CN104501176B - 一种垃圾无害化处理系统及利用该系统处理垃圾的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垃圾无害化处理系统及其垃圾处理方法，运用循环流化床燃烧技术对垃圾进行焚烧处理，在垃圾焚烧过程中采用高浓度氧气与再循环烟气混合形成的O₂/CO₂混合气体代替空气参与组织固体垃圾燃烧。富氧及富氧燃烧环境可实现相对高温的燃烧条件，抑制二噁英及其前驱体的生成，而烟气经过脱硝、除尘和脱硫过程后，一部分经过气‑气换热器预热后形成再循环烟气，另一部分烟气在经过多级压缩和多级冷却，回收烟气中的水后，形成高纯度的液态CO₂，作为化工产品利用或者用于油井驱油或者地质埋存。垃圾焚烧处理系统将不再排放任何气体污染物，彻底解决垃圾焚烧的二次污染，真正实现垃圾焚烧气态污染物近零排放的无害化处置。

Description

一种垃圾无害化处理系统及利用该系统处理垃圾的方法

技术领域

本发明涉及垃圾无害化处理技术领域，具体涉及垃圾燃烧以后污染物近零排放的一种垃圾无害化处理系统及利用该系统处理垃圾的方法。

背景技术

近年来随着经济的迅猛发展，城市范围的不断扩大和城市人口的迅速增加，导致垃圾的产生量与日俱增。垃圾的合理处理因此成为一个亟待解决的环保问题。垃圾处理的目标是减容减量化、资源化、能源化及无害化。目前，我国主要采用卫生填埋、堆肥及焚烧等三种方式来处理垃圾。其中卫生填埋占地范围较大，随着合适的填埋场地日益减少，卫生填埋已经不足以满足垃圾快速增长的要求，并且卫生填埋容易产生二次污染；而堆肥法由于处理垃圾速度慢，自动化程度低，占地面积大且处理量较小、容易产生二次污染等缺点而无法被广泛采用。

垃圾焚烧处理是一种对垃圾进行热化学处理的方法，经焚烧处理后的垃圾体积可减少85％-95％，重量能减少70％-80％，焚烧产生的热量可用于供热或发电。垃圾经高温焚烧后能消除大量有害病菌和有毒物质，同时可以有效地达到减量无害的目的。焚烧处理具有占地面积小、运行稳定、处理量大、能回收利用部分能源等特点而在很多国家得到广泛釆用。但是，由于垃圾组分十分复杂，焚烧时不仅会产生大量的微小颗粒，造成周边地区雾霾严重，而且会产生如二噁英等剧毒物质。不仅如此，排放烟气中还含有氮氧化物、硫的氧化物等有毒有害气体造成二次污染，排放的CO₂还会加剧温室效应。而且目前的垃圾焚烧处理方法没有实现能源的充分合理利用，如何实现垃圾无害化处理并合理回收利用其中蕴含的能量已成为焚烧法推广应用的主要瓶颈，因此需要提供一种垃圾无害化处理系统及利用该系统处理垃圾的方法。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种实现能源合理化利用的垃圾无害化处理系统。该系统能够避免在压缩冷凝过程中产生的硫酸、硝酸对设备和管路的腐蚀，降低设备的造价，保证设备工作的安全性；能够实现对能源的充分、合理利用及成熟工艺流程的合理组合；达到垃圾处理过程中污染物零排放的目的。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种垃圾无害化处理系统，所述处理系统包括通过管道依次相连的循环流化床锅炉、脱硝装置、气-气换热器、除尘器、脱硫装置、多级压缩冷凝装置和气液分离器；

所述多级压缩冷凝装置包括通过管道依次相连的第一压缩机、第一冷凝器、第一液态水收集器、第二压缩机、第二冷凝器、第二液态水收集器、第三压缩机和第三冷凝器。

所述脱硝装置与气-气换热器的热风入口相连通；所述除尘器与气-气换热器的热风出口相连通；所述除尘器用于除去烟气中的固体飞灰。

所述脱硫装置的出口还与气-气换热器的冷风入口相连通；所述脱硫装置出口处的输出管道包括第一支路管道和第二支路管道，所述第一支路管道与第一压缩机相连通，所述第二支路管道与气-气换热器的冷风入口相连。

