CN104449873A - 一种生活垃圾热解制气工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种生活垃圾热解制气工艺，其特征在于：按照如下步骤实现的，用二段式热解气化炉连续制气，空气由空气鼓风机加压3000-6000Pa,经过止回阀从热解气化炉底部风管经过炉栅进入气化炉内，气化剂进入炉内后经灰层预热，在氧化层与垃圾干馏形成半焦状物质发生氧化反应，生成 CO2，并释放出大量热量，氧化层温度约1100 - 1200 ℃左右，在还原层CO2 和气化剂中所携带的水和半焦状物质反应，一起由上段煤气出口排出。本发明的优点是，可以连续不断把垃圾气化，正常生产无废气，做到变废为宝；垃圾热解气化遏制二恶英的产生；避免了垃圾大量填埋，节约土地；可以杀灭各种有害菌，垃圾气化的灰渣可以作为铺路的材料；生产中无废水产生。

Description

一种生活垃圾热解制气工艺
技术领域
    本发明涉及垃圾处理技术领域，具体涉及针对一种生活垃圾热解制气工艺。
背景技术
城市生活垃圾的组成成分相当复杂。城市工业发展程度、居民的生活习惯和生活水平的不同以及季节的转换，都与生活垃圾的组成成分与理化特性密切相关。城市生活垃圾性状和特征受居民生活、能源结构、季节变化等因素等影响，使得垃圾组分具有复杂性、多变性和地域差异性。随着经济发展和人民生活水平的提高，城市垃圾成份也发生了很大变化，例如87年垃圾中60～70%是煤渣，30～40%为有机物、废品等生活用品；到2001年10月垃圾中煤渣成份小于30%，有机物及废品占60%以上，2003年垃圾中煤渣占20%，有机物及废品达59.8%。可见垃圾成份由以前的煤渣为主改变为现在的以有机物为主，煤渣大量减少，废品含量有所上升；这就急需更改垃圾处理设备，以满足现在垃圾中含有的成份，彻底分解的需求。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种生活垃圾热解制气工艺，无污染，处理快，产气率高，特别是能满足现有状况下的垃圾处理情况的工艺。
为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种生活垃圾热解制气工艺，其特征在于：按照如下步骤实现的，
用二段式热解气化炉连续制气，炉体水夹套自产的低压蒸汽和鼓风空气混合组成的饱和气作为气化剂，饱和温度一般控制在40～65℃之间。
空气由空气鼓风机加压到3000-6000Pa,经过止回阀从热解气化炉底部风管经过炉栅进入气化炉内，气化剂进入炉内后经灰层预热，在氧化层与垃圾干馏形成半焦状物质发生氧化反应，生成 CO2，并释放出大量热量，氧化层温度约1100 - 1200 ℃左右，在还原层CO2 和气化剂中所携带的水和半焦状物质反应，生成了煤气（ CO 和 H2 ），约 2/3 的煤气经过环型炉墙内的通道导出形成底煤气，温度为 400-600 ℃，由下段煤气出口排出；约 1/3 的煤气上升到干馏层，依靠煤气自身的显热和下段煤气通过隔墙传导的热量加热垃圾物料，进行中低温干馏，和干馏煤气混合形成顶煤气，温度约为 70-120℃，一起由上段煤气出口排出。
1、上段煤气的产生
入炉的垃圾被气化段产生的热煤气加热，首先脱去内外水分70～150℃，逐步干燥；继而被干馏150～550℃脱出挥发分，挥发分成份为焦油、烷烃类气体、酚及H2、CO2、CO、H2O混合物，其中，焦油、轻焦油随顶煤气进入后续净化被脱除，而烷烃类及H2、CO2、CO类做为干馏煤气和气化段产生的部分煤气混合成为顶煤气；干馏气具有较高热值，混合的上段煤气热值一般可达到1200～1550 KCaL/Nm3。
2、下段煤气的产生
垃圾原料在干馏段被下段煤气干馏后，形成热半焦进入气化段。热半焦的挥发份一般为3～5%。热半焦因脱去其中的活性组份，气化活性比垃圾有所降低，在火层的温度一般为1000～1200℃之间还原、氧化；热半焦与蒸汽或空气混合气发生以下反应：
C+O2=CO2+408840千焦/千摩尔
C+1/2O2=CO+123217千焦/千摩尔
