CN113634210A - 有机废弃物微波水热处理装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种有机废弃物微波水热处理装置及其方法，所述装置包括水热反应釜和喷放罐。反应釜采用微波加热，釜体外侧对称分布的微波发生器通过波导管以及透波窗口对釜体内的有机废弃物进行加热，釜内设有搅拌装置，釜壁上插有测温测压传感器；喷放罐顶部与反应釜底部相连通，通道中间用电动闸阀隔开，罐内中部装有漏斗形滤板，换热管在滤板以下为锥螺旋状，在滤板以上则紧贴罐内壁螺旋上升，在滤板底部还装有高压反冲洗装置，可以冲洗滤板避免孔道堵塞。本发明能够充分利用微波能量，并缩短反应时间，实现产物收集与分离一体化，并且能够充分回收热量进行循环利用。

Description

有机废弃物微波水热处理装置及方法
技术领域
本发明涉及一种有机废弃物微波水热处理装置及方法，可用于有机废弃物的无害化处理与资源化利用。
背景技术
有机废弃物常见的处理方法有卫生填埋与焚烧，但这两种方法均会对环境造成较大污染，而水热处理则是把有机废弃物置于密闭的反应釜中，通过加热使有机废弃物进行化学反应的技术。在水热过程中，有机物料裂解为木质素，蛋白质，纤维素，腐殖酸，甚至二氧化碳等有机小分子，这些产物均可用作有机肥料。由于水热反应是在高温高压的密闭容器内进行，因此水热处理技术能够实现有机废弃物的无害化处理与资源化利用。
水热反应釜是水热处理的核心装备，许多水热反应釜采用导热油热传导或通入高温蒸汽的方式对物料进行加热，这两种传统加热方式耗时长且效率低，而微波水热绿色高效，通过引起分子间的震动对物料进行加热，升温速率快，若对水热的热量进行有效回收，还可使微波水热成为一种高效低耗的处理方法，但在工业应用中，微波用于水热领域较少，主要是微波具有许多不确定性，比如微波在水中透射深度很短，容易导致物料受热不均。
国内外已经有很多学者对有机废弃物的微波水热处理进行了研究。中国专利CN110280196A公开了一种城市生活垃圾微波驱动水热碳化反应釜装置及方法，该反应釜中部釜体为反应腔，与下部釜体之间仅用高压透波玻璃板隔开，容易造成微波从反应腔内泄露，且该反应釜没有考虑到微波水热的透射深度以及产物收集装置，收集产物较为麻烦，不适合工程应用。中国专利CN103480632 B公开了一种餐厨垃圾水热三相分离系统，包括水热反应器和三相分离器，该水热反应器采用导热油加热，加热效率较低，三相分离器采用外盘管进行热量回收，相比直接与物料接触的内盘管，热量回收率更低，且该装置自动化程度低。
发明内容
本发明针对上述存在的技术问题，提供一种有机废弃物微波水热处理装置及方法，能够有效提高水热反应速率并降低透波深度带来的影响，保证物料受热均匀，产物易回收且处理方便，并最终能够有效回收热量。
本发明采用的技术方案是：
有机废弃物微波水热处理装置，其特征在于，包括水热反应釜和安装在反应釜底部的喷放罐，
所述水热反应釜包括釜盖、釜体、加热装置、搅拌装置，所述釜盖装在釜体上，且釜盖上设置有进料斗、可调泄压阀、进气阀、出气阀、进水阀；所述加热装置包括微波发生器、波导管、透波窗口，多个透波窗口对称的设置在釜体侧壁上，通过波导管的两端分别连接微波发生器与透波窗口；所述搅拌装置包括釜盖上的行星减速电机、联轴器、机械密封组件以及釜内的轴流式搅拌浆，轴流式搅拌浆的搅拌轴与所述行星减速电机的旋转轴通过联轴器相连、并通过机械密封组件与釜盖之间密封；
喷放罐包括喷放罐罐体、滤板、换热管、排气口、高压反冲洗装置；所述喷放罐罐体顶部与釜体底部相连通，通道中间用电动闸阀隔开，所述滤板为漏斗状，滤板上部锥面以及下部圆周面上有均匀分布的细密过滤孔，滤板底部通道与固体出料口连通，固体出料口出料阀控制开闭，所述换热管在滤板下方、且为锥螺旋状，每层换热管相互错开，最后沿罐内壁穿过滤板并紧贴喷放罐内壁螺旋上升；喷放罐罐体底部设置排液阀，所述高压反冲洗装置对称分布在滤板下方。
