CN115286195A - 一种环保的用于粪便连续处理的反应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环保的用于粪便连续处理的反应装置，包括原料输送单元、热液化反应单元、冷却单元、产物分离单元、产物收集单元。原料输送单元与热液化反应单元连接，热液化反应单元与冷却单元连接，冷却单元与产物分离单元连接，产物分离单元与产物罐连接。本发明提供的粪便连续处理反应装置，可以实现粪便连续无害化、减量化处理，能够较好地缓解目前粪便处理的困境，具有广泛的应用前景。

Description

一种环保的用于粪便连续处理的反应装置
技术领域
本发明属于有机固体废弃物处理领域，特别涉及到一种环保的用于粪便连续处理的反应装置。
背景技术
随着城镇化的快速发展和人口增长，产生了大量城市粪便。粪便中有较高含量的有机物质，主要为未消化的食物残渣、肠道内细菌及其新陈代谢物质。未经过规范有效处理的粪便中含有大量的有机污染物及病原体，存在潜在的环境和健康风险。因此如何实现粪便高效无害化、减量化处理是城市化进程中亟待解决的问题。目前对于粪便常用的处理方法包括好氧活性污泥法、厌氧发酵产沼气、高效快速堆肥等。这些传统的处理方法往往存在转化效率低、处理周期长、无法有效解决潜在的环境及健康风险等问题。开发有效实现粪便无害化、减量化的技术迫在眉睫。
针对上述问题，一种解决措施是利用热化学转化技术对粪便进行处理。经过热处理后，粪便中的有机物转化率达到80％以上，体积减少达60％以上。但是相关研究均在间歇式反应器中进行。间歇式操作存在原料需储存导致臭味大，需反复拆卸装置导致操作复杂、需反复加热、冷却导致能耗高，日处理量受限等问题，这极大地限制了粪便热化学转化的进一步推广应用。为了进一步推广粪便热化学转化技术的使用，需要研发连续装置。目前关于粪便热化学转化反应装置的研究较少，尚未有一种方案能够较好的实现粪便的连续热化学转化。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种环保的用于粪便连续处理的反应装置，以使得粪便能够被连续处理，并实现粪便处理的无害化、减量化。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种环保的用于粪便连续处理的反应装置，包括：
原料输送单元，用于存储和输送作为原料的粪便；
热液化反应单元，通过原料输送单元输送的原料在热液化反应单元中被液化，使得原料中的大分子有机物发生裂解反应生产小分子有机物，然后小分子有机物重聚为烃类有机物、含N/O/S杂原子的有机物，以形成产物；
冷却单元，所形成的产物在冷却单元中被冷却；
产物分离单元，被冷却的产物在产物分离单元中被分离成气体产物、水相产物、有机物产物和固体残余物；和
产物收集单元，产物收集单元包括气体收集罐、废料收集罐和产物罐，通过产物分离单元分离出来的气体产物进入气体收集罐，通过产物分离单元分离出来的水相产物和固体残余物进入废料收集罐，通过产物分离单元分离出来的有机产物进入产物罐。
原料输送单元包括：
原料储存罐，用于存储原料；
固体/半固体原料推进器，用于将原料推入热液化反应单元，在固体/半固体原料推进器中设置有变频控制器，以实现对原料的流量的控制。
热液化反应单元包括热液化反应装置，在热液化反应装置的内部中设有挡板，挡板将热液化反应装置的内部分成亚临界反应区和超临界反应区，亚临界反应区设置在挡板之下，超临界反应区设置在挡板之上，原料先在亚临界反应区中的粪便被加热并停留，然后经过挡板进入超临界反应区，原料然后在超临界反应区中被加热并停留，使得原料经过热液化反应之后转化为产物。
产物分离装置还包括进料口、出料口、气体放空阀和废料排放阀，气体放空阀与气体收集罐连接，废料排放阀与废料收集罐连接。
粪便为人类粪便和/或畜禽粪便。
粪便含水率为1％-99％。
热液化反应装置的反应温度在100-500℃之间，反应停留时间为1-2880min之间。
热液化反应装置还包括分别设置在超临界反应区和亚临界反应区处的温度控制装置和压力控制系统。
在冷却单元的进料口与出料口处分别地设置有温度测定装置，使得经过冷却后的产物在出料口处温度被控制为低于100℃。
一种环保的用于粪便连续处理的方法，包括：
将环保的用于粪便连续处理的反应装置中的原料输送单元中的粪便经过固体/半固体物料推进器输送进入热液化反应装置中，粪便在热液化反应装置加热至100-500℃之间，停留1-2880min，以得到产物；
