CN106670209A - 处理生活垃圾的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了处理生活垃圾的系统和方法，其中系统包括：预处理单元，其具有生活垃圾入口、有机垃圾出口和无机垃圾出口；热解装置，其具有有机垃圾入口、高温热解油气出口、热解炭出口和热解尾气出口；破碎装置，其具有热解炭入口和热解炭颗粒出口；气化装置，其具有热解炭颗粒入口、水蒸气入口、气化气出口和气化残渣出口；节能脱酸装置，其具有气化气入口和降温脱酸后气化气出口；气化气净化单元，其具有降温脱酸后气化气入口和净化气化气出口；气化气转化装置，其具有净化气化气入口和转化气出口；甲醇合成单元，其具有转化气入口和甲醇出口。该系统可以实现生活垃圾减量化、资源化处理，同时可以将CO2资源化利用，适用于技术推广和规模化生产。

Description

处理生活垃圾的系统和方法
技术领域
本发明涉及能源化工领域，具体而言，本发明涉及处理生活垃圾的系统和方法。
背景技术
随着经济的迅速发展、人口的不断增长以及人民生活水平的日益提高，我国生活垃圾的产生量也急剧增加，目前中国城市生活垃圾年产生量约2亿吨，且每年还在以10％左右的速度增长，给环境造成了很大的负担，全国大城市中有2/3面临“垃圾围城”的困境。
目前垃圾处理常用的填埋、堆肥方式已陷入占用大量用地、堆肥产品无销路的困境，而垃圾焚烧处理的方式始终无法摆脱二噁英污染的问题，并且产生大量的飞灰，飞灰的处理远不如人意，成为生活垃圾焚烧全过程污染控制和风险管理中最为薄弱的环节。
随着经济的发展，碳减排已成为关注的课题。作为生活垃圾热解处理技术，在实现生活垃圾资源化的同时也产生了大量的CO2。CO2既是导致全球气候变暖的温室气体的主要成分之一，对温室效应的贡献达到55％，又是一种宝贵的资源。目前，CO2被广泛应用于食品保鲜、采油行业、气体保护焊及化工合成等领域，且取得了良好的经济效益。但与CO2增长的产能相比，每年用于生产消耗的CO2量仅占总产量的一少部分，大量的CO2无法得到充分利用而排放到大气中，加剧温室效应，制约企业可持续发展的关键因素。不论从资源还是能源的角度来说，开发更多的CO2利用技术都是势在必行的。
因而，现有的处理生活垃圾的手段仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出处理生活垃圾的系统和方法。采用该系统可以实现生活垃圾的减量化、资源化处理，同时可以将温室气体CO2资源化利用，特别适用于技术推广和规模化生产。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种处理生活垃圾的系统。根据本发明的实施例，该系统包括：预处理单元，所述预处理单元具有生活垃圾入口、有机垃圾出口和无机垃圾出口；热解装置，所述热解装置具有有机垃圾入口、高温热解油气出口、热解炭出口和热解尾气出口，所述有机垃圾入口与所述有机垃圾出口相连；破碎装置，所述破碎装置具有热解炭入口和热解炭颗粒出口，所述热解炭入口与所述热解炭出口相连；气化装置，所述气化装置具有热解炭颗粒入口、水蒸气入口、气化气出口和气化残渣出口，所述热解炭颗粒入口与所述热解炭颗粒出口相连；节能脱酸装置，所述节能脱酸装置具有气化气入口和降温脱酸后气化气出口，所述气化气入口与所述气化气出口相连；气化气净化单元，所述气化气净化单元具有降温脱酸后气化气入口和净化气化气出口，所述降温脱酸后气化气入口与所述降温脱酸后气化气出口相连；气化气转化装置，所述气化气转化装置具有净化气化气入口和转化气出口，所述净化气化气入口与所述净化气化气出口相连；甲醇合成单元，所述甲醇合成单元具有转化气入口和甲醇出口，所述转化气入口与所述转化气出口相连。
由此，根据本发明实施例的处理生活垃圾的系统通过将生活垃圾预处理后供给至热解装置进行热解处理，以便得到高温热解油气、热解炭和热解尾气；其中，热解炭经破碎后可以供给至气化装置进行气化处理，得到气化气；进而通过节能脱酸装置，可以对得到的气化气进行换热和脱酸处理，经降温脱酸后的气化气进一步在气化气净化单元进行净化处理，进而，通过气化气转化装置将气化气中的甲烷和少量多碳烃类化合物转化为适于合成甲醇的以一氧化碳和氢气为主要成分的转化气，以便进一步用于在甲醇合成单元中制备甲醇。由此，根据本发明的实施例，该系统通过将生活垃圾热解得到的热解炭气化得到气化煤气，从而实现了对低热值热解炭的资源化利用，并以气化煤气为原料制备得到高附加值的甲醇，特别适用于技术推广和规模化生产。
另外，根据本发明上述实施例的处理生活垃圾的系统还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述处理生活垃圾的系统进一步包括：二氧化碳捕集单元，所述二氧化碳捕集单元具有尾气入口和二氧化碳气体出口，所述尾气入口与所述热解尾气出口相连，所述二氧化碳气体出口与所述节能脱酸装置相连；碳材料合成装置，所述碳材料合成装置与所述节能脱酸装置相连。由此，可以将生活垃圾热解得到的热解尾气中的二氧化碳用于制备碳材料，同时显著降低二氧化碳的排放量。
