CN1514166A - 城市垃圾的固体燃料化方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于环保技术领域，特别涉及一种城市垃圾的固体燃料化方法及其应用。其中城市垃圾的固体燃料化方法，包括先对城市垃圾进行分选、破碎、干燥和热解。本发明经过城市垃圾的固体燃料化方法而制得的固体燃料可以应用到各种场合，特别是城市垃圾制得的固体燃料其性状接近煤炭，如海水淡化、冬天提供取暖用的热能和水泥厂以及需要水蒸气的各种产业等。本发明可实现垃圾的资源化，减量化，无害化，做到垃圾的再生利用，可以节省大量石油，煤炭等不可再生的化石燃料，具有良好的社会和环境效益。

Description

城市垃圾的固体燃料化方法及其应用

                              技术领域

本发明属于环保技术领域，特别涉及一种城市垃圾的固体燃料化方法及其应用。

                              背景技术

城市垃圾中含有很多容易发酵的有机物质，不经过处理，放置则会产生臭味和污染性渗滤液，影响环境，并且垃圾的体积大，占用场地，所以，必须及时处理使其无害化，减量化和能源化。所以，经过热解处理后，可以以较小的体积，长时间的储存，以便各种场合使用。

淡水缺乏已成为影响中国北方大部分地区生产和生活的严重问题。海水淡化作为解决北方沿海地区缺水问题的重要方法，受到社会的广泛关注。其中以热源作为能源的称之为热源型海水淡化技术如：多级闪蒸及多效蒸发作为成熟的技术可被广泛使用。但是以传统能源为热源的海水淡化耗能多，导致成本增加，制约其推广应用。因此，寻找廉价能源就成为热源型海水淡化技术的重要课题。另一方面，随着城市化的发展，城市生活垃圾大量排出，其处理及处置需要占用大量的土地并耗用大量资金，城市生活垃圾中大部分是可燃性有机废物，蕴藏着大量热能。因此，如能将其热能用于海水淡化，则可以实现对垃圾无害化，减量化及资源化的综合利用，同时解决海水淡化的热能消耗，为城市生活垃圾处理与海水淡化相结合提供一种新途径。

另外，其他使用煤炭的场所很多，如一般锅炉、大型厂矿的动力和热力车间或产热装置，水泥行业等，要消耗大量的煤炭等燃料。如果要在这些装置中以城市垃圾做燃料，则会由于垃圾中存在着有害物质，直接燃烧时需要增设各种净化装置。并且直接使垃圾燃烧，热值低，原有装置很难适应要求。所以，经过垃圾的热解去除氯等有害物质，并使其热能增加，使其性能接近煤炭，则可在各种现有装置中直接应用。特别是我国南方缺煤地区，经济又比较发达，产生垃圾较多，如将其进行低成本热解处理制成固体燃料代替煤炭，则既可以部分解决能源问题，又可以达到垃圾的处理目的。同时，我国北方地区冬天气温低，需要供应暖气，供暖也需要耗用大量的燃料。如能将垃圾用于冬天供暖，则可既节省煤炭等燃料，又能达到处理城市垃圾的目的。

因此，城市垃圾的燃料化是城市垃圾的无害化、减量化和资源化的有效途径，但是要使其真正的实用化则必须对垃圾进行提高热值、去除有害物质且能够长时间储存的热解处理。而热解温度直接影响处理成本，一般来说，热解温度低则处理成本也低，因此低温热解处理固体燃料化将是城市垃圾资源化的有效方法。

