一种垃圾处理装置及方法与流程

本发明涉及垃圾处理领域，尤其涉及一种垃圾处理装置及方法。

背景技术：

人们日常见到的垃圾从化学成分上主要分成有机和无机两大类，有机的主要包括易降解的人畜粪便、厨余垃圾、作物秸秆、绿化垃圾及不易降解的塑料垃圾等，无机的主要包括建筑垃圾及各种金属非金属垃圾等。绝大多数的垃圾堆积占地污染环境，焚烧处理只是在减量化上起点作用，资源化很有限也不是好方法。热解技术能源回收性好、环境污染小资源化程度高是垃圾处理最优越、最有意义的方法。

现在己有的垃圾的热解设备基本都是参照燃煤锅炉的基础上进行改造的，主要包括固定床、流化床、回转窑、烧蚀床、熔融浴等。大部分热裂解反应器是在气态下进行热裂解，垃圾内外受热不均，熔融后粘结在反应罐壁上发生焦化，同时焦化的产物也无法去除，生产连续性很差；液相熔融浴法裂解处理装置注重液相产品产出，使反应条件限制苛刻，操作弹性差，并且固相产物碳、金属及无机物的混合物同样无法去除，只能间歇性排除，生产连续性也很差，其混合物再分离困难成本高。总之无论技术环节和经济效益等难题的阻碍限制了裂解法大规模普及应用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种能够裂解垃圾并将产物分离的垃圾处理装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种垃圾处理装置，包括能够实现固气液分离的垃圾预处理装置和垃圾裂解反应装置，所述垃圾裂解反应装置包括至少一条进料管、能够破碎并压实垃圾的螺旋挤压进料器、设置在螺旋挤压进料器下方的反应塔进料管、设置在螺旋挤压进料器下方的带有内腔的反应塔以及设置在反应塔上部外侧的旋分塔；所述反应塔内腔由下向上依次设有熔融金属层、熔融碱层和碳流化床层；所述反应塔进料管一端与进料管连通，另一端伸入反应塔内，并与反应塔内腔底壁留有间隙，所述反应塔进料管下部设有孔；所述旋分塔能够分别收集反应塔内腔的固态物质和气态物质并经旋分塔排出；所述垃圾裂解反应装置还包括用于排出熔融金属混合物的熔融金属压差溢出装置；所述垃圾裂解反应装置还包括用于排出熔融碱混合物的熔融碱混合物溢出装置，所述熔融碱混合物溢出装置设置在熔融金属压差溢出装置的上方；所述垃圾裂解反应装置还包括用于支撑反应塔的反应塔基座。

优选地，所述垃圾预处理装置包括带有活塞的压缩筒，设置在压缩筒上方的进料斗，以及能够分离垃圾中气体和/或液体的分离装置。所述进料斗与压缩筒连通，所述分离装置设置在活塞靠近垃圾一侧，与分离装置相配合的压缩筒设有压缩筒排出口，所述活塞在压缩筒内往复压缩垃圾时，垃圾中的液体依次经分离装置和压缩筒排出口排出，垃圾中的气体也可以依次经分离装置和压缩筒排出口排出。

优选地，所述分离装置由筛孔板、集储堰板、集液腔、储液腔以及排出口组成，所述集储堰板与筛孔板形成集液腔，所述集储堰板与活塞形成储液腔，所述排出口设置在储液腔底部，与压缩筒排出口相配合。

