CN116478727A - 一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法，包括以下步骤：步骤S1，对煤矸石进行分选；步骤S2，将分选后的煤矸石与有机固废混合后进行粉碎和干燥处理，得到粉碎、干燥后的混合物；步骤S3，对混合物进行热解处理，得到固体半焦和挥发分；步骤S4，通过固体半焦催化挥发分进行可控气化，得到固体残渣和可燃气；步骤S5，对固体残渣冷却后进行土地利用或者建材利用；步骤S6，对可燃气进行净化后获得清洁燃气，对清洁燃气进行热能利用或者发电利用，其中，步骤S4中，进行可控气化时还通入有高温烟气，通过控制气化温度以及高温烟气中的含氧量和水汽量对固体残渣进行可控脱碳。本发明还提供了一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用系统。
Description
技术领域
本发明属于固体废弃物资源化利用技术领域，具体涉及一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法及系统。
背景技术
煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的一种固体废物，其含碳量较低、灰分占比高。煤矸石在堆放期间，其中含有的硫化物等物质会进入空气、土壤和水源中，对环境造成污染，并最终威胁人类健康。且由于煤矸石中含有一定量的碳，堆放在一起还可能自燃，引发火灾。煤矸石最便捷的处理方式是用作充填物填充煤矿的塌陷区及矿坑，以及沉陷公路、堤坝等，但该方法并不能充分利用煤矸石中的固定碳成分，附加值较低。
为充分利用煤矸石中的固定碳成分，热解气化工艺成为煤矸石资源化利用的一种新方法。目前关于煤矸石利用的技术较多，如(1)一种协同有机废物的煤矸石综合利用方法(CN103992820A)通过将煤矸石与煤一起作为气化原料供应到气化设备中，以产生甲烷等气体燃料，有效的利用了煤矸石的固定碳成分，而且煤矸石中富含的硅铝成分有助于提高固体残渣的灰熔点，改善了气化设备里结渣的问题。(2)煤矸石热解气化方法(CN103215085A)利用煤矸石热解气化过程中产生的可燃气体进行燃烧，为煤矸石热解气化提供热量，又利用煤矸石热解气化后固体产物的余热产生过热水蒸气，促进水煤气反应的发生。(3)一种协同有机废物的煤矸石的综合利用系统及方法(CN112940783)将筛分得到的碳富集料进行连续高温热解气化，利用得到高温可燃气的显热去加热水蒸气作为气化剂，低温可燃气净化后在内燃机中发电，为筛分系统、气化系统等供电，另外，热解气化产生的炉渣还可作为原料，制备陶瓷短纤、无机板材和硅铝复合板等材料。上述现有技术均是基于热解气化技术来实现煤矸石的资源化、无害化利用，但尚未解决以下问题：
(1)煤矸石含碳量不高，一般的气化过程产生的可燃气热值很低，净化后利用带来的经济效益有限；不净化直接燃烧利用只能利用热能，受到很大的局限；
(2)煤矸石单独处理代价高，回收的能源份额少，经济效益低。
(3)不同场景对煤矸石脱碳的最终要求不同，不能采用统一脱碳方式应对不同的碳含量要求。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法及系统。
本发明提供了一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法，具有这样的特征，包括以下步骤：
步骤S1，对煤矸石进行分选；
步骤S2，将分选后的煤矸石与有机固废混合后进行粉碎和干燥处理，得到粉碎、干燥后的混合物；
步骤S3，对混合物进行热解处理，得到固体半焦和挥发分；
步骤S4，通过固体半焦催化挥发分进行可控气化，得到固体残渣和可燃气；
步骤S5，对固体残渣冷却后进行土地利用或者建材利用；
步骤S6，对可燃气进行净化后获得清洁燃气，对清洁燃气进行热能利用或者发电利用，
其中，步骤S4中，进行可控气化时的气化温度为790℃～890℃，进行可控气化时还通入有挥发分或清洁燃气燃烧产生的高温烟气，通过控制高温烟气的送入量、高温烟气的含氧量和水汽量控制气化温度并对固体半焦进行可控脱碳。
在本发明提供的协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法中，还可以具有这样的特征：其中，当固体残渣进行土地利用时，需使固体残渣的含碳量≥5％，进行可控气化时，通入挥发分燃烧产生的高温烟气，控制气化温度为790℃-850℃，并控制高温烟气的含氧量<11％，水汽量≥10％。
