保温夹层，保温夹层通过第一加热管路10与空气余气混合器87的出气口连接，第一加热管路10设置有与控制器连接的调节阀50，CSTR厌氧反应器3内设置有与控制器连接的温度传感器。利用高温余气作为加热介质，对厌氧发酵塔6提供其内沼气发酵所需的温度（约30度），并通过调节阀50和温度传感器实现温度的自动化调控。
本实施例中，如图2所示，甲醇转化装置9包括依次连接的固液分离装置91、脱硫塔92、二氧化碳吸收塔93、氨气吸收塔94、压缩机95、甲醇合成塔96和气液分离器97。由于污水在厌氧塔5内厌氧发酵产生的沼气为含有甲烷、硫化物和二氧化碳等的混合物，先经过固液分离装置91除去固体杂质，然后依次经过脱硫塔92除去硫化物、经过二氧化碳吸收塔93除去二氧化碳、经过氨气吸收塔94除去氨气后获得纯度较高的甲烷气体，再输送至甲醇合成装置用于制备甲醇，氨气吸收塔94输出的甲烷气体以及氧气分别通过输送管道与压缩机95的进气口连通，气液分离器97的出液口与甲醇水存储器85连接，气液分离器97的出气口通过循环管路与压缩机95的进气口连通；甲醇水存储器85和循环管路70均设置有与控制器电连接的气体流量控制阀60。上述过程中，甲烷提取装置提取的甲烷气体和外供氧气（如氧气瓶提供氧气）经过压缩机95加压后输送至甲醇合成塔96内氧化反应生成甲醇，其中甲烷和氧气按8~9:1~2 的体积比混合，在150~220℃和80~125个大气压的条件下，反应制得甲醇，反应式是：2CH4＋O2=2CH3OH。甲醇合成塔96内生成的甲醇以及未反应的甲烷等剩余气体经过气液分离器97冷凝分离后获得的甲醇输送至甲醇水存储器85，分离后的剩余气体再通过循环管路70返回至压缩机95进气口，再进入甲醇合成塔96合成甲醇。输送管道和循环管路70均设置有与控制器连接的气体流量控制阀60，通过气体流量控制阀60实现各管路中气体流量的自动化控制，压缩机95由沼气热电站8输出的电能供电。进一步，沼气热电站8为甲醇合成反应输送热能，甲醇合成塔96设置有与空气余气混合器87连接的第二加热管路20，第二加热管路20上设置有调节阀50，甲醇合成塔96内设置有与控制器连接的温度传感器和压力传感器，从而实现对甲醇合成塔96内反应温度和压力的自动化控制。利用甲醇转化装置9将沼气转化为甲醇，从而为沼气热电站8补充提供甲醇水重整制氢发电过程所需的原料。
本实施例中，沼气热电三联供的餐饮垃圾处理系统还包括压滤机12，厌氧发酵塔6的出料口与压滤机12进料口连接，压滤机12的出渣口连接沼渣槽，压滤机12的出液口连接沼液槽。厌氧发酵塔6经厌氧发酵后剩下的沉淀物通过压滤机12压滤脱水后分别获得沼渣和沼液，该沼渣和沼液可制作成有机肥用于农作物。
本实施例中，甲醇水制氢重整器81设置有启动装置。首先，启动装置在甲醇水制氢重整器81启动过程中，为输送泵86和电加热器84供电，以使甲醇水重整制氢反应启动，获得氢气和高温余气，氢气进入燃料电池83，燃料电池83工作产生电能，由此沼气热电站8产生电能和热能，再为整个系统供电供热，从而形成循环系统。具体的，启动装置为蓄电池；或者为燃烧式启动装置，其通过燃烧甲醇为重整室811加热；或者为贮氢瓶，该贮氢瓶可在甲醇水制氢重整器81启动过程中，为燃料电池83输入氢气，使燃料电池83工作产生电能，进而为输送泵86及电加热器84供电。
