一种生物质废弃物的综合处理与资源化利用方法
阅读说明：本技术 一种生物质废弃物的综合处理与资源化利用方法 (Comprehensive treatment and resource utilization method of biomass waste ) 是由 章磊 陈秀 陈建 戴世良 何先标 徐旭明 程燕 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及固废和废水的无害化处置及资源化利用领域,旨在提供一种生物质废弃物的综合处理与资源化利用方法。包括：将羽毛、亚硫酸钠和水产养殖废水进行混合后水解磺化,将水解磺化液、畜禽粪便、煤、水产养殖废水加入棒磨机中,采用湿磨工艺处理得到多元浆料；将多元浆料与压缩纯氧喷入水煤浆气化炉中,进行气化和熔融处理,得到气态产物和液态熔渣；进行激冷分离,得到含有CO和H-(2)的混合气体,其余有害元素被固定在玻璃态渣中排出。本发明能同时解决多种生物质废弃物的排放难题,在消纳了大量养殖业生物质废弃物的同时,还节省了多元浆料制备的煤原料、制浆用水、水煤浆添加剂,全方位降低了制浆成本,具有显著的环保效益和经济效益。(The invention relates to the field of harmless treatment and resource utilization of solid waste and wastewater, and aims to provide a comprehensive treatment and resource utilization method of biomass waste. The method comprises the following steps: mixing feather, sodium sulfite and aquaculture wastewater, then carrying out hydrolysis sulfonation, adding hydrolysis sulfonated liquid, livestock and poultry manure, coal and aquaculture wastewater into a rod mill, and carrying out wet milling process treatment to obtain multi-element slurry; spraying the multi-element slurry and compressed pure oxygen into a coal water slurry gasification furnace, and carrying out gasification and melting treatment to obtain a gaseous product and liquid molten slag; chilling and separating to obtain the product containing CO and H 2 The rest harmful elements are fixed in the glassy state slag and discharged. The invention can simultaneously solve the difficult problem of discharging various biomass wastes, saves coal raw materials, water for pulping and coal water slurry additives prepared by multi-element slurry while consuming a large amount of biomass wastes in the breeding industry, reduces the pulping cost in all directions,has obvious environmental protection benefit and economic benefit.)
技术领域
本发明属于固废和废水的无害化处置及资源化利用领域，具体涉及一种生物质废弃物的综合处理与资源化利用方法。