进一步地，所述釜体内部还设有测温装置、测压探头及PLC控制台，所述测温装置为热电偶和红外温度传感器，所述热电偶插在釜壁上，测量近壁温度；所述红外温度传感器位于釜顶、且靠近釜体中心，测量釜内中心区域温度；测压探头则位于釜体上部；所述进料斗处设置重量传感器，所述进水阀上设有流量传感器；
所述热电偶、红外温度传感器、测压探头、重量传感器、流量传感器均与PLC控制台通讯连接，微波发生器、行星减速电机、电动闸阀、出料阀、排液阀均通过接线器接入PLC控制台，PLC控制台根据热电偶和红外温度传感器的测量数据计算反应釜中心及侧壁间的温度差、反应釜内的压力、反应釜内的固液两相的量，调配固液比并调控微波发生器的组合功率及搅拌装置的工作参数。
进一步地，所述透波窗口包括曲面密封组件和耐高压透波玻璃，曲面密封组件为易抗压的曲面形状，分为下部密封件和上部密封件，下部密封件焊接在釜体内壁上，与上部密封件之间通过密封圈以及螺钉进行连接密封，所述透波玻璃嵌入在下部密封件中。
进一步地，所述搅拌浆的桨叶上涂有碳化硅泡沫陶瓷&活性炭涂层。
进一步地，所述搅拌桨的数量为多个，多个所述搅拌浆在搅拌轴上层叠设置，且分别对应釜体壁面上不同高度的透波窗口。
进一步地，所述轴流式搅拌浆为四折页开启涡轮搅拌浆。
进一步地，所述的换热管在滤板下的锥度为45度；所述反应釜与喷放罐为不锈钢材质，所述保温层为岩棉。
进一步地，所述釜盖上设有检修孔。
所述机废弃物微波水热处理装置的有机废弃物微波水热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据预先设置好的进料量，送料装置将有机废弃物输送至进料斗并进行称量，重量无误后开启进料阀，将进料斗中的有机废弃物送入釜内，所述有机废弃物包括但不限于污泥、农林生物质废弃物，畜禽粪便；
打开进水阀通过进水口加入适量水，将可调泄压阀调到2MPa～20MPa间适当的压力；
在PLC控制台上设置好搅拌装置的转速以及微波发生器的初始功率，并根据工艺选择加热温度与时间；
参数设置完毕后启动设备，微波发生器开始对物料进行加热，在搅拌装置的作用下水和物料进行轴向循环并充分混合和传热，釜内开始进行水热反应，待反应温度和停留时间达到设定值后停止加热，若釜内压力过高需通过可调泄压阀调至安全压力范围后再进行喷爆；
喷放罐中的换热管开始通入冷水，同时电动闸阀打开，将反应产物以及高温蒸汽喷爆至喷放罐中，高温蒸汽和产物与罐内壁的螺旋换热管进行第一次换热，冷凝后的热液在喷爆压力的作用下从漏斗形滤板滴落，与滤板下面的锥形换热管进行第二次换热。
打开排液口阀门，待液体收集完毕后，再开启固体出料口阀门收集固体产物，固液两相可用于发酵，也可用作有机肥料。
将换热后的热水通过管道导入蒸汽锅炉，利用蒸汽辅助微波水热，剩余的热水存入保温水箱，用于下次水热反应。
进一步地，在步骤中还包括PLC控制台根据热电偶和红外温度传感器的测量数据计算反应釜中心及侧壁间的温度差、反应釜内的压力、反应釜内的固液两相的量，调配固液比并调控微波发生器的组合功率及搅拌装置的工作参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
相比传统的导热油或蒸汽加热方式，本发明采用的微波加热方式效率更高，更加安全环保，与一般微波水热反应釜相比，本发明配有轴流式搅拌器，桨叶涂有吸波涂层，可以有效促进传热并降低微波透射深度不够带来的影响。
本发明设置了多种传感器，除了测温压力传感器外，还设有重量传感器与流量传感器，通过PLC控制台可以控制加热功率与反应物料的固液比，自动化程度较高。
本发明采用喷爆方式处理反应产物，不仅能进一步破碎有机质，使反应更彻底，同时还便于收集产物，避免高温高压的产物直接暴露在环境中，对人体和环境造成危害。
本发明中的喷放罐能够借助喷爆压力进行固液分离，同时位于罐内的特殊形态螺旋换热管与滤板组合后可以很好地回收废热，也不易堵塞有机废弃物，有助于热量的循环利用。
附图说明
