CN114181722B - 一种多源固废协同热处理装置及方法 - Google Patents

一种多源固废协同热处理装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于生产土壤修复剂和燃气的多源固废协同热处理装置及方法。所述装置包括多源固废储存单元，热解反应器，气化反应器，生物半焦储存单元，多孔矸渣储存单元，冷凝净化单元，木醋液储存单元、燃烧单元、添加剂储存单元和土壤修复剂单元。所述方法包括将多源固废输入热解气化反应器进行热解和气化反应，得到燃气、生物半焦、气化矸渣和木醋液，并进一步复配获得土壤修复剂。本发明通过热解与气化反应器的选择性耦合，实现了多源固废的分类和分级热转化，提高了处理装置及方法的原料适用性和半焦产品质量，降低了燃气中的焦油含量，减少了处理过程的废水和残渣等污染物排放，有利于降低化石能源消耗和碳排放。

Description

一种多源固废协同热处理装置及方法
技术领域
本发明属于能源和环保技术领域，具体而言，涉及一种固体废弃物处理装置及方法，更具体为一种用于生产土壤修复剂和燃气的多源固废协同热处理装置及方法。
背景技术
固体废弃物处理是我国可持续发展面临的严峻挑战之一。我国是传统的人口、农业和产煤大国，伴随着工农业生产和生活过程，产生了大量的生物质、煤矸石和城市生活垃圾等固体废弃物。据不完全统计，我国年可利用生物质资源约折合4.6亿吨标煤，年城市生活垃圾清运量约2.35亿吨，煤矸石堆积量已超过50亿吨。固体废弃物的大量排放和堆积，不仅对土壤、水体等环境造成了严重危害，也是资源的极大浪费。加强固体废弃物的无害化、减量化和资源化处理成为我国生态环境领域亟待解决的难题之一。此外，由于农牧业等生产活动的快速发展，我国土壤质量日趋下降。尤其是西部地区土壤盐渍化和荒漠化问题较为严重。加快盐碱地等土壤的生态修复对保护环境，维护我国耕地和粮食安全，推动社会可持续发展意义重大。
热解气化技术是实现固体废弃物无害化、减量化和资源化最有效的热处理方式之一。它不仅可将固体废弃物资源转化为燃气及后续冷、热能源，处理后剩余的固体和液体产品还可作为土壤修复剂和肥料，具有较高的综合利用效益。2017年我国农业部重点推介的“秸-炭-肥”还田改土模式，正是通过秸秆热解气化技术，将秸秆转化为生物炭和木醋液，然后作为肥料用于改良土壤和促进作物生长，实现了秸秆在农业生产中的循环利用。专利CN104804775B提出了一种生活垃圾热解气化生产可燃气的方法和系统，通过蓄热式旋转床热解和流化床气化，实现了生活垃圾的高效低污染处理和资源再利用。专利CN103205278B提出了一种热循环连续煤矸石热解气化综合装置，通过高温热解和水煤气反应生产煤气，并为煤矸石热解气化过程提供热量，实现了煤矸石的低能耗处理。
现有的固体废弃物热解气化装置和工艺一般只能处理单一的固体废弃物，少数能同时处理多种固体废弃物的装置和工艺，也仅仅是简单将所有原料混合后同时送入炉内，未考虑原料特性的差异，导致不同固废间的转化程度存在较大差异，半焦或生物炭产品质量参差不齐，燃气中焦油含量过高等问题，给其后续利用带来困难。因此，迫切需求一种更加高效且易于实现的多源固体废弃物协同处理装置和工艺，来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明针对不同固体废弃物的特性，通过装置和方法创新，实现多源固体废弃物的分类和分级热转化，用于生产高质量的土壤修复剂和清洁燃气，以解决目前固体废弃物协同处理难度大，产品质量差等问题，为固体废弃物无害化、减量化和资源化再利用以及土壤生态修复和节能减排提供技术支持。
