CN102719279A - 一种微波碳热裂解城市生活垃圾制备燃气的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微波碳热裂解城市生活垃圾制备燃气的工艺，属于环保技术领域。具体工艺方法是：将堆积一定时间的城市生活垃圾除去灰土后挤压打包送入微波加热设备中进行裂解；裂解产生的固定碳和残渣分离后，将固定碳制成疏松、利于气体通过的形状；固定碳被持续加热，不完全裂解气和生物油充分裂解生成可燃气体；水蒸气与热固定碳反应生成水煤气；气体经脱硫、脱磷的净化处理后即获得无害的可燃气体。本发明产出燃气量大、热值高，其能量持平或高于其工艺所消耗的能量，运行成本低廉，并在获得大量无害可燃气体的同时，根除了二噁英等有毒、异味物质的产生，有效保护了环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种生活垃圾的处理工艺，特别是一种利用微波技术无害化处理城市生活垃圾，并获得燃气的工艺，属于环保技术领域。
背景技术
[0002] 随着我国经济高速发展、城市化进程不断加快，城市生活垃圾也以每年10%的速度递增。全国600多座城市已堆放或填满生活垃圾80亿吨，约1/3城市被垃圾包围，在占用了大量土地的同时，对环境造成了污染。
自上世纪七、八十年代以来，美日等发达国家都进行了大量垃圾裂解技术的研究及应用，但普遍存在诸多问题：当采用外热加热方式时，器壁积碳严重，系统难以长期稳定运行；采用内热加热方式时，则需要使垃圾充分燃烧以产生足够的热量，但可能导致二噁英的产生；热滞后问题严重，热效率低，降低了资源化水平；受我国消费习惯和垃圾接收方式的影响，垃圾中水分大，种类繁多，造成大量能量消耗，有害成分、重金属可能进入尾气中，对环境造成污染。
中国专利CN101712458A公开了一种利用垃圾高温裂解制氢的方法，其方法是将含有一定水分的常温垃圾送入1000℃以上的高温环境中进行裂解重组，垃圾在升温过程中吸收热能脱水并析出挥发成分和焦油，当温度升到700℃以上时，挥发成分和焦油裂解成小分子，最后生成氢气、一氧化碳、二氧化碳或灰分，获得氢气的方法。该方法挥发成分和焦油，无法充分裂解，会形成芳香烃等物质，会形成二噁英等剧毒物质，并污染环境。
中国专利CN101633846A公开了一种微波加热法从垃圾分选物中提取煤气的方法及装置，其方法是处理垃圾分选物过程中，采用微波加热式裂解气化炉，其装置中裂解反应室和固留物储运室集成在一体，原料进入裂解反应室实现低温裂解、裂解产生的煤气经过冷却分离后，储存利用，裂解出来的碳化固留物加工成焦炭产品。该方法只是简单采用微波加热方式进行裂解，由于微波加热的体积加热特性，这种方法获得的气体量少，垃圾裂解不充分，能源消耗大；同时，裂解出的碳化固留物虽然具有较高的热值，但其燃烧效果并不好，无法充分获得其中的能量，造成资源的浪费。
中国专利1397763公开一种垃圾处理方法及其装置，其方法为：垃圾从料仓(10)经过料斗(9)加入炉体(6)中，气化剂进入灰渣层发生热交换，加热后气化剂向上进入氧化层，放热，热量由氧化反应产物CO2携带到还原层，与碳发生还原反应和水煤气反应，生成可燃气体，主要成分为CO和H2，产生的可燃气经燃气入口(12)，通过燃气出口(7、16)向炉外输出；在干镏层产生的燃气向下进入900～1100摄氏度的还原层，二噁英类有毒物质在高温下发生完全分解，然后进入燃气进口(12)，通过燃气出口(7、16)向炉外输出。此方法的目的为了获得无毒、无污染的燃气，但其采用一次裂解的方式，垃圾中的生物质在温度300℃时开始裂解，生成大量气体和焦油等，气体的不断生成，会造成裂解炉中气压的持续升高，而导致气体在未达到充分裂解的1000℃高温时被排出裂解炉，二噁英等有毒物质未充分裂解，造成环境污染。