图1为本发明所述有机废弃物微波水热处理装置的整体结构示意图。
图2是本发明装置中釜盖的俯视图。
图3是本发明装置中透波窗口的结构示意图。
图4是本发明装置中滤板的结构示意图。
附图标记：1釜体；2-釜盖；3-流量传感器；4-进水阀；5-可调泄压阀；6-进气阀；7-联轴器；8-行星减速电机；9-机械密封组件；10-进料斗；11-重量传感器；12-进料阀；13-隔热层；14-微波发生器；15-四折叶开启涡轮搅拌浆；16-排气口；17-喷放罐罐体；18-换热管；19-高压反冲洗装置；20-排液阀；21-固体出料阀；22-换热管进水口；23-滤板；24-换热管出水口；25-电动闸阀；26-热电偶；27-测压探头；28-检修孔；29-红外温度传感器；30-出气阀；a-波导管；b透波玻璃；c曲面密封组件。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1至图4所示，本发明所述的有机废弃物微波水热处理装置，包括水热反应釜和安装在反应釜底部的喷放罐，反应釜包括釜盖2、釜体1、加热装置、搅拌装置，所述釜盖2装在釜体1上，且釜盖2上设置有进料斗10、可调泄压阀5、出气阀30、进水阀4。
反应釜采用微波加热方式，所述加热装置包括微波发生器14、波导管a、透波窗口，多个透波窗口对称的设置在釜体1侧壁上，波导管a一端连接微波发生器14，另一端伸入到釜体1内连接透波窗口，分布在釜体1外壁的微波发生器14通过波导管a、透波窗口将微波导入釜体1内部，给釜体1内的物料加热。
所述透波窗口包括曲面密封组件c和耐高压透波玻璃，曲面密封组件c为易抗压的曲面形状，分为下部密封件和上部密封件，下部密封件焊接在釜体1内壁上，与上部密封件之间通过密封圈以及螺钉进行连接密封，所述透波玻璃嵌入在下部密封件中，可拆卸更换，所述波导管a一端连接微波发生器14，另一端穿过釜壁并通过密封圈与透波玻璃相连。
釜体内还装有搅拌装置，所述搅拌装置包括釜盖2上的行星减速电机8、联轴器7、机械密封组件9以及釜内的轴流式搅拌浆，轴流式搅拌浆的搅拌轴与所述行星减速电机8的旋转轴通过联轴器7相连、并通过机械密封组件9与釜盖2之间密封；伸入到釜体1内对物料进行搅拌，所述搅拌浆的旋转轴采用低导热率材料，桨叶上涂有碳化硅泡沫陶瓷&活性炭涂层，所述搅拌桨的数量为多个，多个所述搅拌浆在搅拌轴上层叠设置，且分别对应釜体1壁面上不同高度的透波窗口；该搅拌装置可以形成轴向循环流，桨叶涂层可以吸收微波并与物料传热，有效解决了微波在水中透射深度短的问题，避免中心区域温度与内壁区域温度相差太大。釜体1外还设有隔热层13，里面填充了保温材料岩棉。为了方便检修，釜盖2上设有检修孔 28。
反应釜进料斗10底部与进料阀12相连通，连通处设置有重量传感器11，反应釜进水口装有流量传感器3，釜壁上插有热电偶26和测压探头27，可以测量釜体1内的温度与压力，釜盖2靠近中心处设置有伸入釜内的红外温度传感器29，可以测量釜内中心区域的温度，通过对比热电偶26测得的近壁温度，所述热电偶26、红外温度传感器29、测压探头27、重量传感器11、流量传感器3均与PLC控制台图中未示通讯连接，微波发生器14、行星减速电机8、电动闸阀25、出料阀21、排液阀20均通过接线器接入PLC控制台。PLC控制台根据热电偶26和红外温度传感器29的测量数据计算反应釜中心及侧壁间的温度差、反应釜内的压力、反应釜内的固液两相的量，调配固液比并调控微波发生器14的组合功率及搅拌装置的工作参数，确保釜内温度一致。
