一种采用超临界水处理和资源化利用垃圾的方法和装置与流程

1.本发明属于环保节能技术，具体涉及一种采用超临界水处理和资源化利用垃圾的装置和方法。


背景技术：

2.目前城市生活垃圾、餐厨垃圾、污泥处理大多采用分别处理的模式，存在投资额度大、管理不便、易产生二次污染等问题。城市生活垃圾含水量平均在50％左右且有机物含量极高，在缺乏对垃圾进行有效分类的情况下，通常处理方式为：卫生填埋、堆肥和焚烧。对于上述三种处理方式，具有以下缺点：卫生填埋通常占地面积，减容效果差，对渗滤液体，蝇虫等缺乏有效的应对手段，并且填埋后的垃圾并未进行无害化处理，依然残留有细菌、病毒，还潜伏着沼气重金属污染等隐患；堆肥化处理对垃圾分类要求极高，在有氧分解的过程中会产生大量臭气污染环境，垃圾中本身重金属元素难以稳定化且处理周期长，后续产生的残渣依然需要二次处理；焚烧法通常需要将固体垃圾与渗滤液进行分开处理，渗滤液本身处理工艺复杂，设备投资成本高，另外燃烧本身所产生的大量飞灰依然需要二次无害化处理。
3.典型的城市餐厨垃圾成分为48.4％的碳，6.9％的氮，碳氮的比值约为7.0，含水率为80.3％。从化学的组成上由淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐等，其中以有机物为主，另外垃圾中还含有塑料、骨头、石头、筷子、玻璃和金属等；常规的餐厨垃圾处理主要有：(1)常规的填埋和焚烧方法。该方法易对环境造成二次污染且餐厨垃圾中含水率高不易采用传统的焚烧方法；(2)加工饲料。该方法存在食物链污染风险及生物伦理和变异问题。1997-1998年欧洲因有机性垃圾饲料引起猪瘟疫疾病导致家畜集体死亡，降低了居民对饲料的信赖度，造成畜牧业的不景气。用饲料化工工艺，在动物食品安全上存在重大隐患；(3)好氧堆肥。普通的好氧堆肥对进料的纯度要求高，占地面积大。高温好氧堆肥需要大量的热能，运行成本高，一般堆肥周期长，堆肥的效果不太理想；(4)厌氧堆肥，采用厌氧工艺，利用餐厨垃圾生产的沼气将其转换成电能或热能，并对厌氧消化灌中的残渣进行二次发酵堆肥处理。餐厨垃圾经厌氧发酵后仍有约30％的有机物未得到降解，存在于沼渣之中。因此对于沼渣仍需要妥善处理。
4.随着我国城市污水处理的规模不断扩大，污水处理程度逐年升高，污泥产量也急剧增加。污泥中含有大量病原菌、寄生虫(卵)，铜、锌、镉、汞等重金属，盐类以及多氯联苯、二噁英、放射性核素等难降解有毒有害物。同时，由于污泥中含有大量的蛋白质、脂肪和碳水化合物等高浓度有机物，导致污泥的粘度较大、含水率较高、固液分离性能差，进而影响到污泥堆肥、焚烧或填埋等后续处理处置。目前的一般污泥处理技术无论是脱水还是进行消化抑或直接处理都面临效率低、能耗高、易产生二次污染等难题。亟待开发适应性广、处理效率高、经济、无二次污染的处理技术。


技术实现要素：

5.为解决上述领域中存在的至少一个技术问题，本技术提供了一种采用超临界水处理和资源化利用垃圾的装置和方法，具体的：
6.第一方面，本发明提供了一种采用超临界水处理和资源化利用垃圾的装置，包括：
7.垃圾预处理系统，包括：垃圾储存装置、分选装置和制浆装置；垃圾储存装置和分选装置之间通过管道连接，垃圾储存装置和制浆装置之间通过管道连接；分选装置和制浆装置之间通过管道连接；
8.所述垃圾储存装置用于对垃圾进行收集，杀菌除臭和渗滤；产生渗滤液被输送至所述制浆装置；所述分选装置用于对渗滤后的垃圾进行分类、筛选并破碎；所述制浆装置用于将来自分选装置的有机组分进行超细粉碎后与来自垃圾储存装置中的渗滤液混合制成浆料；