在本发明的一些实施例中，所述处理生活垃圾的系统进一步包括：发电单元，所述发电单元具有高温热解油气入口、水蒸气出口和燃烧尾气出口，所述高温热解油气入口与所述高温热解油气出口相连，所述水蒸气出口与所述水蒸气入口相连，所述燃烧尾气出口与所述尾气入口相连。由此，可以将生活垃圾热解得到的高温热解油气用于发电，从而显著提高生活垃圾的资源利用率。
在本发明的一些实施例中，所述转化气出口与所述发电单元和热解装置中的至少之一相连。由此，可以将转化气用作发电单元和/或热解装置的燃料气进行燃烧，从而显著降低发电单元和/或热解装置的能耗。
在本发明的一些实施例中，所述预处理单元包括依次相连的破袋机构、滚筛机构、分选机构和破碎机构。由此，可以有效地将生活垃圾中的无机物、金属等分离并将生活垃圾破碎至适于热解装置处理的粒径。
在本发明的第二方面，本发明提出了一种采用根据本发明上述实施例的处理生活垃圾的系统进行生活垃圾处理的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)将生活垃圾供给至所述预处理单元中进行预处理，以便得到有机垃圾和无机垃圾；(2)将所述有机垃圾供给至所述热解装置中进行热解处理，以便得到高温热解油气、热解炭和热解尾气；(3)将所述热解炭供给至所述破碎装置中进行破碎处理，以便得到热解炭颗粒；(4)将所述热解炭颗粒和水蒸气供给至所述气化装置中进行气化处理，以便得到气化气和气化残渣；(5)将所述气化气供给至所述节能脱酸装置中进行换热和脱酸处理，以便得到降温脱酸后气化气；(6)将所述降温脱酸后气化气供给至所述气化气净化单元中进行净化处理，以便得到净化气化气；(7)将所述净化气化气供给至所述气化气转化装置中进行转化处理，以便得到转化气；(8)将所述转化气的一部分供给至所述甲醇合成单元，以便得到甲醇。
由此，根据本发明实施例的处理生活垃圾的方法通过将生活垃圾预处理，以便得到有机垃圾和无机垃圾，将有机垃圾供给至热解装置进行热解处理，以便得到高温热解油气、热解炭和热解尾气；其中，将热解炭破碎为热解炭颗粒后，与水蒸气一同供给至气化装置进行气化处理，得到气化气；进而通过节能脱酸装置，可以对得到的气化气进行换热和脱酸处理，经降温脱酸后的气化气进一步在气化气净化单元进行净化处理，得到净化气化气，进而，通过气化气转化装置将净化气化气中的甲烷和少量多碳烃类化合物转化为适于合成甲醇的以一氧化碳和氢气为主要成分的转化气，以便进一步用于在甲醇合成单元中制备甲醇。由此，根据本发明的实施例，该方法通过将生活垃圾热解得到的热解炭气化得到气化煤气，从而实现了对低热值热解炭的资源化利用，并以气化煤气为原料制备得到高附加值的甲醇，特别适用于技术推广和规模化生产。
另外，根据本发明实施例的处理生活垃圾的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述处理生活垃圾的方法进一步包括：(9)将所述热解尾气供给至所述二氧化碳捕集单元中，以便得到二氧化碳气体，并将所述二氧化碳气体供给至步骤(5)中的所述节能脱酸装置中进行换热处理，以便得到预热后的二氧化碳气体；(10)将所述预热后的二氧化碳气体供给至所述碳材料合成装置中制备碳材料。由此，可以将生活垃圾热解得到的热解尾气中的二氧化碳用于制备碳材料，同时显著降低二氧化碳的排放量。
在本发明的一些实施例中，所述处理生活垃圾的方法进一步包括：(11)将所述高温热解油气供给至发电单元中进行燃烧发电，以便得到水蒸气和燃烧尾气，并将所述水蒸气供给至步骤(4)中的气化装置，将所述燃烧尾气供给至步骤(9)中的所述二氧化碳捕集单元。由此，可以显著降低所述气化装置的能耗，并显著降低所述燃烧尾气中二氧化碳的排放。
在本发明的一些实施例中，所述处理生活垃圾的方法进一步包括：(12)将所述转化气的另一部分供给至步骤(11)中的所述发电单元和步骤(2)中的所述热解装置中的至少之一作为燃料使用。由此，可以显著降低所述发电单元和所述热解装置的能耗。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的处理生活垃圾的系统结构示意图；
图2是根据本发明再一个实施例的处理生活垃圾的系统结构示意图；
图3是根据本发明又一个实施例的处理生活垃圾的系统结构示意图；
图4是根据本发明一个实施例的处理生活垃圾的方法流程示意图；
