一种餐厨垃圾气化及超临界水热合成多能融合系统及方法

本发明涉及废弃物资源化利用，具体为一种餐厨垃圾气化及超临界水热合成多能融合系统及方法。

背景技术：

1、随着全球经济的持续发展和人们生活水平的不断提高，餐厨垃圾的产生量急剧增加，每年产生的餐厨垃圾已超过13亿吨。这些垃圾富含有机成分，如碳水化合物、蛋白质和脂肪等，这些物质在自然分解过程中会释放异味，并成为细菌滋生的温床，从而加剧环境污染问题。餐厨垃圾若得不到及时有效的处理，将对生态环境和公共卫生构成严重威胁。目前，针对餐厨垃圾的处理，已存在多种方法，其中厌氧消化、热解焚烧、填埋和堆肥是较为常见的几种。

2、传统的餐厨垃圾处理技术中，填埋和焚烧占据主导地位。填埋方法虽然操作简单，但会大量占用土地资源，且随着垃圾的长期堆积，垃圾渗滤液有可能渗透到地下水中，对土壤和水源造成污染。另一方面，焚烧处理虽然能有效减少垃圾体积，但焚烧过程中会释放大量的二氧化碳等有害气体，对空气质量造成严重影响，同时产生的温室气体也加剧了全球变暖的趋势。

3、因此，传统的餐厨垃圾处理方法面临着越来越大的环境和社会压力，迫切需要寻找更为环保、可持续的替代技术，以应对日益严峻的环境污染问题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种餐厨垃圾气化及超临界水热合成多能融合系统及方法，以解决现有技术中如何提高餐厨垃圾的有效利用的技术问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供了一种餐厨垃圾气化及超临界水热合成多能融合系统，包括水路输出管路、液氧输出管路、浆料输出管路、有机朗肯循环发电管路、超临界水气化反应器单元、超临界水热合成反应器单元、第一氧化反应器、金属溶液输出单元、气体分离器以及发电供热单元；

4、所述有机朗肯循环发电管路的工质输出端连接至发电供热单元的工质输入端，所述发电供热单元的工质输出端用于进行对外界供热以及形成工质热循环回路；

5、所述水路输出管路和浆料输出管路的输出端分别连接超临界水气化反应器单元的输入端；

6、所述金属溶液输出单元的输入端用于输入前驱体溶液和碱性溶液；

7、所述液氧输出管路和超临界水气化反应器单元的输出端分别连接至第一氧化反应器的输入端，所述第一氧化反应器的输出端包括第一输出端和第二输出端，其中第一输出端和金属溶液输出单元的输出端分别连接至超临界水热合成反应器单元的输入端，用于制备金属粉末；第二输出端依次经过水路输出管路、液氧输出管路、浆料输出管路以及有机朗肯循环发电管路后连接至气体分离器的输入端。

8、优选的，超临界水气化反应器单元包括超临界水气化反应器；

9、所述超临界水气化反应器的输入端分别连接水路输出管路和浆料输出管路的输出端；

10、所述超临界水气化反应器的输出端连接至第一氧化反应器的输入端；所述超临界水气化反应器的外表面设有加热装置，所述超临界水气化反应器的底部设有排渣口，所述排渣口连接排渣装置。

11、进一步的，排渣装置包括锁料斗，所述锁料斗的输入端与超临界水气化反应器底部的排渣口之间设有第一冷却器；所述锁料斗上设有注水管路和排渣管路，其中注水管路上设有注水球阀，排渣管路上设有排渣针阀。

12、更进一步的，超临界水热合成反应器单元包括超临界水热合成反应器以及固液分离器；

13、所述第一氧化反应器的第一输出端以及金属溶液输出单元的输出端分别连接至超临界水热合成反应器的输入端，所述超临界水热合成反应器的固液混合物输出端连接至固液分离器的输入端，其中超临界水热合成反应器的固液混合物输出端和固液分离器的输入端之间设有第二冷却器。