9.超临界水氧化单元，与所述制浆装置通过管道连接，用于对浆料进行超临界水氧化处理，产生清洁的固体和超临界混合多元热流体；
10.资源化利用单元，与所述超临界水氧化单元通过管道连接，用于接受超临界混合多元热流体并回收其中的热量并转换成饱和蒸汽输出。
11.上述装置在使用时，通过向垃圾储存装置的储存池中喷洒生物菌液去除垃圾产生的臭气，储存池产生的垃圾渗滤液用泵输送到后续的制浆装置用于制浆，不需要像传统的垃圾填埋或焚烧工艺需要单独的垃圾渗滤液处理。超临界水氧化单元产生的固体残渣和气体均为清洁的，固体中的重金属均得以矿化，排出的气体不含有二噁英、硫化物等污染成分；由于采用超临界水氧化的方式，故在整个处理过程中不产生飞灰。由于超临界混合多元热流体(超临界水、超临界co2和氮气)具有高温高压的特性，因此发电的效率要高于传统的垃圾焚烧发电的效率，实现了资源的高效清洁利用。
12.优选的，上述装置中，所述垃圾储存装置包含密封舱和生物菌液喷洒器，所述密封舱顶部设置有密封盖，舱壁上分别设置有固体出料口与液体出料口，内部设置有渗滤网；所述生物菌液喷洒器的喷口从所述密封盖或舱壁伸入到密封舱内用于喷洒除臭菌剂；所述固体出料口通过管道与所述分选装置连接，所述液体出料口通过管道与所述制浆装置连接。
13.优选的，上述装置中，所述分选装置设置有有机物出料口和无机物出料口，所述有机物出料口通过管道与所述制浆装置连接，所述无机物出料口还设置有处理装置，用于对筛选出的无机垃圾进行处理后回收。
14.优选的，上述装置中，所述制浆装置包含：设置研磨器和均质器，所述研磨器用于对有机物垃圾充分研磨提高反应效率，所述均质器用于将细碎后的有机物与渗滤液均匀混合制成浆料。混合制成浆料以利于输送给所述超临界水氧化单元并提高反应效率。
15.优选的，上述装置中，所述超临界水氧化单元包含：包括氧化剂供应系统和超临界水氧化反应器，所述氧化剂供应系统被配置为向所述超临界水氧化器提供氧化剂。氧化剂与进入超临界水氧化反应器内的物料发生剧烈的氧化反应。
16.优选的，在一种实施方式中，所述超临界水氧化单元还包含换热系统，所述换热系统被配置为用于接收所述超临界水氧化反应器反应后产生的超临界混合多元热流体并将其传送至资源化利用单元，同时被配置为在传送过程中通过换热方式对即将进入超临界水氧化反应器的物料进行加热。
17.优选的，在另一种实施方式中，在制浆装置的出料口与超临界水氧化反应器的入料口之间还设置有加热器，用于对进入超临界水氧化反应器的物料进行加热。在浆料有机物浓度偏低时打开加热器对其进行预热，达到反应要求温度后输送至超临界水氧化反应器。
18.进一步的，上述装置中，所述超临界水氧化反应器可采用超临界水热燃烧反应器替换，在该实施方式中，进入超临界水氧化反应器的燃料可以是常温，由一部分高浓度的浆料直接作为燃料在和氧气充分混合的条件升温至燃料的着火温度后喷入超临界水热燃烧反应器内并形成稳定的水热燃烧火焰并用于迅速加热进口物料至超临界以上温度，从而发生更加剧烈的氧化反应和放热。
19.优选的，所述资源化利用单元包括蒸汽发生器和软化水装置，所述蒸汽发生器与所述超临界水氧化单元连接，用于接收反应后的超临界混合多元热流体；所述软化水装置用于向所述蒸汽发生装置提供软化水使其充分换热产生满足需求的蒸汽。在该实施方式中，超临界水氧化单元出来的高温高压超临界混合多元热流体(超临界水、超临界co2、和氮气)在蒸汽发生器和来自软化水装置的软化水进行充分的换热产生满足要求的蒸汽，其可用于供热或发电实现了垃圾的资源化、清洁化利用。换热后的水可进行深度处理后直接达标排放或回用于制浆装置；排出的co2可进行回收和计划排放，实现了低碳排放。