图5是根据本发明再一个实施例的处理生活垃圾的方法流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种处理生活垃圾的系统。下面对根据本发明实施例的处理生活垃圾的系统进行详细描述，参考图1～3，该系统包括：预处理单元100、热解装置200、破碎装置300、气化装置400、节能脱酸装置500、气化气净化单元600、气化气转化装置700和甲醇合成单元800。其中，预处理单元100具有生活垃圾入口101、有机垃圾出口102和无机垃圾出口103；热解装置200具有有机垃圾入口201、高温热解油气出口202、热解炭出口203和热解尾气出口204，有机垃圾入口201与有机垃圾出口相连102；破碎装置300具有热解炭入口301和热解炭颗粒出口302，热解炭入口301与热解炭出口203相连；气化装置400具有热解炭颗粒入口401、水蒸气入口402、气化气出口403和气化残渣出口404，热解炭颗粒入口401与热解炭颗粒出口302相连；节能脱酸装置500具有气化气入口501和降温脱酸后气化气出口502，气化气入口501与气化气出口403相连；气化气净化单元600具有降温脱酸后气化气入口601和净化气化气出口602，降温脱酸后气化气入口601与降温脱酸后气化气出口502相连；气化气转化装置700具有净化气化气入口701和转化气出口702，净化气化气入口701与净化气化气出口602相连；甲醇合成单元800具有转化气入口801和甲醇出口802，转化气入口801与转化气出口702相连。
根据本发明的实施例，预处理单元100具有生活垃圾入口101、有机垃圾出口102和无机垃圾出口103，预处理单元100适于将生活垃圾进行预处理，以便得到有机垃圾和无机垃圾。具体地，生活垃圾中含有部分金属、玻璃、砖块等无机物，这类无机物无法在后续热解处理中生成热解炭或热解油气等资源，且将混有无机物的生活垃圾进行热解处理还会增大热解处理的能耗并降低热解处理的效率。由此，在将生活垃圾进行热解处理之前，预先将生活垃圾中的无机物除去，可以有效地提高后续热解处理的效率并降低能耗。
根据本发明的一个具体实施例，预处理单元100包括依次相连的破袋机构110、滚筛机构120、分选机构130和破碎机构140。具体地，可以通过破袋机构110、滚筛机构120以及分选机构130处理以便除去生活垃圾中的金属、玻璃、砖块等无机物，进而通过破碎机构140将生活垃圾进行破碎。根据本发明的具体实施例，可以将生活垃圾破碎至粒径不高于20mm，由此可以显著提高后续热解处理的效率。
根据本发明的实施例，热解装置200具有有机垃圾入口201、高温热解油气出口202、热解炭出口203和热解尾气出口204，有机垃圾入口201与有机垃圾出口相连102，热解装置200适于将有机垃圾进行热解处理，以便得到高温热解油气、热解炭和热解尾气。
根据本发明的一个具体实施例，热解装置200可以为旋转床热解炉，旋转床热解炉可以采用无热载体蓄热式旋转床，无热载体蓄热式旋转床包括旋转床热解腔室、环形炉底和分别位于环形炉底上下的蓄热式燃气辐射管燃烧器以及布料、出料等机构，蓄热式燃气辐射管燃烧器布置于环形炉壁，以热辐射的方式提供垃圾热解所需的热量。旋转床热解炉沿转动的方向依次设置有干燥区、热解反应一区、热解反应二区和热解反应三区，待处理有机垃圾从干燥区进入旋转床热解炉，在旋转床热解炉各个区域的炉顶均设置有高温热解油气出口，用于收集高温热解油气，在热解反应三区的末端热解炭出口处设置有出料装置，用于收集热解炭，另外，为了使待处理有机垃圾受热均匀，炉底料板可以选用穿孔板。具体的，经过预处理的有机垃圾含水率约为20～60wt％，将其均匀给入旋转床热解炉，铺料厚度50-250mm，在炉内经过阶段升温，完成干燥、热解和活化的反应，旋转一周的时间为1h。
根据本发明的实施例，破碎装置300具有热解炭入口301和热解炭颗粒出口303，热解炭入口301与热解炭出口203相连，破碎装置300适于将有机垃圾热解得到的热解炭进行破碎处理，以便得到热解炭颗粒。
根据本发明的实施例，热解炭颗粒的粒径可以不高于10mm。发明人发现，通过在将热解炭进行气化处理之前，预先将热解炭进行破碎处理至该粒径，可以显著提高气化处理的效率并降低气化处理的能耗。
根据本发明的实施例，气化装置400具有热解炭颗粒入口401、水蒸气入口402、气化气出口403和气化残渣出口404，热解炭颗粒入口401与热解炭颗粒出口302相连，气化装置400适于将热解炭颗粒和水蒸气接触并进行气化处理，以便得到气化气和气化残渣。具体地，由垃圾热解得到的热解炭具有一定的燃烧热，属于低热值的能源产物，通过将热解炭在气化装置内进行气化处理，可以使热解炭转化为热值较高的气化气，而气化残渣的利用价值较低，可用作建筑材料或进行填埋处理。
根据本发明的具体实施例，气化处理的温度可以为1000℃左右，由此可以有效地将热解炭转化为气化气。
根据本发明的实施例，节能脱酸装置500具有气化气入口501和降温脱酸后气化气出口502，气化气入口501与气化气出口403相连，节能脱酸装置500适于将气化气进行换热和脱酸处理，以便得到降温脱酸后气化气。根据本发明的实施例，通过采用节能脱酸装置500，可以将气化气温度降至350℃，并将其中的酸性气体浓度降至0.05v％；此外，节能脱酸装置500兼具蓄热功能，蓄热得到的热量可以用于对后续二氧化碳捕集单元中收集得到的二氧化碳进行加热。