14、更进一步的，金属溶液输出单元包括金属前驱体溶液管路和碱性溶液管路；

15、所述金属前驱体溶液管路的输入端设有前驱体溶液泵，用于输入前驱体溶液；所述碱性溶液管路的输入端设有碱性溶液泵，用于输入碱性溶液；

16、所述金属前驱体溶液管路和碱性溶液管路的输出端分别连接至超临界水热合成反应器的输入端。

17、更进一步的，系统还包括第二氧化反应器；

18、所述金属前驱体溶液管路的输入端还设有第一换热器；所述碱性溶液管路的输入端处还设有第二换热器；

19、所述第二氧化反应器的输入端连接至超临界水热合成反应器的气化输出端，第二氧化反应器的输出端依次经过第一换热器以及第二换热器后连接至有机朗肯循环发电管路上。

20、更进一步的，水路输出管路上依次设有水泵和第三换热器，其中水路输出管路经水泵通过第三换热器连接至超临界水气化反应器单元的输入端；

21、所述液氧输出管路上依次设有液氧泵、空气预热器以及第四换热器；其中，液氧输出管路依次经液氧泵以及空气预热器后通过第四换热器连接至第一氧化反应器的输入端；

22、所述浆料输出管路上依次设有浆料泵以及第五换热器；其中，浆料输出管路经浆料泵后通过第五换热器连接至超临界水气化反应器单元的输入端；

23、所述有机朗肯循环发电管路上依次设有工质泵以及第六换热器；其中，有机朗肯循环发电管路经工质泵后通过第六换热器连接至发电供热单元；

24、所述第一氧化反应器的第二输出端依次通过第三换热器、第四换热器、第五换热器以及第六换热器后连接至气体分离器的输入端，其中第六换热器与气体分离器之间设有第三冷却器；

25、所述第二氧化反应器的输出端依次经过第一换热器以及第二换热器后连接至第六换热器。

26、更进一步的，发电供热单元包括透平机和热发生器；

27、所述透平机的输入端连接至第六换热器，所述热发生器设有水路输入端、工质输入端、水路输出端以及工质输出端；所述水路输入端用于输入水源，所述水路输出端用于对外界供热；所述工质输入端连接透平机的输出端，所述工质输出端连接至有机朗肯循环发电管路的输入端，形成工质热循环回路。

28、更进一步的，热发生器的工质输出端上设有第四冷却器。

29、第二方面，本发明还提供了一种餐厨垃圾气化及超临界水热合成多能融合系统的使用方法，基于上述所述的一种餐厨垃圾气化及超临界水热合成多能融合系统，包括如下步骤：

30、餐厨垃圾浆料和水分别在浆料输出管路和水路输出管路中通过预热后输入超临界水气化反应器单元内，通过水气化反应产生富氢气体，再将富氢气体输入第一氧化反应器内，第一氧化反应器内的一部分富氢气体进行氧化放热，依次对水路输出管路、液氧输出管路、浆料输出管路以及有机朗肯循环发电管路进行预热后输入至气体分离器内，再通过气体分离器分离得到氢气；

31、金属溶液输出单元将前驱体溶液和碱性溶液输入至超临界水热合成反应器单元，第一氧化反应器内的剩余富氢气体进入超临界水热合成反应器单元内与前驱体溶液和碱性溶液进行化学还原反应后得到金属粉末；

32、有机朗肯循环发电管路中输入有机朗肯循环工质后通过第一氧化反应器内富氢气体进行氧化放热产生蒸汽，并通过发电供热单元进行发电以及形成工质热循环。

33、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

34、本发明提供了一种餐厨垃圾气化及超临界水热合成多能融合系统，通过餐厨垃圾的气化处理，实现了有机废弃物的资源化利用，减少了垃圾填埋和焚烧带来的环境污染。超临界水气化反应器单元和超临界水热合成反应器单元的结合，使得餐厨垃圾中的有机物得以高效转化，提高了资源回收率。通过有机朗肯循环发电管路和发电供热单元，实现了电能的稳定输出，为系统自身及周边设施提供了可靠的能源供应。同时通过超临界水热合成反应器单元可以溶解多种有机化学物质，形成均相反应体系，从而大大提高反应速度，便于得到金属粉末；本发明系统集成了餐厨垃圾气化、超临界水气化、超临界水热合成、蒸汽发电和金属粉末制备的多种技术，体现了高度的技术集成性，提高了能源利用效率，减少了能源浪费。

