CN110961433A

CN110961433A - 一种水热碳化处理餐厨垃圾的方法

Info

Publication number: CN110961433A
Application number: CN201911318535.2A
Authority: CN
Inventors: 杨英; 许传阳; 赵彦琦; 王其森; 许凤智; 张二卫
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2020-04-07

Abstract

本发明公开了一种水热碳化处理餐厨垃圾的装置，包括固液分离装置、机械破碎装置、水热碳化系统、高温烘干装置、打包收集装置；固液分离装置一侧设置有水热碳化系统，机械破碎装置位于固液分离装置与水热碳化系统之间，打包收集装置设置在水热碳化系统另一侧，高温烘干装置位于水热碳化系统与打包收集装置之间，固液分离装置、机械破碎装置、水热碳化系统、高温烘干装置、打包收集装置依次连接；将过滤压缩后残渣通过水热碳化技术，把废弃的餐饮垃圾残渣转变成高热值低污染的新型生物质燃料，最大程度的变废为宝，节约传统燃料，供给发电厂使用，实现资源的循环利用；另外，将此技术应用于工程实践，开发小型化移动式高效的餐厨垃圾处理设备。

Description

一种水热碳化处理餐厨垃圾的方法

技术领域

本发明属于餐厨垃圾处理技术领域，具体涉及一种水热碳化处理餐厨垃圾的方法。

背景技术

餐厨垃圾是餐饮垃圾和厨余垃圾的总称，具有水分、有机物、油脂、盐分等含量高、易腐烂变质等特点，是城乡生活垃圾中主要组成部分，约占37-62%；随着人们饮食结构的改变和生活水平的提高，餐厨垃圾产量与日俱增；2018年中国餐厨废弃物产生量约为 10800万吨，日均产生量为 29 万吨；餐厨垃圾收运过程污染环境，处理不当影响食品安全，甚至危害人体健康，因此，餐厨垃圾无害化处理及其资源化利用日益受到重视；近年来随着餐厨垃圾产量的增加，餐厨垃圾处理技术不断成熟与完善；在农村，餐厨垃圾通常未经消毒处理用作牲畜饲料，或是好养堆肥后用作农业有机肥料；在城市，垃圾分类之前通常和生活垃圾一起处理，以填埋和焚烧为主；垃圾分类实施后，通常采用厌氧消化技术进行能源回收利用，或是利用生物菌种进行好氧发酵后作为农业饲料；我国餐厨垃圾处理设施建设起步较晚，目前国内最常见的处理技术有机械破碎法、焚烧法、填埋法，这类处理方式严重浪费资源，还可能对环境造成污染，影响人体健康；现阶段我国餐厨垃圾处理技术趋于成熟，例如好氧堆肥、厌氧消化等。

水热碳化(Hydrothermal Carbonization)是近年来迅速发展的一种生物质增值化处理方法，它是以水作为反应溶剂，在<375℃(通常150-280℃)温度和一定压力(14-276bar)容器中合成富碳固体产物，将生物质原料转化为具有高附加值的多功能炭基材料(水热炭)，从能量密度上而言，水热炭品质接近于泥炭和褐煤，可作为复合固体燃料直接燃用，也可应用于土壤改良、CO2固定、污染物吸附等诸多领域；但当前该技术在工艺性能上(如处理效率、水热炭产率、水热炭性能、余热利用等)仍有很大的提升空间。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明提供一种清洁环保、产物附加值高、快速高效的水热炭综合利用方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水热碳化处理餐厨垃圾的装置，包括固液分离装置、机械破碎装置、水热碳化系统、高温烘干装置、打包收集装置；将餐厨垃圾放入到固液分离装置内，所述固液分离装置一侧设置有水热碳化系统，所述机械破碎装置位于固液分离装置与水热碳化系统之间，所述打包收集装置设置在水热碳化系统另一侧，所述高温烘干装置位于水热碳化系统与打包收集装置之间，所述固液分离装置、机械破碎装置、水热碳化系统、高温烘干装置、打包收集装置依次连接。