根据本发明的实施例，气化气净化单元600具有降温脱酸后气化气入口601和净化气化气出口602，降温脱酸后气化气入口601与降温脱酸后气化气出口502相连，气化气净化单元600适于将降温脱酸后气化气进行净化处理，以便得到净化气化气。
根据本发明的一个具体实施例，气化气净化单元600包括依次相连的湿式除尘塔610、电捕焦油器620和脱硫脱硝塔630，由此，可以有效地对降温脱酸后气化气进行除尘、除焦油、脱硫以及脱硝。具体地，降温脱酸后气化气首先在湿式除尘塔610中完成除尘，通过采用激冷循环水进行喷洒，可以将降温脱酸后气化气的粉尘除去，进而将降温脱酸后气化气送入横管初冷器，采用32℃循环水和16℃制冷水的两段冷却水将降温脱酸后气化气冷却至21℃左右，随后通过两台并联同时操作的电捕焦油器620，将气体中夹带的焦油除去，然后采用罗茨鼓风机将降温脱酸后气化气送至脱硫脱硝塔630，完成脱硫脱硝，以便得到净化气化气。
根据本发明的实施例，气化气转化装置700具有净化气化气入口701和转化气出口702，净化气化气入口701与净化气化气出口602相连，气化气转化装置700适于将净化气化气进行转化处理，以便得到转化气。根据本发明的实施例，发明人通过大量实验意外地发现，可以通过气化气转化装置700将气化气中的甲烷及少量多碳烃类化合物转化为一氧化碳和氢气，由此可以使后续利用转化气制备甲醇的效率最佳。
根据本发明的实施例，甲醇合成单元800具有转化气入口801和甲醇出口802，转化气入口801与转化气出口702相连，甲醇合成单元800适于利用转化气制备得到甲醇。
根据本发明的实施例，甲醇合成单元800包括依次相连的甲醇转化装置810和甲醇精馏塔820。根据本发明的实施例，甲醇转化装置810适于利用转化气制备得到粗甲醇产品，进而在甲醇精馏塔820中对粗甲醇产品进行精馏，以便得到纯度较高的甲醇。
参考图2和图3，根据本发明实施例的处理生活垃圾的系统进一步包括：二氧化碳捕集单元900和碳材料合成装置1000。
根据本发明的实施例，二氧化碳捕集单元900具有尾气入口901和二氧化碳气体出口902，尾气入口901与热解尾气出口204相连，二氧化碳气体出口902与节能脱酸装置500相连，二氧化碳捕集单元900适于对热解尾气中的二氧化碳进行捕集，以便得到二氧化碳气体，并将得到的二氧化碳供给至节能脱酸装置中进行预热。热解尾气主要是热解装置中蓄热式辐射管燃烧产生的尾气，其主要成分是二氧化碳。具体的，节能脱酸装置内部可以包括彼此隔绝的内部通道和外部通道，外部通道环绕内部通道布置，并且内部通道中由具有脱酸功能的蓄热体构成，气化装置得到的高温的气化气通过内部通道进入节能脱酸装置可以实现对蓄热体的蓄热以及自身的脱酸，从而得到降温脱酸后气化气，而二氧化碳捕集单元得到的二氧化碳通过进入外部通道进入节能脱酸装置被预热，得到预热后的二氧化碳。需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要对具有脱酸功能的蓄热体进行选择。
根据本发明的实施例，二氧化碳捕集单元900包括依次相连的吸收塔910、解吸塔920、冷却器930和气液分离器940。根据本发明的实施例，来自热解装置的热解尾气经风机加压给入吸收塔910，在吸收塔910内与吸收剂醇胺溶液逆流接触，热解尾气中的二氧化碳被吸收剂吸收，得到富液，富液经富液泵给入解吸塔，解吸生成二氧化碳气体、蒸汽和雾沫的混合气体和贫液，解吸后的二氧化碳气体经冷却器930降温冷却，使得蒸汽和雾沫变为水和泡沫，进而通过气液分离器940除去混合气体内的水和泡沫，得到纯度较高的二氧化碳气体。
根据本发明的实施例，碳材料合成装置1000与节能脱酸装置500相连，且适于利用二氧化碳气体合成碳材料。根据本发明的实施例，二氧化碳捕集单元900中得到的二氧化碳气体温度较低，可以利用节能脱酸装置500由气化气中回收的热量对二氧化碳气体加热至300℃后，再将二氧化碳气体送入碳材料合成装置1000用于制备碳材料，由此可以显著提高制备碳材料的效率。具体地，可以按照下列步骤制备碳材料：将金属(镁、铝、钙、钾)或金属氧化物(氢化镁、氢化钙、氢化钾、氢化铝、氢化钡、氢化钛、氢化钠)中的至少之一置于碳材料合成装置1000中，在保护气(氩气、氮气、氦气中的至少之一)气氛下，以5～15/min的升温速率升温至100～600℃，再通过风机将100～600℃的高浓度二氧化碳气体通入碳材料合成装置中至气体压力为1～15MPa，二氧化碳气体与保护气气流量比为1:3-6:1，反应5s～60min后关闭二氧化碳气流，在保护气气氛中冷却至室温，得到黑色粉末。将得到的黑色粉末与浓度为2～10mol/L的酸溶液反应5～48h，然后用去离子水充分洗涤至中性，烘干，即得到碳材料。
参考图2和图3，根据本发明实施例的处理生活垃圾的系统进一步包括：发电单元1100。
