CN115557515A - 一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种厨余垃圾水热碳化‑厌氧消化的综合利用系统及方法，涉及厨余垃圾处理技术领域，包括厨余垃圾预处理模块、水热碳化模块、反应物固液分离模块、固态分离物再利用模块、液态分离物再利用模块；首先对厨余垃圾进行烘干和研磨，之后进行水热碳化处理；通过固液分离技术，得到固态分离物和液态分离物；将液态分离物进行氨回收和厌氧消化，得到冷凝氨和甲烷；将固态分离物进行燃烧或将固态分离物和甲烷共同燃烧，并进行发电，实现化学能转化为电能。本发明将厨余垃圾的化学能以固体和气体燃料的形式在发电、制备化学品等方面得以充分高效利用，并结合甲烷再燃技术，有效降低水热炭燃烧过程中氮氧化物的排放，实现厨余垃圾的无害化利用。

Description

一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用系统及方法

技术领域

本发明涉及厨余垃圾处理技术领域，更具体的说是涉及一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用系统及方法。

背景技术

如今在城市生活垃圾的有机部分中，厨余垃圾处理占据了大部分，亟需新兴技术对厨余垃圾进行资源化、无害化集中处理。

厨余垃圾的处理目前还未完全向高效及环保的方向进发，不正确的处理会导致其滋生大量病菌和污染，同时腐烂等问题也会产生恶臭污染环境。我国目前对大部分厨余垃圾的处理方式仍是填埋、焚烧。但填埋占地大、用时长，同时也会对周围的空气和地质环境产生一定污染。焚烧则会因为高含水率而额外增加成本的同时，产生有毒气体对周围大气造成污染。

基于此，水热碳化处理技术可以很好地利用厨余垃圾的高含水率用于反应中，利用适中温度、压力的水热碳化过程增加厨余垃圾的热值及其能源化利用。通过与其他生物质混合，与厨余垃圾混合得到的水热碳，其高位发热量甚至能到22MJ/kg，达到动力煤的发热量水平。同时还能控制其中的氮含量，减少后续处理过程中产生的污染，是适用于厨余垃圾的高效、低污染的处理方式。

目前现有技术中，CN113430028A提出一种利用污泥和煤泥共水热碳化制备清洁燃料，但对固液分离后的液体部分未有效利用；CN104646391A提出了一种厨余垃圾能源化处理工艺系统，将厨余垃圾制成改性燃料，将废液中的油脂提取，但未对污染组分进行控制；CN113801669A提出一种高含水生物质连续水热碳化系统，但未对厨余垃圾进行生物质废弃物混合处理，在甲烷的利用及使用方法上也有所欠缺。因此如何在使用水热碳化处理技术处理厨余垃圾时，充分高效利用厨余垃圾能源，并降低环境污染，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用系统及方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用系统，包括厨余垃圾预处理模块、水热碳化模块、反应物固液分离模块、固态分离物再利用模块、液态分离物再利用模块，所述厨余垃圾预处理模块、水热碳化模块、反应物固液分离模块依次连接，所述反应物固液分离模块、固态分离物再利用模块、液态分离物再利用模块之间相互连接；