35、进一步的，超临界水气化反应器利用超临界水的性质能够高效地气化餐厨垃圾中的有机物，将其转化为气体产物。通过精确控制反应条件可以实现有机物的高效转化，提高气体产物的质量和产量。超临界水气化反应器的外表面设有加热装置，能够确保反应器内部达到所需的超临界条件，从而加速气化反应进程。超临界水气化反应器的底部设有排渣口，连接排渣装置，能够及时排出反应过程中产生的固体残渣。

36、更进一步的，锁料斗能够确保在排渣过程中，固体残渣被稳定地收集和暂存，防止残渣直接排放可能对环境和设备造成的污染或损坏。通过设置第一冷却器，在残渣进入锁料斗之前进行冷却处理，可以降低残渣的温度，提高排渣过程的安全性，同时也有助于减少残渣对后续处理设备的热冲击。注水管路上的注水球阀能够根据需要调节注水量，以控制锁料斗内残渣的湿度和流动性，从而优化排渣效果。排渣管路上的排渣针阀能够精确控制残渣的排放速度和排放量，确保排渣过程的平稳和可控。

37、进一步的，超临界水热合成反应器利用超临界水的独特性质能够在温和的条件下促进化学反应的进行，实现高效合成。固液分离器使得反应后的产物能够迅速且有效地进行固液分离，提高了产物的纯度和质量。第二冷却器能够在超临界水热合成反应器输出固液混合物后，对其进行快速冷却，从而稳定产物的性质，防止其在高温下发生进一步的化学反应或分解。

38、更进一步的，前驱体溶液泵和碱性溶液泵的引入，能够精确控制金属前驱体溶液和碱性溶液的输入流量和速度，从而确保反应物按照预定的比例和条件进入超临界水热合成反应器。通过精确调节金属前驱体溶液和碱性溶液的输入，可以优化超临界水热合成反应器内的反应条件，如反应物的浓度、ph值等，从而提高反应效率。同时，精确控制反应物的输入也有助于减少副产品的生成，提高产物的纯度和质量。

39、更进一步的，第二氧化反应器接收超临界水热合成反应器的气化输出，进一步氧化其中的可燃气体，释放出的能量通过第一换热器和第二换热器进行回收。回收的热量可以用于预热金属前驱体溶液和碱性溶液，从而实现了能量的高效利用。

40、更进一步的，通过设置第三换热器、第四换热器、第五换热器和第六换热器，系统实现了能量的多级回收和高效利用。这些换热器分别回收了氧化反应器的热量并依次给水路、液氧、浆料和蒸汽再热循环提供热量，并将其传递给需要加热的工艺介质；水泵、液氧泵和浆料泵的设置确保了各工艺介质能够稳定、连续地输送到目标位置，为后续的化学反应和能量转换提供了可靠的保障。

41、更进一步的，透平机作为发电供热单元的核心部件，能够将来自第六换热器的高温高压蒸汽中的热能高效转换为机械能。这一转换过程不仅提高了能量的利用效率，还使得系统能够以更高的效率进行发电。热发生器接收透平机接收工质热量并将其转移输出到外界，实现了能量的二次转换，提高了系统的整体能量转换效率。同时，热发生器的输出端分支设置，其中第二支路连接至有机朗肯循环发电管路的输入端，形成了工质热循环回路。使得蒸汽能够在系统中循环利用，提高了能量的利用效率。

42、更进一步的，第四冷却器能够调节从热发生器第二支路流出的蒸汽或热介质的温度。通过冷却过程，可以确保热介质在进入后续设备或工艺之前达到适宜的温度范围，从而增强系统的稳定性和可靠性。

43、本发明还提供了一种餐厨垃圾气化及超临界水热合成多能融合系统的使用方法，通过将餐厨垃圾浆料和水转化为富氢气体，不仅实现了餐厨垃圾的资源化利用，还减少了垃圾处理的环境压力。富氢气体在系统中被多次利用，一部分用于氧化放热预热各输出管路，另一部分则用于超临界水热合成反应器单元中的化学还原反应，生成金属粉末，实现了能量的高效利用和物质的循环利用。通过有机朗肯循环发电管路，系统能够利用有机朗肯循环工质和富氢气体氧化放热产生的蒸汽进行发电，为系统提供了额外的能源输出。提高了系统的自给自足能力，还有助于提升整个系统的经济性和可持续性。