CN103894393B - 一种餐厨垃圾水热处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种餐厨垃圾水热处理方法及装置。其中，该方法为：剔除杂质和油脂分离，提取餐厨垃圾中的上层的废油脂；一级水热反应：将油脂分离的餐厨垃圾，采用电加热实现顺序升温，水热反应温度在200℃-250℃之间，反应时间在5-25分钟之间，PH值小于7；热交换：一级水热反应后的反应物，通过液体进行冷却，使其温度降到130℃-180℃之间；二级水热反应：对热交换后的反应物再次进行水热反应，反应温度在130℃-180℃之间，反应时间40-80分钟之间；三相分离：将二级水热反应后的反应物进行降温，降至常温后，将固体、液体和气体分离。本发明反应时间缩短、能耗低；工艺控制更灵活也更精准；可以优化炭化液的可生物降解性，提高了炭化液进入厌氧处理工艺的效率。
Description
技术领域
本发明涉及垃圾再利用领域，具体而言，涉及一种餐厨垃圾水热处理方法及装置。
背景技术
餐厨垃圾的常用处理技术包括厌氧产沼气、堆肥、提炼生物柴油和生产饲料等。
目前，利用水热反应处理餐厨垃圾的研究在国内刚刚起步。1913年，德国学者FriedrichBergius第一次描述了水热炭化反应，他也在30年代获得诺贝尔化学奖。然而水热炭化反应的工程应用生产高热值的类煤产品是最近几年才开始得到重视的领域。生物质在有水为反应介质的条件下，压力20-35帕，180℃和250℃的温度范围内，pH值3-7之间，经过脱水和脱羧过程，反应浆料在干燥和/或脱水处理之后获得的固体物质（富碳贫氧），则类似于煤粉，具有基本上等于化石褐煤的热值。其产物类似50000和5000万年形成的褐煤，不同之处在于该反应可在3-12小时内发生。水热炭化反应的成本偏高是其产业化的主要瓶颈。水热炭化反应过程是一个放热反应，具体如下：
C6H12O6→C6H2O+5H2O△H=2300kJ/mol
水热反应包括脱水和脱羧两个过程。发生脱水反应时，也在发生脱羧反应，其导致二氧化碳的产生。选择较高温度时，生物质中更多的碳转换成二氧化碳的形式。然而，通过增加温度，反应时间可以减少，但是反应过程中，除了脱水和脱羧，还有系列副反应也在发生，特别是水溶性的烃形成，留存在水热反应液中，可能会导致水热反应液处理成本增加，而且，长时间的高温处理，其能耗高，从而导致成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种餐厨垃圾水热处理方法及装置，以解决上述的问题。
在本发明的实施例中提供了一种餐厨垃圾水热处理方法，包括以下步骤：
剔除杂质：剔除餐厨垃圾中的大块异物；
油脂分离：将剔除杂质后的餐厨垃圾进行预热，并保持静置，提取餐厨垃圾中的上层的废油脂；
一级水热反应：将油脂分离的餐厨垃圾，即反应物，采用电加热实现顺序升温，水热反应温度在200℃-250℃之间，反应时间在5-25分钟之间，PH值小于7；
热交换：一级水热反应后的反应物，通过液体进行冷却，使其温度降到130℃-180℃之间；
二级水热反应：对热交换后的反应物再次进行水热反应，反应温度在130℃-180℃之间，反应时间40-80分钟之间；
三相分离：将二级水热反应后的反应物进行降温，降至常温后，将固体、液体和气体分离。
进一步的，所述餐厨垃圾剔除垃圾后的含固率在5-25%之间。
进一步的，所述一级水热反应中，反应过程中，pH为3-5。
进一步的，将热交换和三相分离过程中，降温产生的热能传递给剔除杂质后餐厨垃圾用于预热反应物。
进一步的，所述一级水热反应和所述二级水热反应反应过程中添加有催化剂。
优选的，所述催化剂为有机酸、无机酸或水热反应液。
