CN114634286A - 太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***及方法 - Google Patents

太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***及方法，属于环境和资源利用技术领域。该***包括粪尿分离单元、粪便干化热解单元、燃烧供热单元和尿液烟气处理单元，粪尿分离单元连接粪便干化热解单元和尿液烟气处理单元，燃烧供热单元为粪便干化热解单元供热，尿液烟气处理单元处理后的冲厕水返回冲厕水箱。该***通过脚踏式滑板分离器实现粪便和尿液的简易分离，粪便通过干化热解得到粪便生物炭，尿液通过粪便生物碳吸附、光催化降解产生“净化水”，用于冲厕等，光能利用率更高的锥形太阳能板和辅助燃料为整个***运行提供能量，形成自供水、自供能的冲厕新模式，适用于无排水管网且缺电地区的粪便处理及资源化。

Description

太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***及方法
技术领域
本发明涉及环境和资源利用技术领域，特别是指一种太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***及方法。
背景技术
未经有效处理的粪便，含水率高，不便运输，且不能直接作为肥料施用于农作物，存在潜在的环境和健康风险。如何快速、高效和低成本的处理粪便受到越来越多的关注。
目前我国粪便的处理方式主要是好氧堆肥和厌氧产沼气，其中堆肥法易产生臭气，且所产肥料的使用受季节影响较大；产沼气法的维护管理复杂、投资成本高、沼渣沼液难处理。同时这两种方法都存在耗费时间长，占地面积大等问题。另一方面，冲马桶的用水占生活用水的三分之一以上，如果可以减少、甚至免除这部分水的使用，那么其节约的水资源量是十分可观的。
目前市面上为了达到节水目的，已有节水厕所、生态厕所等，据调查，节水厕所一次冲水也需要3～5L，而生态厕所虽可以免冲水，它是利用微生物生长繁殖活动将粪便中可利用的大分子有机化合物进行生物降解，并转化为菌体生物量，竞争性的抑制并杀死粪便中的病原性微生物。但是由于其需要打包或者定期添加生化原料，带来了运输和人工成本的困扰，同时，臭味的问题也没有彻底解决。
为解决许多无排水管网又缺电的偏远农村和人口稀少地区的粪便处理问题，改善环境卫生状况，本发明提供一种粪尿分离、粪便干化热解制生物炭，尿液通过粪便生物炭吸附、光催化氧化而转化为冲厕水的节能“产水”厕所***。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***及方法。
该***包括粪尿分离单元、粪便干化热解单元、燃烧供热单元和尿液烟气处理单元；
其中，粪尿分离单元包括脚踏滑板式分离器和便池；
粪便干化热解单元包括干化室和热解室；
燃烧供热单元包括燃烧室和配风***；
尿液烟气处理单元包括尿液暂存室、光催化反应器、锥形太阳能板和不凝气吸附塔；
便池底部设置脚踏滑板式分离器，便池连接冲厕水箱；
脚踏滑板式分离器下部分别连接干化室和尿液暂存室；
干化室中干化后的物料进入热解室，干化室通过配风***输入热烟气，废气进入光催化反应器，热解室通过三通阀连接燃烧室和配风***；
尿液暂存室将尿液处理后得到的初级净水进入光催化反应器，经光催化反应器处理后返回冲厕水箱，光催化反应器内的不凝气进入不凝气吸收塔，光催化反应器由蓄电池供电，蓄电池由锥形太阳能板充电。
其中，脚踏滑板式分离器包括滑动板、复位弹簧、脚踏滑动式连杆、踩推板和带滤网渗水孔，
带滤网渗水孔位于便池最低处，且竖直设置，带滤网渗水孔一侧为尿液出口，另一侧设置滑动板，滑动板通过复位弹簧连接脚踏滑动式连杆，脚踏滑动式连杆连接地面上的踩推板。
干化室包括带筛孔分散轮、粉碎刀、高温烟气入口I、粪便进料口、干化粪便出料口、带滤网废气出口、第一传感器模块、旋转轴、粉碎间和热风间，
干化室上部为粉碎间，下部为热风间，通过带筛孔分散轮分隔，带筛孔分散轮的筛孔直径为5-10mm，带筛孔分散轮与干化室内壁有5-10mm间隙；干化室内壁安装第一传感器模块，用于检测干化室内温度；粉碎间顶部留有粪便进料口，粉碎间上部侧面留有带滤网废气出口，带筛孔分散轮中心连接旋转轴，带筛孔分散轮上均匀布置粉碎刀；热风间留有高温烟气入口I，热风间底部设置干化粪便出料口。
热解室包括干化粪便进料口、粪便生物炭出料口、热解气出口、换热装置、换热装置烟气入口、换热装置烟气出口和第二传感器模块，
热解室顶部设置干化粪便进料口和热解气出口，底部设置粪便生物炭出料口，热解室内设置换热装置，换热装置下部设置换热装置烟气入口，上部设置换热装置烟气出口，热解室内壁安装第二传感器模块，用于检测热解室内温度。所述换热装置可以是管式换热器、板式换热器或加热夹层。