当固体残渣进行建材利用时，需使固体残渣的含碳量<5％，进行可控气化时，通入清洁燃气燃烧产生的高温烟气，控制气化温度为850℃-890℃，并控制高温烟气的含氧量≥15％。
在本发明提供的协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S1中，分选得到含碳率≥15％的煤矸石。
在本发明提供的协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S2中，有机固废为易分解的有机废物，包括秸秆、生活垃圾、废塑料、废橡胶以及废药渣。
在本发明提供的协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S3中，进行热解处理时的热解温度为450℃～650℃。
在本发明提供的协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S4中，可控气化后得到的可燃气的温度≤800℃。
本发明还提供了一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用系统，具有这样的特征，包括：分选装置，用于对煤矸石进行分选；
混合粉碎装置，与分选装置连接，用于对分选后的煤矸石与有机固废进行混合粉碎，得到破碎后的混合物；
干燥器，与混合粉碎装置连接，用于对混合物进行干燥处理；
热解反应器，与干燥器连接，用于对混合物进行热解处理，得到固体半焦和挥发分；
可控气化炉，与热解反应器连接，用于通过固体半焦催化挥发分进行可控气化，得到固体残渣和可燃气；
冷却出料装置，与可控气化炉连接，用于冷却固体残渣；
净化装置，与可控气化炉连接，用于净化可燃气，得到清洁燃气，
其中，可控气化炉还连接有用于提供高温烟气的燃烧室，燃烧室与净化装置和热解反应器连接，
燃烧室还通入有氧化剂，氧化剂与挥发分或清洁燃气发生燃烧反应来产生高温烟气，燃烧室内还喷入有净化装置净化可燃气产生的燃气净化废水，通过控制使用的氧化剂来控制燃烧后得到的高温烟气的含氧量，通过控制燃气净化废水的喷入量控制高温烟气的水汽量，并控制高温烟气的温度。
本发明提供的协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法中，还可以具有这样的特征：其中，热解反应器分别设有挥发分出口和半焦出口，可控气化炉设有挥发分入口和半焦入口，挥发分出口和半焦出口与挥发分入口和半焦入口对应连接，固体半焦通过半焦入口进入可控气化炉中形成≥80mm的固体半焦层，挥发分穿过固体半焦层进行气化。
在本发明提供的协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法中，还可以具有这样的特征：其中，热解反应器和干燥器还连接有用于提供热量的供热装置。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法及系统，通过将有机固废与煤矸石协同处理，根据有机废物的热解挥发分产量高的特点，利用共同热解处理产生的挥发分直接燃烧产生的高温烟气的显热或者最终得到的清洁燃气燃烧产生的高温烟气显热为气化反应提供热量，促进气化，产生的可燃气的热值能够达到普通气化炉产生合成气热值的2倍，有效地提高了最终产物的价值，本发明通过利用有机固废的挥发分，能够避免使用额外的燃料，最大程度上节约了外部能源，同时有效解决了有机废物单独热解过程中焦油堵塞管道、腐蚀设备的问题；
同时，本发明的产物还包括固体残渣，本发明通过控制气化温度以及高温烟气的含氧量和水汽量进行可控脱碳，得到相应含碳量的固体残渣，因此，本发明能够根据固体残渣的不同利用场景进行可控脱碳，便于不同地域资源化利用的需求，还能降低气化炉的温度，避免了结焦、积碳等问题，大幅度提高气化炉的可靠性和寿命，同时还清洁地处理了燃气净化产生的含焦油废水。
因此，本发明通过将热解技术与可控气化技术结合，有效实现了对煤矸石的可控脱碳和资源化利用，并且降低了煤矸石的处理和利用难度，降低了设备要求，进一步降低了综合处理费用。
附图说明
