CN113548781B - 梯级利用船舶余热进行水热碳化的粪污快速资源化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种梯级利用船舶余热进行水热碳化的粪污快速资源化装置，属于船舶粪污资源化技术领域。该装置包括进料单元、水热碳化单元、余热梯级利用单元和水热产物收集单元，进料单元、水热碳化单元、余热梯级利用单元和水热产物收集单元依次相接，进料单元中的截污挂篮板能够调节粪污中粪便与尿液的配比，有效契合船舶颠簸的航行条件。本装置通过将粪便进行水热碳化反应，得到高热值水热炭和液体，具有装置小型化、占地面积小、自动化程度高、适应航行情况、处理效率高等优点；其制备的水热炭可作为优质燃料、生物炭肥等；其制备的液体可作液态肥，也可作为船舶生活污水处理装置反硝化补充碳源。

Description

梯级利用船舶余热进行水热碳化的粪污快速资源化装置

技术领域

本发明涉及船舶粪污资源化技术领域，特别是指一种梯级利用船舶余热进行水热碳化的粪污快速资源化装置。

背景技术

人类航海业与海洋开发得到了空前发展，世界贸易90%以上的运输量由航运承担：船舶粪污（粪便与尿液）作为一种移动污染源，是水体污染的主要来源之一。随着船舶数量的持续增加，其随意排放造成的水环境污染日益加重。船舶生活污水中的营养盐进入水环境后，即使其含量为0.01毫克/升，也可使藻类过度地生长和繁殖，引发水体富营养化，使水中溶解氧的含量降低，导致海洋动、植物群中的好气性群体（如鱼类）被低级的厌氧群体（软虫类）所取代。另外，船舶粪便污水中含有大量致病细菌与寄生虫，若不经处理或处理不合格直接排向港口鱼场或海滨浴场，会给水产养殖和人体健康带来极大危害。

船舶粪污具有成分复杂、有机物含量高、含水量大、运输成本高等特点，故其就地处理、快速减量势在必行。目前常见的船舶粪污处理方法为生化处理法和物化处理法。约90%的船舶粪污处理采用生化法，但其工艺流程复杂、空间占用大、处理时间长（15-30天），减量化效果差，且重力沉降的处理环节易受船舶颠簸的影响。而物化法和生化法相比，占地面积可减少 1/4 至 1/2、效果较稳定、易实现自动控制，但其设备和日常运转费用高，消耗较多的能源和物料。因此，急需找到一种快速减量、高效节能的船舶粪便资源化装置。

水热碳化（Hydrothermal Carbonization）技术近年来迅速发展的一种生物质增值化处理方法，它是以水作为反应介质，在一定温度和压力下将生物质转化为具有高附加值的多功能碳基材料-水热炭（Hydrochar）和副产物液态肥；相较于其他物化处理方法（如燃烧、热解、液化、气化等），水热碳化反应温和、温室气体排放量少，反应周期短，且反应物料不需要干化等预处理，可完全灭活粪污中的病菌，工艺操作更为简单易行，能快速实现含水量高的生物质废物减量、无害化的同时还能产出水热炭等资源化产品。水热炭具有与生物质热解所产生的生物炭（Biochar）相类似的属性（故有有时也被称之为生物炭），可作为燃料、土壤改良剂、二氧化碳固定剂、污染物吸附剂等应用于诸多领域。

目前，尚未见水热碳化技术用于船舶粪污处理领域，本发明创新地将水热碳化技术引入船舶粪污处理环节，设计出一种梯级利用船舶发动机高温烟气余热进行水热碳化的粪污快速资源化装置，在快速高效、安全可靠、自供能地处理船舶粪污的同时，实现其资源化，具有实际应用潜力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种梯级利用船舶余热进行水热碳化的粪污快速资源化装置。

