一种餐厨垃圾低碳资源化利用的方法

本发明涉及废物资源化利用，具体为一种餐厨垃圾低碳资源化利用的方法。

背景技术：

1、近年来，随着生活垃圾分类政策的推行，产量巨大的餐厨垃圾面临着严峻的处理处置难题，对餐厨垃圾处理提出了更高的要求。我国餐厨垃圾呈现出高含水、高油脂、高有机质以及高盐的总体特点，其中，餐厨垃圾的有机质含量在90％左右，且其有机组分相对复杂，而有机组分与水分呈现高度结合的状态，这往往导致餐厨垃圾的脱水效果较差。高含水的状态制约着餐厨垃圾的减量化，但丰富的有用物质又使其具备了巨大的资源化利用潜力。

2、目前，对于餐厨垃圾的资源化利用多采取筛分-制浆-三相分离-厌氧消化工艺，但是该工艺存在以下问题：

3、1、高能耗：餐厨垃圾的三相分离通常需要预先加热，从而保证油水固三相实现良好的分离，这往往造成过高的能源输入，不利于节能环保；而且，厌氧消化完成后高有机负荷消化沼液/沼渣的处理难题成为厌氧消化的限制性因素。

4、2、占地面积大、生产效率低：三相分离后得到的液相产物在进行厌氧消化工艺处理时，需要在厌氧消化池中反应，并通过厌氧菌的代谢，实现有机物的降解，从而产生生物质沼气，实现餐厨垃圾资源利用。但是，厌氧消化池占地面积较大，普遍大于100㎡，不利于缩减生产成本，且厌氧菌一次发酵时间长达7-10天，生产效率较低。此外，大量的原料在初期被筛除，这造成了资源的浪费。

技术实现思路

1、本发明提供了一种餐厨垃圾低碳资源化利用的方法，可以解决现有技术中高能耗的问题，同时实现产物的高效资源化利用。

2、本技术提供如下技术方案：

3、一种餐厨垃圾低碳资源化利用的方法，包括以下步骤：

4、s1：对待处理的餐厨垃圾先后进行粗大杂物的筛除和破碎混匀，然后置于反应釜中；

5、s2：通过加压使气态二甲醚液化，并通入反应釜与餐厨垃圾进行混合反应，反应充分后，对溶脱后反应釜中得到的液相产物与固相产物进行过滤分离；

6、s3：通过减压使液态二甲醚气化，并对气态二甲醚进行干燥回收处理；

7、s4：对分离后的液相产物进行分液，并得到油脂，然后将油脂提纯为生物柴油原料；

8、s5：将分离后的固相产物置入热解炉中，并进行炭化处理，得到生物气、生物油、生物炭，然后对生物气、生物油、生物炭进行提纯处理。

9、发明构思：

10、发明人在采取上述方案前，曾采取其他工艺实现对餐厨垃圾的资源化利用，但是效果并不显著，如下：

11、发明人首先考虑到垃圾热解工艺，发明人将餐厨垃圾经过简单破碎后，并进行干燥处理，然后投进炭化炉获得生物炭等生物质资源。但发明人发现，由于餐厨垃圾具有含水量大，热值低的特点，干燥处理效率较低，且干燥能耗高，并不能够达到降低能耗的效果。进一步地，发明人考虑通过板框压滤、离心等机械方式脱除餐厨垃圾中的水分，但是受限于餐厨垃圾的特点和机械方式的局限性，最终脱水效率较低、效果较差。

12、然后，发明人考虑在垃圾热解工艺之前进行液化有机溶剂溶脱工艺，利用液化有机溶剂对水的混溶性，以代替干燥处理，实现对餐厨垃圾的脱水减量，以及提高餐厨垃圾的热值，从而有利于垃圾热解工艺降低能耗。发明人分别选用乙腈、丙酮、乙醇以及正己烷作为溶剂，但发现乙腈、丙酮、乙醇以及正己烷的脱水效果并不佳，脱水率不高于60％，另外，乙腈、丙酮、乙醇以及正己烷的挥发性都不强，需要采取加热手段，才能够将其由液态转换为气态，能耗比较高，回收比较困难，且回收率较低，仅为40～60％。

