CN102906502A - 通过水热分解和资源再循环使废料变能源 - Google Patents

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Abstract

一种处理废料的方法和装置，包含以下步骤：进行废料的水热分解反应，将产物分离为固体燃料和废水，燃烧固体燃料，洗涤燃烧气体，用通过燃烧产生的热产生蒸汽，和纯化废水，所述方法和装置表现高能效，同时表现在燃烧期间产生的污染物的高清除率。

Description

通过水热分解和资源再循环使废料变能源
发明领域
本发明涉及用于处理有机废料比如市政固体废料和污水污泥的能源有效方法及其装置。
发明背景
有机废料比如污泥、家畜排泄物、食品丢弃物和农业废料一般通过厌氧消化来处理以回收生物气体比如甲烷。厌氧消化是有用的，因为精炼的甲烷气体可用作能源，但问题是所需的长加工时间导致高成本和能效低。
目前大多数MSW (市政固体废料)通过焚化处理，由于填埋因其对环境的不良效应已受到限制。焚化能够回收热能，但过程需要昂贵的飞灰和底灰处理步骤。
最近，已开发出用水热分解来处理有机和固体废料的方法。但是，这种方法的问题在于所得固体燃料产物含有相当量的产氯毒性有机氯化合物比如二                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE005
英，当使用此类固体燃料时必须通过处理过程比如SCR (选择性催化还原)将其除去。由于这种原因，与常规焚化方法相比，该废料变能源系统在经济上不可行。而且，当用常规焚化方法燃烧时，通过水热分解方法获得的固体燃料产生粉尘和各种空气污染物，尽管粉尘问题可通过将固体燃料粒化而部分解决。
常规水热分解产物通过离心分离为固体燃料和废水，接着在污水处理厂中处理废水，但此类废水具有约40,000mg/L的BOD值和约50,000mg/L的CODcr，这在污水处理厂中可能得不到有效处理。
而且，大多数处理废气的常规方法使用一般用于除硫方法的干洗涤器，但在所述固体燃料燃烧期间产生的废气含有通过干洗涤器难以除去的污染物比如HCl、NOx。因此，需要湿洗涤器或与干洗涤器的组合。
发明概述
因此，本发明的目的是提供处理含有有机组分的废料的高能效集成方法，及其装置。
根据本发明一方面，提供处理废料的方法，其包含以下步骤：(a)使用170-250℃和18-25 bar蒸汽进行废料的水热分解反应；(b)使用重力、离心或施压将步骤(a)的产物分离为液体残留物和固体产物；(c)干燥在步骤(b)分离的固体产物以获得固体燃料；(d)燃烧在步骤(c)获得的固体燃料；(e)洗涤在步骤(d)产生的燃烧气体；(f)通过使用在步骤(d)产生的热，产生170-250℃和18-25 bar蒸汽供应至步骤(a)；和(g)纯化在步骤(b)分离的液体残留物，接着排出。
根据本发明另一方面，提供处理废料的装置，其包含：(a)用170-250℃和18-25 bar蒸汽将废料水热处理的反应器；(b)通过用重力、离心或施压将反应器(a)的产物分离为液体残留物和固体产物的分离器；(c)将分离器(b)中分离的固体产物干燥以获得固体燃料的干燥器；(d)使在干燥器(c)中获得的固体燃料燃烧的燃烧室；(e)洗涤在燃烧室(d)产生的燃烧气体的洗涤器；(f)通过使用在燃烧室(d)产生的热来产生170-250℃和18-25 bar蒸汽供应至反应器(a)的锅炉；和(g)纯化在分离器(b)中分离的液体，接着排出的纯化器。
通过水热分解和资源再循环的集成系统来处理废料的本发明方法和装置，表现高能效，同时表现对燃烧期间产生的污染物的高清除率。本发明可用于处理包含市政固体废料、污水或废水污泥、家畜排泄物、食品丢弃物和农业废料的废料。
附图简述
当结合附图，从本发明的下列描述，本发明的上述及其它目的和特征将变得显而易见，附图各自显示：
图1：显示本发明废料处理方法的一个实施例的框图；和
图2：显示本发明废料处理方法的另一个实施例的框图。
发明详述
在本发明中，本文使用的术语“废料”包含有机废料，比如含有有机组分的市政固体废料、污水或废水污泥、家畜排泄物、食品丢弃物、农业废料及其混合物。
在下文中，通过下列实施例详细描述本发明的方法，但提供实施例只用于说明，本发明不受其限制。
水热分解反应