该装置包括进料单元、水热碳化单元、余热梯级利用单元和水热产物收集单元，其中，进料单元包括斜面过滤网、第一进料口、截污舱和物料调节破碎舱，截污舱为第一隔板、第二隔板、截污挂篮板和活动门围成的空间，物料调节破碎舱包括第一搅拌机、中部溢流口和第一出料口，第一进料口设置在进料单元顶部，第一进料口下部为截污舱，斜面过滤网一边挂靠在进料单元另一边连接截污挂篮板，截污挂篮板另一边连接第一隔板，截污挂篮板下方设置活动门，斜面过滤网和截污挂篮板连接处同时竖直连接第二隔板，第二隔板的另一边连接活动门，进料单元内底部设置第一搅拌机，进料单元侧面下部设置中部溢流口，进料单元另一侧面底部设置第一出料口；水热碳化单元包括预热罐、第二进料口、第一传感器模块、小电磁阀一、第二出料口、第二搅拌机、水热反应罐、第三进料口、第二传感器模块、电控泄压阀、小电磁阀二和第三出料口，预热罐上部一侧设置第二进料口，第二进料口通过管道连接第一出料口，预热罐上部另一侧设置第一传感器模块和小电磁阀一，预热罐内设置第二搅拌机，预热罐底部设置第二出料口，第二出料口通过管道连接水热反应罐上部一侧的第三进料口，水热反应罐上部另一侧设置第二传感器模块、电控泄压阀和小电磁阀二，水热反应罐底部设置第三出料口；余热梯级利用单元包括第一管壳式换热器、第二管壳式换热器、三通阀和气泵，第一管壳式换热器包裹在预热罐外部，第二管壳式换热器包裹在水热反应罐外部，第一管壳式换热器和第二管壳式换热器烟气入口处均设置三通阀，第一管壳式换热器最后烟气出口处设置气泵；水热产物收集单元包括第四进料口、无底抽屉、板状滤芯、液肥储室和第四出料口，水热产物收集单元顶部的第四进料口通过管道连接第三出料口，板状滤芯固定在水热产物收集单元内部中间位置，紧贴板状滤芯下部设置能够向外抽拉的无底抽屉，板状滤芯下部为液肥储室，水热产物收集单元一侧下部设置第四出料口。

其中，第一出料口处配置电磁阀。

进料单元中的截污舱与物料调节破碎舱容积比为1：4～4：4；中部溢流口位于物料调节破碎舱高度的1/4～3/4处；截污挂篮板的孔径为3~5mm，斜面过滤网的孔径为 3~5mm，截污挂篮板和斜面过滤网均能够拆卸。

预热罐和水热反应罐容积相同；第二进料口、第三进料口和第三出料口均配备相应的电磁阀实现罐体密封及物料随设定程序的运输；小电磁阀一和小电磁阀二用于进出料时连通罐内外气压，保证物料进出流畅。

第一传感器模块和第二传感器模块均包括温度传感器、气压传感器和液位传感器。

该装置在应用时，船舶粪污通过粪污管路和第一进料口直接进入截污舱，当截污舱的粪污体积超过其容积时，含尿液体经截污挂篮板和斜面过滤网溢出并过滤，流入物料调节破碎舱，开启物料调节破碎舱的中部溢流口，溢出多余的含尿液体；当截污舱中装满固体粪便时，关闭第一进料口和中部溢流口，拉开活动门使截污舱的粪便掉入物料调节破碎舱与下方含尿液体混合，此时达到粪污固液体积比4:1～ 0.3:1，打开第一搅拌机，搅拌 1~2min ，形成适宜水热碳化反应的原料浆液，后经第一出料口排入水热碳化单元的预热罐，从物料调节破碎舱中部溢流口流出的多余含尿液体流入船舶生活污水处理装置一并处理。

原料浆液进入预热罐后，加热至70~85℃并进一步搅拌1~3min后，从第二出料口排出，并经第三进料口进入水热反应罐，反应后，经第三出料口排至水热产物收集单元；船舶发动机产生的高温烟气从第二管壳式换热器下端口流入，并从第二管壳式换热器上端口流出，完成对水热反应罐罐体的加热；从第二管壳式换热器上端口流出的换热后的烟气从第一管壳式换热器下端口流入并从第一管壳式换热器上端口流出，完成对粪污的预加热，实现烟气余热的梯级利用；第一传感器模块和第二传感器模块分别检测预热罐和水热反应罐的温度，根据需要，控制三通阀开度与气泵的工作来调节第一管壳式换热器和第二管壳式换热器中流过的烟气量，实现对船舶发动机高温烟气的梯级利用。