                             发明内容

本发明的目的在于提供一种城市垃圾的固体燃料化方法及其应用。其中城市垃圾的固体燃料化方法，包括以下步骤：

1)  先对城市垃圾进行分选，分选出可燃垃圾，

2)  将可燃垃圾破碎至3mm-100mm之间，

3)  破碎后在100℃-200℃之间对其进行干燥，

4)  然后在200℃-650℃热解。

热解是按温度区分为一段热解或分段热解，其中：

低温热解温度是200℃-400℃，低温分段热解是在200-400℃之间任意分段进行；

高温热解温度是400℃-650℃，高温分段热解是在400-600℃之间任意进行。

低温优选分段热解温度是在200-300℃和300℃-400℃进行；

高温优选分段热解温度是在400-500℃和500℃-600℃进行。

将垃圾分选后，降低无机物等灰分，提高热值。分选操作可采用人工分选，也可以机械分选，通过破碎便于后续操作，并提高效率。通过干燥除去水分，利于热解进行，且提高热解气体的热值，在200℃-400℃之间热解使垃圾中的PVC中所含的氯分解，成为HCl，排出系统之外，并使垃圾减量。在低温下热解，其设备及运行费用都较低，热解温度依具体情况有所不同，一般来说希望在300℃-350℃之间，热解可以是分段进行，如200-300℃，300-400℃。也可以一段进行，即在一个温度段下进行。

在对所产气体要求高的情况下，应在400-650℃之间，热解效果较好。热解也可以是分段进行，如400-500℃，500-650℃，也可以一段进行，即在一个温度段下进行。

在上述的以城市垃圾的固体燃料化方法，有的情况下垃圾进行预处理的过程也是可以省去干燥步骤。因为有的垃圾含水率不高，可以不经干燥直接进入热解，减少操作环节，有利于降低成本。所以对高含水率的垃圾或对热解气体的热值和组成要求不高时，可不经干燥。

对于有机成分比例不高，或有机成分总体热值较低的垃圾，可以通过添加增热剂，使其热值增加，有利于固体燃料燃烧。同时，如煤炭，焦油等热值增加剂，在受热状态下与垃圾成分相熔合，有利于垃圾形成固体颗粒。增热剂依热值，热特性及垃圾热值，其添加量可进行适当调节，一般来说，增热剂加入物料重量百分比(用wt表示，以下相同)为3-30％，依具体情况选定。增热剂可在热解之初与垃圾一同加入，也可以在热解的后段加入。但一般来说在热解前段除去垃圾中的氯，后段加入热值增加剂使其熔融。在两段热解中的后段加入增热剂避免了在热解除氯时，增热剂中的金属离子与氯反应存留于燃料中的问题，后段加入有利于脱氯。以热融化温度较高的煤做热量增加剂的情况下，热解应在较高温度下进行，如400-650℃段。经过热解制成燃料。热值增加剂可以选用煤炭或焦油等。

在上述的城市垃圾的固体燃料化方法中，还可以在破碎后加入0.3％-15％(wt)的以氧化钙为主的生石灰作为脱氯剂兼固化剂。使其颗粒化，制成燃料。生石灰中的CaO遇水分生成Ca(OH)₂固化后使垃圾成颗粒，固体燃料在燃烧时产生的氯能与其中的Ca反应生成CaCl₂将氯去除。

在热解过程的后段，加入0.3-8％的以氧化钙为主要成分的生石灰作为脱氯剂进行热解，制成燃料，效果更好。因在固体燃料中还可能有很少量的氯残存，因此加入少量生石灰有利于在燃烧过程中除氯。

以上各种方法中的干燥过程的温度可视含水率，操作时间的要求而变化，以上温度指物料的温度，实际操作中直接加热的条件下，热风的进口温度可大于200℃。

如果城市生活垃圾中可燃成分较多，也可根据情况不进行分选，直接进行上述步骤。

上述的城市垃圾的固体燃料化方法，其中所述热解和干燥过程所用的热源是热解过程产生的气体燃料及垃圾或垃圾所产生的固体燃料，还可以是采用其它热源或是将其它热源加入到上述热源的混合热源。

在固体燃料的制备过程中，作为热源在燃烧时，燃烧温度在800℃-1200℃，避免二恶英的产生。

在上述的城市垃圾的固体燃料化方法中，进行垃圾的预处理的设备可以采用煤焦炉、炼铁炉，炼钢炉和烧结炉等。

本发明经过城市垃圾的固体燃料化方法而制得的固体燃料可以应用到各种场合，城市垃圾处理后制得的固体燃料适用于各种需要燃料产生热能的地方，特别是城市垃圾制得的固体燃料其性状接近煤炭，所以可以替代煤炭用于各种场合。如水泥厂以及需要水蒸气的各种产业。

