CN113755532A - 餐厨垃圾厌氧发酵耦合秸秆热解联产沼气-油-炭的方法 - Google Patents

餐厨垃圾厌氧发酵耦合秸秆热解联产沼气-油-炭的方法 Download PDF

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Abstract

一种餐厨垃圾厌氧发酵耦合秸秆热解联产沼气‑油‑炭的方法，包括以下步骤：(1)将餐厨垃圾粉碎，进行厌氧发酵反应；(2)沼渣和沼液排出，固液分离，将沼液返回；(3)将沼渣与秸秆混合粉碎，干燥后热解反应生成合成气、热解液和生物炭；(4)合成气通入厌氧发酵反应器；(5)热解液和生物炭从热解反应器排出，固液分离，将生物炭加入厌氧发酵反应器；(6)热解液进行油水分离，水相加入到厌氧发酵反应器中，油相收集。本发明的方法的厌氧发酵反应过程兼具有机物厌氧发酵、沼气原位提纯、合成气厌氧生物甲烷化的功能，有效提高了沼气产率和浓度，获得高附加值气‑油‑炭产品，实现系统的零废物排放。

Description

餐厨垃圾厌氧发酵耦合秸秆热解联产沼气-油-炭的方法
技术领域
本发明属于有机固废的能源化利用技术领域，尤其涉及一种餐厨垃圾厌氧发酵耦合秸秆热解联产沼气-油-炭的方法。
背景技术
随着社会的快速发展以及人类活动，产生了大量的有机废物，如何合理的处理处置这些有机废物，实现能源供给的多元化，同时可以获得高附加值产品，受到越来越多人的重视。对于一些有机质含量较高的有机废物如餐厨垃圾，通常采用厌氧发酵技术生产沼气，促进有机废物的减量化、稳定化、无害化，实现能源化回收利用。有机废物热解气化可得到合成气、热解液和生物炭，合成气的体积能量密度仅为沼气的50％左右，可作为能源气体进行回收利用，热解液经提纯后制得生物油等高附加值产品，生物炭也可作为产品利用。然而，单一的厌氧发酵技术不能完全处理有机废物，得到的沼渣会形成二次污染，单一的热解技术生成的合成气中甲烷纯度不高，而热解液中的有机酸类、醛类、酮类等组分，未被有效的利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种餐厨垃圾厌氧发酵耦合秸秆热解联产沼气-油-炭的方法，基于有机废物的成分特性，将餐厨垃圾厌氧发酵后的沼渣与秸秆混合后经过粉碎干燥，作为热解反应的原料，将热解反应生成的合成气和热解液分离出的酸/醛/酮等小分子溶液，作为厌氧发酵的基质，将热解产生的生物炭作为厌氧发酵添加剂。通过厌氧-热解耦合技术是实现有机废物的能源化、资源化，同时获得高附加值产品。
本发明的方法包括以下步骤：
(1)将餐厨垃圾粉碎，然后送入厌氧发酵反应器，进行厌氧发酵反应，生成沼气、沼渣和沼液；
(2)将沼渣和沼液从厌氧发酵反应器中排出，经固液分离后，将沼液与粉碎后的餐厨垃圾混合，共同进入厌氧发酵反应器；
(3)将沼渣与秸秆混合后粉碎，干燥去除水分，然后放入热解反应器，经热解反应生成合成气、热解液和生物炭；
(4)将合成气通入厌氧发酵反应器，合成气中的H2、CO和CO2在产甲烷菌的作用下，生成甲烷，合成气中富余的H2在嗜氢产甲烷菌的作用下，将沼气中的CO2转化为CH4；厌氧发酵反应器内形成的高甲烷沼气排出后收集；
(5)热解液和生物炭从热解反应器排出，经过固液分离后，将生物炭作为添加剂加入到厌氧发酵反应器中；
(6)将热解液进行油水分离，分出水相小分子溶液和油相生物油；小分子溶液作为发酵基质加入到厌氧发酵反应器中，生物油收集。
上述的步骤(1)中，餐厨垃圾的固体质量含量为20～40％。
上述的步骤(1)中，厌氧发酵反应的温度为30～40℃，时间为25～40天。
上述的步骤(2)中，沼液与粉碎后的餐厨垃圾的混合比例按质量比为1:(1～3)。
上述的步骤(3)中，沼渣与秸秆的混合比例按质量比为1:(1～3)。
上述的步骤(3)中，热解反应的温度为600～800℃，时间为1～2h。
上述的步骤(4)中，合成气的主要成分为H2、CO、CO2和CH4。
上述的步骤(4)中，H2、CO和CO2生成甲烷的反应式为：
CO+3H2→CH4+H2O
和
CO2+4H2→CH4+2H2O。
上述的步骤(4)中，CO2转化为CH4的反应式为：
CO2+4H2→CH4+2H2O。
上述的步骤(5)中，生物炭的加入量按厌氧发酵反应器中每升餐厨垃圾加入15～20g，其余生物炭收集。
上述的步骤(6)中，小分子溶液的主要成分为有机酸、醛和酮。
上述的步骤(6)中，小分子溶液的加入量按厌氧发酵反应器中每升餐厨垃圾加入1～2g。
