CN104028547B - 一种城市生活垃圾极度减量化和高度资源化处理过程和装备 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种城市生活垃圾极度减量化和高度资源化的处理过程和相关装备。在所述的处理过程中，城市生活垃圾在超高压压榨机的超高压压榨作用下，被一次性分类成含水量很低的干组分和主要由生物质废弃物浆料组成的湿组分。所述的干组分在特别设计的高温热解气化系统中被高效地转化为热值很高的热解气和少量炭渣及惰性灰烬。所述的热解气除了被作为热解过程的能源外还可以作为燃料供其它工业过程使用。所述的湿组分借助于特别设计的沼气发酵系统或低温湿热碳化系统被转化为沼气或热值很高的生物炭。后者除了少部分作为低温湿热碳化过程的能源外，剩余大部分可为其它工业生产过程提供能源。

Description

一种城市生活垃圾极度减量化和高度资源化处理过程和装备

技术领域

本发明涉及一种城市生活垃圾处理技术领域，尤其涉及一种城市生活垃圾极度减量化和高度资源化处理过程和装备。

背景技术

伴随城镇化进程的加快，城市生活垃圾与日俱增。现有生活垃圾处置方法主要有两种：一是采用卫生填埋的方法；二是将垃圾送往垃圾焚烧厂进行焚烧发电。生活垃圾卫生填埋不仅占用大量土地、填埋场使用年限短，而且垃圾填埋场产生的垃圾渗滤液和散发的恶臭气体对环境造成严重污染。直接焚烧法可实现城市生活垃圾的减容化和资源化，但是其致命缺陷是焚烧过程产生的SO_X、NO_X、HCl、粉尘和残渣中的重金属，与当今我国雾霾天气增多的关系密切。垃圾焚烧烟气和飞灰中剧毒有机物二噁英含量较大，严重危害人类健康。

未分类的城市生活垃圾中含有大量的餐厨垃圾、园林垃圾、动物粪便和污水处理厂排放的剩余活性污泥等生物质废弃物。它们含有丰富的营养和大量水分，非常容易腐败，散发恶臭，是垃圾污染环境的主要因素。人们曾试图采用好氧堆肥或者厌氧发酵的方法消除城市生活垃圾中的生物质垃圾对环境的危害，但是由于这些处理过程或者存在环境污染问题，或者处理成本过高、发酵效率低下不能被推广应用。

随着城市人口的增长和工业发展，空气污染物排放和悬浮物大量增加，空气质量逐渐恶化，雾霾天气现象出现增多。除了气象条件，工业生产、机动车尾气排放、冬季取暖烧煤等导致的大气中颗粒物浓度增加，生活垃圾直接焚烧产生的SO_X、NO_X、HCl、粉尘、二噁英等二次污染物也是形成雾霾的一个重要因素。

在目前的垃圾热处置技术中，除了已比较成熟的垃圾焚烧发电技术外，还有垃圾热解气化技术。热解是指在无氧条件下，利用高温使固体废物中的有机成分发生裂解，产生挥发性气体物质、焦油和固体焦炭的过程。气化是指反应物热解过程中产生的炽热炭粒在还原性气氛下与气化剂发生反应，生成以一氧化碳和氢气及低分子量的烷烃组成的可燃气为主的转化过程。由此可以看出，对城市生活垃圾进行热解气化处理是使垃圾极度减量化和高度资源化利用的最好途径。在这里，气化剂主要包括水蒸气、二氧化碳等。在实际热解过程中，热解、气化往往同时存在于反应过程中。热解气化过程是在缺氧气氛下进行，从原理上减少了二噁英的生成，同时大部分的重金属在热解气化过程中溶入灰渣，减少了污染物排放量。与此同时，也使经过热解气化处理的垃圾转变成少量的热解炭和灰烬，使垃圾得到极大的减量化和高度的资源化。

就发明人所知，现有规模化的垃圾热解气化处理技术或者采用垃圾作为燃料的水煤气发生炉技术，或者采用焚烧垃圾对热解装置进行外围加热的垃圾热解技术。他们实质上完全是一种变相的垃圾焚烧技术。由于在处理过程中焚烧的垃圾都是含水量大的原生垃圾，垃圾燃烧前需要大量的热量烘干垃圾中的水分，因此，这些处理技术不仅存在着与焚烧垃圾发电相似的环境污染问题，而且因为热效率低造成垃圾资源化程度更低。

