CN109456800A - 一种基于双床热解的生活垃圾梯级利用系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双床热解的生活垃圾梯级利用系统及方法，包括用于将垃圾焦炭充分氧化燃烧，产生蒸汽以供热或发电的循环流化床燃烧系统；用于将干燥后的生活垃圾转化为焦炭及合成气的固定床垃圾热解系统；用于将合成气冷却净化，分离出焦油等杂质并得到可燃气的合成气处理系统。本发明将垃圾焦炭替代煤粉燃烧，减少耗煤的同时高效处置生活垃圾，并且通过耦合燃烧和热解两过程生产了焦油、可燃气及热电产品，并可基于市场需求调控热解温度，得到不同的产物分配，实现了垃圾的梯级利用。
Description
技术领域
本发明属于固废处置领域，特别涉及一种基于双床热解的生活垃圾梯级利用系统及方法。
背景技术
随着城市化进程的加快，“垃圾围城”的问题日趋突出，如何实现垃圾的资源化无害化处置成为亟待解决的问题。目前应用最广泛的处置方法是垃圾焚烧发电，但现阶段其处理量仍然无法满足需求。新建符合标准的垃圾焚烧发电厂需要耗费巨量资金且面临着“邻避效应”等问题，同时垃圾焚烧过程产生的二噁英等有害物质，对环境造成不可避免的二次污染。
垃圾的热解气化技术是另一种热处理方式，其原理是利用垃圾中有机物的热不稳定性，在无氧或者缺氧条件下加热，使之在高温条件下分解，形成可燃气，液态焦油，固体可燃焦炭。热解法相比焚烧法更利于能源的高效再利用，且对环境更友好。热解过程是在还原性气氛下进行的，烟气排放量小，粉尘夹带少，且还原性气氛下SOx、NOx和HCl的生成也会受到一定限制，同时较低的空气当量比抑制二噁英的生成。
另一方面，随着政府对环境问题的愈发重视，燃烧电厂正在逐渐被淘汰，利用燃烧电厂的锅炉及其成熟的烟气处理系统来处置垃圾具有广阔的应用前景。然而生活垃圾水分高，热值低，几何尺寸大，其物性参数与煤粉差异过大，无法直接应用于燃烧系统。而垃圾焦炭机械强度较小，经过破碎其物性参数更接近于煤，易于替代煤粉。
因此，有必要设计一种垃圾燃烧耦合垃圾热解气化的系统及方法，将垃圾转化为可燃焦炭、液态焦油及可燃气，再将焦炭燃烧得到热电产品，实现垃圾的梯级利用。
发明内容
本发明的目的是实现生活垃圾的高效稳定热解，并将热解后的垃圾焦炭送入燃烧锅炉替代煤粉燃烧生产蒸汽，达到对垃圾资源梯级利用。
为此，本发明的第一个技术方案是：一种基于双床热解的生活垃圾梯级利用系统，其特征在于：包括
用于将垃圾焦炭充分氧化燃烧，产生蒸汽以供热或发电的循环流化床燃烧系统；
用于将干燥后的生活垃圾转化为焦炭及合成气的固定床垃圾热解系统；
用于将合成气冷却净化，分离出焦油等杂质并得到可燃气的合成气处理系统；
所述循环流化床燃煤系统包括流化床燃烧炉、燃烧炉出口旋风分离器和回料腿，流化床燃烧炉顶部的出口与燃烧炉出口旋风分离器连接相通；流化床燃烧炉右侧下方与回料腿相连接，流化床燃烧炉底部设有下渣口；
所述的固定床垃圾热解系统包括固定床热解炉和热解炉出口旋风分离器，固定床热解炉左侧上方与燃烧炉出口旋风分离器相连接，左侧下方通过回料腿连接流化床燃烧炉；所述固定床热解炉顶部与热解炉出口旋风分离器连接相通，热解炉底部设有气化剂入口；所述热解炉出口旋风分离器通过流量控制阀门分为两路，一路连接热解炉底部的气化剂入口，另一路连接合成气处理系统。
优选地，所述固定床垃圾热解系统还包括焦炭破碎机及螺旋给料机，固定床热解炉右侧上方设有垃圾给料口，与螺旋给料机相连；所述固定床热解炉左侧下方设有焦炭出料口，与焦炭破碎机相连，焦炭破碎机与回料腿相连接。
优选地，所述合成气处理系统包括电子除油器、CO2吸附塔、脱水塔及换热器，电子除油器下方设有焦油出口，上方连接换热器；所述换热器外接风机，且与流化床燃烧炉底部的下渣口相连通；所述换热器依次连接CO2吸附塔及脱水塔。
