CN113975927A - 一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺，包括以下步骤：将水通入电解水制氢系统，电解得到氢气和氧气，并将氧气通入垃圾焚烧系统；利用垃圾焚烧系统将分选后的生活垃圾进行焚烧，得到一次烟气和蒸汽，并将一次烟气通入净化系统进行净化，得到二次烟气，将蒸汽通入汽轮发电系统进行发电处理；将步骤B净化后得到的二次烟气通入余热回收系统进行余热回收，得到冷凝水、热量和三次烟气；将步骤C得到的三次烟气通入纯化捕集系统进行二氧化碳的纯化和捕集处理，得到尾气和二氧化碳。本技术方案提出的一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺，减碳路线设计合理，垃圾焚烧处理效率高，有利于实现负碳排放和生活垃圾的资源化利用。
Description
技术领域
本发明涉及垃圾焚烧能源化处理技术领域，尤其涉及一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺。
背景技术
人们在日常的生产和生活中会产生大量的垃圾，如果对这些垃圾不加以处理，就会对环境产生污染。随着经济的发展，人们的环保意识加强，认识到垃圾处理的重要性，人类活动中产生的垃圾中很多的垃圾都有很高的热值，当前生活垃圾处理大多采用焚烧、生化、电解、厌氧方法进行处理，在处理过程中均会产生各种有机和无机废气，主要是NO、NO2和二噁英气体，对环境危害较大。
寻找如何处置生活垃圾并进行负碳排放是一个值得研究的课题。目前在火电领域，相关减碳技术已有被提出，主要思路是利用可再生能源低温制取液氧储存，在火力发电过程中将液氧汽化和CO2混合燃烧产生高浓度CO2烟气，最后进行碳捕集，以此实现零碳排放发电。但是，在垃圾焚烧发电领域相关减碳技术路线还未被提出。
发明内容
本发明的目的在于提出一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺，减碳路线设计合理，垃圾焚烧处理效率高，有利于实现负碳排放和生活垃圾的资源化利用，以克服现有技术中的不足之处。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺，包括电解水制氢系统、垃圾焚烧系统、净化系统、汽轮发电系统、余热回收系统和纯化捕集系统；
所述垃圾能源化处理工艺包括以下步骤：
E、将水通入电解水制氢系统，电解得到氢气和氧气，并将氧气通入垃圾焚烧系统；
F、对生活垃圾进行分选，利用垃圾焚烧系统将分选后的生活垃圾进行焚烧，得到一次烟气和蒸汽，并将一次烟气通入净化系统进行净化，得到二次烟气，将蒸汽通入汽轮发电系统进行发电处理；
G、将步骤B净化后得到的二次烟气通入余热回收系统进行余热回收，得到冷凝水、热量和三次烟气；
H、将步骤C得到的三次烟气通入纯化捕集系统进行二氧化碳的纯化和捕集处理，得到尾气和二氧化碳。
优选的，步骤A中，所述氧气的通入量为1500～2150m3/h。
优选的，步骤B中，所述垃圾焚烧系统的氧气浓度≥30％，氧气过量系数为 3～5％。
优选的，将步骤B中的蒸汽通入汽轮发电系统进行发电处理后产生的电能通入步骤A的电解水制氢系统，利用步骤B产生的电能令电解水制氢系统进行电解。
优选的，所述净化系统包括依次连接的脱硝装置、脱酸装置和除尘装置，步骤B中的净化过程依次包括脱硝处理、脱酸处理和除尘处理。
优选的，将步骤C中的二次烟气通入余热回收系统进行余热回收得到的冷凝水通入步骤A的电解水制氢系统，将步骤C产生的冷凝水通入电解水制氢系统进行电解。
优选的，将步骤D中得到尾气和二氧化碳通入步骤B的垃圾焚烧系统。
