CN105602630A - 一种废弃物气化气催化提质的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种废弃物气化气催化提质的工艺。用于催化裂解气化气中焦油的催化剂来自于生活垃圾流化床焚烧炉的底渣，底渣经过破碎以及活化处理后，具有一定的孔隙结构，底渣中含有的氧化钙和废铁对焦油具有催化裂解作用。废弃物气化气在多膛炉中与底渣催化剂充分接触，焦油在催化剂表面发生热裂解和催化裂解，固体颗粒物则滞留在多膛炉内。焦油裂解产生的H₂将催化剂中铁的氧化物还原为铁单质，而气化气中的CO₂和水蒸气则可以和催化剂表面的积碳发生反应，使催化剂维持活性。本发明充分利用了生活垃圾流化床焚烧炉的底渣，实现了废弃物资源化利用，还分解了底渣中的二噁英，同时实现资源化利用催化剂，净化了废弃物气化气并将焦油转化为可燃气体。

Description

一种废弃物气化气催化提质的工艺

技术领域

本发明涉及废弃物气化技术，尤其涉及一种废弃物气化气催化提质的工艺。

背景技术

随着我国经济的高速发展，城市生活垃圾的产生量迅速增加，2012年我国的城市生活垃圾产量就已经达到1.7亿吨。生活垃圾长期随意堆放，不仅占用大量的土地，而且造成空气、土壤以及水体的污染，目前生活垃圾的处置技术主要有填埋、发酵、堆肥和焚烧，其中焚烧技术在减量化和资源化方面具有突出的优势而成为城市生活垃圾处置的主要技术途径，而利用流化床对生活垃圾进行焚烧在我国有着广泛的应用。由于我国生活垃圾的分类和分选机制尚不完善，生活垃圾中含有大量的石头，砖瓦，泥土，沙砾，瓷砖，陶瓷以及金属等不可燃物质，这些物质最终都进入到底渣之中，底渣含有一定量的二噁英，而二噁英会对空气、土壤和水体造成污染，同时对人体也有很强的致畸致癌危害，因此在底渣的处置及利用过程中，要进行二噁英的脱除。目前对于底渣的处置和利用，主要是制作建筑材料和卫生填埋，而没有将其应用于焦油催化裂解的实例。

废弃物气化技术是在氧气不足的情况下对废弃物进行热转化，以获取气化气为主要目的。相比于直接焚烧，气化技术在重金属以及二噁英的排放控制上具有明显的优势。然而气化过程中会产生较多的焦油，这些焦油在低温下凝结，与水和飞灰等杂质结合后会腐蚀管道设备；而且焦油在低温下难以燃烧完全，易产生炭黑，会损坏燃气设备，所以气化气中焦油的存在，会大大限制气化气的进一步利用；除此之外，生物质气化过程中产生的焦油占生物质总能量的5-10％，如果不能将焦油中的能量有效的利用起来，将会造成能量的浪费。因此，有效的脱除焦油并且充分的利用焦油中的能量，是气化技术推广应用的关键所在。

目前焦油的脱除方法主要有物理除焦法和热化学除焦法，其中物理除焦法仅仅是将焦油从气相转移到了冷凝相，不能充分利用焦油中的能量。热化学除焦法包括热裂解法和催化裂解法，其中热裂解法要求比较高的温度，一般在温度大于1100℃时才能有比较好的焦油裂解率，这么高的温度不仅对设备自身材质要求很高，而且要求有良好的保温设备，势必会产生很大的能耗，在经济上不合理。因而催化裂解法是目前公认的最有效的焦油去除方法。催化裂解采用的催化剂种类很多，有镍基催化剂、煅烧白云石、菱镁矿、沸石、橄榄石和铁催化剂等。

焦油的催化裂解是一个十分复杂的反应过程，主要包括以下反应：

热裂解反应：

焦油重整反应：

气化反应：

除了以上这些主要的反应，还有可能发生中间产物重新聚合成大分子化合物的反应。

生活垃圾中含有大量的石头，砖瓦，泥土，沙砾，瓷砖，陶瓷以及金属等不可燃物质，这些物质最终都进入到底渣之中。其中石头、砖瓦、泥土、瓷砖等物质在流化床中经过撞击破碎以及高温处理后，具有一定的孔隙结构，而且这些物质中含有氧化钙，与废铁混合在一起，对焦油具有催化活性。在高温催化裂解焦油的过程中，垃圾焚烧底渣中的二噁英也能被分解掉。

多膛炉起源于美国，至今已有近百年的历史，因炉膛分为很多层而得名，最初用于矿石焙烧，后广泛用于煤质活性炭的制备。多膛炉具有能控制停留时间、占地面积小以及运行可靠等优点。对于焦油的催化裂解，足够的停留时间才能保证充分的催化效果，因此利用多膛炉进行焦油的催化裂解，能得到充分的催化效果，并且具有工业推广应用的潜力。

