CN106475395B - 固体废弃物无害化、资源化处理方法以及处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体废弃物无害化、资源化处理方法以及处理装置，先采用物理重选的方法，按照比重的不同，将垃圾分选成比重轻的垃圾筛上物和比重大的筛下物，然后将体积大、密度小的垃圾筛上物通过光催化裂解炉分解，将有机固体大分子分解成有机小分子，从光催化裂解炉中蒸发出来后形成油气与固体分离；油气产物中的C1‑C4小分子形成气体收集，C4‑C20的有机物形成液体收集，固体留在裂解炉中从底部排出。本发明通过断裂共振C‑C键将有机大分子分解成有机小分子化合物，对无机物没有影响；分离出的气体产物可生产清洁燃料、液体产物可生产燃料油和有机化工原料、固体无机物经过了浓缩和精制，再通过磁选、重选、浮选等方式可形成无机矿产。
Description
技术领域：
本发明涉及一种废弃物处理方法及装置，特别是涉及一种固体废弃物无害化、资源化处理方法以及处理装置，可将固体有机废弃物断裂化学键分解成有机小分子气态和液态产物。
背景技术：
垃圾是放错地方的可利用资源，是地球上唯一一种不断增长、永不枯竭的资源。人类每天都在制造垃圾，据统计：在我国平均每人每年要丢弃440公斤的垃圾。到2015年为止，我国仅生活垃圾的总量已超过86亿吨，况且仍以每年6～7亿吨的生活垃圾量递增。生活垃圾填埋占地面积已接近100万亩，绝大多数城市都出现过垃圾围城现象。一方面，由于塑料、橡胶、树脂等比重轻、体积大的人造有机制品的剧增，造成了垃圾填埋场容量不足的巨大压力；另一方面，我国人口众多、垃圾分类收集难以实现，造成垃圾成分复杂、处理难度大。因此，将垃圾一烧了之的方法就出现了，垃圾焚烧处理就成了垃圾减容、减量的一种无奈之举。垃圾焚烧发电项目也由此而生，成为了政府支持、百姓反对的两难发展困境。
人造有机高分子材料的诞生，的确给人类的物质生活带来了很多便利，改变了人类的生活习惯。但这些合成的有机大分子难以分解，对环境造成了严重污染，也影响城市周边地区的市容市貌，同时，对人类的生活造成了影响。由于人类合成的这些有机大分子很难处理，不得已采取一烧了之的焚烧方法。这种方法耗能巨大、后处理复杂、浪费了资源，而且还会产生世纪之毒----二噁英。物质是不灭的，有机废弃物焚烧减量化的结果，就是将这种固体废弃物变成空气污染物的一种污染物转移过程。虽然说政府支持垃圾焚烧发电项目，但对垃圾这种废弃物直接发电效率很低。因为垃圾成分复杂，各种有机物和无机物都可能存在，高温必然引起各种吸热化学反应产生做无用功；垃圾中不能燃烧的无机物也需吸热升温消耗大量热量做无用功；混杂无机物的有机物也因与空气接触面积减少而不能完全燃烧做无用功等等，这些都是垃圾才具有的特点，无效能耗太高、有用功太低。因此，无论焚烧炉如何改进，都不可能使垃圾发电量得到提高。尤其是垃圾中若含有大量的卤代烷烃，焚烧将会产生二噁英类剧毒产物。虽说人类研究也发现二噁英类剧毒产物在800℃以上的温度下能够完全分解，可是分解反应需要一定时间才能够完全反应。如果垃圾焚烧不经过二次燃烧解决垃圾一次焚烧所形成的反应产物，排放出的烟气中必然含有大量二噁英。这样一来，不仅造成了设备上的成本大大提高，而且还必须消耗一部分天然气进行助燃，无疑必须增加几道工序。因此可见，垃圾焚烧发电即使技术再先进、工艺再成熟，它都不可避免会存在燃烧不完全、热值消耗大、产生二噁英隐患、发电成本高等缺点。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：针对垃圾综合利用所存在的困难和问题，提供一种可有效将固体废弃物中有机物与无机物进行分离的固体废弃物无害化、资源化处理方法以及处理装置，将其转化成清洁燃气、燃料油或有机原料。
本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：
一种固体废弃物无害化、资源化处理方法，包括以下具体步骤：
⑴按照比重的不同，将固体废弃物分选成比重轻的垃圾筛上物和比重大的筛下物,垃圾筛上物的比重在≤1的范围内,筛下物的比重在＞1的范围内；
