CN116121036A - 一种厨余垃圾制备氢气的垃圾资源化处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种厨余垃圾制备氢气的垃圾资源化处理系统及方法，包含厨余垃圾预处理系统、厌氧发酵罐、沼渣制活性炭系统、沼气提纯甲烷系统和甲烷分解制氢系统。本发明实现了厨余垃圾高值化利用，对厨余垃圾厌氧发酵产生的沼气、固液分离和脱水分离的有机固渣进行高值化利用，产生的甲烷经催化裂解反应得到高价值的高纯氢和性能优良的碳材料。

Description

一种厨余垃圾制备氢气的垃圾资源化处理系统及方法
技术领域
本发明涉及一种垃圾资源化处理系统及方法，特别是一种厨余垃圾制备氢气的垃圾资源化处理系统及方法，属于固废资源化技术领域。
背景技术
厨余垃圾是城市生活垃圾的一种，是居民社区、食品生产加工业和餐饮业在生产或生产过程中所产生的的有机废弃物。厨余垃圾的成分以碳水化合物、蛋白质、油脂和纤维素为主，其具有产生量大、含水率高、有机质高、含盐量高、含油量高和易腐烂等特点，若处理不及时易产生恶臭味，并会滋生病原体微生物等，引发环境污染等问题。
厨余垃圾厌氧发酵作为一种极具潜力的处理技术，在减少厨余垃圾数量的同时回收能源，成为目前国际上广泛应用的减量化和资源化处理技术。但是厌氧发酵产生的沼液经过脱水得到沼渣，沼渣中仍然含有大量有机质，如果随意进入环境后，不仅浪费大量生物质能源，也会造成水体和土壤的二次污染。因此，如何有效利用厨余垃圾厌氧发酵产生的沼渣和沼气，实现其高附加值资源化利用，提升资源化产品价值，是当前急需解决的重要问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种厨余垃圾制备氢气的垃圾资源化处理系统及方法，实现厨余垃圾高值化利用。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种厨余垃圾制备氢气的垃圾资源化处理系统，其特征在于：包含厨余垃圾预处理系统、厌氧发酵罐、沼渣制活性炭系统、沼气提纯甲烷系统和甲烷分解制氢系统，厨余垃圾预处理系统的沼液出口与混合器的一个进口连接，沼渣制活性炭系统的活性炭出料口与混合器的另一个进口连接，混合器的出口与厌氧发酵罐的进口连接，厌氧发酵罐的沼液出口与沼渣制活性炭系统的进料口连接，厌氧发酵罐的沼气出口与沼气提纯甲烷系统的进口连接，沼气提纯甲烷系统的出口与甲烷分解制氢系统的进口连接。
进一步地，所述厨余垃圾预处理系统包含接料斗、机械分选单元、固液分离单元和除杂除砂单元，接料斗的出料口与机械分选单元的进料口连接，机械分选单元的出料口与固液分离单元的进料口连接，固液分离单元的固渣出口与沼渣制活性炭系统连接，固液分离单元的浆液出口与除杂除砂单元的进料口连接，除杂除砂单元的出料口与混合器的一个进口连接。
进一步地，所述沼渣制活性炭系统包含脱水分离机、干化机、碳化活化一体炉、活性炭储槽和沼液储罐，脱水分离机的进料口与厌氧发酵罐的沼液出口连接，脱水分离机的沼渣出口与干化机的进料口连接，干化机的出料口与碳化活化一体炉的进料口连接，碳化活化一体炉的出料口与活性炭储槽的进料口连接，活性炭储槽的出料口与混合器的另一个进口连接，脱水分离机的沼液出口与沼液储罐连接。
进一步地，所述沼气提纯甲烷系统包含沼气脱硫单元、沼气脱碳单元和生物天然气储罐，沼气脱硫单元的进料口与厌氧发酵罐的沼气出口连接，沼气脱硫单元的出料口与沼气脱碳单元的进料口连接，沼气脱碳单元的出料口与生物天然气储罐的进料口连接，生物天然气储罐的出料口与甲烷分解制氢系统的进口连接。
进一步地，所述甲烷分解制氢系统包含催化裂解反应器、变压吸附装置、氢气储罐、变压分离装置和碳材料储槽，催化裂解反应器的进料口与沼气提纯甲烷系统的出口连接，催化裂解反应器的氢气出口与变压吸附装置的进口连接，变压吸附装置的出口与氢气储罐连接，催化裂解反应器的固相出口与变压分离装置的进料口连接，变压分离装置的出料口与碳材料储槽连接。
