CN111911930A - 一种垃圾碳化热解方法及水、气热量交换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垃圾碳化热解方法及水、气热量交换装置，步骤为将垃圾依次进行干燥、在绝氧、温度为800℃‑‑900℃、负压、间接外加热环境下碳化热解、热量交换、气体净化，本发明还公开一种用于上述垃圾碳化热解方法中的水、气热量交换装置，包括立式换热筒、换热槽、供水组件、供气管、出水管、气换热组件，本发明的效果为：垃圾碳化热解方法能够阻断二噁英等有害物质产生的必要条件，产生的可燃气燃值较高，更加清洁而且排放也有明显的优势；热量交换装置能够同时通过水和空气作为热传递介质对烟气和可燃气进行热量交换，使得能够充分利用碳化热解过程中产生的热量，有效提高了资源利用率，使得资源全面化利用，降低了生产成本，提高了经济效益。

Description

一种垃圾碳化热解方法及水、气热量交换装置
技术领域
本发明是一种垃圾碳化热解方法及水、气热量交换装置，属于垃圾处理技术领域。
背景技术
随着我国城市化的加快，城市生活所产生的垃圾问题也成为现阶段环境治理的一项重要内容。生活垃圾是人类日常生活中产生的固液废弃物，由于排出量大，成分复杂多样，且具有污染性、资源性和社会性，如不能妥善处理，就会污染环境，影响环境卫生，浪费资源，破坏生产生活安全，破坏社会和谐。
在国家环保政策支持力度加强的背景下，垃圾治理已成为不可逆转的全球趋势，垃圾总量越大，行业面临的机会越多，目前我国垃圾处理产业尚处于初级阶段，市场化改革也还处于局部试点阶段，相关政策法规、技术标准体系，健全的市场化运作体系都需要在实践中形成，检验和不断完善，根据近年国内外环境保护的重视程度推断未来5-10年，我国垃圾处理行业面临重大发展机遇，市场化程度和行业技术水平都有望取得实质性进展。
目前，生活垃圾的处理方式主要包括卫生填埋、高温堆肥和焚烧。卫生填埋即把生活垃圾直接倾倒到现有的沙坑或低洼地带，是小城镇和农村的生活垃圾的主要处理方式，占用有限的土地资源，同时也难以避免向空气、地表水、地下水以及土壤环境中排放污染物，许多国家和地区对这一处置方式的二次污染防治要求日趋严格，处理成本也随之增加；高温堆肥法处理生活垃圾得到的堆肥的养分较少，且需要额外添加氮或磷或钾肥后才能达到商品肥料的国家标准，且无机物和重金属离子超标，水溶性养分含量不足，植物不易吸收，肥效较差，存在资源利用率低和处理成本高的缺点；焚烧法处理生活垃圾后排出的尾气不可避免的会产生二恶英和大量的高温烟气或热量，一方面严重污染大气环境，另一方面会造成能量的巨大浪费，而这些气体的有效清除和净化又需要大量的设施投入和较高的运行费用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种垃圾碳化热解方法及水、气热量交换装置，解决了目前生活垃圾处理方式中，生活垃圾处理资源利用率低，处理成本高，易出现二次污染，热能不能充分利用，热能大量的流失、浪费的问题。
本发明采用的技术方案如下：一种垃圾碳化热解方法，包括以下步骤：
S1:将分选破碎后的垃圾物料进行预热、干燥，垃圾物料的含水率降至20%以下，得到干燥垃圾物料，其中，垃圾预热、干燥过程中启动热介质为水蒸气；
S2:将S1得到干燥垃圾物料通过全封闭上料机送入碳化热解设备中，干燥垃圾物料在绝氧、温度为800℃--900℃、负压、间接外加热环境条件下进行碳化热解处理，其中，碳化热解设备的启动燃料为天热气，得到燃料燃烧生产的烟气、碳化热解产生可燃气（主要成分甲烷、一氧化碳、氢气）和炭黑；
S3:将S2得到的30%的可燃气和炭黑为碳化热解设备中提供燃料，其中，先将炭黑进行制棒，制棒后的炭黑为碳化热解设备提供燃料，可燃气和炭黑为碳化热解设备中提供燃料后，停止使用天然气加热；
S4:将S2得到的烟气和剩余70%可燃气通过同一热量交换装置同时与空气和冷水进行换热处理，得到热空气、热水、高温水蒸气、换热后的烟气和可燃气；