将含有有机组分的废料通过入口供应至反应器(压力容器)中。
然后，将170-250℃和18-25 bar蒸汽供应至反应器中，同时经旋转叶片机械搅拌。该蒸汽从锅炉产生。在反应器中达到170-250℃后，通过供应蒸汽使这种条件保持20-90分钟。水热分解反应的条件更优选是190-215℃和19-22 bar。
当条件落在以上范围内时，废料中更多有机氯可分解，与废料中的碱组分反应以产生有机氯盐，其可减少从固体废料燃烧产生的HCl和二
Figure DEST_PATH_IMAGE005A
英的量。而且，可将废料中更大量的氮和硫蒸发，通过冷凝水输送，或者溶于液相，这可减少从固体废料燃烧产生的NOx和SOx的量。
用于本发明的反应器可优选分批反应器。
水热分解反应可在一种或多种金属的存在下进行，以便增加废料固相中氯的清除率，所述金属选自Ca、Mg、K和Na，形式为氧化物、氢氧化物或碳酸盐。
这些金属组分容易溶于水，将电子给予固相中的亲电子氯原子，让氯作为稳定阴离子存在，如以下反应方案1所示。富电子氯阴离子可与阳离子比如钙和镁配对，使氯能够从固相移入液相。
反应方案1
-C-C-C-C(-Cl)-C- + CaCO3 → -C-C-C-C-C- + Cl- + Ca2+。
例如，当将固相中含有3.4 wt%有机氯和0 wt%无机氯的塑料废料按照反应方案1所示处理时，可使有机氯的含量降至低于0.2%和使无机氯的含量增加至约2 wt%。
如上所述，液相中的氯阴离子(Cl-)在冷凝或纯化过程期间可存在于溶解状态，可以经处理环境安全地排入天然水系统或者污水处理厂，而不产生毒性有机氯化合物比如二英。
而且，在水热分解中获得的固体残留物的燃烧几乎不产生有机氯化合物比如二
Figure DEST_PATH_IMAGE005AAA
英，这可简化废气处理过程。
当水热分解完成时，停止供应蒸汽，将反应器内的蒸汽排入冷凝器内。
在将反应器内的压力减小至大气压后，将产物从反应器排出，送至分离器(脱水器)。
产物可为潮湿固体或浆料样液体的形式，具有70-90%水含量。
冷凝
将反应器内的蒸汽输送至冷凝器内，通过穿过具有100℃或更低温度的冷凝管冷凝。
冷凝水可含有VOC (挥发性有机化合物: 异味来源)和具有2000-6000 mg/L的BOD和COD值。
将冷凝的水送至纯化器。
固液分离
将从水热分解反应获得的产物送至分离器(脱水器)，使用重力、离心或施压通过机械脱水分离为固体产物和液体残留物，以获得水含量为约40-70%的固体残留物。
将固体产物送至干燥器，将液体残留物送至纯化器。
干燥
将分离器中分离的固体产物用热空气在干燥器中进一步脱水10-30%水含量水平以产生固体燃料。
优选将从洗涤器出来的热废气用作干燥空气使热效率达到最大。通过干燥过程，从洗涤器供应的热空气温度降低，将低温空气排入大气中。 
因此，本发明可通过降低废气的温度而减少空气污染，并通过使来自燃烧的热再循环而表现高能效。
将通过干燥过程获得的固体燃料输送到燃烧室内。
固体燃料的燃烧
将在干燥器中获得的固体燃料在燃烧室中完全烧掉。优选将从整个过程，特别是纯化过程，出来的含有VOC和氨的废气，供应到燃烧室内，连同干燥固体燃料一起燃烧以除去臭味组分。
燃烧温度优选850-1,200℃。燃烧器系统只用于启动，燃烧的高温通过输入材料的热值维持。
通过装在燃烧室内的控制系统，可帮助热过程并可控制将灰移动至排出。为了安全监测，可安装高温照相机系统，从而可计算燃烧的最佳条件，以便过程得到低粉尘排放和低污染物排放如废气中的NOx。由于这种设计，可以不需要粒化而燃烧干燥的固体燃料。
将灰排出，将含有CO2、CO、NOx、SOx和重金属的燃烧气体输送至洗涤器。
将燃烧产生的热供应至锅炉内。
蒸汽产生
将从燃烧室产生的热供应至锅炉内以产生170-250℃和18-25 bar的蒸汽，将蒸汽供应至水热分解反应器内。
气体洗涤
将从燃烧室出来的燃烧气体供应至洗涤器内以将污染物清除至充分低于标准水平。 
优选将通过洗涤器清除的污染物是微粒比如粉尘和重金属和气态污染物比如HCl、CO2、CO、NOx和SOx，其可引起空气污染。
可将气体中的污染物通过下列湿洗涤方法处理。
i) 3级湿洗涤法
可将燃烧气体通过3级洗涤法用酸性洗涤器、中性洗涤器和碱性洗涤器处理。
异味气体→ [酸性洗涤器]→ [中性洗涤器]→ [碱性洗涤器]→清洁气体
