一种高含水有机废弃物水热炭化制备成型活性炭的处理工艺及处理系统的制作方法

1.本发明涉及有机废弃物的资源化利用技术领域，具体涉及一种高含水有机废弃物水热炭化制备成型活性炭的处理工艺及处理系统。


背景技术：

2.每年都有大量的有机废弃物产生，其中很大一部分为高含水的有机废弃物，这类未经处理的高含水有机废弃物的含水量高达70-95％。针对上述高含水有机废弃物，传统的处理方式为厌氧消化和高温好氧堆肥。厌氧消化产沼气是当前主流技术，此技术既可提供清洁能源沼气，又可实现废弃物多层次转化利用，但是厌氧消化的沼气产率低以及产生大量沼液导致的二次污染是制约其发展的关键问题。高温好氧堆肥是在一定条件下利用发酵微生物将有机物降解为腐殖质的过程，是一种集处理和资源化循环再生于一体的生物方法，但是需要耗费大量的堆肥添加剂，同时有机肥市场销路问题也限制了其推广应用。此外，这两种方法处理周期较长，处理效率偏低，未能将废弃物中的重金属元素彻底处理，仍然存在对环境造成二次污染的风险。基于此，针对高含水有机废弃物的特点，将其采用水热炭化技术处理是当前研究热点。
3.水热炭化是指在180-250℃、2-10mpa下，将高含水率有机废弃物转化为以水热炭为主的高附加值产物。其优势主要体现在：对原料含水率无限制，可直接处理70-95％含水率物质，无需预干燥；与传统高温干法裂解热处理技术相比，反应条件相对温和，无须加热干化，直接将高含水生物质转化为水热炭。水热炭化反应后所得水热炭有着可调控的炭微球结构，但是其强度较差，而且比表面积和孔径分布特征较差，因此限制了水热炭的高效利用和直接开发。
4.基于此，本技术将高含水有机废弃物经水热炭化预处理后，再将水热炭加工成成型活性炭，提高水热炭的经济性，并拓展水热炭的应用领域。
5.中国专利cn213671072u公开了将垃圾经过分选破碎和干湿分离后，经过水热反应装置制备出水热炭，水热炭经过干燥后制成有机肥料。该专利将水热炭制备成有机肥，未能将水热炭的价值充分利用，且市场接受度受限。而且该专利中针对的原材料仅为垃圾这一种，而不是普适用于高含水有机废弃物的技术。
6.中国专利cn111056551a公开了将水生动物质废弃物破碎得到的到糊状生物质，加入化学造孔活化剂如碳酸氢铵、尿素、乙酸、柠檬酸等，再送入水热反应器水热炭化，固液分离，水热炭干燥后制成活性炭。该方法加入大量的添加剂，大大增加了水热液的处理难度，制成的活性炭颗粒没有经过机械成型，强度低，应用领域受限。


技术实现要素：

7.为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提供一种高含水有机废弃物水热炭化制备成型活性炭的处理工艺，其无需干燥原材料，将高含水有机废弃物直接水热炭化得
到水热初级炭，由水热初级炭制备成型活性炭坯，再经物理活化处理得到成型活性炭成品，实现了对高含水有机废弃物进行减量化、稳定化、无害化和资源化处理。此外，本发明还提供一种高含水有机废弃物水热炭化制备成型活性炭的处理系统，其具有反应耗时短，耗能低，占地面积小，过程可控等优点。
8.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
9.本发明的第一方面，提供一种高含水有机废弃物水热炭化制备成型活性炭的处理工艺，包括如下步骤：
10.s1、将高含水有机废弃物经预处理去除无机颗粒物和油脂，再将其破碎成糊状物，粒径控制在20mm以下；
11.s2、将步骤s1中制得的糊状物输送至水热反应釜中，水热反应釜为批次式或连续式，经水热炭化反应得到水热炭液；
12.s3、将步骤s2中制得的水热炭液经固液分离处理，得到含水率为25-35％的水热初级炭；
13.s4、将步骤s3中制得的水热初级炭经过烘干处理控制其含水率在2-10％，再经研磨处理得到粒径为10-300目的水热炭细粉；