本发明的方法采用的有机废物餐厨垃圾和秸秆为原料，常见易得，且产量大，有利于大规模推广利用；将餐厨垃圾进行厌氧发酵，沼液回流，沼渣与秸秆混合作为热解反应的原料，热解液中分离出的酸/醛/酮等小分子溶液作为厌氧发酵反应器的基质，制得生物炭、合成气回用至厌氧发酵反应器，参与厌氧发酵，强化了厌氧发酵的过程，实现资源化利用；制备的生物炭具有良好的强化厌氧发酵产沼气的效果，有利于提高厌氧发酵的电子传递速率；合成气通入厌氧发酵反应器，此过程兼具有机物厌氧发酵-沼气原位提纯-合成气厌氧生物甲烷化的功能，由此获得高甲烷沼气。
本发明的方法的厌氧发酵反应过程兼具有机物厌氧发酵、沼气原位提纯、合成气厌氧生物甲烷化的功能，由此获得高甲烷沼气；厌氧-热解耦合技术整体上有效提高了沼气产率和浓度，获得高附加值沼气产品、生物油以及生物炭，实现系统的零废物排放。
附图说明
图1为本发明的餐厨垃圾厌氧发酵耦合秸秆热解联产沼气-油-炭的方法流程示意图。
具体实施方式：
本发明实施例中的厌氧发酵反应器型号为UASB。
本发明实施例中的厌氧发酵反应的pH值为7.0～7.5，中温有机负荷为3.5～4.5gVS/L·d。
本发明实施例中餐厨垃圾粉碎至粒径≤10mm。
本发明实施例中沼渣与秸秆混合后粉碎至粒径≤2mm。
本发明实施例中干燥去除水分的温度为100±2℃。时间为9～10h。
本发明实施例中高甲烷沼气中甲烷的体积分数≥85％。
本发明实施例中生物炭中固定碳的质量含量≥30％。
本发明实施例中生物油中含有大量高附加值的化学物质，包括左旋葡聚糖、左旋葡萄糖酮、羟基乙醛、羟基丙酮、羟甲基糠醛、麦芽酚、香草醛、糠醛和低聚糖。
本发明实施例中秸秆为市购产品。
本发明实施例中的沼气产率为75～85％。
实施例1
流程如图1所示；
将餐厨垃圾粉碎，然后送入厌氧发酵反应器，进行厌氧发酵反应，生成沼气、沼渣和沼液；餐厨垃圾的固体质量含量为28％；厌氧发酵反应的温度为30～40℃，时间为35天；
将沼渣和沼液从厌氧发酵反应器中排出，经固液分离后，将沼液与粉碎后的餐厨垃圾混合，共同进入厌氧发酵反应器；沼液与粉碎后的餐厨垃圾的混合比例按质量比为1:2；
将沼渣与秸秆混合后粉碎，干燥去除水分，然后放入热解反应器，经热解反应生成合成气、热解液和生物炭；沼渣与秸秆的混合比例按质量比为1:2；热解反应的温度为700℃，时间为1.5h；
合成气的主要成分为H2、CO、CO2和CH4；将合成气通入厌氧发酵反应器，合成气中的H2、CO和CO2在产甲烷菌的作用下，生成甲烷，合成气中富余的H2在嗜氢产甲烷菌的作用下，将沼气中的CO2转化为CH4；厌氧发酵反应器内形成的高甲烷沼气排出后收集；
热解液和生物炭从热解反应器排出，经过固液分离后，将生物炭作为添加剂加入到厌氧发酵反应器中；生物炭的加入量按厌氧发酵反应器中每升餐厨垃圾加入18g，其余生物炭收集；
将热解液进行油水分离，分出水相小分子溶液和油相生物油；分子溶液的主要成分为有机酸、醛和酮；小分子溶液作为发酵基质加入到厌氧发酵反应器中，生物油收集；小分子溶液的加入量按厌氧发酵反应器中每升餐厨垃圾加入1.5g；
合成产率为25％，生物炭产率为52％，热解液产率为23％，生物油产率30％；
沼气产率为85％。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
(1)餐厨垃圾的固体质量含量为39％；厌氧发酵反应的时间为25天；
(2)沼液与粉碎后的餐厨垃圾的混合比例按质量比为1:3；
(3)沼渣与秸秆的混合比例按质量比为1:3；热解反应的温度为600℃，时间为2h；
(4)生物炭的加入量按厌氧发酵反应器中每升餐厨垃圾加入15g；
(5)小分子溶液的加入量按厌氧发酵反应器中每升餐厨垃圾加入2g；
沼气产率为75％。
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
(1)餐厨垃圾的固体质量含量为22％；厌氧发酵反应的时间为40天；
(2)沼液与粉碎后的餐厨垃圾的混合比例按质量比为1:1；
(3)沼渣与秸秆的混合比例按质量比为1:1；热解反应的温度为800℃，时间为1h；
(4)生物炭的加入量按厌氧发酵反应器中每升餐厨垃圾加入20g；
(5)小分子溶液的加入量按厌氧发酵反应器中每升餐厨垃圾加入1g；
沼气产率为80％。
对比例1
方法同实施例1，不同点在于：
不加入秸秆，直接进行热解；最终沼气产率65％。
对比例2
方法同实施例1，不同点在于：
不进行厌氧发酵，直接与秸秆混合进行热解；最终沼气产率55％。