船舶上的餐厨垃圾能够有粪污合并通过该装置处理。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

（1）本发明利用水热碳化技术处理船舶粪污，不需添加其他药剂，处理前不需脱水预处理，能快速减量、除臭灭菌，获取高热值水热炭和液态肥；水热炭产率约为48.3~88.4%，由此减少粪污重量约11.6%~51.7%，大大节省了船舶粪污存贮空间；

（2）水热炭清洁卫生，不易霉变，可掺入燃煤中做燃料，也可作为肥料或土壤改良剂；保留了作物所需的氮、钾和磷等养分，种子发芽率大于70%，液肥在安全环保的同时肥效优良；

（3）截污挂篮结构相较于重力沉降法固液分离效率更高、并灵活调节水热碳化反应器进料的粪便与尿液的配比，更契合船舶颠簸的航行条件；

（4）本发明利用船舶住宿区和工作区结构分布特点，采取竖向排布，利用自重力运输物料，减少能耗；

（5）本发明梯级利用船舶发动机烟气余热，充分利用废能，减少热污染；

（6）本发明传感器配置方案契合航行条件，装置自动化程度高。

附图说明

图1为本发明的梯级利用船舶余热进行水热碳化的粪污快速资源化装置结构示意图；

图2为本发明的进料单元结构示意图；

图3为本发明的预热罐结构示意图；

图4为本发明的反应罐结构示意图；

图5为本发明的水热产物收集单元结构示意图；

图6为本发明的工作流程示意图。

其中：1-进料单元；2-斜面过滤网；3-第一进料口；4-第一隔板；5-第二隔板；6-截污挂篮板；7-活动门；8-第一搅拌机；9-中部溢流口；10-第一出料口； 11-预热罐；12-第二进料口；13-第一传感器模块；14-小电磁阀一；15-第二出料口；16-第一管壳式换热器；17-第二搅拌机；18-水热反应罐；19-第三进料口；20-第二传感器模块；21-电控泄压阀；22-小电磁阀二；23-第三出料口；24-第二管壳式换热器；25-三通阀；26-水热产物收集单元；27-第四进料口；28-无底抽屉；29-板状滤芯；30-液肥储室；31-第四出料口；32-气泵。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种梯级利用船舶余热进行水热碳化的粪污快速资源化装置。

如图1所示，该装置包括进料单元1、水热碳化单元、余热梯级利用单元和水热产物收集单元。

如图2所示，进料单元1包括斜面过滤网2、第一进料口3、截污舱和物料调节破碎舱，截污舱为第一隔板4、第二隔板5、截污挂篮板6和活动门7围成的空间，物料调节破碎舱包括第一搅拌机8、中部溢流口9和第一出料口10，第一进料口3设置在进料单元1顶部，第一进料口3下部为截污舱，斜面过滤网2一边挂靠在进料单元1另一边连接截污挂篮板6，截污挂篮板6另一边连接第一隔板4，截污挂篮板6下方设置活动门7，斜面过滤网2和截污挂篮板6连接处同时竖直连接第二隔板5，第二隔板5的另一边连接活动门7，进料单元1内底部设置第一搅拌机8，进料单元1侧面下部设置中部溢流口9，进料单元1另一侧面底部设置第一出料口10。