背景技术
随人民对生活品质要求不断提高，我国养殖业规模逐年扩大，产生着大量的生物质废弃物如畜禽养殖废弃物和水产养殖废水，这使农业超过工业成为我国最大的面源污染产业。生物质废弃物的资源化利用是养殖业污染防治最为有效的途径，目前我国畜禽养殖废弃物(含水率通常在60％～80％)综合利用比例还不高，有四分之一尚未有效处理和利用，大部分水产养殖废水(pH通常在7.0～8.5)更是直接排入水体环境，可见我国养殖业生物质废弃物的资源化利用空间巨大。
目前养殖业生物质废弃物资源化利用的一个重要方向是种养循环化，通过直接还田和堆肥发酵等方式将畜禽养殖废弃物转换成有机肥或复合肥，实现肥料化利用和种养结合，水产养殖废水则可用作农作物灌溉。但堆肥时间周期长，减量化难彻底，占地面积大，且有机肥的肥力较差，容易有各类重金属富集，堆肥过程中还会产生恶臭气体，存在一定的环境和健康风险。且随着我国养殖业和种植业的不断分离，种养结合不再紧密，种养循环化所能消纳利用的生物质废弃物已十分有限。能源资源化是养殖业生物质废弃物利用的另一个重要方向，我国农村曾以家庭为单位推行过沼气工程建设，对畜禽养殖废弃物进行厌氧消化处理，生产沼气能源。但由于厌氧消化过程中需要稳定的原料供应与严格的温湿控制，沼气池设施需要人工维护，难处理的沼渣、沼液易造成二次污染等问题，限制了厌氧消化生物质废弃物的能源资源化技术的进一步广泛应用。
综上，目前对养殖业生物质废弃物的利用主要是种养循环化和能源资源化两个方向，但仍存在以下问题：(1)堆肥时间周期长，减量不彻底，有机肥肥力较差，重金属富集与恶臭气体可能引发环境和健康风险；(2)种养分离现象明显，种养循环对养殖业生物质废弃物的消纳能力严重不足；(3)厌氧消化需要稳定的原料供应与严格的温湿控制，难处理的沼渣、沼液易造成二次污染。因此，开发一种生物质废弃物的综合处理与资源化利用新方法，具有很好的现实意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提出一种综合利用生物质废弃物的方法，解决养殖业生物质废弃物减量化、无害化、资源化利用的难题。
为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种生物质废弃物的综合处理与资源化利用方法，包括以下步骤：
(1)按质量比例30∶10∶60将羽毛、亚硫酸钠和水产养殖废水进行混合后，在80℃和搅拌条件下水解磺化6小时，得到水解磺化液；
(2)按质量比例1∶5～9∶55∶35～39将水解磺化液、畜禽粪便、煤、水产养殖废水加入棒磨机中，采用湿磨工艺处理得到多元浆料；
(3)按质量比例2∶1将多元浆料与压缩纯氧喷入水煤浆气化炉中，进行气化和熔融处理，得到气态产物和液态熔渣。
(4)将气态产物和液态熔渣进行激冷分离，得到含有CO和H2的混合气体，其余有害元素被固定在玻璃态渣中排出。
作为本发明的优选方案，所述羽毛是鸡毛、鸭毛或鹅毛中的任意一种。
作为本发明的优选方案，所述畜禽粪便是来源于肉鸡场、养猪场、奶牛场的粪便中的任意一种。
作为本发明的优选方案，所述水产养殖废水来自各类水产养殖场，用于代替制浆所需的工业清洁用水。
作为本发明的优选方案，所述湿磨工艺的条件是：转速20rpm，湿磨后所得混合物的粘度为1500mPa·s以下。
作为本发明的优选方案，所述水煤浆气化炉中的反应温度为1100℃～1500℃、压力为0.5MPa～6.5MPa。
发明原理描述：
羽毛含有80％以上蛋白质，少量钙、镁、钾元素和微量的锌、铁等元素。羽毛在添加了亚硫酸钠的80℃水产养殖废水中搅拌，发生高温条件下的水解和磺化反应，得到水解磺化液用以代替水煤浆添加剂，在湿磨制浆过程中改善煤在水产养殖废水中的成浆特性，降低了制浆成本。此外，羽毛、亚硫酸钠在水解磺化液中留下的钠、钙、铁、镁、钾等碱金属、碱土金属和部分过渡金属元素，还可对多元浆料气化反应起到明显的催化作用，促进有效合成气的生成。
畜禽粪便的含水率很高，通常在60％～80％。本发明中直接以悬浮物形式利用畜禽粪便，无需进行干燥预处理，大大降低了畜禽粪便的再利用成本。畜禽粪便的挥发分含量高达60％～70％，表明畜禽粪便的燃烧速度较快，着火点低，本发明掺入畜禽粪便，可以提高多元浆料的点火性能，且畜禽粪便中O：C和H：C比值显著高于煤炭，表明畜禽粪便较易挥发和进行能量转化，比较容易发生气化和热解。本发明掺入畜禽粪便，代替部分煤进行气化反应生成高附加值合成气，可实现养殖废弃物的资源化，同时节约了用煤成本。