CO2+C=2CO-162405千焦/千摩尔
C+ H2O =CO+ H2-118821千焦/千摩尔
C+ 2H2O =CO2+ 2H2-75237千焦/千摩尔
下段煤气为气化煤气，几乎不含焦油；但含少量灰尘，其热值一般为700～1000 KCaL/Nm3。
3、净化流程
由于热解气化炉分为上、下2个出口，所以配套的净化回收工艺也分为上段部分和下段部分；上段煤气净化处理过程为煤气先进间冷器，其工作温度为70～130℃之间，脱除重质焦油（焦油热值可达8200 KCaL/kg以上），其产量因垃圾品种不同而定，一般为入炉垃圾总量的0.5～2.5%，是优质化工原料或燃料；经初步脱焦油后的上段煤气接着进入带灰斗的煤气总管；下段煤气先进入旋风除尘器除去大颗粒灰尘后，进入盘型阀后，汇入煤气总管与上段煤气混合。
3.1 旋风除尘器
    下段煤气出口温度约400-600 ℃，进入内砌筑耐火砖的旋风除尘器，除去50μm以上的灰尘，除尘效率60-75%。
3.2 盘型阀
从旋风除尘器出来的煤气进入盘型阀，盘型阀内砌耐火砖，可以利用水封快速切断煤气，同时调节上下出口煤气的产量，达到控制炉膛内的温度作用。
3.3间冷器
由于热解气化炉产生的煤气有时O2会高于0.6%，取消电捕焦油器新增间冷器，脱除重质焦油，同时煤气与水不直接接触，避免产生大量废水；不会增加煤气中水蒸气的含量，焦油的产量因垃圾品种不同而定，一般为入炉垃圾总量的0.5～2.5%。
3.4 逆止阀
安装在热解气化炉进风口前，主要作用是在停电时，防止煤气倒流。
3.5  钟罩阀
安装在上段煤气出口处，在点炉时不合格煤气排空，生产时如系统压力突然升高，自动放散，起到泄压作用。
3.6垃圾热解气化中控制及解决生成二恶英的办法
    垃圾分类处理，清除氯化铜、氯化铁等物质，与生活垃圾中的含氯高分子化合物分开处理。
    垃圾进入热解气化炉内后，在干馏段进行缺氧干馏，温度200-500℃，由于在缺氧的条件，利用干馏热能使有机物的化合键断裂，由大分子量的有机物转变为小分子量的CO、H2、CH4等可燃气体。由于缺氧，氯化铜、氯化铁的催化作用被抑制；垃圾被干馏后进入还原层，温度800-900℃，即使有二恶英，也会被分解；还原层往下进入氧化层，温度约1200℃，二恶英彻底分解。
    二恶英在高温的热解是在02进行氧化，反应如下：
Dioxins + n o2→  m co2 + β HCl
3.7烟气洗涤
氯化铜、氯化铁随灰渣排出炉外，不会进入烟气系统，减少二恶英合成机率，为了扼制焚烧烟气在净化过程中再合成，同时解决尾气的HCl气体，喷射碱水，抑制二恶英的生产，同时处理尾气中HCl，达到环保效果。反应如下：
2HCl + Ca(OH)2 = CaCl2 + 2H2O
    本发明的优点是，可以连续不断把垃圾气化，正常生产无废气，做到变废为宝；垃圾热解气化遏制二恶英的产生；避免了垃圾大量填埋，节约土地；
原生垃圾经过热解气化处理，经过高温(1000-1200℃)可以杀灭各种有害菌，完全去除臭味；垃圾气化的灰渣可以作为铺路的材料；生产中无废水产生；
生产中无废气产生，在点火或停炉产生多余煤气可以点燃，不会影响环境；其占地小，无污染，处理快，特别是能满足现有状况下对有机物垃圾处理情况。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明二恶英的理化特性分子结构图。
具体实施方式
下面结合附图说明对本发明做进一步的阐述。
图1为本发明的优选方式，其显示了一种生活垃圾热解制气工艺，其特征在于：按照如下步骤实现的，
用二段式热解气化炉连续制气，炉体水夹套自产的低压蒸汽和鼓风空气混合组成的饱和气作为气化剂，饱和温度一般控制在40～65℃之间。