S5:将S4得到的40%的热空气通入碳化热解设备中与可燃气混合后为碳化热解设备中提供燃料；将剩余60%的热空气和高温水蒸气导入S1中提供热量进行预热、干燥，此时，停止使用S1中的热介质；剩余70%可燃气通过净化系统进行净化，净化后的可燃气可进行储存、发电等；换热后的烟气通过净化除尘系统进行净化，净化达标后进行排放。
优选的，所述S2中：干燥垃圾碳化热解的温度环境为850℃。
优选的，所述S4中：热水用于提供生活热水或供暖。
优选的，所述S5中：剩余60%的热空气和高温水蒸气通过间接加热方式对垃圾物料进行预热、干燥，间接加热方式不会携带空气，被空气带走热量，避免热量流失，提高热量的利用率。
进一步，高温水蒸气对垃圾加热后，在通过冷凝器进行冷凝，水蒸气冷凝后形成的水再次通过热量交换装置进行换热。
本发明实施例还提供了一种用于上述垃圾碳化热解方法中的水、气热量交换装置，包括立式换热筒，所述立式换热筒为圆环形且为上端开口的空腔结构，立式换热筒的空腔内安装有与立式换热筒的内侧壁贴合的换热槽，所述换热槽呈螺旋结构，换热槽上方设有为换热槽提供冷水的供水组件，其中，供水组件安装在立式换热筒的开口位置且与立式换热筒的开口密封连接，所述立式换热筒的上部安装有与立式换热筒的空腔连通的供气管，立式换热筒的底部安装有与立式换热筒的空腔连通的出水管。
所述立式换热筒的内部安装有气换热组件，所述气换热组件包括安装板，所述安装板的上端中部位置镶嵌密封安装有密闭的进气腔，所述进气腔连接有与其连通的进气管，安装板的下端中部位置镶嵌密封安装有密闭的出气腔，所述出气腔连接有与其连通的出气管，所述进气腔与出气腔之间连接有多个与其连通的换热腔，所述安装板的上端面密封固定有与进气腔密封套接的密封盖，其中，密封盖与立式换热筒密封连接，密封盖安装有两个与立式换热筒的内部连通的排气管，且两个排气管对称分布在安装板两侧，安装板的下端面密封固定有两个对称且半圆形密闭空腔结构的均气腔，其中，均气腔与立式换热筒密封连接，均气腔与出气腔密封套接连接，均气腔的上端面开有多个进气孔，均气腔的下端面安装有两个与其内部连通的输气管，且输气管对称分布在安装板两侧。
其中，立式换热筒的内壁、安装板、密封板、两个均气腔共同构成两个密闭的气体换热空间。
优选的，所述换热槽的数量为两个，其中，两个换热槽的最高部对称分布，且两个换热槽的旋向相同。
优选的，所述换热槽的底部开有多个渗水孔，其中，渗水孔靠近立式换热筒的内侧壁。
优选的，所述供水组件包括圆环形密闭空腔的供水箱，所述供水箱与立式换热筒的开口适配且密封开口，其中供水箱上端与立式换热筒的上端齐平，供水箱的底部安装有延伸入换热槽内且与供水箱连通的进水管，供水箱的侧端安装有与其连通的供水管，其中，供水管延伸出立式换热筒并与立式换热筒密封连接。
优选的，所述换热腔的横断面为平坦螺旋结构，且换热腔等量对称分布在安装板两侧，换热腔的上端和下端分别设有与其密封连通且为弧形结构的连接通道，所述连接通道分别与进气腔和出气腔密封连通连接。
优选的，所述进气管连接有抽气装置，所述抽气装置连接有空气过滤器，其中，抽气装置为抽风机。
本发明的有益效果在于：
本发明将干燥后的垃圾在绝氧、温度为800℃--900℃、负压、间接外加热环境条件下还原成高热值的可燃气和能够作为燃料的炭黑，相比垃圾填埋、垃圾焚烧和气化处理，在绝氧和800℃--900℃的温度环境下将垃圾碳化热解，能够阻断二噁英等有害物质产生的必要条件；在绝氧、负压环境下，高分子化合物和一般有机物收到外部的热传导和热辐射，分子链发生反应，还原成低分子和单一分子的可燃气，整个碳化热解过程为还原反应，并不是焚烧的氧化反应，因此，产生的可燃气燃值较高，且不会产生二氧化碳等氧化产生的有害气体；在间接外加热的环境下，垃圾始终不与明火接触，相对比气化技术，热解产生的可燃气更加清洁、热值高，而且排放也有明显的优势。
本发明通过热量交换装置使得垃圾碳化热解过程中能够充分利用碳化热解过程中产生的热量，有效提高了资源利用率，使得资源全面化利用，降低了生产成本，提高了经济效益。
