一种城市生活垃圾微波驱动水热碳化反应釜装置及方法与流程

本发明涉及城市生活垃圾资源化利用技术领域，更具体地说，涉及一种城市生活垃圾微波驱动水热碳化反应釜装置及方法。

背景技术：

城市生活垃圾蕴涵巨大的可再生低品位能源，科学合理的处置城市生活垃圾不仅避免二次污染，同时实现了资源化与能源化利用。但城市生活垃圾存在能量密度底、初始含水率大等特点，如何从源头实现城市生活垃圾高效能源化及产物高值利用是近年来研究的热点。

水热碳化技术发展为实现生物质废弃高效资源化利用提供了新的途径。水热碳化技术充分利用高温高压下水物理性质的转变，对高含水率固体废弃物进行高品位热升级的过程，类似于煤在自然界形成的过程。水热碳化以高品位固体燃料为目标产物，将固体废弃物和水按一定比例混合放入反应釜中，在一定的温度(180～300℃)、压力(1.4～27.6mpa)和反应时间(0.2h～4.0h)下进行的反应，最终形成一种清洁、高品位的固体燃料。由于在密闭体系中进行，避免了汽化潜热损失以及固体燃料水热碳能量密度大幅提升，因此水热碳化技术被誉为环境友好型的热升级技术，其前景巨大。

现有水热碳化设备通常采用高温高压反应釜，加热模式为传统电加热，导致水热碳化实验或试验研究耗时长、外体散热损失大，不利于充分发挥水热碳化技术的优势，也不适用于实验室进行城市生活垃圾驱动水热碳化的实验及研究。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种城市生活垃圾微波驱动水热碳化反应釜装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种城市生活垃圾微波驱动水热碳化反应釜装置，包括反应釜底座、下部釜体、中部釜体和釜体顶盖，反应釜底座由釜体底盘和微波发生器装载台组成，微波发生器装载台安装在釜体底盘顶部，微波发生器装载台上以微波发生器装载台中心为圆心等角度设置有若干微波发生器，下部釜体固定在微波发生器装载台上且下部釜体通过第一六角螺柱与中部釜体连接，下部釜体与中部釜体之间安装有耐高压透射玻璃，中部釜体表面安装有沿中部釜体表面螺旋上升的冷水管路，中部釜体内设置有用于承载反应物质的玻璃釜体，玻璃釜体的底部紧贴于耐高压透射玻璃上，釜体顶盖通过第二六角螺柱安装在中部釜体上，釜体顶盖的中部位置安装有用于反应过程搅拌反应物的桨式搅拌器，桨式搅拌器的搅拌端位于玻璃釜体内，釜体顶盖靠近玻璃釜体的一面上安装有热电偶，釜体顶盖上安装有进气阀、安全阀、压力表和排气阀。

更进一步地，微波发生器由微波磁控管与微波导管连接组成，微波导管朝向耐高压透射玻璃设置。

更进一步地，微波发生器装载台横截面为圆形，微波磁控管电性连接外部的pid控制器，微波发生器共个，单个微波磁控管的功率在0-500w之间，4个微波发生器呈菱形分布在微波发生器装载台上，4个微波发生器的中心位于微波发生器装载台的圆心上。

更进一步地，釜体底盘、微波发生器装载台、下部釜体、中部釜体和釜体顶盖均由不锈钢316l的材质制成。

更进一步地，耐高压透射玻璃和玻璃釜体的材质均为li2o-al2o3-sio2。

更进一步地，热电偶为k型热电偶。

更进一步地，进气阀和排气阀为手动阀门。

更进一步地，压力表为指针式压力表，测量的量程范围在0-20mpa。

更进一步地，釜体顶盖两端设置有辅助臂杆。

一种城市生活垃圾微波驱动水热碳化方法，采用了上述的城市生活垃圾微波驱动水热碳化反应釜装置，该种城市生活垃圾微波驱动水热碳化方法包括以下步骤：

(1)将城市生活垃圾与一定量的水充分混合后倒入玻璃釜体中；

(2)将釜体顶盖放置于中部釜体上，并通过第二六角螺柱紧固釜体顶盖与中部釜体；

(3)打开进气阀与排气阀，通过进气阀往反应釜内充入惰性气体以排出反应釜内的空气，充入一定量的惰性气体后关闭排气阀，再充一定时间后关闭进气阀，使反应釜内保留一定压力的惰性气体；