14.s5、将步骤s4中制得的水热炭细粉掺入活化剂、添加剂进行混合5-60min，活化剂为 koh、zncl2，fecl3中的一种，添加剂为开孔剂，再加入粘结剂和水进行捏合处理，然后，再将其经成型处理制得成型活性炭坯体，成型活性炭坯体为圆柱形、球形、空心圆柱形、空心球形、蜂窝状、蜂巢状等各种形状；
15.s6、将步骤s5中制得的成型活性炭坯体进行物理活化处理，活化气体为水蒸气、二氧化碳等，活化温度为500-900℃，活化时间为1-10h，然后再经冷却、筛分处理，得到具有高吸附性能的成型活性炭。
16.高含水有机废弃物为猪粪/牛粪/禽类粪便、市政污泥、餐厨垃圾、厨余垃圾、果蔬菜场垃圾、海藻/海草/蓝藻/绿藻类水生植物等。
17.具体地，所述步骤s6中，成型活性炭坯体进行物理活化处理前，需要经晾晒或烘干处理至其含水率为5-20％。
18.具体地，所述步骤s2中，水热炭化反应时，温度为190-300℃，压力为2-10mpa，反应时间为1-10h。
19.具体地，所述步骤s2中，经水热炭化反应制得的水热炭液通过热交换器与糊状物原材料进行换热，在加热原材料的同时实现了高温水热炭液的快速降温，热量不足时通入水蒸气进行补充，待水热炭液温度降至40-90℃后，再进行脱水处理。
20.具体地，所述步骤s1中，预处理过程包括筛分去除原料中大颗粒无机物(筛分处理)、去除原料中的磁性金属杂质(磁选处理)、沉淀去除原料中小颗粒无机物(沉淀处理)、去除油脂等步骤。具体操作时根据待处理的高含水有机废弃物的特性选择特定的预处理步骤单独使用或组合使用。
21.本发明的第二方面，提供一种高含水有机废弃物水热炭化制备成型活性炭的处理系统，包括破碎设备、水热反应釜、固液分离设备、烘干设备、磨粉设备、混合设备、活性炭成型设备和活化炉；
22.所述破碎设备用于将原材料破碎成糊状，所述破碎设备的出口与所述水热反应釜
入口相连，所述水热反应釜用于将糊状原材料进行水热炭化反应制备出水热炭液，所述水热反应釜的出口与所述固液分离设备的入口相连，所述固液分离装置用于对水热炭液脱水得到水热初级炭，所述固液分离设备的固体出口与所述烘干设备相连，所述烘干设备与所述磨粉设备相连，所述磨粉设备与所述混合设备的入口相连，所述混合设备用于将研磨得到的水热炭细粉与活化剂、粘结剂、水等充分混合，所述混合设备的出口与所述活性炭成型设备入口相连，所述活性炭成型设备用于制作成型活性炭坯体，所述活性炭成型设备出口与所述活化炉相连，所述活化炉用于对活性炭坯体进行物理活化处理。
23.具体地，所述破碎设备与所述水热反应釜之间设有热交换器，所述破碎设备的出口与所述热交换器内第一换热通道的入口相连，所述热交换器内第一换热通道的出口与所述水热反应釜入口相连，所述水热反应釜的出口与所述热交换器内第二换热通道的入口相连，所述热交换器内第二换热通道的出口与所述固液分离设备的入口相连。
24.具体地，所述破碎设备入口处设有用于去除无机颗粒物的预处理设备，所述预处理设备包括筛分设备、磁选设备、沉淀设备和除油设备(可选用三相分离设备)。
25.具体地，所述活性炭成型设备为挤出机、液压挤条机、蜂窝煤成型机或球形造粒机。
26.挤出机为单轴螺杆挤出机或双轴螺杆挤出机，蜂窝煤成型机为气压式蜂窝煤成型机或液压式蜂窝煤成型机，活性炭成型设备并不局限于上述选择，还可采用其他具有塑形或成型功能的设备。
27.具体地，所述活化炉为斯列普活化炉、回转窑活化炉或立式活化炉(立式多段耙式活化炉)。
28.破碎设备为破碎机或制浆机；烘干设备为回转干燥机、桨叶干燥机、圆盘干燥机、流化床干燥机中的一种；磨粉设备为悬辊磨粉机、球磨机、雷蒙磨等中的一种。
29.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
