CN110669534A

CN110669534A - 一种工业废渣与有机废弃物协同处置生产高值燃气的工艺方法

Info

Publication number: CN110669534A
Application number: CN201910874984.9A
Authority: CN
Inventors: 刘鹏; 王月; 刘莉; 周政忠; 郑涛; 袁浩然; 吴琦刚
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2020-01-10

Abstract

本发明属于固体废弃物处置技术领域，具体涉及一种工业废渣与有机废弃物协同处置生产高值燃气的工艺方法，包括：（1）将工业废渣和有机废弃物在螺旋预混系统中混合均匀；（2）混合料加入到热解反应器中进行热解反应，得到热解混合气和热解残渣；（3）将得到的热解混合气和热解残渣输送至除尘系统，所述热解混合气与所述热解残渣形成交叉错流进行除尘，重焦油进行二次裂解反应生成裂解气，与热解气混合形成高值燃气。本发明利用廉价的工业废渣作为传热载体与活化剂，与有机废弃物进行协同热解，生产的高值燃气的热值高达22.53MJ/Nm³，实现有机废弃物的能源化与工业废渣的无害化、资源化利用。

Description

一种工业废渣与有机废弃物协同处置生产高值燃气的工艺方法

技术领域

本发明属于固体废弃物处置技术领域，具体涉及一种工业废渣与有机废弃物协同处置生产高值燃气的工艺方法。

背景技术

生物质能作为唯一含碳资源的绿色再生能源，分布广泛，来源充足，将是理想的能源选择去解决日益突出的能源问题和环境问题，实现能源供给的多元化，同时可以获得高附加值化学品。农林废物是一类重要的生物质资源，传统燃烧产生的固体颗粒物造成严重的污染影响了我国农业绿色发展，其绿色转化利用是可再生能源领域的研究热点之一。农林废物热解气化可以得到合成气、焦油和残渣，合成气中的氢气是气化过程中产生的重要化工原料，可以用于合成燃料油、化学品，也可以作为清洁的能源载体，应用于燃料进行燃烧发电或燃料电池。然而，在生物质热解过程中，由于生物质焦油的存在，其本身的化学毒性不仅对人体造成毒害作用，其中化学组分对设备易造成腐蚀，且与炭灰混合在一起，容易造成管道堵塞，严重影响到热解系统的长期稳定运行。

通常，研究者采用半焦或氧化铝陶瓷作为颗粒床除尘的介质，虽然对焦油脱除及除尘，效率良好，然而其孔径与比表面能相对较低，仅能脱除部分轻质焦油与微尘，对颗粒大的物质脱除效果不佳，属于表面吸附或粘附作用，除尘介质有待进一步开发。

工业废渣，一般的处理方式是直接填埋，但是其中含有重金属等污染组分，有一定的碱性，掩埋后往往会对土壤形成二次污染，因此有必要开发一种工业废渣与有机废弃物协同处置的工艺方法。

鉴于此，提出本发明。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种工业废渣与有机废弃物协同处置生产高值燃气的工艺方法。利用廉价的工业废渣作为传热载体与活化剂，降低热解系统中的焦油产率，提高能源气体产量，在生物炭形成过程中，通过热解系列反应，改善生物炭物理化学微结构，应用于焦油的脱除与除尘，同时做到改性生物炭的循环利用，使工业废渣中的污染组分在热解过程中得到固定，碱性降低，实现有机废弃物的能源化与工业废渣的无害化、资源化利用。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种工业废渣与有机废弃物协同处置生产高值燃气的工艺方法，包括如下步骤：

（1）将工业废渣和有机废弃物置入螺旋预混系统进行混合均匀，得到混合料；

（2）将步骤（1）中混合料加入到热解反应器中进行热解反应，得到热解混合气和热解残渣；

（3）将步骤（2）得到的热解混合气和热解残渣输送至除尘系统，所述热解混合气与所述热解残渣形成交叉错流进行除尘，并进行二次裂解反应，形成高值燃气。

优选地，步骤（1）中的工业废渣需加热至500-600℃进行活化后再置入螺旋预混系统。

优选地，步骤（1）中所述工业废渣和有机废弃物按质量比0.5-2：1进行混合。

优选地，所述工业废渣为炼铝废渣、炼钢废渣、炼铜废渣、有色金属炼制厂排放的工业污泥和失效的催化剂中的一种或多种；所述有机废弃物为农林废弃物或/和生活垃圾中的有机组分、果壳果核或/和装修垃圾中的木质废弃物。