发明内容

为克服现有城市生活垃圾直接焚烧发电处理产生二次污染和采用煤气发生炉式热解气化装置处理垃圾技术产生二次污染及热效率低的不足，本发明揭示了一种城市生活垃圾极度减量化和高度资源化处理过程和装备。该发明是建立在发明人已申请的“一种城市生活垃圾压榨脱水装置”发明专利（专利申请号201110049074.0）基础上的一种城市生活垃圾处理技术。经过此种超高压垃圾压榨机的压榨处理，城市生活垃圾被一次性分类成含水量低的（在25%以下）、主要由垃圾中除了生物质废弃物之外的垃圾成分组成的干组分和含水量在60%以上的由垃圾中生物质废弃物细胞质浆料组成的湿组分。干组分通过本发明揭示的内热式热解气化系统转化成高热值的燃气和少量的炭渣及灰烬。湿组分通过发明人同时申请的另一项发明专利（申请号201410235737.1，专利名称：一种生物质废弃物低温湿热碳化处理技术和装置）揭示的低温湿热碳化装置转化成高热值的生物炭和鸟粪石。上述燃气、炭渣和生物炭除了可以直接作为上述处理过程的能源外，还可以作为能源供作它用。此外，湿组分还可以作为沼气发酵的原料生产沼气，发酵后的残渣——沼渣投入上述低温碳化装置被转化成生物炭。

以下通过对技术方案的描述，更加明确地揭示本发明所述的城市生活垃圾极度减量化和高度资源化处理过程和装备：

（1）城市生活垃圾预处理：由城市垃圾转运站收集的城市生活垃圾被装载设备（例如，抓斗）投入垃圾压榨机进行超高压压榨处理，被一次性分类成含水量很低（＜25%＝的干组分和主要由生物质废弃物浆料组成的湿组分；

（2）干组分热解气化：通过超高压垃圾压榨机分类的垃圾干组分借助于输送装置（例如皮带输送机）被送入上述高温热解气化反应器的进料斗，然后通过上述螺旋挤压给料机送入高温热解气化反应室热解气化；

（3）湿组分处理技术包括湿组分厌氧发酵或者低温湿热碳化处理。以下分别对上述两种处理过程做出说明：

（a）湿组分厌氧发酵：生活垃圾经超高压压榨预处理后的湿组分进入两段式半固态生物质沼气发酵系统装置，整个系统所产生的酸化气体与沼气通过排出进入除臭系统，沼气回收资源化利用。该两段式半固态生物质沼气发酵系统装置已由本申请人申请发明专利（专利申请号：20120166596.3）；

（b）湿组分低温湿热碳化处理：湿组分与一定量的催化剂被一起投入低温碳化处理装置。经过预热处理后进入低温湿热碳化反应釜使生物质完全分解碳化，从而得到生物炭和碳化液。生物炭除了少部分作为低温湿热碳化过程的能源外，剩余的生物炭可以为其它工业部门提供能源，也可以作为土壤改良剂使用。采用鸟粪石法分离氨氮和磷酸盐后的碳化液再通过常规的污水处理后，可作为工艺用水使用或排放。

附图说明

图1是本发明揭示的城市生活垃圾处理过程和装备示意图。

图2是本发明揭示的城市生活垃圾处理过程和装备中的干组分高温内热式热解气化系统示意图。

图3是本发明揭示的城市生活处理过程和装备中的湿组分低温湿热碳化处理系统示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的城市生活垃圾极度减量化和高度资源化的处理过程和相关装备。包括垃圾超高压压榨系统1；干组分高温热解气化系统2；两段式垃圾湿组分沼气发酵系统3；和低温湿热炭化系统4及其相关的控制系统（图中未显示）。

垃圾超高压压榨系统1由垃圾超高压压榨机和其相关的辅助设备组成。对城市生活垃圾进行预处理：由城市垃圾转运站收集的城市生活垃圾被装载设备（例如，抓斗）投入垃圾压榨机进行超高压压榨处理，被一次性分类成含水量低于25%的干组分和主要由生物质废弃物浆料组成的湿组分。该垃圾压榨装置已由本申请人申请发明专利（专利申请号：201110549074.0）。