Figure DEST_PATH_IMAGE007
碱性污染物(NH3, (CH3)3N): 用H2SO4或HCl处理
- 2NH3 + H2SO4→ (NH4)2SO4
- NH3 + HCl→ NH4C1
- (CH3)3N + H2SO4→ (CH3)3N2 · H2SO4
- (CH3)3N + HCl→ (CH3)3N · Cl
Figure DEST_PATH_IMAGE009
酸性污染物(H2S): 用NaOH处理
- H2S + 2NaOH→ Na2S + 2H2O
Figure DEST_PATH_IMAGE011
中性污染物(CH3)2S, (CH3)2S2)
- (CH3)2S + O2→(CH3)2SO
- (CH3)2S2 + O2→(CH3)SO3H
其它污染物可通过吸收除去。
ii) 2级网式洗涤法
此外，可将从燃烧室出来的燃烧气体通过2级洗涤法用臭氧和碱处理，这允许紧凑的系统配置，从而可简化过程并可减少洗涤面积。臭氧氧化洗涤器和碱洗涤器协同除去燃烧气体中的污染物。
异味气体→ [臭氧氧化洗涤器]→ [碱洗涤器]→清洁气体
[臭氧氧化洗涤过程]
Figure DEST_PATH_IMAGE013
碱性污染物(NH3, (CH3)3N)
- 2NH3 + 3O3→ N2 + 3H2O + 3O2
- (CH3)3N + 3O3→ CH2NO2 + 2CO2 + 3H2O
酸性污染物(H2S)
- H2S + O3→ SO2 + H2O, 3H2S + 4O3→ 3H2SO4
Figure DEST_PATH_IMAGE016
中性污染物((CH3)2S, (CH3)2S2)
- 3(CH3)2S + O3→ (CH3)2SO, (CH3)2S +O3→ (CH3)2SO3
- 2(CH3)2S2+H2O+O3→ 2CH3SO3H, 3(CH3)2S2 + 5O3→ 3(CH3)2S2O5
[碱洗涤过程]
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
HCl (清除率: 95-98%)
- 2NaOH + CO2→ Na2CO3 + H2O
- Na2CO3 + CO2→ NaCO3 + CO2
- Na2CO3 + 2HCl→ 2NaCl + H2O + CO2
Figure DEST_PATH_IMAGE017
SOx (清除率: 95-98%)
- Na2SO3 + SO2 + H2O→ 2NaHSO3
- Na2SO3 + 1/2O2 → Na2SO4
Figure DEST_PATH_IMAGE016AA
NOx (NO, NO2) (清除率: 90-95%)
- NO + 氧化剂→ NO2 + 氧化剂(还原的)
- 2NO2 + H2O→ HNO3 + HNO2
如上所述，本发明中的洗涤器包含干洗涤器和湿洗涤器，根据污染物，所述洗涤器进行3级或2级洗涤过程，从而提供最佳方法并有效处理各种污染物。
将从洗涤器出来的废水送至纯化器(废水处理设施)。
纯化(废水处理)
将从分离器分离的液体、穿过冷凝器的冷凝水和从洗涤器出来的废水全部输送至纯化器(废水处理设施)内以清洁至可排放的水平。
通过使从水热分解反应产生的蒸汽冷凝获得的冷凝水，具有相对低的BOD和COD值，即分别为约5000mg/L和6000mg/L，这是在污水处理厂可处理的水平。但是，从分离器(脱水器)分离的液体具有40,000mg/L的BOD和50,000mg/L的CODcr，其可扰乱污水处理过程。
因此，本发明包含将高浓度有机废水处理至安全水平的纯化过程，这使得能够将经处理的水直接排入天然水系统比如河或湖内或者排入污水处理厂内。
在纯化器中，将高浓度的有机废水用微生物以高氧转移率有效地处理。
基于以下方程式，即在恒温下气体与压力成比例地溶于液体中，可通过控制压力使气体以最大速率溶解。在纯化器中的充气罐极好地将DO (溶解氧)供应至需氧微生物。
Figure DEST_PATH_IMAGE019
其中，P是气体压力(atm)，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
是亨利定律常数(L·atm/mol)，C是气体溶解度(mol/L)。
