一种自供能船舶废弃物处理系统及方法

1.本发明涉及船舶废弃物处理领域，具体涉及一种自供能船舶废弃物处理系统及方法。


背景技术：

2.随着经济全球化和国际贸易的发展，加之各国频繁的海上军事活动，往来于世界各国水域间的船舶与日俱增，不可避免产生大量的船舶垃圾。特别是废纸，厨余垃圾等处理不当会影响船员生活、污染生态环境、暴露军舰行踪等。因此，处理船舶垃圾，保护生态环境已是各国共识。
3.目前，船舶垃圾的常规处理技术有：高温焚烧、粉碎压缩和生化处理等。高温焚烧，生化处理过程中产生大量的废气和废水会造成严重的大气和水域污染等；同时自身的高能耗、高成本等诸多问题致使其经济效益较低，此外，在当今“碳达峰，碳中和”的背景下，高温焚烧带来的高碳排放与国家战略要求相悖。
4.生物处理技术是利用微生物对有机废弃物进行降解转化，使其减量化、无害化和资源化。利用生物处理技术将有机废弃物转化成可利用的生物燃气，减少碳排放的同时提高能源利用率、降低船舶运行能耗。因此，可将生物处理技术和高温焚烧技术进行结合，对可降解的有机废弃物进行生物处理，对不可降解的废弃物进行气化处理，提高资源的利用率。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提出了一种自供能船舶废弃物处理系统及方法，采用生物法处理有机废弃物，气化焚烧法处理难降解废弃物，并在处理废弃物的同时获得电能。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种自供能船舶废弃物处理系统，包括预处理进料模块、厌氧生物处理模块、沼气发电模块、固液分离模块、气化处理模块和储能供电模块；
8.所述预处理进料模块用于对有机废弃物进行预处理，使其符合后续厌氧处理标准；
9.所述厌氧生物处理模块与所述预处理进料模块相连，用于对预处理后的有机废弃物进行生物降解制取沼气；
10.所述沼气发电模块与所述厌氧生物处理模块相连，用于利用所述沼气发电，并将产生的电能送入所述储能供电模块；
11.所述固液分离模块与所述厌氧生物处理模块相连，用于对完成厌氧发酵的剩余物进行固液分离；
12.所述气化处理模块与所述固液分离模块相连，用于对固液分离产生的固渣进行焚烧处理；
13.所述储能供电模块用于存储电能，并向所述预处理进料模块、所述厌氧生物处理模块、所述固液分离模块及所述气化处理模块供电。
14.进一步地，所述气化处理模块还与所述预处理进料模块相连，用于对预处理过程产生的难降解废弃物进行焚烧处理。
15.进一步地，所述固液分离模块产生的沼液通过沼液回流管回流至所述厌氧生物处理模块和所述预处理进料模块。
16.进一步地，所述自供能船舶废弃物处理系统还包括微生物调控模块，所述微生物调控模块与所述厌氧生物处理模块相连，用于向所述厌氧生物处理模块添加微生物菌剂。
17.进一步地，所述自供能船舶废弃物处理系统还包括余热利用模块，所述余热利用模块用于收集所述沼气发电模块和所述气化处理模块产生的热量，并供应给所述预处理进料模块、所述厌氧生物处理模块及所述固液分离模块。
18.进一步地，所述自供能船舶废弃物处理系统还包括光伏发电模块，所述光伏发电模块产生的电能送入所述储能供电模块。
19.进一步地，所述自供能船舶废弃物处理系统还包括风能发电模块，所述风能发电模块产生的电能送入所述储能供电模块。
20.进一步地，所述自供能船舶废弃物处理系统还包括智慧控制模块，用于系统运行的状态监测和调控。
21.一种自供能船舶废弃物处理方法，基于上述的自供能船舶废弃物处理系统实现，包括：
22.有机废弃物通过预处理进料模块，进行破碎、粉碎、除杂预处理，破碎至粒径≤20mm后，送至厌氧生物处理模块；
23.进入厌氧生物处理模块的有机废弃物，在厌氧菌的作用下生成沼气，厌氧发酵的温度为20～56℃，ph为6.5～7.8；
24.厌氧发酵产生的沼气通入沼气发电模块，经过脱水、脱硫处理后，由沼气发电设备进行发电，产生的电能送入储能供电模块；
25.完成厌氧发酵的剩余物，由固液分离模块分为固渣和沼液，沼液回流至预处理进料模块和厌氧生物处理模块，用于原料调浆和微生物接种，调浆浓度为ts 6％～40％；
26.固液分离产生的固渣和预处理过程产生的难降解废弃物送入气化处理模块进行焚烧，焚烧温度为800～900℃，产生的废气在气体净化设备处理后排放；