图1是本发明的一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法的流程示意图；
图2是本发明的一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用系统在燃烧室通入挥发分时的工作流程图；
图3是本发明的一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用系统在燃烧室通入清洁燃气时的工作流程图；
图4是本发明的可控气化炉的工作原理图。
具体实施方式
图1是本发明的一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法的流程示意图。
如图1所示，本发明的一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法，包括以下步骤：
步骤S1，对煤矸石进行分选。
步骤S1中，分选得到含碳率≥15％的煤矸石。本发明中，也可不进行分选。
步骤S2，将分选后的煤矸石与有机固废混合后进行粉碎和干燥处理，得到粉碎、干燥后的混合物。
步骤S2中，有机固废为易分解的有机废物，包括秸秆、生活垃圾、废塑料、废橡胶以及废药渣等。
步骤S3，对混合物进行热解处理，得到固体半焦和挥发分。
步骤S3中，进行热解处理时的热解温度为450℃～650℃。
步骤S4，通过固体半焦催化挥发分进行可控气化，得到固体残渣和可燃气。步骤S4中，可控气化后得到的可燃气的温度≤800℃。
步骤S4中，进行可控气化时的气化温度为790℃～890℃，进行可控气化时还通入有挥发分或清洁燃气燃烧产生的高温烟气，通过控制高温烟气的送入量、高温烟气的含氧量和水汽量控制气化温度并对固体半焦进行可控脱碳。
本发明中，煤矸石本身在热解阶段产生的挥发分很少，利用在与垃圾共同热解处理的过程中产生的挥发分直接燃烧产生的高温烟气的显热或者清洁燃气燃烧产生的高温烟气显热为气化反应提供热量，促进气化，而不是被大量的空气气化，因此能够使得产生的可燃气的热值是普通气化炉产生合成气热值的2倍，能够有效地提高最终产物的价值。并且挥发分被利用，也在最大程度上节约了外部能源。
同时，煤矸石在与垃圾共同热解处理的过程中又被加热，垃圾的热解半焦及煤矸石半焦中都含有催化成分如Ca，Mg等，在高温烟气为气化剂所气化的过程中，热解半焦及煤矸石半焦中的碳容易被气化生产CO和H2。
本发明中，当固体残渣进行土地利用时，需使固体残渣的含碳量≥5％，进行可控气化时，通入挥发分燃烧产生的高温烟气，控制气化温度为790℃-850℃，并控制高温烟气的含氧量<11％，水汽量≥10％。
当固体残渣进行建材利用时，需使固体残渣的含碳量<5％，进行可控气化时，通入清洁燃气燃烧产生的高温烟气，控制气化温度为850℃-890℃，并控制高温烟气的含氧量≥15％。
步骤S5，对固体残渣冷却后进行土地利用或者建材利用。
本发明中，可根据固体残渣的利用场景确定固体残渣的碳含量要求，通过控制高温烟气气氛和供应量来得到对应碳含量的固体残渣进行使用。
步骤S6，对可燃气进行净化后获得清洁燃气，对清洁燃气进行热能利用或者发电利用。
本发明中，由于焦油已经绝大部分被除去，对可燃气进行净化时焦油的问题不是特别突出，重点是需对颗粒物与污染性气体进行脱除。
本发明中，对可燃气进行利用包括热能利用、化学利用、内燃机发电利用等利用方式，具体利用场景可包括作为燃气锅炉的燃料燃烧、做为合成气利用，用于合成乙醇、用于内燃机发电等应用场景。
本发明的一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用系统，包括分选装置1、混合粉碎装置2、干燥器3、热解反应器4、可控气化炉5、燃烧室6、冷却出料装置7、净化装置8。
分选装置1用于对煤矸石进行分选。分选装置1可选自重介质浅槽分选、跳汰分选、智能干法分选等分选方式。
混合粉碎装置2与分选装置1连接，用于对分选后的煤矸石与有机固废进行混合粉碎，得到破碎后的混合物。混合粉碎装置2可选自锤式破碎机、辊式破碎机、颚式破碎机、反击式破碎机、双轴剪切破碎机等破碎机。
干燥器3与混合粉碎装置2连接，用于对混合物进行干燥处理。干燥器3可选自回转窑直接干燥或者间接干燥。
热解反应器4与干燥器3连接，用于对混合物进行热解处理，得到固体半焦和挥发分。热解反应器4可选自回转窑及螺旋式热解反应器。