本发明的热量交换装置能够同时通过水和空气作为热传递介质对烟气和可燃气进行热量交换，空气在热量交换后形成的热空气，不仅能够对垃圾进行预热干燥处理，而且还能够为垃圾碳化热解过程中燃料燃烧提供气体环境，进行高效助燃，提高燃料燃烧的质量，使得燃料能够充分燃烧，降低有害气体的生成，使得热量得到了充分的利用，具有节能、经济效益高的效果，另外，还具有对烟气和可燃气降温的效果。
本发明的热量交换装置通过螺旋结构的换热槽对水介质进行热量传递，以及换热槽开的渗水孔，使得水介质在热量交换过程中能够同时产生高温水蒸气和热水，高温水蒸气能够对垃圾进行预热干燥处理，热水能够用于供暖或者生活用水，使得热量再次得到了充分利用，有效提高了资源利用率。
本发明热量交换装置的螺旋结构的换热槽和平坦螺旋结构的换气腔，能够提高水介质或空气介质与烟气或可燃气接触的时间，提高换热效率，能够有效降低热量的损失。
附图说明
图1为本发明的垃圾碳化热解工艺流程示意图。
图2为本发明立体结构示意图。
图3为本发明主视剖面结构示意图。
图4为本发明立体局部结构示意图。
图5为本发明换热组件立体结构示意图。
图6为本发明换热组件俯视剖面结构示意图。
图7为本发明换热槽立体结构示意图。
图8为本发明换热槽俯视结构示意图。
图中：立式换热筒1、换热槽2、供水组件3、供水箱3-1、进水管3-2、供水管3-3、供气管4、出水管5、换热组件6、安装板6-1、进气腔6-2、进气管6-3、出气腔6-4、出气管6-5、换热腔6-6、密封盖6-7、排气管6-8、均气腔6-9、进气孔6-10、输气管6-11、气体换热空间7、渗水孔8、连接通道9。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍，以下所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，所述的一种垃圾碳化热解方法，包括以下步骤：
S1:将分选破碎后的垃圾物料进行预热、干燥，垃圾物料的含水率降至20%以下，得到干燥垃圾物料，其中，垃圾预热、干燥过程中启动热介质为水蒸气；
S2:将S1得到干燥垃圾物料通过全封闭上料机送入碳化热解设备中，干燥垃圾物料在绝氧、温度为800℃--900℃、负压、间接外加热环境条件下进行碳化热解处理，其中，碳化热解设备的启动燃料为天热气，得到燃料燃烧生产的烟气、碳化热解产生可燃气（主要成分甲烷、一氧化碳、氢气）和炭黑；
S3:将S2得到的30%的可燃气和炭黑为碳化热解设备中提供燃料，其中，先将炭黑进行制棒，制棒后的炭黑为碳化热解设备提供燃料，可燃气和炭黑为碳化热解设备中提供燃料后，停止使用天然气加热；
S4:将S2得到的烟气和剩余70%可燃气通过同一热量交换装置同时与空气和冷水进行换热处理，得到热空气、热水、高温水蒸气、换热后的烟气和可燃气；
S5:将S4得到的40%的热空气通入碳化热解设备中与可燃气混合后为碳化热解设备中提供燃料；将剩余60%的热空气和高温水蒸气导入S1中提供热量进行预热、干燥，此时，停止使用S1中的热介质；剩余70%可燃气通过净化系统进行净化，净化后的可燃气可进行储存、发电等；换热后的烟气通过净化除尘系统进行净化，净化达标后进行排放。
在本实施例中，所述S2中：干燥垃圾碳化热解的温度环境为850℃。
在本实施例中，所述S4中：热水用于提供生活热水或供暖。
在本实施例中，所述S5中：剩余60%的热空气和高温水蒸气通过间接加热方式对垃圾物料进行预热、干燥，间接加热方式不会携带空气，被空气带走热量，避免热量流失，提高热量的利用率。
其中，高温水蒸气对垃圾加热后，在通过冷凝器进行冷凝，水蒸气冷凝后形成的水再次通过热量交换装置进行换热，实现水循环利用，提高资源利用率，具有节能效果。
如图2-8所示，本发明还提供了一种用于上述垃圾碳化热解方法中的水、气热量交换装置，包括立式换热筒1，所述立式换热筒1为圆环形且为上端开口的空腔结构，立式换热筒1的空腔内焊接固定有与立式换热筒1的内侧壁贴合的换热槽2，所述换热槽2呈螺旋结构，换热槽2上方设有为换热槽2提供冷水的供水组件3，其中，供水组件3安装在立式换热筒1的开口位置且与立式换热筒1的开口密封连接，所述立式换热筒1的上部密封焊接固定有与立式换热筒1的空腔连通的供气管4，立式换热筒1的底部密封焊接固定有与立式换热筒1的空腔连通的出水管5。