(4)设定微波发生器的初始功率、设定桨式搅拌器的转速和工作时间并启动，城市生活垃圾与水的混合物质在微波作用下升温至目标温度，并在微波驱动下发生反应，能量品位不断提高，水热碳化过程不断加深；在达到设定反应时间后，微波发生器停止输出，桨式搅拌器停止转动；

(5)启用冷水管路，通过流经在冷水管路中的冷却水带走中部釜体的热量；

(6)打开排气阀收集反应过程气体，并密封保存；

(7)旋开第二六角螺柱以打开釜体顶盖，将内置玻璃釜体中的混合物通过玻璃纤维滤纸进行固液分离；回收的固体产物即为升级后的清洁高品位固体衍生燃料-城市生活垃圾水热碳。

本发明的有益效果在于：本发明提供的反应釜通过微波驱动水热碳化，其加热速度快、过程热损失少；通过冷却水盘路能回收部分热能，减少能量损失，反应釜整体能源利用效率得到提升；而城市生活垃圾在微波加热作用下，比传统方式的水热碳化效果更为显著，热值提升幅度更大，固体燃料能量品位进一步提高，且本发明提供的反应釜安装简易、容易操作、实用性强，可适用于科研院所或实验室进行微波驱动水热碳化的研究，市场前景较为广阔。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，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附图：

图1是本发明提供的一种城市生活垃圾微波驱动水热碳化反应釜装置结构示意图；

图2是本发明提供的一种城市生活垃圾微波驱动水热碳化反应釜装置的微波发生器结构示意图；

图3是本发明提供的一种城市生活垃圾微波驱动水热碳化反应釜装置的微波发生器分布示意图；

图4是本发明提供的一种城市生活垃圾微波驱动水热碳化反应釜装置的第一六角螺柱分布示意图；

图5是本发明提供的一种城市生活垃圾微波驱动水热碳化反应釜装置的第二六角螺柱分布示意图；

图6是本发明提供的一种城市生活垃圾微波驱动水热碳化反应釜装置的冷水管路局部分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1-图6所示，一种城市生活垃圾微波驱动水热碳化反应釜装置，包括反应釜底座、下部釜体5、中部釜体18和釜体顶盖17，反应釜底座由釜体底盘3和微波发生器装载台4组成，微波发生器装载台4安装在釜体底盘3顶部，微波发生器装载台4上以微波发生器装载台4中心为圆心等角度设置有若干微波发生器，下部釜体5固定在微波发生器装载台4上且下部釜体5通过第一六角螺柱6与中部釜体18连接，中部釜体18即为反应釜外部罩体，下部釜体5与中部釜体18之间安装有耐高压透射玻璃7，中部釜体18表面安装有沿中部釜体18表面螺旋上升的冷水管路19，冷水管路19一端连接外部的供冷水装置(图中未示)，另一端连接外部的冷却水回收装置(图中未示)，启用冷水管路19进行中部釜体18的降温时，冷却水回收部分热量，冷却水回收装置用于回收流经冷水管路19的冷却水，回收后的冷却水可二次利用在实验室其他用水场合，减少了能量损失，反应釜整体能源利用效率得到提升；中部釜体18内设置有用于承载反应物质的玻璃釜体8，玻璃釜体8的底部紧贴于耐高压透射玻璃7上，釜体顶盖17通过第二六角螺柱12安装在中部釜体18上，釜体顶盖17的中部位置安装有用于反应过程搅拌反应物的桨式搅拌器9，桨式搅拌器9的搅拌端位于玻璃釜体8内，釜体顶盖17靠近玻璃釜体8的一面上安装有热电偶10，釜体顶盖17上安装有进气阀13、安全阀14、压力表和排气阀16，釜体顶盖17两端设置有辅助臂杆11，辅助臂杆11用于辅助釜体顶盖17的安装和拆卸，使其便于手持移动。