干化方式还可采用热泵低温干化，即干化室通过连接热泵室实现低温干化，热泵室包括高温烟气入口Ⅱ、低温烟气出口、湿冷空气入口、干热空气出口、烟气换热器、冷凝水出口、循环空气管道和热泵，热泵由翅片式蒸发器、压缩机、翅片式冷凝器、节流阀和工作介质管道组成；
来自热解室换热装置出口的高温烟气通过高温烟气入口II进入热泵室后经烟气换热器后从低温烟气出口排出，并流至光催化反应器；
干化室内湿冷空气通过气泵经湿冷空气入口进入热泵室的循环空气管道，在烟气换热器中与高温烟气入口II内进入的高温烟气换热后沿循环空气管道依次经过翅片式蒸发器、翅片式冷凝器后通过干热空气出口送至干化室；
热泵内介质沿工作介质管道，经压缩机后进入翅片式冷凝器，再经节流阀后进入翅片式蒸发器。
尿液暂存室内设置搅拌器，尿液暂存室底部为粪便生物炭储室，尿液暂存室上部留有尿液入口和初级净水出口。
光催化反应器包括紫外灯管、光触媒涂层外筒和光触媒涂层内筒，
光催化反应器上部留有冲厕水出口，底部一侧留有初级净水入口，底部侧面设置废气入口，光催化反应器底部中心留有不凝气出口，光催化反应器内套设光触媒涂层外筒和光触媒涂层内筒，光触媒涂层外筒的上端与光催化反应器的顶端相连，光触媒涂层内筒的下端与光催化反应器的底端相连，光触媒涂层外筒和光触媒涂层内筒之间布置紫外灯管；紫外灯管通过导线连接蓄电池。
进一步的，光触媒涂层外筒的上端与光催化反应器的顶端相连，光触媒涂层内筒的下端与光催化反应器的底端相连，紫外灯管数量为4-8根。
该***的应用方法，包括粪尿分离、粪便干化热解、尿液烟气处理三个过程，具体如下：
粪尿分离：如厕后，尿液快速通过位于便池最低处的带滤网渗水孔，流入尿液暂存室中，带滤网渗水孔处的滤网将成型的粪便阻挡，***物落在滑动板上；用脚推动位于便池前方的踩推板，带动下方脚踩滑动式连杆及脚踩滑动式连杆末端的滑动板移开，***物从滑动板掉落至干化室的粉碎间，按动冲厕水箱上的按钮，水箱中的水冲洗便池后进入尿液暂存室中；
粪便干化热解：高温烟气经配风***调成合适温度后经高温烟气入口I、带筛孔分散轮以及带筛孔分散轮与干化室内壁之间的间隙向干化室的粉碎间输入，且在粉碎间形成涡流，将进入粉碎间的大块粪便送到粉碎刀上反复粉碎，被粉碎并初步干化后的小粒径粪便从带筛孔分散轮的筛孔以及带筛孔分散轮与干化室内壁之间的间隙落入到热风间，被充分干化后从干化粪便出料口进入热解室，热解后制得粪便生物炭排出；热解气进入燃烧室与空气或辅助燃料混合燃烧，燃烧后的烟气通入热解的换热装置，给热解反应提供热量；烟气降温后再经配风***调节所需温度后送至干化室，给干化提供热量；完成粪便干化的烟气随同干化过程挥发出的有机物及水蒸气经带滤网废气出口排入光催化反应器；
第一传感器模块和第二传感器模块分别检测干化室和热解室的温度，根据需要，控制配风***、三通阀及气泵来调节干化室和换热装置中流过的烟气量，实现对干化室和热解室的温度调控和烟气余热的梯级利用；
尿液烟气处理：尿液暂存室中的粪便生物炭吸附尿液中的氮磷和有机物后，得到初级净水，初级净水经水泵抽至光催化反应器，在紫外灯管、光触媒涂层的作用下发生光催化降解反应后，成为无菌、无毒的净化水，由水泵压入冲厕水箱待用；
进入光催化反应器的废气在光触媒涂层外筒和光触媒涂层内筒形成的折流通道内由外向内通过，被初级净水充分吸收和冷凝后，剩余的不凝气被引入装有粪便生物炭的不凝气吸附塔净化后达标排放。
其中，烟气直接热干化粪便的温度为150℃～200℃，干化后粪便在热解温度低于550℃条件下进行低温热解，以生成固态的吸附能力较强的粪便生物炭为主；进一步的，热解条件为：升温速率10-20℃/min，热解温度300-550℃，热解时间40-80min。
热解产生的粪便生物炭从下端出料口中定期排出，用作尿液和不凝气的吸附剂；热解产生的气体经热解气出口进入燃烧室燃烧。
热解室产生的热解气与辅助燃料在燃烧室中经点火装置点燃燃烧，产生的高温烟气从换热装置下端的烟气入口流入，并从换热装置上端的烟气出口流出，完成对热解室的加热保温后，流入干化室对粪便进行直接干化；
所述辅助燃料为吸附不凝气后的饱和生物炭。
所述粪便干化过程还可通过热泵的制冷***使来自干化室的湿空气降温脱湿，从而省去辅助燃料的燃烧供热；
高温烟气经热解室换热装置上端流出后进入热泵室的烟气换热器，与循环空气管道中来自干化室下端的湿冷空气进行热交换，湿冷空气变为湿热空气后，流经热泵蒸发器时被热泵工作介质管道中的低温低压制冷剂吸热而降温，冷凝变为干冷空气，并排出大部分凝结水；而低温低压制冷剂变为高温低压制冷剂后再经压缩机压缩得到高温高压制冷剂；当脱湿降温后的干冷空气流经热泵冷凝器时，被热泵工作介质管道中高温高压制冷剂加热为干热空气又回到干化室继续干燥粪便。从冷凝器流出的低温高压制冷剂经节流阀降压后恢复为低温低压制冷剂流入蒸发器继续下一个循环；气泵使空气按一定方向在循环空气管内循环流动，使空气在干化室与热泵之间进行闭式循环，不断重复被冷却、加热、干化的过程；
所述用于干化粪便的干热空气温度为70-90℃；湿冷空气冷凝时释放大量潜热被制冷剂吸收，起到了余热回收的作用。