发明内容

本发明的目的是将生活垃圾在流化床焚烧之后产生的底渣作为一种催化剂，利用传统的多膛炉反应器，让催化剂与气化气有充分的接触时间，催化裂解掉废弃物气化过程中产生的焦油，一方面实现了流化床焚烧后底渣的再利用，而且底渣在催化裂解焦油的过程中，也能分解掉其自身的二噁英；另一方面净化脱除了废弃物气化过程中产生的焦油，充分利用了焦油中的能量，提高了气化气的品质，有利于气化气进一步的利用。

本发明的技术方案如下：

一种基于生活垃圾流化床焚烧炉底渣用于焦油催化裂解的催化剂的制备方法包括如下步骤：

(1)取生活垃圾流化床焚烧后产生的底渣；

(2)将底渣在破碎机里进行破碎，破碎至粒径为1-2mm；

(3)将破碎后的底渣在900℃下煅烧活化4h。

所述方法制备的催化剂具有催化活性的成分为氧化钙、铁和铁的氧化物；催化剂的比表面积为0.5-10m²/g。

所述催化剂进行焦油催化裂解的装置包括：

(1)多膛炉；

(2)多膛炉上部设有底渣催化剂入口，上部侧壁上设有提质后气化气出口，下部设有底渣催化剂出口，下部侧壁上设有含焦油气化气入口、水蒸气/二氧化碳入口和氧气入口；

(3)所述的催化剂分布于多膛炉的各个炉膛。

所述装置的废弃物气化气提质方法是：

(1)将催化剂从多膛炉上部的底渣催化剂入口给入，在多膛炉的旋臂上逐级向下输运，充分反应后的催化剂从炉膛下部底渣催化剂出口排出，从底渣催化剂出口排出的催化剂中二噁英的含量低于原始生活垃圾流化床焚烧炉底渣中二噁英的含量；

(2)含有焦油的气化气从多膛炉下部侧壁含焦油气化气入口通入，与催化剂充分接触，气化气中的焦油发生热裂解以及催化裂解，气化气中的固体颗粒物滞留在多膛炉内；

(3)焦油裂解产生H₂和炭黑，H₂会将催化剂中铁的氧化物还原为铁单质，而铁单质对焦油具有更好的催化活性，炭黑会沉积在催化剂表面，与气化气中的CO₂和水蒸气发生反应，使催化剂能维持催化活性；

(4)将水蒸气和二氧化碳从炉膛下部侧壁入口给入，一方面可以与焦油发生重整反应，另一方面也可以与催化剂表面的积碳反应，使催化剂维持较高催化活性；

(5)氧气从炉膛下部侧壁入口给入，部分气化气在炉膛内燃烧，维持炉膛内的温度在800～900℃；

(6)经过催化段的气化气中焦油以及固体颗粒物的含量降低，焦油转化为可燃气体，焦油中的能量得到利用，气化气的品质得到提高，提质后的气化气从多膛炉上部侧壁的出口引出。

本发明与现有技术相比具有的显著差别是：使用的催化剂为生活垃圾在流化床焚烧之后产生的底渣，主要包含：石头，砖瓦，泥土，陶瓷，瓷砖以及废铁等，有催化活性的成分主要是氧化钙和铁的氧化物以及铁单质。该催化剂价格低廉，焦油裂解产生的H₂会将铁的氧化物还原为铁单质，而铁单质对焦油具有更好的催化活性，积碳则会和CO₂和水蒸气发生反应，因而不易失活，同时利用了传统的多膛炉反应器，并对其进行了一定的改进，使催化剂和气化气有充分的接触时间，并且通入水蒸气或二氧化碳，一方面可以和焦油发生催化重整反应，另一方面可以和催化剂表面的积碳发生气化反应，维持催化剂的活性，从而大大提高催化的效果。对于生活垃圾在流化床焚烧之后产生的底渣，开创了一条新的利用途径，实现了废弃物资源化利用，还分解了底渣中的二噁英，降低了底渣的二恶英污染，同时实现资源化利用催化剂，净化脱除了废弃物气化气中的焦油并利用了焦油中的能量，提高了气化气的品质，有利于气化气的进一步利用。