所述立式换热筒1的内部安装有气换热组件6，所述气换热组件6包括安装板6-1，所述安装板6-1的上端中部位置镶嵌密封焊接固定有密闭的进气腔6-2，所述进气腔6-2密封固定连接有与其连通的进气管6-3，安装板6-1的下端中部位置镶嵌密封焊接固定有密闭的出气腔6-4，所述出气腔6-4密封焊接接有与其连通的出气管6-5，所述进气腔6-2与出气腔6-4之间连接有多个与其连通的换热腔6-6，所述安装板6-1的上端面密封焊接固定有与进气腔6-2套接且密封焊接的密封盖6-7，其中，密封盖6-7与立式换热筒1密封焊接固定连接，密封盖6-7密封焊接固定有两个与立式换热筒1的内部连通的排气管6-8，且两个排气管6-8对称分布在安装板6-1两侧，安装板6-1的下端面密封焊接固定有两个对称且半圆形密闭空腔结构的均气腔6-9，其中，均气腔6-9与立式换热筒1密封焊接固定连接，均气腔6-9与出气腔6-4套接且密封焊接，均气腔6-9的上端面开有多个进气孔6-10，均气腔6-9的下端面密封焊接固定有两个与其内部连通的输气管6-11，且输气管6-11对称分布在安装板6-1两侧。
其中，立式换热筒1的内壁、安装板6-1、密封板、两个均气腔6-9共同构成两个密闭的气体换热空间7，用于同时能够对烟气和可燃气进行换热。
在本实施例中，所述换热槽2的数量为两个，其中，两个换热槽2的最高部对称分布，且两个换热槽2的旋向相同，能够增大水与热量接触的面积，提高换热效率。
在本实施例中，所述换热槽2的底部开有多个渗水孔8，其中，渗水孔8靠近立式换热筒1的内侧壁，用于，渗水孔8流出水滴，在水滴下落过程中能够被高温气体加热成水蒸气，提高水蒸气的生成量。
在本实施例中，所述供水组件3包括圆环形密闭空腔的供水箱3-1，所述供水箱3-1与立式换热筒1的开口适配且与开口密封焊接固定，其中供水箱3-1上端与立式换热筒1的上端齐平，供水箱3-1的底部密封焊接固定有延伸入换热槽2内且与供水箱3-1连通的进水管3-2，供水箱3-1的侧端密封焊接固定有与其连通的供水管3-3，其中，供水管3-3延伸出立式换热筒1并与立式换热筒1密封焊接固定连接。
在本实施例中，所述换热腔6-6的横断面为平坦螺旋结构（增大空气与烟气或可燃气的接触面积，提高换热效率），且换热腔6-6等量对称分布在安装板6-1两侧，换热腔6-6的上端和下端分别密封焊接固定有与其连通且为弧形结构的连接通道9，所述连接通道9分别与进气腔6-2和出气腔6-4密封焊接固定且与气腔和出气腔6-4连通。
在本实施例中，所述进气管6-3连接有抽气装置（图中未示出），所述抽气装置连接有空气过滤器（图中未示出），其中，抽气装置为抽风机。
本发明的工作原理和使用方法：
水、气热量交换装置使用时，将供水管3-3与供水装置连接，供气管4与垃圾干燥设备连接，出水管5与生活热水储存设备或供暖系统连接，出气管6-5与垃圾干燥设备和碳化热解设备连接，左端的排气管6-8与净化设备连接，左端的输气管6-11与碳化热解设备中的可燃气排放口连接，右端的排气管6-8与净化除尘设备连接，右端的输气管6-11与碳化热解设备的烟气排放口连接。
水通过供水组件3流到换热槽2上，根据自身重力沿换热槽2从上之下流到立式换热筒1的空腔底部，空气通过抽气装置进入进气腔6-2，流经换热腔6-6，同时高温烟气和可燃气自下而上流经换热空间，与水和空气进行热量交换，升温的水通过出水管5排出，提供热水，水在热量交换后产生的高温水蒸气从供气管4排出，进入垃圾干燥设备中，升温后的空气从出气管6-5排出进入垃圾干燥设备和碳化热解设备。
尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行和修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垃圾碳化热解方法，其特征是：包括以下步骤：
S1:将分选破碎后的垃圾物料进行预热、干燥，垃圾物料的含水率降至20%以下，得到干燥垃圾物料，其中，垃圾预热、干燥过程中启动热介质为水蒸气；