可控气化炉5与热解反应器4连接，用于通过固体半焦催化挥发分进行可控气化，得到固体残渣和可燃气。
可控气化炉5还连接有用于提供高温烟气的燃烧室6，燃烧室6与净化装置8和热解反应器4连接。燃烧室6可选自圆筒式和长方体的内存耐火砖或者保温材料的燃烧室。
燃烧室6还通入有氧化剂，氧化剂与挥发分或清洁燃气发生燃烧反应来产生高温烟气，燃烧室6内还喷入有净化装置8净化可燃气产生的燃气净化废水，通过控制使用的氧化剂来控制燃烧后得到的高温烟气的含氧量，通过控制燃气净化废水的喷入量控制高温烟气的水汽量，并控制高温烟气的温度，再通过控制高温烟气的送入量控制可控气化炉5内的气化温度。
其中，氧化剂为空气、富氧空气、O2等，燃气净化废水为净化装置8进行燃气净化后产生的含焦油废水。
进一步地，通过控制使用的氧化剂、燃气净化废水的喷入量来控制燃烧后得到的高温烟气的含氧量和水汽量，并控制高温烟气的烟温，其对应关系可参考通过以下关系式计算：
Lg×HHVg-Ls×2500＝Qy×Iy (1)
公式(1)中，Lg、HHVg、Qy、Iy分别为进入燃烧室的燃气或者挥发分的体积、该燃气的高位热值、产生的烟气体积以及高温烟焓，Ls为废水量。烟气体积Qy由下式计算：
Qy＝Qll+Ls×22.4/18 (2)
公式(2)中，Qll为根据给予的氧化剂生成的烟气量。
图2是本发明的一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用系统在燃烧室通入挥发分时的工作流程图。
如图2所示，在使用挥发分产生高温烟气时，通过燃烧室6与热解反应器4连接，部分挥发分进行燃烧室6中与氧化剂发生燃烧反应产生高温烟气，同时喷入少量净化产生的废水，高温烟气通过可控气化炉5中，并通过控制高温烟气送入量以及高温烟气的含氧量和水汽量，气化后得到固体残渣可进行土地利用。
图3是本发明的一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用系统在燃烧室通入清洁燃气时的工作流程图。
如图3所示，在使用清洁燃气产生高温烟气时，通过燃烧室6与净化装置8连接，部分清洁燃气进行燃烧室6中与氧化剂发生燃烧反应产生高温烟气，同时喷入少量净化产生的废水，高温烟气通过可控气化炉5中，并通过控制高温烟气送入量以及高温烟气的含氧量和水汽量，气化后得到固体残渣可进行建材利用。
图4是本发明的可控气化炉的工作原理图。
如图4所示，图中为当本发明的可控气化炉5选用为炉排式气化炉时的工作原理图，可控气化炉设有半焦入口51、挥发分入口52、高温烟气入口53、设置在炉内的滚动炉排54以及可燃气出口55，
热解反应器分别设有挥发分出口和半焦出口，挥发分出口和半焦出口与挥发分入口52和半焦入口51对应连接，固体半焦通过半焦入口51进入可控气化炉5中形成≥80mm的固体半焦层，挥发分穿过固体半焦层进行气化，气化过程中通过高温烟气入口53通入高温烟气，为气化反应提供热量并进行可控脱碳，气化完成后的可燃气经过可燃气出口55送出，固体残渣随着滚动炉排54的转动下从炉内排出。
冷却出料装置7与可控气化炉6连接，用于冷却固体残渣至<80℃。冷却出料装置7可选自水冷夹套螺旋或水冷夹套转筒。
本发明中，燃烧室6还设有氧化剂入口，冷却出料装置7中还设有换热组件，换热组件与氧化剂入口连接，在将氧化剂送入燃烧室6之前，先将氧化剂送入冷却出料装置7中，通过换热组件与固体残渣进行换热后再通过氧化剂入口进行燃烧室6，对氧化剂进行预热处理，充分利用系统自身余热。
净化装置8与可控气化炉6连接，用于净化可燃气，得到清洁燃气。
本发明中，干燥器3还与可控气化炉5和净化装置8连接，可控气化炉5中产生高热的可燃气先进入干燥器3中进行热交换，为干燥器3提供部分热量，然后再送入净化装置8进行净化。
本发明中，净化装置8包括除尘装置和脱焦油及脱酸装置，具体地，除尘装置设置与可控气化炉5的可燃气出口相连，用于除去可燃气中的颗粒物；脱焦油装置设置在除尘装置之后，用于对经除尘处理后的可燃气进行脱焦油处理；脱酸装置设置在脱焦油装置之后，用于去除可燃气中的H2S，HCl，SO2等气体污染物，最终得到清洁燃气。
优选地，除尘装置采用旋风除尘器和油喷淋塔的组合；脱焦油装置优选静电捕焦；脱酸装置优选碱颗粒吸附塔或者碱液洗涤塔。
热解反应器和4干燥器3还连接有用于提供热量的供热装置。供热装置可选自热风炉或者二燃室的高温烟气在热解反应器的物料外侧、保温材料内侧流动构成的传热系统。