不难看出，以上公开的专利技术由于均采用一个裂解炉进行裂解，即垃圾固体裂解为大分子气体、大分子气体裂解为小分子气体同时进行，因此当垃圾固体裂解成大分子气体时，体积会迅速膨胀，而且随着温度的上升，裂解膨胀速度也变得更快，从而导致大分子气体无法在所需的时间、温度等环境条件下进行裂解，未充分裂解即被迅速排出，获得的气体成分复杂，无法根除二噁英的产出，造成了环境污染，严重影响了工程实施及技术推广。
发明内容
本发明旨在解决现有垃圾无害化处理方法无法根除二噁英的产出，造成环境污染，且能耗高，无害可燃气体得率不高的问题，提供一种无害化的微波碳热裂解城市生活垃圾制备燃气的工艺。该工艺方法可最大限度提取垃圾中的能量物质，且产出能量高于或与现有技术中消耗的能量持平，并在获得大量无害可燃气体的同时，根除了二噁英等有毒、异味物质的产生，有效保护了环境。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种微波碳热裂解城市生活垃圾制备燃气的工艺，具体工艺步骤如下：
1) 预处理和垃圾打包：将堆积1个月～5年的城市生活垃圾去除石头、泥土等土灰后，挤压打包成标准垃圾包；
所述标准垃圾包的形状为边长500～3000mm的矩形，即长宽高为：500～3000mm×500～3000mm×500～3000mm。
2) 微波第一次裂解：将标准垃圾包送入微波加热设备中，在温度为300～800℃下裂解产生不完全裂解气体、水蒸气、生物油、固定碳以及残渣；
3) 分选和成型：将步骤2)产生的固定碳和残渣进行分离后，再将分离出的固定碳制成疏松、利于气体通过的形状，如颗粒状、蜂窝状、管状等；
所述固定碳和残渣是采用风选或水洗等方式进行的分离，分离后的固定碳的纯度为60～99%。
4) 第二次裂解和水煤气发生：将步骤3)制成的具有一定形状的固定碳在缺氧环境下持续加热至1000～1800℃，并将步骤2)产生的不完全裂解气体、水蒸气以及生物油连续通过持续加热的固定碳，其中，
不完全裂解气和生物油充分裂解，生成烷烃、炔烃、氢气、一氧化碳等充分裂解的无毒可燃气体；
水蒸气与热固定碳反应，消耗固定碳并生成水煤气；同时再将常规工艺制备的水蒸气连续通过持续加热的固定碳，使热固定碳与水蒸气反应，消耗固定碳并获得水煤气；
所述加热的热源为电能或微波能；微波能选择功率为30kW～2000kW、频率为2450MHz或915Mz的微波。
步骤4）中所述的缺氧是指在密闭环境下，空气中的氧气在高温下与固定碳产生氧化反应，生产二氧化碳、一氧化碳等，同时消耗空气中的氧气，因其是在密闭环境下，氧气迅速反应，并消耗氧气，达到缺氧的环境。
5) 固定碳堆积预热：将步骤3)制成的具有一定形状的固定碳堆积至步骤4)气体出口端，吸收气体中的热量，使气体降温，同时预热固定碳，预热后的固定碳补充步骤4)中水煤气反应中消耗的固定碳；
6) 气体净化：将步骤5)降温后的气体进行脱硫、脱磷等净化处理后即可获得无害的可燃气体。
