CN114106858A - 一种有机固体废弃物复合热化学处置和利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种有机固体废弃物复合热化学处置和利用方法，将有机固体废弃物经预处理后低温热解，产物和气化剂混合在高温气流床气化炉内高温气化熔融，产生高温合成气和熔渣；高温合成气经过除尘、余热梯级利用或激冷、脱氨、脱硫后，得到净化的干合成气，其中一部分送入燃烧器，一部分与气化炉出口的高温合成气掺混降温，剩余部分进行高值化利用；高温熔渣经激冷后，形成玻璃体。合成气与富氧气体在燃烧器内燃烧产生高温烟气，为热解反应器间壁供热，排出的烟气经干燥后一部分用作输送气，一部分掺配纯氧制备富氧气体，剩余部分直接进行碳捕集和封存。本发明的方法清洁、低碳、高效、安全，可实现大规模固体废弃物的无害化处置与资源化利用。
Description
技术领域
本发明涉及有机固体废弃物特别是有机危废固体废弃物无害化处置和资源化利用领域。具体地，涉及一种有机固体废弃物复合热化学处置和利用方法。
背景技术
有机固体废弃物的安全、清洁、低碳、高效处置已成为困扰城市及工业经济健康快速发展的一个严重而紧迫的问题。有机固体废弃物，特别是有机危险固体废弃物，如生活垃圾、填埋场垃圾、工业污泥、飞灰等，处置不彻底，会产生重金属、二噁英等有毒有害物质，造成二次污染。
现有的有机固废处置技术包括卫生填埋、堆肥、热干化-焚烧、协同焚烧、热解气化等。随着填埋场饱和以及用地的紧缺，填埋工艺已逐渐被淘汰，且填埋场垃圾的处置也逐渐成为人类面临的又一难题。堆肥工艺周期长、占地大，也不适用于大宗有机固体废弃物的处置。有机固体废弃物焚烧是目前商业化程度最高的技术工艺，但现有技术仍存在过程二次污染防控，邻避效应，公众接受度低环评要求高等问题；尤其对于有机危险固体废弃物，其处置要求更为严苛，处置后的残渣需达到玻璃态标准，需严格控制二噁英、重金属含量，防止二次污染，处置难度极高。高温熔融是有机危险固体废弃物深度处置的发展方向，但目前的高温熔融技术，如等离子体气化、水泥窑协同技术等均存在能耗和成本高、处理量小等问题，限制了其应用。因此，开发一种适用于大规模有机固物，特别是危废高效处置和深度资源化利用的技术工艺具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种有机固体废弃物复合热化学处置和利用方法。
为解决上述问题，本发明采用下述技术方案：
一种有机固体废弃物复合热化学处置和利用方法，包括以下步骤：
1）有机固体废弃物经预处理后输送至低温热解反应器，生成热解残渣和热解气；
2）将热解残渣、热解气以及气化剂通入高温气流床气化炉中进行高温气化熔融反应，产生高温合成气和熔渣；
3）高温合成气经过除尘、余热梯级利用或激冷、脱氨、脱硫后，得到净化的干合成气，其中一部分通入燃烧器用于后续的富氧燃烧，一部分与气化炉出口的高温合成气掺混降低合成气温度至除尘温度，剩余部分合成气回收后进行高值化利用；
高温熔渣经激冷后，形成玻璃体；
除尘后的飞灰与热解残渣掺混后循环送入气流床气化炉进行高温熔融；
4）合成气与富氧气体在燃烧器内燃烧产生高温烟气，为热解反应器间壁供热，排出的烟气经干燥后一部分用作输送气，经气力输送器输送热解残渣至气化炉，一部分掺配纯氧制备富氧气体通入燃烧器，剩余部分进行碳捕集和封存。
作为一种优选的实施方式，所述的有机固体废弃物包括生活垃圾、填埋场垃圾、医疗废弃物、炼化污泥、钢厂污泥、含油污泥和/或飞灰中的一种或几种。
作为一种优选的实施方式，所述预处理包括，根据有机固体废弃物区别选用破碎、压滤、分选、干化、调质中的一种或几种预处理方式；优选的，经预处理后，原料的热值为1200~5000kcal/kg，含水率20%~40%。
作为一种优选的实施方式，所述热解反应器为热解炉或气化炉；热解反应的反应温度为300~500℃。