本发明采用的技术方案概述如下：多源固体废弃物经分类后，生物质和有机城市生活垃圾进入热解反应器，煤矸石和无机城市生活垃圾进入气化反应器。热解反应器产生的固体生物半焦直接作为产品输出，液体和气体产物进入气化反应器，与煤矸石和无机城市生活垃圾进行共气化反应，获得粗燃气和多孔钝化矸渣。粗燃气分离出木醋液后变为清洁燃气，一部分通过燃烧为热解反应器提供热源，另一部分作为产品对外输出，用于发电或供热等。生物半焦、多孔矸渣和木醋液则根据土壤特性，按不同比例与添加剂进行复配，得到具有不同功能的土壤修复剂，用于盐碱地等土壤的生态修复。
根据本发明的一个方面，本发明的一个目的在于提供一种用于生产土壤修复剂和燃气的多源固废协同热处理装置，所述装置包括多源固废储存单元(1)，热解反应器(2)，气化反应器(3)，生物半焦储存单元(4)，多孔矸渣储存单元(5)，冷凝净化单元(6)，木醋液储存单元(7)、燃烧单元(8)、添加剂储存单元(9)和土壤修复剂单元(10)。
所述多源固废储存单元(1)分别与所述热解反应器(2)和所述气化反应器(3)连接，将生物质和有机城市生活垃圾(101)输入所述热解反应器(2)，煤矸石和无机城市生活垃圾(102)输入所述气化反应器(3)，在所述多源固废储存单元(1)中所述生物质和有机城市生活垃圾(101)与所述煤矸石和无机城市生活垃圾(102)分开储存。
所述热解反应器(2)分别与所述生物半焦储存单元(4)、所述气化反应器(3)和所述冷凝净化单元(6)连接，将热解后的固体生物半焦经密封出料阀(201)输入所述生物半焦储存单元(4)，热解后的气体和液体产物从尾端输入所述气化反应器(3)。
所述气化反应器(3)分别与所述多孔矸渣储存单元(5)和热解反应器(2)的燃气换热管道入口连接。所述煤矸石和无机城市生活垃圾(102)、热解气体和液体产物以及所述气化剂(301)在所述气化反应器(3)中进行气化反应，气化后的多孔矸渣经密封出料阀(302)输入所述多孔矸渣储存单元(5)，高温粗燃气(303)经所述气化反应器(3)的燃气出口进入所述热解反应器(2)的燃气换热管道，换热后的中温粗燃气(304)经所述热解反应器(2)的燃气换热管道出口进入所述冷凝净化单元(6)。
所述净化冷凝单元(6)分别与木醋液储存单元(7)、燃烧单元(8)和外部燃气管网相连，将清洁燃气(601)分别输入所述燃烧单元(8)和外部燃气管网，将冷凝液体(602)输入所述木醋液储存单元(7)。
所述燃烧单元(8)与所述热解反应器(2)相连，利用清洁燃气(601)与空气(803)燃烧产生高温烟气(801)，并将其输入所述热解反应器(2)的烟气换热管道，换热后的低温烟气(802)经净化处理后排入大气。所述生物半焦储存单元(4)、多孔矸渣储存单元(5)、木醋液储存单元(7)和添加剂储存单元(9)均与所述土壤修复剂单元(10)连接，分别将生物半焦(401)、多孔矸渣(501)、木醋液(701)和添加剂(901)输入所述土壤修复剂单元(10)。
所述热解反应器(2)为水平外热式回转反应炉，外壁面布置有烟气换热管道和粗燃气换热管道，分别利用高温烟气(801)和高温粗燃气(303)的显热来加热生物质和有机城市生活垃圾(101)。
所述气化反应器(3)为竖直绝热固定床反应炉，主要进行煤矸石和无机城市生活垃圾(102)与气化剂(301)的有氧气化反应，所述气化剂(301)为空气、氧气或水蒸气。
根据本发明的一个方面，本发明的一个目的在于提供一种应用于本发明所述多源固废协同热处理装置的方法，所述方法包括：
首先根据原料特性，对多源固体废弃物进行分选，将其分为生物质和有机城市生活垃圾(101)以及煤矸石和无机城市生活垃圾(102)两大类，然后分别储存在所述多源固废储存单元(1)中，然后输入所述热解反应器(2)和气化反应器(3)。
利用所述热解反应器(2)进行生物质和有机城市生活垃圾(101)的绝氧热解反应，获得生物半焦、热解气体和液体，热解反应温度为300-600℃。
