CN101581451B - 一种生活垃圾近零排放的热处理工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固体废弃物热处理领域的一种实现生活垃圾近零排放的热处理工艺及装置。该装置由垃圾气化器(a)、置换燃烧器(b)和金属氧化物再生器(c)三个流化床并联组成，以及分别与所述各个流化床相连的旋风分离器(d)、旋风分离器(e)、旋风分离器(f)，和用于处理尾气的冷凝器(g)和气体分离器(h)。所述热处理工艺采用并行循环流化床和置换反应方式，以空气或水蒸气作为流化介质，生成富氢可燃气体，提高了系统产物的附加值；同时系统产出高浓度CO₂，从而实现CO₂的单独收集以及可燃气体的直接或后续利用，降低成本，实现了生活垃圾热处理方式的近零排放。

Description

一种生活垃圾近零排放的热处理工艺及装置

技术领域

本发明涉及固体废弃物的热处理领域，尤其涉及一种生活垃圾近零排放的热处理工艺及装置，适用于不同规模城市的生活垃圾的处理。

背景技术

随着经济的高速增长和生活水平的不断提高，城市固体废物的产量不断增加。城市生活垃圾已被公认为是一种污染源，是城市公害之一。全国大、中、小城市(镇)的生活垃圾年产量接近2亿吨。生活垃圾给环境带来极大的破坏并直接威胁人类的健康与生存。

目前对城市垃圾的处理主要有以下几种方法：

(1)填埋法

该法的主要优点是建厂费用与运行费用相对较低，特别是在土地资源丰富的国家和地区，这种方法的优越性比较突出，应用也比较普遍；其主要缺点是占地面积大和存在渗滤液问题，同时由于环保方面要求，填埋场选址比较困难，建场投资增大。

(2)焚烧法

焚烧法能够最大限度地实现生活垃圾的减量化、无害化和资源化，而且具有占用土地资源最少的优点。最主要问题是焚烧排出的飞灰、酸性气体、重金属和二噁英有可能会造成二次污染。

(3)堆肥法堆肥法可生产出含腐殖质较高的肥料。缺点是堆肥养分含量不高，难以适应种植要求；另外生活垃圾成分复杂，其中非堆肥物比较多，可能造成二次污染。

(4)热解技术

生活垃圾的热解技术是利用高温裂解的方法使废物完成干燥、热解、熔融或燃烧的过程。该方法的优点是：能处理不适于焚烧和填埋的难处理物；生活垃圾与废塑料的热解可以得到多种有用的物质，包括可燃性的气体或液体，最后的固态产物中的一部分可以直接作为化工合成原料，一部分可以作为优良的辅助燃料，但是热解技术对燃料热值有一定的限制。

中国专利00130725.8(发明名称：生活垃圾气化制备燃料气的方法及复合式气化反应器)无法有效避免CO₂排放。

发明内容

本发明的目的在于克服现有垃圾处理工艺的不足，而提出一种实现生活垃圾近零排放的热处理工艺及装置。

所述的一种实现生活垃圾近零排放的热处理装置由垃圾气化器a、置换燃烧器b和金属氧化物再生器c三个流化床并联组成，其中，垃圾气化器a上部出口连接第一旋风分离器d，垃圾气化器a的中下部经过第七连接管道8和第二旋风分离器e的回料腿相连通，所述置换燃烧器b的上部经过第六连接管道7连接第二旋风分离器e，置换燃烧器b的中部两侧分别与第一旋风分离器d的回料腿和第三旋风分离器f的回料腿相连通，置换燃烧器b的中下部通过溢流管16与金属氧化物再生器c相连通，所述金属氧化物再生器c上部出口通过第十二连接管道13连接第三旋风分离器f，气体分离器h通过第四连接管道5连接第一旋风分离器d和通过物流管道17与置换燃烧器b连接；第二旋风分离器e的气侧出口经过第八连接管道9与冷凝器g连通，第三旋风分离器f的气侧出口连接余热利用装置或排空装置15。

所述三个流化床还包括位于流化床下部的布风板，即垃圾气化器a还包括第一布风板19、置换燃烧器b还包括第二布风板20、和金属氧化物再生器c还包括第三布风板21；

所述第一布风板19的侧面还开有垃圾入料口1，用于送入生活垃圾；

所述垃圾气化器a的底部与第一连接管道2相连，通入水蒸气或产品气；

所述置换燃烧器b的底部与第五连接管道6相连，通入水蒸气或产品气；

所述金属氧化物再生器c的底部与第十一连接管道12相连，通入空气。

所述热处理工艺采用并行循环流化床和置换反应方式，以空气作为流化介质，生成富氢可燃气体，提高了系统产物的附加值；同时系统产出浓度大于90％的高浓度CO₂，从而实现CO₂的单独收集以及可燃气体的直接或后续利用，降低成本，实现了生活垃圾近零排放的热处理；

