CN111676033B - 一种利用废弃物的制气系统及制气方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种利用废弃物的制气系统,包括,预热单元,对所述废弃物进行预热;第一反应单元,连接所述预热单元,将所述废弃物分解成多种组分;转接单元,连接所述第一反应单元;第二反应单元,连接所述转接单元,部分所述多种组分通过所述转接单元进入所述第二反应单元;高温单元,连接所述第二反应单元,所述高温单元为所述第二反应单元提供高温烟气,以在所述第二反应单元内形成气体。本发明提出的利用废弃物的制气系统可以获得高热值的可燃气。
Description
技术领域
本发明涉及固体废弃物资源化处理领域,特别涉及一种利用废弃物的制气系统及制气方法。
背景技术
大中型城市垃圾产生区域集中、产量大,同时规模效应使得焚烧发电效益显著。而中小城镇由于垃圾产量较小、热值较低,焚烧技术的推广应用受到一定限制,垃圾产量300吨/日以下地区的垃圾无害化处理主要依靠填埋,技术选择也较为单一,中小规模垃圾处理设施存在较大缺口。废弃物的热解气化技术以其过程的清洁性、产物的高值化,可以满足目前小体量废弃物处理的需求。
现有技术存在有将垃圾等废弃物热解和气化结合的技术,并将气化炉中各反应阶段包括干燥、热解和气化分开来控制的技术,如有现有技术中有一种生活垃圾热解资源化综合处理系统及方法,先通过成型垃圾(垃圾棒)热解得到高温油气和热解炭,高温油气需要经过分离净化分离出可燃气和热解油,成型的热解炭再在固定床气化炉中通过烟气气化进一步得到可燃气。成型的垃圾棒的制作耗能高、费用高;高温油气经过分离净化分离出可燃气和热解油浪费了高温油气的显热,热解油难以直接利用。
鉴于现有热解气化技术存在的焦油难以有效利用、或者要采用高温气化避免焦油的存在、燃料要成型等,最终导致运行成本高等问题,因此迫切需要新的、经济高效的技术来有效利用这些废弃物资源。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺陷,本发明提出一种利用废弃物的制气系统,该制气系统的设备运行温度低,使用寿命长,且最终的产物无焦油,可以获得高热值的可燃气。
为实现上述目的及其他目的,本发明提出一种利用废弃物的制气系统,包括,
预热单元,对所述废弃物进行预热;
第一反应单元,连接所述预热单元,将所述废弃物分解成多种组分;
转接单元,连接所述第一反应单元,所述转接单元用于分离所述多种组分;
第二反应单元,连接所述转接单元,部分所述多种组分通过所述转接单元进入所述第二反应单元;
高温单元,连接所述第二反应单元,所述高温单元为所述第二反应单元提供高温烟气,以在所述第二反应单元内形成可燃气体。
进一步地,所述预热单元的工作温度在100-130℃。
进一步地,所述第一反应单元的工作温度在440-600℃。
进一步地,所述转接单元内设置有分离结构,所述分离结构用于分离所述多种组分。
进一步地,所述分离结构用于分离所述废弃物中不能气化的杂质。
进一步地,所述第二反应单元的工作温度在600-800℃。
进一步地,所述第二反应单元内设置有驱动装置,所述驱动装置用于移动和混合所述多种组分。
进一步地,所述高温单元包括高温火炬,所述高温烟气的温度大于1200℃。
进一步地,还包括净化单元,所述净化单元连接所述第二反应单元,所述净化单元用于净化所述第二反应单元形成的可燃气体。
进一步地,本发明还提出一种利用废弃物的制气方法,包括,
将所述废弃物放置在预热单元内,对所述废弃物进行预热;
将预热过的所述废弃物放置在第一反应单元内,以将所述废弃物分解成多种组分;
通过转接单元分离所述多种组分,并将部分所述多种组分放置在第二反应单元内;
通过高温单元为所述第二反应单元提供高温烟气,以在所述第二反应单元内形成可燃气体。
综上所述,本发明提出一种利用废弃物的制气系统及制气方法,通过该制气系统可以获得高热值的可燃气,且最终的产物无焦油;同时该制气系统的设备运行温度低,设备稳定性高,具有投资低,运行故障率低,寿命长的优点。
附图说明