27.沼气发电模块和气化处理模块在运行过程中产生的热量，通过余热利用模块收集，用于预处理进料模块、厌氧生物处理模块的增温以及固液分离模块的固渣烘干。
28.进一步地，还包括光伏发电模块和风能发电模块，二者与沼气发电模块并联后，与储能供电模块连接，形成自供能供电系统。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
30.1、通过模块化设计，将厌氧生物处理、气化处理、微生物调控、沼气发电、固液分离，光伏发电、风能发电、储能供电、智慧控制等多项技术进行有机结合，形成了一体式船舶废弃物气化及生物处理自供能系统，可实现船舶多种废弃物的及时处理和就地消纳，获得清洁电能能源供给系统本身能源需求以及船舶上其他设备的电能需求，解决了以往船舶垃圾处理困难及废弃物排放造成的环境污染等问题，提高了能源利用率。
31.2、本发明对传统船舶垃圾处理模式进行优化，在垃圾焚烧和储存的基础上结合生物处理技术，对船舶垃圾进行分类处理，对于可降解的生活垃圾、厨余垃圾等进行厌氧发酵处理产生可利用的清洁能源，残余固渣及不可降解的垃圾进行气化处理。通过本发明的应用，有利于实现船舶垃圾的清洁利用和低碳处理，在消除环境污染的同时获取清洁能源。
附图说明
32.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
33.图1为本发明的自供能船舶废弃物处理系统的流程示意图；
34.图2为本发明实施例的自供能船舶废弃物处理系统的结构示意图；
35.图3为本发明实施例的自供能船舶废弃物处理系统的俯视图；
36.图4为本发明的自供能船舶废弃物处理系统的光伏发电模块、风能发电模块在船舶上的布置示意图；
37.其中：1-预处理进料模块；2-厌氧生物处理模块；3-沼气发电模块；4-固液分离模块；5-气化处理模块；6-光伏发电模块；7-风能发电模块；8-储能供电模块；9-微生物调控模块；10-智慧控制模块；11-上料机构；12-预处理设备；13-易腐物输送机构；14-预混调浆设备；21-进料管；22-厌氧反应器；23-沼气管一；24-出料管；31-净化设备；32-沼气管二；33-沼气发电设备；41-出料泵；42-固液分离设备；43-沼液回流管；44-固渣输送机构；51-可燃物输送机构；52-焚烧炉；91-菌剂罐；92-菌剂喷淋管。
具体实施方式
38.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
39.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
40.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
41.如图1所示，一种自供能船舶废弃物处理系统，包括预处理进料模块1、厌氧生物处理模块2、沼气发电模块3、固液分离模块4、气化处理模块5、光伏发电模块6、风能发电模块7、储能供电模块8、微生物调控模块9和智慧控制模块10。
42.预处理进料模块1主要实现有机废弃物的前端预处理和向后续工艺步骤输送原料的功能，可选格栅、破碎机、粉碎机、切碎机、沉沙池、抓斗、输送机、泵的一种或多种组合，对有机废弃物进行除杂、切割、破碎、粉碎、除砂等预处理，其中，符合后续厌氧处理标准的有机废弃物送入厌氧生物处理模块2，剩余的难降解废弃物则送入气化处理模块5。
43.厌氧生物处理模块2主要实现有机废弃物生物降解制取沼气，主要设备是厌氧反应器，可选干发酵反应器(da)、完全混合式反应器(cstr)、塞流式反应器(pfr)等。
44.厌氧生物处理模块2有沼气和剩余物两个出口，沼气出口与沼气发电模块4相连，剩余物出口与固液分离模块4相连。
45.沼气发电模块3主要包括沼气脱水脱硫设备、沼气发电设备等，厌氧发酵产生的沼气经过脱水、脱硫处理后，由沼气发电设备进行发电，产生的电能与光伏发电模块6、风能发电模块产生7的电能一起送入储能供电模块8。
46.固液分离模块4可选挤压式螺旋分离机、卧式离心分离机、高速离心机、过滤装置、微滤装置、超滤装置的一种或多种组合，用于将完成厌氧发酵的剩余物分离为固渣和沼液。
47.固液分离模块4有沼液和固渣两个出口，沼液出口与预处理进料模块1和厌氧生物处理模块2相连，沼液可回流至该两个模块用于原料调浆和微生物接种，固渣出口与气化处理模块5相连。