30.本发明中充分考虑了高含水有机废弃物的自身特点，使有机废弃物无害化的同时又可以得到高价值的吸附材料用于废水、废气处理，具有可观的经济前景和生态效益；原材料无需干燥处理，将高含水有机废弃物直接进行水热炭化得到水热初级炭，且采用热交换器将水热初级碳的绝大部分的热值进行回收，大大节省了对原材料加热所需的热能，只需补充较少能源就能实现在水热反应釜中对原材料的的初步炭化；水热初级炭通过磨粉、成型等工序可大大提高了成品炭的强度，且优化了成品炭的成孔效率，制得了强度高、比表面大、活性基团丰富、孔径小的成型活性炭，实现了对高含水有机废弃物进行减量化、稳定化、无害化和资源化处理。
附图说明
31.下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细说明。
32.图1为本发明中高含水有机废弃物水热炭化制备成型活性炭的处理工艺流程图；
33.图2为本发明中高含水有机废弃物水热炭化制备成型活性炭的处理系统的结构示意图。
34.其中，具体附图标记为：预处理设备1，破碎设备2，热交换器3，水热反应釜4，固液分离设备5，烘干设备6，磨粉设备7，混合设备8，活性炭成型设备9，活化炉10。
具体实施方式
35.实施例1
36.一种采用牛粪制备柱状活性炭的处理工艺，包括如下步骤：
37.s1、将牛粪加入至制浆机中搅拌并调浆到含水率为85％；
38.s2、将含水率为85％的牛粪输送至热交换器中预加热至90℃；
39.s3、将预加热后的牛粪泵入批次式水热反应釜内，维持温度在220℃，热量不足时向水热反应釜内通入水蒸气，釜内压力维持2.3mpa，水热反应2h后开始降温，得到水热炭液；
40.s4、将水热炭液输送至热交换器中与原料牛粪进行热交换，实现绝大部分能量回收，水热炭液温度降至60℃，再将其输送至固液分离设备中，加入板框脱水剂脱水到含水率为30％；
41.s5、再将水热初级炭经过桨叶干燥机中干燥到含水率为5％；
42.s6、将烘干后的水热初级炭经研磨处理得到20目的水热炭细粉；
43.s7、将水热炭细粉与10wt％的活化剂(koh)和3wt％的开孔剂进行干混，向干混料中加入 50wt％的焦油和8wt％的水捏合；
44.s8、将捏合得到的膏状物加入液压挤条机中形成柱状活性炭坯体；
45.s9、将活性炭坯体送入立式多段耙式炉内进行活化，活化气氛为水蒸气，活化温度600℃，炉内停留时间5h，活化反应后，再经冷却降温，筛分，得到成品柱状活性炭。
46.实施例2
47.一种采用厨余垃圾制备球形活性炭的处理工艺，包括如下步骤：
48.s1、厨余垃圾经过粗分选、磁选、沉沙、提油等工序去除无机颗粒物和油脂；
49.s2、将经预处理后的厨余垃圾加入破碎机制得粒径在20mm以下糊状物；
50.s3、将糊状物原材料输送至热交换器中预加热至80℃；
51.s4、将预加热后的厨余垃圾泵入批次式水热反应釜内，维持温度在190℃，热量不足时向水热反应釜内通入水蒸气，釜内压力维持2.1mpa，水热反应2.5h后开始降温，得到水热炭液；
52.s4、将水热炭液输送至热交换器中与糊状物原材料进行热交换，实现绝大部分能量回收，水热炭液温度降至40℃，再将其输送至固液分离设备中脱水到含水率为35％；
53.s5、再将水热初级炭经过桨叶干燥机中干燥到含水率为10％；
54.s6、将烘干后的水热初级炭经研磨处理得到120目的水热炭细粉；
55.s7、将水热炭细粉与20wt％的活化剂(zncl2)和2wt％的开孔剂进行干混，向干混料中加入40wt％的焦油和5wt％的水捏合；
56.s8、将捏合得到的膏状物加入圆盘造粒机中形成圆形颗粒状活性炭坯体；
57.s9、将活性炭坯体送入回转窑活化炉内进行活化，活化气氛为二氧化碳，活化温度650℃，炉内停留时间3h，活化反应后，再经冷却降温，筛分，得到成品球形活性炭。
58.实施例3
59.一种高含水有机废弃物水热炭化制备成型活性炭的处理系统，如图2所示，包括破碎设备2、热交换器3、水热反应釜4、固液分离设备5、烘干设备6、磨粉设备7、混合设备8、活性炭成型设备9和活化炉10；