20.优选的，所述资源化利用单元还包括水处理装置，所述水处理装置包括与所述蒸汽发生器依次连接的降压器、三相分离器和深度水处理装置；所述降压器用于将超临界混合多元热流降压至液体并输送至所述三相分离器进行固液分离；所述深度水处理装置用于对所述三相分离器产生的液体进行无害化处理。优选的，蒸汽发生器还与分选装置的无机物出料口处连接，用于输送一部分饱和蒸汽去清洗可回收无机垃圾。
21.本发明的另一方面，提供一种利用超临界水处理和资源化利用垃圾的方法，其特征在于，采用上述任一装置，进行以下处理步骤；步骤一：在垃圾储存装置中，对待处理垃圾喷洒生物菌液以除臭并渗滤，进行初步固液分离得到渗滤液；
22.步骤二：将步骤一得到的固态物送入所述分选装置进行粉碎并分类，其中可燃物、可回收物、惰性材料通过清洗可直接回收，有机物则送入所述制浆装置；
23.步骤三：使用所述制浆装置将步骤二得到的有机物研磨至细粉并与步骤一得到的渗滤液混合，制成浆料；
24.步骤四：浆料经高压泵加压后进入超临界水氧化单元同时加入氧气，进行氧化反应并产生超临界混合多元热流体；；
25.步骤五：将超临界混合多元热流体输送至资源化利用单元对其中热量进行回收利用，产生的用于供热或发电；无害化气体和残渣直接外排。
26.优选地,步骤三中，在制浆装置中还加入城市污泥一起制浆，浆料的含水率在10％-15％。
27.优选地，步骤四中，超临界水氧化单元中反应温度为550摄氏度，压力25mpa,浆液停留时间5～10min,过氧系数1.2。
28.本发明的方法中，所指的超临界水是指温度和压力均在其临界点(t≥374.15℃且p≥22.12mpa)以上的水，与常态水相比，超临界水的主要物理参数如密度、粘度、离子积和介电常数均明显下降，扩散系数较高，传质性能好，可与非极性气体和烃类物质完全互溶，
而无机盐类则几乎不溶。超临界水热燃烧是指燃料或者一定浓度的有机废物与氧化剂在超临水环境中发生剧烈氧化反应，产生水热火焰的一种新型燃烧方式。超临界水热燃烧技术可进一步提升超临界水氧化处理高浓度有机废物的工艺优势。当水热燃烧的水热火焰作为超临界水氧化反应的内热源时，反应器进口物料无须预热至超临界温度，从而使得超临界水氧化系统工艺中可省去工作于易腐蚀、堵塞临界温度区的设备，从而提高系统的整体可靠性。
29.本发明的技术至少存在以下有益技术效果：
30.(1)垃圾储存单元设置了生物菌液喷洒系统及密封装置防止了臭气的产生和外泄，保持了清洁的生产环境。
31.(2)垃圾储存单元产生的垃圾渗滤液直接输送到制浆单元进行制浆，不需要传统的复杂的昂高贵的垃圾渗滤液处理工艺和设备。
32.(3)采用了机械分选系统，见生活垃圾和餐厨垃圾中的可燃物，可回收物，惰性材料进行分类回收利用。其中的有机组分输送到制浆系统进行制浆和均质。由于采用了机械分类的方法将可回收物、惰性材料和可燃物进行了回收，避免了传统垃圾焚烧法中产生大量的飞灰，也避免了对飞灰的特殊处理问题(如固化填埋等)。
33.(4)将机械分选系统产生的有机组分，与市政污泥、垃圾渗滤液进行充分的研磨和均质，以满足后续超临界水氧化单元的进料要求。避免了由于垃圾中的有机组分含水率高，传统的垃圾焚烧工艺由于其燃烧值不够需要添加一定的燃料的弊端。
34.(5)将垃圾储存单元产生的垃圾渗滤液、生活垃圾和餐厨垃圾中的有机组分、城市污泥进行充分的研磨和调质(包括均质和调质固定的固含率)制成高含水率的浆料。此过程充分利用了垃圾中的有机组分含水率高、垃圾渗滤液不需要单独另行处理的优势，可在高含水率的条件下，直接用高压泵泵送至超滤临界水氧化单元。