48.气化处理模块5可选用工艺比较成熟的可同时处理废油和固态废料的焚烧炉，固液分离模块4产生的固渣、预处理进料模块1产生的难降解废弃物、以及其他的一些不可降解废弃物均可进入焚烧炉进行高温焚烧，产生的废气在气体净化设备处理后排放，气化后残余物可进行压缩储存。
49.光伏发电模块6可选用现有新型太阳能花光伏发电，通过仿生向日葵的趋光性技术，可自动追踪最佳太阳角度，确保一直接受阳光的直射，平均发电效率比传统静态太阳能电池板高出40％，整套设备可以层叠和固定在地面上，占地面积小且装置稳定性较高。
50.风能发电模块7可选用现有的常规技术，例如，耐腐蚀的小型风力发电机组，其与光伏发电模块6一样，可灵活布置在船舶的合适位置。
51.储能供电模块8与沼气发电模块3，光伏发电模块6和风能发电模块7相连，进行电能的存储和供电，实现整体系统的能源自给和备用电源系统的功能。储能设备可选但不限于铅电池、锂电池、超级电容、飞轮电池、钠离子电池、液流电池等。
52.微生物调控模块9与厌氧生物处理模块2相连，使用高活性厌氧产甲烷菌，对厌氧发酵产沼气进行主动添加，缩短厌氧处理的停留时间。
53.智慧控制模块10为系统的管控核心，基于物联网，通过传感器、数字信号传输等技术显示各模块的状态及数据，并根据数字模型运算做出预警及运行调整指令、智能调控各模块稳定运行。
54.另外，系统还配套有余热利用模块，沼气发电模块3和气化处理模块5在运行过程中均有热量产生，通过换热器将热量收集并用于预处理进料模块1、厌氧生物处理模块2的增温以及固液分离模块4的固渣烘干。
55.为更好地理解本发明，下面结合图2至图4的具体实施例中对系统运行过程进行描述，其中，有机废弃物为厨余垃圾，系统运行步骤如下：
56.(1)原料预处理和进料：厨余垃圾由上料机构11送至预处理设备5进行切割和破碎预处理，破碎至粒径小于等于20mm，作为优选，破碎至粒径小于等于10mm，然后，通过易腐物输送机构13送入预混调浆设备14中进行调浆，调浆浓度为ts 6％～40％，视厌氧发酵工艺而定。具体的，本厌氧发酵工艺采用干发酵，调浆浓度为ts≥15％，厌氧反应器22采用干式厌氧发酵反应器(da)。
57.(2)厌氧发酵产沼气：调浆好的有机废弃物浆料通过进料管21进入厌氧反应器22，在厌氧菌的作用下生成沼气(主要成分为ch4和co2)，控制厌氧发酵的温度为20～56℃、ph
为6.5～7.8，发酵过程中对厌氧反应器22中的料液进行间歇式搅拌，促进底物和微生物之间的接触和传质传热。
58.(3)微生物调控：厌氧反应器22顶部的菌剂罐91中培养有高富集度高活性的厌氧产甲烷菌，根据厌氧反应器22的运行情况，通过菌剂喷淋管92进行主动添加微生物菌剂，缩短厌氧处理的停留时间，提高发酵效率和产品品质。
59.(4)固液分离：厌氧反应器22中发酵的料液，每隔一段时间由出料泵41抽出，通过出料管24送至固液分离设备42，固液分离为固渣和沼液，沼液通过沼液回流管43回流至预混调浆设备14和厌氧反应器22，用于原料调浆和微生物接种，固渣则通过固渣输送机构44送至可燃物输送机构51。
60.(5)气化处理：预处理设备12分离得到的不可降解的低值可燃物、固液分离设备42得到的固渣，均通过可燃物输送机构51输送至焚烧炉52中进行气化处理，保持焚烧炉温度在800～900℃，产生的废气在气体净化设备处理后排放，产生的废渣进行压缩存储。
61.(6)发电、储电和供电：厌氧反应器22产生的沼气由沼气管一23通入净化设备31进行脱水脱硫处理，净化后的沼气由沼气管二32通入沼气发电设备33进行发电，同时，光伏发电模块6通过太阳能集热板将太阳能转变为电能，风能发电模块7将风能转化为电能，光伏发电块6、风能发电模块7与沼气发电模块3并联，产生的电能存储至储能供电模块8，形成整套系统的能源供应源，储能供电模块8将沼气发电、光伏发电和风能发电的电能进行暂存，并分别向本发明系统用电设备和外部供电，形成自供能供电系统。
62.(7)余热利用：沼气发电设备33和焚烧炉52在运行过程中均有热量产生，通过换热器将热量收集并送往预处理设备5、厌氧反应器22和固液分离设备42，用于预处理设备5、厌氧反应器22的增温以及固渣的烘干。
63.(8)系统智慧控制：智慧控制模块10通过传感器、数字信号传输等技术显示各模块的状态及数据，并根据数字模型运算做出预警及运行调整指令、智能调控各模块稳定运行。
64.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。