13、经过大量实验后，发明人最终筛选出来了液化二甲醚作为有机溶剂。由于液态二甲醚具有对水优秀的混溶性，发明人经实验发现，餐厨垃圾固体产物的脱水率最高可达82％，有效提高餐厨垃圾的热值，有利于垃圾热解工艺降低能耗；另外，由于液态二甲醚还具有对油脂优秀的亲和力，餐厨垃圾固相产物油脂提取率最高可达98％，既有利于对提取的油脂进一步提纯制备生物柴油原料，实现产物的高效资源化利用，也有利于有效降低后续垃圾热解工艺中餐厨垃圾的油脂率，避免制备得到的生物炭表面因油脂率高而产生粘结的问题，满足生物炭的利用需求。同时，由于常温常压下，二甲醚为气态的，在经过加压后，气化二甲醚可转化液态，减压后，可实现将液态二甲醚转换为气态，有利于回收并循环利用，回收率达到97％以上。

14、技术原理：

15、首先，本方案对待处理的餐厨垃圾进行筛除，以去除金属、瓷片、大棒骨等粗大杂物，避免其在后续处理环节中对设备造成损坏。然后，餐厨垃圾进行破碎混匀，减少餐厨垃圾的粒径以及混合均匀，以实现后续反应更加充分，再将餐厨垃圾放入反应釜中。接着，由于气态二甲醚的分子间距比较大，分子之间的相互作用力较弱，不利于反应的进行，而液态二甲醚的分子间距比较小，分子之间的相互作用力较强，且能够更好溶脱餐厨垃圾，因此，本方案对气态的二甲醚进行加压液化，并将液化二甲醚通入反应釜中，与餐厨垃圾进行混合反应。液态二甲醚作为一种具有中等极性的有机溶剂，对于油脂具有极好的溶解能力，同时能够与极性很强的的水实现一定比例的混溶，因此当液态二甲醚与餐厨垃圾混合时，能够同时结合餐厨垃圾中的油脂和水分，并在压力作用下实现餐厨垃圾中油脂的提取以及水分的脱除。待混合反应充分后，本方案通过减压，使得二甲醚气化，从而既实现二甲醚与液相产物的快速分离，又有利于对气态二甲醚的回收利用，待气态二甲醚进行干燥回收处理后，即可实现循环利用。

16、溶脱后，本方案通过过滤分离，实现液相产物与固相产物的分离。反应釜中得到了固相产物，主要由粗蛋白、糖类、少量水等物质组成。由于液相产物主要包括水和油脂，而水与油脂不互溶，且油脂密度小于水，因此，本方案通过分液的方法即可分离出油脂。由于分离提纯后的油脂可以作为优质原料制备生物柴油，因此，本方案进一步将油脂提纯为生物柴油原料，从而实现废油资源化利用。另外，由于固相产物经过溶脱后，油脂以及大部分水得到脱除，使得固相产物的热值得到提高，因此，本方案将固相产物置入热解炉中进行炭化处理，在炭化处理过程中，由于粗蛋白、糖类等物质受热发生分解-聚合等反应，固相产物被热解从而生成生物气、生物油以及生物炭。经过提纯处理获得燃料气、生物柴油以及活性炭。

17、有益效果：

18、1、低能耗：本方案利用加压有机溶剂溶脱法，通过对二甲醚的加压、减压，使其在液态以及气态之间转换，即可实现对餐厨垃圾的油脂提取以及脱水。相比现有技术，本技术能耗低，无需加热设备持续供能，有利于减少资源浪费。另外，由于固相产物经过脱水处理，有效提高热值，相比现有技术，无需进行干燥烘干处理，进一步节省能源。

19、2、油脂提取率以及脱水率高：由于液态二甲醚具有对油脂极强的亲和力以及对水的较好的混溶性，因此能够实现对餐厨垃圾的有效提油以及脱水，从而有利于后续进一步的资源化利用。发明人经过大量实验发现，液化二甲醚能够对餐厨垃圾中油脂的脱除率高达99％，能够实现近乎完全提油，有利于提高后续生物柴油的产量；另外，固相产物经过液化二甲醚溶脱后，脱水率可达到82％，有利于有效提高固相产物的热值，从而有利于后续炭化处理。

20、3、循环利用率高：本方案通过对二甲醚的加压、减压，使其在液态以及气态之间转换，从而实现对二甲醚的回收循环利用。发明人实验发现，液化的二甲醚在减压气化后回收率可达95％以上，从而实现了对有机溶剂的循环利用，有利于节省生产成本。