优选地，所述合成气处理系统中，空气从风机获得动力，并在换热器处，与从电子除油器排出的合成气进行热交换，升温后作为流化气通入流化床燃烧炉。
本发明的第二个技术方案是：一种基于双床热解的生活垃圾梯级利用方法，包括以下步骤：
1)干燥破碎后的生活垃圾通过螺旋给料机从固定床热解炉右侧上方进料后，与携热床料在固定床热解炉底部进行混合传热，发生脱挥发分反应及热解还原反应；热解产生的垃圾焦炭排入破碎机，破碎后经过回料腿进入流化床燃烧炉；热解产生的以CO2、CO、H2、H2O及CH4为主的粗合成气则进入热解炉旋风分离器，分离出灰渣后进入合成气处理系统，热解炉出口的合成气温度约为500℃～700℃；
2)从回料腿进入流化床燃烧炉内的垃圾焦炭，在流化气的氧化作用下发生燃烧反应，固定碳被转化，产生的热量用来生产蒸汽用以供热或发电；燃烧产生的炉渣从流化床燃烧炉下渣口排出，产生的烟气夹带着携热床料进入燃烧炉出口旋风分离器，在离心力的作用下气固分离，携热床料颗粒经过返料器落入固定床热解炉，烟气则进入烟气处理系统；流化床燃烧炉出口烟气温度达到890℃；
3)从热解炉出口旋风分离器出来的粗合成气通过流量控制阀门分配调控后，部分返回固定床热解炉用于提供热解气氛，同时促使新产生的合成气排出热解炉，另一部分通入电子除油器；
4)合成气在电子除油器去除焦油，再经过换热器，与从风机鼓出的空气进行换热；其次经过CO2吸附塔，合成气所含的大部分CO2被吸附；最后在脱水塔去除水分得到热值较高的可燃气。
优选地，所述步骤1)中落入固定床热解炉的携热床料温度达到850℃。
优选地，所述步骤2)中的生活垃圾经过破碎干燥等预处理后，送入固定床热解炉的垃圾原料含水率小于20％。
优选地，所述步骤4)中从电子除油器分离得到的垃圾焦油，是一种含烃类、酸类、酚类的有机化合物。
相比现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)本发明充分利用了现有的燃烧电厂锅炉及其烟气处理设备，以此为基础只需耦合普通的固定床热解炉，减少了大量的资金投入。
(2)本发明将垃圾焦炭替代煤粉燃烧，减少耗煤的同时高效处置生活垃圾，并且通过耦合燃烧和热解两过程生产了焦油、可燃气及热电产品，并可基于市场需求调控热解温度，得到不同的产物分配，实现了垃圾的梯级利用。
(3)本发明循环流化床燃烧和固定床热解过程的双床设计，以床料为热载体,在两炉膛之间循环，解决了固定床热解气化吸热反应的热源输入问题以及单床热解焦炭的再利用问题，同时通过控制床料循环量,达到了准确控制热解炉内温度的目的，保证了系统的持续稳定运行。
(4)本发明将垃圾在还原性条件下进行热解气化，烟气排放量小，粉尘夹带少，且还原性气氛下SOx、NOx和HCl的生成也会受到一定限制，同时较低的空气当量比抑制二噁英的生成，大幅减少了垃圾直接焚烧带来的二次环境污染。
附图说明
以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图中标记为：1.循环流化床燃烧炉、2.固定床热解炉、3.燃烧炉出口旋风分离器、4.回料腿、5.焦炭破碎机、6.热解炉出口旋风分离器、7.电子除油器、8.CO2吸附塔、9.脱水塔、10.换热器、11.流量控制阀门、12.送风机、13.返料器、14.螺旋给料机、a.生活垃圾、b.流化气、c.垃圾焦炭、d.可燃气、e.焦油、f.蒸汽、g.烟气、h.气化剂、i.流化床炉渣、j.灰渣。
具体实施方式
参见附图。本实施例包括循环流化床燃烧系统、固定床垃圾热解系统及合成气处理系统。其中，燃烧系统设计基于功率135MW的HG-480/13.7L.MG31型循环流化床锅炉，热解系统设计基于固定床实验数据。