作为一种优选的实施方式，所述高温气化熔融反应的反应温度为1400~1800℃，气化压力为20~500kPa；所述的气化剂为纯氧，水蒸气和二氧化碳；所述的高温合成气主要成分为CO、H2、CO2、水蒸气；所述的净化的干合成气成分为CO、H2和CO2，其中有效气CO和H2的浓度为50%~90%。高温气化温度视原料的灰熔点可在1400~1800℃范围内调节，对高灰熔点原料也可实现其熔融；此外，高温除尘收集的飞灰（一般灰熔点较高）循环进入气化炉，在气化炉内高温熔融，确保了系统没有飞灰产生。
作为一种优选的实施方式，所述步骤3）中，高温合成气的激冷介质为冷却水，激冷后合成气温度降至200℃；所述熔渣的冷激介质为冷却水；除尘过程采用高温陶瓷除尘器，除尘温度600~1100℃。脱氨和脱硫工艺可采用现有常规工艺。熔渣激冷后形成的玻璃体中的重金属浸出毒性满足排放或者建材化利用的相关标准。
作为一种优选的实施方式，所述步骤4）中，富氧气体的成分为二氧化碳和氧气，其中氧气浓度为21%~60%；所述的燃烧器中燃烧反应的温度为900~1300℃；高温烟气与热解反应器间壁换热后的排烟温度为150~300℃。
作为一种优选的实施方式，热解反应为常压热解或加压热解，热解产生的热解气压力不足时通过高温风机增压，使热解气达到输送压力20~500 kPa、输送温度300~400℃，避免热解气中焦油的冷凝。
作为一种优选的实施方式，所述热解残渣、热解气和气化剂通过喷嘴进入高温气流床气化炉；优选通过不同的烧嘴通道进料，提高操作安全性和可靠性；
当气化温度达不到熔融温度要求时，在热解残渣中添加天然气、煤粉和/或生物质粉调控气化反应。
作为一种优选的实施方式，所述步骤4）中，高温烟气与热解反应器间壁换热后排出的烟气成分包括二氧化碳和水蒸气，将水蒸汽分离后对二氧化碳进行捕集。
与现有工艺相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本工艺将固体废弃物中的有机物和固定碳等转化为合成气，进一步可用于制纯氢、高纯甲烷、发电、产蒸汽等用途，将灰分转化为玻璃体熔渣，进一步可用于建材原料，实现资源化和高值化利用；工艺过程产生的烟气主要成分为CO2，可有效进行捕集，不对外排烟，且不产生飞灰，是一种清洁、低碳、高效、安全的处置工艺。
（2）复合热化学处置（低温热解预处理+高温气化熔融）工艺不同于现有的焚烧工艺，先低温热解使固体热结渣易于输送，之后通过高温气化熔融实现二噁英高温阻断，两个反应均在无氧/缺氧气氛下进行；同时，通过高温除尘和激冷等措施，可有效抑制二噁英从头合成；此外，缺氧气氛可降低有机固废的灰熔点，有利于高温熔融，形成玻璃体熔渣，实现重金属热阻断。
（3）工艺可实现CO2的高效捕集和利用：一部分高温CO2与纯氧掺混，形成富氧气体，为合成气燃烧供氧，降低系统能耗；一部分可用作输送气，去输送热解残渣，提高了系统安全性，同时CO2也是一种气化剂，可提高气化反应效率；剩余的CO2烟气可直接进行捕集，实现CO2趋零排放，为实现“碳达峰碳中和”提供解决方案。
附图说明
图1为本发明一种有机固体废弃物复合热化学处置和利用方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合本发明具体实施例的附图，对本发明的技术方案进行清晰、完整的描述。需要说明的是，本发明并不局限于以下给出的具体实施例。
实施例1
本发明提供一种有机固废（钢厂污泥）复合热化学处置及资源化利用工艺，具体步骤如下：
1）钢厂污泥经过压滤、干化预处理后，原料的热值为1800kcal/kg，含水率为40%，将预处理后的物料输送至300°C、20kPa下的热解反应器中进行热解，得到热解残渣和热解气。
2）热解残渣、热解气以及气化剂（纯氧）通过喷嘴进入高温气流床气化炉，在气化炉内进行高温气化熔融反应，炉内高温气化熔融区域温度为1400~1600°C，气化压力为20kPa，产生高温合成气和熔渣。
3）高温合成气主要成分为CO、H2、CO2、水蒸气，以及少量的H2S、HCl、NH3，高温合成气从气化炉排出后，经高温陶瓷除尘器在600℃除去飞灰，得到的飞灰进一步与热解残渣掺混，去气化炉进行循环高温熔融，除尘后的合成气去换热，实现余热梯级利用；后续的脱氨脱硫可采用现有常规工艺，最终得到净化的干合成气，干合成气主要成分为CO和H2以及CO2，其中有效气CO和H2的浓度为50%~70%；其中一部分用于变换制纯氢、重整制高纯甲烷、产蒸汽和发电等用途，剩余部分合成气去富氧燃烧工艺，高温熔渣经冷却水激冷后，形成玻璃体，玻璃体中的重金属浸出毒性满足排放或者建材化利用的相关标准。