上述***的冲厕方式同正常厕所，按动冲厕水箱上的按钮、冲厕水经便池最低处的带滤网渗水孔流入尿液暂存室，经粪便生物炭吸附净化后可重复循环利用；冲厕水箱中的水达到一定水位后，可取出用于绿化、灌溉等；尿液暂存室中吸附饱和的粪便生物炭可取出用作氮磷含量丰富的缓释肥。
本***中的锥形太阳能板的光能利用率更高，不仅给紫外灯管供电，也给***内的搅拌器、旋转轴、气泵、水泵、热泵等供电。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)利用脚踏式滑板分离器实现粪便和尿液的简易分离，采用粪便热解生物炭吸附尿液、光催化消毒净化产水冲厕，并将热解气燃烧余热用于粪便的干化热解，将太阳能&蓄电池用于紫外灯管、气泵、水泵和搅拌机等的电能，形成自供水、自供能的冲厕新模式，特别适用于无排水管网且缺电的边远地区、旅游景点等地的粪便处理及资源化。
(2)利用带筛孔分散轮的高速旋转，以及干燥热风形成的涡流，将较大块粪便反复送到粉碎刀上进行粉碎，形成的涡流还使物料的分散性好，干燥效率高，且可以杜绝物料附着在干化室内壁上的情况；粉碎并初步干化后的小粒径粪便通过分散轮上的筛孔以及分散轮与干化室内壁之间的间隙落入到热风间进一步干燥，实现粪便粉碎和干燥一体化。
(3)本发明采用550℃以下的低温热解粪便，此时产物以固体的粪便生物炭为主，且在低升温速度条件下，挥发气体在热解室停留时间较长，且气态组份与固体多有二次反应发生，强化了炭的生产过程，且比相同量粪便干化后直接燃烧所产烟气量大幅减少，从而使NOx、SO2等大气污染物的排放大幅减少；得到的粪便生物炭还可吸附尿液中的氮磷钾等物质，吸附饱和后可取出作为氮磷含量丰富的缓释肥使用。
(4)来自干化室的废气(烟气/水蒸气等)和来自尿液暂存室的“初级净水”在光催化反应器内混合，废气被“初级净水”吸收并冷凝，“初级净水”中剩余的NH4 +与废气溶于水中的CO3 2-、HCO3 -、NO3 -和SO4 2-形成(NH4)2CO3、NH4HCO3、 NH4NO3和NH4SO4等液肥成分,其他的有机污染物在紫外光强度与光触媒涂层的光催化作用下被有效去除。光催化反应器通过光触媒涂层内外筒形成废气的折流通道，与非折流式反应器相比，废气在光催化反应器中停留时间长，被“初级净水”充分吸收，带有余热的废气有助于杀灭“初级净水”中残留的细菌、病毒。此外，光催化反应还能消除废气冷凝水和“初级净水”中残留的臭味物质和其他污染物，处理后的“净化水”可回用冲厕、绿化、灌溉等，由于无需引自来水或天然水冲厕，不仅大大节省了水资源，还实现了废气和尿液的协同处理。
(5)本发明与常规热解***相比，热利用效率大大提高：热解室中的热解气不冷却直接抽至燃烧室燃烧，避免了焦油副产物的产生；不凝气吸附饱和的粪便生物炭具有一定热值，可作为燃烧室辅助燃料，且燃烧烟气通过换热装置为热解室供热，换热后的烟气再进入干化室为干燥粪便直接提供热风，实现了高温烟气的梯级利用。
(6)利用热解烟气直接热干化粪便时，所需能耗比热解气燃烧放出的能量大，必须补充辅助燃料燃烧供热，但采用热泵低温干化时能节省大量能耗，可替代辅助燃料的燃烧供热。热泵除湿干化与传统热风干化的区别在于空气循环方式不同，干化室空气降湿的方式也不同，它利用热泵的制冷***使来自干化室的湿空气降温脱湿，可回收粪便干化过程中水分凝结时所放出的大量潜热以及循环空气降温时所释放的热量，实现余热回收，比一般烟气直接热干化能耗减少70％以上；同时，由于粪便中的大部分的水分被凝结，进一步降低了废气的产生量，比直接热干化减少废气产生量80％以上。
(7)本发明与好氧堆肥等生物法处理粪便相比，装置占地面积小，处理速度快、效率高，操作简单，能将粪尿转化为生物炭肥、冲厕水和绿化灌溉用水，实现了粪尿的无害化、资源化、以及污染物的零排放。
附图说明
图1为本发明的太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***结构示意图；
图2为本发明的太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***的粪尿分离单元结构示意图；
图3为本发明的太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***的干化室俯视图；
图4为本发明的太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***的热解室结构示意图；
图5为本发明的太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***的光催化净化室结构示意图；
图6为本发明的太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***的光催化净化室俯视图；