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法及系统作具体阐述。
<实施例一>
本实施例中，分选装置1选用重介质浅槽分选，混合粉碎装置2选用双辊式破碎机，干燥器3为回转窑，热解反应器4选用回转窑式热解反应器，供热装置为热风炉。
基于本实施例的协同有机废物的煤矸石脱碳和利用系统，本实施例的一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法，包括以下步骤：
步骤S1，通过分选装置1分选出含碳率大于15％的煤矸石。
步骤S2，将该煤矸石和城市生活垃圾中可燃组分按质量比3:1混合并送入混合粉碎装置2，再将粉碎后的煤矸石和城市生活垃圾送入干燥器3中，获得干燥的、颗粒大小相对均匀的煤矸石和生活垃圾混合物。
步骤S3，将干燥的混合物送入热解反应器4中，该热解反应器4中，热解温度控制在580℃，热解时间为30min，得到固体半焦和挥发分。
步骤S4，热解产生的挥发分送入可控气化炉5中，产生的固体半焦也送入可控气化炉5中，挥发分穿过≥80mm的固体半焦层进行气化，获得的可燃气送入净化装置8中进行净化，获得的清洁燃气部分送入燃烧室6中，同时向燃烧室6通入富氧(含O2量为30％)空气，并喷入少量来自净化装置8排出的燃气净化废水，使燃烧室6中燃烧产生的高温烟气中残余O2达到16％，将高温烟气送入可控气化炉5中，调节高温烟气的送入量使得可控气化炉5中的气化温度为890℃，反应时间30min，得到固体残渣和可燃气。
步骤S5，固体残渣送入冷却出料装置7中冷却，冷却后作为烧制水泥熟料的原料进一步利用。
步骤S6，对可燃气进行净化后获得清洁燃气，30％清洁可燃气还送入供热装置热风炉产生900℃的烟气，用于加热热解反应器4和干燥器3。其余的清洁燃气用于内燃机发电。
经测试分析，清洁燃气的主要成分为CO、CH4、H2、CO2、N2，热值为10.5MJ/Nm3。固体残渣主要成分为SiO2、Al2O3、CaO，含碳量为3wt％，说明煤矸石与垃圾中的固定碳均得到了充分的气化。
本实施例中，燃烧室6还设有氧化剂入口，冷却出料装置7中还设有换热组件，换热组件与氧化剂入口连接，在将富氧空气送入燃烧室6之前，先将富氧空气送入冷却出料装置7中，通过换热组件与固体残渣进行换热后再通过氧化剂入口进入燃烧室6，有效地提高了富氧空气的温度，回收了固体残渣的显热。
与煤矸石单独处置相比，投资几乎没有增加，但是运行费用降低了30％。
<实施例二>
本实施例中，混合粉碎装置2选用锤式破碎机，干燥器3为回转窑。
基于本实施例的协同有机废物的煤矸石脱碳和利用系统，本实施例的一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法，包括以下步骤：
步骤S1，通过分选装置1分选出含碳率≥15％的煤矸石；
步骤S2，将该煤矸石与含水率50％的生物质厌氧沼渣按质量比2:1进行混合并送入混合粉碎装置2，再将粉碎后的煤矸石和药渣混合物送入干燥器3中进行干燥处理，获得干燥的、颗粒大小为10mm-30mm的混合物。
步骤S3，将干燥的混合物送入热解反应器4中，该热解反应器4中，热解温度控制在510℃，热解时间为35min，得到固体半焦和挥发分。
步骤S4，热解产生的部分挥发分直接送入燃烧室6中，大部分挥发分送入可控气化炉5中，产生的固体半焦也送入可控气化炉5中，挥发分穿过≥80mm的固体半焦层进行气化，同时向燃烧室6通入空气，并喷入少量来自净化装置8排出的燃气净化废水，燃烧产生的高温烟气温度达1280℃，其中水汽量为15％。高温烟气送入可控气化炉5中，调节送入的高温烟气量使得可控气化炉5中的气化温度为840℃，反应时间40min，得到固体残渣和可燃气。
步骤S5，固体残渣送入冷却出料装置7中冷却，冷却后作为土壤回填材料进一步利用。
步骤S6，对可燃气进行净化后获得清洁燃气，再进一步利用。
本实施例中，经测试分析，清洁燃气的主要成分为CO、N2、CH4、H2、C2H4，CO2，热值12MJ/Nm3。固体残渣主要成分为SiO2、Al2O3、CaO，MgO，FeO等，含碳量7wt％，用于土地改良。
与煤矸石单独处置相比，投资几乎没有增加，但是收益用增加了30％，其中清洁燃气用于内燃机发电；本实施例的系统本身的电力由内燃机发电即可供应。
<实施例三>
