CN104930518A - 一种低碳处理固体垃圾并抑制二噁英生成的方法 - Google Patents

一种低碳处理固体垃圾并抑制二噁英生成的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低碳处理固体垃圾并抑制二噁英生成的方法，包括如下步骤：S1粉碎固体垃圾；S2对所述经粉碎的固体垃圾执行化学链燃烧处理，所述化学链燃烧温度范围为800℃～1000℃，该化学链燃烧采用经过吸附剂修饰的氧载体，该经过吸附剂修饰的氧载体粒径为0.1mm～0.3mm，所述吸附剂能吸附并固定气态氯元素，冷凝并捕获化学链燃烧获得的二氧化碳。本发明方法解决了目前固体垃圾焚烧过程中碳排放量高、同时易产生二噁英的技术问题。

Description

一种低碳处理固体垃圾并抑制二噁英生成的方法
技术领域
本发明属于固体废弃物无害化和资源化利用的技术领域，具体涉及一种低碳利用固体垃圾同时抑制二噁英生成的方法。
背景技术
随着经济的发展和人们生活水平的提高，固体垃圾的产量日益增加。大量的固体垃圾对人类生活环境造成了巨大的压力和危害，如何实现固体垃圾无害化、减量化和资源化的“三化”处理已成为研究的焦点。
固体垃圾主要包括城市生活垃圾、污泥、医疗垃圾、塑料、工业可燃垃圾和废弃生物质等。目前处理固体垃圾的方法主要包括卫生填埋、堆肥化和焚烧等。实践证明，卫生填埋和堆肥化两种方法不仅需要占用大量的土地、耗用时间长，而且垃圾的渗透液会对附近的生态环境造成严重的破坏。焚烧处理固体垃圾成为了国内外普遍采用的方法，它不仅实现了“三化”，也可将其产生的能量用于发电。
然而，垃圾在焚烧过程中不可避免地会产生一些二次污染物。其中，焚烧过程中产生的二噁英被认为是最具毒性和致癌的一类化合物。这类物质非常稳定，不溶于水，是无色无味的脂溶性物质，所以非常容易在生物质内积累，自然界的微生物和水解作用对二噁英的分子结构影响较小，因此，环境中的二噁英很难自然降解消除，有“世纪之毒”之称。
垃圾焚烧过程中产生二噁英的形成机理主要有两个途径：①从头合成，在低温(250～500℃)条件下大分子碳、氢、氧分子与飞灰基质中的有机氯生成二噁英。②前躯体转化，不完全燃烧及飞灰表面的不均匀催化反应可形成多种有机气相前躯体，譬如苯酚和二苯醚，再由这些前躯体生成二噁英。总而言之，焚烧炉内存在着有机氯或无机氯、存在氧、存在过渡金属阳离子作为催化剂均是生成二噁英的重要条件。
在垃圾焚烧过程中，如何抑制二噁英的生成是目前垃圾处理研究的热点。目前，世界各国用于控制二噁英生成的方法主要包括：1)喷射活性炭粉末吸附二噁英；2)向烟气中喷射抑制剂，抑制二噁英的生成；3)二噁英的催化降解。总体来说，现存的几种控制二噁英排放的方法均存在不同程度的缺陷，而且处理成本较高，甚至还需要进行二次处理。对于固体垃圾产量的持续增加，存在开发有效的控制二噁英排放的技术需求，尤其是在全球变暖的背景下，实现固体垃圾低碳利用的同时能够抑制二噁英的产生问题，更是亟待解决。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低碳处理固体垃圾并抑制二噁英生成的方法，其目的在于，采用吸附剂修饰的氧载体为固体垃圾燃烧提供晶格氧，并将燃烧产生的二氧化碳进行冷凝和捕获，全程避免了气态氧与固体垃圾的接触并利用吸附剂固定氯，相应地遏制了二噁英生成，由此解决现有固体垃圾焚烧过程中碳排放量高，同时易产生二噁英的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种低碳处理固体垃圾并抑制二噁英生成的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：粉碎固体垃圾；