一种厨余垃圾制备氢气的垃圾资源化处理系统的垃圾资源化处理方法，其特征在于包含以下步骤：
S1、厨余垃圾进厂称重后卸倒在接料斗内，接料斗中的物料输送到机械分选单元，分离出厨余垃圾中的大块杂质，经过机械分选后的厨余垃圾进入固液分离单元，固液分离产生的固渣进入干化机，固液分离产生的浆液进入除杂除砂单元，去除浆液中的细小杂质和砂石；
S2、经过除杂除砂后的浆液进入厌氧发酵罐，物料在35℃的温度条件下，停留30天；
S3、厌氧发酵产生的沼液进入脱水分离机，分离后的沼渣进入干化机，分离后的沼液进入沼液储罐；经固液分离和脱水分离产生的有机固渣进入干化机，干化含水率至10%的物料进入炭化活化一体炉进行炭化和活化处理，从而得到炭材料，进入炭材料储槽中暂存，最后输送到混合器中与浆液混合后进入厌氧发酵罐；
S4、厌氧发酵产生的沼气经过沼气脱硫单元，脱硫后的沼气加压后进入沼气脱碳单元净化提纯为生物甲烷，产生的甲烷进入生物天然气储罐暂存；
S5、生物天然气储罐中的甲烷进入催化裂解反应器发生催化裂解反应，在氢气的还原气氛中，在500℃、停留60min后反应得到富氢气体，再经过变压吸附装置净化提纯为高纯氢，得到的高纯氢进入氢气存储装置，产生固相产物经变压吸附装置分离得到高价值副产物-碳纳米材料，然后进入碳材料储槽储存。
进一步地，所述步骤S3中炭化和活化处理的具体过程为：干化后的有机固渣在炭化活化一体炉的炭化仓中炭化处理，炭化在惰性气体N2的保护下，控制温度在500℃，控制炭化时间在1.0h；然后，炭化后的物料在炭化活化一体炉的活化仓中活化处理，活化在惰性气体N2的保护下，控制温度在800℃，控制活化时间在0.5h，从而得到炭材料。
进一步地，所述步骤S4中，沼气脱硫单元将H2S脱除至50ppm以下。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、本发明通过对厨余垃圾厌氧发酵产生的沼气经净化提纯为生物天然气，然后对生物天然气进行催化裂解，可得到高纯氢气和高性能的碳纳米材料，提高了厨余垃圾厌氧发酵产品的高值化利用。
2、本发明以厨余垃圾厌氧发酵后经固液分离的残渣为原料，采用炭化活化工艺制备炭材料，经与浆料混合后进入厌氧消化罐生产沼气，提高了厌氧发酵产生的沼气量和发酵效率，实现了资源化处理的最大化。
附图说明
图1是本发明的一种厨余垃圾制备氢气的垃圾资源化处理系统的示意图。
具体实施方式
为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，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晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明的一种厨余垃圾制备氢气的垃圾资源化处理系统，包含厨余垃圾预处理系统、厌氧发酵罐6、沼渣制活性炭系统、沼气提纯甲烷系统和甲烷分解制氢系统，厨余垃圾预处理系统的沼液出口与混合器5的一个进口连接，沼渣制活性炭系统的活性炭出料口与混合器5的另一个进口连接，混合器5的出口与厌氧发酵罐6的进口连接，厌氧发酵罐6的沼液出口与沼渣制活性炭系统的进料口连接，厌氧发酵罐6的沼气出口与沼气提纯甲烷系统的进口连接，沼气提纯甲烷系统的出口与甲烷分解制氢系统的进口连接。
厨余垃圾预处理系统包含接料斗1、机械分选单元2、固液分离单元3和除杂除砂单元4，接料斗1的出料口与机械分选单元2的进料口连接，机械分选单元2的出料口与固液分离单元3的进料口连接，固液分离单元3的固渣出口与沼渣制活性炭系统连接，固液分离单元3的浆液出口与除杂除砂单元4的进料口连接，除杂除砂单元4的出料口与混合器5的一个进口连接。