图7为本发明的太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***的热泵室结构示意图；
图8为本发明的太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***的利用热泵和太阳能的粪便干化单元结构示意图；
图9为本发明的太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***应用方法的工艺流程图。
其中：1-脚踏滑板式分离器、101-滑动板、102-复位弹簧、103-脚踩滑动式连杆、104-踩推板、105-带滤网渗水孔、106-便池；
2-干化室、201-带筛孔分散轮、202-粉碎刀、203-高温烟气入口I、204- 粪便进料口、205-干化粪便出料口、206-带滤网废气出口、207-第一传感器模块、208-旋转轴、209-粉碎间、210-热风间、211-干热空气入口；
3-热解室、301-干化粪便进料口、302-粪便生物炭出料口、303-热解气出口、304-换热装置、305-换热装置烟气入口、306-换热装置烟气出口、307-第二传感器模块；
4-尿液暂存室；5-搅拌器；6-粪便生物炭储室；
7-光催化反应器、701-紫外灯管、702-光触媒涂层外筒、703-光触媒涂层内筒；801-锥形太阳能板、802-蓄电池、803-导线；901-尿液入口、902-初级净水出口；10-初级净水入口；11-冲厕水出口；
12-水泵；13-冲厕水箱；
14-燃烧室；15-点火装置；16-三通阀；17-气泵；
18-废气入口；19-不凝气出口；20-不凝气吸附塔；21-配风***；
22-热泵室、221-高温烟气入口Ⅱ、222-低温烟气出口、223-湿冷空气入口、224-干热空气出口、225-烟气换热器、226-冷凝水出口、227-翅片式蒸发器、228-压缩机、229-翅片式冷凝器、230-节流阀、231-循环空气管道、232- 工作介质管道。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***及方法。
如图1所示，该***包括粪尿分离单元、粪便干化热解单元、燃烧供热单元和尿液烟气处理单元；
其中，粪尿分离单元包括脚踏滑板式分离器1和便池106；
粪便干化热解单元包括干化室2和热解室3；
燃烧供热单元包括燃烧室14和配风***21；
尿液烟气处理单元包括尿液暂存室4、光催化反应器7、锥形太阳能板801 和不凝气吸附塔20；
便池106底部设置脚踏滑板式分离器1，便池106连接冲厕水箱13；
脚踏滑板式分离器1下部分别连接干化室2和尿液暂存室4；
干化室2中干化后的物料进入热解室3，干化室2通过配风***21输入热烟气，废气进入光催化反应器7，热解室3通过三通阀16连接燃烧室14和配风***21；
尿液暂存室4将尿液处理后得到的初级净水进入光催化反应器7，经光催化反应器7处理后返回冲厕水箱13，光催化反应器7内的不凝气进入不凝气吸收塔20，光催化反应器7由蓄电池802供电，蓄电池802由锥形太阳能板 801充电。
如图2所示，脚踏滑板式分离器1包括滑动板101、复位弹簧102、脚踏滑动式连杆103、踩推板104和带滤网渗水孔105，
带滤网渗水孔105位于便池106最低处，且竖直设置，带滤网渗水孔105 一侧为尿液出口，另一侧设置滑动板101，滑动板101通过复位弹簧102连接脚踏滑动式连杆103，脚踏滑动式连杆103连接地面上的踩推板104。
如图3所示，干化室2包括带筛孔分散轮201、粉碎刀202、高温烟气入口I 203、粪便进料口204、干化粪便出料口205、带滤网废气出口206、第一传感器模块207、旋转轴208、粉碎间209和热风间210，
干化室2上部为粉碎间209，下部为热风间210，通过带筛孔分散轮201 分隔，带筛孔分散轮201的筛孔直径为5-10mm，带筛孔分散轮201与干化室 2内壁有5-10mm间隙；干化室2内壁安装第一传感器模块207，用于检测干化室2内温度；粉碎间209顶部留有粪便进料口204，粉碎间209上部侧面留有带滤网废气出口206，带筛孔分散轮201中心连接旋转轴208，带筛孔分散轮201上均匀布置粉碎刀202；热风间210留有高温烟气入口I 203，热风间210 底部设置干化粪便出料口205。
如图4所示，热解室3包括干化粪便进料口301、粪便生物炭出料口302、热解气出口303、换热装置304、换热装置烟气入口305、换热装置烟气出口 306和第二传感器模块307，
热解室3顶部设置干化粪便进料口301和热解气出口303，底部设置粪便生物炭出料口302，热解室3内设置换热装置304，换热装置304下部设置换热装置烟气入口305，上部设置换热装置烟气出口306，热解室3内壁安装第二传感器模块307，用于检测热解室3内温度。
尿液暂存室4内设置搅拌器5，尿液暂存室4底部为粪便生物炭储室6，尿液暂存室4上部留有尿液入口901和初级净水出口902。