所述气-气换热器用于将脱硝装置输出的烟气与脱硫装置输出第二支路管道中的再循环烟气进行热交换，使进入循环流化床锅炉的再循环烟气具有较高的温度。

所述第三冷凝器的冷端入口与空分装置的氧气出口相连通；

所述第三冷凝器的冷端出口与第二冷凝器的冷端入口相连通；

空分装置输出的低温O₂先进入第三冷凝器，再进入第二冷凝器，与第三冷凝器和第二冷凝器中的高浓度气态CO₂进行充分的热交换，从而使高浓度气态CO₂的温度降低，在第三冷凝器中冷凝为液态CO₂，而O₂的温度升高，使O₂在进入循环流化床锅炉时具有较高的温度。

所述第二冷凝器的冷端输出管道与气-气换热器的冷风输出管道汇合以后通过汇合管道与循环流化床锅炉相连通。经过升温的O₂与经过升温的再循环烟气一起进入循环流化床锅炉，用于调节循环流化床锅炉中垃圾的燃烧温度，使固体生活垃圾与助燃气体的充分混合，加速垃圾燃尽过程。

进一步地，所述循环流化床锅炉通过管道依次连接汽轮发电机组、凝汽器和凝结水泵，所述凝结水泵与第一冷凝器的凝结水入口相连通，所述第一冷凝器与循环流化床锅炉的省煤器的连接管道上设有抽汽加热器。所述汽轮发电机组用于将循环流化床锅炉输出的高温蒸汽发电，发电用于给系统耗能设备供电。所述抽汽加热器用于加热液态凝结水，使液态凝结水进入省煤器时具有较高的温度。

进一步地，所述除尘器和脱硫装置之间的管路上设有增压风机。所述增压风机用于增大烟气的压强，加快烟气的流动速度，从而加快垃圾无害化处理的速度。

进一步地，所述第二冷凝器与气-气换热器的汇合管道上设有送风机。所述送风机用于将再循环烟气与氧气的混合气体送入循环流化床锅炉。

进一步地，所述第一冷凝器与抽汽加热器之间的管路上设有给水泵。所述给水泵用于将凝结水升压，最终使凝结水更快的循环到省煤器。

本发明的另一个目的在于提供一种利用上述垃圾无害化处理系统来实现能源合理利用以及垃圾无害化处理的方法。该方法将不再排放任何气态污染物，彻底解决垃圾焚烧的二次污染，真正实现垃圾无害化处置。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种垃圾无害化处理方法，该方法包括如下步骤：

1)空气通入空分装置后得到N₂和O₂，将O₂通过第二冷凝器换热，使O₂温度升高；高纯度的N₂可直接用于出售。

2)固体生活垃圾和石灰石一起放入循环流化床锅炉中富氧焚烧，富氧焚烧可抑制二噁英及其前驱体的生成，石灰石可初步脱除烟气中硫的氧化物，焚烧产生的烟气通入脱硝装置脱除烟气中的氮氧化合物；从循环流化床锅炉输出的烟气具有较高的温度，可以满足常规烟气脱硝技术的工作温度要求。

所述固体生活垃圾为城市固体生活垃圾中的可燃物，包括部分有机垃圾、废纸和废塑料。

3)将步骤2)得到的烟气经过气-气换热器换热后，通入除尘器；除去烟气中的固体灰尘。

4)将步骤3)得到的烟气通过脱硫装置除去烟气中硫的氧化物；脱硫装置的产物为石膏。

5)将步骤4)得到的烟气一部分作为再循环烟气，通入气-气换热器与步骤2)产生的烟气换热，然后与步骤1)得到的O₂混合进入循环流化床锅炉；用于调节循环流化床锅炉中垃圾的燃烧温度，使固体生活垃圾与助燃气体充分混合，抑制二噁英及其前驱体的生成，加速垃圾燃烧与燃尽过程。

6)将步骤4)得到的另一部分烟气进行多级压缩多级冷却，分别通入第一压缩机、第一冷凝器、第一液态水收集器、第二压缩机、第二冷凝器、第二液态水收集器、第三压缩机和第三冷凝器后，进入气液分离器，分离出液态CO₂和非凝性气体；所述液态CO₂可作为化工产品利用，所述非凝性气体主要为氮气、氧气、极少量的水蒸气和极少量的气态CO₂，由于无害而可直接排入大气。