进一步的，所述固液分离装置进入机械破碎装置时添加有改良剂。

进一步的，所述机械破碎装置的有机物进入水热碳化系统时添加有催化剂。

进一步的，所述餐厨垃圾与打包收集装置还可以与淋巴除臭装置连接，所述淋巴除臭装置连接有生物吸附装置，进而得到达标排放。

进一步的，所述固液分离装置可以将大块状垃圾与滤液形成固液分离。

进一步的，所述固液分离装置还连接有三相分离装置，所述三相分离装置连接有皂化盐析装置，所述皂化盐析装置还连接有水洗干燥装置，经所述水洗干燥装置之后可形成工业肥皂。

进一步的，所述三相分离装置与机械破碎装置连接，所述三相分离装置中的废渣可再次回到机械破碎装置中进行破碎作业。

进一步的，所述三相分离装置还与水热碳化系统连接，所述三相分离装置中的废水可再次回到水热碳化系统中进行反应。

进一步的，所述打包收集装置中的物体可以用做燃料进行使用；所述打包收集装置连接有精加工装置，经精加工装置之后可以产生复合蛋白饲料。

一种水热碳化处理餐厨垃圾的方法；水热碳化工艺是项目研究的关键技术，反应过程复杂多变，受到多个参数的影响，包括碳化温度、停留时间、物料与水混合比、压力、PH值以及添加剂等；因此，对水热碳化反应机理、过程组分转化路径和可能涉及到的化学反应必须深入研究，需要进行一系列实验分析；对于水热碳的反应动力学和热力学行为研究，更需要准确的实验研究和参数确定，因此项目拟采取的一系列实验方法和技术手段进行研究，具体内容如下：

1）水热碳化分析

作为综合反应器，实现物质加热、蒸发、冷却及低高速混配的物理化学反应，采用北京世纪森郎仪器有限公司的 250ml 高温高压平行反应釜；该实验台由三台反应釜组成，以保证实验的重复性；反应釜工作腔容积为250ml，工作温度为室温至 300℃，最高工作压力达到 25MPa；采用 K 型热电偶测温并配有控温系统；模块加热模式，升温速率约为 4℃/min；内部配有磁力搅拌，保证实验过程充分搅动，转速可控制在 0-1200rpm。

2）元素分析

通过样品的高温氧化燃烧进行气体分离检测，从而同时或单独实现样品中几种元素分析；采用德国 Elementar 公司生产的Vario EL cube型元素分析仪，对物质中C、H、S、N 、P等元素的分析，分析时间一般在35S左右，分析误差达到相应元素ISO标准。

3）工业分析

为了便于横向与纵向比较，必须进行工业分析或技术分析，即物质中水分（M）、灰分（A）和挥发分（V）的测定和固定碳（FC）的计算；分析指标均采用GB/T212-2008《煤的工业分析方法》，主要仪器为温控范围0-1000℃的马弗炉。

4）热值分析

热值（HV）是单位重量燃料完全燃烧后所放出的热量的总和，高位热值（HHV）是含有烟气中不能被利用的水蒸气带走的热量，低位热值（LHV）是不包含这部分热量的；通常在不特别注明情况下，是指燃料收到基低位热值；拟采用为恒科煤质公司所产的精密微机全自动量热仪，测试标准为 GB/T213-2008《煤的发热量测定方法》；该仪器温度测量范围 0-40℃；精密度≤0.1%；分辨率 0.0001℃。

5）气相色谱质谱分析

对液体或固体样品进行常量和微量分析分离检测；采用安捷伦7890A 型气相色谱分析仪检测水热碳化过程所产气体组分，利用 TCD 检测器可检测气体中二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、二氧化碳等气体；柱箱温度范围：4-400℃，最大升温速率可达 120℃/min；毛细管柱进样口的最高工作温度为 400℃；压力工作范围：0-100 psi；工作载气为氦气，设定范围为 0-1000ml/min，线性动态范围：>105±5%。

6）热重分析

在程序控温下，分析物质质量随温度或时间的变化，从而检测物质温度-质量变化关系；采用瑞士梅特勒全自动热失重分析仪 TGA/DSC 1-1600 对固体燃料进行热力行为分析；该仪器主要性能指标如下：全量程加热过程中温度准确性为±0.5℃，温度测量精度为±0.3℃，线性升温速率(室温-最高温度)满足0.1~100ºC/min；燃烧、热解和气化过程中，能同时实现样品质量测量，质量测量灵敏度 0.1ug；热失重分析实验在空气气氛中以 20ºC/min 的升温速率从室温加热至 1000℃，气体流量 80ml/min。

7）红外光谱分析

对物质中所含C、H、O、N等官能团进行定性定量分析；采用美国赛默飞科技公司生产的Nicolet iS10 型傅里叶红外光谱仪；主要性能指标如下：波长检测范围400-4000cm-1，分析光谱分辨率优于 0.4cm-1，波长精度≤0.005 cm-1；物料与溴化钾 KBr 晶体粉末以 1:50 比例混合后，制成压片用于红外官能团的检测。