一种餐厨垃圾水热处理装置，包括第一反应器、第二反应器和第三反应器；
所述第一反应器和所述第三反应器为带螺杆的管道式反应器，所述第二反应器为立式反应罐，所述第一反应器、所述第二反应器和所述第三反应器均配有温控装置和搅拌装置；
所述第一反应器连接有储料罐，所述储料罐连接有杂质剔除装置，所述第一反应器和所述第二反应器之间连接有热交换装置，所述第二反应器与所述第三反应器连接，所述第三反应器连接有固态收集装置、液态收集装置、气态收集装置和降温装置。
进一步的，所述第一反应器、所述第二反应器和所述第三反应器均连接有压力检测装置。
进一步的，所述第一反应器和所述第二反应器连接有催化剂添加装置。
进一步的，所述热交换装置、所述第三反应器与所述储料罐之间设有用于传输热量的管路。
本发明实施例提供的一种餐厨垃圾水热处理方法及装置，包括以下优点：
1、反应时间缩短、能耗低：水热反应的时间一般在3到12小时之间，该方法及装置采用了两级水热反应，并采用了管式反应器实现了迅速升温和迅速降温，使得反应物的总停留时间缩短。与一步法的水热反应相比，该方法及装置获得相同质量的类煤产品的反应时间可以控制在2小时以内，热能消耗也更少。因此，反应时间缩短、能耗低可节省反应器的容积和占地需要，从而节约投资和运行费。
2、工艺控制更灵活也更精准：该方法及装置通过把带螺杆的管道式反应器与反应釜的结合来实现两级水热反应。提供了根据原料属性及产品需要，优化工艺条件的可能性，即高温段水热反应的温度/时间与低温段水热反应的温度/时间的优化组合。螺杆管式反应器很好地集成了物料混合、传质、传热或物料分离的功能，利于工艺过程的精准控制。
3、该方法及装置可以优化炭化液的可生物降解性，提高了炭化液进入厌氧处理工艺的效率。餐厨垃圾水热反应液中含有大量小分子有机酸，可以作为氮源、碳源，与其它有机垃圾混合后能提高厌氧发酵的效率。例如与城市有机垃圾，如公共绿地的剪草，菜市场有机垃圾或源头单独收集的家庭有机垃圾混合，进行厌氧发酵。厌氧反应后的沼渣也可以与该方法及装置生产的类煤产品混合堆肥后，作为土壤改良剂。
4、减缓反应釜的底部沉积和器壁结垢问题。该方法及装置将高温段的水热反应采用了带螺杆的水平管道式反应器，有助于避免常规立式反应釜中固体物质沉积在反应器底部或在反应器壁上积垢的现象。
附图说明
图1示出了本发明实施例所述一种餐厨垃圾水热处理装置结构示意图。
图中：
1、第一反应器；2、第二反应器；3、储料罐；4、剔除装置；5、热交换装置；6、第三反应器；7、固态收集装置；8、液态收集装置；9、气态收集装置；10、催化剂添加装置。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
如图1所示，一种餐厨垃圾水热处理方法，包括以下步骤：
剔除杂质：剔除餐厨垃圾中的大块异物；
油脂分离：将剔除杂质后的餐厨垃圾进行预热，并保持静置，提取餐厨垃圾中的上层的废油脂；
一级水热反应：将油脂分离的餐厨垃圾，即反应物，采用电加热实现顺序升温，水热反应温度在200℃-250℃之间，反应时间在5-25分钟之间，PH值小于7；
热交换：一级水热反应后的反应物，通过液体进行冷却，使其温度降到130℃-180℃之间；
二级水热反应：对热交换后的反应物再次进行水热反应，反应温度在130℃-180℃之间，反应时间40-80分钟之间；
三相分离：将二级水热反应后的反应物进行降温，降至常温后，将固体、液体和气体分离。
优选的，餐厨垃圾剔除垃圾后的含固率在5-25%之间。
一级水热反应中，反应过程中，pH优选的是小于7，更优的pH为3-5。