60.破碎设备2用于将原材料(高含水有机废弃物)破碎成糊状，破碎设备2的出口与热交换器3内第一换热通道的入口相连，热交换器3内第一换热通道的出口与水热反应釜4入口相连，水热反应釜4用于将糊状原材料进行水热炭化反应制备出水热炭液，水热反应釜4的出口与热交换器3内第二换热通道的入口相连，热交换器3内第二换热通道的出口与固液分离设备5的入口相连，固液分离装置用于对水热炭液脱水得到水热初级炭，固液分离设备5 的固体出口与烘干设备6相连，烘干设备6与磨粉设备7相连，磨粉设备7与混合设备8的入口相连，混合设备8用于将研磨得到的水热炭细粉与活化剂、粘结剂、水等充分混合，混合设备8的出口与活性炭成型设备9入口相连，活性炭成型设备9用于制作成型活性炭坯体，活性炭成型设备9出口与活化炉10相连，活化炉10用于对活性炭坯体进行物理活化处理，得到具有高吸附性能的成型活性炭。
61.其中，破碎设备2入口处设有用于去除无机颗粒物和油脂的预处理设备1，预处理设备1 包括筛分设备、磁选设备、沉淀设备和除油设备(可选用三相分离设备)，筛分设备可用于去除原料中大颗粒无机物，磁选设备用于去除原料中的磁性金属杂质，沉淀设备用于沉淀去除原料中小颗粒无机物，除油设备用于去除原料中的油脂。
62.其中，破碎设备2为破碎机或制浆机，具体地，制浆机为捶打式制浆机或切割式制浆机；水热反应釜4为连续式水热反应釜或批次反应釜；烘干设备6为回转干燥机、桨叶干燥机、圆盘干燥机、流化床干燥机、带式干燥机等；磨粉设备7为悬辊磨粉机、球磨机、雷蒙磨等中的一种。
63.其中，活性炭成型设备9为挤出机、液压挤条机、蜂窝煤成型机或球形造粒机。挤出机为单轴螺杆挤出机或双轴螺杆挤出机，蜂窝煤成型机为气压式蜂窝煤成型机或液压式蜂窝煤成型机，活性炭成型设备9并不局限于上述选择，还可采用其他具有塑形或成型功能的设备。
64.其中，活化炉10为斯列普活化炉、回转窑活化炉或立式活化炉(立式多段耙式活化炉)。
65.试验例
66.实施例1中原材料牛粪的理化性质指标见表1，由牛粪制得的柱状活性炭的性能测试结果见表2。
67.表1单位为(wt％，干燥基)
68.灰分挥发份固定碳碳氢氧氮硫25725.5355312.41.4
69.表2
[0070][0071]
实施例2中原材料厨余垃圾的组分见表3，其元素分析见表4，由厨余垃圾制得的球形活性炭的性能测试结果见表5。
[0072]
表3单位为(wt％)
[0073][0074]
表4单位为(wt％，干燥基)
[0075]
chonscl3953330.40.6
[0076]
表5
[0077][0078]
由上述测试结果可知，实施例1中制得的柱状活性炭的堆比重为610g/l，耐磨强度为 95％，耐压强度为37.5dan，脱硫值为21.3mg/g，碘吸附值为850mg/g；实施例2中制得的球形活性炭的堆比重为550g/l，耐磨强度为90.5％，耐压强度为36dan，脱硫值为20.4mg/g，碘吸附值为1105mg/g。可知，采用本发明中工艺制得的成型活性炭强度高，具有高吸附性能，可广泛应用于废水处理领域、烟气脱硫脱硝、voc脱除等领域。
[0079]
综上，本发明中充分考虑了高含水有机废弃物的自身特点，使有机废弃物无害化的同时又可以得到高价值的吸附材料用于废水、废气处理，具有可观的经济前景和生态效益；原材料无需干燥处理，将高含水有机废弃物直接进行水热炭化得到水热初级炭，且采用热交换器将水热初级碳的绝大部分的热值进行回收，大大节省了对原材料加热所需的热能，只需补充较少能源就能实现在水热反应釜中对原材料的的初步炭化；水热初级炭通过磨粉、成型等工序可大大提高了成品炭的强度，且优化了成品炭的成孔效率，制得了强度高、比表面大、活性基团丰富、孔径小的成型活性炭。
[0080]
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。