⑵将以有机物为主的垃圾筛上物粉碎至适当尺寸，通过强制喂料仓送入光催化裂解炉中；
⑶垃圾筛上物在光催化裂解炉内反应30～50分钟，在裂解炉上端的出气口处逸出裂解气体；裂解气体经过冷凝器冷却，分别收集到液体和不可冷凝气体；
⑷不可冷凝气体经过常规的脱硫、脱氯、脱氮、除尘和净化工艺后，再压缩分离成可压缩液化气和不可压缩可燃气；
⑸液体经过滤净化、脱硫、脱氯，生成燃料油或有机化工原料；
⑹在光催化裂解炉中反应完全后的固体产物和无机物从炉底排出，得到含碳元素为主的固体混合物；
⑺将固体混合物进行热值分析、测试出其热值，若热值较高可作为固体燃料来代替燃煤。
在步骤⑵中，垃圾筛上物的粉碎尺寸最大直径不超过100mm；所述光催化裂解炉的动力源为电磁波，或者为机械波；所述的电磁波为光波、微波或无线电波；所述的机械波为声波、超声波或次声波。
在步骤⑶中，所产生的裂解气体是沸点在400℃以下的有机混合蒸汽，经水冷却后大部分以液体状态收集，少部分不可冷凝气体通过气柜来收集。
在步骤⑷和⑸中，收集的气体和液体可通过化工处理来进行净化和脱杂质，生成工业可用的天然液化气和燃料油。
在步骤⑹中，所述固体混合物也可分析其元素含量，确定磁选、重选或浮选，提取所需要元素，来提高固体附加值。
上面所述的固体废弃物无害化、资源化处理方法所采用的光催化裂解分离处理装置，包括光催化裂解炉、分离罐、冷凝器和水封罐，还包括依次连接的密闭进料仓、螺旋挤压进料机、第一氮气吹扫阀、进料控制阀；所述光催化裂解炉上设置有顶部观察视镜、底部固体出料观察视镜、裂解炉本体温度计和固体反应物排放阀；在所述光催化裂解炉至所述分离罐之间的管道上设置有温度计、管道视镜和第一压力计；在所述分离罐底部设置有底部排液阀；在所述分离罐至所述冷凝器之间的管道上设置有第一温度计和第二压力计；在所述冷凝器上设置有低位排液阀，在冷凝器与供水装置之间的管道上设置有冷却水进水控制阀，在冷凝器与循环水回收装置之间的管道上设置有冷却水出水控制阀；在所述冷凝器至所述水封罐之间的管道上设置有第一排净阀、第二温度计和第三压力计；所述水封罐上设置有第二排净阀、水封和进液阀；在氮气供应装置与所述水封罐之间的连接管线上设置有第二氮气吹扫阀、止逆阀、流量计、控制阀和取样阀。
所述的密闭进料仓和螺旋挤压进料机在进料过程中保持密闭状态；所述的第一氮气吹扫阀和第二氮气吹扫阀在反应开始和结束时对装置进行彻底吹扫置换。
本发明针对垃圾综合利用过程中所存在的困难和问题，提供一种可有效将固体废弃物中有机物与无机物进行分离的固体废弃物无害化、资源化处理方法以及处理装置。第一步采用物理重选的方法，先按照比重的不同，将垃圾分选成比重轻的垃圾筛上物和比重大的筛下物。第二步将体积大、密度小的有机垃圾筛上物通过光催化裂解炉分解，将有机固体大分子分解成有机小分子，从光催化裂解炉中蒸发出来后形成油气与固体分离。油气产物中的C1-C4小分子形成气体收集，C4-C20的有机物形成液体收集，固体留在裂解炉中从底部排出，进而将垃圾筛上物分离成气、固、液三态。由于气态物质和液态物质的流动性远远高于固态物质，净化、除尘和进行脱硫、脱氯、脱氮等化学处理都比较容易，一般经过柱子或塔的吸附和脱附作用就比较容易实现资源化。自然界能形成气体的有机物不多，主要是C1-C4的化合物，而大多数的小分子量有机物常态下都是液体。本发明采用的裂解方式就是通过断裂共振C-C键将有机大分子分解成有机小分子化合物，对无机物没有影响。这样一来，分离出的气体产物可生产清洁燃料，液体产物可生产燃料油和有机化工原料，固体无机物经过了浓缩和精制，再通过磁选、重选、浮选可形成无机矿产。
本发明的光催化裂解方式是断裂C-C键，将垃圾中的有机大分子分解成C1-C4的气态有机小分子和C5-C20的液态有机小分子。实际上是把垃圾这种混合物通过化学分解分离成三大类：气态、液态和固态。由于纯净的有机小分子可以通过燃气轮机发电，提高了热机效率、降低了生产成本、减少了后处理工序，重要的是不会产生二噁英类剧毒物品。
