CN202411083U - 水泥窑联合回转炉垃圾高温空气高效气化协同处置系统 - Google Patents

水泥窑联合回转炉垃圾高温空气高效气化协同处置系统 Download PDF

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刘学炉
侯宾才
杨宏宜
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方明
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Abstract

本实用新型公开了一种水泥窑联合回转炉垃圾高温空气高效气化协同处置系统,属于环保和循环经济领域。该系统包括垃圾前处理系统、垃圾气化热解系统、炉渣处理系统、渗滤液处理系统、水泥生产系统以及相关辅助系统,其中利用回转炉气化热解城市生活垃圾产生可燃气,将可燃气体引入新型干法水泥窑系统的分解炉中高温燃烧,替代部分燃料,并利用分解炉内900℃左右的高温碱性条件,吸收和处理垃圾产生的二噁英等有害气体,炉渣则作为水泥原料。本实用新型在有效控制二噁英生成的同时,可固化重金属,生活垃圾高度资源化,变废为宝,有效地实现固体废弃物“减量化、资源化、无害化”。

Description

水泥窑联合回转炉垃圾高温空气高效气化协同处置系统
技术领域
本实用新型涉及一种水泥窑联合回转炉垃圾高温空气高效气化协同处置系统,属于节能环保和循环经济领域。
背景技术
改革开放30年以来,随着我国经济的快速发展,人民生活水平迅速提高,城市化进程不断加快,城市生活垃圾产量急剧增加。目前,我国每年产生1.5亿吨左右的城市垃圾。垃圾的历年堆存量达60多亿吨,侵占土地面积多达5亿平方米。全国有200多座城市陷入垃圾的包围之中,且有四分之一的城市已发展到无适合场所堆放垃圾,以至于城市把解决垃圾的途径延伸到乡村,导致了城乡结合区域环境恶化。因此,城市垃圾处理已成为我国现代化建设中一个越来越紧迫的问题。
城市生活垃圾最典型的三种处理方式是:焚烧、填埋和堆肥。其中焚烧的减量效果最明显、无害化最彻底、且焚烧热量可以有效利用,因此广为发达国家采用。从目前垃圾处理现状看,我国仍然以填埋为主,垃圾资源化利用率极低。三种处理方式中,填埋法占用大量的土地,易造成地下水和地表水污染;生活垃圾成分复杂,导致堆肥产品肥效低;焚烧制能方式虽然在“无害化、减量化、资源化”方面效果较佳,但若焚烧处理不当,会造成严重的环境污染,焚烧同时会有重金属、二噁英、氯化氢、硫化物以及氮氧化物和氟化物等随同烟尘或灰渣一起排放到环境中。
中国专利号200610076668.X采用“水泥回转窑和焚烧炉联合处理城市生活垃圾系统”,属传统垃圾直接焚烧工艺。该技术利用冷却水泥熟料的三次风作为垃圾焚烧空气,焚烧后产生的热烟气引入水泥窑窑尾系统为水泥生料分解提供热量,由于城市原生垃圾稳定性差,热值低,水分高,在不分选的情况下,焚烧炉出口烟气难以维持900℃以上。垃圾直接焚烧产生的烟气量大,对水泥生产和质量会造成影响,国内对相应的工艺还没有资料报道。此外,在高温(900~1100℃)和氧化环境下不利于金属资源回收,也容易造成重金属挥发。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题,本实用新型的目的是提供一种固体废弃物处置系统,具体为一种水泥窑联合回转炉垃圾高温空气高效气化协同处置系统,该系统能够减少烟气排放,尽可能利用固体废物的热量,高效的回收废弃物中有利用价值的资源,降低重金属挥发量和二噁英污染。
为实现上述目的,本实用新型采用以下技术方案:
水泥窑联合回转炉垃圾高温空气高效气化协同处置系统,包括垃圾前处理系统、垃圾气化热解系统、炉渣处理系统、渗滤液处理系统、水泥生产系统以及相关辅助系统,垃圾前处理系统包括密闭负压垃圾库、破碎装置和干燥机,所述垃圾库内的空气由抽风机经过除尘器引至水泥熟料冷却机高温侧除臭;所述垃圾库包括第一垃圾库、第二垃圾库、行车抓斗和受料机,第一垃圾库通过所述破碎装置与干燥机相连,受料机通过推料机与所述垃圾气化热解系统相连;所述垃圾气化热解系统包括一台回转炉,回转炉通过热解气管道依次与旋风分离器和分解炉连通;所述垃圾气化热解系统采用高温空气高效气化,高温空气来自所述水泥熟料冷却机的部分三次风,取风点布置在窑头罩位置,所述三次风的流量由高温电动蝶阀控制;所述炉渣处理系统通过出渣机分别与铁金属分离装置、铝金属分离装置、炉渣粉碎装置以及水泥生料库相连;所述渗滤液处理系统包括依次连接的废液储槽、过滤器、废液箱、废液泵和雾化泵,雾化泵连接所述分解炉。