烟气中的水蒸气分别在第一冷凝器和第二冷凝器中凝结后进入第一液态水收集器和第二液态水收集器；

烟气通过第一压缩机后压力增大，温度升高，将压缩后的烟气通入第一冷凝器，加热来自凝汽器的凝结水回收利用压缩烟气而产生的热量，烟气温度降低至其入口烟气中水蒸气分压对应的饱和温度以下，部分水蒸气冷凝为液态水；随后将烟气通入第一液态水收集器，收集烟气中凝结出的冷凝水，再将烟气通入第二压缩机，烟气被进一步压缩后，烟气中CO₂分压力低于其临界压力，与低温的O₂在第二冷凝器中进行换热以后，烟气温度降低至其中水蒸气分压对应的饱和温度以下但高于其中CO₂分压对应的饱和温度，进入第二液态水收集器，继续收集烟气中水蒸气的冷凝水，之后将烟气通入第三压缩机，烟气被充分压缩至高于CO₂的临界压力后，进入第三冷凝器，在第三冷凝器中与空分装置输出的低温O₂进行换热，烟气温度降低至其中CO₂分压对应的饱和温度以下进入气液分离器，分离为液态CO₂和非凝性气体。

在对烟气压缩和冷凝之前就脱除烟气中的氮氧化物和硫的氧化物，避免了在压缩冷凝过程中产生的硫酸、硝酸对设备和管路的腐蚀，降低了设备的造价，保证了设备工作的安全性。

7)循环流化床锅炉产生的蒸汽进入汽轮发电机组，利用蒸汽的热能进行发电。所述汽轮发电机组产生的电能用于给该垃圾无害化处理系统的耗能设备供电及向外供电。

进一步地，所述蒸汽从汽轮发电机组流出以后经过凝汽器凝结为液态凝结水，所述凝结水通入第一冷凝器用于与第一压缩机输出的烟气在第一冷凝器中进行换热；换热以后的凝结水经过给水泵的升压以后进入抽汽加热器，使凝结水的温度进一步升高，最后把凝结水通入循环流化床锅炉的省煤器再循环利用。

进一步地，将空分装置输出的低温N₂通入凝汽器中，用于使汽轮发电机组输出的乏汽冷凝为凝结水。充分利用了N₂的低温。

本发明的有益效果如下：

1、本发明中，固体生活垃圾在富氧气氛下进行焚烧，燃烧温度较高，并混入再循环烟气，调节燃烧温度，同时采用循环流化床燃烧技术，使固体生活垃圾与助燃气体的充分混合，加速了垃圾燃尽过程，使垃圾处于“3T”(合适的燃烧温度：Temperature，良好的湍流度：Turbulence；充分的反应时间：Time)控制状态，固体生活垃圾燃烧更为充分，保证了固体生活垃圾中蕴含的热量能够完全释放，提高热量的使用效率；同时从源头对排放烟气进行控制，大大降低了对周围大气的污染。

2、空分装置将O₂和N₂分离，N₂回收利用，O₂与第三冷凝器和第二冷凝器中的高浓度CO₂换热提升了温度，回收利用了压缩烟气而产生的热量，减少了系统的散热损失。同时，N₂不参与固体生活垃圾的燃烧也使氮氧化物的生成量大大减少。

3、气-气换热器使经过脱硝装置的烟气中所蕴含的大量热量传递给了再循环烟气，这样大大减少了锅炉的排烟热损失，有效的提高了锅炉的热效率。

4、在对烟气压缩和冷凝之前就脱除烟气中的氮氧化物和硫的氧化物，避免了在压缩冷凝过程中产生的硫酸、硝酸对设备和管路的腐蚀，降低了设备的造价，保证设备工作的安全性。

5、最终得到高纯度的CO₂可作为化工产品利用或者用于油井驱油或地质掩埋，氮氧化物经过脱硝装置去除，SO₂、SO₃经过脱硫装置后转化为石膏，可用于出售，其它如二噁英等有毒物质则通过循环流化床燃烧技术在源头上控制其生成。垃圾焚烧处理系统将不再排放任何气态污染物，彻底解决垃圾焚烧的二次污染，真正实现垃圾无害化处置。