根据本发明的实施例，发电单元1100具有高温热解油气入口1101、水蒸气出口1102和燃烧尾气出口1103，高温热解油气入口1101与高温热解油气出口202相连，水蒸气出口1102与水蒸气入口402相连，燃烧尾气出口1103与尾气入口901相连，发电单元1100适于利用有机垃圾热解得到的高温热解油气进行发电。具体地，有机垃圾热解得到的高温热解油气可以不经过气液分离处理，直接供给至发电单元1100的余热锅炉，高温热解油气在余热锅炉内与水换热产生过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮机驱动发电机进行发电，产生的电能并入电网；经过换热后的水蒸气可以作为气化剂进入气化装置400用于将热解炭颗粒转化为气化气，而发电单元1100产生的燃烧尾气进入二氧化碳捕集单元900进行二氧化碳捕集，得到的二氧化碳气体进一步用于制备碳材料。
根据本发明的具体实施例，气化气转化装置700中的转化气出口702可以与发电单元1100和热解装置200中的至少之一相连，由此，可以将气化气转化装置700中制备得到的转化气作为燃料气用于发电单元1100燃烧发电，或用于热解装置200中蓄热式辐射管燃烧对有机垃圾进行热解。
由此，根据本发明实施例的处理生活垃圾的系统通过将生活垃圾预处理除去其中的无机物，并将有机垃圾供给至热解装置进行热解处理，以便得到高温热解油气、热解炭和热解尾气；其中，热解炭经破碎后可以供给至气化装置进行气化处理，得到气化气；进而通过节能脱酸装置，对得到的气化气进行换热和脱酸处理，经降温脱酸后的气化气进一步在气化气净化单元进行净化处理，进而，通过气化气转化装置将气化气中的甲烷和少量多碳烃类化合物转化为适于合成甲醇的以一氧化碳和氢气为主要成分的转化气，以便进一步用于在甲醇合成单元中制备甲醇；同时，有机垃圾热解产生的热解尾气进入二氧化碳捕集单元，捕集得到的二氧化碳气体进入节能脱酸装置与气化装置产生的气化气进行换热，经预热的二氧化碳气体进入碳材料合成装置用于制备碳材料；有机垃圾热解产生的高温热解油气可以不经气液分离直接进入发电单元用于发电，发电单元中产生的水蒸气可以作为气化剂通入气化装置对热解炭进行气化处理，发电单元中产生的燃烧尾气进入二氧化碳捕集单元，得到二氧化碳气体用于制备碳材料；另外，气化气转化装置中制备得到的转化气可以作为燃料气供给至热解装置和/或发电单元，从而进一步降低系统的能耗。由此，根据本发明的实施例，该系统通过将生活垃圾热解得到的热解炭气化得到气化气，从而实现了对低热值热解炭的资源化利用，并以气化气为原料制备得到高附加值的甲醇，且系统中产生的尾气可以用于制备碳材料，该系统可以实现生活垃圾的资源化处理，且资源利用较高，特别适用于技术推广和规模化生产。
在本发明的第二方面，本发明提出了一种采用根据本发明上述实施例的处理生活垃圾的系统进行生活垃圾处理的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)将生活垃圾供给至所述预处理单元中进行预处理，以便得到有机垃圾和无机垃圾；(2)将所述有机垃圾供给至所述热解装置中进行热解处理，以便得到高温热解油气、热解炭和热解尾气；(3)将所述热解炭供给至所述破碎装置中进行破碎处理，以便得到热解炭颗粒；(4)将所述热解炭颗粒和水蒸气供给至所述气化装置中进行气化处理，以便得到气化气和气化残渣；(5)将所述气化气供给至所述节能脱酸装置中进行换热和脱酸处理，以便得到降温脱酸后气化气；(6)将所述降温脱酸后气化气供给至所述气化气净化单元中进行净化处理，以便得到净化气化气；(7)将所述净化气化气供给至所述气化气转化装置中进行转化处理，以便得到转化气；(8)将所述转化气的一部分供给至所述甲醇合成单元，以便得到甲醇。
下面对根据本发明实施例的处理生活垃圾的方法进行详细描述，参考图4～5，该方法包括：
S100：预处理
该步骤中，将生活垃圾供给至预处理单元中进行预处理，以便得到有机垃圾和无机垃圾。具体地，可以依次通过破袋、滚筛以及分选处理除去生活垃圾中的金属、玻璃、砖块等无机物，进而将生活垃圾进行破碎，以便得到有机垃圾。根据本发明的具体实施例，可以将生活垃圾破碎至粒径不高于20mm，由此可以显著提高后续热解处理的效率。
S200：热解处理
该步骤中，将有机垃圾供给至热解装置中进行热解处理，以便得到高温热解油气、热解炭和热解尾气。具体地，经过预处理单元100处理得到的有机垃圾含水率约为20～60wt％，将有机垃圾供给至热解装置，铺料厚度为50～250mm，以便进行热解处理。
根据本发明的具体实施例，热解装置可以为旋转床热解炉，旋转床热解炉可以采用无热载体蓄热式旋转床，无热载体蓄热式旋转床包括旋转床热解腔室、环形炉底和分别位于环形炉底上下的蓄热式燃气辐射管燃烧器以及布料、出料等机构，蓄热式燃气辐射管燃烧器布置于环形炉壁，以热辐射的方式提供垃圾热解所需的热量。旋转床热解炉沿转动的方向依次设置有干燥区、热解反应一区、热解反应二区和热解反应三区，待处理有机垃圾从干燥区进入旋转床热解炉，在旋转床热解炉各个区域的炉顶均设置有高温热解油气出口，用于收集高温热解油气，在热解反应三区的末端热解炭出口处设置有出料装置，用于收集热解炭，另外，为了使待处理有机垃圾受热均匀，炉底料板可以选用穿孔板。