喷放罐罐体17顶部与反应釜底部相连通，连通处设置有电动闸阀25，用于控制物料喷爆。当水热反应完成后，打开电动闸阀25即可进行喷爆，漏斗形滤板23位于罐体中下部，滤板23底部通道与固体出料口相连。所述滤板23为漏斗状，滤板23上部锥面以及下部圆周面上有均匀分布的细密过滤孔，滤板23底部通道与固体出料口连通，固体出料口出料阀21 控制开闭，喷放罐罐体17底部设置排液阀20。所述换热管18在滤板23下方，为锥螺旋状并连接换热管进水口22，每层换热管18相互错开，最后沿罐内壁穿过滤板23并紧贴喷放罐内壁螺旋上升并连接换热管出水口24。在滤板23之上紧贴罐体17内壁螺旋上升喷放罐顶部开有排气口16，用于排出废气，罐体17下部配有高压反冲洗装置19，用于对滤板进行冲洗，罐底还设有排液阀20，用于排出过滤后的液体。所述高压反冲洗装置19对称分布在滤板23下方，能够有效避免滤板23孔道堵塞。
本发明还提供一种有机废弃物微波水热处理方法，该方法采用本发明装置进行实施，具体包括以下步骤：
1根据预先设置好的进料量，送料装置将有机废弃物输送至进料斗10并进行称量，重量无误后开启进料阀，将进料斗10中的有机废弃物送入釜内，所述有机废弃物包括但不限于污泥、农林生物质废弃物，畜禽粪便；
2打开进水阀4通过进水口加入适量水，将可调泄压阀5调到2MPa～20MPa间适当的压力；
3在PLC控制台上设置好搅拌装置的转速以及微波发生器14的初始功率，并根据工艺选择加热温度与时间；
4参数设置完毕后启动设备，微波发生器14开始对物料进行加热，在搅拌装置的作用下水和物料进行轴向循环并充分混合和传热，釜内开始进行水热反应，待反应温度和停留时间达到设定值后停止加热，若釜内压力过高需通过可调泄压阀5调至安全压力范围后再进行喷爆；
5喷放罐中的换热管18开始通入冷水，同时电动闸阀25打开，将反应产物以及高温蒸汽喷爆至喷放罐中，高温蒸汽和产物与罐内壁的螺旋换热管18进行第一次换热，冷凝后的热液在喷爆压力的作用下从漏斗形滤板23滴落，与滤板23下面的锥形换热管18进行第二次换热。
6打开排液口阀门，待液体收集完毕后，再开启固体出料口阀门收集固体产物，固液两相可用于发酵，也可用作有机肥料。
7将换热后的热水通过管道导入蒸汽锅炉，利用蒸汽辅助微波水热，剩余的热水存入保温水箱，用于下次水热反应。
在步骤4中还包括PLC控制台根据热电偶26和红外温度传感器29的测量数据计算反应釜中心及侧壁间的温度差、反应釜内的压力、反应釜内的固液两相的量，调配固液比并调控微波发生器14的组合功率及搅拌装置的工作参数。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.有机废弃物微波水热处理装置，其特征在于，包括水热反应釜和安装在反应釜底部的喷放罐，
所述水热反应釜包括釜盖(2)、釜体(1)、加热装置、搅拌装置，所述釜盖(2)装在釜体(1)上，且釜盖(2)上设置有进料斗(10)、可调泄压阀(5)、进气阀(6)、出气阀(30)、进水阀(4)；所述加热装置包括微波发生器(14)、波导管(a)、透波窗口，多个透波窗口对称的设置在釜体(1)侧壁上，通过波导管(a)的两端分别连接微波发生器(14)与透波窗口；所述搅拌装置包括釜盖(2)上的行星减速电机(8)、联轴器(7)、机械密封组件(9)以及釜内的轴流式搅拌浆，轴流式搅拌浆的搅拌轴与所述行星减速电机(8)的旋转轴通过联轴器(7)相连、并通过机械密封组件(9)与釜盖(2)之间密封；
喷放罐包括喷放罐罐体(17)、滤板(23)、换热管(18)、排气口(16)、高压反冲洗装置(19)；所述喷放罐罐体(17)顶部与釜体(1)底部相连通，通道中间用电动闸阀(25)隔开，所述滤板(23)为漏斗状，滤板(23)上部锥面以及下部圆周面上有均匀分布的细密过滤孔，滤板(23)底部通道与固体出料口连通，固体出料口出料阀(21)控制开闭，所述换热管(18)在滤板(23)下方、且为锥螺旋状，每层换热管(18)相互错开，最后沿罐内壁穿过滤板(23)并紧贴喷放罐内壁螺旋上升；喷放罐罐体(17)底部设置排液阀(20)，所述高压反冲洗装置(19)对称分布在滤板(23)下方。
