CN111019711A - 一种生活垃圾热裂解气化工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种生活垃圾热裂解气化工艺，包括以下步骤：S1将生活垃圾依次进行粗碎、磁选、筛分和细碎，得到粒径小于2cm的生活垃圾颗粒；S2将生活垃圾颗粒在干燥炉内进行烘干处理，使水分含量降至10～18％范围内；S3从沸腾炉进料口投入烘干处理后的生活垃圾颗粒，然后将沸腾炉温度升至热裂解温度，同时将烘干处理产生的水蒸气通入热交换器，与热裂解气体进行热交换后从沸腾炉底部通入；S4垃圾颗粒在沸腾炉内热裂解气化得到热裂解气体，热裂解气体通入热交换器，与水蒸气进行热交换和冷却后，得到燃气和焦油。本发明实现了能源的循环利用和生产，具有热裂解效率高，原料利用率高的优点。

Description

一种生活垃圾热裂解气化工艺
技术领域
本发明属于垃圾处理技术领域，尤其涉及一种生活垃圾热裂解气化工艺。
背景技术
随着垃圾处理技术的不断更新和发展，从一开始的填埋、焚烧，再到如今生物质利用及垃圾热解技术。垃圾热解是利用垃圾中有机物的热不稳定性，将含有有机可燃质的垃圾在无氧或缺氧条件下加热，使有机物产生裂解，经冷凝后形成可燃的低分子化合物：气态的氢气、甲烷、一氧化碳；液态的甲醇、丙醇、醋酸、乙醛等有机物及焦油、溶剂油等；固态的主要是焦炭和炭黑，从而提取燃料油、可燃气的过程。热解应用于工业生产已有很长的历史，如木材和煤的干馏、重油的裂解等。近几十年来，将热解的原理用于处理垃圾已日益为人们所注重，被认为是一种很有前途的垃圾处理方法，特别适用于废塑料、废橡胶、城市生活垃圾、农用垃圾等含有机物较多的垃圾处理。
热解法和焚烧法是两个完全不同的过程。焚烧是一个放热过程，而热解需要吸收大量热量。焚烧的主要产物是二氧化碳和水，而热解的主要产物是可燃的低分子化合物：气态的氢气、甲烷、一氧化碳，液态的甲醇、丙酮、醋酸、乙醛等有机物及焦油、溶剂油等。热解产率及质量取决于原料的化学成分和结构组成、物理形态和热解的温度与升温速度。
垃圾热裂解气化的技术难点在于：(1)垃圾是一种混合物，不同物质的热分解温度不同，热分解行为也不同，所以热分解操作条件的控制十分困难、有时甚至无法进行。(2)垃圾成分、水分经常变化，操作条件不稳定，因此往往实验室阶段很有成效，而一到工业阶段就变得很复杂，处理费用也大幅度增加。(3)如果混合物含水率过大，特别是我国现阶段的垃圾主要是厨房垃圾，水分很高，热分解的热量平衡就比较困难，热分解所能回收的燃料气不仅少，而且热值也低，因此热分解的经济性必须充分注意。(4)垃圾中有些塑料或橡胶热解将会产生一些有害气体，这给热分解在技术上带来更大困难。
因此热解法如果工艺设计不合理，通常会使得消耗的能量及制造的二次污染物远大于热裂解得到的燃料等能源，最终得不偿失。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种生活垃圾热裂解气化工艺，采用生活垃圾原料的燃烧热作为生活垃圾烘干和热裂解的热量来源，采用生活垃圾烘干处理时产生的的水蒸气，与热裂解气体进行热交换后作为气化剂，从沸腾炉底部高速喷入，将垃圾颗粒吹散的过程中，与其均匀接触，从而提高热裂解效率和质量，整个工艺实现了能源的循环利用和生产，具有热裂解效率高，原料利用率高的优点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种生活垃圾的热裂解气化工艺，包括以下步骤：
S1.将生活垃圾依次进行粗碎、磁选、筛分和细碎，得到粒径小于2cm的生活垃圾颗粒；
S2.将垃圾颗粒在干燥炉内进行烘干处理，使水分含量降至10～18％范围内；
S3.从沸腾炉进料口投入烘干处理后的生活垃圾颗粒，然后将沸腾炉温度升至热裂解温度，同时将烘干处理产生的水蒸气通入热交换器，与热裂解气体进行热交换后从沸腾炉底部通入；
S4.垃圾颗粒在沸腾炉内热裂解气化得到热裂解气体，热裂解气体从出气口排出并通入热交换器，与水蒸气进行热交换后，得到燃气和焦油。
进一步的，在步骤S3中，所述热裂解温度为800～1000℃。
进一步的，在步骤S2中，所述干燥炉的热量来源为生活垃圾的燃烧热。