产物进入冷却单元，将产物的温度降低至100℃以下；
温度降低至100℃以下的产物通过产物分离单元分离成气体产物、水相产物、有机物产物和固体残余物，使得气体产物进入气体收集罐，水相产物、固体残余物进入废料收集罐，有机产物进入产物罐。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
可以高效的实现粪便的连续热化学转化，使得整个粪便连续处理反应装置运行稳定可靠，反应效率高。
本发明的反应装置可以对原料直接进行连续处理，无需预处理；
其中固体/半固体物料推进器可以输送固体/半固体、液体物料；热液化反应装置的设置可以实现粪便在热液化反应装置中的液化，使得粪便中的大分子有机物发生裂解反应生产小分子有机物，然后小分子有机物重聚为烃类有机物、含N/O/S杂原子的有机物，降低处理后废水的BOD、COD，减轻后续废水处理的压力；
固体/半固体物料推进器或泵设置有变频控制器；通过固体/半固体物料推进器或泵来实现进料量及装置中物料流量的控制；通过固体/半固体物料推进器或泵调节物料在热液化反应装置的停留时间，不仅使得整个反应过程是连续的，更使得反应实现充分进行。
如此，可实现粪便中有机物的最大化利用，并能充分杀灭粪便中含有的病原微生物及其他有毒有害物质，最终实现粪便的无害化、减量化处理。
而且，冷却单元使得产物的经过冷却单元后温度能够达到100℃以下，能够提高背压阀的工作环境的稳定性和后续分离过程的安全性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是根据本发明实施例的粪便连续处理的反应装置的示意图。
附图中各标记表示如下：
1 原料储存罐；
2 阀门；
3 固体/半固体物料推进器；
4 输送管道；
5 热液化反应装置；
6 亚临界反应区；
7 超临界反应区；
8 温度控制系统；
9 压力控制系统；
10 产物管道；
11 冷却水管道；
12 背压阀；
13 产物分离罐；
14 产物罐；
15 气体收集罐；
16 废料收集罐；
17 废料排放阀；
18 气体放空阀。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明提供的粪便连续处理的反应装置，包括：原料输送单元、热液化反应单元、冷却单元、产物分离单元和产物收集单元。
原料输送单元与热液化反应单元连接，热液化反应单元与冷却单元连接，冷却单元与产物分离单元连接，产物分离单元与产物罐收集连接。
在根据本发明的实施例的反应装置中，原料输送单元包括：原料储存罐1、阀门2和固体/半固体原料推进器3。原料储存罐1的出料口与固体/半固体原料推进器3的进料口连接，固体/半固体原料推进器3的出料口与热液化反应单元的进料口连接。
热液化反应单元包括：热液化反应装置5、温度控制系统8和压力控制系统9。在热液化反应装置5中设有挡板，设置在挡板之上的部分称为超临界反应区7，设置在挡板之下的部分称为亚临界反应区6。热液化反应装置5的出料口与冷却单元的进料口连接。温度控制系统8和压力控制系统9控制温度和压力，使得在热液化反应装置中，生物质能够在设定的温度和压力下进行反应。
冷却单元包括：冷却装置(例如，冷却水管道11)、产物管道10和背压阀12。产物管道10的出料口与背压阀12的进料口连接，背压阀12的出料口与产物分离单元的进料口连接。在冷却单元的进料口与出料口处可以分别设有温度测定装置，以实时监测冷却单元的进料口与出料口的温度，并以调节冷却剂流量的方式保证出料口温度低于100℃。
产物分离单元包括：产物分离装置(例如，产物分离罐13)、产物罐14、气体收集罐15、废料收集罐16。产物分离罐13的出料口与产物罐14连接。
产物分离罐13包括：进料口、出料口、气体放空阀18和废料排放阀17。气体放空阀18与气体收集罐15的进料口连接，产物分离装置13的废料排放阀17与废料收集罐16的进料口连接。气体放空阀18连接到产物分离罐13的上部，废料排放阀17连接到产物分离罐13的下部。
粪便为人类粪便和/或畜禽粪便。
粪便作为原料时，含水率为1％-99％。具体可为80％；
热液化反应装置的反应温度在100-500℃之间，具体可为160℃-180℃或400℃，反应停留时间为1-2880min；具体可为30min-45min；
反应装置在粪便连续处理中的应用，也属于本发明的保护范围。
本发明还要求保护一种粪便连续处理的方法，该方法包括：
将反应装置的原料储存罐中的粪便经过固体/半固体物料推进器输送进入热液化反应装置中，加热至100-500℃之间停留1-2880min，得到产物；