2.根据权利要求1所述的有机废弃物微波水热处理装置，其特征在于，所述釜体(1)内部还设有测温装置、测压探头(27)及PLC控制台，所述测温装置为热电偶(26)和红外温度传感器(29)，所述热电偶(26)插在釜壁上，测量近壁温度；所述红外温度传感器(29)位于釜顶、且靠近釜体(1)中心，测量釜内中心区域温度；测压探头(27)用于测量釜体(1)内的压力；所述进料斗(10)处设置重量传感器(11)，所述进水阀(4)上设有流量传感器(3)；
所述热电偶(26)、红外温度传感器(29)、测压探头(27)、重量传感器(11)、流量传感器(3)均与PLC控制台通讯连接，微波发生器(14)、行星减速电机(8)、电动闸阀(25)、出料阀(21)、排液阀(20)均通过接线器接入PLC控制台，PLC控制台根据热电偶(26)和红外温度传感器(29)的测量数据计算反应釜中心及侧壁间的温度差、反应釜内的压力、反应釜内的固液两相的量，调配固液比并调控微波发生器(14)的组合功率及搅拌装置的工作参数。
3.根据权利要求1所述的有机废弃物微波水热处理装置，其特征在于，所述透波窗口包括曲面密封组件(c)和耐高压透波玻璃(b)，曲面密封组件(c)为易抗压的曲面形状，分为下部密封件和上部密封件，下部密封件焊接在釜体(1)内壁上，与上部密封件之间通过密封圈以及螺钉进行连接密封，所述透波玻璃(b)嵌入在下部密封件中。
4.根据权利要求1所述的有机废弃物微波水热处理装置，其特征在于，所述搅拌浆的桨叶上涂有碳化硅泡沫陶瓷&活性炭涂层。
5.根据权利要求4所述的有机废弃物微波水热处理装置，其特征在于，所述搅拌桨的数量为多个，多个所述搅拌浆在搅拌轴上层叠设置，且分别对应釜体(1)壁面上不同高度的透波窗口。
6.根据权利要求1所述的有机废弃物微波水热处理装置，其特征在于，所述轴流式搅拌浆为四折页开启涡轮搅拌浆(15)。
7.根据权利要求1所述的有机废弃物微波水热处理装置，其特征在于，所述的换热管(18)在滤板(23)下的锥度为45度；所述反应釜与喷放罐为不锈钢材质，所述保温层为岩棉。
8.根据权利要求1所述的有机废弃物微波水热处理装置，其特征在于，所述釜盖(2)上设有检修孔(28)。
9.权利要求1-8中任一项所述机废弃物微波水热处理装置的有机废弃物微波水热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据预先设置好的进料量，送料装置将有机废弃物输送至进料斗(10)并进行称量，重量无误后开启进料阀，将进料斗(10)中的有机废弃物送入釜内，所述有机废弃物包括但不限于污泥、农林生物质废弃物，畜禽粪便；
(2)打开进水阀(4)通过进水口加入适量水，将可调泄压阀(5)调到2MPa～20MPa间适当的压力；
(3)在PLC控制台上设置好搅拌装置的转速以及微波发生器(14)的初始功率，并根据工艺选择加热温度与时间；
(4)参数设置完毕后启动设备，微波发生器(14)开始对物料进行加热，在搅拌装置的作用下水和物料进行轴向循环并充分混合和传热，釜内开始进行水热反应，待反应温度和停留时间达到设定值后停止加热，若釜内压力过高需通过可调泄压阀(5)调至安全压力范围后再进行喷爆；
(5)喷放罐中的换热管(18)开始通入冷水，同时电动闸阀(25)打开，将反应产物以及高温蒸汽喷爆至喷放罐中，高温蒸汽和产物与罐内壁的螺旋换热管(18)进行第一次换热，冷凝后的热液在喷爆压力的作用下从漏斗形滤板(23)滴落，与滤板(23)下面的锥形换热管(18)进行第二次换热；
(6)打开排液口阀门，待液体收集完毕后，再开启固体出料口阀门收集固体产物；
(7)将换热后的热水通过管道导入蒸汽锅炉，利用蒸汽辅助微波水热，剩余的热水存入保温水箱，用于下次水热反应。
10.根据权利要求9所述的有机废弃物微波水热处理方法，其特征在于，在步骤(4)中还包括PLC控制台根据热电偶(26)和红外温度传感器(29)的测量数据计算反应釜中心及侧壁间的温度差、反应釜内的压力、反应釜内的固液两相的量，调配固液比并调控微波发生器(14)的组合功率及搅拌装置的工作参数。
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