4）剩余部分合成气与富氧气体在燃烧器内燃烧产生高温烟气，高烟气主要成分为二氧化碳和水蒸气，燃烧温度为900°C，高温烟气与热解反应器间壁换热后的排烟温度为200°C，水分分离后即可对二氧化碳加以利用，一部分用作输送气，经气力输送器输送热解残渣至气化炉，一部分掺配纯氧制备富氧气体（富氧气体成分为二氧化碳和氧气，其中氧气浓度为21%），剩余部分可直接进行碳捕集和封存。
实施例2
本发明提供一种有机固废（填埋场垃圾）复合热化学处置及资源化利用工艺，具体步骤如下：
1）填埋场垃圾经过分选、破碎、压滤、干化预处理后，原料的热值为1200kcal/kg，含水率为20%，将预处理后的物料输送至500°C、500kPa下的热解反应器中进行热解，得到热解残渣和热解气。
2）热解残渣掺混生物质粉，并与热解气以及气化剂（纯氧和水蒸气）通过喷嘴进入高温气流床气化炉，在气化炉内进行高温气化熔融反应，炉内高温气化熔融区域温度控制在1400~1600°C，气化压力为500kPa，产生高温合成气和熔渣。
3）高温合成气主要成分为CO、H2、CO2、水蒸气，以及少量的H2S、HCl、NH3等，高温合成气从气化炉排出后，在高温陶瓷除尘器中经900℃除去飞灰，得到的飞灰进一步与热解残渣掺混，去气化炉进行循环高温熔融；除尘后的合成气去换热，实现余热梯级利用；后续的脱氨脱硫可采用现有常规工艺，最终得到净化的干合成气，干合成气主要成分为CO和H2以及CO2，其中有效气CO和H2的浓度为70%~90%；其中一部分用于变换制纯氢、重整制高纯甲烷、产蒸汽和发电等用途，剩余部分合成气去富氧燃烧工艺，高温熔渣经冷却水激冷后，形成玻璃体，玻璃体中的重金属浸出毒性满足排放或者建材化利用的相关标准。
4）剩余部分合成气与富氧气体在燃烧器内燃烧产生高温烟气，高烟气主要成分为二氧化碳和水蒸气，燃烧温度为1300°C，高温烟气与热解反应器间壁换热后的排烟温度为300°C，水分分离后即可对二氧化碳加以利用，一部分用作输送气，经气力输送器输送热解残渣至气化炉，一部分掺配纯氧制备富氧气体（富氧气体成分为二氧化碳和氧气，其中氧气浓度为60%），剩余部分可直接进行碳捕集和封存。
实施例3
本发明提供一种有机固废（炼化污泥）复合热化学处置及资源化利用工艺，具体步骤如下：
1）炼化污泥经过压滤、干化预处理后，原料的热值为5000kcal/kg，含水率为40%，将预处理后的物料输送至400°C、100kPa下的热解反应器中进行热解，得到热解残渣和热解气。
2）热解残渣、热解气混合天然气、以及气化剂（纯氧）通过喷嘴进入高温气流床气化炉，在气化炉内进行高温气化熔融反应，炉内高温气化熔融区域温度为1600~1800°C，气化压力为100kPa，产生高温合成气和熔渣。
3）高温合成气主要成分为CO、H2、CO2、水蒸气，以及少量的H2S、HCl、NH3，高温合成气从气化炉排出后，经高温陶瓷除尘器在1100℃除去飞灰，得到的飞灰进一步与热解残渣掺混，去气化炉进行循环高温熔融，除尘后的合成气去换热，实现余热梯级利用；后续的脱氨脱硫可采用现有常规工艺，最终得到净化的干合成气，干合成气主要成分为CO和H2以及CO2，其中有效气CO和H2的浓度为70%~90%；其中一部分用于变换制纯氢、重整制高纯甲烷、产蒸汽和发电等用途，剩余部分合成气去富氧燃烧工艺，高温熔渣经冷却水激冷后，形成玻璃体，玻璃体中的重金属浸出毒性满足排放或者建材化利用的相关标准。
4）剩余部分合成气与富氧气体在燃烧器内燃烧产生高温烟气，高烟气主要成分为二氧化碳和水蒸气，燃烧温度为1100°C，高温烟气与热解反应器间壁换热后的排烟温度为150°C，水分分离后即可对二氧化碳加以利用，一部分用作输送气，经气力输送器输送热解残渣至气化炉，一部分掺配纯氧制备富氧气体（富氧气体成分为二氧化碳和氧气，其中氧气浓度为35%），剩余部分可直接进行碳捕集和封存。