进一步的，所述生活垃圾的热裂解气化工艺通过沸腾炉、热交换器、干燥炉、焦油收集瓶和燃气收集罐以及连接各装置的输送管道完成生活垃圾的热裂解气化；所述沸腾炉包括进料口、出气口、出料口和底部进气口；所述热交换器包括热端进口、热端出口、冷端进口和冷端出口；所述干燥炉包括进料口、出料口和出气口；所述沸腾炉的出气口通过输送管道与热交换器的热端进口相连，并通过热端出口依次与焦油收集瓶和燃气收集罐相连；所述干燥炉的出气口通过输送管道与热交换器的冷端进口相连，并通过冷端出口与沸腾炉底部的进气口相连，所述干燥炉出料口通过输送管道与沸腾炉的进料口相连。
进一步的，所述沸腾炉底部进气口安装有高速气流发生机，用于将水蒸气以200～400m/s的速度从沸腾炉底部喷入。
进一步的，所述干燥炉出口与沸腾炉进口之间设置有螺旋给料机，所述螺旋给料机将垃圾颗粒定时定量的投入沸腾炉中。
进一步的，所述沸腾炉出口与热交换器之间的输送管道、所述干燥炉出口与热交换器冷端进口之间的输送管道以及所述热交换器冷端出口与沸腾炉底部进口之间的输送管道，均用石棉进行保温。
进一步的，所述热交换器的热端出口依次与冷凝器、焦油收集瓶和燃气收集罐相连。
进一步的，所述焦油收集瓶与燃气收集罐之间设置有过滤器，所述过滤器中装有纤维球，用于过滤和吸附气流中的焦油和杂质。
有益效果
与现有技术相比，本发明提供的生活垃圾热裂解气化工艺具有如下有益效果：
(1)本发明采用生活垃圾原料的燃烧热作为生活垃圾烘干和热裂解的热量来源，采用生活垃圾烘干处理时产生的水蒸气，与热裂解气体进行热交换后作为气化剂，从沸腾炉底部高速喷入，整个工艺实现了能源的循环利用和生产，从而减少能源的浪费和二次污染物的产生，具有热裂解效率高，原料利用率高的优点。
(2)本发明采用快速加热的方式，向沸腾炉投入生活垃圾颗粒后，快速升温至830～910℃，在水蒸气的作用下，发生热裂解反应。在快速加热的条件下，有机物分子结构发生全面裂解，生成大范围的低分子有机物，而较快的加热方式使得挥发分在高温环境下的停留时间增加，促进了二次裂解的进行，使得焦油产率下降、气体产率增加。在较高的温度下热裂解可使挥发分大量、快速地析出，而且析出的是有利于燃烧的小分子碳氢气体。另外高温下热解，也可使燃烧后的固态残余物大大减少，降低对它的处理难度。
(3)本发明采用高速气流发生机将水蒸气以200～400m/s的高速喷入沸腾炉底部，能够将生活垃圾颗粒吹散，从而与其均匀接触，并能够促进垃圾颗粒的均匀受热，进而提高热裂解效率和质量。
(4)本发明通过在焦油收集瓶与燃气收集罐之间安装过滤器，过滤和吸附掉气流中的焦油和其他杂质，从而提高燃气的纯度。
附图说明
图1为本发明提供的生活垃圾热裂解气化工艺流程框图；
图2为实施例1提供的生活垃圾热裂解气化工艺采用的装置示意图；
图3为实施例2提供的生活垃圾热裂解气化工艺采用的装置示意图；
图中：1为沸腾炉，2为干燥炉，3为螺旋给料器，4为热交换器，5为焦油收集瓶，6为过滤器，7为燃气收集罐，8为高速气流发生机，9为冷凝器。
具体实施方式
以下将对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
请参阅图1和图2所示，本发明提供的一种生活垃圾的热裂解气化工艺，采用沸腾炉对生活垃圾颗粒进行高温热裂解气化，收集可燃气体；所述沸腾炉采用生活垃圾原料的燃烧作为热量的来源，所述沸腾炉采用与热裂解气体进行热交换后的水蒸气作为气化剂，所述水蒸气来源于生活垃圾颗粒烘干处理时产生的的水蒸气。从而形成一种循环热裂解系统，提高原料利用率。
所述生活垃圾的热裂解气化工艺通过沸腾炉1、热交换器4、干燥炉2、焦油收集瓶5和燃气收集罐7以及连接各装置的输送管道完成生活垃圾的热裂解气化；所述沸腾炉1包括进料口、出气口、出料口和底部进气口(图中未显示出来)；所述热交换器包括热端进口、热端出口、冷端进口和冷端出口(图中未显示出来)；所述干燥炉包括进料口、出料口和出气口(图中未显示出来)；所述沸腾炉1的出气口通过输送管道与热交换器4的热端进口相连，并通过热端出口依次与焦油收集瓶5和燃气收集罐7相连；所述干燥炉2的出气口通过输送管道与热交换器4的冷端进口相连，并通过冷端出口与沸腾炉底部的进气口相连，所述干燥炉出料口通过输送管道与沸腾炉1的进料口相连。