本发明属于固体废弃物资源化利用且环境友好的方法，针对有机物都含有碳碳键的特点，通过断裂化学键将固体有机废弃物分解成有机小分子气态和液态产物。由于气态和液态产物良好的流动性及可方便处理、精制的特性，实现了气体、液体的产品化，为城市周边有机废弃物无害化处理和资源化利用提供了一种高效、经济、环保的科学方法。
附图说明：
图1为本发明中光催化裂解分离处理装置的结构原理示意图；
图2为光催化裂解北京丰台垃圾筛上物液体产物分析数据图；
图3为光催化裂解医疗垃圾液体产物分析数据放大图；
图4为光催化裂解猪、鸡、鸭气体产物分析数据图。
具体实施方式：
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明采用的测试方法如下：
1、液体和固体的热值采用ZDHW-A4高精度全自动量热仪测试。
2、气体的热值根据气体的组分含量，按其标准热值计算得到，气体的组分和含量由气质联用仪测出。
3、气液的发电量由燃气轮机提供的参数统计计算得到。
实施例1：
垃圾选用北京丰台垃圾填埋场的垃圾筛上物。实验数据显示，裂解1吨丰台垃圾筛上物可得裂解气28％、裂解液体产物51％和固体19％。裂解产物的分析数据和热值测试数据见附表1～2。裂解1吨丰台垃圾筛上物耗电量为580度，可得可燃气280公斤、液体燃料油510公斤、固体残渣210公斤。裂解丰台垃圾的气体产物热值是10200kcal/kg，与天然气热值相仿，可按天然气的发电量4.5度/kg计算。280公斤裂解气体产物的发电量是1260度。光催化裂解丰台垃圾液体产物热值为10500kcal/kg，可按3.8度/kg计算，510公斤光催化裂解液体产物的发电量是1938度。得到的气液产物发电总量为3198度，减去裂解总耗电量580度，实际发电量为2618度。
实施例2：
垃圾选用郑州医疗垃圾。实验数据显示，裂解1吨医疗垃圾可得裂解气35％、裂解液体产物57％和固体8％。裂解产物的分析数据和热值测试数据见附表3～4。裂解一吨医疗垃圾耗电量为612度，可得可燃气350公斤、液体燃料油570公斤、固体残渣80公斤。按燃气发电量4.2度/kg计算，350公斤裂解气体产物的发电量是1470度。液体产物发电量按3.8度/kg计算，570公斤光催化裂解液体产物的发电量是2166度。得到的气液产物发电总量为3636度，减去裂解总耗电量612度，实际发电量为3024度。
实施例3：
垃圾选用农作物玉米秸秆。实验数据显示，裂解1吨玉米秸秆可得裂解气45％、裂解液体产物35％和固体25％。裂解产物的分析数据和热值测试数据见附表5～6。裂解一吨玉米秸秆耗电量为360度，可得可燃气400公斤、液体燃料油350公斤、固体活性炭250公斤。按燃气发电量4.0度/kg计算,400公斤裂解气体产物的发电量是1600度。生物质液体产物含水量较大，约占60％左右，必须先萃取分离再发电。有机物占液体产物40％，约为140公斤，热值大于9500Kcal/kg。有机物发电量按3.5度/kg计算，140公斤光催化裂解液体产物的发电量是490度。固体活性炭的热值大于4500Kcal/kg，碳含量在80％以上，如果也燃烧发电，发电量在2.5度/kg，250公斤活性炭发电量为625度。得到的气液固产物发电总量为2715度，减去裂解总耗电量360度，实际发电量为2355度。
实施例4：
垃圾选用动物尸体死猪肉。实验数据显示，裂解1吨不包含骨头的死猪可得裂解气22％、裂解液体产物73％和固体5％。裂解产物的分析数据和热值测试数据见附表7～10。裂解一吨死猪肉耗电量为600度，可得可燃气220公斤、液体脂肪油730公斤、固体残渣50公斤。按可燃气发电量4.0度/kg计算,220公斤裂解气体产物的发电量是880度。液体脂肪油730公斤，热值大于10000Kcal/kg，发电量按3.5度/kg计算，730公斤光催化裂解液体产物的发电量是2555度。固体残渣已经过300℃以上高温消毒，除了骨头等钙质就是固体碳，对环境没有任何影响。得到的气液产物发电总量为3435度，减去裂解总耗电量600度，实际发电量为2845度。
实施例5：
