CN203791331U - 一种水泥窑协同处理城市生活垃圾的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种水泥窑协同处理城市生活垃圾的系统，涉及城市生活垃圾等有机废弃物的处理，包括管道连接的生活垃圾预处理系统、蒸汽发生系统、生活垃圾气化系统、发电系统以及水泥生产系统，其中篦冷机的高温空气出口分别连通蒸汽发生器热源入口、下吸式固定床气化炉气化剂入口；蒸汽发生器的蒸汽出口连通下吸式固定床气化炉的蒸汽入口，蒸汽发生器的尾气连通干燥装置的热源进口。本实用新型利用水泥生产系统和固定床气化炉来协同处理城市生活垃圾等有机废弃物，既处理城市生活垃圾，又可以部分解决水泥生产对能源的巨大需求问题，实现废旧物资的“减量化，无害化，资源化，再使用，再循环”，符合循环经济发展趋势。

Description

一种水泥窑协同处理城市生活垃圾的系统

技术领域

本实用新型涉及到一种城市生活垃圾等有机废弃物的减量化、无害化、资源化处理，更具体地说是利用水泥生产系统和固定床气化炉来协同处理城市生活垃圾等有机废弃物的系统。

背景技术

21世纪，人类进入知识经济、循环经济时代。世界各国正把“发展循环经济"和"建立循环型社会”作为实现可持续发展的重要途径，循环经济要求以废旧物资“减量化，无害化，资源化，再使用，再循环”为社会经济活动的行为准则。

目前，城市生活垃圾处理主要有四种处理方法：

1、填埋

所谓卫生填埋，就是能对渗滤液和填埋气体进行控制的填埋方式。大多数填埋场的设计、建设和运营仍存在很多问题，表现在：设计理念比较落后，土地填埋利用率低，地下水、地表水的污染事故不断出现；填埋气体处理与利用系统刚刚开始发展，引起温室效应，产生恶臭。

2、堆肥

我国的堆肥厂主要处理混合生活垃圾中的厨余等可降解成分使其成为农田肥料，其局限性主要表现在：由于我国目前还没有开展普遍的生活垃圾分类收集，因此入厂垃圾中含有石块、金属、玻璃、塑料等多种不可降解组分需另行处理。

3、焚烧

垃圾焚烧有减量化显著、无害化较彻底以及可回收垃圾焚烧余热等优点，但焚烧混合垃圾有以下缺陷：我国生活垃圾含水率高，热值低，需要更多的辅助燃料，最终导致焚烧成本上升。焚烧是使生活垃圾过氧燃烧，烟气量大，处理难度大。我国目前除少数经济较发达的城市外，其它城市的混合生活垃圾热值低，含渣量高，不适宜焚烧；另一方面，由于我国混合垃圾中厨余垃圾较多，含盐量较高，HCl会腐蚀焚烧炉，也增加了烟气处理的难度和污染控制成本。焚烧过程中产生的二噁英问题，难以解决。

4、气化

生活垃圾气化是将生活垃圾中有机成分在还原性气氛下与气化剂反应生成可燃合成气的过程。整个气化过程分为热解阶段、氧化阶段和还原阶段。在热解过程中，高分子有机物受热后分解为低碳链的有机化合物，其中一部分挥发分在常温下以气态形式存在，也有一部分发生脱水聚合反应生成焦油。热解阶段产生的挥发分会与通入气化反应器的氧气发生气化燃烧反应，此阶段气化反应体系的温度迅速升高，物料通过氧化区以后便进入还原阶段，热解和氧化阶段产生的CO₂和未参加反应的固定碳进一步反应形成CO，同时也伴随着H₂O和CO₂、CO反应形成CH₄等其他的反应。