S300：破碎处理
该步骤中，将S200中得到的热解炭供给至破碎装置进行破碎处理，以便得到热解炭颗粒。根据本发明的实施例，热解炭颗粒的粒径可以不高于10mm。发明人发现，通过在将热解炭进行气化处理之前，预先将热解炭破碎至该粒径，可以显著提高气化处理的效率并降低气化处理的能耗。
S400：气化处理
该步骤中，将热解炭颗粒和水蒸气供给至气化装置进行气化处理，以便得到气化气和气化残渣。具体地，由垃圾热解得到的热解炭具有一定的燃烧热，属于低热值的能源产物，通过将热解炭在气化装置内进行气化处理，可以使热解炭转化为热值较高的气化气，而气化残渣的利用价值较低，可用作建筑材料或进行填埋处理。
根据本发明的具体实施例，气化处理的温度可以为1000℃左右，由此可以有效地将热解炭转化为气化气。
S500：换热和脱酸处理
该步骤中，将气化气供给至节能脱酸装置中进行换热和脱酸处理，以便得到降温脱酸后气化气。根据本发明的实施例，通过采用节能脱酸装置，可以将气化气温度降至350℃，并将其中的酸性气体浓度降至0.05v％；此外，节能脱酸装置兼具蓄热功能，蓄热得到的热量可以用于对后续二氧化碳捕集单元中收集得到的二氧化碳进行加热。
S600：净化处理
该步骤中，将降温脱酸后气化气供给至气化气净化单元中进行净化处理，以便得到净化气化气。根据本发明的实施例，气化气净化单元包括依次相连的湿式除尘塔、电捕焦油器和脱硫脱硝塔，由此可以有效地对降温脱酸后气化气进行除尘、除焦油、脱硫以及脱硝。具体地，降温脱酸后气化气首先在湿式除尘塔中完成除尘，通过采用激冷循环水进行喷洒，可以将降温脱酸后气化气的粉尘除去，进而将降温脱酸后气化气送入横管初冷器，采用32℃循环水和16℃制冷水的两段冷却水将降温脱酸后气化气冷却至21℃左右，随后通过两台并联同时操作的电捕焦油器，将气体中夹带的焦油除去，然后采用罗茨鼓风机将降温脱酸后气化气送至脱硫脱硝塔，完成脱硫脱硝，以便得到净化气化气。
S700：转化处理
该步骤中，将净化气化气供给至气化气转化装置中进行转化处理，以便得到转化气。根据本发明的实施例，发明人通过大量实验意外地发现，可以通过气化气转化装置将气化气中的甲烷及少量多碳烃类化合物转化为一氧化碳和氢气，由此可以使后续利用转化气制备甲醇的效率最佳。
根据本发明的具体实施例，可以将气化气转化装置中制备得到的转化气的一部分作为燃料气用于后续S1100中发电单元燃烧发电，或用于热解装置中蓄热式辐射管燃烧对有机垃圾进行热解出来，由此，可以显著降低处理生活垃圾的能耗。
S800：制备甲醇
该步骤中，将转化气的一部分供给至甲醇合成单元，以便得到甲醇。根据本发明的实施例，甲醇合成单元包括依次相连的甲醇转化装置和甲醇精馏塔。根据本发明的实施例，甲醇转化装置适于利用转化气制备得到粗甲醇产品，进而在甲醇精馏塔中对粗甲醇产品进行精馏，以便得到纯度较高的甲醇。
根据本发明的具体实施例，甲醇合成装置中的压力为5～7MPa，由此可以显著提高制备甲醇的效率。
参考图4和图5，根据本发明实施例的处理生活垃圾的方法进一步包括：
S900：二氧化碳捕集
该步骤中，将S200中产生的热解尾气供给至二氧化碳捕集单元中，以便得到二氧化碳气体，并将二氧化碳气体供给至S500中的节能脱酸装置进行换热处理，以便得到预热后的二氧化碳。具体地，热解尾气主要是热解装置中蓄热式辐射管燃烧产生的尾气，其主要成分是二氧化碳。
根据本发明的实施例，二氧化碳捕集单元包括依次相连的吸收塔、解吸塔、冷却器和气液分离器。根据本发明的实施例，来自热解装置的热解尾气经风机加压给入吸收塔，在吸收塔内与吸收剂醇胺溶液逆流接触，热解尾气中的二氧化碳被吸收剂吸收，得到富液，富液经富液泵给入解吸塔，解吸生成二氧化碳气体、蒸汽和雾沫的混合气体和贫液，解吸后的二氧化碳气体经冷却器降温冷却，使得蒸汽和雾沫变为水和泡沫，进而通过气液分离器除去混合气体内的水和泡沫，得到纯度较高的二氧化碳气体。
根据本发明的实施例，二氧化碳捕集单元中得到的二氧化碳气体温度较低，可以利用节能脱酸装置采用气化气中回收的热量对二氧化碳气体加热至300℃，由此可以显著提高后续制备碳材料的效率。
S1000：制备碳材料
该步骤中，将预热后的二氧化碳气体供给至碳材料合成装置中制备碳材料。具体地，可以按照下列步骤制备碳材料：将金属(镁、铝、钙、钾)或金属氧化物(氢化镁、氢化钙、氢化钾、氢化铝、氢化钡、氢化钛、氢化钠)中的至少之一置于碳材料合成装置1000中，在保护气(氩气、氮气、氦气中的至少之一)气氛下，以5～15/min的升温速率升温至100～600℃，再通过风机将100～600℃的高浓度二氧化碳气体通入碳材料合成装置中至气体压力为1～15MPa，二氧化碳气体与保护气气流量比为1:3-6:1，反应5s～60min后关闭二氧化碳气流，在保护气气氛中冷却至室温，得到黑色粉末。将得到的黑色粉末与浓度为2～10mol/L的酸溶液反应5～48h，然后用去离子水充分洗涤至中性，烘干，即得到碳材料。