S2：对所述经粉碎的固体垃圾执行化学链燃烧处理，所述化学链燃烧温度范围为800℃～1000℃，该化学链燃烧采用经过吸附剂修饰的氧载体，该经过吸附剂修饰的氧载体粒径为0.1mm～0.3mm，所述吸附剂能吸附并固定气态氯元素，冷凝并捕获化学链燃烧获得的二氧化碳。
通过以上发明构思，(1)采用化学链燃烧方式，燃料反应器出口主要为二氧化碳和水蒸气，冷凝之后可捕获高纯度的二氧化碳，可实现CO2减排；(2)化学链燃烧方式中，通过氧载体提供晶格氧进行固体垃圾燃烧，无自由氧的燃烧方式从根本上切断了从头合成二噁英的途径；(3)采用吸附剂修饰氧载体，吸附剂具有吸收氯的功能，实现了在固体垃圾焚烧过程中脱氯，很大程度地抑制了譬如苯酚和二苯醚等前躯体转化生成二噁英的途径。
进一步的，所述经过吸附剂修饰的氧载体包括天然载体，该天然载体包括铁矿石、铜矿石、锰矿石、石膏。
进一步的，所述经过吸附剂修饰的氧载体包括合成载体，所述合成载体包括Fe基氧载体、Cu基氧载体、Mn基氧载体。
进一步的，所述经过吸附剂修饰的氧载体包括工业废料，所述工业废料包括炼钢厂产生的含铁渣料、氧化铁皮等，该渣料经过高温处理后转变为含有Fe2O3的氧载体。
以上天然载体、合成载体以及工业废料在进行化学链燃烧时，能转化成包含有活性Fe2O3、活性CuO或活性Mn2O3的载体，活性Fe2O3、活性CuO或者活性Mn2O3具备提供晶格氧的能力。石膏中的主要成分为CaSO4，CaSO4也具备提供晶格氧的能力。
进一步的，步骤S2中，所述吸附剂包括氧化物、硝酸盐和碳酸盐中一种或者多种，该氧化物、硝酸盐和碳酸盐中均包括元素Ca、Na和K中的一种或者多种。吸附剂还可以是氢氧化物，吸附剂在高温状态下使用，氢氧化物在高温状态下会转变为氧化物。加入氢氧化物作为吸附剂效果等同于氧化物作为吸附剂。吸附剂主要用于吸附有机氯或者无机氯，固定了氯，相应能遏制有机气相前躯体转化成二噁英。
进一步的，所述修饰采用的方法包括湿浸渍法、机械混合法、共沉淀法、微波法和超声波湿浸渍法。
进一步的，步骤S1中所述固体垃圾包括城市生活垃圾、污泥、医疗垃圾、工业可燃垃圾、废弃生物质以及含有Cl元素的固体废弃物中的一种或者多种。
进一步的，所述含有Cl元素的固体废弃物包括塑料，该塑料在制备过程中额外加入了Cl元素或者分子式中包括有Cl元素。
进一步的，还包括步骤S3：对经化学链燃烧的产物执行分离操作，以分离固体垃圾燃烧后产生的垃圾灰与所述经过吸附剂修饰的氧载体，对所述垃圾灰执行高温固化处理后进行填埋或制作水泥。
进一步的，还包括步骤S4：对经步骤S3获得的所述经过吸附剂修饰的氧载体执行再生处理，先除去可溶性氯化物，再利用吸附剂进行修饰，获得可重复利用的经过吸附剂修饰的氧载体。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明将化学链燃烧技术应用于固体垃圾的处理，实现了固体垃圾在无自由氧条件下的焚烧，进而切断了二噁英从头合成方式。进一步的，通过吸附剂修饰氧载体，实现了在固体垃圾焚烧过程中脱氯，很大程度地抑制了譬如苯酚和二苯醚等前躯体转化生成二噁英的途径。本发明方法有效的从形成二噁英的两个途径上遏制其生成，大幅度降低了垃圾焚烧过程中产生的二噁英。更进一步的，化学链燃烧系统的燃料反应器出口主要为二氧化碳和水蒸气，冷凝水蒸气之后可捕获高纯度的二氧化碳，降低了碳的排放，是一种低碳焚烧固体垃圾的方式，更是一种低成本、大批量处理固体垃圾同时抑制二噁英生成的方法。
2、通过吸附剂的再生处理，实现氧载体的循环利用，节约资源，成本低。
附图说明
图1为本发明实现固体垃圾化学链燃烧同时控制二噁英生成的工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1：