城市生活垃圾气化过程中使用的气化反应炉主要有固定床气化炉和流化床气化炉。

固定床气化技术较为成熟，根据垃圾原料和气化介质在床中流动方向的不同，固定床气化炉可分为上吸式和下吸式两种。

下吸式固定床气化炉的工作原理：生活垃圾最初在干燥区，受到裂解区和氧化区的热辐射，蒸发出水分之后，随着物料的消耗在重力作用下进入裂解区，挥发分的气体开始产出，干的生活垃圾逐渐分解为炭、挥发分及焦油等。随着物料的消耗，在重力及微负压的作用下，生成的炭、挥发分及焦油等进入氧化区。气化剂在氧化区加入，与炭、挥发分及焦油等发生反应生成CO₂、CO等，并放出大量的热量。没有消耗完的炭等继续下移到还原区，在这里，发生一系列的还原反应，生成CO、H₂和CH₄等，灰渣则排入灰室中。下吸式固定床气化炉的工作原理决定了其原料适应性好，能够处理水分较高、粒度较大的生活垃圾，且能够连续运行，操作维护简单。

在下吸式固定床气化炉中，气流是向下流动的，因而在干燥区生成的水蒸汽，在裂解区分解出的CO₂、CO、H₂和焦油等热气流向下流经气化区发生氧化还原反应。焦油在通过氧化区时发生裂解变为可燃气体，因此，下吸式固定床气化炉产生的合成气热值相对较高，焦油较少，能源利用率高。

以上城市生活垃圾处理中，焚烧是指完全燃烧至灰，焚烧炉内的空气与燃料的比值较高，足以氧化垃圾原料，在气化工艺中，不完全的热反应所产生的合成气中含有垃圾原料中的能源，而这种合成气可作为燃料在燃气轮机、内燃机中使用，也可以用做化工原料。气化装置比焚烧装置要小得多，这是由于气化所产生的气体量约占完全燃烧所产烟气量的1/4，所需的静电除尘装置或其它的净化设备、冷却设备相应都要小得多。

可见气化方法比焚烧、填埋等方法更优越，但气化同样要面对我国生活垃圾含水率高，热值低，需要辅助燃料、破碎难度大、焦油处理、灰渣处理、渗沥液处理、气体净化等问题。

另一方面，欧洲水泥工业大量成功的实践业已充分表明，利用现有水泥厂处理城市垃圾是最环保最经济最有效的技术路线，把城市生活垃圾的处理与水泥生产过程有效结合起来，直接利用现有的新型干法窑生产过程，既处理了城市生活垃圾，又可以部分解决水泥工业对能源的巨大需求问题，其意义不言而喻。

水泥回转窑协同处理生活垃圾的优势是：

(1)水泥工业可销纳的废物种类多，适用范围广。无论是固体或液体，块状、粒状或膏状，普通废物、危险废物或有毒废物，都可以在水泥窑或预分解炉内燃烧殆尽。

（2）水泥消费量和生产规模很大，水泥窑单机产能高，因此水泥工业对各种废物的销纳量巨大，发展潜力可观。

(3)垃圾焚烧或气化后的灰分参与熟料的形成反应，其中重金属通过固相和液相反应进入水泥熟料中，均被固化在熟料晶格中。在水泥混凝土中，这些重金属元素束缚在水泥熟料的晶格中，由于极难浸出，不会造成二次污染，这已经被大量的试验所证明。

(4)垃圾处理过程中的废气和烟气均进入水泥窑系统，由于因此大大节省了废尾气处理等设备投资；回转窑内焚烧气体温度在1700～1800℃，在高温和较长的停留时间情况下，废弃物中有毒有害的苯环等成分彻底分解，二噁英基本不存在；水泥回转窑系统的全负压运行、高效收尘系统和回灰循环利用系统保证了有害粉尘的收集和利用，使废气实现安全排放。

以上提到的水泥回转窑在处理城市生活垃圾时所具有的优势都是和水泥生产的工艺过程同时进行的，也就是说，在对水泥回转窑系统不进行大的设备调整的条件下，可以利用现有的水泥回转窑系统进行生活垃圾的处理。

水泥窑协同处理生活垃圾现状：

1、生活垃圾分选出可燃物，将可燃物破碎成粉末，经风力输送到窑头或窑尾燃烧器燃烧。此方法对生活垃圾的分选和破碎环节要求非常高，而我国城市生活垃圾成分复杂，难于实施。