如图5和图6所示，光催化反应器7包括紫外灯管701、光触媒涂层外筒 702和光触媒涂层内筒703，
光催化反应器7上部留有冲厕水出口11，底部一侧留有初级净水入口10，底部侧面设置废气入口18，光催化反应器7底部中心留有不凝气出口19，光催化反应器7内套设光触媒涂层外筒702和光触媒涂层内筒703，光触媒涂层外筒702和光触媒涂层内筒703之间布置紫外灯管701；紫外灯管701通过导线803连接蓄电池802。
光触媒涂层外筒702的上端与光催化反应器7的顶端相连，光触媒涂层内筒703的下端与光催化反应器7的底端相连，紫外灯管数量为4-8根。
该***的应用方法，包括粪尿分离、粪便干化热解、尿液烟气处理三个过程，具体如下：
粪尿分离：如厕后，尿液快速通过位于便池106最低处的带滤网渗水孔 105，流入尿液暂存室4中，带滤网渗水孔105处的滤网将成型的粪便阻挡，***物落在滑动板101上；用脚推动位于便池106前方的踩推板104，带动下方脚踩滑动式连杆103及脚踩滑动式连杆103末端的滑动板101移开，***物从滑动板101掉落至干化室2的粉碎间209，按动冲厕水箱13上的按钮，水箱中的水冲洗便池106后进入尿液暂存室4中；
粪便干化热解：高温烟气经配风***21调成合适温度后经高温烟气入口I 203、带筛孔分散轮201以及带筛孔分散轮201与干化室2内壁之间的间隙向干化室的粉碎间209输入，且在粉碎间形成涡流，将进入粉碎间的大块粪便送到粉碎刀202上反复粉碎，被粉碎并初步干化后的小粒径粪便从带筛孔分散轮201的筛孔以及带筛孔分散轮与干化室内壁之间的间隙落入到热风间210，被充分干化后从干化粪便出料口205进入热解室3，热解后制得粪便生物炭排出；热解气进入燃烧室14与空气或辅助燃料混合燃烧，燃烧后的烟气通入热解室3的换热装置304，给热解反应提供热量；烟气降温后再经配风***21调节所需温度后送至干化室2，给干化提供热量；完成粪便干化的烟气随同干化过程挥发出的有机物及水蒸气经带滤网废气出口206排入光催化反应器7；
尿液烟气处理：尿液暂存室4中的粪便生物炭吸附尿液中的氮磷和有机物后，得到初级净水，初级净水经水泵抽至光催化反应器7，在紫外灯管701、光触媒涂层的作用下发生光催化降解反应后，成为无菌、无毒的净化水，由水泵12压入冲厕水箱13待用；
进入光催化反应器7的废气在光触媒涂层外筒702和光触媒涂层内筒703 形成的折流通道内由外向内通过，被初级净水充分吸收和冷凝后，剩余的不凝气被引入装有粪便生物炭的不凝气吸附塔20净化后达标排放。
热解室产生的热解气与辅助燃料在燃烧室中经点火装置15点燃燃烧，产生的高温烟气从换热装置下端的换热装置烟气入口305流入，并从换热装置上端的换热装置烟气出口306流出，完成对热解室3的加热保温后，流入干化室 2对粪便进行直接热干化；
所述辅助燃料为吸附不凝气后的饱和生物炭等。
上述粪便干化过程还可通过热泵的制冷***使来自干化室2的湿空气降温脱湿，从而省去辅助燃料的燃烧供热；
如图7所示，热泵室22包括高温烟气Ⅱ入口221、低温烟气出口222、湿冷空气入口223、干热空气出口224、烟气换热器225、冷凝水出口226、循环空气管道231和热泵，热泵由翅片式蒸发器227、压缩机228、翅片式冷凝器 229、节流阀230和工作介质管道232组成；
如图8所示，来自热解室3换热装置出口304的高温烟气通过高温烟气入口Ⅱ221进入热泵室3后经烟气换热器225后从低温烟气出口222排出，并流至光催化反应器7；
干化室2内湿冷空气通过气泵17经湿冷空气入口223进入热泵室的循环空气管道231，在烟气换热器225中与高温烟气入口II内进入的高温烟气换热后沿循环空气管道231依次经过翅片式蒸发器227、翅片式冷凝器229后通过干热空气出口224送至干化室2的干热空气入口211；
热泵内介质沿工作介质管道232，经压缩机228后进入翅片式冷凝器229，再经节流阀230后进入翅片式蒸发器227。
在实际应用中，高温烟气经热解室3换热装置304上端流出后进入热泵室 22的烟气，与循环空气管道231中来自干化室2下端的湿冷空气进行热交换，湿冷空气变为湿热空气后，流经热泵翅片式蒸发器227时被热泵工作介质管道 232中的低温低压制冷剂吸热而降温、冷凝变为干冷空气，并排出大部分凝结水；而低温低压制冷剂，因吸热由液态变为高温低压制冷剂后再经压缩机228 压缩得到的高温高压制冷剂；当脱湿降温后的干冷空气流经热泵翅片式冷凝器 229时，被热泵工作介质管道232中高温高压制冷剂加热变为干热空气又回到干化室2继续干化粪便。从翅片式冷凝器229流出的低温高压制冷剂经节流阀 230降压后恢复为低温低压制冷剂流入翅片式蒸发器227继续下一个循环；气泵17使空气按一定方向在循环空气管道231内循环流动，使空气在干化室2 与热泵之间进行闭式循环，不断重复被冷却、加热、干化的过程。