利用所述气化反应器(3)进行煤矸石和无机城市生活垃圾(102)与气化剂(301)的有氧气化反应，获得气化矸渣和高温粗燃气(303)，气化反应温度为600-1200℃。同时，所述热解反应器(2)产生的热解气体和液体产物也会在所述气化反应器(3)中发生裂解和气化反应，从而降低高温粗燃气(303)中的焦油含量，进一步增加燃气产量。
利用所述高温粗燃气(303)的显热和部分清洁燃气(601)与空气(803)燃烧产生的热量为所述热解反应器(2)中的热解反应提供热源，从而提高方法的能量利用效率。剩余的清洁燃气(601)作为产品输出，可替代部分天然气，从而减少化石能源消耗量和碳排放。
利用所述生物半焦(401)、多孔矸渣(501)、木醋液(701)和添加剂(901)，根据拟修复土壤的特性，按一定比例复配获得土壤修复剂(1001)，用于土壤的生态修复。所述添加剂(901)为EM菌种。
本发明所述的多源固体废弃物包括生物质、有机城市生活垃圾、煤矸石和无机城市生活垃圾，所述生物质包括农作物秸秆、畜牧业废弃物、林业和园林业残余物等。
有益效果
本发明的优点为：(1)通过热解反应器与气化反应器的选择性耦合，本发明提出的装置和方法能够根据多源固体废弃物的特性，将易转化和难转化固废隔离，实现其分类和分级热转化，解决了固体废弃物处理装置和方法原料适用性差，半焦产品质量不均匀和燃气焦油含量高等问题；(2)在实现固废处理的同时，本发明可有效活化固废中的碳组分和矿物组分，获得性质优良的半焦和木醋液产品，并作为土壤修复剂用于土壤的生态修复，有效减少了处理过程的废水和残渣等污染物排放；(3)本发明产生的燃气可替代天然气等用于发电或冷热供能等，从而节约化石能源使用量，减少碳排放。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明的所述用于生产土壤修复剂和燃气的多源固废协同热处理装置及方法示意图。
附图标记
图中：1–多源固废储存单元；2–热解反应器；3–气化反应器；4–生物半焦储存单元；5–多孔矸渣储存单元；6–冷凝净化单元；7–木醋液储存单元；8–燃烧单元；9–添加剂储存单元；10–土壤修复剂单元；101–生物质和有机城市生活垃圾；102–煤矸石和无机城市生活垃圾；201–生物半焦密封出料阀；301–气化剂；302–多孔矸渣密封出料阀；303–高温粗燃气；304–中温粗燃气；401–生物半焦；501–多孔矸渣；601–清洁燃气；602–冷凝液体；701–木醋液；801–高温烟气；802–低温烟气；803–空气；901–添加剂；1001–土壤修复剂。
具体实施方式
在本文中，用语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其他任何类似用语均属于开放性连接词(open-ended transitional phrase)，其意欲涵盖非排他性的包括物。举例而言，含有复数要素的一组合物或制品并不仅限于本文所列出的这些要素而已，而是还可包括未明确列出但却是该组合物或制品通常固有的其他要素。除此之外，除非有相反的明确说明，否则用语“或”是指涵盖性的“或”，而不是指排他性的“或”。例如，以下任何一种情况均满足条件“A或B”：A为真(或存在)且B为伪(或不存在)、A为伪(或不存在)且B为真(或存在)、A和B均为真(或存在)。此外，在本文中，用语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”的解读应视为已具体公开并同时涵盖“由…所组成”及“实质上由…所组成”等封闭式或半封闭式连接词。
为了阐明本发明，在附图中省略了与描述无关的部分，并且在整个说明书中，相同或相似的部件由相同的附图标记表示。
另外，为了便于说明，任意地示出了附图中所示的每个部件的尺寸和厚度，因此本发明不必限于附图中所示的那些。
在整个说明书中，当提到某个元件“连接”到另一个元件时，它不仅包括“直接连接”，还包括其他构件之间的“间接连接”。另外，当提到某个元件“包括”某个部件时，这意味着该元件可以进一步包括其他部件而不是排除其他部件，除非相反地明确描述。