将热交换和三相分离过程中，降温产生的热能传递给剔除杂质后餐厨垃圾用于预热反应物。其中，整个系统中，油脂分离过程中需要吸收热量，而热交换和三相分离时则查出热量，所以，将产出的热量用于给油脂分离进行预热，实现了能源再利用。
一级水热反应反应和二级水热反应过程中添加有催化剂。水热反应的脱水和脱羧过程都可以通过加入合适的催化剂被促进。因此，所需的转化程度已经可以在较低的温度和较少的反应时间达到。
优选的，催化剂为有机酸、无机酸或水热反应液。
一种餐厨垃圾水热处理装置，包括第一反应器1、第二反应器2和第三反应器6；
第一反应器1和第三反应器6为带螺杆的管道式反应器，第二反应器2为立式反应罐，第一反应器1、第二反应器2和第三反应器6均配有温控装置和搅拌装置；
第一反应器1连接有储料罐3，储料罐3连接有杂质剔除装置4，第一反应器1和第二反应器2之间连接有热交换装置5，第二反应器2与第三反应器连接，第三反应器6连接有固态收集装置7、液态收集装置8、气态收集装置9和降温装置。
其中，液态收集装置8：接收固、液、气三相分离器产生的水热反应液，其中，部分反应液回流第一反应器1中，循环使用。其余部分进入下一级工艺。下一级工艺优选厌氧反应产生沼气，特别适合与其它有机废弃物进行混合发酵。符合污水处理厂需要的情况下，可选择回流到进入污水处理厂的生物处理单元或反消化单元，补充碳源。根据餐厨垃圾的不同属性，某些情况下，水热反应液可能含有酚类物质，其中单价酚类，像苯酚，甲酚和愈创木酚要求特殊处理，因为它们会抑制厌氧反应，直接排放会危害健康和环境。控制恰当的反应温度，有可能降低水热反应液里单价酚类的含量。受不同工艺和不同餐厨垃圾属性的影响，水热反应液的氨氮浓度可能在600mg/L到1500mg/L之间，COD浓度在8000mg/L到15000mg/L之间。
固态收集装置7：接收经第二级反应器的固、液、气三相分离装置出来的固体物质，称为“类煤产品”，这时的含水率在40%-60%之间，热值（干基HHV）在29000(kJ/kg)-32000(kJ/kg)之间，但不限于此。餐厨垃圾（干基HHV）为18000(kJ/kg)-23000(kJ/kg)之间，但不限于此。类煤产品可以作为燃料外运给火电厂，水泥厂等。水热反应产生的类煤产品也具有多孔性结构、碳含量高的特征，因此也可以作为原料，外运给生物质炭化厂或者作为土壤修复剂的载体。类煤在酸性条件下获得，它的多孔结构和微酸特性，使其可能成为改良碱性土壤的原料。
气态收集装置9：水热反应的一个副产物是从固液气三相分离装置中分离的气体。气体需要进行收集，并使其通过气体净化滤池，然后才能排放到环境。气体滤池中的填料可选择生物滤料外加一些添加剂。水热气的主要成分是CO2还包括少量的其它气体。也可以根据需要，利用现有的碳补足技术回收CO2。
第一反应器1、第二反应器2和第三反应器6均连接有温控装置和压力检测装置。上述装置用于控制反应器运行过程中的参数，保证反应器正常使用。
为了便于水热反应的进行，可以在其中添加催化剂，第一反应器1和第二反应器2连接有催化剂添加装置10。
热交换装置5、第三反应器6与储料罐3之间设有用于传输热量的管路。热交换装置5和第三反应器6使用过程中产生的热量通过管路传递给储料罐，进行预热。
优选的，第一反应器1和第三反应器6为管道式耐压反应器，第二反应器2为带保温功能的反应釜。
上述实施例提供的一种餐厨垃圾水热处理方法及装置，包括以下优点：
1、反应时间缩短、能耗低：水热反应的时间一般在3到12小时之间，该方法及装置采用了两级水热反应，并采用了管式反应器实现了迅速升温和迅速降温，使得反应物的总停留时间缩短。与一步法的水热反应相比，该方法及装置获得相同质量的类煤产品的反应时间可以控制在2小时以内，热能消耗也更少。因此，反应时间缩短、能耗低可节省反应器的容积和占地需要，从而节约投资和运行费。