图1:本实施例提出的利用废弃物的制气系统。
图2:本实施例中转接单元的一种结构示意图。
图3:本实施例提出的利用废弃物的制气方法。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示,本实施例提出一种利用废弃物的制气系统100,该制气系统100包括,预热单元101,第一反应单元102,转接单元103,第二反应单元104,高温单元105及净化单元106。
如图1所示,在本实施例中,该预热单元101用于对物料进行预热,所述物料例如为废弃物,所述废弃物例如包括生活垃圾、造纸垃圾、酒糟、剩余的边角布料、废塑料、农业废弃物、海滩植物、汽车拆解产生的有机废物等。在本实施例中,该预热器101可例如为回转式加热器或螺旋式加热器,所述预热器101的工作温度可例如在100-130℃。当物料进入预热单元101内时,将物料的温度加热至105℃或更高的温度,同时加热后的烟气进入到烟气排出装置1011。在本实施例中,物料在进入预热单元101内前,物料中的水分可例如小于或等于42wt%。
如图1所示,在本实施例中,该预热单元101连接第一反应单元102,预热单元101可例如通过保温管道连接第一反应单元102,物料在经过预热后,通过保温管道进入到第一反应单元102,以在第一反应单元102内进行反应。在本实施例中,当预热后的物料进入到第一反应单元102内时,然后将高温烟气1053输送至第一反应单元102,高温烟气1053为第一反应单元102提供热量,物料在高温烟气1053的作用下开始进行热解反应,通过热解反应可以形成多种组分,同时高温烟气1053可通过另一保温管道1021进入到预热单元101内。在本实施例中,第一反应单元102例如为热解均化反应器,所述热解均化反应器可例如为螺旋推进式反应器,回转式反应器或降落式反应器。第一反应单元102的工作温度可例如大于440℃,例如500℃。在本实施例中,通过第一反应单元102形成的多种组分例如包括挥发分,炭粉及杂质,除杂质外,挥发分和炭粉都是均匀的组分便于气化。
如图1-2所示,在本实施例中,转接单元103设置在第一反应单元102和第二反应单元104之间,即转接单元103分别连接第一反应单元102和第二反应单元104,第一反应单元102内形成的多种组分通过转接单元103进入到第二反应单元104内。第一反应单元102内形成的多种组分经过转接单元103进行分离。在该转接单元103内设置有分离网103a,所述分离网103a可例如为带有筛孔的螺旋管段,也可以是其他形式的分离机构。在本实施例中,转接单元103可例如将炭粉1031,挥发分1032进入到第二反应单元104内,当物料中包括不能气化的杂质如石头,砖块,玻璃或铁丝时,转接单元103例如将杂质1033排出。图2显示出了转接单元103的一种可能的结构图,从图中可以看出,当挥发分,炭粉和不能气化的杂质进入到转接单元103内时,炭粉通过分离网103a自炭粉排出管流出,从而进入到第二反应单元104内,挥发分1032则通过挥发分引出管进入第二反应单元104内,由于杂质的尺寸大于分离网103a的孔径,则杂质通过该转接单元103被排出。需要说明的是,挥发分1032通往第二反应单元104的管路要采取保温措施,防止焦油冷凝,堵塞管路。当然,在一些实施例中,还可以在转接单元103内设置其他的分离结构,例如弹跳筛,所述分离结构同样可以分离多种组分。
如图1所示,在本实施例中,当废弃物中不包括不能气化的杂质时,也就是当废弃物不包括例如石头,玻璃或铁丝等其他物料时,该转接单元103可以不用分离杂质1033,也就是该转接单元103将炭粉1031和挥发分1032通过各种的输送管道分别送至第二反应单元104。