采用上述技术方案，本发明的有益效果：

将过滤压缩后残渣通过水热碳化技术，把废弃的餐饮垃圾残渣转变成高热值低污染的新型生物质燃料，最大程度的变废为宝，节约传统燃料，供给发电厂使用，实现资源的循环利用；另外，将此技术应用于工程实践，开发小型化移动式高效的餐厨垃圾处理设备，实现设备的清洁化、自动化与智能化；综合研究过程包括两方面关键技术问题。

1）水热碳化是指在一个密闭体系中，以碳水化合物或木质纤维素为原料，以水为反应媒介，在一定温度及自产生压力下，经过一系列复杂反应而转化成碳材料的过程；水热碳化法操作简单，反应条件温和，是一种绿色的可持续产碳途径，具有成本低、产碳率高等特点；水热碳化反应是一个典型的放热过程，主要是通过脱水、脱羧反应来降低原料中的O、H含量，反应过程受到碳化温度、停留时间、物料与水混合比、压力、PH 值以及添加剂等因素影响，反应非常复杂，并伴随副反应发生，对反应机理的准确把握，实现该化学过程的精确控制是深入研究的技术关键，即关键是明确水热碳化反应过程物质变化、能量转化、控制模式等热力学、动力学机制，以便合理的高效的利用餐厨垃圾水热碳化综合热值。

2）在基础的固液分离-残渣破碎-脱水成型-高温消毒-打包收集为一体的装置之上，研究高效、即时、灵巧的餐厨垃圾处理设备，结合水热碳化技术要求，开发水热碳化干化工艺、能量利用等设备，实现反应过程的质量能量的平衡分布与有效利用；利用软件工程、人工智能等技术将机械化设备改造升级为全自动处理设备，方便管理与操作。

附图说明

图1是本发明中一种水热碳化处理餐厨垃圾的方法的工艺流程图；

图2是本发明中一种水热碳化处理餐厨垃圾的装置的工艺结构图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明：

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

结合图1所示：一种水热碳化处理餐厨垃圾的装置，包括固液分离装置、机械破碎装置、水热碳化系统、高温烘干装置、打包收集装置；将餐厨垃圾放入到固液分离装置内，所述固液分离装置一侧设置有水热碳化系统，所述机械破碎装置位于固液分离装置与水热碳化系统之间，所述打包收集装置设置在水热碳化系统另一侧，所述高温烘干装置位于水热碳化系统与打包收集装置之间，所述固液分离装置、机械破碎装置、水热碳化系统、高温烘干装置、打包收集装置依次连接。

其中，所述固液分离装置进入机械破碎装置时添加有改良剂。

同时，所述机械破碎装置的有机物进入水热碳化系统时添加有催化剂。

进一步优化的，所述餐厨垃圾与打包收集装置还可以与淋巴除臭装置连接，所述淋巴除臭装置连接有生物吸附装置，进而得到达标排放。

其中，所述固液分离装置可以将大块状垃圾与滤液形成固液分离。

此外，所述固液分离装置还连接有三相分离装置，所述三相分离装置连接有皂化盐析装置，所述皂化盐析装置还连接有水洗干燥装置，经所述水洗干燥装置之后可形成工业肥皂。

其中，所述三相分离装置与机械破碎装置连接，所述三相分离装置中的废渣可再次回到机械破碎装置中进行破碎作业。

同时，所述三相分离装置还与水热碳化系统连接，所述三相分离装置中的废水可再次回到水热碳化系统中进行反应。

进一步优化的，所述打包收集装置中的物体可以用做燃料进行使用；所述打包收集装置连接有精加工装置，经精加工装置之后可以产生复合蛋白饲料。

1）水热碳化分析

2）元素分析

3）工业分析

4）热值分析

5）气相色谱质谱分析

6）热重分析

7）红外光谱分析

项目研究属于环境与资源科学技术领域，可以实现城市生活垃圾减量化、稳定化、低污染等社会效益目标；处理后过的垃圾成品易于生物转化和降解，具有很高的资源化、能源化价值，实现较好的经济效益；当前，在垃圾分类政策引导下、绿色循环经济倡导下、资源利用技术指导下，项目从源头上保证了生活垃圾的减量和提质，实现了餐厨废弃物资源化高效利用。