优选地，所述进料斗与压缩筒之间设有双螺旋进料器，所述进料斗上方连接有垃圾桶。

优选地，反应塔外侧设有电磁感应线圈加热器，所述电磁感应线圈加热器能够加热反应塔内腔的熔融金属层，经加热的熔融金属层能够加热熔融碱层。

优选地，反应塔外侧设有电阻加热器，所述电阻加热器能够加热反应塔内腔的熔融碱层，经加热的熔融碱层能够加热熔融金属层。

优选地，所述反应塔内腔碳流化床层处设有回流循环的分离气体及外源水管线。

一种垃圾处理方法，利用垃圾处理装置，包括如下步骤：

s1：垃圾预处理：将垃圾输送至垃圾预处理装置内反复进行压缩形成垃圾压缩块，同时分离垃圾中的液体和/或气体，垃圾压缩块达到预定值时排出垃圾预处理装置；

s2：垃圾破碎挤压：将垃圾压缩块输送至螺旋挤压进料器进行破碎，破碎后再进行挤压，经挤压的垃圾通过反应塔进料管进入反应塔；

s3：碳流化床脱水：进入反应塔的垃圾在碳流化床层高温加热下，蒸发水分，蒸发出来的水分从反应塔进料管的孔进入碳流化床层的底部；

s4：碳流化床干馏：垃圾中的纸壳纸张、厨余垃圾及绿化垃圾等生物质在碳流化床层高温加热下发生干馏，干馏出来的轻烃组分与水分从反应塔进料管的孔进入碳流化床层的底部；

s5：碳流化床裂解：一部分易裂解的经s4干馏出来的轻烃化合物在高温的碳流化床层中裂解产生氢气和碳，另一部分轻烃化合物与碳流化床层中的单质碳和经s3蒸发的水分、经s4干馏产生的水分，以及由回流循环的分离气体及外源水管线补充的水分和一氧化碳等气体发生反应，生成氢气、一氧化碳气体，气体通过反应塔进料管进入碳流化床层；

s6：熔融碱裂解：经s5处理后的垃圾在熔融碱层的作用下发生裂解，生成氢气和一氧化碳气体、轻烃化合物、固相碳和固相碳复合物、水玻璃以及盐，裂解产生的气体从熔融碱层中溢出进入碳流化床层；

s7：熔融碱洗脱：经s6处理后生成的水玻璃及盐附着在裂解固相碳和固相碳复合物骨架结构的表面和空隙中，熔融碱层过量的熔融碱将盐和水玻璃洗脱下来；

s8：熔融碱溶解：经熔融碱洗脱后的盐溶解在熔融碱层的熔融碱中，经熔融碱洗脱后的水玻璃溶解在熔融碱层的熔融碱中；

s9：熔融金属裂解：垃圾经熔融金属层中的熔融金属裂解生成氢气、轻烃化合物、固相碳和固相碳复合物，氢气、轻烃化合物依次经过熔融金属层、熔融碱层进入碳流化床层；

s10：金属还原：过渡元素及金属元素的氧化物在氢气和碳的还原下形成金属单质；

s11：熔融金属溶解：经s10还原形成的金属单质与垃圾中的原金属一同溶解在熔融金属层中；

s12：固相碳复合物再反应：经s9裂解后的碳复合物经反应塔进料管流入熔融金属层中，在外力的作用下，固相碳复合物流入熔融碱层中，重复s6、s7和s8步骤，生成氢气、轻烃化合物、碳，气体通过熔融碱层进入碳流化床层；

s13：气体转换：经s6、s9、s12上述步骤反应后的轻烃组分流入到碳流化床层，与经s3蒸发的水分、经s4生物质干馏产生的水分，以及由回流循环的分离气体及外源水管线补充的水分及循环回流的分离气体共同和碳流化床层中的碳反应生成氢气和一氧化碳；

s14：气体固体分离排出：气体通过旋分塔收集排出，固相产物碳在旋分塔作用下收集排出；

s15：熔融碱混合物排出：经s6、s7和s8步骤后，增多的熔融碱混合物经熔融碱混合物溢出装置排出；

s16:熔融金属混合物排出：经s10和s11步骤后，金属经熔融金属压差溢出装置排出。

优选地，还包括将碱加热形成熔融碱以及将金属加热形成熔融金属的步骤，所述熔融碱是由电阻加热器使碱加热形成熔融碱，所述熔融金属是由经加热的熔融碱间接加热金属形成熔融金属。