本实施例中，混合粉碎装置2选用锤式破碎机，干燥器3为回转窑。
基于本实施例的协同有机废物的煤矸石脱碳和利用系统，本实施例的一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法，包括以下步骤：
步骤S1，通过分选装置1分选出含碳率≥15％的煤矸石；
步骤S2，将该煤矸石与生物质废物(小麦秸秆)按质量比2：1混合并送入混合粉碎装置2，再将粉碎后的煤矸石和药渣混合物送入干燥器3中进行干燥处理，获得干燥的、颗粒大小为4mm-30mm的混合物；
步骤S3，将干燥的混合物送入热解反应器4中，该热解反应器4中，热解温度控制在450℃，热解时间为36min，得到固体半焦和挥发分。
步骤S4，热解产生的部分挥发分直接送入燃烧室6中，大部分挥发分送入可控气化炉5中，产生的固体半焦也送入可控气化炉5中，挥发分穿过≥80mm的固体半焦层进行气化，同时向燃烧室6通入空气，并喷入少量来自净化装置8排出的燃气净化废水，燃烧产生的高温烟气温度达1230℃，水汽量15％，高温烟气送入可控气化炉5中，调节送入的高温烟气量使得可控气化炉5中的气化温度为790℃，反应时间40min，得到固体残渣和可燃气。
步骤S5，固体残渣送入冷却出料装置7中冷却，冷却后作为土壤回填材料进一步利用。
步骤S6，对可燃气进行净化后获得清洁燃气，再进一步利用。
本实施例中，经测试分析，可燃气的主要成分为CO、CH4、H2、C2H4、CO2，热值9.8MJ/Nm3。固体残渣主要成分为SiO2、Al2O3、CaO，MgO，FeO等，含碳量9wt％，可用于贫瘠土壤修复、增加肥力。
与煤矸石单独处置相比，投资几乎没有增加，但是收益用增加了32％，其中清洁燃气用于合成气，生产乙醇或者甲烷。
<实施例四>
本实施例中，混合粉碎装置2选用颚式破碎机，干燥器3为回转窑。
基于本实施例的协同有机废物的煤矸石脱碳和利用系统，本实施例的一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法，包括以下步骤：
步骤S1，本实施例中不对煤矸石进行分选；
步骤S2，将煤矸石与城市园林废弃物按质量比3：2混合并送入混合粉碎装置2，再将粉碎后的煤矸石和园林废弃物混合物送入干燥器3中进行干燥处理，获得干燥的、颗粒大小为10mm-30mm的混合物；
步骤S3，将干燥的混合物送入热解反应器4中，该热解反应器4中，热解温度控制在550℃，热解时间为30min，得到固体半焦和挥发分。
步骤S4，热解产生的部分挥发分直接送入燃烧室6中，大部分挥发分送入可控气化炉5中，产生的固体半焦也送入可控气化炉5中，挥发分穿过≥80mm的固体半焦层进行气化，同时向燃烧室6通入空气，并喷入少量来自净化装置8排出的燃气净化废水，燃烧产生的高温烟气温度达1260℃，水汽量达15％，高温烟气送入可控气化炉5中，调节送入的高温烟气量使得可控气化炉5中的气化温度为850℃，反应时间35min，得到固体残渣和可燃气。
步骤S5，固体残渣送入冷却出料装置7中冷却，冷却后作为土壤回填材料进一步利用。
步骤S6，对可燃气进行净化后获得清洁燃气，再进一步利用。
本实施例中，经测试分析，可燃气的主要成分为CO、CH4、H2、C2H4、CO2，热值11.9MJ/Nm3。固体残渣主要成分为SiO2、Al2O3、CaO，MgO，FeO等，含碳量8wt％，可用于贫瘠土壤修复、增加肥力。
与煤矸石单独处置相比，投资几乎没有增加，但是收益用增加了35％，其中清洁燃气用于附近的供热锅炉。
<实施例五>
本实施例中，分选装置1选用跳汰分选，混合粉碎装置2选用双齿辊式破碎机，干燥器3为回转窑，热解反应器4选用回转窑式热解反应器，供热装置为热风炉。
基于本实施例的协同有机废物的煤矸石脱碳和利用系统，本实施例的一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法，包括以下步骤：
步骤S1，通过分选装置1分选出含碳率大于15％的煤矸石。
步骤S2，将该煤矸石和城市生活垃圾中可燃组分按质量比2:1混合送入混合粉碎装置2，再将粉碎后的煤矸石和城市生活垃圾送入干燥器3中，获得干燥的、颗粒大小相对均匀的煤矸石和生活垃圾混合物。
步骤S3，将干燥的混合物送入热解反应器4中，该热解反应器4中，热解温度控制在650℃，热解时间为20min，得到固体半焦和挥发分。