如图3和图4所示，水热碳化单元包括预热罐11、第二进料口12、第一传感器模块13、小电磁阀一14、第二出料口15、第二搅拌机17、水热反应罐18、第三进料口19、第二传感器模块20、电控泄压阀21、小电磁阀二22和第三出料口23，预热罐11上部一侧设置第二进料口12，第二进料口12通过管道连接第一出料口10，预热罐11上部另一侧设置第一传感器模块13和小电磁阀一14，预热罐11内设置第二搅拌机17，预热罐15底部设置第二出料口15，第二出料口15通过管道连接水热反应罐18上部一侧的第三进料口19，水热反应罐18上部另一侧设置第二传感器模块20、电控泄压阀21和小电磁阀二22，水热反应罐18底部设置第三出料口23。

余热梯级利用单元包括第一管壳式换热器16、第二管壳式换热器24、三通阀25和气泵32，第一管壳式换热器16包裹在预热罐11外部，第二管壳式换热器24包裹在水热反应罐18外部，第一管壳式换热器16和第二管壳式换热器24烟气入口处均设置三通阀25，第一管壳式换热器16最后烟气出口处设置气泵32。

如图5所示，水热产物收集单元26包括第四进料口27、无底抽屉28、板状滤芯29、液肥储室30和第四出料口31，水热产物收集单元26顶部的第四进料口27通过管道连接第三出料口23，板状滤芯29固定在水热产物收集单元26内部中间位置，紧贴板状滤芯29下部设置能够向外抽拉的无底抽屉28，无底抽屉28向外抽拉即可将滤芯截留的水热炭刮下。板状滤芯29下部为液肥储室30，水热产物收集单元26一侧下部设置第四出料口31。

在设计中，第一出料口10处配置电磁阀。

一般的，进料单元1中的截污舱容积为3 m³，物料调节破碎舱容积为 4 m³；中部溢流口9位于物料调节破碎舱高度的1/4处；截污挂篮板6的孔径为5mm、斜面过滤网2的孔径为3mm，截污挂篮板6和斜面过滤网2均能够拆卸。

预热罐11和水热反应罐18容积相同，均为10L；第二进料口12、第三进料口19和第三出料口23均配备相应的电磁阀实现罐体密封及物料随设定程序的运输；小电磁阀一14和小电磁阀二22用于进出料时连通罐内外气压，保证物料进出流畅。

第一传感器模块13和第二传感器模块20用于提升装置自动化水平，同时让水热碳化装置契合航行条件，其均包括温度传感器、气压传感器和液位传感器，其中，液位传感器须检测多液位点，减少船舶倾斜/颠簸对物料装填量判断造成的影响。第一传感器模块13和第二传感器模块20用于判断、记录水热碳化单元工况，设定反应工序并控制余热梯级利用单元正常供热。

如图6所示，该装置在应用时，船舶粪污通过粪污管路和第一进料口3直接进入截污舱，当截污舱的粪污体积超过其容积3 L时，含尿液体经截污挂篮板6和斜面过滤网2溢出并过滤，流入物料调节破碎舱，开启物料调节破碎舱的中部溢流口9，溢出多于1 L的含尿液体；当截污舱中装满固体粪便3 L时，关闭第一进料口3和中部溢流口9，拉开活动门7使截污舱的粪便掉入物料调节破碎舱与下方1 L含尿液体混合，此时达到粪污固液体积比3：1，打开第一搅拌机8，搅拌 1~2min ，形成适宜水热碳化反应的原料浆液，后经第一出料口10排入水热碳化单元的预热罐11；从物料调节破碎舱中部溢流口9流出的多余含尿液体流入船舶生活污水处理装置一并处理。

原料浆液进入预热罐11后，加热至70~85℃并进一步搅拌1~3min后，从第二出料口15排出，并经第三进料口19进入水热反应罐18，物料在水热反应罐中升温达200℃并维持30min的保温时间；反应后，经第三出料口23排至水热产物收集单元26。

船舶发动机产生的高温烟气从第二管壳式换热器24下端口流入，并从第二管壳式换热器24上端口流出，完成对水热反应罐18罐体的加热；从第二管壳式换热器24上端口流出的换热后的烟气从第一管壳式换热器16下端口流入并从第一管壳式换热器16上端口流出，完成对粪污的预加热；第一传感器模块13和第二传感器模块20分别检测预热罐11和水热反应罐18的温度，根据需要，控制三通阀25开度与气泵32的工作来调节第一管壳式换热器16和第二管壳式换热器24中流过的烟气量，实现对预热罐和水热反应罐的温度调控。