将所述产物推入冷却单元，通过冷却，将所述产物的温度降低至100℃以下。温度降低至100℃以下的产物经过背压阀12进入产物分离单元，所述产物在产物分离单元中分离，分离产生的气体产物进入气体收集罐15，分离产生的水相产物、固体残余物经废料排放阀17后进入废料收集罐16，分离产生的有机产物进入产物罐14。
实施例1
一种环保的粪便连续处理反应装置，如图1所示，本发明提供的粪便连续处理反应装置包括：原料输送单元、热液化反应单元、冷却单元、产物分离单元和产物收集单元。原料输送单元与热液化反应单元连接；热液化反应单元与冷却单元连接；冷却单元与产物分离单元连接；产物分离单元与所述产物收集单元连接。
在反应装置中，原料输送单元包括：原料储存罐1和固体/半固体原料推进器3。
原料储存罐1的出料口与固体/半固体原料推进器3的进料口连接，固体/半固体原料推进器3的出料口与热液化反应装置5中亚临界反应区6的进料口连接。
热液化反应单元包括：热液化反应装置5。热液化反应装置分为两部分：上部为超临界反应区7，下部为亚临界反应区6，两部分之间设有挡板。超临界反应区7的出料口与产物管道10的进料口连接。
冷却单元包括：冷却装置11(具体为冷却水管道11)、产物管道10与背压阀12。产物管道10的出料口与背压阀12的进料口连接。
产物分离单元包括：气体收集罐15、废料收集罐16、产物分离装置13(具体为产物分离罐13)。产物分离装置13(具体为产物分离罐13)的进料口与背压阀12的出料口连接，产物分离装置13(具体为产物分离罐13)的出料口与产物罐14连接。
产物分离装置13(具体为产物分离罐13)具体包括：进料口、出料口、气体放空阀18和废料排放阀17。产物分离装置13(具体为产物分离罐13)的气体放空阀18与气体收集罐15的进料口连接，产物分离装置13(具体为产物分离罐13)的废料排放阀17与废料收集罐16的进料口连接，气体放空阀18位于产物分离罐13的上部，废料排放阀17位于产物分离罐13的下部。
实施例2
利用实施例1中反应装置进行人类粪便的连续处理的过程
1)储存于原料储存罐1中的含水率80％的粪便(不含尿液)经过固体/半固体物料推进器3的输送进入热液化反应装置5，经过温度控制装置升温，在热液化反应装置5的亚临界反应区6中的粪便被加热至200℃，并且在亚临界反应区6中停留30min。粪便经过挡板进入超临界反应区7，在超临界反应区7中被加热至370℃，并且在超临界反应区7中停留15min。经过热液化反应之后，粪便被转化为产物。
3)在热液化反应装置5中生成的产物经热液化反应装置的出料口进入冷却单元，经过冷却，使得产物在冷却单元的出口处的温度为80℃。
4)冷却至80℃的产物经过背压阀12进入产物分离单元，产物通过产物分离单元分为四种：气体产物、水相产物、有机物产物和固体残余物。
5)气体产物进入气体收集罐15，水相产物与固体残余物进入废料收集罐16，有机物产物进入产物罐14。有机物产物主要为烃类物质及含N/O/S杂原子有机物。
经过上述处理，人粪便中的病原微生物被全部杀灭，粪便中的有机物转化率达到83％，固体残余物体积仅为原有粪便体积的13％，且不会对环境造成污染。
实施例3
利用实施例1中的反应装置进行鸡粪的连续处理的过程
1)储存于原料储存罐1中的含水率65％的鸡粪经过固体/半固体物料推进器3的输送进入热液化反应装置5，经过温度控制装置升温，热液化反应装置5亚临界反应区6中的粪便被加热至240℃，并在亚临界反应区6中停留30min。粪便经过挡板进入超临界反应区7，在超临界反应区7中被加热至400℃，并在超临界反应区7中停留45min。经过热液化反应，粪便被转化为产物。
3)在热液化反应装置5中生成的产物经热液化反应装置的出料口进入冷却单元，经过冷却，使得产物在冷却单元的出口处的温度为75℃。
4)冷却至75℃的产物经过背压阀12进入产物分离单元，产物通过产物分离单元分为四种：气体产物、水相产物、有机物产物、固体残余物。
5)气体产物进入气体收集罐15，水相产物与固体残余物进入废料收集罐16，有机物产物进入产物罐14。有机物产物主要为烃类物质及含N/O/S杂原子有机物。
经过上述处理，鸡粪中的病原微生物均被杀死，鸡粪中的有机物转化率为83％，固体残余物体积为原始体积的27％，且对环境无污染风险。
实施例4
利用实施例1中反应装置进行猪粪的连续处理过程