沼渣制活性炭系统包含脱水分离机7、干化机8、碳化活化一体炉9、活性炭储槽10和沼液储罐11，脱水分离机7的进料口与厌氧发酵罐6的沼液出口连接，脱水分离机7的沼渣出口与干化机8的进料口连接，干化机8的出料口与碳化活化一体炉9的进料口连接，碳化活化一体炉9的出料口与活性炭储槽10的进料口连接，活性炭储槽10的出料口与混合器5的另一个进口连接，脱水分离机7的沼液出口与沼液储罐11连接。
沼气提纯甲烷系统包含沼气脱硫单元12、沼气脱碳单元13和生物天然气储罐14，沼气脱硫单元12的进料口与厌氧发酵罐6的沼气出口连接，沼气脱硫单元12的出料口与沼气脱碳单元13的进料口连接，沼气脱碳单元13的出料口与生物天然气储罐14的进料口连接，生物天然气储罐14的出料口与甲烷分解制氢系统的进口连接。
甲烷分解制氢系统包含催化裂解反应器15、变压吸附装置16、氢气储罐17、变压分离装置18和碳材料储槽19，催化裂解反应器15的进料口与沼气提纯甲烷系统的出口连接，催化裂解反应器15的氢气出口与变压吸附装置16的进口连接，变压吸附装置16的出口与氢气储罐17连接，催化裂解反应器15的固相出口与变压分离装置18的进料口连接，变压分离装置18的出料口与碳材料储槽19连接。
一种厨余垃圾制备氢气的垃圾资源化处理系统的垃圾资源化处理方法，包含以下步骤：
S1、厨余垃圾进厂称重后卸倒在接料斗1内，接料斗1中的物料通过接料装置输送机输送到机械分选单元2，分离出厨余垃圾中的大块杂质，经过机械分选后的厨余垃圾进入固液分离单元3，固液分离产生的固渣进入干化机8，固液分离产生的浆液进入除杂除砂单元4，去除浆液中的细小杂质和砂石。
S2、经过除杂除砂后的浆液进入厌氧发酵罐6，物料在35℃的温度条件下，停留30天。
S3、厌氧发酵产生的沼液进入脱水分离机7，分离后的沼渣进入干化机8，分离后的沼液进入沼液储罐11，，可用于灌溉或作为液态肥产品；经固液分离和脱水分离产生的有机固渣进入干化机8，干化含水率至10%的物料进入炭化活化一体炉9进行炭化和活化处理，从而得到炭材料，进入炭材料储槽10中暂存，最后输送到混合器5中与浆液混合后进入厌氧发酵罐6。
其中，炭化和活化处理的具体过程为：干化后的有机固渣在炭化活化一体炉的炭化仓中炭化处理，炭化在惰性气体N2的保护下，控制温度在500℃，控制炭化时间在1.0h；然后，炭化后的物料在炭化活化一体炉的活化仓中活化处理，活化在惰性气体N2的保护下，控制温度在800℃，控制活化时间在0.5h，从而得到炭材料。
S4、厌氧发酵产生的沼气经过沼气脱硫单元12，沼气脱硫单元将H2S脱除至50ppm以下。脱硫后的沼气加压后进入沼气脱碳单元13净化提纯为生物甲烷，产生的甲烷进入生物天然气储罐14暂存。
S5、生物天然气储罐14中的甲烷进入催化裂解反应器15发生催化裂解反应，在氢气的还原气氛中，在500℃、停留60min后反应得到富氢气体，再经过变压吸附装置16净化提纯为高纯氢，得到的高纯氢进入氢气存储装置17，产生固相产物经变压吸附装置18分离得到高价值副产物-碳纳米材料，然后进入碳材料储槽19储存。
本发明的厨余垃圾制备氢气的垃圾资源化处理系统及方法，实现了厨余垃圾高值化利用，对厨余垃圾厌氧发酵产生的沼气、固液分离和脱水分离的有机固渣进行高值化利用，产生的甲烷经催化裂解反应得到高价值的高纯氢和性能优良的碳材料。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种厨余垃圾制备氢气的垃圾资源化处理系统，其特征在于：包含厨余垃圾预处理系统、厌氧发酵罐、沼渣制活性炭系统、沼气提纯甲烷系统和甲烷分解制氢系统，厨余垃圾预处理系统的沼液出口与混合器的一个进口连接，沼渣制活性炭系统的活性炭出料口与混合器的另一个进口连接，混合器的出口与厌氧发酵罐的进口连接，厌氧发酵罐的沼液出口与沼渣制活性炭系统的进料口连接，厌氧发酵罐的沼气出口与沼气提纯甲烷系统的进口连接，沼气提纯甲烷系统的出口与甲烷分解制氢系统的进口连接。