步骤S4，热解产生的挥发分送入可控气化炉5中，产生的固体半焦也送入可控气化炉5中，挥发分穿过≥80mm的固体半焦层进行气化，获得的可燃气送入净化装置8中进行净化，获得的清洁燃气部分送入燃烧室6中，同时向燃烧室6通入纯O2，使燃烧室6中燃烧产生的高温烟气中残余O2达到18％，并喷入少量来自净化装置8排出的燃气净化废水，使得烟气温度为1200℃，高温烟气送入可控气化炉5中，调节送入的高温烟气量使得可控气化炉5中的气化温度为890℃，反应时间45min，得到固体残渣和可燃气。
步骤S5，固体残渣送入冷却出料装置7中冷却，冷却后作为制砖材料进一步利用。
步骤S6，可燃气送入净化装置8进行净化后获得清洁燃气，27％清洁可燃气还送入供热装置热风炉产生900℃的烟气，用于加热热解反应器4和干燥器3。其余的清洁燃气用于内燃机发电。
本实施例中，经测试分析，热解可燃气与气化可燃气混合后的主要成分为CO、CH4、H2、CO2、N2，热值为11.1MJ/Nm3。固体残渣主要成分为SiO2、Al2O3、CaO，含碳量2.1wt％，说明煤矸石与垃圾中的固定碳均得到了充分的气化。
本实施例中，燃烧室6还设有氧化剂入口，废水喷入口，冷却出料装置7中还设有换热组件，换热组件与氧化剂入口连接，在将氧气送入燃烧室6之前，先将氧气送入冷却出料装置7中，通过换热组件与固体残渣进行换热后再通过氧化剂入口进行燃烧室6，有效地提高了氧气的温度，回收了固体残渣的显热。
与煤矸石单独处置相比，投资几乎没有增加，但是煤矸石和垃圾的综合运行费用降低了45％。
<实施例六>
本实施例中，在实施例五提出的协同有机废物的煤矸石的利用方法及系统的基础上，干燥器3还与可控气化炉5和净化装置8连接，可控气化炉5中产生800℃的可燃气先进入干燥器3中直接与煤矸石及垃圾的混合物接触对其进行换热干燥，然后再送入净化装置8。本实施例中，对于净化后的燃清洁气，其中18％清洁燃气还送入热风炉产生900℃的烟气，用于加热热解反应器4和干燥器3。其余的清洁燃气用于内燃机发电。
实施例的作用与效果
根据实施例一和实施例五可知，当可控气化炉中通入清洁燃气与氧化剂燃烧反应产生的高温烟气，并且通过控制高温烟气的送入量、高温烟气含氧量和水汽量控制气化温度并进行可控脱碳，经过气化后可得到低碳含量的固体残渣来进行建材利用。进一步地，还通过固体残渣显热来对氧化剂进行预热，有效利用了系统自身会浪费掉的高温显热。
根据实施例二至实施例四可知，当可控气化炉中通入挥发分与氧化剂燃烧反应产生的高温烟气，并且通过控制高温烟气的送入量、高温烟气含氧量和水汽量控制气化温度并进行可控脱碳，气化后可得到较高碳含量的固体残渣来进行土地利用。
根据实施例六可知，本实施例中，除了能够通过固体残渣显热来对氧化剂进行预热，还能利用高热的可燃气与矸石及垃圾的混合物接触进行换热干燥，能够最大限度的利用系统自身会浪费掉的高温显热。
根据实施例一至实施例六可知，通过本发明能够得到高热值的清洁燃气以及可控碳含量的固体残渣并进行对应利用，有效降低了运行费用同时还能提高收益。本发明的一种协同有机废物的煤矸石脱碳和利用的方法及系统通过将有机固废与煤矸石协同处理，根据有机废物的热解挥发分产量高的特点，利用共同热解处理产生的挥发分直接燃烧产生的高温烟气的显热或者最终得到的清洁燃气燃烧产生的高温烟气显热为气化反应提供热量，促进气化，产生的可燃气的热值能够达到普通气化炉产生合成气热值的2倍，有效地提高了最终产物的价值，本发明通过利用有机固废的挥发分，能够避免使用额外的燃料，最大程度上节约了外部能源，同时有效解决了有机废物单独热解过程中焦油堵塞管道、腐蚀设备的问题；还部分解决了废水排放问题。
同时，本发明的产物还包括固体残渣，本发明通过控制气化温度以及高温烟气的含氧量和水汽量进行可控脱碳，得到相应含碳量的固体残渣，因此，本发明能够根据固体残渣的不同利用场景进行可控脱碳，便于不同地域资源化利用的需求，还能降低气化炉的温度，避免了结焦、积碳等问题，大幅度提高气化炉的可靠性和寿命。
因此，本发明通过将热解技术与可控气化技术结合，有效实现了对煤矸石的可控脱碳和资源化利用，并且降低了煤矸石的处理和利用难度，降低了设备要求，进一步降低了综合处理费用。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种协同有机废物的煤矸石的可控脱碳和利用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，对煤矸石进行分选；