水产养殖废水中含有悬浮颗粒物、有机物、氨氮、亚硝酸盐、磷等主要污染物，悬浮颗粒物主要指残余饵料、鱼类粪便等，有机物主要包括腐殖质物质、碳水化合物、蛋白质类物质和低分子质量的醛类等。水产养殖废水通常呈碱性，pH在7.0～8.5之间，其最主要的两个特征是污染物浓度低、单次排水量大。本发明中以水产养殖废水作为制浆用水，将巨大的污染源转变为工艺水源，避免了水产养殖废水直接排入水体环境带来的生态破坏，同时免去了水煤浆气化工艺的用水成本。此外，水产养殖废水中的有机物也在本发明中多元浆料气化反应的过程中实现了资源化利用。
本发明中利用羽毛制成水解磺化液代替水煤浆添加剂，利用畜禽粪便代替部分原料煤，利用水产养殖废水代替工业清洁用水，共同制备了一种新型的多元浆体燃料，在水煤浆气化炉中进行气化、熔融，生成具有高附加值的合成气和固定了有害元素的玻璃态渣，在无害化、资源化利用养殖业生物质废弃物的同时，全方位地降低了水煤浆的制浆成本。
与现有技术相比，本发明的技术优势是：
(1)本发明针对羽毛、畜禽粪便、水产养殖废水各自的成分特征，开发出新的综合处理多种养殖业生物质废弃物的资源化利用方法，用一种技术解决多种生物质废弃物的排放难题。
(2)在消纳了大量养殖业生物质废弃物的同时，还节省了多元浆料制备的煤原料、制浆用水、水煤浆添加剂，全方位降低了制浆成本，具有显著的环保效益和经济效益。
(3)将生物质废弃物中的污染物通过高温高压气化熔融反应实现资源化利用，转化为具有高附加值的合成气和固定有害元素的排渣，可作为化工生产原料与建筑用材进行进一步利用。
(4)基于本发明提出的新方法，可以将原本高投入低收益的养殖业生物质废弃物处理技术与高附加值的合成气或化工品的生产进行结合，极大提高了生物质废弃物的经济效益。
附图说明
图1为本发明所述的生物质废弃物综合处理与资源化利用方法的流程示意图。
附图标记：1羽毛1；2亚硫酸钠2；水产养殖废水3；加热搅拌装置4；畜禽粪便5；煤6；棒磨机7；气化炉8；合成气9；玻璃态渣10。
具体实施方式
以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本发明利用羽毛制成水解磺化液代替水煤浆添加剂，利用畜禽粪便代替部分原料煤，利用水产养殖废水代替工业清洁用水，共同制备得到新型的多元浆体燃料，将其在水煤浆气化炉中进行气化、熔融，生成具有高附加值的合成气和固定了有害元素的玻璃态渣。。
具体流程如图1所示。将羽毛1、亚硫酸钠2、水产养殖废水3按质量比例30∶10∶60添加至加热搅拌装置4中，在80℃温度条件下加热搅拌6小时；羽毛1在碱性环境发生水解磺化反应，得到与水煤浆添加剂具有类似作用的水解磺化液。再按质量比例1∶5～9∶55∶35～39将水解磺化液、水产养殖废水3、畜禽粪便5、煤6一起加入棒磨机7中，采用湿磨工艺制备得到粘度为1500mPa·s以下的多元浆料，湿磨时控制转速20prm。最后按质量比例2∶1将多元浆料与压缩纯氧从喷嘴一同喷入水煤浆气化炉8中，在1100℃～1500℃、0.5MPa～6.5MPa下进行气化、熔融，得到气态产物和液态熔渣。将气态产物和液态熔渣进行激冷分离处理，得到高附加值的以CO和H2为主的合成气9，有害元素则固定在玻璃态渣10中排出。
实施例1：
本实施例中所选材料为神华煤、鸡毛、肉鸡场的鸡粪和鳗鱼场养殖废水。
将鸡毛、亚硫酸钠、鳗鱼场养殖废水在80℃温度条件下加热搅拌6小时，得到鸡毛水解磺化液，其中鸡毛的质量百分含量为30％，亚硫酸钠的质量百分含量为10％。再将鸡毛水解磺化液、肉鸡场鸡粪、煤、鳗鱼场养殖废水在棒磨机中湿法制备成多元浆料，其中鸡毛水解磺化液、肉鸡场鸡粪、煤、鳗鱼场养殖废水的质量比例为1：5：55：39。将多元浆料通入气化炉内在1300℃、3.5MPa下进行气化反应。激冷分离后，得到合成气和玻璃态渣。
实施例2：
本实施例中所选材料为神华煤、鸭毛、养猪场的猪粪和草鱼场养殖废水。
将鸭毛、亚硫酸钠、草鱼场养殖废水在80℃温度条件下加热搅拌6小时，得到鸭毛水解磺化液，其中鸭毛的质量百分含量为30％，亚硫酸钠的质量百分含量为10％。再将鸭毛水解磺化液、养猪场猪粪、煤、草鱼场养殖废水在棒磨机中湿法制备成多元浆料，其中鸭毛水解磺化液、养猪场猪粪、煤、草鱼场养殖废水的质量比例为1：5：55：39。将多元浆料通入气化炉内在1300℃、3.5MPa下进行气化反应。激冷分离后，得到合成气和玻璃态渣。