35.(6)充分利用了水的物性参数如密度、粘度、离子积和介电常数在超临界状态下的特殊性质，如扩散系数高，传质性能好，可与非极性气体和烃类物质完全互溶的特点，在充入氧化剂(空气、富氧空气或液氧)的条件下，能快速发生剧烈的氧化放热反应，有机物氧化彻底，不产生二噁英、氮氧化物、硫化物和灰尘等传统垃圾焚烧工艺产生的污染物。
36.(7)超临界水氧化过程中可放出大量的热量，在正常运行的过程中除维持自身的热量平衡外(因此其运行成本远低于传统的垃圾焚烧工艺)，还有多余的热量进行回收利用。资源回收利用的形式采用了直接回收利用热量或用于发电。由超临界水氧化反应器(超临界水热燃烧反应器是其其中的一种特殊形式)产生的高温高压多元热流体，其热转换效率远高于传统的垃圾焚烧发电工艺。
37.(8)基于超临界水氧化技术的城市生活垃圾、餐厨垃圾、市政污泥协同处理绿色工艺可将城市生活垃圾、垃圾渗滤液、餐厨垃圾、市政污泥进行统一、彻底的协同处理并将其中的有机成分进行彻底转化成热能或电能。该工艺不产生常规垃圾焚烧所引起的二噁英和飞灰等二次污染问题，同时也是新一代的基于“双碳”目标的绿色城市生活垃圾、餐厨垃圾、污泥协同处理工艺。
附图说明
38.图1.本发明利用超临界水处理和资源化利用垃圾的装置各部件连接关系示意图
39.1.垃圾储存装置,1-1-生物菌液喷洒装置；
40.2.分选装置
41.3.制浆装置
42.4.超临界水氧化单元，4-1超临界水氧化反应器、4-2氧化剂供应器4-3换热器，4-4加热器
43.5.资源化利用单元,5-1蒸汽发生器,5-3水箱,5-4软化水制备装置，5-5降压器，5-6三相分离器,5-7深度水处理装置。
44.图2是本技术利用超临界水处理和资源化利用垃圾的方法的流程图。
45.图3.是超临界水氧化反应流程。
具体实施方式
46.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
47.下面将会结合图1和图2和图3对本技术做出进一步详细说明。
48.本技术公开了一种超临界水垃圾处理装置，如图1所示包括依次连接的垃圾预处理系统、超临界水氧化单元4和资源化利用单元5。
49.具体的，在本实施例中，垃圾预处理系统包括：依次连接的垃圾储存装置1、分选装置2和制浆装置3。
50.其中，垃圾储存装置1包括：密封舱，其顶部设置有密封盖，侧壁与底部分别设置有固体出料口与液体出料口，内部设置有渗滤网，密封盖上设置有生物菌液喷洒装置1-1，用于对内部的垃圾喷洒生物菌液杀死其中的细菌和病毒，防止产生臭气，固体出料口与分选装置2连接，液体出料口与制浆装置3连接。
51.分选装置2用于将经过渗滤含水量相对较低的垃圾进行分类，破碎后，筛选出其中的可燃物、可回收物、惰性材料和有机物，其中可燃物、可回收物和惰性材料输送至无机物出料口并回收利用，筛选后的有机组份通过有机物出料口送至制浆装置3。
52.在一些实施例中，分选装置2的无机物出料口还设置有处理无机物的处理装置，处理装置包括：衍生燃料(rdf)破碎机和/或砌块成型机等。
53.制浆装置3包括：设置研磨器和均质器，其中，研磨器用于将分选装置2输送的有机物进行超细粉碎，均质器用于将细碎后的有机物与垃圾储存装置1输送的渗滤液混合均匀，制成含水量10％-15％浆料。
54.超临界水氧化单元4包括超临界水氧化反应器4-1和氧化剂供应器4-2，其中，氧化剂供应系统4-2被配置为向临界水氧化反应器4-1提供氧化剂。氧化剂与进入超临界水氧化反应器4-1内的浆料发生剧烈的氧化反应。