S2:将S1得到干燥垃圾物料在绝氧、温度为800℃--900℃、负压、间接外加热环境条件下进行碳化热解处理，其中，碳化热解设备的启动燃料为天热气，得到燃料燃烧生产的烟气、碳化热解产生可燃气（主要成分甲烷、一氧化碳、氢气）和炭黑；
S3:将S2得到的30%的可燃气和炭黑为碳化热解设备中提供燃料，其中，先将炭黑进行制棒，制棒后的炭黑为碳化热解设备提供燃料，可燃气和炭黑为碳化热解设备中提供燃料后，停止使用天然气加热；
S4:将S2得到的烟气和剩余70%可燃气通过同一热量交换装置同时与空气和冷水进行换热处理，得到热空气、热水、高温水蒸气、换热后的烟气和可燃气；
S5:将S4得到的40%的热空气通入碳化热解设备中与可燃气混合后为碳化热解设备提供燃料；将剩余60%的热空气和高温水蒸气导入S1中提供热量进行预热、干燥，此时，停止使用S1中的热介质；剩余70%可燃气通过净化系统进行净化，净化后的可燃气可进行储存、发电等；换热后的烟气通过净化除尘系统进行净化，净化达标后进行排放。
2.根据权利要求1所述的一种垃圾碳化热解方法，其特征在于：所述S2中：干燥垃圾碳化热解的温度环境为850℃。
3.根据权利要求1所述的一种垃圾碳化热解方法，其特征在于：所述S4中：热水用于提供生活热水或供暖。
4.根据权利要求1所述的一种垃圾碳化热解方法，其特征在于：所述S5中：剩余60%的热空气和高温水蒸气采用间接加热方式对垃圾物料进行预热、干燥，其中，高温水蒸气对垃圾加热后，在通过冷凝器进行冷凝，水蒸气冷凝后形成的水再次通过热量交换装置进行换热。
5.一种用于权利要求1所述的垃圾碳化热解方法中的水、气热量交换装置，包括立式换热筒，其特征在于：所述立式换热筒为圆环形且上端开口的空腔结构，立式换热筒的空腔内设有螺旋结构的换热槽，换热槽上方设有为换热槽提供冷水的供水组件，其中，供水组件安装在立式换热筒的开口位置且与立式换热筒的开口密封连接，所述立式换热筒的空腔上端设有供气管，立式换热筒的的空腔底部设有出水管；
所述立式换热筒的内部安装有气换热组件，所述气换热组件包括安装板，所述安装板的上端中部位置镶嵌密封安装有密闭的进气腔，所述进气腔设有进气管，安装板的下端中部位置镶嵌密封安装有密闭的出气腔，所述出气腔设有出气管，所述进气腔与出气腔之间连接有多个与其连通的换热腔；
所述安装板的上端面设有与进气腔密封套接的密封盖，其中，密封盖与立式换热筒密封连接，密封盖安装有两个与立式换热筒的内部连通且对称分布在安装板两侧的排气管，安装板的下端面设有有两个对称且为半圆形密闭空腔结构的均气腔，其中，均气腔与立式换热筒密封连接，均气腔与出气腔密封套接连接，均气腔的上端面开有多个进气孔，均气腔的下端面安装有两个与其内部连通且对称分布在安装板两侧的输气管；
其中，立式换热筒的内壁、安装板、密封板、两个均气腔共同构成两个密闭的气体换热空间。
6.根据权利要求5所述的水、气热量交换装置，其特征在于：所述换热槽的数量为两个，其中，两个换热槽的最高部对称分布，且两个换热槽的旋向相同。
7.根据权利要求5所述的水、气热量交换装置，其特征在于：所述换热槽的底部开有多个渗水孔，其中，渗水孔靠近立式换热筒的内侧壁。
8.根据权利要求5所述的水、气热量交换装置，其特征在于：所述供水组件包括圆环形密闭空腔的供水箱，所述供水箱与立式换热筒的开口适配且密封开口，其中，供水箱上端与立式换热筒的上端齐平，供水箱的底部安装有延伸入换热槽内且与供水箱连通的进水管，供水箱的侧端安装有与其连通的供水管，其中，供水管延伸出立式换热筒并与立式换热筒密封连接。
9.根据权利要求5所述的水、气热量交换装置，其特征在于：所述换热腔的横断面为平坦螺旋结构，且换热腔等量对称分布在安装板两侧，换热腔的上端和下端分别设有与其密封连通且为弧形结构的连接通道，所述连接通道分别与进气腔和出气腔密封连通连接。
10.根据权利要求5所述的水、气热量交换装置，其特征在于：所述进气管连接有抽气装置，所述抽气装置连接有空气过滤器，其中，抽气装置为抽风机。
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