通过本发明工艺带来的有益技术效果表现在：
1、由于城市生活垃圾多为厨余，且多在垃圾堆放场放置半年以上，大部分物质已降解，此时，将这些垃圾进行简单的筛分，去除其中的石头、泥土等灰分，进行挤压打包，不但有利于微波进行整体穿透式的加热裂解，重要的是打包后更有利于对垃圾进行标准化模块化的运输、计算、后续流程加工及结算等操作；
2、微波第一次裂解时，采用微波加热方式（功率10～500kW，频率2450MHz或915MHz的微波）对整个垃圾标准包加热，实现了垃圾包在较低的功率下即被加热至300～800℃，因而产出燃气量大、裂解迅速、充分；
3、为充分回收资源以达到节约成本和保护环境等目的，由于常规裂解以及本工艺中的微波第一次裂解时产生的混合裂解气多为大分子气体，即常规工艺及本工艺中微波第一次裂解无法将大分子气体裂解成小分子气体，而且其气体中还有一定数量的芳香烃等物质，会产生如二噁英等有毒物质和异味物质，其燃烧热量也有限，与裂解所需能量不成比例，燃烧后也会造成环境的重度污染。同时垃圾进行裂解时还会产生大量的固定碳，将裂解后的固定碳与石头、泥土等灰分分离后，制成疏松的、利于气体通过的形状后，利用电能、微波能等方式可以很容易将其加热至1000℃以上，此时再将第一次裂解时产出的大分子的混合气体、生物油通过固定碳，大分子气体、生物油在高温的环境下会迅速裂解成小分子气体，芳香烃等物质也会充分裂解，生成高能量的无害燃气；同时，裂解气中的水蒸气与固定碳在高温环境下产生水煤气反应，生成水煤气，并将外部常规制备的水蒸气也与高温环境下的固定碳进行反应，则生成了大量的水煤气，同时，也消耗掉了固定碳。因此，通过一定形状的固定碳及第二次裂解消耗一定的能量，使第一次裂解时产生的大分子混合裂解气体、生物油、水蒸气得到了很好利用，从而获得了大量的无毒、无害、高热量、易于燃烧的烷烃、炔烃、氢气、一氧化碳等气体。
4、于气体出口处放置前序步骤制成的一定形状的固定碳，不但可起到降低气体温度的作用，而且还可进一步净化气体成分；同时，固定碳也会被预热，用以补充所消耗的碳。
5、进行脱硫、脱磷等净化处理后获得的高能量、无毒无害、易于燃烧的气体，可直接用于发电等。
总之，采用本发明微波碳热裂解城市生活垃圾制备燃气的整个工艺效果在于：
a) 产出燃气量大、热值高，其能量可持平或高于其工艺所消耗的能量；
b) 采用微波加热固定碳及燃气时，可产生微波化学反应，有利于气体裂解，节约能源；
c) 气体燃烧后无毒、无异味，不不污染环境；
d) 整个工艺只生成不污染环境的燃气和无害的固体残渣两种物质；
e) 工艺过程先进，各步骤均为成熟设备和技术，运行成本低廉。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
实施例一：1)、将堆积半年，大部分厨余降解的城市生活垃圾进行简单筛分，除去灰土后，无需分类即进行挤压打包成3000mm×1000mm×500mm的矩形标准垃圾包；2)、将标准垃圾包送入微波加热设备中，在温度为500℃下进行裂解，产生不完全裂解气体、水蒸气、生物油、固定碳以及残渣；3)、将固定碳和残渣进行分离，将分离的固定碳制成疏松、利于气体通过的管状；4)、将管状的固定碳持续加热至1500℃，将不完全裂解气体、水蒸气以及生物油连续通过持续加热的固定碳，其中不完全裂解气和生物油充分裂解，生成烷烃、炔烃、氢气、一氧化碳等充分裂解的可燃气体；其中水蒸气与热碳反应，消耗固定碳并生成水煤气；同时将常规工艺制备的水蒸气连续通过持续加热的固定碳，使水蒸气与热碳反应，消耗固定碳并获得水煤气；5)、将上述步骤3)制成的管状的固定碳堆积至步骤4)气体出口端，吸收气体中的热量，使气体降温，同时预热固定碳；预热后的固定碳补充步骤4)中水煤气反应中消耗的固定碳；6)、将降温后的气体脱硫、脱磷等净化处理后即可获得无害的可燃气体。