通过如上供应足够的DO，维持高浓度(8,000~20,000mg/L) MLSS (混合液悬浮固体)以便反应性增加(MLSS反应性)，允许紧凑设施，其尺寸低于常规充气罐的1/5但具有最佳性能水平。
可将在纯化器中经处理得到的水进一步通过以下过程处理：第一固液分离→高效反应(废水处理) →第二固液分离，以便所得水具有500~3,000mg/L的BOD，500~3,000mg/L的COD，500~2,000mg/L的T-N和10-500mg/L的T-P，这是可排入污水处理厂的水平。
在经处理的水直接排入自然界比如河的情况下，可按以下过程加入除氮和除磷过程：脱水→厌氧反应→除氮→高效反应→沉淀→高级处理，以便符合可排入自然界的水平的要求。
纯化过程可留下脱水的固体饼，将其再输送到水热分解反应器中与其它废料一起处理。
发电
本发明可进一步包含另外的锅炉和发电机。
可将燃烧室中产生的一部分热供应至另外的锅炉(废热锅炉)内，可将由此产生的蒸汽输送到发电机中以发电供应至工厂内(见图2)。
可将额外的蒸汽供应至水热分解反应器内。
虽然已关于上述具体实施方案描述了本发明，但应认识到本领域技术人员可对本发明作出各种修改和变化，它们也落在如附属权利要求限定的本发明范围内。

Claims (14)

1.一种处理废料的方法，其包含以下步骤：
(a) 用170-250℃和18-25 bar蒸汽进行废料的水热分解反应；
(b) 用重力、离心或施压将步骤(a)的产物分离为液体残留物和固体产物；
(c) 干燥在步骤(b)分离的固体产物以获得固体燃料；
(d) 燃烧在步骤(c)获得的固体燃料；
(e) 洗涤在步骤(d)产生的燃烧气体；
(f) 通过使用在步骤(d)产生的热，产生170-250℃和18-25 bar蒸汽供应至步骤(a)；和
(g) 纯化在步骤(b)分离的液体残留物，接着排出。
2.权利要求1的方法，其中步骤(a)的水热分解反应在一种或多种金属的存在下进行，所述金属选自Ca、Mg、K和Na，形式为氧化物、氢氧化物或碳酸盐。
3.权利要求1的方法，其中洗涤步骤(e)通过以下进行：干洗涤；用选自H2SO4、HCl、NaOH、(CH3)2S、(CH3)2S2、Na2SO3和O3的至少一种的湿洗涤；或其组合。
4.权利要求1的方法，其中洗涤步骤(e)清除一种或多种选自HCl、CO2、CO、NOx、SOx和重金属的污染物。
5.权利要求1的方法，其中在步骤(e)产生的废气在步骤(c)用作干燥空气，然后释放到大气中。
6.权利要求1的方法，其进一步包含用蒸汽发电的步骤，该蒸汽用在步骤(d)产生的热制备。
7.权利要求1的方法，其中废料包含含有有机组分的市政固体废料、污水或废水污泥、家畜排泄物、食品丢弃物、农业废料或其混合物。
8.一种处理废料的装置，其包含：
(a) 用170-250℃和18-25 bar蒸汽将废料水热处理的反应器；
(b) 通过用重力、离心或施压将反应器(a)的产物分离为液体残留物和固体产物的分离器；
(c) 将分离器(b)中分离的固体产物干燥以获得固体燃料的干燥器；
(d) 使在干燥器(c)中获得的固体燃料燃烧的燃烧室；
(e) 洗涤在燃烧室(d)产生的燃烧气体的洗涤器；
(f) 通过使用在燃烧室(d)产生的热来产生170-250℃和18-25 bar蒸汽供应至反应器(a)的锅炉；和
(g) 纯化在分离器(b)中分离的液体，接着排出的纯化器。
9.权利要求8的装置，其中反应器(a)在一种或多种金属的存在下进行水热分解过程，所述金属选自Ca、Mg、K和Na，形式为氧化物、氢氧化物或碳酸盐。
10.权利要求8的装置，其中洗涤器(e)进行干洗涤；用选自H2SO4、HCl、NaOH、(CH3)2S、(CH3)2S2、Na2SO3和O3的至少一种的湿洗涤；或其组合。
11.权利要求8的装置，其中洗涤器(e)清除一种或多种选自HCl、CO2、CO、NOx、SOx和重金属的污染物。
12.权利要求8的装置，其中将从洗涤器(e)出来的废气供应至干燥器(c)用作干燥空气，然后释放到大气中。
13.权利要求8的装置，其进一步包含通过使用在燃烧室(d)产生的热产生蒸汽的另外的锅炉；和通过使用蒸汽发电的发电机。
14.权利要求8的装置，其中废料包含含有有机组分的市政固体废料、污水或废水污泥、家畜排泄物、食品丢弃物、农业废料或其混合物。
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