所述厨余垃圾预处理模块用于对厨余垃圾进行烘干和研磨，得到干燥的粉末状混合物；

所述水热碳化模块用于对干燥的粉末状混合物进行水热碳化处理；

所述反应物固液分离模块用于将水热碳化处理后的反应物进行固液分离，得到固态分离物和液态分离物；

所述固态分离物再利用模块用于将固态分离物进行燃烧、发电，将化学能转化为电能；

所述液态分离物再利用模块用于将液态分离物进行氨回收和厌氧消化，分别得到冷凝氨和甲烷。

可选的，所述厨余垃圾预处理模块包括烘干箱和球磨机，所述烘干箱用于对厨余垃圾进行烘干，所述球磨机用于对烘干后的厨余垃圾和生物质进行研磨，得到干燥的粉末状混合物。

可选的，所述水热碳化模块使用水热反应釜对干燥的粉末状混合物进行水热碳化处理。

可选的，所述反应物固液分离模块通过固液分离装置，将水热碳化处理后的反应物进行固液分离，得到固态分离物和液态分离物，所述固态分离物为水热碳。

可选的，所述固态分离物再利用模块包括依次连接的干燥机、锅炉、汽轮机、发电机；

所述干燥机用于将水热碳进行干燥；

所述锅炉用于以干燥的水热碳为燃料进行燃烧，产生高温烟气，所述高温烟气加热液态水，得到高温水蒸气，高温水蒸气通过升温定压汽化，转化为锅炉出口的过热蒸汽；

所述汽轮机用于采用过热蒸汽进行膨胀做功，将化学能转化为汽轮机叶片的机械能；

所述发电机用于将所述机械能转化为电能。

可选的，所述液态分离物再利用模块包括依次连接的氨回收单元、厌氧消化单元、储气罐，所述储气罐与所述锅炉连接；

所述氨回收单元用于回收液态分离物中的氮，得到冷凝氮和除氮后的液态分离物；

所述厌氧消化单元用于对除氮后的液态分离物进行厌氧消化，得到甲烷；

所述储气罐用于存储甲烷，并为所述锅炉提供甲烷作为二级输入燃料。

所得到的冷凝氨可作为制冷剂使用。

一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用方法，包括以下步骤：

步骤1、对厨余垃圾进行烘干和研磨，得到干燥的粉末状混合物；

步骤2、对干燥的粉末状混合物进行水热碳化处理；

步骤3、将水热碳化处理后的反应物进行固液分离，得到固态分离物和液态分离物；

步骤4、将液态分离物进行氨回收和厌氧消化，分别得到冷凝氨和甲烷；将固态分离物进行燃烧或将固态分离物和甲烷共同燃烧，并进行发电，实现化学能转化为电能。

可选的，所述步骤1中，对厨余垃圾进行烘干和研磨的过程中，具体是将厨余垃圾进行烘干，并将烘干后的厨余垃圾和生物质进行研磨，得到干燥的粉末状混合物。

本发明通过将厨余垃圾和生物质粉末进行混合，能够提高混合物水热碳的热值。

可选的，所述步骤4中，将固态分离物进行燃烧，并进行发电的具体过程为：

将固态分离物进行干燥；以干燥的固态分离物作为燃料进行燃烧，产生高温烟气，所述高温烟气加热液态水，得到高温水蒸气，高温水蒸气通过升温定压汽化，转化为过热蒸汽；采用过热蒸汽进行膨胀做功，将化学能转化为机械能；通过发电机将机械能转化为电能。

可选的，所述步骤4中，将固态分离物和甲烷共同燃烧，并进行发电的具体过程为：

将固态分离物进行干燥；以干燥的固态分离物作为燃料、以甲烷作为二级输入燃料，进行燃烧，产生高温烟气，所述高温烟气加热液态水，得到高温水蒸气，高温水蒸气通过升温定压汽化，转化为过热蒸汽；采用过热蒸汽进行膨胀做功，将化学能转化为机械能；通过发电机将机械能转化为电能。

通过再热技术使甲烷在锅炉中燃烧，能够降低固态分离物(即水热碳)在燃烧过程中产生的氮氧化物，以此减轻对大气产生的污染。

经由上述的技术方案可知，本发明提供了一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用系统及方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)通过干燥、粉碎对厨余垃圾进行初步的物理处理，通过水热碳化过程、厌氧消化等，厨余垃圾的化学能以固体和气体燃料的形式在发电、制备化学品等方面得以充分利用，从而实现厨余垃圾的资源化综合利用。

(2)本发明系统结构设计合理，整个过程有效利用了厨余垃圾的化学能，最终将厨余垃圾的化学能转化为水热炭和甲烷的发热量，实现厨余垃圾能源高效化利用的最终目的。

(3)利用水热碳化、厌氧消化等过程降低燃料里面的含氮组分，并结合再燃技术，有效降低水热炭燃烧过程中氮氧化物的排放，从而实现厨余垃圾的无害化利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的系统结构示意图；

图2为本发明实施例2的系统结构示意图；

图3为本发明实施例3的方法步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例公开了一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用系统，参见图1，包括厨余垃圾预处理模块、水热碳化模块、反应物固液分离模块、固态分离物再利用模块、液态分离物再利用模块，所述厨余垃圾预处理模块、水热碳化模块、反应物固液分离模块依次连接，所述反应物固液分离模块、固态分离物再利用模块、液态分离物再利用模块之间相互连接。

实施例2

参见图2，本实施例公开一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用系统，其中，厨余垃圾预处理模块包括烘干箱和球磨机，所述烘干箱用于对厨余垃圾进行烘干，所述球磨机用于对烘干后的厨余垃圾和秸秆等生物质进行研磨，得到干燥的粉末状混合物。