空气由空气鼓风机加压到3000-6000Pa,经过止回阀从热解气化炉底部风管经过炉栅进入气化炉内，气化剂进入炉内后经灰层预热，在氧化层与垃圾干馏形成半焦状物质发生氧化反应，生成 CO2，并释放出大量热量，氧化层温度约1100 - 1200 ℃左右，在还原层CO2 和气化剂中所携带的水和半焦状物质反应，生成了煤气（ CO 和 H2 ），约 2/3 的煤气经过环型炉墙内的通道导出形成底煤气，温度为 400-600 ℃，由下段煤气出口排出；约 1/3 的煤气上升到干馏层，依靠煤气自身的显热和下段煤气通过隔墙传导的热量加热垃圾物料，进行中低温干馏，和干馏煤气混合形成顶煤气，温度约为 70-120℃，一起由上段煤气出口排出。
1、上段煤气的产生
入炉的垃圾被气化段产生的热煤气加热，首先脱去内外水分70～150℃，逐步干燥；继而被干馏150～550℃脱出挥发分，挥发分成份为焦油、烷烃类气体、酚及H2、CO2、CO、H2O混合物，其中，焦油、轻焦油随顶煤气进入后续净化被脱除，而烷烃类及H2、CO2、CO类做为干馏煤气和气化段产生的部分煤气混合成为顶煤气；干馏气具有较高热值，混合的上段煤气热值一般可达到1200～1550 KCaL/Nm3。
2、下段煤气的产生
垃圾原料在干馏段被下段煤气干馏后，形成热半焦进入气化段。热半焦的挥发份一般为3～5%。热半焦因脱去其中的活性组份，气化活性比垃圾有所降低，在火层的温度一般为1000～1200℃之间还原、氧化；热半焦与蒸汽或空气混合气发生以下反应：
C+O2=CO2+408840千焦/千摩尔
C+1/2O2=CO+123217千焦/千摩尔
CO2+C=2CO-162405千焦/千摩尔
C+ H2O =CO+ H2-118821千焦/千摩尔
C+ 2H2O =CO2+ 2H2-75237千焦/千摩尔
下段煤气为气化煤气，几乎不含焦油；但含少量灰尘，其热值一般为700～1000 KCaL/Nm3。
3、净化流程
由于热解气化炉分为上、下2个出口，所以配套的净化回收工艺也分为上段部分和下段部分；上段煤气净化处理过程为煤气先进间冷器，其工作温度为70～130℃之间，脱除重质焦油（焦油热值可达8200 KCaL/kg以上），其产量因垃圾品种不同而定，一般为入炉垃圾总量的0.5～2.5%，是优质化工原料或燃料；经初步脱焦油后的上段煤气接着进入带灰斗的煤气总管；下段煤气先进入旋风除尘器除去大颗粒灰尘后，进入盘型阀后，汇入煤气总管与上段煤气混合。
3.1 旋风除尘器
    下段煤气出口温度约400-600 ℃，进入内砌筑耐火砖的旋风除尘器，除去50μm以上的灰尘，除尘效率60-75%。
                      表1  旋风除尘器技术参数
3.2 盘型阀
从旋风除尘器出来的煤气进入盘型阀，盘型阀内砌耐火砖，可以利用水封快速切断煤气，同时调节上下出口煤气的产量，达到控制炉膛内的温度作用。
                           表2 盘型阀技术参数
3.3间冷器
由于热解气化炉产生的煤气有时O2会高于0.6%，取消电捕焦油器新增间冷器，脱除重质焦油，同时煤气与水不直接接触，避免产生大量废水；不会增加煤气中水蒸气的含量，焦油的产量因垃圾品种不同而定，一般为入炉垃圾总量的0.5～2.5%。
表 3 间冷器技术参数
3.4 逆止阀
安装在热解气化炉进风口前，主要作用是在停电时，防止煤气倒流。
表4 逆止阀技术参数
3.5  钟罩阀
安装在上段煤气出口处，在点炉时不合格煤气排空，生产时如系统压力突然升高，自动放散，起到泄压作用。主要作用系统安全操作。
                      表5 钟罩阀技术参数
   热解气化炉的煤气产量
产量： 2500-5000 Nm3/h；热值：1000- 1200 KCaL/Nm3；压力：1000~2000 Pa。
3.6垃圾热解气化中控制及解决生成二恶英的办法
3.6.1 二恶英的特性
由一个氧原子连接的称为多氯二苯并呋喃（PCDFs），由两个氧原子连接的称为多氯二苯并二恶英（PCDDs）。由于每个苯环上可以取代1~4个氯原子，所以总共有135种PCDFs和75种PCDDs异构体。这两类统称为二恶英（dioxins）类物质。