所述的循环流化床燃烧系统包括：流化床燃烧炉1、燃烧炉出口旋风分离器3及回料腿4。在流化床燃烧炉1的炉膛右壁面下部与回料腿4连接。流化床燃烧炉1底部设有下渣口，流化气b通过下渣口正上方的布风板从底部通入炉膛。流化床燃烧炉顶部的出口与燃烧炉出口旋风分离器3连接相通。
所述的固定床垃圾热解系统包括：固定床热解炉2、热解炉出口旋风分离器6、焦炭破碎机5及螺旋给料机14。在固定床热解炉的炉膛右壁面上部设有垃圾给料口，与螺旋给料机14连接；炉膛左壁面上部与燃烧炉出口旋风分离器3连接，左壁面下部的焦炭出料口与焦炭破碎机5连接。热解炉底部设有气化剂h入口，炉膛顶部的出口与热解炉出口旋风分离器6连接相通。
干燥后的垃圾从螺旋给料机14给料进入固定床热解炉2,从热解炉出料的垃圾焦炭经过焦炭破碎机5后，粒径变小，机械强度降低，物性参数更适合燃煤锅炉；经破碎后送入流化床燃烧炉1的垃圾焦炭粒径小于30mm。
所述的合成气处理系统包括：电子除油器7、CO2吸附塔8、脱水塔9及换热器10。热解炉合成气经热解炉出口旋风分离器气固分离后，依次通过电子除油器7，换热器10、CO2吸附塔8及脱水塔9，得到纯度较高的可燃气。空气从风机获得动力，并在换热器10处，与从电子除油器7排出的合成气进行热交换，升温后作为流化气通入流化床燃烧炉1。
具体操作包括以下步骤：
步骤1)：空气通过流化床燃烧炉1底部的布风板通入流化床，同时炉膛内覆有粒径≤1mm的床料砂。经助燃油点火后助燃煤在流化气b的氧化作用下发生燃烧反应，燃烧产生的烟气g夹带着携热床料进入燃烧炉出口旋风分离器3，在离心力的作用下气固分离，携热床料颗粒经过返料器13落入固定床热解炉2，烟气g则进入烟气处理系统。
步骤2)：流化床燃烧炉1设计床温为890℃，实际运行床温维持在800℃～920℃左右，炉膛出口烟气温度设计温度达到890℃。燃烧炉出口旋风分离器3采用保温、耐火及耐磨的材料，以减小热损，使落入固定床热解炉2的携热床料颗粒温度达到850℃左右。增加床料量，提高物料的循环量，可降低床温。增大排渣量，床压下降，物料量减少，可使床温升高。
步骤3)：预处理后(原生垃圾筛分磁选后破碎)的生活垃圾a通过螺旋给料机14从固定床热解炉2右壁面上方的给料口进入固定床热解炉2。气化剂h从固定床热解炉2底部通入，生活垃圾a与携热床料在固定床热解炉2内混合传热，并发生脱挥发分反应及热解还原反应。送入固定床热解炉2的垃圾原料含水率小于20％。
步骤4)：热解产生的垃圾焦炭c排入焦炭破碎机5，破碎后经过回料腿4进入流化床燃烧炉1充分燃烧。经破碎后送入流化床的垃圾焦炭c粒径小于30mm。热解产生的以CO2、CO、H2、H2O及CH4为主的粗合成气则进入热解炉旋风分离器6，分离出灰渣j后进入合成气处理系统。
步骤5)：从热解炉旋风分离器6出来的粗合成气通过流量控制阀门11分配调控后，一部分返回固定床热解炉2作为气化剂h用于提供热解气氛，同时促使新产生的合成气排出固定床热解炉2，另一部分经过电子除油器7去除焦油e。电子除油器7分离得到的焦油e，是一种含烃类、酸类、酚类较高的有机化合物，加工后可获得杂酚油、抗聚剂、浮选起泡剂，木沥青等产品，也可用于医药、合成橡胶和冶金等部门。
步骤6)：去除焦油e后的合成气再经过换热器10，与从风机12鼓出的空气进行换热，其次经过CO2吸附塔8，合成气所含的大部分CO2被吸附，最后在脱水塔9去除水分得到热值较高的可燃气d。从风机12鼓出的空气经换热器10升温至约200℃，作为流化气b通入流化床燃烧炉1。
步骤7)：通过控制落入固定床热解炉2的床料量与生活垃圾a的给料量比例来调控固定床热解炉2的温度，使固定床热解炉2的床温及出口合成气温度控制在500℃～700℃。表1基于实验数据，对不同温度下垃圾热解气化的产物特性进行分析，可为热解炉床温控制提供参考。
表1不同热解温度条件下的产物分布及特性