所述用于干化粪便的干热空气温度为70-90℃；湿热空气冷凝时释放大量潜热被制冷剂吸收，起到了余热回收的作用。
下面结合具体实施过程予以说明。
实施例1
太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕的方法，主要包括以下步骤：
(1)300kg含水率70％的粪便从粪便进料口204落入干化室2，在150℃烟气余热的作用下被干化至含水率10％；干化过程挥发出的有机物及水蒸气随同烟气一起由废气入口18引入光催化反应器7中降温后成为液态水。
(2)干化后的粪便经干化粪便出料口205进入热解室3，在热解速率 15℃/min，热解温度500℃，热解60min后，得到33.1kg粪便生物炭，其生物炭产率为36.74％(干重计)，热值约为12.4MJ/kg；
烟气直接热干化-热解过程耗能701MJ，而热解气燃烧供能415MJ，不足能量需燃烧23.1kg粪便生物炭(辅助燃料)加以补充；
热解产生的主要气体CO2、H2、CO、CH4产率分别为9.2mol/kg、8.1mol/kg、 3.8mol/kg和5.9mol/kg，干化废气与热解气燃烧烟气量之482Nm3，补充的辅助燃料燃烧所产的烟气量为51.6Nm3；
(3)粪便生物炭放入尿液暂存室4中，对尿液中的氮磷和有机物进行吸附，经吸附后的上层尿液成为“初级净水”，经初净水入口10进入光催化反应器7进一步处理、消毒后成为“净化水”，通过水泵12抽至冲厕水箱13，按动按钮即可用于冲厕；当冲厕水多余时，可抽出用于绿化、灌溉用水。烟气和干化过程挥发出的有机物及水蒸气也通过废气入口18进入光催化反应器7，废气溶于水中的CO3 2-、HCO3 -、NO3 -和SO4 2-形成(NH4)2CO3、NH4HCO3、NH4NO3和NH4SO4等液肥成分,其他的有机污染物在紫外光强度与光触媒涂层的光催化作用下被有效去除，剩余不凝气可用热解制成的生物炭吸附净化后排放。
实施例2
太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕的方法，主要包括以下步骤：
(1)300kg含水率70％的粪便从粪便进料口204落入干化室2，采用热泵制冷***使来自干化室2的湿空气降温脱湿，从而省去辅助燃料的燃烧供热；工作介质管道232中的制冷剂重复低温低压液态→高温低压气态(蒸发器227) →高温高压气态(压缩机228)→低温高压液态(翅片式冷凝器229)→低温低压液态(节流阀230)的状态变化；而循环空气管道231中的空气重复湿冷空气(从湿冷空气入口223流入)→湿热空气(烟气换热器225)→干冷空气 (翅片式蒸发器227)→干热空气(翅片式冷凝器229)→从干热空气出口224 流至干化室的过程，使空气在干化室2与热泵之间进行闭式循环，从而不断被冷却、加热、干化，最终将粪便含水率降低至含水率10％；用于干化粪便的干热空气温度为90℃；
(2)干化后的物料经干化粪便出料口205进入热解室3，在热解速率 15℃/min，热解温度500℃，热解60min，后，得到33.1kg粪便生物炭，其生物炭产率为36.7％(干重计)，热值约为12.4MJ/kg；由热解气燃烧产生的高温烟气维持热解温度，并通过烟气换热器225为热泵室循环空气管道231 的空气加热。
由于粪便干化过程的水分所带的热量被热泵制冷剂回收并利用，热泵低温干化-热解过程耗能199MJ，而热解气燃烧供能415MJ，故供热满足耗能需求，不需辅助燃料补充供热；与烟气直接热干化相比，能耗减少71.6％，热泵回收能量44.3MJ。
由于干化过程产生的废气通过热泵冷凝，仅热解气燃烧产生的烟气量为 233Nm3,比实施例1的烟气直接热干化方式减少56.4％；
(3)热泵室产生的冷凝水和低温烟气分别从冷凝水出口226和低温烟气出口222流入光催化反应器7，与实施例1的光催化处理方式相同；尿液的处理也与实施例1的处理方式相同。
实施例3
太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕的方法，主要包括以下步骤：
(1)300kg含水率70％粪便的干化过程与实施例1相同。
(2)干化后的粪便经干化粪便出料口205进入热解室3，在热解速率 10℃/min，热解温度350℃，热解60min后，得到51.8kg粪便生物炭，其生物炭产率为57.50％(干重计)，热值约为12.4MJ/kg；
烟气直接热干化-热解过程耗能690MJ，而热解气燃烧供能378MJ，不足能量需燃烧25.2kg粪便生物炭(辅助燃料)加以补充；干化废气与热解气燃烧烟气量之和为461Nm3，补充的辅助燃料燃烧所产的烟气量为56.4Nm3；
(3)烟气和干化过程挥发的有机物和水蒸气通过废气入口18进入光催化反应器7，与实施例1的光催化处理方式相同；尿液的处理也与实施例1的处理方式相同。
实施例4
太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕的方法，主要包括以下步骤：