具体工艺实现步骤如下：

将收集的生活垃圾由入料口1送入垃圾气化器布风板上部，水蒸气或产品气从第一连接管道2通入布风板底部，在500～1000℃的高温下发生气化反应，得到的气化产物由第二连接管道3进入第一旋风分离器d进行气固分离，未燃尽的焦炭和床料通过第三连接管道4进入置换燃烧器b，与床内的金属氧化物以及从底部由第五连接管道6通入的水蒸气或产品气发生反应，生成CO₂和水，后经第六连接管道7进入第二旋风分离器e，从第二旋风分离器e进入第八连接管道9内为CO₂和水蒸气的气体产物通过冷凝器g将CO₂分离出来，产出浓度大于90％的高浓度CO₂，从第九连接管道10输出，单独回收；通过冷凝器g分离出的冷却水进入第十连接管道11内，从第二旋风分离器e下部进入第七连接管道8内的固体被送入垃圾气化器a，同时将携带的热量提供给气化反应；置换燃烧器b中被还原的金属通过溢流管16被溢流至金属氧化物再生器c，与从第十一连接管道12的底部通入的空气进行氧化反应，再生的金属氧化物通过第三旋风分离器f被送回置换燃烧器b循环利用，从第三旋风分离器f进入第十四连接管道15内产物包含氧气和氮气，直接排放至大气或余热利用。

所述置换燃烧器内进行置换燃烧，实现产物气体中的CO₂分离，以及金属氧化物的循环利用。

所述垃圾气化器内的气化工作的工作压力0.01～10MPa，气化介质为水蒸气或产品气，空塔流速为0.1～10m/s。

所述置换燃烧器内燃烧温度为500～1200℃，工作压力0.01～10MPa，流化介质为水蒸气或产品气，空塔流速为0.1～10m/s。

所述金属氧化物再生器工作温度为500～1200℃，工作压力0.01～10MPa，流化介质为空气，空塔流速为0.1～10m/s。

所述金属氧化物为以下一种或几种载氧体：Fe-Ni-O复合载氧体，Fe-Ca-O复合载氧体，FeO，Fe₂O₃，Fe₃O₄，Ni₂O，CuO，Mn₃O₄，TiO₂，ZnO，CaO，CaCO₃，CaSO₄，ZrO₂，MgAl₂O₄。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明本工艺采用并行循环流化床和置换反应技术，利用空气或水蒸气或产品气作为流化介质，生成富氢可燃气体，提高了系统产物的附加值；同时系统产出高浓度CO₂，从而实现CO₂的单独收集以及可燃气体的直接或后续利用，在降低成本的同时实现了CO₂直接回收的垃圾燃烧处理。高浓度CO₂可以直接收集用于石油开采等用途，避免了直接排入大气，整个系统无有害或污染气体排出，基本实现了零排放。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明设计方法作进一步说明：

所述垃圾气化器内的气化工作的工作压力可以为1bar，2bar，3bar，5bar，10bar，20bar气化介质为水蒸气或产品气，空塔流速可以为0.1m/s，0.3m/s，0.5m/s，1m/s，5m/s，10m/s。

所述置换燃烧器内置换燃烧温度可以为600℃、800℃、900℃、1000℃、1200℃，工作压力可以为1bar，2bar，3bar，5bar，10bar，20bar流化介质为水蒸气或产品气，空塔流速可以为0.1m/s，0.3m/s，0.5m/s，1m/s，5m/s，10m/s。

所述金属氧化物再生器工作温度可以为600℃、800℃、900℃、1000℃、1200℃，工作压力可以为1bar，2bar，3bar，5bar，10bar，20bar流化介质为空气，空塔流速可以为0.1m/s，0.3m/s，0.5m/s，1m/s，5m/s，10m/s。

该系统装置包括：a垃圾气化器、b置换燃烧器、c金属氧化物再生器、d旋风分离器I、e旋风分离器II、f旋风分离器III、g冷凝器、h气体分离器

垃圾气化器采用流化床，入料口1是垃圾原料；第一连接管道2是空气，作为反应气化剂和流化介质从底部通入。该反应器主要进行垃圾在缺氧状态下的气化，工作温度500～900℃。在该反应器内，垃圾所经历的反应过程如下：首先垃圾中的水分在高温下迅速蒸发；垃圾中的有机成分温度升高至一定程度后发生高温热解，其中的挥发份逐步析出，挥发性气体包括CO、H₂、CH₄以及其它烃类成分；同时生成一定量的CO₂；同时固态垃圾中的部分碳元素与水蒸气也发生非均相反应生成中低热值气体；生成的CO₂与第二旋风分离器e捕集的CaO固体反应生成CaCO₃；第二连接管道3内的混合物流包含气体与粒径较小的固体颗粒(主要成分为反应剩余的焦炭和CaCO₃)，被输送至第一旋风分离器d，通过高效分离器的作用，第三连接管道4内的剩余焦炭以及CaCO₃混合物流被捕集进入置换燃烧器b，第四连接管道5内的产气则被输出进行后续处理和利用。在气化器内由于流化作用，固体颗粒在床内得到高强度的混合，停留时间比较长，有利于气固非均相反应的进行，所以该反应器内气化度以及CO₂的去除程度都很高。