作为优选，所述沸腾炉底部进气口安装有高速气流发生机8，用于将水蒸气以200～400m/s的速度从沸腾炉底部喷入，目的是利用高速蒸气流将沸腾炉内的生活垃圾颗粒吹散开来，从而使水蒸气与生活垃圾颗粒均匀接触，并促进垃圾颗粒的均匀受热，进而提高热裂解效率和质量。
作为优选，所述干燥炉出口与沸腾炉进口之间设置有螺旋给料机，所述螺旋给料机将垃圾颗粒定时定量的投入沸腾炉中，在实际热裂解过程中，根据实际热裂解速率，设置螺旋给料机的定时定量参数，从而形成自动给料控制，提高自动化程度，减少人力。
作为优选，所述沸腾炉出口与热交换器之间的输送管道、所述干燥炉出口与热交换器冷端进口之间的输送管道以及所述热交换器冷端出口与沸腾炉底部进口之间的输送管道，均用石棉进行保温，用于防止热量散失，造成水蒸气冷凝导致气化剂的作用降低甚至丧失，影响热裂解效率。
进一步的，所述焦油收集瓶5与燃气收集罐7之间设置有过滤器6，所述过滤器6中装有纤维球，用于过滤和吸附气流中的焦油和杂质，从而提高燃气的纯度。
采用以上所述热裂解装置及工艺，对500kg生活垃圾进行热裂解气化，干燥前的生活垃圾的组成如表1所示，所述生活垃圾的总含水率为42.50％，所述热裂解气化工艺包括以下步骤：
S1.将生活垃圾依次进行粗碎、磁选、筛分和细碎，得到粒径小于2cm的生活垃圾颗粒；
其中，粗碎处理用于通过粉碎机初步粉碎生活垃圾，并分拣出石头、砖块及泥沙等无机物；
磁选用于除去生活垃圾中的磁性金属，并回收利用；
筛分用于去除除比重大的沙子、泥土及石粒；
细碎用于通过粉碎机进一步将筛分后的生活垃圾进行粉碎，降低垃圾颗粒直径，从而提高热裂解过程中的受热均匀度。
S2.将垃圾颗粒在干燥炉内进行烘干处理，使水分含量降至15％范围内，所述干燥炉的热量来源为生活垃圾的燃烧热；
热裂解过程中水分的影响是多方面的，主要表现在影响产气量、产气成分、热裂解的内部化学过程以及整个系统的能量平衡。热裂解过程中的水分主要来自物料自身的含水量和外加的高温水蒸气。反应过程中生成水分的作用更接近于外加的高温水蒸气。在热解进行的内部化学反应过程中，水分对产气量和成分都有明显影响，但这种影响与反应条件有关。例如下式反应在900℃的条件下反应向右进行，而在500～550℃的条件下，反应方向主要向左进行，即呈现“甲烷化反应”：
CH4+2H2O→CO2+4H2
因此结合本发明的工艺制备条件，及反应热力学和动力学平衡，将水分含量控制在10～18％范围内较优。
S3.将沸腾炉加热至530℃后，从沸腾炉进料口投入烘干处理后的生活垃圾颗粒，然后将沸腾炉温度按200℃/min的升温速率升至900℃，同时将烘干处理产生的水蒸气通入热交换器，与热裂解气体进行热交换后从沸腾炉底部通入以300m/s的速度喷入；
由于在慢速加热条件下，热解物料在低温区的停留时间延长，有机分子有足够时间在其最薄弱的节点处分解，重新结合为热稳定性固体，而难以进一步分解，导致固体产率增加；因此，本发明选取快速加热方式，在快速加热条件下，有机物分子结构发生全面裂解，生成大范围的低分子有机物，而较快的加热方式使得挥发分在高温环境下的停留时间增加，促进了二次裂解的进行，使得焦油产率下降、气体产率增加。
S4.垃圾颗粒在沸腾炉内热裂解气化得到热裂解气体，热裂解气体从出气口排出并通入热交换器，与水蒸气进行热交换后，得到燃气和焦油，焦油经焦油收集瓶收集储存，然后剩余气体经过滤器过滤和吸附后，由燃气收集罐收集存储。
表1生活垃圾各组分百分含量
Figure BDA0002319632580000081
本实施例热裂解产生的燃气总量约为620m3，热值约为43MJ/Nm3，产气量及热值相比现有技术均匀明显提高，而且本发明的耗能成本显著降低，具有良好的应用前景。
实施例2
请参阅图3所示，实施例2提供的一种生活垃圾的热裂解气化工艺，相比实施例1，所述热交换器的热端出口依次与冷凝器、焦油收集瓶和燃气收集罐相连，即新增了一个冷凝器，其他与实施例1基本相同，在此不再赘述，目的是使热裂解产生的混合气体成分冷却下来，防止在燃气中混入焦油或未反应的水蒸气等液态物，从而提高燃气纯度和热值。
本实施例热裂解产生的燃气总量约为635m3，热值约为51MJ/Nm3，