优选的，所述尾气和二氧化碳的通入量为3000～5000m3/h。
优选的，所述尾气和二氧化碳的通入压力为0.09～0.11MPa，通入温度为 45～55℃。
优选的，步骤A中，所述氧气的通入压力为0.09～0.11MPa，通入温度为195～ 205℃。
本申请实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
1、利用电解水制氢产生的副产物氧气，对电解制氢技术产物的充分使用，所使用的设备也是垃圾焚烧过程中常用的处理系统，设备简单，有利于降低处理成本。
2、采用富氧燃烧技术，即将电解水制氢副产物氧气通入垃圾焚烧系统，以提升其氧气浓度，能够较大程度地解决上述问题。其次，垃圾焚烧产生的烟气腐蚀性远强于燃煤烟气，而富氧燃烧能够增大烟气密度，减少NOx的产生量，有利于腐蚀性物质的去除。
3、垃圾焚烧过程中所产生的电力是可再生的，该过程将是“净碳负电”，结合零碳排放的优势，为生活垃圾处理提供一种处置替代方案。
4、由于氧气作为一次风进入垃圾焚烧系统，使得大量氧气转化为二氧化碳，在二氧化碳气氛下高浓度氧气燃烧时产生的一次烟气中三原子气体、固体颗粒和灰烟浓度都将导致烟气具有更强的辐射特性和对流换热能力，使得锅炉热效率得以有效提升，进而可产生更高品质的蒸汽进行发电，提高汽轮发电系统整体的发电效率。
附图说明
图1是本发明一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺的工艺流程图。
具体实施方式
一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺，包括电解水制氢系统、垃圾焚烧系统、净化系统、汽轮发电系统、余热回收系统和纯化捕集系统；
所述垃圾能源化处理工艺包括以下步骤：
I、将水通入电解水制氢系统，电解得到氢气和氧气，并将氧气通入垃圾焚烧系统；
J、对生活垃圾进行分选，利用垃圾焚烧系统将分选后的生活垃圾进行焚烧，得到一次烟气和蒸汽，并将一次烟气通入净化系统进行净化，得到二次烟气，将蒸汽通入汽轮发电系统进行发电处理；
K、将步骤B净化后得到的二次烟气通入余热回收系统进行余热回收，得到冷凝水、热量和三次烟气；
L、将步骤C得到的三次烟气通入纯化捕集系统进行二氧化碳的纯化和捕集处理，得到尾气和二氧化碳。
寻找如何处置生活垃圾并进行负碳排放是一个值得研究的课题。目前在火电领域，相关减碳技术已有被提出，主要思路是利用可再生能源低温制取液氧储存，在火力发电过程中将液氧汽化和CO2混合燃烧产生高浓度CO2烟气，最后进行碳捕集，以此实现零碳排放发电。但是，在垃圾焚烧发电领域相关减碳技术路线还未被提出。
因此，为了实现负碳排放和生活垃圾的资源化利用，本技术方案提出了一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺，其工艺流程如图1所示，包括电解水制氢系统、垃圾焚烧系统、净化系统、汽轮发电系统、余热回收系统和纯化捕集系统；需要说明的是，上述系统均为本技术方案所属技术领域中常见的、可实现相应功能的处理系统，在此不再赘述。
具体地，一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺包括以下步骤：
A、将水通入电解水制氢系统，电解得到氢气和氧气，并将氧气通入垃圾焚烧系统。本方案利用电解水制氢系统将水电解制氢气，并使副产氧气进入垃圾焚烧系统帮助垃圾焚烧，氧气作为一次风进入垃圾焚烧系统，使得大量氧气转化为二氧化碳，炉膛内高CO2使气相体积比热容上升，令着火时间有所延长，促进垃圾衍生燃料燃尽，此外，通过高浓度氧气/二氧化碳气氛下焚烧可减少处理过程中污染物的生成；需要说明的是，本方案中的电解水制氢系统还可以利用光伏、风能等绿色方式产生的电能进行电解水制氢，更有利于环保能源的充分利用。