如图1所示,在本实施例中,第二反应单元104还连接高温单元105,高温单元105例如为燃油燃烧器或油气两用燃烧器。当空气或富氧空气1051和燃料1052进入到高温单元105内时,通过反应形成大量的高温烟气1053,高温烟气1053通过管路流入到第二反应单元104内,高温烟气1053的温度可例如大于1200℃,例如为1299℃。在本实施例中,当炭粉1031,挥发分1032和高温烟气1053进入到第二反应单元104内时,第二反应单元104内的驱动装置推动炭粉1031,挥发分1032和高温烟气1053接触。炭粉1031、挥发分1032和高温烟气1053在炭粉1031的自催化作用下气化,形成高热值的可燃气1041。在本实施例中,该第二反应单元104可例如为气化反应器,所述气化反应器例如为流化床,螺旋推进式反应器,回转反应器或降落式反应器或固定床式反应器。在本实施例中,第二反应单元104的工作温度大于第一反应单元102的工作温度,第二反应单元104的工作温度可以根据需要调节。
在本实施例中,高温单元105的功率的计算方法如下,
假设高温单元105的功率W(KW)=Mfuel×HHVfuel/3600,其中,Mfuel表示每吨废弃物要求的高温单元105每小时消耗的燃料,HHVfuel表示所述燃料的高位热值(kJ/Kg)。需要说明的是,挥发分1032经过反应后剩余的焦油作为部分燃料,不足部分再用外界的燃料。
所述燃料消耗量Mfuel的计算方法是:
Mfuel(kg/(h·tonwastes))=Q/(HHVfuel-Vy×1.4123×t),其中,Vy是高温单元105的烟气发生量;t是第二反应单元104的工作温度,由供热量Q来控制,所述高温单元105提供的热量Q的计算方法是:Q(MJ/(h·tonwastes))=Q1+Q2+Q3,其中,Q1是提升挥发分1032和炭粉1031的温度到催化气化温度t所需热量,Q1=(M炭粉×c炭粉×(t-tj)+M挥发分×c挥发分×(t-tj))/1000,其中,M炭粉、M挥发分---分别是热均化后炭粉、挥发份的质量,kg/tonwastes/h;
c炭粉、c挥发分---分别炭粉、挥发份的定压比热容,kJ/kg.℃;
Q2供给气化反应例如CO2+C→2CO(R1);H2O+C→CO+H2(R2);CmHn+mH2O→mCO+(n/2+m)H2(R3)等反应所需的热量,
Q2=(MR1/12)×△H1+(MR2/12)×△H2+(MR3/46)×△H3),MJ/(hour·tonwastes);
其中,MR1和MR2分别是炭粉1031中通过反应R1及R2消耗掉的质量。MR3是挥发分1032中通过反应R3消耗掉的油的质量。△H1、△H2和△H3分别是反应R1、R2及R3的反应热,MJ/kmol。
Q3是因为第二反应单元104保温不良引起的热损失,按照2~5%所需的热量来计算,Q3=(Q1+Q2)×(2~5)%。
在本实施例中,第二反应单元104内的炭粉1031作为催化剂,进行自催化气化反应;当废弃物的产炭率很低时,第二反应单元104内也可以加入其他催化剂,所述催化剂选自煅烧白云石,羟基氧化铁、铁粉以及镍粉。
如图1所示,在本实施例中,第二反应单元104还连接净化单元106,第二反应单元104内的炭粉1031,挥发分1032在高温烟气1053的作用下形成气体,所述气体例如为可燃气1041。所述可燃气1041通过净化单元106后可以作为燃料使用或者发电。第二反应单元104排出的残焦或灰渣1042可以作为建材,或者燃气净化废水的初步过滤净化材料,也可以用于废水处理厂的吸附材料或者生物膜的生长载体。
如图3所示,本实施例还提出一种利用废弃物的制气方法,包括,
S1:将所述废弃物放置在预热单元内,对所述废弃物进行预热;
S2:将预热过的所述废弃物放置在所述第一反应单元内,以将所述废弃物分解成多种组分;
S3:通过转接单元将部分所述多种组分放置在第二反应单元内;
S4:通过高温单元为所述第二反应提供高温烟气,以在所述第二反应单元内形成可燃气体。
以下将根据该制气系统和制气方法,并根据不同的废弃物进行阐述,例如当废弃物的主要组分为塑料、废纸、布料以及草木树枝等,该废弃物的含水率为40%,处理量为2.5吨/h。分析发现垃圾的干基高位热值HHVfuel=14.7MJ/kg。
首先将该废弃物通过加料器送入预热单元101内,该预热单元101的工作温度为110℃,该预热单元可以为回转式预热器,该预热单元101使用第一反应单元102的烟气余热进行加热,废弃物在预热单元101内干燥至含水率在3%以下。