2、在水泥回转窑旁并行于三次风管设置回转式垃圾焚烧炉，以冷却水泥熟料的热风作为焚烧炉内的燃烧空气，焚烧后的烟气回到三次风管进入分解炉。焚烧炉热风走向与垃圾物料走向相同。垃圾储池所产生的渗滤液、以及部分储池臭气喷入三次风管。此方法中垃圾渗沥液直接进入三次风管，遇高温迅速膨胀，对水泥生产有较大影响，过程不好控制。

3、生活垃圾进厂后先经过分选破碎，然后进行微生物发酵干化，制成垃圾RDF（垃圾衍生燃料），进入水泥窑利用。垃圾预处理产生的臭气经过生物除臭后排放，垃圾渗滤液喷入窑内高温处理。此方法工艺过程较复杂，分拣后的不可燃物得不到利用，要另行处理；RDF制作过程中添加高热值的煤，也是用化石燃料处理垃圾。

4、用流化床技术气化垃圾，合成气通往烧成系统燃烧，缺点：对生活垃圾分选、破碎要求高，生产过程难控制，没有用到水泥厂余热，没有解决垃圾水分高、热值低的问题，原料适应性较低。

综合以上分析，把工业和城市生活垃圾的处理与水泥生产中对能源的需求结合起来，既处理工业和城市生活垃圾，又可以部分解决水泥生产对能源的巨大需求问题，实现废旧物资的“减量化，无害化，资源化，再使用，再循环”是发展趋势，有必要寻求更有效的协同处理方法。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种节能环保的水泥生产系统协同处理城市生活垃圾的系统。

实现本实用新型的技术方案是：

一种水泥厂协同处理城市生活垃圾的系统，包括以下管道连接的各系统：

生活垃圾预处理系统，其包括顺序使用的垃圾堆棚、垃圾分选装置、干燥装置和破碎装置；

生活垃圾气化系统，其包括顺序使用的下吸式固定床气化炉和气体净化装置；

水泥生产系统，其包括生料预分解装置、窑尾烟室、回转窑、篦冷机以及废气处理装置；还包括：

蒸汽发生系统，其包括顺序使用的污水净化装置和蒸汽发生器；

其中，篦冷机的高温空气出口分别连通蒸汽发生器热源入口、下吸式固定床气化炉气化剂入口；蒸汽发生器的蒸汽出口连通下吸式固定床气化炉的蒸汽入口，蒸汽发生器的尾气连通干燥装置的热源进口。

进一步，所述水泥厂协同处理城市生活垃圾的系统中：

垃圾堆棚的渗沥液出口连通污水净化装置进水口；破碎装置的出口连通下吸式固定床气化炉的物料入口；垃圾分选装置的灰土出口和下吸式固定床气化炉的炉灰出口分别通往生料预分解装置。

下吸式固定床气化炉的可燃合成气出口连通气体净化装置的入口。

垃圾堆棚的垃圾渗沥液出口连通污水净化装置，污水净化装置的出水口与另一外配自来水口连通蒸汽发生器进水口。

垃圾分选装置的有机可燃物出口、垃圾干燥装置、破碎装置和下吸式固定床气化炉依次连通；

所述水泥厂协同处理城市生活垃圾的系统，还包括发电系统，发电系统包括顺序使用的燃气轮机和发电机组；下吸式固定床气化炉的可燃合成气出口连通燃气轮机，燃气轮机的尾气连通垃圾干燥装置的热源进口。

所述生活垃圾气化系统还包括焦油裂解装置，气体净化装置的焦油出口连通该焦油裂解装置，焦油裂解装置的热源进口连通篦冷机的高温空气出口，焦油裂解装置的焦油裂解气出口连通燃气轮机。