本文所使用的术语“第一”、“第二”等是用来解释各种构成元件，并且它们仅用于将一种构成元件与另一种构成元件区分的目的。
并且，本文中所使用的术语仅用于解释示例性实施例，且并不旨在限制本发明。单数表达也包括其复数表达，除非在上下文中另有明确表示。在本文中所使用的“包含”、“配备有”或“具有”之类的术语用于指定实践特性、数目、步骤、构成元件或其组合的存在，并且应当理解为不排除一个或多个其他特性、数目、步骤、构成元件或其组合的添加或存在的可能。
并且，如果一个层或一个元件被提及为形成于“层”或“元件”的“上面”或“上方”，这意味着每一个层或元件被直接形成在该层或元件上，或者在层、主体或基材之间可形成其他的层或元件。
下面结合实施实例对本发明做出进一步的具体说明，但本发明并不限于这些实施例。
一种用于生产土壤修复剂和燃气的多源固废协同热处理装置及方法的具体实施例，固体废弃物原料为玉米秸秆、煤矸石和城市生活垃圾，叙述如下：
(1)处理上述固体废弃物的装置包括多源固废储存单元1，热解反应器2，气化反应器3，生物半焦储存单元4，多孔矸渣储存单元5，冷凝净化单元6，木醋液储存单元7、燃烧单元8、添加剂储存单元9和土壤修复剂单元10。
(2)基于上述装置，首先对固体废弃物原料进行分类和分选，根据原料特性，将容易分解转化的玉米秸秆和有机城市生活垃圾输入热解反应器2，较难分解转化的煤矸石和无机城市生活垃圾输入气化反应器3。
(3)在热解反应器2中，进行玉米秸秆和有机城市生活垃圾101的绝氧热解反应，反应温度为300-600℃。新加入的玉米秸秆和有机城市生活垃圾101由绞龙回转机构向前输送，期间受高温粗燃气303和部分清洁燃气601的燃烧烟气间接加热，温度逐渐升高，先后经历干燥脱水和热解炭化过程，转变为生物半焦、热解气体和液体。其中，生物半焦由热解反应器2后端的密封出料阀201排出，进入生物半焦储存单元4。气体和液体产物则由热解反应器2尾部直接进入气化反应器3。
(4)在气化反应器3中，进行煤矸石和无机城市生活垃圾102的气化反应。气化剂301采用空气，气化反应温度为600-1200℃。煤矸石和无机城市生活垃圾102由气化反应器2顶部输入，依靠重力逐渐向下移动，期间温度逐渐升高，先后经历干燥、热解、气化和燃烧等过程，最终转变为气化矸渣和高温粗燃气303。其中，气化矸渣由气化反应器3底部的密封出料阀302排出，进入气化矸渣储存单元5。高温粗燃气303则进入热解反应器2的燃气换热管道，利用高温显热为热解反应提供热量。此外，由热解反应器2输入的热解气体和液体产物在气化反应器3中床层的催化作用下，也会发生裂解和气化反应，从而降低了高温粗燃气303中的大分子气体和焦油含量，进一步增加了燃气产量。
(5)由热解反应器2换热后的中温粗燃气304进入冷凝净化单元6中，先后经旋风分离、除尘和喷淋洗涤等工序，变为清洁燃气601。其中，一部分清洁燃气601进入燃烧单元8中，与空气803燃烧产生高温烟气801，并进入热解反应器2的烟气换热管道，为热解反应提供热量。换热后的低温烟气802经净化后排入大气。剩余的清洁燃气601作为产品输出，用于替代天然气发电或供热。冷凝净化过程分离出的液体602则进入木醋液储存单元7。
(6)在土壤修复剂单元10中，利用所得到的生物半焦401、多孔矸渣501、木醋液701和EM菌种添加剂901，根据拟修复土壤的特性，按一定比例复配获得土壤修复剂1001，用于土壤的生态修复。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种用于生产土壤修复剂和燃气的多源固废协同热处理装置，其特征在于，所述装置包括多源固废储存单元(1)，热解反应器(2)，气化反应器(3)，生物半焦储存单元(4)，多孔矸渣储存单元(5)，冷凝净化单元(6)，木醋液储存单元(7)、燃烧单元(8)、添加剂储存单元(9)和土壤修复剂单元(10)；