上述3个实施例仅为本发明的典型实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改或等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种有机固体废弃物复合热化学处置和利用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）有机固体废弃物经预处理后输送至低温热解反应器，生成热解残渣和热解气；
2）将热解残渣、热解气以及气化剂通入高温气流床气化炉中进行高温气化熔融反应，产生高温合成气和熔渣；
3）高温合成气经过除尘、余热梯级利用或激冷、脱氨、脱硫后，得到净化的干合成气，其中一部分通入燃烧器用于后续的富氧燃烧，一部分与气化炉出口的高温合成气掺混降低合成气温度至除尘温度，剩余部分合成气回收后进行高值化利用；
高温熔渣经激冷后，形成玻璃体；
除尘后的飞灰与热解残渣掺混后循环送入气流床气化炉进行高温熔融；
4）合成气与富氧气体在燃烧器内燃烧产生高温烟气，为热解反应器间壁供热，排出的烟气经干燥后一部分用作输送气，经气力输送器输送热解残渣至气化炉，一部分掺配纯氧制备富氧气体通入燃烧器，剩余部分进行碳捕集和封存。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的有机固体废弃物包括生活垃圾、填埋场垃圾、医疗废弃物、炼化污泥、钢厂污泥、含油污泥和/或飞灰中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预处理包括，根据有机固体废弃物区别选用破碎、压滤、分选、干化、调质中的一种或几种预处理方式；优选的，经预处理后，原料的热值为1200~5000kcal/kg，含水率20%~40%。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低温热解反应器为热解炉或气化炉；热解反应的反应温度为300~500℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温气化熔融反应的反应温度为1400~1800℃，气化压力为20~500kPa；所述的气化剂为纯氧，水蒸气和二氧化碳；所述的高温合成气主要成分为CO、H2、CO2、水蒸气；所述的净化的干合成气成分为CO、H2和CO2，其中有效气CO和H2的浓度为50%~90%。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3）中，高温合成气的激冷介质为冷却水，激冷后合成气温度降至200℃；所述熔渣的冷激介质为冷却水；除尘采用高温陶瓷除尘器，除尘温度600~1100℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4）中，富氧气体的成分为二氧化碳和氧气，其中氧气浓度为21%~60%；所述的燃烧器中燃烧反应的温度为900~1300℃；高温烟气与热解反应器间壁换热后的排烟温度为150~300℃。
8. 根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，热解反应为常压热解或加压热解，热解产生的热解气压力不足时通过高温风机增压，使热解气达到输送压力20~500 kPa、输送温度300~400℃。
9.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述热解残渣、热解气和气化剂通过喷嘴进入高温气流床气化炉；优选通过不同的烧嘴通道进料；当气化温度达不到熔融温度要求时，在热解残渣中添加天然气、煤粉和/或生物质粉调控气化反应。
10.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于，所述步骤4）中，高温烟气与热解反应器间壁换热后排出的烟气成分包括二氧化碳和水蒸气，将水蒸汽分离后对二氧化碳进行捕集和利用。
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