B、对生活垃圾进行分选，利用垃圾焚烧系统将分选后的生活垃圾进行焚烧，得到一次烟气和蒸汽，并将一次烟气通入净化系统进行净化，得到二次烟气，将蒸汽通入汽轮发电系统进行发电处理。对烟气进行净化处理，有利于提高烟气中二氧化碳浓度，便于后续捕集，极大在降低了二氧化碳的捕集难度和捕集成本；将焚烧产物中的蒸汽通入汽轮发电系统进行发电处理，焚烧产生的电除上网外，可进入电解水制氢环节，灵活应对电网调峰调频，也可为纯化捕集系统提供能源。
C、将步骤B净化后得到的二次烟气通入余热回收系统进行余热回收，得到冷凝水、热量和三次烟气。二次烟气处理后经余热回收产生的冷凝水可供日常使用，也可回到电解水制氢系统作用制氢原料使用，余热则可进行综合利用。
D、将步骤C得到的三次烟气通入纯化捕集系统进行二氧化碳的纯化和捕集处理，得到尾气和二氧化碳。三次烟气处理后的尾气和二氧化碳可直接排放，不会造成空气污染，或可对其中的二氧化碳进行储存便于后续利用，也可将尾气和二氧化碳回用至垃圾焚烧系统，令垃圾能源化处理工艺不需要增加外来碳的引入，达到碳净零排放。
相比起火电领域的减碳技术，本方案针对垃圾焚烧领域的垃圾能源化处理工艺具有以下优点：
(1)火电领域的减碳技术主要采用可再生能源发电制取液氧后储存再汽化使用，其过程中所需要低温制液氧和储存装置以及汽化装置，设备复杂，过程较多。而本方案直接利用电解水制氢产生的副产物氧气，对电解制氢技术产物的充分使用，所使用的设备也是垃圾焚烧过程中常用的处理系统，设备简单，有利于降低处理成本。
(2)火电领域中使用的燃料热值稳定且热效率较高。但垃圾焚烧领域所使用的垃圾及垃圾衍生燃料往往具有热值不稳定、热效率较低、烟气含水率较高等问题，本方案采用富氧燃烧技术，即将电解水制氢副产物氧气通入垃圾焚烧系统，以提升其氧气浓度，能够较大程度地解决上述问题。其次，垃圾焚烧产生的烟气腐蚀性远强于燃煤烟气，而富氧燃烧能够增大烟气密度，减少NOx的产生量，有利于腐蚀性物质的去除。
(3)本方案的垃圾焚烧过程中所产生的电力是可再生的，该过程将是“净碳负电”，结合零碳排放的优势，为生活垃圾处理提供一种处置替代方案。
(4)由于氧气作为一次风进入垃圾焚烧系统，使得大量氧气转化为二氧化碳，在二氧化碳气氛下高浓度氧气燃烧时产生的一次烟气中三原子气体、固体颗粒和灰烟浓度都将导致烟气具有更强的辐射特性和对流换热能力，使得锅炉热效率得以有效提升，进而可产生更高品质的蒸汽进行发电，提高汽轮发电系统整体的发电效率。
更进一步说明，步骤A中，所述氧气的通入量为1500～2150m3/h。
在本技术方案的一个优选实施例中，氧气通入量大约为1500～2150m3/h，若氧气通入量过高易发生高温爆燃，导致设备的损坏；若氧气通入量过低则不能达到富氧燃烧的条件。氧气经过焚烧转为二氧化碳，在氧气/二氧化碳气氛下的燃烧，气相体积比热容上升，使得着火时间有所延长；同时高浓度二氧化碳还使得燃料和氧气扩散速率降低，进而促进垃圾挥发分的燃尽。
更进一步说明，步骤B中，所述垃圾焚烧系统的氧气浓度≥30％，氧气过量系数为3～5％。
在本技术方案的一个优选实施例中，由于本方案的垃圾焚烧系统在氧气/二氧化碳气氛下进行燃烧，为了获得与空气气氛相似的绝热火焰温度，将垃圾焚烧系统的氧气浓度控制为≥30％，较高的氧气浓度可以提高平均炉温使燃烧更加充分，降低一氧化碳的浓度；氧气经过焚烧转为二氧化碳，而较高的二氧化碳浓度也有利于二氧化碳的捕捉和回收。
本方案中的氧气过量系数，指的是在O2/CO2氛围下实际提供给燃烧的氧气量与理论氧气量之比。此系数的优选是为获得与空气气氛相似的绝热火焰温度以及保证炉内燃烧的正常进行。