置换燃烧器b内的过程如下：第五连接管道6内的流化介质采用水蒸气或部分产品气，第二连接管道3内的混合物流中的焦炭颗粒与金属氧化物(金属氧化物可以为CaO或Fe₂O₃或Fe₃O₄或Ni₂O等)反应，将金属氧化物还原，同时碳元素被氧化生成CO₂；第三连接管道4中的混合物流中的CaCO₃在高温缺氧条件下煅烧生成CaO与CO₂，CaO固体颗粒通过第二旋风分离器e再次进入反应器a作为CO₂吸收剂；反应器b的出口物流7包含的气体成分有CO₂和水蒸气，固体包括粒径较小的CaO和少量的金属以及金属氧化物。通过第二旋风分离器e后的第八连接管道9内的气体物流主要含有CO₂和水蒸气，经过冷凝器g的冷却作用，可以得到高浓度的CO₂气体直接收集加以利用，避免了温室气体直接排入大气；而第十连接管道11内的冷却水则可以接入系统的水循环系统继续利用。该反应器的燃烧过程不同于常规空气或氧气燃烧，固体焦炭与固体金属氧化物的反应活性相对较低，因此可以通入可燃气体(物流17，来自于产品气)增加系统反应活性。该反应器内还存在有大量的惰性床料(例如沙子)，可以将燃烧产生的热量携带至反应器a，为那里的气化反应提供所需热量，这样省去了外部供热所带来的成本增加。

金属氧化物再生器内过程如下：由于流态化的作用，反应器b中的固体颗粒物流16溢流入反应器c(主要成分为金属和金属氧化物)，在这里被管道12内的空气流再次氧化，实现金属氧化物的再生。第十二连接管道13内的再生的氧化剂与空气混合通过第三旋风分离器f的分离作用，再次进入置换燃烧器b中进行置换燃烧，而第三旋风分离器f的出口气体成分为大量的氮气以及少量未反应完的氧气，可以直接排入大气或用于余热利用。

整个系统的输入包括：垃圾原料、水蒸气和空气，避免了制取纯氧所需追加的设备投资；输出物流为：高浓度CO₂、氧气和氮气和产品气，其中产品气通过除焦、净化等后续加工可以用作多种用途例如化工原料和发电燃料等；高浓度CO₂可以直接收集用于石油开采等用途，避免了直接排入大气，整个系统无有害或污染气体排出，基本实现了零排放。

对于本工艺中的三个流化床反应器：

1)垃圾气化器，从流化床底部通入高温水蒸气或产品气，其作用有两个：①使反应器内的垃圾达到流态化，加强气固混合，从而有利于反应的进行；②作为垃圾热解的气化剂，反应得到所需要的产物气体。该系统的特点是不通入常规的氧化剂(空气或氧气)，这是由于：空气中含有大量的氮气，在气化过程中几乎不参加反应，这样会使其大量存在于尾气中，增加了尾气处理复杂性和系统成本；而使用纯氧作为气化剂则需要附加氧气制取系统，同样增加系统复杂性和建造成本。该反应器内气化过程所需要的热量由来自置换燃烧器内固体物料所具有的物理热。

2)置换燃烧器，不采用常规的空气或者氧气作为氧化剂，而采用金属氧化物作为氧化剂，其优势在于：同空气氧化剂相比，避免了反应产物CO₂与氮气的混合，有利于CO₂的分离提纯；同氧气作氧化剂相比，由于金属氧化物的循环利用，节省了由于制取大量氧气所需要的设备和成本。

3)金属氧化物再生器，通过气固分离器和置换燃烧器与金属氧化物再生器之间的溢流装置实现了金属氧化物和金属在两床之间的循环流通；底部通入的空气可以对被还原的金属进行氧化再生，进行循环利用；同时由于该氧化过程不是剧烈的燃烧反应，有效避免了氮气形成NOx而对大气造成的污染。