(1)300kg含水率70％粪便的干化过程与实施例2相同；
(2)干化后的物料经干化粪便出料口205进入热解室3，在热解速率 10℃/min，热解温度350℃，热解60min后，得到51.8kg粪便生物炭，其生物炭产率为57.50％(干重计)，热值约为12.4MJ/kg；由热解气燃烧产生的高温烟气维持热解温度，并通过烟气换热器225为热泵室循环空气管道231的湿冷空气加热。
由于粪便干化过程的水分所带的热量被热泵制冷剂回收，热泵低温干化- 热解过程耗能152MJ，而热解气燃烧供能378MJ，故供热满足耗能需求，不需辅助燃料补充供热；与烟气直接热干化相比，能耗减少78.0％，热泵回收能量42.5MJ。
由于干化过程产生的废气通过热泵冷凝，仅热解气燃烧产生的烟气产生量为212Nm3,比实施例3的烟气直接热干化方式减少59.0％；
(3)热泵室产生的冷凝水和低温烟气分别从冷凝水出口226和低温烟气出口222流入光催化反应器7，与实施例1的光催化处理方式相同；尿液的处理也与实施例1的处理方式相同。
表1两种干化方式的烟气产生量与能耗的对比
Figure BDA0003519145390000151
本发明提供的一整套太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***，其工艺流程如图9所示：粪便和尿液通过脚踏式滑板分离器实现简易分离，粪便通过烟气直接热干化或热泵低温干化后，热解制得固体产物—粪便生物炭，热解得到的气体燃烧产生高温烟气(热解气不够时可用吸附饱和生物炭作辅助燃料)；高温烟气为热解或干化过程提供所需能量，产生的废气(含余热烟气和干化过程挥发出的有机物及水蒸气)经光催化反应器中的“初级净水”吸收，被冷凝成液体，剩余极少量的不凝气通过粪便生物炭吸附后排放；尿液通过尿液暂存室中粪便生物炭吸附氮磷等物质后，进入光催化反应室，通过发生光催化降解、与废气溶于水中物质的中和反应等，得到无病菌、无毒的“净化水”、用于冲厕、绿化和灌溉；将太阳能&蓄电池用于紫外灯管、气泵、水泵、搅拌机和热泵等的电能，形成自供水、自供能的冲厕新模式，既解决了座便器或蹲便器表面残留的脏污和臭味问题，又实现了无排水管网且缺电的边远地区、旅游景点等地的粪尿处理和资源化利用。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***，其特征在于，包括粪尿分离单元、粪便干化热解单元、燃烧供热单元和尿液烟气处理单元；
其中，粪尿分离单元包括脚踏滑板式分离器和便池；
粪便干化热解单元包括干化室和热解室；
燃烧供热单元包括燃烧室和配风***；
尿液烟气处理单元包括尿液暂存室、光催化反应器、锥形太阳能板和不凝气吸附塔；
便池底部设置脚踏滑板式分离器，便池连接冲厕水箱；
脚踏滑板式分离器下部分别连接干化室和尿液暂存室；
干化室中干化后的物料进入热解室，干化室通过配风***输入热烟气，废气进入光催化反应器，热解室通过三通阀连接燃烧室和配风***；
尿液暂存室将尿液处理后得到的初级净水进入光催化反应器，经光催化反应器处理后返回冲厕水箱，光催化反应器内的不凝气进入不凝气吸收塔，光催化反应器由蓄电池供电，蓄电池由锥形太阳能板充电。
2.根据权利要求1所述的太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***，其特征在于，所述脚踏滑板式分离器包括滑动板、复位弹簧、脚踏滑动式连杆、踩推板和带滤网渗水孔，
带滤网渗水孔位于便池最低处，且竖直设置，带滤网渗水孔一侧为尿液出口，另一侧设置滑动板，滑动板通过复位弹簧连接脚踏滑动式连杆，脚踏滑动式连杆连接地面上的踩推板。
3.根据权利要求1所述的太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***，其特征在于，所述干化室包括带筛孔分散轮、粉碎刀、高温烟气入口I、粪便进料口、干化粪便出料口、带滤网废气出口、第一传感器模块、旋转轴、粉碎间和热风间，
干化室上部为粉碎间，下部为热风间，通过带筛孔分散轮分隔，带筛孔分散轮的筛孔直径为5-10mm，带筛孔分散轮与干化室内壁有5-10mm间隙；干化室内壁安装第一传感器模块，用于检测干化室内温度；粉碎间顶部留有粪便进料口，粉碎间上部侧面留有带滤网废气出口，带筛孔分散轮中心连接旋转轴，带筛孔分散轮上均匀布置粉碎刀；热风间留有高温烟气入口I，热风间底部设置干化粪便出料口。
4.根据权利要求1所述的太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***，其特征在于，所述热解室包括干化粪便进料口、粪便生物炭出料口、热解气出口、换热装置、换热装置烟气入口、换热装置烟气出口和第二传感器模块，