低碳处理固体垃圾并抑制二噁英生成的方法，包括如下步骤：
S1：采用打碎机粉碎固体垃圾，打碎成小于1mm粒径的固体燃料。该固体垃圾包括城市生活垃圾、污泥、医疗垃圾、工业可燃垃圾、废弃生物质以及其他含有Cl元素的固体废弃物，含有Cl元素的固体废弃物包括塑料，该塑料在制备过程中额外加入了Cl元素或者分子式中包括有Cl元素，譬如为聚氯乙烯。
S2：对所述经粉碎的固体垃圾执行化学链燃烧处理，所述化学链燃烧温度为850℃～1000℃，该化学链燃烧采用经过吸附剂修饰的氧载体，氧载体为铁矿石，先粉碎铁矿石，再通过筛分方式获得粒径0.1mm～0.3mm的铁矿石颗粒。采用的吸附剂为Ca(NO3)2，将Ca(NO3)2溶于去离子水中，然后对铁矿石粉末进行湿浸渍修饰。实际中，可在湿浸渍修饰过程中控制吸附剂的质量百分数，从而制备成吸附剂含量不同的氧载体。化学链燃烧处理中，利用晶格氧完成固体垃圾焚烧处理，冷凝并捕获化学链燃烧产生的二氧化碳，同时以吸附剂吸附并固定气态氯。从而实现垃圾处理的低碳排放并抑制二噁英生成。
实施例2：
S1：采用打碎机粉碎固体垃圾，打碎成小于1mm粒径的固体燃料。该固体垃圾包括城市生活垃圾、污泥、医疗垃圾、工业可燃垃圾、废弃生物质以及其他含有Cl元素的固体废弃物，含有Cl元素的固体废弃物包括塑料，该塑料在制备过程中额外加入了Cl元素或者分子式中包括有Cl元素，譬如为聚偏二氯乙烯。
S2：对所述经粉碎的固体垃圾执行化学链燃烧处理，所述化学链燃烧温度为800℃～900℃，该化学链燃烧采用经过吸附剂修饰的氧载体，氧载体为铜矿石，先粉碎铜矿石，再通过筛分方式获得粒径0.1mm～0.3mm的铜矿石颗粒，采用的吸附剂为NaNO3，将NaNO3溶于去离子水中，进行铜矿石的湿浸渍修饰。利用晶格氧完成固体垃圾焚烧处理，冷凝并捕获化学链燃烧产生的二氧化碳，同时以吸附剂吸附并固定气态氯，实现垃圾处理的低碳排放并抑制二噁英生成。
实施例3
S1：与实施例1相同。
S2：对所述经粉碎的固体垃圾执行化学链燃烧处理，所述化学链燃烧温度为800℃～900℃，该化学链燃烧采用经过吸附剂修饰的氧载体，氧载体为锰矿石，先粉碎锰矿石，再通过筛分方式获得粒径0.1mm～0.3mm的锰矿石颗粒，采用吸附剂K2CO3溶于去离子水中进行锰矿石的超声波湿浸渍修饰，超声波的频率为10～50KHz。利用晶格氧完成固体垃圾焚烧处理，冷凝并捕获化学链燃烧产生的二氧化碳，同时以吸附剂吸附并固定气态氯，实现垃圾处理的低碳排放并抑制二噁英生成。其中超声波湿浸渍过程是在超声波下进行湿浸渍的方式，有助于吸附剂均匀稳定的吸附在氧载体上。
实施例4
S1：与实施例2相同。
S2：对所述经粉碎的固体垃圾执行化学链燃烧处理，所述化学链燃烧温度为850℃～950℃，该化学链燃烧采用经过吸附剂修饰的氧载体，氧载体为石膏，先粉碎石膏，再通过筛分方式获得粒径0.1mm～0.3mm的石膏颗粒，采用粒径为0.1mm～0.3mm的吸附剂CaO颗粒与石膏颗粒进行机械混合法修饰。利用晶格氧完成固体垃圾焚烧处理，冷凝并捕获化学链燃烧产生的二氧化碳，同时以吸附剂吸附并固定气态氯，实现垃圾处理的低碳排放并抑制二噁英生成。
S3：对经化学链燃烧的产物执行分离操作，利用不同物质密度不同的原理进行分离，分离固体垃圾燃烧后产生的垃圾灰与所述经过吸附剂修饰的氧载体，对所述垃圾灰执行高温固化处理后进行填埋或制作水泥。
实施例5
S1：与实施例2相同。