干燥后的废弃物进入第一反应单元102内,第一反应单元102的工作温度例如为550℃,第一反应单元102例如为双螺旋式反应器,第一反应单元102可例如使用高温烟气进行加热,第一反应单元102内形成的炭粉1031,挥发分1032和不能气化的杂质1033通过转接单元103进行分离,炭粉1031,挥发分1032进入到第二反应单元104内,杂质1033通过转接单元103排出,第二反应单元104例如为螺旋式反应器,第二反应单元104的工作温度例如为650℃,高温单元105例如为高温火炬,高温单元105的功率例如为2.0MW,消耗所有的残余焦油及270Nm3/h的自产燃气可满足要求,燃气的毛产量为521Nm3/ton,热值为13MJ/Nm3。第二反应单元104产生的可燃气1041经过净化单元106后可以作为燃料使用或者发电,部分可燃气1041还可以用于对第一反应单元102供热,第一反应单元102排出的烟气可以通过保温管道1021进入到预热单元101内,从预热单元102排出的烟气可以经过烟气排出装置1011进行处理。第二反应单元104产生的残焦或灰渣1042可以用作建材,或者燃气净化废水的初步过滤净化材料。
又例如,在一实施例中,当废弃物为秸秆时,秸秆在经过空气干燥后,含水率在18%,分析发现秸秆的干基高位热值HHVfuel=15.05MJ/kg。
首先将该秸秆粉碎至10mm以下,然后通过加料器将该废弃物送入预热单元101内,该预热单元101的工作温度例如为120℃,该预热单元可以为回转式预热器,该预热单元101使用第一反应单元102的烟气余热进行加热,废弃物在预热单元101内干燥至含水率在5%以下。
干燥后的废弃物进入第一反应单元102内,第一反应单元102的工作温度例如为510℃,第一反应单元102例如为双螺旋式反应器,第一反应单元102可例如使用高温烟气1053进行加热,第一反应单元102内形成的炭粉1031,挥发分1032和杂质1033通过转接单元103进行分离,炭粉1031,挥发分1032进入到第二反应单元104内,杂质1033通过转接单元103排出,第二反应单元104例如为螺旋式反应器,第二反应单元104的工作温度控制例如为670℃,高温单元105例如为高温火炬,高温单元105的功率例如为1.1MW,消耗所有的残余焦油及100Nm3/h的自产燃气可满足要求,燃气的毛产量为671Nm3/ton,热值为13.9MJ/Nm3。第二反应单元104产生的可燃气1041经过净化单元106后可以作为燃料供应居民使用,部分可燃气1041还可以用于对第一反应单元102供热,第一反应单元102排出的烟气可以通过保温管道1021进入到预热单元101内,从预热单元102排出的烟气可以经过烟气排出装置1011进行处理。第二反应单元104产生的残焦或灰渣1042可作为燃气净化废水的初步过滤净化材料,以及用于废水处理厂的吸附材料或者生物膜的生长载体。
又例如,在一实施例中,某一生活污水处理厂生产的每天污泥产量为100吨,经过干化后含水率为41%,经分析高温干基热值为12MJ/kg。
为了避免污泥扬尘,首先将污泥加工为5mm×100mm的颗粒,然后通过加料器将该废弃物送入预热单元101内,该预热单元101的工作温度例如为120℃,该预热单元可以为回转式预热器,该预热单元101使用第一反应单元102的烟气余热进行加热,废弃物在预热单元101内干燥至含水率在3%以下。