如图2所示，垃圾干组分高温热解气化系统2由干组分进料斗21、螺旋挤压给料机22、热解气化反应器23、热解气燃烧废气排放管24、余热蒸汽发生器25、热解炭和灰烬排出装置26、热解气排出管道27、热解气净化装置28、热解气贮柜29和温度传感器及控制装置（图未画出）组成。

上述螺旋挤压给料机实质上是一台由驱动装置221和变螺距螺旋输送机222组成的给料装置。该装置可以通过挤压作用排除被干组分物料裹挟的空气。

上述高温热解气化反应器23由热解气化反应室231（以下简称定子）和内置于其中的热解气/热解炭两用燃烧炉232组成。定子是一个具有夹空层的长圆筒体。其内层筒体由耐磨耐热材料制成。其靠近干组分进料口的内筒壁上均匀分布有直径为0.5——2.0毫米的锥台形小孔。它们作为热解气化反应过程产生的热解气排向筒体夹空层的排放孔2311。这种热解气排放孔的设置方式不仅可以利用温度较高的热解气预热进入热解气化反应室的干组分，而且还可以利用干组分作为过滤介质截留热解气中的焦油和粉尘。这种热解气排放方式也延长了热解气在热解反应室中的停留时间，促使热解气中的高温水蒸气与热解形成的炽热炭粒反应产生一氧化碳和氢气。于此同时，热解气中存在的大分子烃类和热解产生的焦油也被进一步裂解成小分子烃类物质。经这些小孔排放进入上述定子夹空层中的热解气在夹空层停留期间，对热解反应室起着保温作用，以降低热损失，提高热解反应器的热效率。以进一步降低热解气化反应的能耗。此后，热解气经设置于热解反应室远离进料口端部的热解气排出管道27排入热解气净化装置28。

上述高温热解气化反应室231内部有一个内置热解气燃烧炉232。它由热解气/热解炭两用燃烧器2321、炉膛2322和炉膛外壁2323组成。该炉膛的外壁实质上为具有变螺距的实体螺旋输送叶片的螺旋输送装置。所述的螺旋叶片又同时起着搅拌热解物料和扩大传热面积的作用。该内置热解气燃烧炉由液压马达2324驱动的变速齿轮传动组成的齿轮传动副驱动，使该热解气热解炭两用燃烧炉绕热解反应室长向中轴旋转。其转动速度可根据热解反应状况进行无级调节。该内置热解气燃烧炉232与热解反应器的定子231之间通过特别设计的水环式蒸汽密封装置2325密封。该装置产生的蒸汽压力在0.03兆帕以下。该装置一方面起到防止外部空气进入热解反应器和热解气冲出热解反应器的密封作用，另一方面也避免内置热解气燃烧炉炉壁和热解反应器定子的磨损。位于进料口的上述燃烧炉炉壁上的变距螺旋螺距大于出料口处的螺距。此种设计有利于根据热解反应的状况调整干组分在热解反应器中的滞留时间。热解气化反应器的这种设计极大地提高了热解气化反应器的热能利用效率和热解反应速率。

热解气燃烧废气排放管24设置在热解气化反应器231的尾端。热解气燃烧废气经排放管进入余热蒸汽发生器25。后者实质上是一台小型的火管式余热锅炉。它充分利用热解气燃烧废气的余热产生上述蒸汽密封装置需要的压力在0.05兆帕的水蒸汽。当干组分物料的含水量较低时，它也可以为热解气化反应器提供热解气化反应所需的气化剂。

热解气净化装置28只有当垃圾干组分中含有重金属和氯化物时使用。它利用活性炭吸附法去除热解气中的重金属蒸汽和氯化氢。

热解气贮柜29用以储存多余的热解气。

热解气化反应产生的少量热解炭和灰烬从上述热解炭和灰烬排出装置26排出。热解炭和灰烬排出装置也设置有水环式蒸汽密封装置2312。以防止热解气泄漏。

当要处理的垃圾干组分物料量大时，可以将数台上述高温热解气化系统并联，以扩大处理规模。

两段式沼气发酵系统3由湿组分破碎机、酸化罐、接种混合器、发酵罐、沼气净化输送储存设备、沼液处理分离设备和其相关的物料输送设备组成，（参见由本申请人申请的发明专利，专利申请号：20120166596.3；）。