1)储存于原料储存罐1中的含水率75％的猪粪经过固体/半固体物料推进器3的输送进入热液化反应装置5，经过温度控制装置升温，热液化反应装置5的亚临界反应区6中的粪便被加热至245℃，并在亚临界反应区6中停留45min。粪便经过挡板进入超临界反应区7，被加热至380℃，并在超临界反应区7中停留120min。经过热液化反应，粪便被转化为产物。
3)在热液化反应装置5中生成的产物经热液化反应装置的出料口进入冷却单元，经过冷却，使得产物在冷却单元的出口处的温度为80℃。
4)冷却至80℃的产物经过背压阀12进入产物分离单元，产物通过产物分离单元分为四种：气体产物、水相产物、有机物产物和固体残余物。
5)气体产物进入气体收集罐15，水相产物与固体残余物进入废料收集罐16，有机物产物进入产物罐14。有机物产物主要为烃类物质及含N/O/S杂原子有机物。
经过上述反应，猪粪中的病原微生物均被杀死，猪粪中有机物转化率为91％，固体残余物体积为原始体积的34％，且对环境无污染风险。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种环保的用于粪便连续处理的反应装置，其特征在于，包括：
原料输送单元，用于存储和输送作为原料的粪便；
热液化反应单元，通过所述原料输送单元输送的所述原料在所述热液化反应单元中被液化，使得所述原料中的大分子有机物发生裂解反应生产小分子有机物，然后小分子有机物重聚为烃类有机物、含N/O/S杂原子的有机物，以形成产物；
冷却单元，所形成的产物在所述冷却单元中被冷却；
产物分离单元，被冷却的产物在所述产物分离单元中被分离成气体产物、水相产物、有机物产物和固体残余物；和
产物收集单元，所述产物收集单元包括气体收集罐、废料收集罐和产物罐，通过所述产物分离单元分离出来的气体产物进入所述气体收集罐，通过所述产物分离单元分离出来的水相产物和固体残余物进入所述废料收集罐，通过所述产物分离单元分离出来的有机产物进入产物罐。
2.根据权利要求1所述的环保的用于粪便连续处理的反应装置，其特征在于，所述原料输送单元包括：
原料储存罐，用于存储所述原料；
固体/半固体原料推进器，用于将所述原料推入所述热液化反应单元，在所述固体/半固体原料推进器中设置有变频控制器，以实现对所述原料的流量的控制。
3.根据权利要求1所述的环保的用于粪便连续处理的反应装置，其特征在于，所述热液化反应单元包括热液化反应装置，在所述热液化反应装置的内部中设有挡板，所述挡板将所述热液化反应装置的内部分成亚临界反应区和超临界反应区，所述亚临界反应区设置在所述挡板之下，所述超临界反应区设置在所述挡板之上，所述原料先在所述亚临界反应区中的粪便被加热并停留，然后经过挡板进入超临界反应区，所述原料然后在所述超临界反应区中被加热并停留，使得所述原料经过热液化反应之后转化为产物。
4.根据权利要求1所述的环保的用于粪便连续处理的反应装置，其特征在于：
所述产物分离装置还包括进料口、出料口、气体放空阀和废料排放阀，所述气体放空阀与所述气体收集罐连接，所述废料排放阀与所述废料收集罐连接。
5.根据权利要求1所述的环保的用于粪便连续处理的反应装置，其特征在于：所述粪便为人类粪便和/或畜禽粪便。
6.根据权利要求1所述的环保的用于粪便连续处理的反应装置，其特征在于：所述粪便含水率为1％-99％。
7.根据权利要求1所述的环保的用于粪便连续处理的反应装置，其特征在于：所述热液化反应装置的反应温度在100-500℃之间，反应停留时间为1-2880min之间。
8.根据权利要求1所述的环保的用于粪便连续处理的反应装置，其特征在于：所述热液化反应装置还包括分别设置在超临界反应区和亚临界反应区处的温度控制装置和压力控制系统。
9.根据权利要求1所述的环保的用于粪便连续处理的反应装置，其特征在于：在所述冷却单元的进料口与出料口处分别地设置有温度测定装置，使得经过冷却后的产物在出料口处温度被控制为低于100℃。
10.一种环保的用于粪便连续处理的方法，包括：
将权利要求1-9任一项所述的环保的用于粪便连续处理的反应装置中的原料输送单元中的粪便经过固体/半固体物料推进器输送进入热液化反应装置中，粪便在热液化反应装置加热至100-500℃之间，停留1-2880min，以得到产物；
所述产物进入冷却单元，将所述产物的温度降低至100℃以下；
温度降低至100℃以下的产物通过产物分离单元分离成气体产物、水相产物、有机物产物和固体残余物，使得气体产物进入气体收集罐，水相产物、固体残余物进入废料收集罐，有机产物进入产物罐。
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