实施例3：
本实施例中所选材料为神华煤、鹅毛、奶牛场的牛粪和鲤鱼场养殖废水。
将鹅毛、亚硫酸钠、鲤鱼场养殖废水在80℃温度条件下加热搅拌6小时，得到鹅毛水解磺化液，其中鹅毛的质量百分含量为30％，亚硫酸钠的质量百分含量为10％。再将鹅毛水解磺化液、奶牛场牛粪、煤、鲤鱼场养殖废水在棒磨机中湿法制备成多元浆料，其中鹅毛水解磺化液、奶牛场牛粪、煤、鲤鱼场养殖废水的质量比例为1：5：55：39。将多元浆料通入气化炉内在1300℃、3.5MPa下进行气化反应。激冷分离后，得到合成气和玻璃态渣。
实施例4：
本实施例中所选材料为神华煤、鸡毛、肉鸡场的鸡粪和鳗鱼场养殖废水。
将鸡毛、亚硫酸钠、鳗鱼场养殖废水在80℃温度条件下加热搅拌6小时，得到鸡毛水解磺化液，其中鸡毛的质量百分含量为30％，亚硫酸钠的质量百分含量为10％。再将鸡毛水解磺化液、肉鸡场鸡粪、煤、鳗鱼场养殖废水在棒磨机中湿法制备成多元浆料，其中鸡毛水解磺化液、肉鸡场鸡粪、煤、鳗鱼场养殖废水的质量比例为1：7：55：37。将多元浆料通入气化炉内在1300℃、3.5MPa下进行气化反应。激冷分离后，得到合成气和玻璃态渣。
实施例5：
本实施例中所选材料为神华煤、鸡毛、肉鸡场的鸡粪和鳗鱼场养殖废水。
将鸡毛、亚硫酸钠、鳗鱼场养殖废水在80℃温度条件下加热搅拌6小时，得到鸡毛水解磺化液，其中鸡毛的质量百分含量为30％，亚硫酸钠的质量百分含量为10％。再将鸡毛水解磺化液、肉鸡场鸡粪、煤、鳗鱼场养殖废水在棒磨机中湿法制备成多元浆料，其中鸡毛水解磺化液、肉鸡场鸡粪、煤、鳗鱼场养殖废水的质量比例为1：9：55：35。将多元浆料通入气化炉内在1300℃、3.5MPa下进行气化反应。激冷分离后，得到合成气和玻璃态渣。
实施例6：
本实施例中所选材料为神华煤、鸡毛、肉鸡场的鸡粪和鳗鱼场养殖废水。
将鸡毛、亚硫酸钠、鳗鱼场养殖废水在80℃温度条件下加热搅拌6小时，得到鸡毛水解磺化液，其中鸡毛的质量百分含量为30％，亚硫酸钠的质量百分含量为10％。再将鸡毛水解磺化液、肉鸡场鸡粪、煤、鳗鱼场养殖废水在棒磨机中湿法制备成多元浆料，其中鸡毛水解磺化液、肉鸡场鸡粪、煤、鳗鱼场养殖废水的质量比例为1：5：55：39。将多元浆料通入气化炉内在1100℃、0.5MPa下进行气化反应。激冷分离后，得到合成气和玻璃态渣。
实施例7：
本实施例中所选材料为神华煤、鸡毛、肉鸡场的鸡粪和鳗鱼场养殖废水。
将鸡毛、亚硫酸钠、鳗鱼场养殖废水在80℃温度条件下加热搅拌6小时，得到鸡毛水解磺化液，其中鸡毛的质量百分含量为30％，亚硫酸钠的质量百分含量为10％。再将鸡毛水解磺化液、肉鸡场鸡粪、煤、鳗鱼场养殖废水在棒磨机中湿法制备成多元浆料，其中鸡毛水解磺化液、肉鸡场鸡粪、煤、鳗鱼场养殖废水的质量比例为1：5：55：39。将多元浆料通入气化炉内在1500℃、6.5MPa下进行气化反应。激冷分离后，得到合成气和玻璃态渣。
对比例1
以常规技术制备的普通水煤浆作为对比例：
以木质素磺酸钠作为水煤浆添加剂，使用清洁工业用水进行制浆，以神华煤为制浆煤种，制备木质素磺酸钠∶煤∶工业用水为1∶60∶39的水煤浆对照浆样。并通入气化炉内在1300℃、3.5MPa下进行气化反应。
各实施例和对比例的成浆性能和资源化效果如表1所示。
表1
表1中实施例1-7是综合处理了羽毛、畜禽粪便、水产养殖废水的多元浆料，表中展示了水煤浆对照例与实施例1-7的成浆性能和资源化效果。由表可见，对比实施例1-7和水煤浆对照例，发现利用羽毛水解磺化液代替水煤浆添加剂，用水产养殖废水代替工业清洁用水制浆，以畜禽粪便代替部分制浆用煤，所制得多元浆料的浆体粘度升高，气化反应得到的混合气体中CO和H2等有效合成气成分增加。
综上所述，本发明提出的生物质废弃物的综合处理与资源化利用方法是有效可行的，能够在消纳多种生物质废弃物的同时，实现变废为宝。利用羽毛制成水解磺化液代替水煤浆添加剂，利用畜禽粪便代替部分原料煤，利用水产养殖废水代替工业清洁用水，共同制备成多元浆料，并在气化炉中进行气化反应，在无害化、资源化利用生物质废弃物的同时，全方位地降低了水煤浆的制浆成本，具有显著的环保效益和经济效益。
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