如图3所示：其中低温炭化系统4生物质废弃物低温湿热碳化处理系统（已同时另外申请专利，申请号201410235737.1），包括加压输送装置、低温湿热碳化反应釜、热交换器、生物碳燃烧供热装置、生物碳机械脱水装置和碳化液处理系统。

实施例

由城市垃圾转运站收集的城市生活垃圾被装载设备（例如，抓斗）投入垃圾压榨机进行超高压压榨处理，被一次性分类成含水量低于25%的干组分和主要由生物质废弃物浆料组成的湿组分。

湿组分进入低温湿热碳化反应釜，温度控制在200℃，在反应釜中的停留时间为0.5小时。反应完成的物料通过设在反应釜顶部的泄压阀排入热交换器同输入热交换器的湿组分热交换后冷却至100℃以下，进入厢式压滤机脱水完成固液分离，从而得到含水率低于30%的生物炭和含有N、P等成分的碳化液。其中，生物炭的一部分直接投入生物炭燃烧加热装置为低温湿热碳化反应釜提供反应所需热量，另一部分供其它需要能源的部门使用（例如，可以用于燃料锅炉——发电系统）；碳化液送入深度处理装置进行稳定重金属、脱氮除磷等处理后得到鸟粪石和可以回用达到排放标准的废水。

湿组分还可以采用两段式沼气发酵系统3转化为沼气，沼气作为能源供其它工业过程使用；排出的沼液经固液分离，其固体沼渣再次进入低温湿热碳化系统4转变成高热值的生物炭。液体经过处理后达标排放。

这里介绍垃圾干组分高温热解气化过程的实施：

通过超高压垃圾压榨机分类的垃圾干组分借助于输送装置（例如皮带输送机）被送入上述高温热解气化反应器的进料斗21，然后通过螺旋挤压给料机22送入高温热解气化反应室231里面热解进行气化。

垃圾干组分进入热解气化反应室231后，在具有螺旋输送功能的炉膛外壁2323螺杆的搅拌和推动下，温度逐步升高直至热解气化，并同时向前移动，逐步热解气化。热解气排由筒体夹空层的排放孔2311进入上述定子夹空层中，并经设置于热解反应室远离进料口端部的热解气排出管道27排入热解气净化装置28。热解气化反应产生的少量热解炭和惰性灰渣从热解炭和灰烬排出装置26排出。

这样超高压垃圾压榨机分类的垃圾干组分，不断进入热解反应器23，温度控制在800至1200℃，在热解反应器的停留时间为0.5小时。被热解成高能燃气和少量热解炭、惰性灰渣。

热解气和少量炭渣部分热解气作为热解过程的能源，剩余的作为燃料供其它工业过程使用。剩余大部分可为其它工业生产过程提供能源。当垃圾干组分中含有重金属和氯化物时使用热解气净化装置28，它利用活性炭吸附法去除热解气中的重金属蒸汽和氯化氢。

当要处理的垃圾干组分物料量大时，可以将数台上述高温热解气化系统并联，以扩大处理规模。

Claims (10)

1.一种城市生活垃圾极度减量化和高度资源化处理的装备，包括：

高压压榨机，用于将生活垃圾经过高压压榨作用分类成含水量低的干组分和由生物质废弃物细胞质浆料组成的湿组分；

高温热解气化系统，所述高温热解气化系统包含热解气化反应器，能够将所述干组分转化为热解气、炭渣及灰烬；

其中，所述热解气化反应器包括具有夹空层的长圆筒体状的热解气化反应室和内置于所述热解气化反应室的热解气/热解炭两用燃烧炉，其中，所述热解气化反应室在靠近进料口处的内筒壁上均匀分布有直径为0.5到2.0毫米的锥台形小孔，作为热解气化反应过程产生的热解气排向所述夹空层的排放孔；