上述第一垃圾库用于垃圾的发酵和储存,第二垃圾库则用于垃圾破碎干燥后的暂存。破碎装置用于将城市生活垃圾粗破碎至150mm以下,经破碎预处理的垃圾再经过干燥机的干燥脱水,最后由推料机送入回转炉内气化热解。回转炉内的物料与高温空气逆流换热后进行热解气化,炉内生成的热解气需要经过旋风分离器除去灰尘,然后通过热解气管道引入分解炉内作为煤粉的替代燃料,热解可燃气在输送过程中维持在400℃以上,此时焦油以气体形式存在,避免发生因焦油冷凝而导致管路堵塞。金属分离装置可分别回收金属铁和铝,剩余残留物则运送至水泥生料库做水泥原料。渗滤液处理系统中的渗滤液经过滤后泵入分解炉高温焚烧处理。水泥生产系统与垃圾焚烧系统共用烟气后处理装置,可节省投资成本。
本实用新型垃圾前处理系统包含垃圾的发酵、破碎和干燥三个环节,发酵和干燥是为了提高垃圾低位热值,同时降低入炉水分含量,提高可燃气质量和热值,粗破碎的设置用以增加垃圾的比表面积,增大垃圾在炉内热传递过程中的对流换热面积,优化垃圾气化热解条件;水泥窑尾余热锅炉出口热烟气温度约200℃左右,主要用于水泥原料的烘干,而热解气相对煤粉而言热值低,引入分解炉后窑尾烟气量将有上升,窑尾热源能满足垃圾的烘干需要,垃圾在干燥机内水分减少10%~15%,可提高垃圾和气化热解气低位热值。
所述回转炉在进行垃圾气化热解时,采用中低温热解方式,炉温在500~650℃,炉内维持微负压-30~-100Pa环境,主要原因包括:
(1)炉温控制过高,则合成气热值因为过度氧化而降低;炉温温过低,合成气热值则会因气化不充分而较低,回转炉温度控制在600℃左右;
(2)垃圾中的挥发分在550℃之前已大部分溢出,热解气产率随设置温度的升高呈上升趋势,在550℃时出现转折点,拐点之后变化较为缓慢;
(3)钢、铁、铜、铝的熔点分别为1300℃、1535℃、1084℃和660℃,其中铝的熔点最点,以此为温度点,为便于金属回收,回转炉炉温需设置在650℃以下。
所述回转炉采用内热式布置时,热空气与物料逆流换热。垃圾在干燥热解过程中,供入适量的热风,过剩空气系数控制在0.3~0.6内。热风既能为垃圾干燥热解提供热量,同时热风中的氧气在一定温度下可与热解产生的可燃气体进行燃烧反应,反应产生的热量使回转窑温度升高,从而使后续热解气化反应得以连续充分进行。
与常规的垃圾直接焚烧处理方式相比,本实用新型的系统优越性体现在:
(1)物料停留时间在1小时左右,化学反应时间较长,减少了因垃圾质量和成分波动带来的不利影响,所生成的热解气均质性较好;
(2)回转炉对物料的适应性广,只需简单的粗破碎预处理即可,克服流化床气化炉对物料颗粒要求高的缺点;
(3)抽取适量来自水泥熟料冷却机的高温三次风,采用高温空气作为气化剂和燃烧的氧化剂有利于固体废弃物热解气化的进行,由于气化剂温度的大幅提高,使得气化强度增大,降低了气化剂与固体废弃物的空燃比,减少可燃气中焦油含量,提高了合成燃气的热值和燃气质量以及气化系统的气化效率和热效率;
(4)采用中低炉温炉温气化技术,在还原性气氛下,金属没有被氧化,可进行单体回收,没有造成重金属污染问题;
(5)采用气化方式,低空气比运行,有利于减轻对大气环境的二次污染,有利于减轻烟气处理装置的负荷;
(6)低温气化热解过程, 温度维持在500-650℃,NOx的产生量少;
(7)抑制二噁英产生:回转炉始终处于低温缺氧状态(还原气氛),仅有的氧原子优先与C、H结合,Cu、Al、Fe等不易被氧化,削弱了二噁英的生成环境(催化剂);与此同时,气化炉处于低温运行(500~650℃),重金属基本上不被分解,烟气中很少有重金属离子,炉内中含氢成分高,Cl优先与H结合,从而减少了二噁英的生成条件,分解炉温度维持在900℃左右,气体停留时间大于7s,固体物料的停留时间高达20s以上,能够保证有机物的完全燃烧和分解,加上水泥系统CaO物料较多,系碱性环境,也为抑制二噁英的生成创造了良好的条件;
(8)垃圾中的重金属进入水泥系统后,以稳定的化合态形式与水泥熟料形成混和结晶体,被包溶在熟料矿物之中,可以实现安定化。
附图说明
图1为本实用新型水泥窑联合回转炉垃圾高温空气高效气化协同处置系统的工艺流程图。