垃圾选用鸡、鸭禽类。鸡和鸭实验数据十分相近，光催化裂解后的气固液比例为33％可燃气、58％液体油脂和9％固体残渣。裂解产物的分析数据和热值测试数据见附表8、9、10。光催化裂解一吨死鸡、鸭耗电量为550度，可得可燃气330公斤、液体脂肪油580公斤、固体残渣90公斤。按可燃气发电量4.0度/kg计算,330公斤裂解气体产物的发电量是1320度。液体脂肪油580公斤，热值大于10000Kcal/kg，发电量按3.5度/kg计算，580公斤光催化裂解液体产物的发电量是2030度。光催化裂解反应炉内温度超过300℃，有机物业已发生分解，固体残渣经过了高温消毒，对环境没有任何影响。得到的气液产物发电总量为3350度，减去裂解总耗电量550度，实际发电量为2800度。
实施例6：
实施例1～实施例5所采用的固体废弃物无害化、资源化处理方法，包括以下具体步骤：
⑴按照比重的不同，将固体废弃物分选成比重轻的垃圾筛上物和比重大的筛下物,垃圾筛上物的比重在<1的范围内,筛下物的范围在>1的范围内；
⑵将以有机物为主的垃圾筛上物粉碎至适当尺寸，通过强制喂料仓送入光催化裂解炉中；
⑶垃圾筛上物在光催化裂解炉内反应30～50分钟，在裂解炉上端的出气口处逸出裂解气体；裂解气体经过冷凝器冷却，分别收集到液体和不可冷凝气体；
⑷不可冷凝气体经过常规的脱硫、脱氯、脱氮、除尘和净化工艺后，再压缩分离成可压缩液化气和不可压缩可燃气；
⑸液体经过滤净化、脱硫、脱氯，生成燃料油或有机化工原料；
⑹在光催化裂解炉中反应完全后的固体产物和无机物从炉底排出，得到含碳元素为主的固体混合物；
⑺将固体混合物进行热值分析、测试出其热值，若热值较高可作为固体燃料来代替燃煤。
在步骤⑵中，垃圾筛上物的粉碎尺寸最大直径不超过100mm；所述光催化裂解炉的动力源为电磁波，或者为机械波；所述的电磁波为光波、微波或无线电波；所述的机械波为声波、超声波或次声波。
在步骤⑶中，所产生的裂解气体是沸点在400℃以下的有机混合蒸汽，经水冷却后大部分以液体状态收集，少部分不可冷凝气体通过气柜来收集。
在步骤⑷和⑸中，收集的气体和液体可通过化工处理来进行净化和脱杂质，生成工业可用的天然液化气和燃料油。
在步骤⑹中，所述固体混合物也可分析其元素含量，确定磁选、重选或浮选，提取所需要元素，来提高固体附加值。
实施例7：
实施例1～实施例5所采用的光催化裂解分离处理装置，包括光催化裂解炉31、分离罐9、冷凝器12和水封罐23，还包括依次连接的密闭进料仓1、螺旋挤压进料机2、第一氮气吹扫阀3、进料控制阀4；在光催化裂解炉31上设置有顶部观察视镜5、底部固体出料观察视镜30、裂解炉本体温度计29和固体反应物排放阀32；在光催化裂解炉31至分离罐9之间的管道上设置有温度计6、管道视镜7和第一压力计8；在分离罐9底部设置有底部排液阀28；在分离罐9至冷凝器12之间的管道上设置有第一温度计10和第二压力计11；在冷凝器12上设置有低位排液阀13，在冷凝器12与供水装置34之间的管道上设置有冷却水进水控制阀26，在冷凝器12与循环水回收装置35之间的管道上设置有冷却水出水控制阀27；在冷凝器12至水封罐23之间的管道上设置有第一排净阀14、第二温度计15和第三压力计16；在水封罐23上设置有第二排净阀24、水封25和进液阀22；在氮气供应装置33与水封罐23之间的连接管线上设置有第二氮气吹扫阀17、止逆阀18、流量计19、控制阀20和取样阀21。
其中：密闭进料仓1和螺旋挤压进料机2在进料过程中保持密闭状态；第一氮气吹扫阀3和第二氮气吹扫阀17在反应开始和结束时对装置进行彻底吹扫置换。
附表1：裂解北京丰台垃圾筛上物气体产物分析数据
附表2：光催化裂解北京丰台垃圾筛上物液体产物分析数据
附表3：医疗垃圾裂解气体产物分析数据
| 分析项目 | 分析结果(V/V)％ | 备注 |
| 氢气 | 44.04 | |
| 甲烷 | 22.02 | |
| 乙烷 | 1.38 | |
| 乙烯 | 0.49 | |
| 丙烯 | 9.19 | |
| 丁烯 | 3.60 | |
| 异丁烯 | 6.07 | |