步骤S2，将分选后的所述煤矸石与有机固废混合后进行粉碎和干燥处理，得到粉碎、干燥后的混合物；
步骤S3，对所述混合物进行热解处理，得到固体半焦和挥发分；
步骤S4，通过所述固体半焦催化所述挥发分进行可控气化，得到固体残渣和可燃气；
步骤S5，对所述固体残渣冷却后进行土地利用或者建材利用；
步骤S6，对所述可燃气进行净化后获得清洁燃气，对所述清洁燃气进行热能利用或者发电利用，
其中，步骤S4中，进行所述可控气化时的气化温度为790℃～890℃，进行可控气化时还通入有所述挥发分或所述清洁燃气燃烧产生的高温烟气，通过控制所述高温烟气的送入量、所述高温烟气的含氧量和水汽量控制所述气化温度并对所述固体半焦进行可控脱碳。
2.根据权利要求1所述的协同有机废物的煤矸石的可控脱碳和利用方法，其特征在于：
其中，当所述固体残渣进行土地利用时，需使所述固体残渣的含碳量≥5％，进行所述可控气化时，通入所述挥发分燃烧产生的所述高温烟气，控制所述气化温度为790℃-850℃，并控制所述高温烟气的含氧量<11％，水汽量≥10％。
当所述固体残渣进行建材利用时，需使所述固体残渣的含碳量<5％，进行所述可控气化时，通入所述清洁燃气燃烧产生的所述高温烟气，控制所述气化温度为850℃-890℃，并控制所述高温烟气的含氧量≥15％。
3.根据权利要求1所述的协同有机废物的煤矸石的可控脱碳和利用方法，其特征在于：
其中，步骤S1中，分选得到含碳率≥15％的所述煤矸石。
4.根据权利要求1所述的协同有机废物的煤矸石的可控脱碳和利用方法，其特征在于：
其中，步骤S2中，所述有机固废为易分解的有机废物，包括秸秆、生活垃圾、废塑料、废橡胶以及废药渣。
5.根据权利要求1所述的协同有机废物的煤矸石的可控脱碳和利用方法，其特征在于：
其中，步骤S3中，进行所述热解处理时的热解温度为450℃～650℃。
6.根据权利要求1所述的协同有机废物的煤矸石的可控脱碳和利用方法，其特征在于：
其中，步骤S4中，所述可控气化后得到的所述可燃气的温度≤800℃。
7.一种协同有机废物的煤矸石的可控脱碳和利用系统，其特征在于，包括：
分选装置，用于对煤矸石进行分选；
混合粉碎装置，与所述分选装置连接，用于对分选后的所述煤矸石与有机固废进行混合粉碎，得到破碎后的混合物；
干燥器，与所述混合粉碎装置连接，用于对所述混合物进行干燥处理；
热解反应器，与所述干燥器连接，用于对所述混合物进行热解处理，得到固体半焦和挥发分；
可控气化炉，与所述热解反应器连接，用于通过所述固体半焦催化所述挥发分进行可控气化，得到固体残渣和可燃气；
冷却出料装置，与所述可控气化炉连接，用于冷却所述固体残渣；
净化装置，与所述可控气化炉连接，用于净化所述可燃气，得到清洁燃气，
其中，所述可控气化炉还连接有用于提供高温烟气的燃烧室，所述燃烧室与所述净化装置和所述热解反应器连接，
所述燃烧室还通入有氧化剂，所述氧化剂与所述挥发分或所述清洁燃气发生燃烧反应来产生所述高温烟气，所述燃烧室内还喷入有所述净化装置净化所述可燃气产生的燃气净化废水，通过控制使用的所述氧化剂来控制燃烧后得到的所述高温烟气的含氧量，通过控制所述燃气净化废水的喷入量控制所述高温烟气的所述水汽量，并控制所述高温烟气的温度。
8.根据权利要求7所述的协同有机废物的煤矸石的可控脱碳和利用系统，其特征在于：
其中，所述热解反应器分别设有挥发分出口和半焦出口，所述可控气化炉设有挥发分入口和半焦入口，所述挥发分出口和半焦出口与所述挥发分入口和所述半焦入口对应连接，所述固体半焦通过所述半焦入口进入所述可控气化炉中形成≥80mm的固体半焦层，所述挥发分穿过所述固体半焦层进行气化。
9.根据权利要求7所述的协同有机废物的煤矸石的可控脱碳和利用系统，其特征在于：
其中，所述热解反应器和所述干燥器还连接有用于提供热量的供热装置。
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| CN117509638B (zh) * | 2023-11-08 | 2024-05-31 | 武汉中科先进材料科技有限公司 | 一种有机固废和富硅固废耦合连续化制备硅碳材料的方法和系统 |
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