更进一步说明，将步骤B中的蒸汽通入汽轮发电系统进行发电处理后产生的电能通入步骤A的电解水制氢系统，利用步骤B产生的电能令电解水制氢系统进行电解。
进一步地，本方案中可将蒸汽通入汽轮发电系统进行发电处理后产生的电能通入步骤A的电解水制氢系统，利用步骤B产生的电能令电解水制氢系统进行电解，使垃圾焚烧产物得到了充分利用，同时还可以节省电解水制氢过程的能源成本。
更进一步说明，所述净化系统包括依次连接的脱硝装置、脱酸装置和除尘装置，步骤B中的净化过程依次包括脱硝处理、脱酸处理和除尘处理。
在本技术方案的一个优选实施例中，净化系统包括依次连接的脱硝装置、脱酸装置和除尘装置，步骤B中的净化处理过程依次包括脱硝处理、脱酸处理和除尘处理，有利于对垃圾焚烧产生的一次烟气进行充分净化。需要说明的是，上述装置均为本技术方案所属技术领域中常见的、可实现相应功能的净化装置，在此不再赘述。
更进一步说明，将步骤C中的二次烟气通入余热回收系统进行余热回收得到的冷凝水通入步骤A的电解水制氢系统，将步骤C产生的冷凝水通入电解水制氢系统进行电解。
进一步地，本方案中可将步骤C中的二次烟气通入余热回收系统进行余热回收得到的冷凝水通入步骤A的电解水制氢系统，将步骤C产生的冷凝水通入电解水制氢系统进行电解，便于水的循环利用。
更进一步说明，将步骤D中得到尾气和二氧化碳通入步骤B的垃圾焚烧系统。
进一步地，本方案还可将步骤D中得到尾气和二氧化碳通入步骤B的垃圾焚烧系统，使垃圾焚烧系统内部形成氧气/二氧化碳的燃烧气氛。具体地，本方案高效耦合电解制氢与垃圾焚烧处理，并且利用电解制氢产生的O2及后端收集的CO2形成优于现有生活垃圾焚烧处理的空气氮气燃烧技术，其优越性如下：
(1)高浓度CO2和H2O的存在使得混合气体具有较高的比热和辐射特性，锅炉的辐射换热与空气气氛燃烧有较大差异；另外，由于CO2与N2摩尔质量的差异也使得烟气的密度大大增加，有利于后续一次烟气的净化处理。
(2)在O2/CO2燃烧过程中，大比例的烟气循环使得锅炉的排烟量大幅降低，锅炉排烟热损失也大幅降低，有利于增加余热综合利用效率。
(3)与空气气氛相比，O2/CO2燃烧技术中烟气的多次循环使得NOx排放量大大减低，在高温焚烧过程中，因无氮气参与焚烧，与现有垃圾焚烧发电以空气(包括约71％的氮气)作为助燃气体相比，其氮氧化物产生量极低，大大减少了烟气的处理难度与成本。
(4)末端进行碳捕集后，可取部分二氧化碳回用至富氧燃烧部分，可实现碳利用的闭环。
更进一步说明，所述尾气和二氧化碳的通入量为3000～5000m3/h。
步骤D得到的尾气和二氧化碳循环通入至步骤B的焚烧过程中，是对烟气中剩余二氧化碳的再循环利用，其中尾气净化后仍含有些许未充分燃烧物质经过再次焚烧能够更为有效的去除，且尾气和二氧化碳所带余热也能被焚烧阶段利用。本技术方案将尾气和二氧化碳的通入量优选为3000～5000m3/h，通入量过低，容易令尾气和二氧化碳循环入炉量不足，通入量过高，O2/CO2的比值降低，容易破坏了燃烧氛围，从而导致燃烧不充分。
更进一步说明，所述尾气和二氧化碳的通入压力为0.09～0.11MPa，通入温度为45～55℃。
本方案将尾气和二氧化碳的通入压力优选为0.1±0.01MPa，通入温度优选为50±5℃。若尾气和二氧化碳的通入压力不足，容易导致流量无法满足循环焚烧的要求，若通入压力过高，则容易使得焚烧过程扰动过于剧烈，对焚烧造成不利影响。而通入温度过低，可能会使得炉内部分温度下降不利于垃圾的焚烧，因此，本方案将尾气和二氧化碳经过净化、余热回收以及纯化过程温度保持在 50±5℃。