2、工艺控制更灵活也更精准：该方法及装置通过把带螺杆的管道式反应器与反应釜的结合来实现两级水热反应。提供了根据原料属性及产品需要，优化工艺条件的可能性，即高温段水热反应的温度/时间与低温段水热反应的温度/时间的优化组合。螺杆管式反应器很好地集成了物料混合、传质、传热或物料分离的功能，利于工艺过程的精准控制。
3、该方法及装置可以优化炭化液的可生物降解性，提高了炭化液进入厌氧处理工艺的效率。餐厨垃圾水热反应液中含有大量小分子有机酸，可以作为氮源、碳源，与其它有机垃圾混合后能提高厌氧发酵的效率。例如与城市有机垃圾，如公共绿地的剪草，菜市场有机垃圾或源头单独收集的家庭有机垃圾混合，进行厌氧发酵。厌氧反应后的沼渣也可以与该方法及装置生产的类煤产品混合堆肥后，作为土壤改良剂。
4、减缓反应釜的底部沉积和器壁结垢问题。该方法及装置将高温段的水热反应采用了带螺杆的水平管道式反应器，有助于避免常规立式反应釜中固体物质沉积在反应器底部或在反应器壁上积垢的现象。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种餐厨垃圾水热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
剔除杂质：剔除餐厨垃圾中的大块异物；
油脂分离：将剔除杂质后的餐厨垃圾进行预热，并保持静置，提取餐厨垃圾中的上层的废油脂；
一级水热反应：将油脂分离的餐厨垃圾，即反应物，采用电加热实现顺序升温，水热反应温度在200℃-250℃之间，反应时间在5-25分钟之间，PH值小于7；
热交换：一级水热反应后的反应物，通过液体进行冷却，使其温度降到130℃-180℃之间；
二级水热反应：对热交换后的反应物再次进行水热反应，反应温度在130℃-180℃之间，反应时间40-80分钟之间；
三相分离：将二级水热反应后的反应物进行降温，降至常温后，将固体、液体和气体分离。
2.根据权利要求1所述的餐厨垃圾水热处理方法，其特征在于，所述餐厨垃圾剔除垃圾后的含固率在5-25％之间。
3.根据权利要求1所述的餐厨垃圾水热处理方法，其特征在于，所述一级水热反应中，pH为3-5。
4.根据权利要求1所述的餐厨垃圾水热处理方法，其特征在于，将热交换和三相分离过程中，降温产生的热能传递给剔除杂质后餐厨垃圾用于预热反应物。
5.根据权利要求1所述的餐厨垃圾水热处理方法，其特征在于，所述一级水热反应和所述二级水热反应反应过程中添加有催化剂。
6.根据权利要求5所述的餐厨垃圾水热处理方法，其特征在于，所述催化剂为有机酸、无机酸或水热反应液。
7.一种餐厨垃圾水热处理装置，其特征在于，包括第一反应器、第二反应器和第三反应器；
所述第一反应器和所述第三反应器为带螺杆的管道式反应器，所述第二反应器为立式反应罐，所述第一反应器、所述第二反应器和所述第三反应器均配有温控装置和搅拌装置；
所述第一反应器连接有储料罐，所述储料罐连接有杂质剔除装置，所述第一反应器和所述第二反应器之间连接有热交换装置，所述第二反应器与所述第三反应器连接，所述第三反应器连接有固态收集装置、液态收集装置、气态收集装置和降温装置。
8.根据权利要求7所述的餐厨垃圾水热处理装置，其特征在于，所述第一反应器、所述第二反应器和所述第三反应器均连接有压力检测装置。
9.根据权利要求7所述的餐厨垃圾水热处理装置，其特征在于，所述第一反应器和所述第二反应器连接有催化剂添加装置。
10.根据权利要求7所述的餐厨垃圾水热处理装置，其特征在于，所述热交换装置、所述第三反应器与所述储料罐之间设有用于传输热量的管路。
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