干燥后的废弃物进入第一反应单元102内,第一反应单元102的工作温度例如为470℃,第一反应单元102例如为双螺旋式反应器,第一反应单元102可例如使用高温烟气1053进行加热,第一反应单元102内形成的炭粉1031,挥发分1032和杂质1033通过转接单元103进行分离,炭粉1031,挥发分1032进入到第二反应单元104内,杂质1033通过转接单元103排出,第二反应单元104例如为螺旋式反应器,第二反应单元104的工作温度例如为700℃,高温单元105例如为高温火炬,高温单元105的功率例如为2.9MW,消耗所有的焦油及系统产生的燃气520Nm3/h即可满足要求,所产的燃气热值为12.47MJ/Nm3,每小时的总产量为1929Nm3/h。第二反应单元104产生的可燃气1041经过净化单元106后可以作为燃料供应居民使用,部分可燃气1041还可以用于对第一反应单元102供热,第一反应单元102排出的烟气可以通过保温管道1021进入到预热单元101内,从预热单元102排出的烟气可以经过烟气排出装置1011进行处理,剩余燃气可供工业使用或者燃气内燃机发电。第二反应单元104产生的残焦或灰渣1042可作为燃气净化废水的初步过滤净化材料,以及用于废水处理厂的吸附材料或者制作透水砖。
又例如,在一些实施例中,某造纸厂产生的造纸废渣(含大量塑料)产量为50ton/d,经过干化后含水率为31%,经分析高温干基热值HHVfuel=16MJ/kg。
对该废弃物不作粉碎处理,直接通过加料器将该废弃物送入预热单元101内,该预热单元101的工作温度例如为110℃,该预热单元可以为回转式反应器,该预热单元101使用第一反应单元102的烟气余热进行加热,废弃物在预热单元101内干燥至含水率在3%以下。
干燥后的废弃物进入第一反应单元102内,第一反应单元102的工作温度例如为550℃,第一反应单元102例如为双螺旋式反应器,第一反应单元102可例如使用高温烟气1053进行加热,第一反应单元102内形成的炭粉1031,挥发分1032和杂质1033通过转接单元103进行分离,炭粉1031,挥发分1032进入到第二反应单元104内,杂质1033通过转接单元103排出,第二反应单元104例如为螺旋式反应器,第二反应单元104的工作温度例如为770℃,高温单元105例如为高温火炬,高温单元105的功率例如为1.78MW,消耗所有的残余焦油及271Nm3/h的自产燃气即可即可满足要求,此时用30%的富氧空气1051为高温单元105助燃,燃气的毛产量例如为621Nm3/h,所产的燃气热值为15MJ/Nm3。第二反应单元104产生的可燃气1041经过净化单元106后一方面供给高温单元105,剩余的燃气做为燃料供应造纸厂使用,部分可燃气1041还可以用于对第一反应单元102供热,第一反应单元102排出的烟气可以通过保温管道1021进入到预热单元101内,从预热单元102排出的烟气可以经过烟气排出装置1011进行处理,剩余燃气可供工业使用或者燃气内燃机发电。第二反应单元104产生的残焦或灰渣1042可以作为建材或者填埋。
又例如,在一实施例中,某服装厂产生的废布料产量为18ton/d,在外面堆放后的含水率为12%,经分析高温干基热值HHVfuel=17.8MJ/kg。
对废弃物不作破碎处理,直接通过加料器将该废弃物放置在预热单元101内,该预热单元101的工作温度例如为120℃,该预热单元可以为回转式反应器,该预热单元101使用第一反应单元102的烟气余热进行加热,废弃物在预热单元101内干燥至含水率在3%以下。
干燥后的废弃物进入第一反应单元102内,第一反应单元102的工作温度例如为550℃,第一反应单元102例如为回转窑式反应器,第一反应单元102可例如使用高温烟气1053进行加热,第一反应单元102内形成的炭粉1031,挥发分1032和杂质1033通过转接单元103进行分离,炭粉1031,挥发分1032进入到第二反应单元104内,杂质1033通过转接单元103排出,第二反应单元104例如为螺旋式反应器,第二反应单元104的工作温度例如为680℃。同时通过第二反应单元104的加料口加入干废布料质量10%wt的煅烧白云石催化剂。高温单元105例如为高温火炬,高温单元105的功率例如为650KW,消耗所有的残余焦油热量已经富裕,不需要再烧燃气。燃气的毛产量为723Nm3/ton,热值为17.4MJ/Nm3。第二反应单元104产生的可燃气1041经过净化单元106后可以作为燃料使用或者发电,部分可燃气1041还可以用于对第一反应单元102供热,第一反应单元102排出的烟气可以通过保温管道1021进入到预热单元101内,从预热单元102排出的烟气可以经过烟气排出装置1011进行处理,剩余燃气可供工业使用或者燃气内燃机发电。第二反应单元104产生的残焦或灰渣1042可作为建材或直接填埋。