6、整个垃圾无害化处理系统，实现了对能源的充分、合理利用及成熟工艺流程的合理组合：循环流化床锅炉省煤器出口处较高温度的烟气可以利用常规成熟的SCR脱硝工艺进行烟气脱硝；脱硝以后的烟气与经过脱硫装置净化后的烟气在气-气换热器中进行换热，充分利用烟气的余热；空分装置中输出的低温O₂作为冷源与第三冷凝器和第二冷凝器中较高温度的烟气(含高浓度CO₂)进行换热，回收利用压缩机耗功产生的热量；空分装置中输出的低温N₂作为冷源与汽轮发电机组的乏汽在凝汽器中进行换热使乏汽凝结为水；循环流化床锅炉生产的蒸汽用于发电，电能供给系统的耗能设备，凝结水在第一冷凝器中与第一压缩机输出的烟气进行换热，回收利用压缩机耗功产生的热量；最后，换热以后的凝结水通过给水泵进入循环流化床锅炉的省煤器重复利用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种垃圾无害化处理系统，所述处理系统包括通过管道依次相连的循环流化床锅炉1、脱硝装置2、气-气换热器3、除尘器4、脱硫装置5、第一压缩机6、第一冷凝器7、第一液态水收集器71、第二压缩机8、第二冷凝器9、第二液态水收集器91、第三压缩机21、第三冷凝器22和气液分离器10；

所述脱硝装置2与气-气换热器3的热风入口相连通；所述除尘器4与气-气换热器3的热风出口相连通；所述除尘器4和脱硫装置5之间的管路上设有增压风机11。

所述脱硫装置5的出口还与气-气换热器3的冷风入口相连通；所述脱硫装置5出口处的输出管道包括第一支路管道52和第二支路管道51，所述第一支路管道52与第一压缩机6相连通，所述第二支路管道51与气-气换热器3的冷风入口相连。所述气-气换热器3用于将脱硝装置2输出的烟气与脱硫装置5输出的第二支路管道中的烟气进行热交换，回收烟气的余热。

所述第三冷凝器22的冷端入口与空分装置12的氧气出口相连通；所述第三冷凝器22的冷端出口与第二冷凝器9的冷端入口相连通，所述第二冷凝器9的冷端出口管道与气-气换热器3的冷风输出管道汇合以后通过汇合管道13与循环流化床锅炉1相连通。所述第二冷凝器9与气-气换热器3的汇合管道13上设有送风机14。

所述循环流化床锅炉1通过管道依次连接汽轮发电机组15、凝汽器16和凝结水泵17，所述凝结水泵17与第一冷凝器7的冷凝水入口相连通，所述第一冷凝器7的冷凝水出口与循环流化床锅炉1的省煤器的连接管道上设有抽汽加热器18。所述第一冷凝器7与抽汽加热器18之间的管路上设有给水泵19。

一种利用上述垃圾无害化处理系统来实现能源合理利用以及垃圾无害化处理的方法，该方法包括如下步骤：

1)空气通入空分装置12后得到N₂和O₂，将O₂先后通入第三冷凝器22和第二冷凝器9进行换热，使O₂温度升高；

2)固体生活垃圾和石灰石一起放入循环流化床锅炉1中焚烧，焚烧产生的烟气通入脱硝装置2脱除烟气中的氮氧化合物；

3)将步骤2)得到的烟气经过气-气换热器3换热后，通入除尘器4；

4)将步骤3)得到的烟气通过脱硫装置5除去烟气中硫的氧化物；

5)将步骤4)得到的烟气一部分作为再循环烟气，通入气-气换热器3与步骤2)产生的烟气换热，然后与步骤1)得到的O₂混合进入循环流化床锅炉1；

6)将步骤4)得到的另一部分烟气分别通入第一压缩机6、第一冷凝器7、第一液态水收集器71、第二压缩机8、第二冷凝器9、第二液态水收集器91、第三压缩机21和第三冷凝器22后，进入气液分离器20，分离为得到液态CO₂和非凝性气体；

7)循环流化床锅炉1产生的蒸汽进入汽轮发电机组15，利用蒸汽的热能进行发电。所述汽轮发电机组15产生的电能用于给该垃圾无害化处理系统的耗能设备供电。

所述蒸汽从汽轮发电机组15流出以后经过凝汽器16凝结为液态凝结水，所述凝结水通入第一冷凝器7用于与第一压缩机6输出的烟气在第一冷凝器7中进行换热；换热以后的凝结水经过给水泵19的升压以后进入抽汽加热器18，使凝结水的温度进一步升高，最后把凝结水通入循环流化床锅炉1的省煤器再循环利用。