水热碳化模块使用水热反应釜对干燥的粉末状混合物进行水热碳化处理。

反应物固液分离模块通过固液分离装置，例如板框式压滤机，将水热碳化处理后的反应物进行固液分离，得到固态分离物和液态分离物，所述固态分离物为水热碳。

固态分离物再利用模块包括依次连接的干燥机、锅炉、汽轮机、发电机。所述干燥机用于将水热碳进行干燥；所述锅炉用于以干燥的水热碳为燃料进行燃烧，产生高温烟气，所述高温烟气加热液态水，得到高温水蒸气，高温水蒸气通过升温定压汽化，转化为锅炉出口的过热蒸汽；所述汽轮机用于采用过热蒸汽进行膨胀做功，将化学能转化为汽轮机叶片的机械能；所述利用叶片转动的机械能带动发电机发电。

液态分离物再利用模块包括依次连接的氨回收单元、厌氧消化单元、储气罐，所述储气罐与所述锅炉连接。在具体实施过程中，所述氨回收单元使用的是湍球(塑料空心小球)塔吸收装置，以二级水喷淋吸收氨气，吸收效率可以达99％以上，其作用是用于回收液态分离物中的氮，得到冷凝氮和除氮后的液态分离物；所述厌氧消化单元使用的装置是连续搅拌反应器系统(CSTR)，其作用是用于对除氮后的液态分离物进行厌氧消化，得到甲烷；所述储气罐用于存储甲烷，可根据需要为所述锅炉提供甲烷作为二级输入燃料，利用再燃技术进行燃烧利用。

实施例3

一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用方法，参见图3，包括以下步骤：

步骤1、将厨余垃圾进行烘干，并将烘干后的厨余垃圾和生物质进行研磨，得到干燥的粉末状混合物；

步骤2、对干燥的粉末状混合物进行水热碳化处理；

步骤3、将水热碳化处理后的反应物进行固液分离，得到固态分离物和液态分离物；

步骤4、将液态分离物进行氨回收和厌氧消化，分别得到冷凝氨和甲烷；将固态分离物进行燃烧或将固态分离物和甲烷共同燃烧，并进行发电，实现化学能转化为电能。

其中，将固态分离物进行燃烧，并进行发电的具体过程为：

将固态分离物进行干燥；以干燥的固态分离物作为燃料进行燃烧，产生高温烟气，所述高温烟气加热液态水，得到高温水蒸气，高温水蒸气通过升温定压汽化，转化为过热蒸汽；采用过热蒸汽进行膨胀做功，将化学能转化为机械能；通过发电机将机械能转化为电能。

其中，将固态分离物和甲烷共同燃烧，并进行发电的具体过程为：

将固态分离物进行干燥；以干燥的固态分离物作为燃料、以甲烷作为二级输入燃料，进行燃烧，产生高温烟气，所述高温烟气加热液态水，得到高温水蒸气，高温水蒸气通过升温定压汽化，转化为过热蒸汽；采用过热蒸汽进行膨胀做功，将化学能转化为机械能；通过发电机将机械能转化为电能。

实施例4

在本实施例中列举具体实施数据对本发明方案进行说明。本实施例将厨余垃圾(城市常见厨余垃圾，主要成分如剩饭、剩菜、果皮等)先经过烘干箱烘干、球磨机研磨成粉末、与生物质粉末按热值最高的最优配比1:1重量比混合，进入压力为1-3MPa的水热反应釜。在温度190℃-220℃、停留时间1-2h的条件下进行水热碳化处理，通过板框式压滤机进行固液分离，水热碳经过干燥后进入锅炉作为燃料燃烧。液体部分进入氨回收单元，产生冷凝氨排出，剩下液体部分进入厌氧消化单元，在含固量20％的条件下反应，产生的甲烷气体在储气罐中储存，根据需求将甲烷送至锅炉内燃烧，在再燃比为20％，主燃区过量空气系数α＝0.85的条件下，通过再燃技术进行燃烧，降低氮氧化物生成。水热炭燃烧后产生的高温烟气加热液态水，并产生高温水蒸气。通过升温定压汽化，水蒸气最终转化为锅炉出口的过热蒸汽。随后过热蒸汽进入汽轮机内膨胀做功，使叶片转动而带动发电机发电，通过该系统实现将厨余垃圾的化学能转为电能。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用系统，其特征在于，包括厨余垃圾预处理模块、水热碳化模块、反应物固液分离模块、固态分离物再利用模块、液态分离物再利用模块，所述厨余垃圾预处理模块、水热碳化模块、反应物固液分离模块依次连接，所述反应物固液分离模块、固态分离物再利用模块、液态分离物再利用模块之间相互连接；