Claims (8)
1.一种基于双床热解的生活垃圾梯级利用系统，其特征在于：包括
用于将垃圾焦炭充分氧化燃烧，产生蒸汽以供热或发电的循环流化床燃烧系统；
用于将干燥后的生活垃圾转化为焦炭及合成气的固定床垃圾热解系统；
用于将合成气冷却净化，分离出焦油等杂质并得到可燃气的合成气处理系统；
所述循环流化床燃煤系统包括流化床燃烧炉、燃烧炉出口旋风分离器和回料腿，流化床燃烧炉顶部的出口与燃烧炉出口旋风分离器连接相通；流化床燃烧炉右侧下方与回料腿相连接，流化床燃烧炉底部设有下渣口；
所述的固定床垃圾热解系统包括固定床热解炉和热解炉出口旋风分离器，固定床热解炉左侧上方与燃烧炉出口旋风分离器相连接，左侧下方通过回料腿连接流化床燃烧炉；所述固定床热解炉顶部与热解炉出口旋风分离器连接相通，热解炉底部设有气化剂入口；所述热解炉出口旋风分离器通过流量控制阀门分为两路，一路连接热解炉底部的气化剂入口，另一路连接合成气处理系统。
2.如权利要求1所述的生活垃圾梯级利用系统，其特征在于：所述固定床垃圾热解系统还包括焦炭破碎机及螺旋给料机，固定床热解炉右侧上方设有垃圾给料口，与螺旋给料机相连；所述固定床热解炉左侧下方设有焦炭出料口，与焦炭破碎机相连，焦炭破碎机与回料腿相连接。
3.如权利要求1所述的生活垃圾梯级利用系统，其特征在于：所述合成气处理系统包括电子除油器、CO2吸附塔、脱水塔及换热器，电子除油器下方设有焦油出口，上方连接换热器；所述换热器外接风机，且与流化床燃烧炉底部的下渣口相连通；所述换热器依次连接CO2吸附塔及脱水塔。
4.如权利要求3所述的生活垃圾梯级利用系统，其特征在于：所述合成气处理系统中，空气从风机获得动力，并在换热器处，与从电子除油器排出的合成气进行热交换，升温后作为流化气通入流化床燃烧炉。
5.一种权利要求1所述生活垃圾梯级利用系统的利用方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)干燥破碎后的生活垃圾通过螺旋给料机从固定床热解炉右侧上方进料后，与携热床料在固定床热解炉底部进行混合传热，发生脱挥发分反应及热解还原反应；热解产生的垃圾焦炭排入破碎机，破碎后经过回料腿进入流化床燃烧炉；热解产生的以CO2、CO、H2、H2O及CH4为主的粗合成气则进入热解炉旋风分离器，分离出灰渣后进入合成气处理系统，热解炉出口的合成气温度约为500℃～700℃；
2)从回料腿进入流化床燃烧炉内的垃圾焦炭，在流化气的氧化作用下发生燃烧反应，固定碳被转化，产生的热量用来生产蒸汽用以供热或发电；燃烧产生的炉渣从流化床燃烧炉下渣口排出，产生的烟气夹带着携热床料进入燃烧炉出口旋风分离器，在离心力的作用下气固分离，携热床料颗粒经过返料器落入固定床热解炉，烟气则进入烟气处理系统；流化床燃烧炉出口烟气温度达到890℃；
3)从热解炉出口旋风分离器出来的粗合成气通过流量控制阀门分配调控后，部分返回固定床热解炉用于提供热解气氛，同时促使新产生的合成气排出热解炉，另一部分通入电子除油器；
4)合成气在电子除油器去除焦油，再经过换热器，与从风机鼓出的空气进行换热；其次经过CO2吸附塔，合成气所含的大部分CO2被吸附；最后在脱水塔去除水分得到热值较高的可燃气。
6.如权利要求5所述的利用方法，其特征在于：所述步骤1)中落入固定床热解炉的携热床料温度达到850℃。
7.如权利要求5所述的利用方法，其特征在于：所述步骤2)中的生活垃圾经过破碎干燥等预处理后，送入固定床热解炉的垃圾原料含水率小于20％。
8.如权利要求5所述的利用方法，其特征在于：所述步骤4)中从电子除油器分离得到的垃圾焦油，是一种含烃类、酸类、酚类的有机化合物。
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