55.在一些实施例中，制浆装置3出料口与超临界水氧化反应器4-1入料口之间还设置有加热器4-4，加热器4-4用于在浆料有机物浓度偏低时对其进行预热，达到反应要求温度后输送至超临界水氧化反应器4-1。
56.在一些实施例中。超临界水氧化单元4中还设置有换热系统，具体的，换热系统包
括：换热器4-3。换热器4-3用于接收超临界水氧化反应器4-1反应后排出的高温高压多元热流体，并将其送至资源化利用单元5，同时被配置为在传送过程中通过换热方式对即将进入超临界水氧化反应器4-1的浆料进行预热。
57.资源化利用单元用于接收超临界水氧化反应器4-1反应后排出的高温高压多元热流体，可根据需求选择多种形式，具体的，在本技术中为蒸汽发生器5-1，蒸汽发生器5-1还依次连接软化水制备装置5-4和水箱5-3，软化水通过蒸汽发生器5-1进行充分换热后形成饱和蒸汽，换热后的水可直接排放回用。
58.在一些实施例中，蒸汽发生器5-1还与分选装置中的处理装置连接，用于提供处理可燃物、可回收物和惰性材料时需要的能量。
59.在一些实施例中，蒸汽发生器5-1出料口还设置有水处理装置，具体是：依次连接的降压器5-5、三相分离器5-6和深度水处理装置5-7；降压器5-5用于将多元热流体降压变为液态，三相分离器5-6接收降压器5-5输送的液体并分离其中的盐或硫化物，最周输送至深度水处理装置5-7去除杂质并调节至中性后排出
60.具体应用实例
61.步骤一：如图2所示，将生活垃圾放入垃圾储存装置1密封杀菌并且渗滤，固体物将送至分选装置2，渗滤液将直接输送至制浆装置3，若产生的渗滤液较少，还可以与市政污泥混合后一起送至制浆装置3；若垃圾中包含餐厅垃圾则无需本步可直接送至步骤二中的分选装置2。
62.步骤二：将步骤一中输送的垃圾通过分选装置2粉碎并且进行分类，筛选出其中的可燃物、可回收物和惰性材料直接送至处理装置，加工后可直接回收，有机物送至制浆装置3。
63.步骤三：将步骤二中得到的有机物充分研磨细碎后与渗滤液和/或市政污泥制成浆料，其中cod值为180000mg/l。
64.步骤四：如图3所示，开启氧化剂供应器4-2，同时将超临界水氧化反应器4-1调节至超临界水热燃烧反应器模式后送入浆料，其中，反应的温度5500c，压力25mpa,停留时间5～10min,过氧系数1.2，由于浆体中含有大量的有机物，在超临界水氧化反应器4-1中经氧化反应后产生的热量可以达到热平衡，无需额外增加热源，反应完成后少量固体残渣可直接排出，剩余的高温高压多元热流输送至蒸汽发生器5-1。
65.步骤五：开启水箱5-3向软化水制备装置5-4供水并进行软化水处理，软化水最终输送至蒸汽发生器5-1产生饱和蒸汽，饱和蒸汽可用于处制冷、制热或者产生清洁的能源。
66.本次反应中，产生的热量值为：
67.q＝1.2
×
cod
×
4.35
×
10-3
×
3200(kj/l)；
68.其中cod的单位为g/l，尽管各种物质和组分的反应热值和所需的空气量是不同的但它们消耗每千克空气所释放的热量却大致相同，约为：2900～3400kj/l。每天处理1000立方上述浆液所产生的热量3.0
×
109kj，理论产电量为835200度。
69.反应器热效率90％，汽轮机效率50％，发电机效率95％，则实际产电量为357048度电。
70.本文中所描述的具体实施示例仅仅是对本技术精神作举例说明。本技术所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施示例做各种各样的修改或补充或采用类似的方
式替并不会偏离本技术的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。