优选地，还包括将碱加热形成熔融碱以及将金属加热形成熔融金属的步骤，所述熔融金属是由电磁感应线圈加热器使金属加热形成熔融金属，所述熔融碱是由经加热的熔融金属间接加热碱形成熔融碱。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用熔融金属、熔融碱对垃圾进行裂解处理，并利用裂解过程中产生的固体碳构成的碳流化床，一体化集成设计在垃圾处理装置中，这样使得从垃圾站预先经垃圾预处理装置压缩包装的垃圾原料块，在垃圾裂解反应装置中经过碳流化床脱水、碳流化床干馏、碳流化床裂解、熔融碱裂解、熔融碱洗脱、熔融碱融解、融碱金属裂解、金属还原、熔融金属溶解、气体转换分离等过程。将垃圾中的占绝对比例的有机物经过多个反应阶段的充分裂解生成氢气、一氧化碳，同时还将垃圾中的金属及裂解过程中还原出来的金属融解在熔融金属中形成金属合金，将垃圾中的无机物玻璃、泥沙、碱金属氧化物等融解在熔融碱中形成无机盐碱混合物，将裂解生成的碳及轻烃物在自身形成的碳流化床层中与原料蒸发的水及回流循环的分离气体及外源水管线补充的水和分离气体发生水煤气反应，再生成氢气、一氧化碳，不但提高了氢气、一氧化碳的产量，还取消了垃圾分类、干燥处理等过程，同时利用裂解反应的高温余热，提高了能源利用率。除了气体产物氢气、一氧化碳外，固相物质只产生优质的固相碳及金属合金和无机盐碱混合物两种副产物，使处理过程简洁化。并且，重金属等有害物质及金、银、铜、铬及镉等高价值金属都融入金属合金中得到回收，氮、磷、钾、硅及镁、铝、钙等都融入无机盐碱混合物中，经过分离后，回收的碱再回系统循环利用，其它产物作为植物生长的优质无机肥料。垃圾预先经垃圾预处理装置压缩，实现液体、气体与固体的分离，并可以对垃圾压缩块进行封装，实现垃圾及时收集并储存在密封装置内，有利于垃圾的分拣、收集和运输并且避免散发异味和滋生蚊蝇等污染环境。垃圾预处理装置与垃圾裂解反应装置集成，实现了垃圾全过程处理，保障了垃圾处理的及时性、连续性和高效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种实施方式结构示意图；

图2是本发明另一种实施方式结构示意图；

图3是本发明垃圾预处理装置压缩前结构示意图。

图4是本发明垃圾预处理装置压缩后结构示意图。

图中：1、垃圾桶；2、进料斗；3、双螺杆进料器；4、压缩筒；5、压缩筒排出口；6、挡板；7、活塞；8、储液腔；9、筛孔板；10、集储堰板；11、集液腔；12、排出口；13、包装装置；14、垃圾压缩块；15、进料管；16、螺旋挤压进料器；17、反应塔进料管；18、带孔挡板；19、回流循环的分离气体及外源水管线；20、反应塔；21、碳流化床层；22、孔；23、熔融碱层；24、电磁感应线圈加热器；25、熔融金属层；26、电阻加热器；27、熔融金属压差溢出装置；28、熔融碱混合物溢出装置；29、螺旋出料器；30、旋分塔；31、气体出口；32、固体出口；33、反应塔基座；34、垃圾预处理装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