将空分装置12输出的低温N₂通入凝汽器16中，用于使汽轮发电机组15输出的乏汽冷凝为凝结水。

Claims (8)

1.一种垃圾无害化处理系统，其特征在于：所述处理系统包括通过管道依次相连的循环流化床锅炉、脱硝装置、气-气换热器、除尘器、脱硫装置、多级压缩冷凝装置和气液分离器；

所述多级压缩冷凝装置包括通过管道依次相连的第一压缩机、第一冷凝器、第一液态水收集器、第二压缩机、第二冷凝器、第二液态水收集器、第三压缩机和第三冷凝器；

所述脱硝装置与气-气换热器的热风入口相连通；所述除尘器与气-气换热器的热风出口相连通；

所述脱硫装置的出口还与气-气换热器的冷风入口相连通；

所述第三冷凝器的冷端入口与空分装置的氧气出口相连通；

所述第三冷凝器的冷端出口与第二冷凝器的冷端入口相连通；

所述第二冷凝器的冷端出口管道与气-气换热器的冷风出口管道汇合以后通过汇合管道与循环流化床锅炉相连通；

所述循环流化床锅炉通过管道依次连接汽轮发电机组、凝汽器和凝结水泵，所述凝结水泵与第一冷凝器的冷凝水入口相连通，所述第一冷凝器的冷凝水出口与循环流化床锅炉上的省煤器相连通，且第一冷凝器与省煤器之间的管道上设有抽汽加热器。

2.根据权利要求1所述的一种垃圾无害化处理系统，其特征在于：所述除尘器和脱硫装置之间的管道上设有增压风机。

3.根据权利要求1所述的一种垃圾无害化处理系统，其特征在于：所述第二冷凝器与气-气换热器的汇合管道上设有送风机。

4.根据权利要求1所述的一种垃圾无害化处理系统，其特征在于：所述第一冷凝器与抽汽加热器之间的管路上设有给水泵。

5.一种利用权利要求1至4所述的任一垃圾无害化处理系统进行垃圾处理的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)空气通入空分装置后得到N₂和O₂，将O₂先通入第三冷凝器换热，使O₂温度升高，再通入第二冷凝器换热，使O₂温度进一步升高；

2)固体生活垃圾和石灰石一起放入循环流化床锅炉中进行富氧焚烧，焚烧产生的烟气通入脱硝装置脱除烟气中的氮氧化合物；

3)将步骤2)得到的烟气经过气-气换热器换热后，通入除尘器；

4)将步骤3)得到的烟气通过脱硫装置除去烟气中硫的氧化物；

5)将步骤4)得到的烟气中的一部分烟气作为再循环烟气通入气-气换热器，与步骤2)产生的烟气在气-气换热器中进行换热，然后与步骤1)得到的O₂混合后进入循环流化床锅炉；

6)将步骤4)得到的另一部分烟气进行多级压缩多级冷却，分别通入第一压缩机、第一冷凝器、第一液态水收集器、第二压缩机、第二冷凝器、第二液态水收集器、第三压缩机和第三冷凝器后，进入气液分离器，分离为液态CO₂和非凝性气体；烟气中的水蒸气分别在第一冷凝器和第二冷凝器中凝结后进入第一液态水收集器和第二液态水收集器；

7)循环流化床锅炉产生的蒸汽进入汽轮发电机组，利用蒸汽的热能进行发电。

6.根据权利要求5所述的一种垃圾处理的方法，其特征在于：所述汽轮发电机组产生的电能用于给该垃圾无害化处理系统的耗能设备供电。

7.根据权利要求5所述的一种垃圾处理的方法，其特征在于：所述蒸汽在汽轮发电机组中做功以后经过凝汽器凝结为液态凝结水，所述凝结水通入第一冷凝器，用于与第一压缩机输出的烟气在第一冷凝器中进行换热；换热升温以后的凝结水经过给水泵升压以后进入抽汽加热器，使凝结水的温度进一步升高，最后把凝结水通入循环流化床锅炉的省煤器再循环利用。

8.根据权利要求7所述的一种垃圾处理的方法，其特征在于：将空分装置输出的低温N₂通入凝汽器中，用于使汽轮发电机组输出的乏汽冷凝为凝结水。