优选地，步骤（2）中所述热解反应为在600-800℃下反应30-60min。

优选地，步骤（2）和（3）中所述热解混合气包括气态重焦油和热解气；步骤（3）中所述二次裂解反应为重焦油的二次裂解反应，产生的裂解气与所述热解气混合形成高值燃气。

优选地，步骤（2）和（3）中所述热解残渣包括钙、铝、钾、钠、硅等活性组分，其可以作为催化重焦油的二次裂解反应的催化剂。

优选地，步骤（3）中进行除尘后的热解残渣可以经过热提升系统后重新返回至螺旋预混系统，并重复步骤（2）和（3）进行回收利用。

工业废渣热解产生的热解废渣中富含钙、铝、钾、钠、硅等活性元素，对生物质的裂解反应和重焦油的二次裂解反应具有催化作用，将这些工业废渣作为活化剂，在热解过程中，与有机废弃物中有机组分形成共融物，这些重金属在热解产生的生物炭中得以固定，碱性降低，可以实现其无害化、资源化应用。同时，利用工业废渣在热解源头改善生物炭的表面特性，提高其吸附性能，且工业废渣与生物炭结合，其中碱金属元素在生物炭中具有一定的活性，对生物质热解、焦油二次裂解都有一定的催化作用。

本发明的有益效果：

（1）本发明中工业废渣与有机废弃物协同处置过程中，工业废渣中的重金属污染组分得到有效抑制，有机废弃物的能源利用率提高，解决了有机废弃物随意堆置浪费资源的问题，也解决了工业废渣填埋带来二次污染的问题，使其无害化利用。

（2）在热解源头，加入工业废渣作为活化剂，不仅可以降低生物炭活化过程中能耗与成本，且使生物炭比表面积增大了50-100%，平均孔径增加了50%以上，得到的生物炭应用于除尘系统，对重焦油、粉尘的吸附作用有较好的改善，提升了重焦油的二次裂解效率和焦油的轻质化效率，使得到的燃气热值提高。

（3）生物炭吸附重焦油后通过热提升系统重新回收进入热解系统继续与有机废弃物共热解，生物炭的催化作用与重焦油的协同热解作用均有利于在热解源头提高轻质焦油产率；另外，通过热提升系统的回收生物炭，其热量可用于有机废弃物的干燥，提高能量利用率，节约能源。

（4）本发明可以有效提高燃气热值与轻质焦油产率，热解过程中的物质与能量得到有效的循环利用。

附图说明

图1为本发明中工业废渣与有机废弃物协同处置生产高值燃气的工艺流程图；

图中，1-有机废弃物；2-螺旋预混系统；3-热解反应器；4-热解混合气；5-热解残渣；6-除尘系统；7-高值燃气；8-二次残渣；9-热提升系统；10-工业废渣；11-旋转降粘系统。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，将工业废渣10在加热炉中加热至500-600℃进行活化，所述工业废渣10为氧化铝生产铝的过程中产生的炼铝废渣，其主要组成如表1所示。将所述工业废渣10和有机废弃物1（所述有机废弃物1为松木屑，松木屑属于一种农林废弃物）输送至螺旋预混系统2，通过所述螺旋预混系统2，将松木屑与炼铝废渣以质量比1：1混合均匀，然后加入到热解反应器3中。在所述热解反应器3中，加热至800℃，进行热解反应30min，得到热解混合气4与热解残渣5，所述热解混合气4包括气态重焦油和热解气，所述热解混合气4直接进入除尘系统6，与从除尘系统6的上部输送进来的热解残渣5形成交叉错流，进行错流除尘，相对于现有技术中的纯半焦颗粒除尘，其具有比表面积大，孔道发达的特点，除尘效果优良。热解产生的重焦油通过吸附作用被热解残渣中的生物炭吸附或粘附，在炼铝废渣和生物炭中活性组分作用下进行二次裂解反应，得到裂解气，并与所述热解气混合，最终得到高值燃气。另外，所述热解残渣5作为高温颗粒除尘介质流入所述除尘系统6的底部，作为二次残渣8通过旋转降粘系统11经过热提升系统9进行预热，然后回收至所述螺旋预混系统2，与松木屑混合，既作为热载体对松木屑干燥处理，又可以重新作为催化剂输送至所述热解反应器3中催化热解反应。

本实施例热解过程中，所述热解气4的产率为46%，氢气产量达到0.12 m³/kg，所述热解残渣5的产率为22%，生物炭的比表面积达到260m²/g，平均孔径达4.5nm。