参考图4和图5，根据本发明实施例的处理生活垃圾的方法进一步包括：
S1100：发电
该步骤中，将S200中产生的高温热解油气供给至发电单元中进行燃烧发电，以便得到水蒸气和燃烧尾气，并将水蒸气供给至S400中的气化装置，将燃烧尾气供给至S900中的二氧化碳捕集单元。具体地，有机垃圾热解得到的高温热解油气可以不经过气液分离处理，直接供给至发电单元的余热锅炉，高温热解油气在余热锅炉内与水换热产生过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮机驱动发电机进行发电，产生的电能并入电网；经过换热后的水蒸气可以作为气化剂进入S400中的气化装置用于将热解炭颗粒转化为气化气，而发电单元产生的燃烧尾气进入二氧化碳捕集单元进行二氧化碳捕集，得到的二氧化碳气体进一步用于制备碳材料。
由此，根据本发明实施例的处理生活垃圾的方法通过将生活垃圾预处理除去其中的无机物，并将有机垃圾供给至热解装置进行热解处理，以便得到高温热解油气、热解炭和热解尾气；其中，热解炭经破碎后可以供给至气化装置进行气化处理，得到气化气；进而通过节能脱酸装置，对得到的气化气进行换热和脱酸处理，经降温脱酸后的气化气进一步在气化气净化单元进行净化处理，进而，通过气化气转化装置将气化气中的甲烷和少量多碳烃类化合物转化为适于合成甲醇的以一氧化碳和氢气为主要成分的转化气，以便进一步用于在甲醇合成单元中制备甲醇；同时，有机垃圾热解产生的热解尾气进入二氧化碳捕集单元，捕集得到的二氧化碳气体进入节能脱酸装置与气化装置产生的气化气进行换热，经预热的二氧化碳气体进入碳材料合成装置用于制备碳材料；有机垃圾热解产生的高温热解油气可以不经气液分离直接进入发电单元用于发电，发电单元中产生的水蒸气可以作为气化剂通入气化装置对热解炭进行气化处理，发电单元中产生的燃烧尾气进入二氧化碳捕集单元，得到二氧化碳气体用于制备碳材料；另外，气化气转化装置中制备得到的转化气可以作为燃料气供给至热解装置和发电单元，从而进一步降低处理生活垃圾的能耗。由此，根据本发明的实施例，该方法通过将生活垃圾热解得到的热解炭气化得到气化煤气，从而实现了对低热值热解炭的资源化利用，并以气化煤气为原料制备得到高附加值的甲醇，且过程中产生的尾气可以用于制备碳材料，该方法可以实现生活垃圾的资源化处理，且资源利用较高，特别适用于技术推广和规模化生产。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例
待处理生活垃圾成分组成如表1：
表1生活垃圾成分组成(wt％)
名称 织物 塑料 纸 木竹 厨余 渣土 玻璃、金属 总计
湿基 8.71 18.02 13.65 6.78 15.12 17.67 20.05 100
生活垃圾依次通过破袋、滚筛以及分选处理除去生活垃圾中的金属、玻璃、砖块等无机物，进而将生活垃圾进行破碎粒径不高于20mm，以便得到有机垃圾；
将有机垃圾均匀布入旋转床热解炉，布料厚度100mm，在旋转床热解炉内，干燥区温度为350℃，热解区温度为800～900℃，热解时间1h，以便得到热解炭、高温热解油气和热解尾气；
将热解得到的热解炭破碎为粒径不高于10mm的热解炭颗粒，进而将热解炭颗粒和水蒸气供给至气化装置，在1000℃下进行气化处理，以便得到气化气和气化残渣；
将气化气供给至节能脱酸装置中进行换热和脱酸处理，以便得到降温脱酸后气化气；
将降温脱酸后气化气供给至气化气净化单元中进行净化处理，以便得到净化气化气；
将净化气化气供给至气化气转化装置中进行转化处理，以便得到转化气；
将转化气的一部分供给至甲醇合成单元，以便得到甲醇；
将热解处理中产生的高温热解油气供给至发电单元进行燃烧发电，以便得到水蒸气和燃烧尾气；
其中，水蒸气可以作为气化剂用于将热解炭颗粒转化为气化气，炭转化率可达97％以上，得到的气化气热值可达2679Kcal/Nm3，气化气的成分如表3所示：
表3气化气组成、密度及热值
进而采用气化气经转化处理后得到转化气，并采用转化气作为原料制备甲醇，反应压力6.2MPa，反应温度280℃，转化气流量5000m3/h，可制得甲醇2.3t/h甲醇经过精馏后纯度可达99％。
将热解处理中产生的热解尾气和发电单元中产生的燃烧尾气供给至二氧化碳捕集单元中，以便得到二氧化碳气体，并将二氧化碳气体供给至节能脱酸装置进行换热处理，以便得到预热后的二氧化碳；采用二氧化碳不急单元回收二氧化碳气体，二氧化碳的回收率可达90％以上，回收得到的二氧化碳气体纯度可达98％以上，可以达到制备碳材料的要求。
其中，热解尾气和燃烧尾气的成分如表2所示：