上述，气泵32营造管道负压环境，在管壳式换热器中，发动机高温烟气均从下端进上端出。先后对水热反应罐和预热罐加热，实现对船舶发动机高温烟气的梯级利用。当水热反应罐需要冷却时，三通阀25控制高温烟气维持预热罐温度或直接经气泵32排向船舶余热锅炉。

经水热碳化反应后，所得水热炭热值为26.94 MJ/kg ；所得液肥呈微酸性，pH值为6.4, 液肥稀释50、100、200和400倍后的平均种子发芽率分别为73%、108%、92%和100%。

船舶生活污水处理面临着船舶船体摇摆的问题，本发明通过传感器模块感知罐体工作状态，其中液位传感器推荐检测多个液位点，在船舶倾斜、颠簸时仍能通过算法获悉罐体内实际储量，保证装置稳定性、自动化程度。小电磁阀用于进出料时连通罐内外气压，保证物料进出流畅。

本装置具有体积小、快速高效、安全可靠、能量利用率高等优点，实现粪便自产生区域就地处理，降低了废液储存、运输和处理的成本。制备的高质量高热值生物炭可作为优质燃料、化肥、吸附剂和催化剂等。装置可推广至各种大中型轮船、客货船等，与节能减排和可持续发展理念相契合，具有广泛的应用前景。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种梯级利用船舶余热进行水热碳化的粪污快速资源化装置，其特征在于：包括进料单元（1）、水热碳化单元、余热梯级利用单元和水热产物收集单元，其中，进料单元（1）包括斜面过滤网（2）、第一进料口（3）、截污舱和物料调节破碎舱，截污舱为第一隔板（4）、第二隔板（5）、截污挂篮板（6）和活动门（7）围成的空间，物料调节破碎舱包括第一搅拌机（8）、中部溢流口（9）和第一出料口（10），第一进料口（3）设置在进料单元（1）顶部，第一进料口（3）下部为截污舱，斜面过滤网（2）一边挂靠在进料单元（1）另一边连接截污挂篮板（6），截污挂篮板（6）另一边连接第一隔板（4），截污挂篮板（6）下方设置活动门（7），斜面过滤网（2）和截污挂篮板（6）连接处同时竖直连接第二隔板（5），第二隔板（5）的另一边连接活动门（7），进料单元（1）内底部设置第一搅拌机（8），进料单元（1）侧面下部设置中部溢流口（9），进料单元（1）另一侧面底部设置第一出料口（10）；水热碳化单元包括预热罐（11）、第二进料口（12）、第一传感器模块（13）、小电磁阀一（14）、第二出料口（15）、第二搅拌机（17）、水热反应罐（18）、第三进料口（19）、第二传感器模块（20）、电控泄压阀（21）、小电磁阀二（22）和第三出料口（23），预热罐（11）上部一侧设置第二进料口（12），第二进料口（12）通过管道连接第一出料口（10），预热罐（11）上部另一侧设置第一传感器模块（13）和小电磁阀一（14），预热罐（11）内设置第二搅拌机（17），预热罐（11）底部设置第二出料口（15），第二出料口（15）通过管道连接水热反应罐（18）上部一侧的第三进料口（19），水热反应罐（18）上部另一侧设置第二传感器模块（20）、电控泄压阀（21）和小电磁阀二（22），水热反应罐（18）底部设置第三出料口（23）；余热梯级利用单元包括第一管壳式换热器（16）、第二管壳式换热器（24）、三通阀（25）和气泵（32），第一管壳式换热器（16）包裹在预热罐（11）外部，第二管壳式换热器（24）包裹在水热反应罐（18）外部，第一管壳式换热器（16）和第二管壳式换热器（24）烟气入口处均设置三通阀（25），第一管壳式换热器（16）最后烟气出口处设置气泵（32）；水热产物收集单元（26）包括第四进料口（27）、无底抽屉（28）、板状滤芯（29）、液肥储室（30）和第四出料口（31），水热产物收集单元（26）顶部的第四进料口（27）通过管道连接第三出料口（23），板状滤芯（29）固定在水热产物收集单元（26）内部中间位置，紧贴板状滤芯（29）下部设置能够向外抽拉的无底抽屉（28），板状滤芯（29）下部为液肥储室（30），水热产物收集单元（26）一侧下部设置第四出料口（31）；