二恶英类有机物是毒性最强的物质，其中以2，3，7，8－四氯二苯并二恶英（2378-TCDD）毒性最强，相当于氧化物（OCDD）的1000倍。由于在水平和垂直两方向都为对称结构，故它们的化学稳定性非常好。其相对分子量322，室温下为无色的结晶，25℃时水的溶解度为0.0002g/m3,苯中的溶解度为57 g/m3,甲醇中的溶解度为1.048 g/m3,在大部分有机溶媒中溶解度很小，但极易溶于脂肪，所以容易在生物体内积聚，引起痤疮、头疼、失聪、忧郁、失眠等症状。长期摄入可能会导致畸变、癌症等。
二恶英熔融点在303~306℃；沸点在421.2~446.5℃；热分解温度在700℃以上；25℃时的密度为1.827 g/m3,通常在酸碱中较稳定，在强氧化剂下易分解，在光和紫外线下缓慢分解。总的来说，挥发性较低，但在长距离敞开运输中还是会对环境造成大规模的污染。生活垃圾等废弃物焚烧过程中产生并排放到环境中的二恶英类，在环境中的化学稳定性很好，很难分解，其半衰期一般在5-10年，在环境运动中对大气、土壤、河流等会造成严重污染。因此在垃圾焚烧、气化过程中，应尽量避免二恶英的生成并破坏原有的或生成的二恶英。
3.6.2二恶英的产生
生活垃圾中的含氯高分子化合物如聚氯乙烯、氯代笨、五氯苯酚等物，在适宜温度并在氯化铜、氯化铁的催化作用下易与O2、HCl反应，通过重排、自由基组合、脱氯等过程产生二恶英。
在垃圾焚烧过程中，主要有三个与二恶英相关的阶段。分别为初始生成、高温分解和后期合成。其中一、三两个阶段都应尽量避免二恶英的生成，高温分解则是消除二恶英的主要阶段。
3.6.3二恶英的初始生成
二恶英的前体物有O2、HCl以及各种氯化苯类物质，由于生活垃圾中提供了相应的二恶英前体物和必要的催化剂，所以在250-550℃温度下，就会生成二恶英。
3.6.4二恶英的热解
   目前，关于二恶英热解温度公认的是850℃左右，在850℃的炉膛内停留2秒，或1000℃左右的炉膛内停留1秒，二恶英可以完全分解；若温度在1200℃以上，几乎不含有二恶英。
3.6.5二恶英的后期合成
当排烟温度冷却到300-500℃时，在氯化铜、氯化铁的催化作用下，会重新生成二恶英。
3.6.6控制二恶英产生的方法
    垃圾分类处理，清除氯化铜、氯化铁等物质，与生活垃圾中的含氯高分子化合物分开处理。
    垃圾进入热解气化炉内后，在干馏段进行缺氧干馏，温度200-500℃，由于在缺氧的条件，利用干馏热能使有机物的化合键断裂，由大分子量的有机物转变为小分子量的CO、H2、CH4等可燃气体。由于缺氧，氯化铜、氯化铁的催化作用被抑制。垃圾被干馏后进入还原层，温度800-900℃，即使有二恶英，也会被分解；还原层往下进入氧化层，温度约1200℃，二恶英彻底分解。
3.6.7二恶英的热解
   二恶英在高温的热解是在02进行氧化，反应如下：
Dioxins + n o2→  m co2 + β HCl
3.6.8烟气洗涤
氯化铜、氯化铁随灰渣排出炉外，不会进入烟气系统，减少二恶英合成机率，为了扼制焚烧烟气在净化过程中再合成，同时解决尾气的HCl气体，喷射碱水抑制二恶英的生产，同时处理尾气中HCl，达到环保效果。
反应如下：
2HCl + Ca(OH)2 = CaCl2 + 2H2O

Claims (2)

1.一种生活垃圾热解制气工艺，其特征在于：按照如下步骤实现的，用二段式热解气化炉连续制气，炉体水夹套自产的低压蒸汽和鼓风空气混合组成的饱和气作为气化剂，饱和温度一般控制在40～65℃之间；空气由空气鼓风机加压到3000-6000Pa,经过止回阀从热解气化炉底部风管经过炉栅进入气化炉内，气化剂进入炉内后经灰层预热，在氧化层与垃圾干馏形成半焦状物质发生氧化反应，生成 CO2，并释放出大量热量，氧化层温度约1100 - 1200 ℃左右，在还原层CO2 和气化剂中所携带的水和半焦状物质反应，生成了煤气（ CO 和 H2 ），约 2/3 的煤气经过环型炉墙内的通道导出形成底煤气，温度为 400-600 ℃，由下段煤气出口排出；约 1/3 的煤气上升到干馏层，依靠煤气自身的显热和下段煤气通过隔墙传导的热量加热垃圾物料，进行中低温干馏，和干馏煤气混合形成顶煤气，温度约为 70-120℃，一起由上段煤气出口排出。
2.根据权利要求1所述的一种生活垃圾热解制气工艺，其特征在于：按照如下步骤实现的，
