一种利用生活垃圾生产高附加值产品的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种利用生活垃圾生产高附加值产品的方法和装置，具体公开了利用CaCl2和无机酸作为催化剂，采用双阶段水热法，将生活垃圾加工成乳酸、酚类产品、可燃气体、生物炭和碳纳米纤维等高附加值产品。本发明专利技术充分挖掘了生活垃圾中的所有有用物质，具有零污染、零浪费等优点，极大地提高了生活垃圾回收利用的经济效益，适合大规模工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种利用生活垃圾生产高附加值产品的方法和装置
本专利技术属于有机生活垃圾回收利用领域，尤其涉及一种利用生活垃圾生产高附加值产品的方法和装置。
技术介绍
随着社会经济的迅速发展和城市人口的不断增长，生活垃圾的产量也在逐步增加，成为环境的主要污染源之一。过多的垃圾不仅侵占了土地，而且污染了空气和水体，更易成为火灾隐患。生活垃圾中的有机垃圾又称为湿垃圾，主要包括食物残渣，园林垃圾(树枝树叶)，废纸和废塑料等。这类垃圾的容积占到全部生活垃圾的30％‐50％。目前处理有机垃圾的主要手段有焚烧，掩埋和生物转化等。焚烧法具有高效的优点，但是有机垃圾含水率高，焚烧时需要添加辅助燃料，而且焚烧时产生的有害烟气和焚烧后的灰渣又会成为二次污染源。而填埋有机垃圾则会占用大量土地，并且产生的渗滤液有可能污染地下水资源。考虑到有机垃圾常伴有塑料制品，生物降解转化这类垃圾受到很大的限制。热化学液化法是以环境友好的方法将有机垃圾(生物质)在高温(200‐350℃)高压下转化为与柴油热值相近的生物燃料。然而到目前为止，多数研究还处于实验室阶段，不能够实现工业化放大生产。过去的研究和专利主要集中在纤维素、藻类的液化以及生物燃油品质的提升，比如中国专利CN106281394A(公开日：2017年1月4日)提出了连续式水热液化法以藻类为原料生产生物油；又比如中国专利CN102876449A(公开日：2013年1月16日)公开了水热法转化木姜子生物质制备生物燃油的方法；中国专利CN101906312A(公开日：2010年12月8日)将生物质和动植物油混合液化从而提高生物燃油热值。上述专利存在产品单一、转化效率低、加工时间长等缺陷，且生物质液化的能量投入/产出比例较低，整体工艺的经济效益低，难以实现生物质工业化生产。此外，上述工艺也主要集中在生物质单一的原材料，目前暂无将有机生活垃圾作为原材料进行大规模热化学液化生产高附加值产品的专利。中国专利105665420A(公开日：2016年6月15日)公开了两段水热反应将生活垃圾转化为产率为20％的乙酸，然而乙酸相对于乳酸和碳纳米纤维的经济价值较低，且该项专利技术仍局限于实验室规模的反应。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术中生物质热化学液化产品单一、附加值低、经济效益低的技术缺陷，提供一种利用生活垃圾生产高附加值产品的方法和装置。本专利技术采用CaCl2和无机酸作为催化剂，利用酸性水热分解法将生活垃圾转化为生物燃油的同时生产酚类产品(主要为苯酚、香草醛)、乳酸以及生物炭等高附加值产品，从而极大地提高其经济可行性并可用于大规模生产。酚类产品是各种化工产品的合成原料，乳酸可以聚合成聚乳酸，是生产可降解塑料的重要原料。而通过本方法产生的固体残渣可作为生物碳，进一步用静电纺丝法做成高附加值的碳纳米纤维。为了达到上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种利用生活垃圾生产高附加值产品的方法，包括如下步骤：步骤1，将生活垃圾粉碎后与水混合，然后加入催化剂CaCl2和无机酸后，放入连续搅拌式反应釜中进行加酸水解；步骤2，将加酸水解后的浆料加入塞流式反应釜中进行水热分解；步骤3，将步骤2处理后的产物进行固液气分离，得到水相液态产物、油相液态产物、固态产物以及气态产物；步骤4，将步骤3制得的水相液态产物导入分离塔，提取乳酸和酚类产品，并将剩余水相引入步骤1中，作为水重复利用；步骤5，将步骤3制得的固体残渣进行真空蒸馏处理，得到生物燃油和生物炭。首先生活垃圾中的大量纤维素(植物茎秆、废弃木材纸张等)、多糖(淀粉类)在加酸水解过程被分解为葡萄糖。在水热分解和催化剂的作用下异构为果糖，并进一步分解为甘油醛。甘油醛脱水后形成丙酮醛，丙酮醛在次临界水(高温水)环境下进行二苯乙醇酸重排和脱水反应生成乳酸。其次，生活垃圾中的木质素在次临界水和催化剂的作用下分解为苯酚和香草醛。乳酸和苯酚、香草醛的反应方程式如下：式(1)，乳酸的生成式(2)，苯酚和香草醛的生成由于参与反应化学物质众多，故仅以反应途经的形式列出。步骤1中，所述生活垃圾被粉碎成粒径小于等于1cm的颗粒。所述生活垃圾与水的体积比优选为1:1～1:3。所述催化剂中，CaCl2和无机酸的摩尔比优选为1:1～1:5，所述生活垃圾与所述催化剂的质量比优选为100:1～10:1。所述加酸水解的温度优选为150～200℃，持续时间优选为30～90min。步骤2中，所述水热分解的温度为200～300℃，持续时间为30～90min。作为本专利技术改进的技术方案，将步骤3中的气态产物和步骤5中的生物燃油进行加氢脱氧，制得烃类产物。