2.根据权利要求1所述的一种厨余垃圾制备氢气的垃圾资源化处理系统，其特征在于：所述厨余垃圾预处理系统包含接料斗、机械分选单元、固液分离单元和除杂除砂单元，接料斗的出料口与机械分选单元的进料口连接，机械分选单元的出料口与固液分离单元的进料口连接，固液分离单元的固渣出口与沼渣制活性炭系统连接，固液分离单元的浆液出口与除杂除砂单元的进料口连接，除杂除砂单元的出料口与混合器的一个进口连接。
3.根据权利要求1所述的一种厨余垃圾制备氢气的垃圾资源化处理系统，其特征在于：所述沼渣制活性炭系统包含脱水分离机、干化机、碳化活化一体炉、活性炭储槽和沼液储罐，脱水分离机的进料口与厌氧发酵罐的沼液出口连接，脱水分离机的沼渣出口与干化机的进料口连接，干化机的出料口与碳化活化一体炉的进料口连接，碳化活化一体炉的出料口与活性炭储槽的进料口连接，活性炭储槽的出料口与混合器的另一个进口连接，脱水分离机的沼液出口与沼液储罐连接。
4.根据权利要求1所述的一种厨余垃圾制备氢气的垃圾资源化处理系统，其特征在于：所述沼气提纯甲烷系统包含沼气脱硫单元、沼气脱碳单元和生物天然气储罐，沼气脱硫单元的进料口与厌氧发酵罐的沼气出口连接，沼气脱硫单元的出料口与沼气脱碳单元的进料口连接，沼气脱碳单元的出料口与生物天然气储罐的进料口连接，生物天然气储罐的出料口与甲烷分解制氢系统的进口连接。
5.根据权利要求1所述的一种厨余垃圾制备氢气的垃圾资源化处理系统，其特征在于：所述甲烷分解制氢系统包含催化裂解反应器、变压吸附装置、氢气储罐、变压分离装置和碳材料储槽，催化裂解反应器的进料口与沼气提纯甲烷系统的出口连接，催化裂解反应器的氢气出口与变压吸附装置的进口连接，变压吸附装置的出口与氢气储罐连接，催化裂解反应器的固相出口与变压分离装置的进料口连接，变压分离装置的出料口与碳材料储槽连接。
6.一种权利要求1-5任一项所述的厨余垃圾制备氢气的垃圾资源化处理系统的垃圾资源化处理方法，其特征在于包含以下步骤：
S1、厨余垃圾进厂称重后卸倒在接料斗内，接料斗中的物料输送到机械分选单元，分离出厨余垃圾中的大块杂质，经过机械分选后的厨余垃圾进入固液分离单元，固液分离产生的固渣进入干化机，固液分离产生的浆液进入除杂除砂单元，去除浆液中的细小杂质和砂石；
S2、经过除杂除砂后的浆液进入厌氧发酵罐，物料在35℃的温度条件下，停留30天；
S3、厌氧发酵产生的沼液进入脱水分离机，分离后的沼渣进入干化机，分离后的沼液进入沼液储罐；经固液分离和脱水分离产生的有机固渣进入干化机，干化含水率至10%的物料进入炭化活化一体炉进行炭化和活化处理，从而得到炭材料，进入炭材料储槽中暂存，最后输送到混合器中与浆液混合后进入厌氧发酵罐；
S4、厌氧发酵产生的沼气经过沼气脱硫单元，脱硫后的沼气加压后进入沼气脱碳单元净化提纯为生物甲烷，产生的甲烷进入生物天然气储罐暂存；
S5、生物天然气储罐中的甲烷进入催化裂解反应器发生催化裂解反应，在氢气的还原气氛中，在500℃、停留60min后反应得到富氢气体，再经过变压吸附装置净化提纯为高纯氢，得到的高纯氢进入氢气存储装置，产生固相产物经变压吸附装置分离得到高价值副产物-碳纳米材料，然后进入碳材料储槽储存。
7.根据权利要求6所述的垃圾资源化处理方法，其特征在于：所述步骤S3中炭化和活化处理的具体过程为：干化后的有机固渣在炭化活化一体炉的炭化仓中炭化处理，炭化在惰性气体N2的保护下，控制温度在500℃，控制炭化时间在1.0h；然后，炭化后的物料在炭化活化一体炉的活化仓中活化处理，活化在惰性气体N2的保护下，控制温度在800℃，控制活化时间在0.5h，从而得到炭材料。
8.根据权利要求6所述的垃圾资源化处理方法，其特征在于：所述步骤S4中，沼气脱硫单元将H2S脱除至50ppm以下。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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