作为本技术方案的一个更优实施例，所述尾气和二氧化碳的通入压力为 0.1MPa，通入温度为50℃。
更进一步说明，步骤A中，所述氧气的通入压力为0.09～0.11MPa，通入温度为195～205℃。若氧气的通入压力不足，容易导致流量无法满足循环焚烧的要求，若通入压力过高，则容易使得焚烧过程扰动过于剧烈，对焚烧造成不利影响。本方案将氧气的通入温度通入温度优选为195～205℃，即在通入前对氧气进行预热，可起到干燥垃圾、助燃和维持炉内温度的作用。
作为本技术方案的一个更优实施例，所述氧气的通入压力为0.1MPa，通入温度为200℃。
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1-一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺
A、将水通入电解水制氢系统，电解得到氢气和氧气，并将氧气通入垃圾焚烧系统；其中，氧气的通入量为1500m3/h，通入压力为0.1MPa，通入温度为200℃；
B、对生活垃圾进行分选，利用垃圾焚烧系统将分选后的生活垃圾进行焚烧，得到一次烟气和蒸汽，并将一次烟气通入净化系统进行脱硝、脱酸和除尘的净化处理，得到二次烟气，将蒸汽通入汽轮发电系统进行发电处理，并将产生的电能通入步骤A的电解水制氢系统；其中，垃圾焚烧系统的氧气浓度为30％；
C、将步骤B净化后得到的二次烟气通入余热回收系统进行余热回收，得到冷凝水、热量和三次烟气，并将冷凝水通入步骤A的电解水制氢系统，将步骤C 产生的冷凝水通入电解水制氢系统进行电解；
D、将步骤C得到的三次烟气通入纯化捕集系统进行二氧化碳的纯化和捕集处理，得到尾气和二氧化碳，并将尾气和二氧化碳通入步骤B的垃圾焚烧系统；其中，尾气和二氧化碳的通入量为3000m3/h，通入压力为0.1MPa，通入温度为 50℃。
实施例2-一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺
A、将水通入电解水制氢系统，电解得到氢气和氧气，并将氧气通入垃圾焚烧系统；其中，氧气的通入量为2000m3/h，通入压力为0.1MPa，通入温度为 200℃；
B、对生活垃圾进行分选，利用垃圾焚烧系统将分选后的生活垃圾进行焚烧，得到一次烟气和蒸汽，并将一次烟气通入净化系统进行脱硝、脱酸和除尘的净化处理，得到二次烟气，将蒸汽通入汽轮发电系统进行发电处理，并将产生的电能通入步骤A的电解水制氢系统；其中，垃圾焚烧系统的氧气浓度为35％；
C、将步骤B净化后得到的二次烟气通入余热回收系统进行余热回收，得到冷凝水、热量和三次烟气，并将冷凝水通入步骤A的电解水制氢系统，将步骤C 产生的冷凝水通入电解水制氢系统进行电解；
D、将步骤C得到的三次烟气通入纯化捕集系统进行二氧化碳的纯化和捕集处理，得到尾气和二氧化碳，并将尾气和二氧化碳通入步骤B的垃圾焚烧系统；其中，尾气和二氧化碳的通入量为4000m3/h，通入压力为0.1MPa，通入温度为 50℃。
实施例3-一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺
A、将水通入电解水制氢系统，电解得到氢气和氧气，并将氧气通入垃圾焚烧系统；其中，氧气的通入量为2150m3/h，通入压力为0.1MPa，通入温度为 200℃；
B、对生活垃圾进行分选，利用垃圾焚烧系统将分选后的生活垃圾进行焚烧，得到一次烟气和蒸汽，并将一次烟气通入净化系统进行脱硝、脱酸和除尘的净化处理，得到二次烟气，将蒸汽通入汽轮发电系统进行发电处理，并将产生的电能通入步骤A的电解水制氢系统；其中，垃圾焚烧系统的氧气浓度为38％；