表1

组分	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	MgO	K<sub>2</sub>O	Na<sub>2</sub>O	SiO<sub>2</sub>	CaO	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
								含量	78.64	4.04	3.32	2.98	1.86	0.89	0.71

实施例2

如图1所示，将工业废渣10在加热炉中加热至500-600℃进行活化，所述工业废渣10为炼铜废渣。将炼铜废渣和有机废弃物1（所述有机废弃物1为花生壳和核桃壳以质量比为6：4的混合物）输送至螺旋预混系统2，通过所述螺旋预混系统2，将松木屑与炼铜废渣以质量比1：2混合均匀，然后加入到热解反应器3中。在所述热解反应器3中，加热至600℃，进行热解反应60min，得到热解混合气4与热解残渣5，所述热解混合气4包括气态重焦油和热解气，所述热解混合气4直接进入除尘系统6，与从除尘系统6的上部输送进来的热解残渣5形成交叉错流，进行错流除尘，相对于现有技术中的纯半焦颗粒除尘，其具有比表面积大，孔道发达的特点，除尘效果优良。热解产生的重焦油通过吸附作用被热解残渣中的生物炭吸附或粘附，在炼铜废渣和生物炭中活性组分作用下进行二次裂解反应，得到裂解气，并与所述热解气混合，最终得到高值燃气。另外，所述热解残渣5作为高温颗粒除尘介质流入所述除尘系统6的底部，作为二次残渣8通过旋转降粘系统11经过热提升系统9进行预热，然后回收至所述螺旋预混系统2，与花生壳和核桃壳混合，既作为热载体对花生壳和核桃壳干燥处理，又可以重新作为催化剂输送至所述热解反应器3中催化热解反应。

经过实验测试，本实施例热解过程中产生的热解气4的产率、氢气产量、所述热解残渣5的产率、生物炭的比表面积和平均孔径均与实施例1的结果相当。

对比例1

与实施例1基本相同，不同之处在于，不加入炼铝废渣，即仅利用松木屑进行热解反应，最终得到燃气。

实施例1和对比例1热解过程中所得产物的测试结果如表2所示：

表2

由表2可知，本发明中工业废渣与有机废弃物协同处置生产高值燃气的工艺方法得到的各产物的产率均比单纯的有机废弃物松木屑进行热解反应的产率高，其中氢气产量提高了34%，生物炭的比表面积提高了100%以上，平均孔径也增加了50%以上，燃气的热值提高了30%。

Claims

1.一种工业废渣与有机废弃物协同处置生产高值燃气的工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的工业废渣与有机废弃物协同处置生产高值燃气的工艺方法，其特征在于，步骤（1）中的工业废渣需加热至500-600℃进行活化后再置入螺旋预混系统。

3.根据权利要求1所述的工业废渣与有机废弃物协同处置生产高值燃气的工艺方法，其特征在于，步骤（1）中所述工业废渣和有机废弃物按质量比0.5-2：1进行混合。

4.根据权利要求1或3所述的工业废渣与有机废弃物协同处置生产高值燃气的工艺方法，其特征在于，所述工业废渣为炼铝废渣、炼钢废渣、炼铜废渣、有色金属炼制厂排放的工业污泥和失效的催化剂中的一种或多种；所述有机废弃物为农林废弃物、生活垃圾、果壳果核或/和装修垃圾中的木质废弃物。

5.根据权利要求1所述的工业废渣与有机废弃物协同处置生产高值燃气的工艺方法，其特征在于，步骤（2）中所述热解反应为在600-800℃下反应30-60min。

6.根据权利要求1所述的工业废渣与有机废弃物协同处置生产高值燃气的工艺方法，其特征在于，步骤（2）和（3）中所述热解混合气包括气态重焦油和热解气；步骤（3）中所述二次裂解反应为重焦油的二次裂解反应，产生的裂解气与所述热解气混合形成高值燃气。

7.根据权利要求1或6所述的工业废渣与有机废弃物协同处置生产高值燃气的工艺方法，其特征在于，所述热解残渣包括钙、铝、钾、钠、硅等活性组分，其可以作为催化重焦油的二次裂解反应的催化剂。

8.根据权利要求1所述的工业废渣与有机废弃物协同处置生产高值燃气的工艺方法，其特征在于，步骤（3）中进行除尘后的热解残渣可以经过热提升系统后重新返回至螺旋预混系统，并重复步骤（2）和（3）进行回收利用。