本发明中，微波发生器由微波磁控管1与微波导管2连接组成(如图2所示)，微波导管2朝向耐高压透射玻璃7设置；微波发生器装载台4横截面为圆形，微波磁控管1电性连接外部的pid控制器(图中未示)，微波发生器共4个，单个微波发生器(微波磁控管1)的功率在0-500w之间，通过pid控制器可设定及调节微波发生器(微波磁控管1)的输出功率，4个微波发生器呈菱形分布在微波发生器装载台4上，4个微波发生器的中心位于微波发生器装载台4圆心上；釜体底盘3、微波发生器装载台4、下部釜体5、中部釜体18和釜体顶盖17均由不锈钢316l的材质制成；冷水管路19通过镶嵌或其它安装方式盘绕贴合在中部釜体18表面；耐高压透射玻璃7和玻璃釜体8的材质均为li2o-al2o3-sio2，可耐强酸强腐蚀、600℃和450mpa的高温高压，且微波可无衰减通过，加热速度快、过程热损失少；桨式搅拌器9采用电机驱动，电机安装在釜体顶盖17上且电性连接外部的pid控制器，通过pid控制器可设定及调节桨式搅拌器9的转速和工作时间；热电偶10电性连接外部的pid控制器，热电偶10用于测玻璃釜体8内的温度并实时反馈给pid控制器，以通过pid控制器调整微波发生器(微波磁控管1)的输出功率；本发明提供的反应釜安装简易、容易操作、实用性强，可适用于科研院所或实验室进行微波驱动水热碳化的研究，市场前景较为广阔。

其中热，电偶10为k型热电偶，进气阀13和排气阀16为手动阀门，压力表15为指针式压力表，测量的量程范围在0-20mpa。

本发明还提供一种城市生活垃圾微波驱动水热碳化方法，采用了本发明提供的城市生活垃圾微波驱动水热碳化反应釜装置，该种城市生活垃圾微波驱动水热碳化反应釜方法包括以下步骤：

(1)将城市生活垃圾与一定量的水充分混合后倒入玻璃釜体8中。

(2)将釜体顶盖17放置于中部釜体18上，并通过第二六角螺柱12紧固釜体顶盖17与中部釜体18。

(3)打开进气阀13与排气阀16，通过进气阀13往反应釜内充入惰性气体以排出反应釜(玻璃釜体8)内的空气，充入一定量的惰性气体后关闭排气阀16，再充一定时间后关闭进气阀13，使反应釜内保留一定压力的惰性气体。

(4)通过pid控制器设定微波发生器(微波磁控管1)的初始功率、设定桨式搅拌器9的转速和工作时间并启动，城市生活垃圾与水的混合物质在微波作用下升温至目标温度，并在微波驱动下发生脱水、脱羧、脱氧等反应，能量品位不断提高，水热碳化过程不断加深；其中，桨式搅拌器9全程保持设定的转速搅拌；在达到设定反应时间(即设定的工作时间)后，微波发生器停止输出，桨式搅拌器9停止转动；其中，反应全过程中，热电偶10测量反应温度并时刻反馈，pid控制器通过热电偶10的反馈以调整微波发生器的输出功率，压力表15全程反映反应釜内的压力值，供实验人员观看或做记录，若反应釜内安全压力超过一定值，安全阀14打开，避免因反应釜内压力过大而损坏反应釜及压力表或引发事故。

(5)启用冷水管路19，通过流经在冷水管路19中的冷却水带走中部釜体18的热量，加快中部釜体18降温，同时冷却水也可回收部分热量；

(6)打开排气阀16收集反应过程气体，并密封保存，待后期分析气体组成；其中，本发明中采用铝箔集气袋收集反应过程气体，使用气管或直接连接排气阀16和铝箔集气袋，然后打开排气阀16，反应过程气体由于反应釜内部反应后产生的压强作用而从排气阀16排出至铝箔集气袋内。

(7)旋开第二六角螺柱12以打开釜体顶盖17，将内置玻璃釜体8中的混合物通过玻璃纤维滤纸进行固液分离；其中，由于本发明提供的反应釜装置用于实验室，其体积较小，混合物直接倾斜反应釜倒出即可；滤液密封置于0℃下保存，待后期分析其液体组份，回收的固体产物即为升级后的清洁高品位固体衍生燃料-城市生活垃圾水热碳。

通过以上步骤便完成了对城市生活垃圾微波驱动水热碳化的热升级过程，不仅高效环保的处置了城市生活垃圾，同时也实现了能量的回收；且城市生活垃圾在微波加热作用下，比传统方式的水热碳化效果更为显著，热值提升幅度更大，固体燃料能量品位进一步提高。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。