下面具体描述：

城市垃圾处理后制得的燃料按照以下步骤应用到海水淡化中：

1)  将固体燃料运输至海水淡化场；

2)  燃烧；

3)燃烧所产生的热量蒸发海水产生蒸汽，蒸汽冷凝成为淡水的海水淡化过程。

其中，对垃圾进行预处理是根据具体条件，在垃圾运输至海水淡化场前或后均可以。

由于一般海水淡化厂建在海边，而多数城市通常距离海边较远，将垃圾直接运送到海边需要耗费较多的人力物力，而在运输过程中易产生臭味，对环境造成污染。城市生活垃圾中存在大量水分及易腐臭物质，腐蚀性物质，并且形状各异，占用体积大，不便运输储存及使用，因此也要进行预处理。对垃圾进行预处理可以减少其体积，降低其水分含量，杀菌，方便存储和运输，提高垃圾的热值，使城市生活垃圾能方便地用于海水淡化。所以一般需要对垃圾进行预处理；当然对于在海边的城市垃圾和易于运输的垃圾，可以先运输到海水淡化厂再做垃圾预处理。

将生成物运输至海水淡化场，之所以强调运输，是保证垃圾的预处理在任何城市和地方都可以实施，并非只在有海水淡化的地方，说明本发明的实用性和广泛性。

在垃圾的热值较低，而产生垃圾的城市周边又无增热剂资源的情况下，也可只将垃圾进行热解处理。

在燃烧过程中，可以在燃烧前将城市垃圾与增热剂混合后同时加入燃烧装置进行燃烧，其增热剂为3％-45％(wt)，效果更好。增热剂可以选用煤炭、焦油、重油等。以具体情况如有其它高热值气体如燃气，液体燃料等也可以混合使用。

由于海水中存在着大量的金属离子如Na⁺，Mg²⁺，等可以吸收燃烧过程中产生的HCl和SO₂和氮氧化合物达到净化气体的目的。所以燃烧过程中产生的废气可用海水或海水浓缩液以及改质后的海水作为净化剂进行净化。

在海水淡化中，可以采用多级闪蒸或多效蒸发等方法。海水在经过预处理先除悬浮物等后，经蒸发得到淡水，同时产生浓缩的含无机盐残液。其残液可经晶析生产NaCl，MgCl₂，MgSO₄等，也可通过电渗析生产NaOH，H₂，Cl₂或将H₂与Cl₂合成为HCl作为化工原料。

燃烧过程所产生的废气是用海水淡化过程中产生的海水浓缩液做为吸收剂，经过吸收塔，除去废气中的HCl，SO2，氮氧化物等有害物质。

对城市垃圾处理后制得的燃料按照以下步骤应用到冬天提供取暖用的热能：

1)  储存；

2)  燃烧；

3)  产生蒸汽或热水；

4)  水蒸气或热水向使用场所输送.

如春夏秋季的垃圾经过热处理后，保存到冬季取暖使用，对于北方地区具有实际意义。

尤其是城市垃圾体积膨松，热值低，水分含量高等，使起直接应用于要求能量高的场合，如发电等时，热特性与动力煤相比相差较大，需要做一些设备的改造，影响其应用，而用于产生压力不太高的蒸汽和热水的条件下则相对容易些。

以上各种工艺为最基本的工艺，其操作条件也是最基本的条件参数。在实际应用中可依垃圾成分，特性，煤炭特性，资源状况，运输距离等优化组合成总体成本低，效果佳的最佳工艺和操作条件参数。如在临海城市则可将垃圾运至海水淡化场对其进行分选，破碎后干燥或不经干燥直接燃烧，作为海水淡化的热源。