S2：对所述经粉碎的固体垃圾执行化学链燃烧处理，所述化学链燃烧温度为850℃～1000℃，该化学链燃烧采用经过吸附剂修饰的氧载体，氧载体为钢厂产生的含铁渣料，先粉碎渣料，再通过筛分方式获得粒径0.1mm～0.3mm的铁渣颗粒，采用吸附剂Na2CO3溶于去离子水中，并对铁渣进行湿浸渍修饰。化学链燃烧处理中，利用晶格氧完成固体垃圾焚烧处理，冷凝并捕获化学链燃烧产生的二氧化碳，同时以吸附剂吸附并固定气态氯，实现垃圾处理的低碳排放并抑制二噁英生成。
S3：与实施例4相同。
S4：对经步骤S3获得的所述经过吸附剂修饰的氧载体执行再生处理，先对氧载体进行稀盐酸水洗，除去可溶性氯化物和残存的吸附剂，然后水洗，接着进行干燥处理，最后利用吸附剂进行修饰，获得可重复利用的经过吸附剂修饰的氧载体。吸附剂可以与上一次吸附剂相同或者不同。
实施例6
S1：与实施例1相同。
S2：对所述经粉碎的固体垃圾执行化学链燃烧处理，所述化学链燃烧温度为850℃～1000℃，该化学链燃烧采用经过吸附剂修饰的氧载体，氧载体为合成的Fe基氧载体，通过筛分方式获得粒径0.1mm～0.3mm的Fe基氧载体颗粒，在合成氧载体的过程中吸附剂Ca(NO3)2同时溶解与氧载体前躯体溶液进行Fe基氧载体的共沉淀法修饰，并可在共沉淀法修饰过程中控制吸附剂的质量百分数。利用晶格氧完成固体垃圾焚烧处理，冷凝并捕获化学链燃料获得的二氧化碳，同时以吸附剂吸附并固定气态氯，以此方式，实现垃圾处理的低碳排放并抑制二噁英生成。
S3：与实施例4相同。
S4：与实施例5相同。
实施例7
S1：与实施例2相同。
S2：对所述经粉碎的固体垃圾执行化学链燃烧处理，所述化学链燃烧温度为800℃～900℃，该化学链燃烧采用经过吸附剂修饰的氧载体，氧载体为合成Cu基氧载体，通过筛分方式获得粒径0.1mm～0.3mm的Cu基氧载体颗粒，采用吸附剂KNO3溶于去离子水中进行Cu基氧载体的微波法修饰，并可在微波法修饰过程中控制吸附剂的质量百分数。利用晶格氧完成固体垃圾焚烧处理，冷凝并捕获化学链燃烧产生的二氧化碳，同时以吸附剂吸附并固定气态氯，以此方式，实现垃圾处理的低碳排放并抑制二噁英生成。其中微波法修饰过程是在微波的条件下完成吸附剂修饰氧载体的过程。
S3：与实施例4相同。
S4：与实施例5相同。
实施例8
S1：与实施例2相同。
S2：对所述经粉碎的固体垃圾执行化学链燃烧处理，所述化学链燃烧温度为800℃～900℃，该化学链燃烧采用经过吸附剂修饰的氧载体，氧载体为合成Mn基氧载体，通过筛分方式获得粒径0.1mm～0.3mm的Mn基氧载体颗粒，采用吸附剂Ca(NO3)2溶于去离子水中进行Mn基氧载体的湿浸渍修饰，并可在湿浸渍修饰过程中控制吸附剂的质量百分数。利用晶格氧完成固体垃圾焚烧处理，冷凝并捕获化学链燃烧产生的二氧化碳，同时以吸附剂吸附并固定气态氯，以此方式，实现垃圾处理的低碳排放并抑制二噁英生成。
S3：与实施例4相同。
S4：与实施例5相同。
实施例9(最佳实施例)
S1：与实施例1相同。
S2：对所述经粉碎的固体垃圾执行化学链燃烧处理，所述化学链燃烧温度为900℃，该化学链燃烧采用经过吸附剂修饰的氧载体，氧载体为合成的Fe基氧载体，通过筛分方式获得粒径0.1mm～0.3mm的Fe基氧载体颗粒，采用吸附剂Ca(NO3)2溶于去离子水中后对Fe基氧载体进行湿浸渍修饰。实际中，可在湿浸渍修饰过程中控制吸附剂的质量百分数，从而制备成吸附剂含量不同的氧载体。本实施例中，控制吸附剂占整个经吸附剂修饰的氧载体的质量百分数的5％。利用晶格氧完成固体垃圾焚烧处理，冷凝并捕获化学链燃料获得的二氧化碳，同时以吸附剂吸附并固定气态氯，实现垃圾处理的低碳排放并抑制二噁英生成。
S3：与实施例4相同。
S4：与实施例5相同。
以上实施例中，步骤S1中，固体垃圾包括城市生活垃圾、污泥、医疗垃圾、工业可燃垃圾、废弃生物质以及其他含有Cl元素的固体废弃物，但是不限于以上的组合，本领域普通技术人员可知，进行垃圾处理时，固体垃圾可能是各种类别垃圾的组合或者是单独一类。