21、4、高效资源化利用：本方案通过高效提取油脂，并提纯为生物柴油原料，既实现对油脂的资源化利用，又能够进一步提高生物柴油的产量。另外，本方案通过对固相产物的炭化处理，从而收集炭化过程生成的生物气、生物油以及炭化完成后的生物炭，并根据实际需求进行提质利用。其中，生物气主要包括甲烷、一氧化碳、氢气等易燃组分，经过净化后可以作为燃气回用；生物油通过添加催化剂提质可以生产生物柴油；生物炭可以作为燃料、土壤改良剂、吸附剂甚至改性制备活性炭进行资源化利用。因此，本方案能够实现对产物的高效资源化利用，且产物附加值高。

22、进一步，所述步骤s2中加压为加压至0.6-1.0mpa，减压为减压至常压。

23、有益效果：发明人发现，当加压压力为0.6-1.0mpa时，气态二甲醚液化效果佳，气态二甲醚已基本实现彻底液化，液化率达到99％，有利于后续混合反应的进行；当加压压力超过1.0mpa时，过高的压力会造成不必要的能量输入，产生额外的能耗问题。当加压压力小于0.6mpa时，气态二甲醚液化效果差，几乎全部以气态形式存在，不利于后续混合反应的进行。另外，发明人发现，液态二甲醚挥发性强，在常压状态下即可实现气化，且气化率为99％，本方案将减压压力设为常压，既有利于实现液态二甲醚气化，也有利于简化工艺，无需额外控压，恢复至常压即可。

24、进一步，所述步骤s2中，混合反应的条件为：混合反应时间为5～20min，混合反应温度为25～45℃，反应压力为0.6～1.0mpa，液态的二甲醚与餐厨垃圾质量倍数为5～15。

25、有益效果：采取上述混合反应条件时，混合反应效果更佳，从而有利于实现对餐厨垃圾的提油以及脱水。发明人发现，反应体系仍需保持0.6-1.0mpa的反应压力，不然会产生二甲醚加压过程相似的问题；此外，当反应温度低于25℃、液态的二甲醚与餐厨垃圾质量倍数小于5时，由于餐厨垃圾粘度大、流动性差等原因，餐厨垃圾与液态二甲醚不能充分反应，往往造成较差的脱水和提油效果；随着混合反应温度和质量倍数的持续增加，液态二甲醚的餐厨垃圾的混合反应效果得到很大的提升，而当温度高于45℃、质量倍数大于15时，混合反应参数的增加不再产生显著的影响，从而会造成不必要的浪费。

26、进一步，所述步骤s2中，混合反应过程中还进行搅拌，搅拌速率为200～400rpm，搅拌时间为5～20min。

27、有益效果：采用上述搅拌时间以及搅拌速度，有利于液态二甲醚与破碎后的餐厨垃圾充分混合，从而使得混合反应更加充分，有利于提高提油率以及脱水率。

28、进一步，所述步骤s3中，过滤分离过程中，过滤分离压力为0.6～1.0mpa，分离时间为1～2min。

29、有益效果：采用上述分离压力以及分离时间，有利于使液相产物与固相产物彻底分离，从而有利于后续分别制备生物柴油以及生物炭，从而实现资源最大限度地利用。

30、进一步，所述步骤s1中，餐厨垃圾破碎尺寸为0.1～2mm。

31、有益效果：当餐厨垃圾破碎尺寸为0.1～2mm使，餐厨垃圾粒径较小，有利于在与液态二甲醚的混合反应中混合均匀，充分分散，以及充分反应，从而有利于提高提油率以及脱水率。

32、进一步，所述步骤s4中还包括，生物柴油原料通过酯交换反应制备生成生物柴油。

33、有益效果：由于本方案提纯得到的生物柴油原料含有甘油三酯，甘油三酯与催化剂进行酯交换反应得到生物柴油，从而实现对液相产物的高效资源化利用，且产物附加值高。

34、进一步，所述步骤s5中还包括，向热解炉通入氮气，并在炭化处理过程中保持惰性氛围。

35、有益效果：由于炭化处理本质上是一种热解气化过程，固相产物需要在缺氧的条件下才能进行热解气化，从而产生生物气、生物油、生物炭。本方案通过向热解炉通入氮气，从而维持惰性氛围，达到抑氧的效果，防止生物气与氧气反应，从而引起爆炸。

36、进一步，所述炭化处理过程中，升温速率为5～30℃/min，炭化反应温度为300～600℃，炭化反应时间为30～120min，氮气流量为100～1000ml/min。

37、有益效果：当采取上述的炭化条件时，固相产物炭化反应充分，能够最大限度产生生物气、生物油以及生物炭，实现对固相产物的高效资源化利用，且产量、产值更高。另外，当氮气流量为100～1000ml/min，有利于维持惰性氛围，增强炭化反应的稳定性以及安全性。