经过上述步骤处理，可实现垃圾的资源化，减量化，无害化，做到垃圾的再生利用，可以节省大量石油，煤炭等不可再生的化石燃料，具有良好的社会和环境效益。

                             具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细论述：

实例1：将城市生活垃圾收集到预处理场后，使用人工分选，分选出垃圾的可燃组分，然后对垃圾的可燃组分进行破碎，破碎至5mm。对破碎后的垃圾进行干燥，干燥采用热风直接加热控制温度在150℃。干燥后的垃圾进入低温热解装置，在345℃对垃圾进行脱氯及热解，气体进入净化装置被净化。热解产生的燃料。

实例2：与实施例1所不同的是：使用分选机械，然后对垃圾的可燃组分进行破碎至10mm。干燥采用热风200℃直接加热。干燥后的垃圾进入热解装置，热解温度是400℃。

实例3：步骤同实施例2，所不同的是：垃圾破碎至5mm。干燥采用间接加热与热风直接加热相结合温度控制在160℃。干燥后的垃圾进入两段式热解装置，先在第一段250℃对垃圾进行热解，然后进入第二段在345℃脱氯及热解，气体进入净化装置被净化。

实例4：步骤同实施例2，所不同的是：垃圾破碎至20mm。干燥是热风200℃直接加热。干燥后的垃圾进入两段式低温热解装置，先在第一段330℃对垃圾进行热解，然后进入第二段在550℃热解。

实例5：步骤同实施例4，所不同的是：垃圾破碎至100mm。在第一段350℃对垃圾进行热解，然后进入第二段在650℃热解，

实例6：步骤同实施例1，所不同的是：垃圾破碎至3mm。破碎后的垃圾经150℃干燥后进入热解装置，在650℃对垃圾进行脱氯及热解。

实例7：步骤同实施例1，所不同的是：垃圾破碎至25mm。破碎后的垃圾不经干燥直接进入热解装置，在400℃对垃圾进行脱氯及热解。

实例8：步骤同实施例7，所不同的是：垃圾破碎至40mm。在650℃对垃圾进行脱氯及热解。

实例9：步骤同实施例2，所不同的是：垃圾破碎至3mm。对破碎后的垃圾不经干燥，直接进入两段式低温热解装置，先在第一段350℃对垃圾进行热解，然后进入第二段在550℃热解。

实例10：步骤同实施例9，所不同的是：垃圾破碎至100mm。第一段350℃，第二段在650℃

实例11：步骤同实施例7，所不同的是：垃圾破碎至3mm。破碎后的垃圾在350℃对垃圾进行脱氯及热解。

实例12：步骤同实施例7，所不同的是：垃圾破碎至50mm。直接进入两段式低温热解装置，先在第一段250℃左右对垃圾进行热解，然后进入第二段在350℃脱氯及热解，

实例13：步骤同实施例1，所不同的是：垃圾破碎至3mm，干燥采用热风150℃直接加热。干燥后的垃圾在250℃下热解脱氯后加入10％(wt)的煤炭作为热值增加剂在380℃下热解。

实例14：步骤同实施例2，所不同的是：垃圾破碎至20mm，干燥采用热风160℃直接加热。干燥后的垃圾加入5％(wt)的煤炭作为热值增加剂产生的燃料，在350℃下进行脱氯热解。

实例15：步骤同实施例1，所不同的是：干燥后的垃圾加入18％(wt)的煤炭作为热值增加剂在350℃脱氯热解产生的燃料。

实例16：步骤同实施例1，所不同的是：垃圾破碎至3mm。干燥采用热风100℃直接加热。干燥后的垃圾加入5％(wt)的焦油作为热值增加剂在320℃下进行脱氯热解。

实例17：步骤同实施例7，所不同的是：垃圾破碎至3mm。对破碎后的垃圾不经干燥直接加入15％(wt)的煤炭作为热值增加剂，在400℃下热解。产生的燃料。

实例18：步骤同实施例2，所不同的是：垃圾破碎至20mm。对破碎后的垃圾在150℃条件下干燥，然后在350℃下热解脱氯，然后加入8％的煤炭在550℃下热解产生的燃料。