热解室顶部设置干化粪便进料口和热解气出口，底部设置粪便生物炭出料口，热解室内设置换热装置，换热装置下部设置换热装置烟气入口，上部设置换热装置烟气出口，热解室内壁安装第二传感器模块，用于检测热解室内温度。
5.根据权利要求1所述的太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***，其特征在于，所述干化室通过连接热泵室实现低温干化，热泵室包括高温烟气入口Ⅱ、低温烟气出口、湿冷空气入口、干热空气出口、烟气换热器、冷凝水出口、循环空气管道和热泵，热泵由翅片式蒸发器、压缩机、翅片式冷凝器、节流阀和工作介质管道组成；
来自热解室换热装置出口的高温烟气通过高温烟气入口II进入热泵室后经烟气换热器后从低温烟气出口排出，并流至光催化反应器；
干化室内湿冷空气通过气泵经湿冷空气入口进入热泵室的循环空气管道，在烟气换热器中与高温烟气入口II内进入的高温烟气换热后沿循环空气管道依次经过翅片式蒸发器、翅片式冷凝器后通过干热空气出口送至干化室；
热泵内介质沿工作介质管道，经压缩机后进入翅片式冷凝器，再经节流阀后进入翅片式蒸发器。
6.根据权利要求1所述的太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***，其特征在于，所述尿液暂存室内设置搅拌器，尿液暂存室底部为粪便生物炭储室，尿液暂存室上部留有尿液入口和初级净水出口。
7.根据权利要求1所述的太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***，其特征在于，所述光催化反应器包括紫外灯管、光触媒涂层外筒和光触媒涂层内筒，
光催化反应器上部留有冲厕水出口，底部一侧留有初级净水入口，底部侧面设置废气入口，光催化反应器底部中心留有不凝气出口，光催化反应器内套设光触媒涂层外筒和光触媒涂层内筒，光触媒涂层外筒的上端与光催化反应器的顶端相连，光触媒涂层内筒的下端与光催化反应器的底端相连，光触媒涂层外筒和光触媒涂层内筒之间布置紫外灯管，紫外灯管数量为4-8根；紫外灯管通过导线连接蓄电池。
8.根据权利要求1所述的太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***的应用方法，其特征在于，包括粪尿分离、粪便干化热解、尿液烟气处理三个过程，具体如下：
粪尿分离：如厕后，尿液快速通过位于便池最低处的带滤网渗水孔，流入尿液暂存室中，带滤网渗水孔处的滤网将成型的粪便阻挡，***物落在滑动板上；用脚推动位于便池前方的踩推板，带动下方脚踩滑动式连杆及脚踩滑动式连杆末端的滑动板移开，***物从滑动板掉落至干化室的粉碎间，按动冲厕水箱上的按钮，水箱中的水冲洗便池后进入尿液暂存室中；
粪便干化热解：高温烟气经配风***调成合适温度后经高温烟气入口I、带筛孔分散轮以及带筛孔分散轮与干化室内壁之间的间隙向干化室的粉碎间输入，且在粉碎间形成涡流，将进入粉碎间的大块粪便送到粉碎刀上反复粉碎，被粉碎并初步干化后的小粒径粪便从带筛孔分散轮的筛孔以及带筛孔分散轮与干化室内壁之间的间隙落入到热风间，被充分干化后从干化粪便出料口进入热解室，热解后制得粪便生物炭排出；热解气进入燃烧室与空气或辅助燃料混合燃烧，燃烧后的烟气通入热解室的换热装置，给热解反应提供热量；烟气降温后再经配风***调节所需温度后送至干化室，给干化提供热量；
尿液烟气处理：尿液暂存室中的粪便生物炭吸附尿液中的氮磷和有机物后，得到初级净水，初级净水经水泵抽至光催化反应器，在紫外灯管、光触媒涂层的作用下发生光催化降解反应后，成为无菌、无毒的净化水，由水泵压入冲厕水箱待用；
进入光催化反应器的废气在光触媒涂层外筒和光触媒涂层内筒形成的折流通道内由外向内通过，被初级净水充分吸收和冷凝后，剩余的不凝气被引入装有粪便生物炭的不凝气吸附塔净化后达标排放。
9.根据权利要求8所述的太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***的应用方法，其特征在于，所述烟气直接热干化温度为150℃～200℃；完成粪便干化的烟气随同干化过程挥发出的有机物及水蒸气经带滤网废气出口排入光催化反应器；
所述干化粪便热解条件为：升温速率10-20℃/min，热解温度300-550℃，热解时间40-80min；
所述热解室产生的热解气与辅助燃料在燃烧室中经点火装置点燃燃烧，产生的高温烟气从换热装置下端的烟气入口流入，并从换热装置上端的烟气出口流出，完成对热解室的加热保温后，流入干化室对粪便进行直接干化；
所述辅助燃料为吸附不凝气后的饱和生物炭。
10.根据权利要求8所述的太阳能协同热解余热制粪便生物炭及产水冲厕***的应用方法，其特征在于，所述粪便干化热解中，粪便干化过程通过热泵的制冷***使来自干化室的湿空气降温脱湿，从而省去辅助燃料的燃烧供热；
所述用于干化粪便的干热空气温度为70-90℃。
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