项目主要是研发一种油水渣分离-残渣粉碎-水热碳化-高温消毒-打包收集为一体的餐厨垃圾生态处理设备，具有占地面积小、功能丰富、节能高效、绿色环保等特点，适用于社区多个饭馆、学校食堂、各类餐饮酒店等；主体装置包括固液分离系统、固体粉碎系统、水热碳化系统、高温消毒系统、打包收集系统五部分；其中，固液分离系统可通过自然沉淀、筛网过滤的方式，将固体残渣从液体中分离出来，通过传送带输入垃圾粉碎环节，液体通过油水分离器操作取出油脂，经粗加工作为工业原料售出；固体粉碎系统可将餐厨垃圾中的菜叶、剩菜、剩饭、果皮、蛋壳、茶渣、骨头等湿垃圾通过机械粉碎至细小颗粒，并加入一定物质合成改良剂，物料搅拌混合均匀，进入工艺主要环节；水热碳化工艺是在高温水合条件下进行聚合反应的过程，设计反应温度150-350℃，引入上层油水分离出的水分，调节安全反应压力，加入适当的催化剂等，在特定反应器内进行分子碳化、物质聚合，接着送入定型室进行机械挤压成型；成型物料传输到消毒室，进行紫外高温消毒灭菌，进一步干燥硬化，接着通过红外感应或重力感应打包收集，作为生物质燃料供给发电厂使用；整个设备一系列装置均装外壳，保证处理过程无二次污染。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种水热碳化处理餐厨垃圾的装置，其特征在于：包括固液分离装置、机械破碎装置、水热碳化系统、高温烘干装置、打包收集装置；将餐厨垃圾放入到固液分离装置内，所述固液分离装置一侧设置有水热碳化系统，所述机械破碎装置位于固液分离装置与水热碳化系统之间，所述打包收集装置设置在水热碳化系统另一侧，所述高温烘干装置位于水热碳化系统与打包收集装置之间，所述固液分离装置、机械破碎装置、水热碳化系统、高温烘干装置、打包收集装置依次连接。

2.根据权利要求1所述一种水热碳化处理餐厨垃圾的装置，其特征在于：所述固液分离装置进入机械破碎装置时添加有改良剂。

3.根据权利要求1所述一种水热碳化处理餐厨垃圾的装置，其特征在于：所述机械破碎装置的有机物进入水热碳化系统时添加有催化剂。

4.根据权利要求1所述一种水热碳化处理餐厨垃圾的装置，其特征在于：所述餐厨垃圾与打包收集装置还可以与淋巴除臭装置连接，所述淋巴除臭装置连接有生物吸附装置，进而得到达标排放。

5.根据权利要求1或2所述一种水热碳化处理餐厨垃圾的装置，其特征在于：所述固液分离装置可以将大块状垃圾与滤液形成固液分离。

6.根据权利要求5所述一种水热碳化处理餐厨垃圾的装置，其特征在于：所述固液分离装置还连接有三相分离装置，所述三相分离装置连接有皂化盐析装置，所述皂化盐析装置还连接有水洗干燥装置，经所述水洗干燥装置之后可形成工业肥皂。

7.根据权利要求6所述一种水热碳化处理餐厨垃圾的装置，其特征在于：所述三相分离装置与机械破碎装置连接，所述三相分离装置中的废渣可再次回到机械破碎装置中进行破碎作业。

8.根据权利要求7所述一种水热碳化处理餐厨垃圾的装置，其特征在于：所述三相分离装置还与水热碳化系统连接，所述三相分离装置中的废水可再次回到水热碳化系统中进行反应。

9.根据权利要求1所述一种水热碳化处理餐厨垃圾的装置，其特征在于：所述打包收集装置中的物体可以用做燃料进行使用；所述打包收集装置连接有精加工装置，经精加工装置之后可以产生复合蛋白饲料。

10.一种水热碳化处理餐厨垃圾的方法；水热碳化工艺是项目研究的关键技术，反应过程复杂多变，受到多个参数的影响，包括碳化温度、停留时间、物料与水混合比、压力、PH 值以及添加剂等；因此，对水热碳化反应机理、过程组分转化路径和可能涉及到的化学反应必须深入研究，需要进行一系列实验分析；对于水热碳的反应动力学和热力学行为研究，更需要准确的实验研究和参数确定，因此项目拟采取的一系列实验方法和技术手段进行研究，具体内容如下：

1）水热碳化分析；

2）元素分析；

3）工业分析；

4）热值分析；

5）气相色谱质谱分析；

6）热重分析；

7）红外光谱分析。