参照图1-4，一种垃圾处理装置，包括能够实现固气液分离的垃圾预处理装置34和垃圾裂解反应装置，所述垃圾裂解反应装置包括至少一条进料管15、能够破碎并压实垃圾的螺旋挤压进料器16、设置在螺旋挤压进料器16下方的反应塔进料管17、设置在螺旋挤压进料器16下方的带有内腔的反应塔20以及设置在反应塔20上部外侧并与反应塔20内腔连通的旋分塔30；所述反应塔20内腔由下向上依次设有熔融金属层25、熔融碱层23和碳流化床层21，由于比重不同，自然的自反应塔20内腔由底向上依次形成熔融金属层25、熔融碱层23和碳流化床层21；所述反应塔进料管17一端与进料管15连通，另一端伸入反应塔20内，并与反应塔20内腔底壁留有间隙，经处理的垃圾可以经反应塔进料管17进入熔融金属层25，所述反应塔进料管17下部设有孔；所述旋分塔30能够分别收集反应塔20内腔的固态物质和气态物质并经旋分塔30排出；所述垃圾裂解反应装置还包括用于排出熔融金属混合物的熔融金属压差溢出装置27；所述垃圾裂解反应装置还包括用于排出熔融碱混合物的熔融碱混合物溢出装置28，所述熔融碱混合物溢出装置28设置在熔融金属压差溢出装置27的上方；所述垃圾裂解反应装置还包括用于支撑反应塔20的反应塔基座33。所述旋分塔30包括螺旋出料器29、固体出口32和气体出口31，所述螺旋出料器29伸入反应塔20内腔内，能够将固相碳等物质收集至旋分塔30内并经固体出口32排出，经垃圾处理装置生产出来的碳纯净度高，可以分离出来高品质炭黑、活性炭和石墨等，所述气体经旋分塔30的气体出口31排出。经过垃圾预处理装置34压缩的垃圾压缩块14通过进料管17进入垃圾裂解反应装置，为了使得垃圾裂解反应快速、充分及不因为含水高产生暴沸，增加反应的接触面积，垃圾或者垃圾压缩块14可以首先被螺旋挤压进料器16打碎，再由螺旋挤压进料器16通过反应塔进料管17与带孔挡板18协同作业将碎料重新再压实起到封闭垃圾裂解反应装置的作用，保障进料时垃圾裂解反应装置不进空气，同时使得熔融金属层25的熔融金属和熔融碱层23的熔融碱更容易进入垃圾中，不产生暴沸。经重新压实的垃圾穿过带孔挡板18沿着反应塔进料管17进入碳流化床层21，在经过碳流化床脱水、碳流化床干馏、碳流化床裂解后，进入熔融碱层23，经熔融碱裂解、熔融碱洗脱、熔融碱溶解后，进入熔融金属层25，经熔融金属裂解、金属还原、熔融金属溶解后，再一次经过熔融金属层25、熔融碱层23和碳流化床层21进行上述反应，最终生成的固相碳进入碳流化床层21，过量的碳以及氢气和一氧化碳等气体分别经旋分塔30排出，垃圾中的金属及反应过程中还原出来的金属溶解在熔融金属层25中，过量时，经过具有液位差设计的熔融金属压差溢出装置27排出装置外，垃圾中的无机物玻璃、泥沙、碱金属氧化物溶解在熔融碱中，降低粘性，过量时，经过熔融碱混合物溢出装置28排出装置外。垃圾处理装置最终实现了有机物、无机物和金属的分离。

优选地，所述垃圾预处理装置34包括带有活塞7的压缩筒4，设置在压缩筒4上方的进料斗2，以及能够分离垃圾中气体和/或液体的分离装置。所述进料斗2与压缩筒4连通，所述能够分离垃圾中气体和/或液体的分离装置设置在活塞7靠近垃圾一侧，所述分离装置设有排出口12，与分离装置排出口12相配合的压缩筒4设有压缩筒排出口5，所述活塞7在压缩筒4内往复压缩垃圾时，垃圾中的气体和/或液体依次经分离装置和压缩筒排出口5排出。压缩筒4靠近垃圾一侧设有可移动的挡板6，靠近垃圾的压缩筒4外侧设有包装装置13，当垃圾压缩块14的设定压力及长度同时达到标准时，压缩筒4的挡板6移动打开压缩筒4，活塞7将垃圾压缩块14挤入包装装置13内完成封装和分离。将住户产生的垃圾收集后直接压缩包装不堆积、不存放、不分拣，并覆膜包装达到无泄漏、无气味，压缩模块形状与后续处理装置进料口匹配，运输不再使用特殊垃圾转运车，实现垃圾处理及时、清洁及绿色环保。

优选地，所述分离装置由筛孔板9、集储堰板10、集液腔11、储液腔8以及排出口12组成，筛孔板9上设有可供液体和/或气体流过的孔，液体和/或气体经筛孔板9上的孔进入分离装置内，所述集储堰板10由分离装置底部向上延伸一段距离，集储堰板10的高度可根据情况随时调节，所述集储堰板10与筛孔板9形成集液腔，所述集储堰板10与活塞7形成储液腔8，液体和气体可以经过集储堰板10由集液腔11进入储液腔8，所述排出口12设置在储液腔8底部。