燃气轮机带动发电机组，发电机组连接水泥生产系统的动力设备。

所述水泥厂协同处理城市生活垃圾的系统中，污水净化装置的有机污泥出口连通窑尾烟室。

篦冷机入口分别连通垃圾堆棚的臭气出口和干燥装置废气出口，篦冷机的高温空气出口分别连通蒸汽发生器的热源入口、下吸式固定床气化炉气化剂入口和焦油裂解装置的热源进口。

采用以上方案，本实用新型解决了垃圾处理中的水分高、难破碎等难题，有效处理了固废、废气、废水，产生的电能又反哺水泥系统。

本实用新型所提供的水泥生产系统协同处理城市生活垃圾的系统，水泥生产系统和下吸式固定床气化系统相耦合，能够处理含水率高的生活垃圾，可降低破碎难度，并且可使焦油、灰渣、渗沥液处理都得到综合处理，使治理过程中的能量和资源得到循环利用。本实用新型使水泥生产系统和生活垃圾处理系统有机的结合到一起，在不影响水泥正常生产及熟料质量的前提下协同处理了城市生活垃圾。该系统针对我国生活垃圾的特点，利用下吸式固定床气化技术，借助水泥烧成系统的部分余热降低生活垃圾的水分，提高了气化过程的效率，原料适应性好，解决了焦油处理难题，不但使固废、废气、废水得到了利用，产生的电能又能用于水泥生产系统，实现了废旧物资的“减量化，无害化，资源化，再使用，再循环”。

附图说明

图1为本实用新型的工艺流程图；

图2为本实用新型水泥厂协同处理城市生活垃圾系统的基本构成图；

图3为下吸式固定床气化炉原理图。

具体实施方式

下面结合附图来具体说明本实用新型的具体实施方式，但是不限于实施方式中列举的内容。

参见图1和图2，本实用新型水泥厂协同处理城市生活垃圾的系统，由通过管路连通的生活垃圾预处理系统1（包括垃圾堆棚11、垃圾分选装置12、干燥装置13、破碎装置14等）、蒸汽发生系统2（包括污水净化装置21、蒸汽发生器22等），生活垃圾气化系统3（包括下吸式固定床气化炉31、气体净化装置32、焦油裂解装置33等）、发电系统4（包括燃气轮机41、发电机组42等）、水泥生产系统5（包括生料预分解装置51、窑尾烟室52、回转窑53、篦冷机54、废气处理装置55等）组成。其中：

垃圾堆棚11的渗沥液出口连通污水净化装置21进水口；垃圾分选装置12的灰土出口通往生料预分解装置51；破碎装置14的出口连通下吸式固定床气化炉31的物料入口，蒸汽发生器22的蒸汽出口连通下吸式固定床气化炉31的蒸汽入口，篦冷机54的高温空气出口连通下吸式固定床气化炉31的空气入口；下吸式固定床气化炉31的可燃合成气出口连通气体净化装置32的入口，下吸式固定床气化炉31的炉灰出口通往生料预分解装置51；蒸汽发生器22的尾气通入干燥装置13，干燥装置13的废气以及垃圾堆棚11的臭气通往篦冷机54的入口，篦冷机54的高温空气出口分别通往蒸汽发生器22、下吸式固定床气化炉31和焦油裂解装置33。

结合图1-图3，利用本实用新型系统进行水泥厂协同处理城市生活垃圾，可按以下流程：城市生活垃圾进入垃圾堆棚11后进行堆酵3～5天，可使垃圾水分降低，期间产生的臭气G1通过管路（本实用新型中气态物质使用输气管路，下同。图1和图2中虚线表示）输往水泥生产系统5的篦冷机54，垃圾堆棚11保持负压，篦冷机54中的高温会有效去除臭气G1中的有害成分；堆棚11内垃圾堆酵产生的垃圾渗沥液L1通过管路（本实用新型中液态物质使用输液管路，下同）输往污水净化装置21，净化后的上清液L2和自来水配比后输往蒸汽发生器22，在蒸汽发生器22中与来自篦冷机的部分高温空气G2-1（800℃左右）换热产生150℃左右蒸汽G3（蒸汽G3和来自篦冷机的部分高温空气G2-2共同作为垃圾气化系统3的气化剂输往下吸式固定床气化炉31），污水净化装置21净化过程产生的有机污泥S1通过管路或皮带（本实用新型中固态物质使用输料管或皮带输送，下同）输往窑尾烟室52高温裂解；蒸汽发生器22产生的尾气G4作为一部分热源输往垃圾干燥装置13用以进一步降低生活垃圾的水分。