图2为本实用新型水泥窑联合回转炉垃圾高温空气高效气化协同处置系统的结构示意图。图中标记说明:1-第一垃圾库;2-行车抓斗;3-破碎装置;4-回转炉;5-热解气管道;6-推料机;7-铁分离装置;8-铝分离装置;9-金属回收室;10-炉渣粉碎装置;11-水泥生料库;12-高温热空气管道;13-热解气管道;14-旋风分离器;15-窑尾预热器;16-分解炉;17-水泥煅烧回转窑;18-三次风管;19-三次风抽风口;20-水泥熟料冷却风机;21-垃圾库抽风机;22-废液储槽;23-过滤器;24-废液箱;25-废液泵;26-雾化泵;27-高温电动蝶阀;28-高温电动蝶阀;29-水泥熟料冷却机;30-布袋除尘器;31-干燥机;32-干燥机热烟气入口;33-干燥机烟气出口;34-受料机;35-第二垃圾库。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型具体说明。
本实用新型的结构和工艺流程示意图如图1和2所示,一种回转炉垃圾低温气化与水泥窑协同处置系统,城市生活垃圾由运输车运送至第一垃圾库1,整个垃圾库采用密闭负压结构,垃圾储量按5~7天考虑,负压通过垃圾库抽风机21产生,排出的臭风经过布袋除尘器30后引入水泥熟料冷却机29温侧进行高温除臭,以维持垃圾库负压环境。城市生活垃圾存放在第一垃圾库1发酵5~7天后,由行车抓斗2送至破碎装置3进行粗破碎处理,城市生活垃圾破碎至150mm以下入干燥机31内脱水,垃圾干燥处理后输送到第二垃圾库35暂存,再由行车抓斗2送至受料斗34,在推料机6作用下进入回转炉4内气化。可燃气由热解气管道5出回转炉4,经旋风分离器14分离出可燃气中未燃尽残炭和飞灰,再通过热解气管道13引入分解炉16作为替代燃料。含碳炉渣利用铁分离装置7和铝分离装置8分别回收铁、铝资源后送入水泥生料库11作为水泥原料。回转炉4所需的气化剂为高温空气,高温空气来自从部分三次风,三次风取风点布置在窑头罩,温度达850℃以上,空气流量由高温电动蝶阀28控制。
其中,干燥机31所需的干燥热源来自窑尾余热锅炉出口热烟气,对垃圾实施干燥以减少入炉水分含量,通过干燥后的垃圾含水量减少10%~15%,干燥机31布置在垃圾库内,避免了干燥过程中臭气外泄。行车抓斗2带称重装置,可记录每日垃圾焚烧量。回转炉4采用内热式逆流布置,内壁采用耐火砖材料结构,内壁带有抄板和导流板,热空气与物料流动方向相反,直接与物料进行对流换热。垃圾进入回转炉4后在炉内进行干燥和热解气化,炉内的固体废弃物与高温空气逆流换热后进行干燥、热解气化,炉内过剩空气系数为0.3~0.6,具体系数根据炉温通过高温电动蝶阀28进行调节。可燃气垃圾在炉内干燥加热热解气化后,部分气化产物同时在燃烧,垃圾干燥和热解气化所要的能量来自于部分气化产物的燃烧放热和高温热空气的传热,供入炉内空气量和补充燃料能满足热解气化和部分燃烧的需要,热解产物为未完全燃烧的可燃气体和含碳半焦残渣。
回转炉4内物料停留时间为1~1.5小时,可有效改善热解可燃气的均质性。当燃料成分有较大变化时,通过改变转速或窑体的倾斜度来调节炉内物料停留时间。
热解可燃气体由于含杂质较多,在进入分解炉16之前经旋风除尘器14处理,再进入热解气管道13,可燃气在热解气管道13内维持在400℃以上,防止因焦油冷凝而导致管路堵塞,热解气管道13与分解炉16连接,热解可燃气进入分解炉16后与来自水泥熟料冷却机29的高温三次风进行二次燃烧,分解炉炉温维持在900℃左右,根据热平衡添加煤粉喷入量,保证水泥窑系统热工制度的稳定性,分解炉内烟气停留时间在6秒以上,烟气里的有毒有害物质的分子结构被彻底破坏。未燃尽的含碳残渣经分选,对铁、铝单体回收,留下的灰渣送入水泥生料库11作为水泥原料,实现资源的循环利用。
垃圾发酵过程中生成的渗滤液集中在废液储槽22内,再经过滤器23过滤后由废液泵24泵入废液箱25,然后经雾化泵26引入分解炉16内进行高温焚烧处理,分解炉16炉温高达900℃,可完全分解废液中的有机成分。
在水泥煅烧回转窑的烟气上升管道中,还可设置一套旁路放氯装置,以此减小氯对水泥窑运行和产品质量的影响,利用冷空气稀释热烟气的方法,将热烟气冷却至200℃左右结合窑尾余热锅炉出口的富裕热烟气用于干燥机31内垃圾的干燥脱水。
本实用新型的结构简单,其工艺流程简洁,没有垃圾焚烧发电的诸多后处理装置,水泥生产系统与垃圾焚烧系统共用一套烟气后处理装置,大大减少了初投资成本,结合水泥窑自身优势,消纳社会固体废弃物,替代不可再生化石能源,为打造绿色生态水泥和实现循环经济可持续发展提供了较为优越的途径,完全符合“减量化、无害化,资源化”三原则要求,可实现固体废弃物综合循环利用,减少二次污染。