所述进料单元（1）中的截污舱与物料调节破碎舱容积比为1：4～4：4；中部溢流口（9）位于物料调节破碎舱高度的1/4～3/4处；截污挂篮板（6）的孔径为3mm～5mm，斜面过滤网（2）的孔径为3mm～5mm，截污挂篮板（6）和斜面过滤网（2）均能够拆卸；

所述预热罐（11）和水热反应罐（18）容积相同；第二进料口（12）、第三进料口（19）和第三出料口（23）均配备相应的电磁阀实现罐体密封及物料随设定程序的运输；小电磁阀一（14）和小电磁阀二（22）用于进出料时连通罐内外气压，保证物料进出流畅。

2.根据权利要求1所述的梯级利用船舶余热进行水热碳化的粪污快速资源化装置，其特征在于：所述第一出料口（10）处配置电磁阀。

3.根据权利要求1所述的梯级利用船舶余热进行水热碳化的粪污快速资源化装置，其特征在于：所述第一传感器模块（13）和第二传感器模块（20）均包括温度传感器、气压传感器和液位传感器。

4. 根据权利要求1所述的梯级利用船舶余热进行水热碳化的粪污快速资源化装置，其特征在于：应用时，船舶粪污通过粪污管路和第一进料口（3）直接进入截污舱，当截污舱的粪污体积超过其容积时，含尿液体经截污挂篮板（6）和斜面过滤网（2）溢出并过滤，流入物料调节破碎舱，开启物料调节破碎舱的中部溢流口（9），溢出多余的含尿液体；当截污舱中装满固体粪便时，关闭第一进料口（3）和中部溢流口（9），拉开活动门（7）使截污舱的粪便掉入物料调节破碎舱与下方含尿液体混合，此时达到粪污固液体积比4:1～ 0.3:1，打开第一搅拌机（8），搅拌 1~2min ，形成适宜水热碳化反应的原料浆液，后经第一出料口（10）排入水热碳化单元的预热罐（11），从物料调节破碎舱中部溢流口（9）流出的多余含尿液体流入船舶生活污水处理装置一并处理。

5.根据权利要求4所述的梯级利用船舶余热进行水热碳化的粪污快速资源化装置，其特征在于：所述原料浆液进入预热罐（11）后，加热至70~85℃并进一步搅拌1~3min后，从第二出料口（15）排出，并经第三进料口（19）进入水热反应罐（18），物料在水热反应罐中升温达200℃并维持30min的保温时间；反应后，经第三出料口（23）排至水热产物收集单元（26）；船舶发动机产生的高温烟气从第二管壳式换热器（24）下端口流入，并从第二管壳式换热器（24）上端口流出，完成对水热反应罐（18）罐体的加热；从第二管壳式换热器（24）上端口流出的换热后的烟气从第一管壳式换热器（16）下端口流入并从第一管壳式换热器（16）上端口流出，完成对粪污的预加热；第一传感器模块（13）和第二传感器模块（20）分别检测预热罐（11）和水热反应罐（18）的温度，根据需要，控制三通阀（25）开度与气泵（32）的工作来调节第一管壳式换热器（16）和第二管壳式换热器（24）中流过的烟气量，实现对预热罐和水热反应罐的温度调控和船舶烟气的梯级利用。

6.根据权利要求1所述的梯级利用船舶余热进行水热碳化的粪污快速资源化装置，其特征在于：船舶上的餐厨垃圾能够与粪污合并通过该装置处理。

Images