实例19：步骤同实施例9，所不同的是：垃圾破碎至10mm。对破碎后的垃圾不经干燥直接加入6％(wt)的焦油作为热值增加剂在350℃热解脱氯产生的燃料。

实例20：将人工分选可燃垃圾破碎至3mm。破碎后加入5％(wt)的生石灰和6％的水作为脱氯剂兼固化剂，使其颗粒化，制成燃料。

实例21：将机器分选的可燃垃圾破碎至25mm。对破碎后的垃圾在150℃的条件下干燥，干燥后在300℃热解脱氯，然后加入7％的煤炭，0.5％的生石灰，在550℃下热解，制成燃料。

实例22：将上述实施例中制得的固体燃料使用轮船或车辆运送至使用多效蒸发的海水淡化厂燃烧，产生的热量对海水进行蒸发，蒸发得到的蒸汽进入下一效蒸发器，蒸汽被冷凝成为净化后的淡水，冷凝过程中放出的热量，进一步蒸发其他海水，形成蒸汽，依次形成多效蒸发，产生淡水。燃烧产生的气体进入吸收塔下部，与海水逆向流动，将海水作为吸收剂对气体进行净化。海水可以循环使用。

实例23：将机器分选的可燃垃圾破碎至5mm。对破碎后的垃圾在120℃的条件下干燥，干燥后的垃圾在300℃热解脱氯，然后加入8％的煤炭，0.6％的生石灰，在350℃下热解，制成燃料。其燃料用轮船或火车运至海水淡化厂，通过燃烧产生热量，将海水用高效蒸发法，淡化成淡水，浓缩后的残液，进入电渗析装置，生成NaOH，H₂和Cl₂，再将其合成HCl作为化工产品。

实例24：将机器分选的可燃垃圾破碎至70mm。对破碎后的垃圾在150℃的条件下干燥，干燥后在330℃下热解脱氯，制成燃料。燃料用轮船或火车运至海水淡化厂，通过燃烧产生热量，在燃烧过程中加入8％的煤炭，将海水用多效蒸发法或多级闪蒸，淡化成淡水，浓缩后的残液，进入电渗析装置，生成NaOH，H₂和Cl₂，再将其合成HCl作为化工产品。

实例24：将垃圾运输到海水淡化场，对其进行分选，将分选出的可燃物进行破碎，破碎到5mm，然后用热风在150℃下进行干燥，干燥后的垃圾直接进入燃烧装置，进行海水淡化。

实例25：将垃圾运输到海水淡化场，对其进行分选，将分选出的可燃物进行破碎，破碎到5mm。直接进入燃烧装置燃烧，进行海水淡化。

实例26：将上述实施例中制得的固体燃料储存于垃圾处理场，在上面覆盖防雨塑料布，气候转冷后，将其运输到供暖锅炉场所，将其作为燃料燃烧，产生50℃-90℃的热水并通过泵将其压送到用户供其取暖。

实例27：将上述实施例中制得的固体燃料储存于垃圾处理场，在上面覆盖防雨塑料布，随时将其运到钢铁厂的热力车间供锅炉燃烧，产生5-10个大气压的水蒸汽，供各个车间使用。

实例28：将上述实施例中制得的固体燃料储存于垃圾处理场，在上面覆盖防雨塑料布，随时将其运到水泥厂，供其烧制水泥之用。

实例29：将上述实施例中制得的固体燃料储存于垃圾处理场，在上面覆盖防雨塑料布，随时将其运到化工厂的热力车间，供蒸汽锅炉燃烧使用，产生需要的蒸汽用于蒸馏浓缩。

实例30：将上述实施例中制得的固体燃料储存于垃圾处理场，在上面覆盖防雨塑料布，随时将其运到造酒厂的热力车间，供其锅炉燃烧使用，产生蒸汽，供制酒蒸馏使用。

Claims (19)