经过垃圾堆棚11堆酵后的生活垃圾进入垃圾分选装置12分选出有机可燃物、厨余、灰土、金属、玻璃等，其中厨余进入堆肥装置进行堆肥处理；金属、玻璃等可回收物作回收处理；灰土S2与生料配比共同破碎后进入水泥生产系统5的生料预分解装置51；垃圾分选装置12最好对生活垃圾中的含氯物质进行分选和分拣（含氯物质另行处理），使分选出的有机可燃物中氯元素含量小于0.025%（质量百分数）；垃圾分选装置12分选出的有机可燃物S3输往垃圾干燥装置13（干燥装置13的热源是蒸汽发生器22的尾气G4和燃气轮机的尾气G5）进行干燥后进入破碎装置14进行破碎处理，使破碎后的有机可燃物S3粒径小于5cm，水分含量小于25%（按质量）；干燥装置13的废气G6输往篦冷机54，利用高温有效去除其中的有害气体。

将干燥、破碎后的有机可燃物S3（来自垃圾分选装置12）输送至垃圾气化系统3中的下吸式固定床气化炉31中作气化处理（此种气化炉工作原理见图3，其原料适应性好，可处理高水分、粒径大的生活垃圾，操作维护简单且能够连续运行，并且气化产生的可燃合成气热值较高，焦油含量少），下吸式固定床气化炉31的气化剂来自蒸汽发生器22的蒸汽G3和来自篦冷机54的部分高温空气G2-2，在气化炉31中有机可燃物S3与来自蒸汽发生器22的蒸汽G3和来自篦冷机54的部分高温空气G2-2发生气化燃烧反应（水蒸汽G3的加入可以提高可燃合成气的热值），其中高温空气过量系数为0.2～0.4，水蒸汽与可燃有机物按质量比0.2～0.8：1（优选0.3～0.5:1）调节流量，气化过程中加入催化剂(催化剂可以是镍基催化剂、煅烧白云石、生石灰等)。作为改进，气化过程的气化剂还可以是空气、富氧空气、纯氧及它们与水蒸汽的混合气等。

下吸式固定床气化炉31气化过程产生的可燃合成气G7经过气体净化装置32分离出焦油后进入发电系统4的燃气轮机41，分离出的焦油L3输往焦油裂解装置33中进行催化裂解，焦油裂解装置中加入催化剂（催化剂可以是白云石、碱金属催化剂、镍基催化剂等），热源是来自篦冷机54的部分800℃左右的高温空气G2-3，焦油L3被催化裂解后产生的焦油裂解气G8输往发电系统4的燃气轮机41；下吸式固定床气化炉31气化过程产生的炉灰S4输往水泥生产系统5的生料预分解装置51。

发电系统4的燃气轮机41推动发电机组42发电（燃气轮机的燃料是来自垃圾气化系统3的可燃合成气G7和焦油裂解气G8），燃气轮机41产生的高温尾气G5输往垃圾干燥装置13，发电机组42产生的电能用于水泥生产系统5的动力设备。

生料和来自垃圾分选装置12的灰土S2以及来自下吸式固定床气化炉31的炉灰S4进行配比后进入水泥生产系统5（为了不影响水泥生产系统的运行要求可燃有机物中氯元素质量含量小于0.025%，灰渣S2和S4掺入生料的总量控制在小于生料总质量的5%），依次通过生料预分解装置51、窑尾烟室52、回转窑53后生成高温熟料S5进入篦冷机54，篦冷机54中的高温熟料S5与常温空气和来自垃圾堆棚11的臭气G1及干燥装置13废气G6进行热交换后产生高温空气G2，所产生的高温空气G2分别输往蒸汽发生器22(G2-1)、下吸式固定床气化炉31(G2-2)、焦油裂解装置33(G2-3)，水泥生产系统中装置51-54产生的废气G9经过废气处理装置55后作为净化后废气排空。