本发明可以根据餐饮垃圾的沼气转化率、沼气转化为甲醇的量、沼气热电站8所需甲醇水的用量、各加热模块所需的温度、各用电模块的功率以及甲醇水重整制氢反应中产生的热能以及燃料电池83输出的电能进行能量恒算，可实现整个系统的餐饮垃圾处理量以及热电的智能化控制。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.沼气热电三联供的餐饮垃圾处理系统，其特征在于：包括依次连接的物料输送机、粉碎机、固液分离器、打浆机、除砂器和厌氧发酵塔，以及污泥罐和沼气热电站，所述污泥罐的污泥出口通过污泥泵与所述厌氧发酵塔的污泥进口连通，所述厌氧发酵塔设置有搅拌器和三相分离器，所述三相分离器的沼气出口通过管路将沼气厌氧发酵塔输送至所述沼气热电站；
所述沼气热电站包括用于将沼气转化为甲醇的甲醇转化装置、甲醇水存储器、甲醇水制氢重整器、换热器、燃料电池、空气余气混合器和控制装置，所述甲醇水制氢重整器设置有重整室、分离室和供甲醇水重整制氢反应所需温度的电加热器，所述控制装置包括控制器和用于向外输出电能的电力输出端口，其中：厌氧发酵塔产生的沼气经甲醇转化装置转化为甲醇，该甲醇在所述甲醇水存储器内与水混合制成甲醇水混合溶液，然后输送至所述重整室内发生甲醇和水的重整制氢反应制得氢气和高温余气的混合气，然后混合气经分离室分离出的氢气经所述换热器降温后输送至燃料电池产生电能，该电能通过电力输出端口为系统内的所有用电设备供电；经分离室分离出的高温余气与外界空气经所述空气余气混合器混合后形成所需温度的混合气并为所述厌氧发酵塔和甲醇转化装置内的生化反应提供所需的温度。
2.根据权利要求1所述的沼气热电三联供的餐饮垃圾处理系统，其特征在于：所述厌氧发酵塔设置有用于通入加热介质的保温夹层，所述保温夹层通过第一加热管路与所述空气余气混合器的出气口连接，所述第一加热管路设置有与控制器连接的调节阀，所述厌氧发酵塔内设置有与控制器连接的温度传感器。
3.根据权利要求1所述的沼气热电三联供的餐饮垃圾处理系统，其特征在于：所述甲醇转化装置包括依次连接的固液分离装置、脱硫塔、二氧化碳吸收塔、氨气吸收塔、压缩机、甲醇合成塔和气液分离器，所述氨气吸收塔输出的甲烷气体以及氧气分别通过输送管道与压缩机的进气口连通，所述气液分离器的出液口与所述甲醇水溶液存储器连接，所述气液分离器的出气口通过循环管路与压缩机的进气口连通；所述甲醇水溶液存储器和循环管路均设置有与控制器电连接的气体流量控制阀。
4.根据权利要求3所述的沼气热电三联供的餐饮垃圾处理系统，其特征在于：所述甲醇合成塔设置有第二加热管路，所述第二加热管路与所述高温余气收集装置连接，所述第二加热管路上设置有调节阀，所述甲醇合成塔设置有温度传感器和压力传感器，所述调节阀、所述温度传感器和所述压力传感器分别与所述控制器电连接。
5.根据权利要求1所述的沼气热电三联供的餐饮垃圾处理系统，其特征在于：还包括油水分离器，所述油水分离器的进液口与所述固液分离器的出液口连通，所述油水分离器的出水口与所述厌氧发酵塔的进水口连通。
6.根据权利要求1所述的沼气热电三联供的餐饮垃圾处理系统，其特征在于：所述物料输送机为螺杆输送机，所述粉碎机包括进料斗，所述进料斗与所述螺杆输送机的出料口连接。
7.根据权利要求6所述的沼气热电三联供的餐饮垃圾处理系统，其特征在于：还包括压滤机，所述厌氧发酵塔的出料口与所述压滤机进料口连接，所述压滤机的出渣口连接沼渣槽，所述压滤机的出液口连接沼液槽。
8.根据权利要求1所述的沼气热电三联供的餐饮垃圾处理系统，其特征在于：所述甲醇水制氢重整器设置有启动装置，所述启动装置在甲醇水制氢重整器启动过程中为所述电加热器和输送泵供电。
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