图1为本发明一个优选实施例中实现固体垃圾化学链燃烧同时控制二噁英生成的工作流程图。由图可知，化学链燃烧包括空气反应器和燃料反应器，冷凝器以及气路等辅助元件。该化学链燃烧反应系统与煤粉等固体燃料的化学链燃烧反应系统相同。与煤粉等固体燃料的化学链燃烧反应系统不同的是，本发明的氧载体是经过吸附剂修饰的。具体的实施过程如下描述：
首先将氧载体进行吸附剂修饰并放入燃料反应器，在燃料反应器内被粉碎的固体垃圾与氧载体发生无自由氧条件下的氧化燃烧反应，同时来自固体垃圾的含氯气体被吸附剂固定，其中流化气体为水蒸气和部分尾气中CO2。燃料反应器的出口主要为CO2和H2O，经过冷凝后，除部分CO2作为燃料反应器的流化气外，其余的CO2被封装储存。被还原的氧载体送入空气反应器进行重新氧化后送入燃料反应器。多次循环后，用过的氧载体进行重新修饰，实现吸附剂修饰氧载体的再生。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低碳处理固体垃圾并抑制二噁英生成的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：粉碎固体垃圾；
S2：对所述经粉碎的固体垃圾执行化学链燃烧处理，所述化学链燃烧温度范围为800℃～1000℃，该化学链燃烧采用经过吸附剂修饰的氧载体，该经过吸附剂修饰的氧载体粒径为0.1mm～0.3mm，所述吸附剂能吸附并固定气态氯元素，冷凝并捕获化学链燃烧获得的二氧化碳。
2.如权利要求1所述的一种低碳处理固体垃圾并抑制二噁英生成的方法，其特征在于，所述经过吸附剂修饰的氧载体包括天然载体，该天然载体包括铁矿石、铜矿石、锰矿石、石膏。
3.如权利要求1所述的一种低碳处理固体垃圾并抑制二噁英生成的方法，其特征在于，所述经过吸附剂修饰的氧载体包括合成载体，所述合成载体包括Fe基氧载体、Cu基氧载体、Mn基氧载体。
4.如权利要求1所述的一种低碳处理固体垃圾并抑制二噁英生成的方法，其特征在于，所述经过吸附剂修饰的氧载体包括炼钢厂产生的含铁渣料、氧化铁皮。
5.如权利要求1-4之一所述的一种低碳处理固体垃圾并抑制二噁英生成的方法，其特征在于，步骤S2中，所述吸附剂包括氧化物、硝酸盐和碳酸盐中一种或者多种，该氧化物、硝酸盐和碳酸盐中均包括元素Ca、Na和K中的一种或者多种。
6.如权利要求5所述的一种低碳处理固体垃圾并抑制二噁英生成的方法，其特征在于，所述修饰采用的方法包括湿浸渍法、机械混合法、共沉淀法、微波法和超声波湿浸渍法。
7.如权利要求1所述的一种低碳处理固体垃圾并抑制二噁英生成的方法，其特征在于，步骤S1中所述固体垃圾包括城市生活垃圾、污泥、医疗垃圾、工业可燃垃圾、废弃生物质以及含有Cl元素的固体废弃物中的一种或者多种。
8.如权利要求7所述的一种低碳处理固体垃圾并抑制二噁英生成的方法，其特征在于，所述含有Cl元素的固体废弃物包括塑料，该塑料在制备过程中额外加入了Cl元素或者分子式中包括有Cl元素。
9.如权利要求1所述的一种低碳处理固体垃圾并抑制二噁英生成的方法，其特征在于，还包括如下步骤，
S3：对经化学链燃烧的产物执行分离操作，以分离固体垃圾燃烧后产生的垃圾灰与所述经过吸附剂修饰的氧载体，对所述垃圾灰执行高温固化处理后进行填埋或制作水泥。
10.如权利要求9所述的一种低碳处理固体垃圾并抑制二噁英生成的方法，其特征在于，还包括如下步骤，
S4：对经步骤S3获得的所述经过吸附剂修饰的氧载体执行再生处理，先除去可溶性氯化物，再用吸附剂进行修饰，获得可重复利用的经过吸附剂修饰的氧载体。
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