所述多源固废储存单元(1)分别与所述热解反应器(2)和所述气化反应器(3)连接，用于将生物质和有机城市生活垃圾(101)输入所述热解反应器(2)，将煤矸石和无机城市生活垃圾(102)输入所述气化反应器(3)，在所述多源固废储存单元(1)中所述生物质和有机城市生活垃圾(101)与所述煤矸石和无机城市生活垃圾(102)分开储存；
所述热解反应器(2)分别与所述生物半焦储存单元(4)、所述气化反应器(3)和所述冷凝净化单元(6)连接，将热解后的固体生物半焦经密封出料阀(201)输入所述生物半焦储存单元(4)，热解后的气体和液体产物从尾端输入所述气化反应器(3)；
所述气化反应器(3)分别与所述多孔矸渣储存单元(5)和热解反应器(2)的粗燃气换热管道连接，气化后的多孔矸渣经密封出料阀(302)输入所述多孔矸渣储存单元(5)，高温粗燃气(303)经所述气化反应器(3)的燃气出口进入所述热解反应器(2)的粗燃气换热管道，换热后的中温粗燃气(304)经所述热解反应器(2)的粗燃气换热管道出口进入所述冷凝净化单元(6)；
所述冷凝净化单元(6)分别与木醋液储存单元(7)、燃烧单元(8)和外部燃气管网相连，将清洁燃气(601)分别输入所述燃烧单元(8)和外部燃气管网，将冷凝液体(602)输入所述木醋液储存单元(7)；
所述燃烧单元(8)与所述热解反应器(2)相连，将清洁燃气(601)与空气(803)燃烧产生的高温烟气(801)输入所述热解反应器(2)的烟气换热管道，换热后的低温烟气(802)经净化处理后排入大气，所述生物半焦储存单元(4)、多孔矸渣储存单元(5)、木醋液储存单元(7)和添加剂储存单元(9)均与所述土壤修复剂单元(10)连接，分别将生物半焦(401)、多孔矸渣(501)、木醋液(701)和添加剂(901)输入所述土壤修复剂单元(10)；
所述热解反应器(2)为水平外热式回转反应炉，外壁面布置有烟气换热管道和粗燃气换热管道，分别与高温烟气(801)和高温粗燃气(303)连接，所述气化反应器(3)为竖直绝热固定床反应炉，气化剂(301)为空气、氧气或水蒸气。
2.一种应用于权利要求1所述用于生产土壤修复剂和燃气的多源固废协同热处理装置的方法，其特征在于，所述方法包括：
根据原料特性，对多源固体废弃物进行分类，将其分为生物质和有机城市生活垃圾(101)以及煤矸石和无机城市生活垃圾(102)两大类，储存在所述多源固废储存单元(1)中，然后分别输入所述热解反应器(2)和气化反应器(3)，
利用所述热解反应器(2)进行生物质和有机城市生活垃圾(101)的绝氧热解反应，获得生物半焦、热解气体和液体，
利用所述气化反应器(3)进行煤矸石和无机城市生活垃圾(102)与气化剂(301)的有氧气化反应，获得气化矸渣和高温粗燃气(303)，所述热解反应器(2)产生的热解气体和液体产物也进入所述气化反应器(3)中发生进一步的裂解和气化反应，
利用所述高温粗燃气(303)的显热和部分清洁燃气(601)与空气(803)的燃烧产热作为所述热解反应器(2)的热源，剩余的清洁燃气(601)作为产品输出，
利用所述生物半焦(401)、多孔矸渣(501)、木醋液(701)和添加剂(901)，按一定比例复配获得土壤修复剂(1001)，所述添加剂(901)为EM菌种。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述绝氧热解反应的温度为300-600℃，所述气化反应的温度为600-1200℃。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多源固废包括生物质、有机城市生活垃圾、煤矸石和无机城市生活垃圾，所述生物质包括农作物秸秆、畜牧业废弃物、林业和园林业残余物。
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