所述热解气/热解炭两用燃烧炉包括炉膛和炉膛外壁，其中所述炉膛外壁为具有变螺距的实体螺旋输送叶片的螺旋输送装置，位于进料口的所述炉膛外壁的螺距大于出料口处的螺距。

2.根据权利要求1所述的城市生活垃圾极度减量化和高度资源化处理的装备，其特征在于：所述高温热解气化系统包括螺旋挤压给料机、热解气排出管道、热解气燃烧废气排放管、余热蒸汽发生器、热解炭和灰烬排出装置、热解气净化装置；其中，所述螺旋挤压给料机排挤出干组分物料中的空气并将物料推送入所述热解气化反应室进行高温热解气化反应，气化反应中产生的热解气经所述热解气排出管道排入所述热解气净化装置，气化反应中产生的热解炭和惰性灰渣从所述热解炭和灰烬排出装置排出，气化反应中产生的热解气燃烧废气经热解气燃烧废气排放管进入所述余热蒸汽发生器。

3.根据权利要求2所述的城市生活垃圾极度减量化和高度资源化处理的装备，其特征在于：所述螺旋挤压给料机包括变螺距螺旋输送机和驱动装置，其中所述变螺距螺旋输送机能够挤压出干组分物料中裹挟的空气。

4.根据权利要求2所述的城市生活垃圾极度减量化和高度资源化处理的装备，其特征在于：所述热解气化反应器包括水环式蒸汽密封装置，所述热解气化反应室与所述热解气/热解炭两用燃烧炉之间通过所述水环式蒸汽密封装置进行密封。

5.根据权利要求4所述的城市生活垃圾极度减量化和高度资源化处理的装备，其特征在于：所述热解气/热解炭两用燃烧炉由液压马达驱动的变速齿轮传动组成的齿轮传动副驱动，使该热解气/热解炭两用燃烧炉绕热解反应室长向中轴旋转，其转动速度可根据热解反应状况进行无级调节。

6.一种城市生活垃圾极度减量化和高度资源化处理的方法，包括：

高压压榨处理，将生活垃圾经所述高压压榨机的高压压榨作用后，分类成含水量低的干组分和由生物质废弃物细胞质浆料组成的湿组分；

高温热解气化处理，采用热解气化反应器将干组分转化为热解气、炭渣及灰烬；

其中，所述热解气化反应器包括具有夹空层的长圆筒体状的热解气化反应室和内置于所述热解气化反应室的热解气/热解炭两用燃烧炉，其中，所述热解气化反应室在靠近进料口处的内筒壁上均匀分布有直径为0.5到2.0毫米的锥台形小孔，作为热解气化反应过程产生的热解气排向所述夹空层的排放孔；

高温热解气化处理采用所述热解气/热解炭两用燃烧炉进行高温热解气化反应，其中

所述热解气/热解炭两用燃烧炉包括炉膛和炉膛外壁，所述炉膛外壁为具有变螺距的实体螺旋输送叶片的螺旋输送装置，位于进料口的所述炉膛外壁的螺距大于出料口处的螺距。

7.根据权利要求6所述的城市生活垃圾极度减量化和高度资源化处理的方法，其特征在于：所述高温热解气化处理包括：

螺旋挤压处理，排挤出干组分物料中的空气并将物料推送入所述热解气化反应室进行高温热解气化反应；

高温热解气化反应后处理，气化反应中产生的热解气经所述热解气排出管道排入热解气净化装置，气化反应中产生的热解炭和惰性灰渣从热解炭和灰烬排出装置排出，气化反应中产生的热解气燃烧废气经热解气燃烧废气排放管进入余热蒸汽发生器。

8.根据权利要求7所述的城市生活垃圾极度减量化和高度资源化处理的方法，其特征在于：所述螺旋挤压处理采用变螺距螺旋输送机挤压出干组分物料中裹挟的空气。

9.根据权利要求7所述的城市生活垃圾极度减量化和高度资源化处理的方法，其特征在于：所述高温热解气化处理采用水环式蒸汽密封装置在所述热解气化反应室与所述热解气/热解炭两用燃烧炉之间进行密封。

10.根据权利要求9所述的城市生活垃圾极度减量化和高度资源化处理的方法，其特征在于：所述热解气/热解炭两用燃烧炉采用液压马达驱动的变速齿轮传动组成的齿轮传动副驱动，使该热解气/热解炭两用燃烧炉绕热解反应室长向中轴旋转，其转动速度可根据热解反应状况进行无级调节。