实施例二：1)、将堆积3个月，大部分厨余降解的城市生活垃圾进行简单筛分，除去灰土后，无需分类即进行挤压打包成尺寸为边长500mm的矩形垃圾包；2)、将标准垃圾包送入功率为10kW、频率为2450MHz的微波加热设备中，在温度为300℃下进行裂解，产生不完全裂解气体、水蒸气、生物油、固定碳以及残渣；3)、将固定碳和残渣进行分离，将分离的固定碳制成疏松的、利于气体通过的颗粒状；4)、采用功率为30kW、频率为2450Mz的微波将颗粒状固定碳持续加热至1000℃，将不完全裂解气体、水蒸气以及生物油连续通过持续加热的颗粒状固定碳，其中不完全裂解气和生物油充分裂解，生成烷烃、炔烃、氢气、一氧化碳等充分裂解的可燃气体；其中水蒸气与热碳反应，消耗固定碳并生成水煤气；并将常规工艺制备的水蒸气连续通过持续加热的固定碳，使水蒸气与热碳反应，消耗固定碳并获得水煤气；5)、将上述步骤3)制成颗粒状固定碳堆积至步骤4)气体出口端，吸收气体中的热量，使气体降温，同时预热固定碳；预热后的固定碳补充步骤4)中水煤气反应中消耗的固定碳；6)、将降温后的气体进行脱硫、脱磷等净化处理后即可获得无害的可燃气体。
实施例三：1)、将堆积1年，大部分厨余降解的城市生活垃圾进行简单筛分，除去灰土后，无需分类即进行挤压打包成尺寸为边长3000mm的矩形垃圾包；2)、将标准垃圾包送入功率为500kW、频率为915MHz的微波加热设备中，在温度为800℃下进行裂解，产生不完全裂解气体、水蒸气、生物油、固定碳以及残渣；3)、将固定碳和残渣进行分离，将分离的固定碳制成疏松的、利于气体通过的蜂窝状；4)、采用功率为2000kW、频率为915Mz的微波将蜂窝状固定碳持续加热至1800℃，将不完全裂解气体、水蒸气以及生物油连续通过持续加热的蜂窝状固定碳，其中不完全裂解气和生物油充分裂解，生成烷烃、炔烃、氢气、一氧化碳等充分裂解的可燃气体；其中水蒸气与热碳反应，消耗固定碳并生成水煤气；并将常规工艺制备的水蒸气连续通过持续加热的固定碳，使水蒸气与热碳反应，消耗固定碳并获得水煤气；5)、将上述步骤3)制成蜂窝状固定碳堆积至步骤4)气体出口端，吸收气体中的热量，使气体降温，同时预热固定碳；预热后的固定碳补充步骤4)中水煤气反应中消耗的固定碳；6)、将降温后的气体经脱硫、脱磷等净化处理后即可获得无害的可燃气体。
实施例四： 1)、将堆积7个月，大部分厨余降解的城市生活垃圾进行简单筛分，除去灰土后，无需分类即进行挤压打包成2000mm×800mm×500mm的矩形标准垃圾包；2)、将标准垃圾包送入功率为200kW、频率为915MHz的微波加热设备中，在温度为600℃下进行裂解，产生不完全裂解气体、水蒸气、生物油、固定碳以及残渣；3)、将固定碳和残渣进行分离，将分离的固定碳制成疏松的、利于气体通过的蜂窝状；4)、采用电能（800kW）将蜂窝状固定碳持续加热至1700℃，将不完全裂解气体、水蒸气以及生物油连续通过持