Claims (3)

1.水泥窑联合回转炉垃圾高温空气高效气化协同处置系统,包括垃圾前处理系统、垃圾气化热解系统、炉渣处理系统、渗滤液处理系统、水泥生产系统以及相关辅助系统,其特征在于,垃圾前处理系统包括密闭负压垃圾库、破碎装置(3)和干燥机(31),所述垃圾库内的空气由抽风机(21)经过除尘器(30)引至水泥熟料冷却机(29)高温侧除臭;所述垃圾库包括第一垃圾库(1)、第二垃圾库(35)、行车抓斗(2)和受料机(34),第一垃圾库(1)通过所述破碎装置(3)与干燥机(31)相连,受料机(34)通过推料机(6)与所述垃圾气化热解系统相连;所述垃圾气化热解系统包括一台回转炉(4),回转炉(4)通过热解气管道(5)依次与旋风分离器(14)和分解炉(16)连通;所述垃圾气化热解系统采用高温空气高效气化,高温空气来自所述水泥熟料冷却机(29)的部分三次风,取风点布置在窑头罩位置,所述三次风的流量由高温电动蝶阀(28)控制;所述炉渣处理系统通过出渣机分别与铁金属分离装置(7)、铝金属分离装置(8)、炉渣粉碎装置(10)以及水泥生料库(11)相连;所述渗滤液处理系统包括依次连接的废液储槽(22)、过滤器(23)、废液箱(24)、废液泵(25)和雾化泵(26),雾化泵(26)连接所述分解炉(16)。
2. 根据权利要求1所述的水泥窑联合回转炉垃圾高温空气高效气化协同处置系统,其特征在于:所述回转炉(4)采用内热式逆流布置,回转炉(4)的温度为500~650℃,炉内维持微负压-30~-100Pa环境。
3. 根据权利要求1或2所述的水泥窑联合回转炉垃圾高温空气高效气化协同处置系统,其特征在于:所述干燥机(31)所需的热源来自窑尾余热锅炉出口热烟气。
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