表2热解尾气和燃烧尾气的成分
进一步地，将预热后的二氧化碳气体供给至碳材料合成装置中制备碳材料。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种处理生活垃圾的系统，其特征在于，包括：
预处理单元，所述预处理单元具有生活垃圾入口、有机垃圾出口和无机垃圾出口；
热解装置，所述热解装置具有有机垃圾入口、高温热解油气出口、热解炭出口和热解尾气出口，所述有机垃圾入口与所述有机垃圾出口相连；
破碎装置，所述破碎装置具有热解炭入口和热解炭颗粒出口，所述热解炭入口与所述热解炭出口相连；
气化装置，所述气化装置具有热解炭颗粒入口、水蒸气入口、气化气出口和气化残渣出口，所述热解炭颗粒入口与所述热解炭颗粒出口相连；
节能脱酸装置，所述节能脱酸装置具有气化气入口和降温脱酸后气化气出口，所述气化气入口与所述气化气出口相连；
气化气净化单元，所述气化气净化单元具有降温脱酸后气化气入口和净化气化气出口，所述降温脱酸后气化气入口与所述降温脱酸后气化气出口相连；
气化气转化装置，所述气化气转化装置具有净化气化气入口和转化气出口，所述净化气化气入口与所述净化气化气出口相连；
甲醇合成单元，所述甲醇合成单元具有转化气入口和甲醇出口，所述转化气入口与所述转化气出口相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：
二氧化碳捕集单元，所述二氧化碳捕集单元具有尾气入口和二氧化碳气体出口，所述尾气入口与所述热解尾气出口相连，所述二氧化碳气体出口与所述节能脱酸装置相连；
碳材料合成装置，所述碳材料合成装置与所述节能脱酸装置相连。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，进一步包括：
发电单元，所述发电单元具有高温热解油气入口、水蒸气出口和燃烧尾气出口，所述高温热解油气入口与所述高温热解油气出口相连，所述水蒸气出口与所述水蒸气入口相连，所述燃烧尾气出口与所述尾气入口相连。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述转化气出口与所述发电单元和热解装置中的至少之一相连。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的系统，其特征在于，所述预处理单元包括依次相连的破袋机构、滚筛机构、分选机构和破碎机构。
6.一种采用权利要求1～5中任一项所述的系统处理生活垃圾的方法，其特征在于，包括：
(1)将生活垃圾供给至所述预处理单元中进行预处理，以便得到有机垃圾和无机垃圾；
(2)将所述有机垃圾供给至所述热解装置中进行热解处理，以便得到高温热解油气、热解炭和热解尾气；
(3)将所述热解炭供给至所述破碎装置中进行破碎处理，以便得到热解炭颗粒；
(4)将所述热解炭颗粒和水蒸气供给至所述气化装置中进行气化处理，以便得到气化气和气化残渣；
(5)将所述气化气供给至所述节能脱酸装置中进行换热和脱酸处理，以便得到降温脱酸后气化气；
(6)将所述降温脱酸后气化气供给至所述气化气净化单元中进行净化处理，以便得到净化气化气；
(7)将所述净化气化气供给至所述气化气转化装置中进行转化处理，以便得到转化气；
(8)将所述转化气的一部分供给至所述甲醇合成单元，以便得到甲醇。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括：
(9)将所述热解尾气供给至所述二氧化碳捕集单元中，以便得到二氧化碳气体，并将所述二氧化碳气体供给至步骤(5)中的所述节能脱酸装置中进行换热处理，以便得到预热后的二氧化碳气体；
(10)将所述预热后的二氧化碳气体供给至所述碳材料合成装置中制备碳材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括：
(11)将所述高温热解油气供给至发电单元中进行燃烧发电，以便得到水蒸气和燃烧尾气，并将所述水蒸气供给至步骤(4)中的气化装置，将所述燃烧尾气供给至步骤(9)中的所述二氧化碳捕集单元。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括：
(12)将所述转化气的另一部分供给至步骤(11)中的所述发电单元和步骤(2)中的所述热解装置中的至少之一作为燃料使用。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107944074A (zh) * 2017-10-19 2018-04-20 天津大学 一种垃圾焚烧炉床层燃烧的计算方法
CN112845504A (zh) * 2020-12-24 2021-05-28 南京绿帝环保能源科技有限公司 生活垃圾资源化利用处理工艺

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