续加热的蜂窝状固定碳，其中不完全裂解气和生物油充分裂解，生成烷烃、炔烃、氢气、一氧化碳等充分裂解的可燃气体；其中水蒸气与热碳反应，消耗固定碳并生成水煤气；并将常规工艺制备的水蒸气连续通过持续加热的固定碳，使水蒸气与热碳反应，消耗固定碳并获得水煤气；5)、将上述步骤3)制成的蜂窝状固定碳堆积至步骤4)气体出口端，吸收气体中的热量，使气体降温，同时预热固定碳；预热后的固定碳补充步骤4)中水煤气反应中消耗的固定碳；6)、将降温后的气体经脱硫、脱磷等净化处理后即可获得无害的可燃气体。
实施例五：1)、将堆积1个月，大部分厨余降解的城市生活垃圾进行简单筛分，除去灰土后，无需分类即进行挤压打包成尺寸为边长1000mm的矩形垃圾包；2)、将标准垃圾包送入功率为100kW、频率为915MHz的微波加热设备中，在温度为400℃下进行裂解，产生不完全裂解气体、水蒸气、生物油、固定碳以及残渣；3)、将固定碳和残渣进行分离，将分离的固定碳制成疏松的、利于气体通过的颗粒状；4)、采用功率为800kW、频率为2450Mz的微波将颗粒状固定碳持续加热至1200℃，将不完全裂解气体、水蒸气以及生物油连续通过持续加热的颗粒状固定碳，其中不完全裂解气和生物油充分裂解，生成烷烃、炔烃、氢气、一氧化碳等充分裂解的可燃气体；其中水蒸气与热碳反应，消耗固定碳并生成水煤气；并将常规工艺制备的水蒸气连续通过持续加热的固定碳，使水蒸气与热碳反应，消耗固定碳并获得水煤气；5)、将上述步骤3)制成的颗粒状固定碳堆积至步骤4)气体出口端，吸收气体中的热量，使气体降温，同时预热固定碳；预热后的固定碳补充步骤4)中水煤气反应中消耗的固定碳；6)、将降温后的气体经脱硫、脱磷等净化处理后即可获得无害的可燃气体。
实施例六：1)、将堆积3年，大部分厨余降解的城市生活垃圾进行简单筛分，除去灰土后，无需分类即进行挤压打包成尺寸为边长2000mm的矩形垃圾包；2)、将标准垃圾包送入功率为400kW、频率为915MHz的微波加热设备中，在温度为600℃下进行裂解，产生不完全裂解气体、水蒸气、生物油、固定碳以及残渣；3)、将固定碳和残渣进行分离，将分离的固定碳制成疏松的、利于气体通过的管状；4)、采用功率为200kW、频率为2450Mz的微波将蜂窝状固定碳持续加热至1500℃，将不完全裂解气体、水蒸气以及生物油连续通过持续加热的管状固定碳，其中不完全裂解气和生物油充分裂解，生成烷烃、炔烃、氢气、一氧化碳等充分裂解的可燃气体；其中水蒸气与热碳反应，消耗固定碳并生成水煤气；并将常规工艺制备的水蒸气连续通过持续加热的固定碳，使水蒸气与热碳反应，消耗固定碳并获得水煤气；5)、将上述步骤3)制成的管状固定碳堆积至步骤4)气体出口端，吸收气体中的热量，使气体降温，同时预热固定碳；预热后的固定碳补充步骤4)中水煤气反应中消耗的固定碳；6)、将降温后的气体经脱硫、脱磷等净化处理后即可获得无害的可燃气体。