综上所述,本实施例提出一种利用废弃物的制气系统,该制气系统中第一反应单元和第二反应单元的工作温度较低,因而第一反应单元和第二反应单元的形变小,故障率低,使用寿命长;通过转接单元对不能气化的杂质进行分离,进入第二反应单元的都是均匀的物质,从而保护了第二反应单元,也使得气化更容易完成;同时该制气系统可处理含水率较高的废弃物,减少了对废弃物的预处理;该制气系统中未净化的燃气中存在焦油,但是由于焦油是挥发份中的油气与热炭接触后对原始的油进行处理后的产物,不存在大分子的焦油,粘度低、不堵塞管道;该制气系统将未气化的焦油回收作为燃料利用,没有焦油外排的问题。同时也大幅节省辅助燃料,且不产生需要净化的烟气。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明,本领域技术人员应当理解,本申请中所涉及的发明范围,并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案,同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下,由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案,例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
除说明书所述的技术特征外,其余技术特征为本领域技术人员的已知技术,为突出本发明的创新特点,其余技术特征在此不再赘述。
Claims (5)
1.一种利用废弃物的制气系统,其特征在于,包括:
预热单元,对所述废弃物进行预热;
第一反应单元,连接所述预热单元,将所述废弃物分解成多种组分;
转接单元,连接所述第一反应单元,所述转接单元用于分离所述多种组分;
第二反应单元,连接所述转接单元,部分所述多种组分通过所述转接单元进入所述第二反应单元;
高温单元,连接所述第二反应单元,所述高温单元为所述第二反应单元提供高温烟气,以在所述第二反应单元内形成可燃气体;
所述高温单元消耗所有的残余焦油,不足部分再使用外界的燃料;
所述转接单元内设置有分离结构,所述分离结构用于分离所述废弃物的杂质;
所述第二反应单元内设置有驱动装置,所述驱动装置用于移动和混合所述多种组分,推动炭粉,挥发分和高温烟气接触;
所述第二反应单元的工作温度在600-800℃;
所述高温单元包括高温火炬,所述高温烟气的温度大于1200℃。
2.根据权利要求1所述的制气系统,其特征在于,所述第一反应单元的工作温度在440-600℃。
3.根据权利要求1所述的制气系统,其特征在于,还包括净化单元,所述净化单元连接所述第二反应单元,所述净化单元用于净化所述第二反应单元形成的可燃气体。
4.一种利用废弃物的制气方法,其特征在于,包括:
提供一制气系统,所述制气系统包括:预热单元;第一反应单元,连接所述预热单元;转接单元,连接所述第一反应单元,所述转接单元用于分离多种组分,所述转接单元内设置有分离结构;第二反应单元,连接所述转接单元,所述第二反应单元内设置有驱动装置;高温单元,连接所述第二反应单元,所述高温单元为所述第二反应单元提供高温烟气,以在所述第二反应单元内形成可燃气体;所述高温单元消耗所有的残余焦油,不足部分再使用外界的燃料;将所述废弃物放置在预热单元内,对所述废弃物进行预热;
将预热过的所述废弃物放置在第一反应单元内,以将所述废弃物分解成多种组分;
通过转接单元分离所述多种组分,并将部分所述多种组分放置在第二反应单元内;
通过高温单元为所述第二反应单元提供高温烟气,以在所述第二反应单元内形成可燃气体。
5.根据权利要求4所述的制气方法,其特征在于,所述转接单元用于分离所述废弃物的杂质。
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