作为本专利技术改进的技术方案，将步骤5中的生物炭干燥后研磨至粒径小于等于100μm的颗粒，然后按照质量比为1:1～1:5的比例与聚丙烯腈混合，并加入N‐N二甲基甲酰胺作为溶剂，得到纺丝液，将纺丝液加入静电纺丝的针管中，设置电压为15～20KV，纺丝液在电压的作用下由针头射出，在拉伸过程中将溶剂蒸发并形成由生物炭颗粒和聚丙烯腈构成的混合纳米纤维。进一步地，将所述混合纳米纤维制成纤维毛毡，然后放入管式炉中进行稳定和碳化，先将炉温以1～5℃/min的升温速度加热到250～300℃并在惰性气体的保护下加热4～10h，然后再以5～10℃的升温速度加热到1000～1500℃并持续1～3h，使生物炭中的杂质被完全碳化，得到含碳量100％的碳纳米纤维毛毡。本专利技术还提供一种利用生活垃圾生产高附加值产品的装置，包括粉碎机、物料输送结构、连续搅拌式反应釜、塞流式反应釜、固液分离装置、分离塔、生物燃油储存罐、分馏塔、真空蒸馏塔、静电纺丝机、气体洗涤器，所述粉碎机用于将生物质进行粉碎，然后通过物料输送机构送入连续搅拌式反应釜中进行催化酸性水解，然后再送入塞流式反应釜中进行水热分解反应，再将反应产物送到固液分离装置中进行分离，得到气态产物、固态产物、油相液态产物、水相液态产物，所述气态产物输入气体洗涤器中进行净化，得到可燃气体，所述固态产物被放入真空蒸馏塔中进行真空蒸馏处理，然后干燥粉碎后与高聚物混合构成纺丝液，在静电纺丝机中被加工成混合纳米纤维，并进一步高温碳化得到含碳量100％的碳纳米纤维毛毡，所述油相液态产物被送入生物燃油储存罐，收集完成后被送入分馏塔进行分离提纯，得到生物燃油，所述水相液态产物被送入分馏塔，提取出乳酸和酚类产品，剩余水相通过管道输入连续搅拌式反应釜中进行循环利用。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)首次提出由生活垃圾生成水相液态产物、油相液态产物、固态产物、气态产物，并对上述四个产物进行分离和后处理，得到高附加值的乳酸、酚类产物、生物燃油、碳纳米纤维材料以及可燃气体，从水相液态产物中提取乳酸、酚类产品后的剩余水相作为循环水被引入连续搅拌式反应釜中，进行循环利用。从而使得本专利技术零污染、零浪费，极大提高了本专利技术的经济效益，适合大规模工业化生产。(2)首次采用CaCl2与无机酸一起作为催化剂，显著提高了乳酸和酚类产品的产量，缩短了乳酸和酚类产品的转化时间。且CaCl2与无机酸构成的催化剂，还具有价格便宜、零污染等优点。(3)采用双阶段水热法，提高了浆料的均一性，使之更适合用于工业化连续生产。附图说明图1为本专利技术的生产工艺流程图；图2为本专利技术的生产装置示意图；图3为静电纺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用生活垃圾生产高附加值产品的方法，包括如下步骤：步骤1，将生活垃圾粉碎后与水混合，然后加入催化剂CaCl2和无机酸后，放入连续搅拌式反应釜中进行加酸水解；步骤2，将加酸水解后的浆料加入塞流式反应釜中进行水热分解；步骤3，将步骤2处理后的产物进行固液气分离，得到水相液态产物、油相液态产物、固态产物以及气态产物；步骤4，将步骤3制得的水相液态产物导入分离塔，提取乳酸和酚类产品，并将剩余水相引入步骤1中，作为水重复利用；步骤5，将步骤3制得的固体残渣进行真空蒸馏处理，得到生物燃油和生物炭。

【技术特征摘要】
1.一种利用生活垃圾生产高附加值产品的方法，包括如下步骤：步骤1，将生活垃圾粉碎后与水混合，然后加入催化剂CaCl2和无机酸后，放入连续搅拌式反应釜中进行加酸水解；步骤2，将加酸水解后的浆料加入塞流式反应釜中进行水热分解；步骤3，将步骤2处理后的产物进行固液气分离，得到水相液态产物、油相液态产物、固态产物以及气态产物；步骤4，将步骤3制得的水相液态产物导入分离塔，提取乳酸和酚类产品，并将剩余水相引入步骤1中，作为水重复利用；步骤5，将步骤3制得的固体残渣进行真空蒸馏处理，得到生物燃油和生物炭。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将步骤3中的气态产物和步骤5中的生物燃油进行加氢脱氧，制得烃类产物。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将步骤5中的生物炭干燥后研磨至粒径小于等于100μm的颗粒，然后按照质量比为1:1～1:5的比例与聚丙烯腈混合，并加入N‐N二甲基甲酰胺作为溶剂，得到纺丝液，将纺丝液加入静电纺丝的针管中，设置电压为15～20KV，纺丝液在电压的作用下由针头射出，在拉伸过程中将溶剂蒸发并形成由生物炭颗粒和聚丙烯腈构成的混合纳米纤维。4.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：将所述混合纳米纤维制成纤维毛毡，然后放入管式炉中进行稳定和碳化，先将炉温以1～5℃/min的升温速度加热到250～300℃并在惰性气体的保护下加热4～10h，然后再以5～10℃的升温速度加热到1000～1500℃并持续1～3h，使生物炭中的杂质被完全碳化，得到含碳量100％的碳纳米纤维毛毡。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1中，所述生...

【专利技术属性】
技术研发人员：南巍，严功军，
申请(专利权)人：南巍，严功军，
类型：发明
国别省市：上海,31