实施例七：1)、将堆积5年，大部分厨余降解的城市生活垃圾进行简单筛分，除去灰土后，无需分类即进行挤压打包成尺寸为1000mm×1000mm×500mm的矩形垃圾包；2)、将标准垃圾包送入功率为200kW、频率为2450MHz的微波加热设备中，在温度为500℃下进行裂解，产生不完全裂解气体、水蒸气、生物油、固定碳以及残渣；3)、将固定碳和残渣进行分离，将分离的固定碳制成疏松的、利于气体通过的蜂窝状；4)、采用功率为1200kW、频率为915Mz的微波将蜂窝状固定碳持续加热至1300℃，将不完全裂解气体、水蒸气以及生物油连续通过持续加热的蜂窝状固定碳，其中不完全裂解气和生物油充分裂解，生成烷烃、炔烃、氢气、一氧化碳等充分裂解的可燃气体；其中水蒸气与热碳反应，消耗固定碳并生成水煤气；并将常规工艺制备的水蒸气连续通过持续加热的固定碳，使水蒸气与热碳反应，消耗固定碳并获得水煤气；5)、将上述步骤3)制成的管状固定碳堆积至步骤4)气体出口端，吸收气体中的热量，使气体降温，同时预热固定碳；预热后的固定碳补充步骤4)中水煤气反应中消耗的固定碳；6)、将降温后的气体经脱硫、脱磷等净化处理后即可获得无害的可燃气体。
Claims (7)
1.一种微波碳热裂解城市生活垃圾制备燃气的工艺，其特征在于具体工艺步骤如下：
1）预处理和垃圾打包：将堆积1个月～5年的城市生活垃圾去除石头、泥土等土灰后，挤压打包成标准垃圾包；
2）微波第一次裂解：将标准垃圾包送入微波加热设备中，在温度为300～800℃下裂解产生不完全裂解气体、水蒸气、生物油、固定碳以及残渣；
3）分选和成型：将步骤2)产生的固定碳和残渣进行分离后，再将分离出的固定碳制成疏松、利于气体通过的形状；
4）第二次裂解和水煤气发生：将步骤3)制成的具有一定形状的固定碳在缺氧环境下持续加热至1000～1800℃，并将步骤2)产生的不完全裂解气体、水蒸气以及生物油连续通过持续加热的固定碳，其中，
不完全裂解气和生物油充分裂解，生成烷烃、炔烃、氢气、一氧化碳等充分裂解的可燃气体；
水蒸气与热固定碳反应，消耗固定碳并生成水煤气；同时再将常规工艺制备的水蒸气连续通过持续加热的固定碳，使热固定碳与水蒸气反应，消耗固定碳并获得水煤气；
5）固定碳堆积预热：将步骤3)制成的具有一定形状的固定碳堆积至步骤4)气体出口端，吸收气体中的热量，使气体降温，同时预热固定碳，预热后的固定碳补充步骤4)中水煤气反应中消耗的固定碳；
6）气体净化：将步骤5)降温后的气体进行脱硫、脱磷的净化处理后即获得无害的可燃气体。
2.根据权利要求1所述的微波碳热裂解城市生活垃圾制备燃气的工艺，其特征在于步骤1）中所述标准垃圾包的形状为边长500～3000mm的矩形，即长宽高为：500～3000mm×500～3000mm×500～3000mm。
3.根据权利要求1所述的微波碳热裂解城市生活垃圾制备燃气的工艺，其特征在于步骤2）中所述固定碳和残渣是采用风选或水洗方式进行的分离，分离后的固定碳的纯度为60～99%。
4.根据权利要求1所述的微波碳热裂解城市生活垃圾制备燃气的工艺，其特征在于步骤2）中所述固定碳的形状呈颗粒状、蜂窝状或管状。
5.根据权利要求1所述的微波碳热裂解城市生活垃圾制备燃气的工艺，其特征在于步骤4）中所述加热的热源为电能，或者功率为30kW～2000kW、频率为2450MHz或915Mz的微波能。
6.根据权利要求1所述的微波碳热裂解城市生活垃圾制备燃气的工艺，其特征在于步骤2）中所述微波加热设备为功率10kW~500kW、频率为2450MHz或915MHz的微波。
7.根据权利要求1所述的微波碳热裂解城市生活垃圾制备燃气的工艺，其特征在于步骤4）或步骤5）中所述的固定碳，为微波第一次裂解时产出的固定碳经处理后制成。
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