上述内容只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；但本发明的保护范围并不局限于上述内容，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内的基础上所做的任何方案的变形、变化或者替换，都应涵盖在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种生活垃圾近零排放的热处理装置，其特征在于，该装置由垃圾气化器(a)、置换燃烧器(b)和金属氧化物再生器(c)三个流化床并联组成，其中，垃圾气化器(a)上部出口连接第一旋风分离器(d)，垃圾气化器(a)的中下部和第二旋风分离器(e)的回料腿相连通，所述置换燃烧器(b)的上部连接第二旋风分离器(e)，置换燃烧器(b)的中部两侧分别与第一旋风分离器(d)的回料腿和第三旋风分离器(f)的回料腿相连通，置换燃烧器(b)的中下部通过溢流管(16)与金属氧化物再生器(c)相连通，所述金属氧化物再生器(c)上部出口连接第三旋风分离器(f)，气体分离器(h)通过第四连接管道(5)和物流管道(17)分别连接第一旋风分离器(d)和置换燃烧器(b)；第二旋风分离器(e)的气侧出口同冷凝器(g)连通，第三旋风分离器(f)的气侧出口连接余热利用装置或排空装置。

2.根据权利要求1所述的生活垃圾近零排放的热处理装置，其特征在于，所述三个流化床还包括位于流化床下部的布风板，即垃圾气化器(a)还包括第一布风板(19)、置换燃烧器(b)还包括第二布风板(20)、和金属氧化物再生器(c)还包括第三布风板(21)；

所述第一布风板(19)的侧面还开有垃圾入料口(1)，用于送入生活垃圾；

所述垃圾气化器(a)的底部与第一连接管道(2)相连，通入水蒸气或产品气；

所述置换燃烧器(b)的底部与第五连接管道(6)相连，通入水蒸气或产品气；

所述金属氧化物再生器(c)的底部与第十一连接管道(12)相连，通入空气。

3.一种生活垃圾近零排放的热处理工艺，其特征在于，所述热处理工艺采用并行循环流化床和置换反应方式，以空气或水蒸气或产品气作为流化介质，生成富氢可燃气体，提高了系统产物的附加值；同时系统产出浓度大于90％的CO2，从而实现CO2的单独收集以及可燃气体的直接或后续利用，降低成本，实现了生活垃圾近零排放的热处理；

具体工艺实现步骤如下：

将收集的生活垃圾由入料口(1)送入垃圾气化器布风板上部，水蒸气或产品气从第一连接管道(2)通入布风板底部，在500～1000℃的高温下发生气化反应，得到的气化产物由第二连接管道(3)进入第一旋风分离器(d)进行气固分离，未燃尽的焦炭和床料通过第三连接管道(4)进入置换燃烧器(b)，与置换燃烧器(b)内的金属氧化物以及从底部由第五连接管道(6)通入的水蒸气或产品气发生反应，生成CO2和水，后经第六连接管道(7)进入第二旋风分离器(e)，从第二旋风分离器(e)进入第八连接管道(9)内为CO2和水蒸气的气体产物通过冷凝器(g)将CO2分离出来，产出浓度大于90％的高浓度CO2，从第九连接管道(10)输出，单独回收；通过冷凝器(g)分离出的冷却水进入第十连接管道(11)内，从第二旋风分离器(e)下部进入第七连接管道(8)内的固体被送入垃圾气化器(a)，同时将携带的热量提供给气化反应；置换燃烧器(b)中被还原的金属通过溢流管(16)被溢流至金属氧化物再生器(c)，与从第十一连接管道(12)的底部通入的空气进行氧化反应，再生的金属氧化物通过第三旋风分离器(f)被送回置换燃烧器(b)循环利用，从第三旋风分离器(f)进入第十四连接管道(15)内产物包含氧气和氮气，直接排放至大气或余热利用。

4.根据权利要求3所述生活垃圾近零排放的热处理工艺，其特征在于，所述置换燃烧器内进行置换燃烧，实现产物气体中的CO2分离，以及金属氧化物的循环利用。

5.根据权利要求3所述生活垃圾近零排放的热处理工艺，其特征在于，所述垃圾气化器内的气化工作的工作压力0.01～10MPa，气化介质为水蒸气或产品气，空塔流速为0.1～10m/s。

6.根据权利要求3所述生活垃圾近零排放的热处理工艺，其特征在于，所述置换燃烧器内燃烧温度为500～1200℃，工作压力0.01～10MPa，流化介质为水蒸气或产品气，空塔流速为0.1～10m/s。

7.根据权利要求3所述生活垃圾近零排放的热处理工艺，其特征在于，所述金属氧化物再生器工作温度为500～1200℃，工作压力0.01～10MPa，流化介质为空气，空塔流速为0.1～10m/s。

8.根据权利要求3所述生活垃圾近零排放的热处理工艺，其特征在于，所述金属氧化物为以下一种或几种载氧体：Fe-Ni-O复合载氧体，Fe-Ca-O复合载氧体，FeO，Fe2O3，Fe3O4，Ni2O，CuO，Mn3O4，TiO2，ZnO，CaO，CaCO3，CaSO4，ZrO2，MgAl2O4。

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