优选地，为了保证进料的顺畅和高效，所述进料斗2与压缩筒4之间设有双螺旋进料器3，为了便于垃圾的收集和使用，所述进料斗2上方可以连接有垃圾桶1，各种类型的垃圾桶1与进料斗2配合后就可进行垃圾处理，避免了不必要的中间环节，节省了劳动力和时间，提高了垃圾处理效率和垃圾处理装置的利用率和广泛性。

垃圾可以经垃圾桶1收集，倒入进料斗2，经过双螺杆进料器3挤压进入压缩筒4，在带有分离装置的活塞7离开初始位置向前推进时，随着压力升高垃圾原料发生固气液分离，气体和/或液体通过筛孔板9上的孔进入集液腔11，当液位超过集储堰板10高度时，液体越过集储堰板10进入储液腔8，当压力或者长度达到设定值时，活塞7停止压缩返回到初始位置，此时排出口12与压缩筒排出口5相对，气体和/或液体从垃圾预处理装置排出进入污排系统，此过程经过多次的往复，垃圾被压缩成垃圾压缩块14，当垃圾压缩块14的设定压力及长度同时达到标准时，压缩筒4的挡板6打开，活塞7将垃圾压缩块14挤入包装装置13内，一个经包装的垃圾压缩块14加工过程完成。

优选地，反应塔20外侧设有电磁感应线圈加热器24，所述电磁感应线圈加热器24能够加热反应塔20内腔的熔融金属层25，经加热的熔融金属层25能够加热熔融碱层23。

优选地，反应塔20外侧设有电阻加热器26，所述电阻加热器26能够加热反应塔20内腔的熔融碱层23，经加热的熔融碱层23能够加热熔融金属层25。

优选地，所述反应塔20内腔碳流化床层21处设有回流循环的分离气体及外源水管线19，回流循环的分离气体及外源水管线19可以为碳流化床层21补充必要的气体和水分。

垃圾处理装置形状上可以是圆形、矩形或其它不规则形状等，材料也可以是金属结构、耐火材料砌筑等。

一种垃圾处理方法，利用垃圾处理装置，包括如下步骤：

s1：垃圾预处理：将垃圾输送至垃圾预处理装置34内，带有分离装置的活塞7反复对垃圾进行压缩形成垃圾压缩块14，同时分离装置分离垃圾中的液体和/或气体，液体和/或气体通过筛孔板9上的孔进入集液腔11，当液位超过集储堰板10高度时，液体越过集储堰板10进入储液腔8，当压力或者长度达到设定值时，活塞7可以停止压缩返回到初始位置，此时排出口12与压缩筒排出口5相重合，液体和/或气体从垃圾预处理装置34排出进入污排系统，经过多次的往复，当垃圾压缩块14的设定压力及长度同时达到标准时，压缩筒4的可移动挡板6打开，活塞7将垃圾压缩块14排出垃圾预处理装置34挤入包装装置13内进行封装和分离；

s2：垃圾破碎挤压：将经s1步骤处理后的垃圾压缩块14通过进料管15输送至螺旋挤压进料器16进行破碎，破碎后再进行挤压，在反应塔进料管17与带孔挡板18协同作业下压实，经破碎和挤压的垃圾穿过带孔挡板18的孔再通过反应塔进料管17进入反应塔20；

s3：碳流化床脱水：进入反应塔20的垃圾在碳流化床层21高温加热下，蒸发水分，蒸发出来的水分从反应塔进料管17的孔22进入碳流化床层21的底部，反应温度在300-1100度；

s4：碳流化床干馏：垃圾中的纸壳纸张、厨余垃圾及绿化垃圾等生物质在碳流化床层21高温加热下发生干馏，生物质分子内富含碳、氢及氧原子经过干馏发生分子内及分子间脱水并同时副产一些氢气、一氧化碳和轻烃化合物等组分从反应塔进料管17的孔22进入碳流化床层21的底部，干馏出来的水分从反应塔进料管17的孔22进入碳流化床层21的底部；