所述厨余垃圾预处理模块用于对厨余垃圾进行烘干和研磨，得到干燥的粉末状混合物；

所述水热碳化模块用于对干燥的粉末状混合物进行水热碳化处理；

所述反应物固液分离模块用于将水热碳化处理后的反应物进行固液分离，得到固态分离物和液态分离物；

所述固态分离物再利用模块用于将固态分离物进行燃烧、发电，将化学能转化为电能；

所述液态分离物再利用模块用于将液态分离物进行氨回收和厌氧消化，分别得到冷凝氨和甲烷。

2.根据权利要求1所述的一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用系统，其特征在于，所述厨余垃圾预处理模块包括烘干箱和球磨机，所述烘干箱用于对厨余垃圾进行烘干，所述球磨机用于对烘干后的厨余垃圾和生物质进行研磨，得到干燥的粉末状混合物。

3.根据权利要求1所述的一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用系统，其特征在于，所述水热碳化模块使用水热反应釜对干燥的粉末状混合物进行水热碳化处理。

4.根据权利要求1所述的一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用系统，其特征在于，所述反应物固液分离模块通过固液分离装置，将水热碳化处理后的反应物进行固液分离，得到固态分离物和液态分离物，所述固态分离物为水热碳。

5.根据权利要求4所述的一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用系统，其特征在于，所述固态分离物再利用模块包括依次连接的干燥机、锅炉、汽轮机、发电机；

所述干燥机用于将水热碳进行干燥；

所述锅炉用于以干燥的水热碳为燃料进行燃烧，产生高温烟气，所述高温烟气加热液态水，得到高温水蒸气，高温水蒸气通过升温定压汽化，转化为锅炉出口的过热蒸汽；

所述汽轮机用于采用过热蒸汽进行膨胀做功，将化学能转化为汽轮机叶片的机械能；

所述发电机用于将所述机械能转化为电能。

6.根据权利要求5所述的一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用系统，其特征在于，所述液态分离物再利用模块包括依次连接的氨回收单元、厌氧消化单元、储气罐，所述储气罐与所述锅炉连接；

所述氨回收单元用于回收液态分离物中的氮，得到冷凝氮和除氮后的液态分离物；

所述厌氧消化单元用于对除氮后的液态分离物进行厌氧消化，得到甲烷；

所述储气罐用于存储甲烷，并为所述锅炉提供甲烷作为二级输入燃料。

7.一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对厨余垃圾进行烘干和研磨，得到干燥的粉末状混合物；

步骤2、对干燥的粉末状混合物进行水热碳化处理；

步骤3、将水热碳化处理后的反应物进行固液分离，得到固态分离物和液态分离物；

步骤4、将液态分离物进行氨回收和厌氧消化，分别得到冷凝氨和甲烷；将固态分离物进行燃烧或将固态分离物和甲烷共同燃烧，并进行发电，实现化学能转化为电能。

8.根据权利要求7所述的一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用方法，其特征在于，所述步骤1中，对厨余垃圾进行烘干和研磨的过程中，具体是将厨余垃圾进行烘干，并将烘干后的厨余垃圾和生物质进行研磨，得到干燥的粉末状混合物。

9.根据权利要求7所述的一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用方法，其特征在于，所述步骤4中，将固态分离物进行燃烧，并进行发电的具体过程为：

将固态分离物进行干燥；以干燥的固态分离物作为燃料进行燃烧，产生高温烟气，所述高温烟气加热液态水，得到高温水蒸气，高温水蒸气通过升温定压汽化，转化为过热蒸汽；采用过热蒸汽进行膨胀做功，将化学能转化为机械能；通过发电机将机械能转化为电能。

10.根据权利要求7所述的一种厨余垃圾水热碳化-厌氧消化的综合利用方法，其特征在于，所述步骤4中，将固态分离物和甲烷共同燃烧，并进行发电的具体过程为：

将固态分离物进行干燥；以干燥的固态分离物作为燃料、以甲烷作为二级输入燃料，进行燃烧，产生高温烟气，所述高温烟气加热液态水，得到高温水蒸气，高温水蒸气通过升温定压汽化，转化为过热蒸汽；采用过热蒸汽进行膨胀做功，将化学能转化为机械能；通过发电机将机械能转化为电能。

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