附图说明

图1为垃圾焚烧炉底渣用于废弃物气化气催化提质的装置示意图。

具体实施方式

如图1所述是为垃圾焚烧炉底渣用于废弃物气化气催化提质的装置示意图，取生活垃圾在流化床中焚烧后产生的底渣，然后将底渣在破碎机内破碎至1-2mm小颗粒，以增大比表面积从而提高气固接触面积。将底渣催化剂从多膛炉上部入口给入，在炉膛内部旋臂上逐级向下输运；同时含焦油气化气从多膛炉下部侧壁入口给入，含焦油气化气在炉膛内与底渣催化剂有足够的接触时间，气化气中的焦油在高温催化段发生热裂解以及催化裂解，焦油主要转化为H₂、CO和CH₄等可燃气体，同时气化气中的固体颗粒物则滞留在多膛炉内；焦油裂解会产生H₂和炭黑，H₂会将铁的氧化物还原为铁单质，而铁单质对焦油具有更好的催化活性，炭黑会沉积在催化剂表面，与气化气中的CO₂和水蒸气发生反应，使催化剂能维持催化活性。氧气从多膛炉下部侧壁入口给入，部分气化气焚烧放热，维持炉膛温度在800～900℃左右，随后通入水蒸气和二氧化碳，一方面可以与焦油发生重整反应，另一方面也可以和底渣催化剂表面的积碳发生气化反应，使底渣催化剂能够维持较高的活性。经过催化段的气化气中焦油以及固体颗粒物的含量显著降低，净化脱除焦油的同时还充分利用了焦油中的能量，气化气的品质得到提高，提质后的气化气从多膛炉上部侧壁出口引出。垃圾焚烧炉底渣在催化裂解焦油过程中，也能分解掉底渣中的二噁英，实现废弃物资源化利用的同时，也解决了底渣的二噁英污染问题，充分反应后的底渣催化剂从多膛炉下部出口排出。

采用本实施方案对废弃物气化气进行提质，能有效去除气化气中的焦油和固体颗粒物，充分利用焦油中的能量，并将其转化为H₂、CO和CH₄等可燃气体；本发明首次将生活垃圾流化床焚烧炉底渣用于焦油的催化裂解，实现了废弃物资源化利用，也解决了底渣的二恶英污染问题；同时，本发明利用了传统的多膛炉反应器进行废弃物气化气的催化提质，使催化剂与气化气有充分的接触时间，并且通入水蒸气或二氧化碳，一方面可以和焦油发生催化重整反应，另一方面可以和催化剂表面的积碳发生气化反应，维持催化剂的活性，从而大大提高催化的效果。通入氧气使部分气化气焚烧放热，维持炉膛内的温度。多膛炉的运行简易可靠。

尽管上面对本发明说明书的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种基于生活垃圾流化床焚烧炉底渣用于焦油催化裂解的催化剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)取生活垃圾流化床焚烧后产生的底渣；

(2)将底渣在破碎机里进行破碎，破碎至粒径为1-2mm；

(3)将破碎后的底渣在900℃下煅烧活化4h。

2.一种如权利要求1所述方法制备的催化剂，其特征在于具有催化活性的成分为氧化钙、铁和铁的氧化物；催化剂的比表面积为0.5-10m²/g。

3.一种利用权利要求2所述催化剂进行焦油催化裂解的装置，其特征在于包括：

(1)多膛炉；

(2)多膛炉上部设有底渣催化剂入口，上部侧壁上设有提质后气化气出口，下部设有底渣催化剂出口，下部侧壁上设有含焦油气化气入口、水蒸气/二氧化碳入口和氧气入口；

(3)所述的催化剂分布于多膛炉的各个炉膛。

4.一种实施如权利要求3所述装置的废弃物气化气提质方法，其特征在于：

(1)将催化剂从多膛炉上部的底渣催化剂入口给入，在多膛炉的旋臂上逐级向下输运，充分反应后的催化剂从炉膛下部底渣催化剂出口排出，从底渣催化剂出口排出的催化剂中二噁英的含量低于原始生活垃圾流化床焚烧炉底渣中二噁英的含量；

(2)含有焦油的气化气从多膛炉下部侧壁含焦油气化气入口通入，与催化剂充分接触，气化气中的焦油发生热裂解以及催化裂解，气化气中的固体颗粒物滞留在多膛炉内；

(3)焦油裂解产生H₂和炭黑，H₂会将催化剂中铁的氧化物还原为铁单质，而铁单质对焦油具有更好的催化活性，炭黑会沉积在催化剂表面，与气化气中的CO₂和水蒸气发生反应，使催化剂能维持催化活性；

(4)将水蒸气和二氧化碳从炉膛下部侧壁入口给入，一方面可以与焦油发生重整反应，另一方面也可以与催化剂表面的积碳反应，使催化剂维持较高催化活性；

(5)氧气从炉膛下部侧壁入口给入，部分气化气在炉膛内燃烧，维持炉膛内的温度在800～900℃；

(6)经过催化段的气化气中焦油以及固体颗粒物的含量降低，焦油转化为可燃气体，焦油中的能量得到利用，气化气的品质得到提高，提质后的气化气从多膛炉上部侧壁的出口引出。