| 总戊烯 | 3.61 | |
| 一氧化碳 | 9.60 |
附表4：光催化裂解医疗垃圾液体产物分析数据
主要组分分析
附表5：光催化裂解玉米秸秆气体产物分析数据
| 组分 | H<sub>2</sub> | CO | CH<sub>4</sub> | CO<sub>2</sub> |
| 体积百分数/％ | 22.75 | 36.00 | 31.86 | 1.08 |
附表6：光催化裂解玉米秸秆液体产物分析数据
附表7：光催化裂解死猪肉液体产物分析数据
附表8：光催化裂解死鸡液体产物分析数据
附表9：光催化裂解死鸭液体产物分析数据
Claims (4)
1.一种光催化裂解分离处理装置，包括光催化裂解炉（31）、分离罐（9）、冷凝器（12）和水封罐（23），其特征在于：所述的光催化裂解分离装置还包括依次连接的密闭进料仓（1）、螺旋挤压进料机（2）、第一氮气吹扫阀（3）、进料控制阀（4）；所述光催化裂解炉（31）上设置有顶部观察视镜（5）、底部固体出料观察视镜（30）、裂解炉本体温度计（29）和固体反应物排放阀（32）；在所述光催化裂解炉（31）至所述分离罐（9）之间的管道上设置有温度计（6）、管道视镜（7）和第一压力计（8）；在所述分离罐（9）底部设置有底部排液阀（28）；在所述分离罐（9）至所述冷凝器（12）之间的管道上设置有第一温度计（10）和第二压力计（11）；在所述冷凝器（12）上设置有低位排液阀（13），在冷凝器（12）与供水装置（34）之间的管道上设置有冷却水进水控制阀（26），在冷凝器（12）与循环水回收装置（35）之间的管道上设置有冷却水出水控制阀（27）；在所述冷凝器（12）至所述水封罐（23）之间的管道上设置有第一排净阀（14）、第二温度计（15）和第三压力计（16）；所述水封罐（23）上设置有第二排净阀（24）、水封（25）和进液阀（22）；在氮气供应装置（33）与所述水封罐（23）之间的连接管线上设置有第二氮气吹扫阀（17）、止逆阀（18）、流量计（19）、控制阀（20）和取样阀（21）。
2.根据权利要求1所述的光催化裂解分离处理装置，其特征在于：所述的密闭进料仓（1）和螺旋挤压进料机（2）在进料过程中保持密闭状态；所述的第一氮气吹扫阀（3）和第二氮气吹扫阀（17）在反应开始和结束时对装置进行彻底吹扫置换。
3.利用权利要求2所述的光催化裂解分离处理装置进行的固体废弃物无害化、资源化处理方法，包括以下具体步骤：
⑴按照比重的不同，将固体废弃物分选成比重轻的垃圾筛上物和比重大的筛下物,垃圾筛上物的比重在≤1的范围内, 筛下物的比重在＞1的范围内；
⑵将以有机物为主的垃圾筛上物粉碎至适当尺寸，通过强制喂料仓送入光催化裂解炉中；
⑶垃圾筛上物在光催化裂解炉内反应30～50分钟，在裂解炉上端的出气口处逸出裂解气体；裂解气体经过冷凝器冷却，分别收集到液体和不可冷凝气体；
⑷不可冷凝气体经过常规的脱硫、脱氯、脱氮、除尘和净化工艺后，再压缩分离成可压缩液化气和不可压缩可燃气；
⑸液体经过滤净化、脱硫、脱氯，生成燃料油或有机化工原料；
⑹在光催化裂解炉中反应完全后的固体产物和无机物从炉底排出，得到含碳元素为主的固体混合物；
⑺将固体混合物进行热值分析、测试出其热值，若热值较高可作为固体燃料来代替燃煤。
4.根据权利要求3所述的固体废弃物无害化、资源化处理方法，其特征在于：在步骤⑵中，垃圾筛上物的粉碎尺寸最大直径不超过100mm ；所述光催化裂解炉的动力源为电磁波，或者为机械波；所述的电磁波为光波、微波或无线电波；所述的机械波为声波、超声波或次声波；
在步骤⑶中，所产生的裂解气体是沸点在400℃以下的有机混合蒸汽，经水冷却后大部分以液体状态收集，少部分不可冷凝气体通过气柜来收集；
在步骤⑷和⑸中，收集的气体和液体可通过化工处理来进行净化和脱杂质，生成工业可用的天然液化气和燃料油；
在步骤⑹中，所述固体混合物也可分析其元素含量，确定磁选、重选或浮选，提取所需要元素，来提高固体附加值。
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