1.一种城市垃圾的固体燃料化方法，包括以下步骤：

1)  先对城市垃圾进行分选，分选出可燃垃圾，

2)  将可燃垃圾破碎至3mm-100mm之间，

3)  破碎后在100℃-200℃之间对其进行干燥，

4)  然后在200℃-650℃热解。

2.如权利要求1所述的一种城市垃圾的固体燃料化方法，其特征是所述的热解是按温度区分为一段热解或分段热解，其中：

低温热解温度是200℃-400℃，低温分段热解是在200-400℃之间任意分段进行；

高温热解温度是400℃-650℃，高温分段热解是在400-600℃之间任意进行。

3.如权利要求1所述的一种城市垃圾的固体燃料化方法，其特征是所述的垃圾进行预处理的方法是省略干燥步骤。

4.如权利要求1、2或3所述的任意一种城市垃圾的固体燃料化方法，其特征是所述的热解步骤中加入物料重量百分比(用wt表示，以下相同)3％-30％的煤炭或焦油等热值增加剂进行热解。

5.如权利要求1、2或3所述的一种城市垃圾的固体燃料化方法，其特征是：在可燃组分中加入0.3％-15％(wt)的以氧化钙为主要成分的生石灰作为脱氯剂兼固化剂。

6.如权利要求1、2或3所述的一种城市垃圾的固体燃料化方法，其特征是所述热解过程的后段，加入0.3％-8％的以氧化钙为主要成分的生石灰作为脱氯剂进行热解，制成燃料。

7.如权利要求1或2所述的一种城市垃圾的固体燃料化方法，其特征是所述热解和干燥过程所用的热源是热解过程产生的气体燃料及垃圾或垃圾所产生的固体燃料。

8.如权利要求7所述的一种城市垃圾的固体燃料化方法，其特征是所述的燃料在燃烧过程中，燃烧温度在800℃-1200℃。

9.如权利要求1或2所述的一种城市垃圾的固体燃料化方法，其特征是所述的垃圾进行预处理的设备是采用煤焦炉、炼铁炉，炼钢炉和烧结炉等。

10.一种城市垃圾的固体燃料的应用，其特征是对城市垃圾处理后制得的燃料按照以下步骤应用到海水淡化中：

1)  将固体燃料运输至海水淡化场；

2)  燃烧；

3)  燃烧所产生的热量蒸发海水蒸汽，蒸汽冷凝成为淡水的海水淡化过程。

11.如权利要求10所述的一种以城市生活垃圾为燃料的应用，其特征是所述的步骤中省略1)将固体燃料运输至海水淡化场。

12.如权利要求10或11所述的一种以城市生活垃圾为燃料的应用，其特征是所述的燃烧过程是在燃烧前将城市垃圾燃料与增热剂混合后同时加入燃烧装置进行燃烧，其增热剂为3％-45％(wt)。

13.如权利要求12所述的一种一种以城市生活垃圾为燃料的应用，其特征是所述的增热剂是煤炭、焦油、重油等。

14.如权利要求10所述的一种城市垃圾的固体燃料的应用，其特征是所述的海水淡化是采用多级闪蒸或多效蒸发等方法。

15.如权利要求10或14所述的一种城市垃圾的固体燃料的应用，其特征是所述的海水淡化过程中，其残留的浓缩液，经晶析制取NaCl或对其浓缩液进行电解，得到NaOH，H₂，Cl₂或HCl。

16.如权利要求10或11所述的一种城市垃圾的固体燃料的应用，其特征是所述的燃烧过程所产生的废气是用海水淡化过程中产生的海水浓缩液做为吸收剂，经过吸收塔，除去废气中的HCl，SO₂，氮氧化物等有害物质。

17.一种城市垃圾的固体燃料的应用，其特征是对城市垃圾处理后制得的固体燃料适用于各种需要燃料产生热能的装置。

18.一种城市垃圾的固体燃料的应用，其特征是对城市垃圾处理后制得的固体燃料用于代替煤炭。

19.一种城市垃圾的固体燃料的应用，其特征是对城市垃圾处理后制得的燃料按照以下步骤应用到冬天提供取暖用的热能：

1)  储存；

2)  燃烧；

3)  产生蒸汽和热水；

4)  水蒸气或热水向使用场所输送。