采用该系统和方法对城市生活垃圾原料适应性好，对原水泥生产系统无影响。在生产中通过垃圾干燥装置13使生活垃圾中的有机可燃物S3的水分降低，提高了有机可燃物S3气化过程的效率；下吸式固定床气化炉31可以接受比较大的原料粒径，使垃圾破碎装置14投资降低；下吸式固定床气化炉31气化过程中产生可燃合成气中的焦油能被分离并使其裂解为焦油裂解气通入燃气轮机而得到有效利用；垃圾中的灰渣（灰土S2及炉灰S4）、渗沥液L1都得到综合处理，生活垃圾中有机可燃物S3经下吸式固定床气化炉31气化产生的可燃合成气G7用于发电，产生的电能又作为动力用于水泥生产，使生活垃圾治理过程中的能量和资源得到循环利用。

Claims (10)

1.一种水泥厂协同处理城市生活垃圾的系统，包括以下管道连接的各系统：

生活垃圾预处理系统，其包括顺序使用的垃圾堆棚、垃圾分选装置、干燥装置和破碎装置；

生活垃圾气化系统，其包括顺序使用的下吸式固定床气化炉和气体净化装置；

水泥生产系统，其包括生料预分解装置、窑尾烟室、回转窑、篦冷机以及废气处理装置；其特征在于，还包括：

蒸汽发生系统，其包括顺序使用的污水净化装置和蒸汽发生器；

其中，篦冷机的高温空气出口分别连通蒸汽发生器热源入口、下吸式固定床气化炉气化剂入口；蒸汽发生器的蒸汽出口连通下吸式固定床气化炉的蒸汽入口，蒸汽发生器的尾气连通干燥装置的热源进口。

2.根据权利要求1所述水泥厂协同处理城市生活垃圾的系统，其特征在于，垃圾堆棚的渗沥液出口连通污水净化装置进水口；破碎装置的出口连通下吸式固定床气化炉的物料入口；垃圾分选装置的灰土出口和下吸式固定床气化炉的炉灰出口分别通往生料预分解装置。

3.根据权利要求2所述水泥厂协同处理城市生活垃圾的系统，其特征在于，下吸式固定床气化炉的可燃合成气出口连通气体净化装置的入口。

4.根据权利要求3所述水泥厂协同处理城市生活垃圾的系统，其特征在于，垃圾堆棚的垃圾渗沥液出口连通污水净化装置，污水净化装置的出水口与另一外配自来水口连通蒸汽发生器进水口。

5.根据权利要求4所述水泥厂协同处理城市生活垃圾的系统，其特征在于，垃圾分选装置的有机可燃物出口、垃圾干燥装置、破碎装置和下吸式固定床气化炉依次连通。

6.根据权利要求4所述水泥厂协同处理城市生活垃圾的系统，其特征在于，还包括发电系统，其包括顺序使用的燃气轮机和发电机组；下吸式固定床气化炉的可燃合成气出口连通燃气轮机，燃气轮机的尾气连通垃圾干燥装置的热源进口。

7.根据权利要求6所述水泥厂协同处理城市生活垃圾的系统，其特征在于，所述生活垃圾气化系统还包括焦油裂解装置，气体净化装置的焦油出口连通该焦油裂解装置，焦油裂解装置的热源进口连通篦冷机的高温空气出口，焦油裂解装置的焦油裂解气出口连通燃气轮机。

8.根据权利要求7所述水泥厂协同处理城市生活垃圾的系统，其特征在于，燃气轮机带动发电机组，发电机组连接水泥生产系统的动力设备。

9.根据权利要求3所述水泥厂协同处理城市生活垃圾的系统，其特征在于，污水净化装置的有机污泥出口连通窑尾烟室。

10.根据权利要求1至9任一所述水泥厂协同处理城市生活垃圾的系统，其特征在于，篦冷机入口分别连通垃圾堆棚的臭气出口和干燥装置废气出口，篦冷机的高温空气出口分别连通蒸汽发生器的热源入口、下吸式固定床气化炉气化剂入口和焦油裂解装置的热源进口。