实施例3和4
实施例3和4与实施例2相比，不同之处在于，生活垃圾烘干后的水分含量如表2所示，其他与实施例2基本相同，在此不再赘述。
燃气总量及热值如表2所示，可以看出，水分含量降低时，燃气总量降低，热值变化不大，水分含量升高，燃气总量略有降低，热值变化不大，因此需要严格控制生活垃圾中的水分含量。
表2实施例3和4水分含量及燃气产量和热值
实施例 水分含量/％ 燃气总量/m<sup>3</sup> 热值/MJ/Nm<sup>3</sup>
3 10 615 49
4 18 630 50
实施例5～8
实施例5～8与实施例2相比，不同之处在于，步骤S3中的制备条件如表3所示，其他与实施例2基本相同，在此不再赘述。
燃气总量及热值如表3所示，可以看出，热裂解温度降低时，燃气总量和热值明显降低，说明高温更有利于热裂解气体大量、快速地析出。在本发明限定的水蒸气喷入速率范围内，降低喷入速率燃气总量和热值有所降低，说明适当提高喷入速率有助于提高燃气产量和热值。
表3实施例5～8的制备条件及燃气产量和热值
Figure BDA0002319632580000101
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种生活垃圾的热裂解气化工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将生活垃圾依次进行粗碎、磁选、筛分和细碎，得到粒径小于2cm的生活垃圾颗粒；
S2.将垃圾颗粒在干燥炉内进行烘干处理，使水分含量降至10～18％范围内；
S3.从沸腾炉进料口投入烘干处理后的生活垃圾颗粒，然后将沸腾炉温度升至热裂解温度，同时将烘干处理产生的水蒸气通入热交换器，与热裂解气体进行热交换后从沸腾炉底部通入；
S4.垃圾颗粒在沸腾炉内热裂解气化得到热裂解气体，热裂解气体从出气口排出并通入热交换器，与水蒸气进行热交换后，得到燃气和焦油。
2.根据权利要求1所述的一种生活垃圾的热裂解气化工艺，其特征在于，在步骤S3中，所述热裂解温度为800～1000℃。
3.根据权利要求1所述的一种生活垃圾的热裂解气化工艺，其特征在于，在步骤S2中，所述干燥炉的热量来源为生活垃圾的燃烧热。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种生活垃圾的热裂解气化工艺，其特征在于，所述生活垃圾的热裂解气化工艺通过沸腾炉、热交换器、干燥炉、焦油收集瓶和燃气收集罐以及连接各装置的输送管道完成生活垃圾的热裂解气化；所述沸腾炉包括进料口、出气口、出料口和底部进气口；所述热交换器包括热端进口、热端出口、冷端进口和冷端出口；所述干燥炉包括进料口、出料口和出气口；所述沸腾炉的出气口通过输送管道与热交换器的热端进口相连，并通过热端出口依次与焦油收集瓶和燃气收集罐相连；所述干燥炉的出气口通过输送管道与热交换器的冷端进口相连，所述冷端出口通过输送管道与沸腾炉底部的进气口相连，所述干燥炉出料口通过输送管道与沸腾炉的进料口相连。
5.根据权利要求4所述的一种生活垃圾的热裂解气化工艺，其特征在于，所述沸腾炉底部进气口安装有高速气流发生机，用于将水蒸气以200～400m/s的速度从沸腾炉底部喷入。
6.根据权利要求4所述的一种生活垃圾的热裂解气化工艺，其特征在于，所述干燥炉出口与沸腾炉进口之间设置有螺旋给料机，所述螺旋给料机将垃圾颗粒定时定量的投入沸腾炉中。
7.根据权利要求4所述的一种生活垃圾的热裂解气化工艺，其特征在于，所述沸腾炉出口与热交换器之间的输送管道、所述干燥炉出口与热交换器冷端进口之间的输送管道以及所述热交换器冷端出口与沸腾炉底部进口之间的输送管道，均用石棉进行保温。
8.根据权利要求4所述的一种生活垃圾的热裂解气化工艺，其特征在于，所述热交换器的热端出口依次与冷凝器、焦油收集瓶和燃气收集罐相连。
9.根据权利要求8所述的一种生活垃圾的热裂解气化工艺，其特征在于，所述焦油收集瓶与燃气收集罐之间设置有过滤器，所述过滤器中装有纤维球，用于过滤和吸附气流中的焦油和杂质。
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