s5：碳流化床裂解：一部分易裂解的经s4干馏出来的轻烃化合物在300-1100度高温的碳流化床层21中裂解产生氢气和碳，另一部分经s4干馏出来的轻烃化合物与碳流化床层21中的单质碳和经s3蒸发的水分、经s4干馏产生的水分，以及由回流循环的分离气体及外源水管线补充的水分和一氧化碳等气体发生反应，生成氢气、一氧化碳气体，气体从反应塔进料管17的孔22进入碳流化床层21；

s6：熔融碱裂解：经s5处理后的垃圾在熔融碱层23的作用下发生裂解，生成氢气和一氧化碳气体、轻烃化合物、固相碳和固相碳复合物、水玻璃以及盐，裂解产生的气体穿过反应塔进料管17的孔22从熔融碱层23中溢出进入碳流化床层21，反应温度在1100-1200度；

s7：熔融碱洗脱：经s6处理后生成的盐附着在裂解固相碳和固相碳复合物骨架结构的表面和空隙中，熔融碱层23过量的熔融碱将盐和水玻璃洗脱下来；

s8：熔融碱溶解：经熔融碱洗脱后的盐溶解在熔融碱层23的熔融碱中，经熔融碱洗脱后的水玻璃溶解在熔融碱层23的熔融碱中，使得熔融碱混合物不会发生粘连不易排出的问题；

s9：熔融金属裂解：垃圾经熔融金属层25中的熔融金属裂解生成氢气、轻烃化合物、固相碳和固相碳复合物，氢气、轻烃化合物穿过反应塔进料管17的孔22依次再经过熔融金属层25、熔融碱层23进入碳流化床层21；

s10：金属还原：过渡元素及金属元素的氧化物在氢气和碳的还原下形成金属单质；

s11：熔融金属溶解：经s10还原形成的金属单质与垃圾中的原金属一同溶解在熔融金属层25的熔融金属中；

s12：固相碳复合物再反应：经s9裂解后的碳复合物经反应塔进料管17流入熔融金属层25中，碳复合物比重远低于熔融金属，在浮力推力下，固相碳复合物流入熔融碱层23中，重复s6、s7和s8步骤，生成氢气、轻烃化合物、碳，氢气、轻烃化合物等气体通过熔融碱层23进入碳流化床层21，随时生成的碳漂浮堆积成随时排出的碳流化床层21；

s13：气体转换：经s6、s9、s12上述步骤反应后的轻烃组分流入到碳流化床层21，与经s3蒸发的水分、经s4生物质干馏产生的水分，以及由回流循环的分离气体及外源水管线补充的水分及循环回流的分离气体共同和碳流化床层21中的碳反应生成氢气和一氧化碳；

s14：气体固体分离排出：经s13处理后的气体以及经上述步骤反应后产生的气体通过旋分塔30收集经气体出口31排出，固相产物碳在旋分塔30中螺旋出料器29作用下收集经固体出口32排出；

s15：熔融碱混合物排出：经s6、s7和s8步骤后，增多的熔融碱混合物经熔融碱混合物溢出装置28排出；

s16:熔融金属混合物排出：经s10和s11步骤后，金属经熔融金属压差溢出装置27排出。

优选地，还包括将碱加热形成熔融碱以及将金属加热形成熔融金属的步骤，所述熔融碱是由电阻加热器26使碱加热形成熔融碱。所述熔融金属是由经加热的熔融碱间接加热金属形成熔融金属。

优选地，还包括将碱加热形成熔融碱以及将金属加热形成熔融金属的步骤，所述熔融金属是由电磁感应线圈加热器24使金属加热形成熔融金属，所述熔融碱是由经加热的熔融金属间接加热碱形成熔融碱。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，并且本发明原理具有通用性，不只是处理生活垃圾、农业秸秆垃圾及工业垃圾等，对如低质褐煤气化提锗或与垃圾混合处理更具有效益优势，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。