Claims (10)

1.一种餐厨垃圾厌氧发酵耦合秸秆热解联产沼气-油-炭的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将餐厨垃圾粉碎，然后送入厌氧发酵反应器，进行厌氧发酵反应，生成沼气、沼渣和沼液；
(2)将沼渣和沼液从厌氧发酵反应器中排出，经固液分离后，将沼液与粉碎后的餐厨垃圾混合，共同进入厌氧发酵反应器；
(3)将沼渣与秸秆混合后粉碎，干燥去除水分，然后放入热解反应器，经热解反应生成合成气、热解液和生物炭；
(4)将合成气通入厌氧发酵反应器，合成气中的H2、CO和CO2在产甲烷菌的作用下，生成甲烷，合成气中富余的H2在嗜氢产甲烷菌的作用下，将沼气中的CO2转化为CH4；厌氧发酵反应器内形成的高甲烷沼气排出后收集；
(5)热解液和生物炭从热解反应器排出，经过固液分离后，将生物炭作为添加剂加入到厌氧发酵反应器中；
(6)将热解液进行油水分离，分出水相小分子溶液和油相生物油；小分子溶液作为发酵基质加入到厌氧发酵反应器中，生物油收集。
2.根据权利要求1所述的餐厨垃圾厌氧发酵耦合秸秆热解联产沼气-油-炭的方法，其特征在于步骤(1)中，餐厨垃圾的固体质量含量为20～40％。
3.根据权利要求1所述的餐厨垃圾厌氧发酵耦合秸秆热解联产沼气-油-炭的方法，其特征在于步骤(1)中，厌氧发酵反应的温度为30～40℃，时间为25～40天。
4.根据权利要求1所述的餐厨垃圾厌氧发酵耦合秸秆热解联产沼气-油-炭的方法，其特征在于步骤(2)中，沼液与粉碎后的餐厨垃圾的混合比例按质量比为1:(1～3)。
5.根据权利要求1所述的餐厨垃圾厌氧发酵耦合秸秆热解联产沼气-油-炭的方法，其特征在于步骤(3)中，沼渣与秸秆的混合比例按质量比为1:(1～3)。
6.根据权利要求1所述的餐厨垃圾厌氧发酵耦合秸秆热解联产沼气-油-炭的方法，其特征在于步骤(3)中，热解反应的温度为600～800℃，时间为1～2h。
7.根据权利要求1所述的餐厨垃圾厌氧发酵耦合秸秆热解联产沼气-油-炭的方法，其特征在于步骤(4)中，合成气的主要成分为H2、CO、CO2和CH4。
8.根据权利要求1所述的餐厨垃圾厌氧发酵耦合秸秆热解联产沼气-油-炭的方法，其特征在于步骤(4)中，H2、CO和CO2生成甲烷的反应式为：
CO+3H2→CH4+H2O
和
CO2+4H2→CH4+2H2O。
上述的步骤(4)中，CO2转化为CH4的反应式为：
CO2+4H2→CH4+2H2O。
9.根据权利要求1所述的餐厨垃圾厌氧发酵耦合秸秆热解联产沼气-油-炭的方法，其特征在于步骤(5)中，生物炭的加入量按厌氧发酵反应器中每升餐厨垃圾加入15～20g，其余生物炭收集。
10.根据权利要求1所述的餐厨垃圾厌氧发酵耦合秸秆热解联产沼气-油-炭的方法，其特征在于步骤(6)中，小分子溶液的加入量按厌氧发酵反应器中每升餐厨垃圾加入1～2g。
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