C、将步骤B净化后得到的二次烟气通入余热回收系统进行余热回收，得到冷凝水、热量和三次烟气，并将冷凝水通入步骤A的电解水制氢系统，将步骤C 产生的冷凝水通入电解水制氢系统进行电解；
D、将步骤C得到的三次烟气通入纯化捕集系统进行二氧化碳的纯化和捕集处理，得到尾气和二氧化碳，并将尾气和二氧化碳通入步骤B的垃圾焚烧系统；其中，尾气和二氧化碳的通入量为5000m3/h，通入压力为0.1MPa，通入温度为 50℃。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺，其特征在于，包括电解水制氢系统、垃圾焚烧系统、净化系统、汽轮发电系统、余热回收系统和纯化捕集系统；
所述垃圾能源化处理工艺包括以下步骤：
A、将水通入电解水制氢系统，电解得到氢气和氧气，并将氧气通入垃圾焚烧系统；
B、对生活垃圾进行分选，利用垃圾焚烧系统将分选后的生活垃圾进行焚烧，得到一次烟气和蒸汽，并将一次烟气通入净化系统进行净化，得到二次烟气，将蒸汽通入汽轮发电系统进行发电处理；
C、将步骤B净化后得到的二次烟气通入余热回收系统进行余热回收，得到冷凝水、热量和三次烟气；
D、将步骤C得到的三次烟气通入纯化捕集系统进行二氧化碳的纯化和捕集处理，得到尾气和二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺，其特征在于，步骤A中，所述氧气的通入量为1500～2150m3/h。
3.根据权利要求1所述的一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺，其特征在于，步骤B中，所述垃圾焚烧系统的氧气浓度≥30％，氧气过量系数为3～5％。
4.根据权利要求1所述的一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺，其特征在于，将步骤B中的蒸汽通入汽轮发电系统进行发电处理后产生的电能通入步骤A的电解水制氢系统，利用步骤B产生的电能令电解水制氢系统进行电解。
5.根据权利要求1所述的一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺，其特征在于，所述净化系统包括依次连接的脱硝装置、脱酸装置和除尘装置，步骤B中的净化过程依次包括脱硝处理、脱酸处理和除尘处理。
6.根据权利要求1所述的一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺，其特征在于，将步骤C中的二次烟气通入余热回收系统进行余热回收得到的冷凝水通入步骤A的电解水制氢系统，将步骤C产生的冷凝水通入电解水制氢系统进行电解。
7.根据权利要求1所述的一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺，其特征在于，将步骤D中得到尾气和二氧化碳通入步骤B的垃圾焚烧系统。
8.根据权利要求7所述的一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺，其特征在于，所述尾气和二氧化碳的通入量为3000～5000m3/h。
9.根据权利要求1所述的一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺，其特征在于，所述尾气和二氧化碳的通入压力为0.09～0.11MPa，通入温度为45～55℃。
10.根据权利要求1所述的一种负碳排放的垃圾能源化处理工艺，其特征在于，步骤A中，所述氧气的通入压力为0.09～0.11MPa，通入温度为195～205℃。
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