     1）、上段煤气的产生
入炉的垃圾被气化段产生的热煤气加热，首先脱去内外水分70～150℃，逐步干燥；继而被干馏150～550℃脱出挥发分，挥发分成份为焦油、烷烃类气体、酚及H2、CO2、CO、H2O混合物，其中，焦油、轻焦油随顶煤气进入后续净化被脱除，而烷烃类及H2、CO2、CO类做为干馏煤气和气化段产生的部分煤气混合成为顶煤气；干馏气具有较高热值，混合的上段煤气热值一般可达到1200～1550 KCaL/Nm3；
     2）、下段煤气的产生
垃圾原料在干馏段被下段煤气干馏后，形成热半焦进入气化段；热半焦的挥发份一般为3～5%；热半焦因脱去其中的活性组份，气化活性比垃圾有所降低，在火层的温度一般为1000～1200℃之间还原、氧化；热半焦与蒸汽或空气混合气发生以下反应：
C+O2=CO2+408840千焦/千摩尔
C+1/2O2=CO+123217千焦/千摩尔
CO2+C=2CO-162405千焦/千摩尔
C+ H2O =CO+ H2-118821千焦/千摩尔
C+ 2H2O =CO2+ 2H2-75237千焦/千摩尔
下段煤气为 气化煤气，几乎不含焦油；但含少量灰尘，其热值一般为700～1000 KCaL/Nm3；
    3）、净化流程
由于热解气化炉分为上、下2个出口，所以配套的净化回收工艺也分为上段部分和下段部分；上段煤气净化处理过程为煤气先进间冷器，其工作温度为70～130℃之间，脱除重质焦油（焦油热值可达8200 KCaL/kg以上），其产量因垃圾品种不同而定，一般为入炉垃圾总量的0.5～2.5%，是优质化工原料或燃料；经初步脱焦油后的上段煤气接着进入带灰斗的煤气总管；下段煤气先进入旋风除尘器除去大颗粒灰尘后，进入盘型阀后，汇入煤气总管与上段煤气混合； 
    3.1） 旋风除尘器
   下段煤气出口温度约400-600 ℃，进入内砌筑耐火砖的旋风除尘器，除去50μm以上的灰尘，除尘效率60-75%；
   3.2 ）盘型阀
从旋风除尘器出来的煤气进入盘型阀，盘型阀内砌耐火砖，可以利用水封快速切断煤气，同时调节上下出口煤气的产量，达到控制炉膛内的温度作用；             
   3.3）间冷器                
    由于热解气化炉产生的煤气有时O2会高于0.6%，取消电捕焦油器新增间冷器，脱除重质焦油，同时煤气与水不直接接触，避免产生大量废水；不会增加煤气中水蒸气的含量，焦油的产量因垃圾品种不同而定，一般为入炉垃圾总量的0.5～2.5%；
    3.4 ）逆止阀
    安装在热解气化炉进风口前，主要作用是在停电时，防止煤气倒流；                        
    3.5）钟罩阀
    安装在上段煤气出口处，在点炉时不合格煤气排空，生产时如系统压力突然升高，自动放散，起到泄压作用；
    3.6）垃圾热解气化中控制及解决生成二恶英的办法
    垃圾分类处理，清除氯化铜、氯化铁等物质，与生活垃圾中的含氯高分子化合物分开处理；
    垃圾进入热解气化炉内后，在干馏段进行缺氧干馏，温度200-500℃，由于在缺氧的条件，利用干馏热能使有机物的化合键断裂，由大分子量的有机物转变为小分子量的CO、H2、CH4等可燃气体；由于缺氧，氯化铜、氯化铁的催化作用被抑制；垃圾被干馏后进入还原层，温度800-900℃，即使有二恶英，也会被分解；还原层往下进入氧化层，温度约1200℃，二恶英彻底分解；
    二恶英在高温的热解是在02进行氧化，反应如下：
Dioxins + n o2→  m co2 + β HCl
    3.7）烟气洗涤
氯化铜、氯化铁随灰渣排出炉外，不会进入烟气系统，减少二恶英合成机率，为了扼制焚烧烟气在净化过程中再合成，同时解决尾气的HCl气体，喷射碱水，抑制二恶英的生产，同时处理尾气中HCl，达到环保效果；
反应如下：
2HCl + Ca(OH)2 = CaCl2 + 2H2O。
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