CN104080550B - 从包含有机物的废弃材料中获取能量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及从包含有机物的废弃材料中获取能量的方法。为将碳质制品和气态能量存储在罐和/或直接传递到热电联供过程，测量预粉碎的所述废弃材料，通过适当添加碳质材料和/或硅酸盐材料，确保后续加工中废弃材料的碳质材料与硅酸盐材料之比为90％比10％。其中，进一步粉碎所述废弃材料，并将废弃材料与附加架状硅酸盐材料混合，将混合后形成的废弃材料混合物持续粉碎至微米级后，压实粉碎后的废弃材料混合物，加热并分离废弃材料混合物，以在下一步将获得的气态材料送至罐和/或热电联供过程，而对得到的固体实施硅酸盐材料与碳质材料的分离，并存储由此得到的作为最终产品的碳质材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种从包含有机物的废弃材料中重获能量的方法。
背景技术
背景技术包括公开号分别为US5,087,375，AT389474B，CH688990A5以及DE3329771A1的专利文献。公开号为US5,087375的专利文献描述了一种处理包含有机物质及金属的危险且有毒的废弃物的方法，以生产出不可溶解的工业原料。其中，该废弃物与包含与金属一起构成稳定化合物的无机化合物的聚合材料进行混合，以所得到的塑料混合物制成模制品，并对该模制品进行加热，以去除塑料成分，并通过煅烧和烧结使余下的无机物质结合为稳定的、不可溶解的络合物。
公开号为AT389474B的专利文献公开了微粒矿物质、硅化/碳酸化颗粒的应用，其应用于非常微小的废弃物和/或糊状废弃物的有序沉积。微粒矿物质包络或浸润了废弃物，由此形成了基质物质(matrix)。
公开号为CH688990A5的专利文献涉及一种来自旧的改建过的填埋垃圾和/或新生垃圾的有机和/或无机残留物的处理方法，以在消除污染的同时生成一种可被重新利用的物质。
在上述的公开号为DE3329771A1的专利文献中，在由有机制品或无机制品生成煤砖的过程中，固化污染物，其中，添加无机化合物，以在压缩模塑操作和/或高温分解/焚化过程中，化学固化污染物。
公开号为DE102007006137A1的专利文献公开了一种包含有机、无机颗粒材料和/或这两种材料混合物的混合物制品。这两种材料一起构成了大致均质的基质物质。借助于添加剂(辅助材料)，可事先预计最终产品的合适属性。而这种添加剂会导致具有高比内表面积(highspecificinternalsurfacearea)的晶体结构的形成，这实现了多种目标明确的功能，例如，用于能量转换的能量介质或物质、孔隙生成剂、构造剂、还原剂和/或滤材。
发明内容
本发明的目的在于提供一种从包含有机物的废弃物中重获能量的方法。通过该方法，碳质制品以固态、液态以及气态的形式被供给到存储至罐中和/或直接提供给产生动力的热电联产过程，并可以解决无法再加工目前缺少可再利用性的废弃物的问题。
实现了上述发明目的的本发明具有下列特征：
a)测量经过预先粉碎处理的所述包含有机物的废弃材料，以识别出所述废弃材料的成分，并确定其中碳质材料部分与硅酸盐材料部分之比，以通过适当地混合碳质材料和/或硅酸盐材料，确保进一步加工中所述废弃材料的碳质材料与硅酸盐材料之比大致为90％比10％；
b)随着加工的持续进行，持续测量所述碳质材料部分和所述硅酸盐材料部分；
c)进一步粉碎所述包含有机物的废弃材料，并将所述废弃材料与附加的架状硅酸盐材料混合，并将混合后形成的废弃材料混合物持续粉碎至微米范围；
d)压实经过粉碎处理且添加有层状硅酸盐的废弃材料混合物，加热所述废弃材料混合物，由此在减压情况下将所述废弃材料混合物分离成单独的固相、液相和气相；在此之后，将剩余的固体与进一步添加的层状硅酸盐混合，并将其制成小球状；
e)高温分解上述步骤中制成的小球，以及
f)将在所述方法中获得的气相物质提供给罐和/或热电联供过程，同时对回收的固体实施硅酸盐材料与碳质材料的分离操作，并将由此回收得到的碳质材料作为最终产品存储下来。
同公知方法相比，本发明的优点在于：在能量回收***中，通过再加工目前缺少可再利用性的废弃物，生产出高附加值产品，例如，金属、硅酸盐、碳质制品和/或碳化合物。
在下文中，除另有说明之外，成分或组分部分的“％”符号在不同情况下表示基于干物质的重量百分比。
举例来说，“包含有机物的废弃材料”涵盖包含诸如纸张、木头、织物、塑料等任意种类有机材料和/或生物残渣的生活垃圾、工业垃圾、污水淤泥、再生纸材料等类似材料。在使用能量为6000～12000千焦耳/千克干物质的生活垃圾的情况下，其中的有机材料部分的重量比可为70％至90％；在使用能量为15000～36000千焦耳/千克干物质的工业垃圾的情况下，其中的有机材料部分的重量比可为50％至90％；在使用能量为1000～5000千焦耳/千克干物质的污水淤泥的情况下，其中的有机材料部分的重量比可为80％至95％；而在使用能量为2000～8000千焦耳/千克干物质的再生纸材料的情况下，其中所需的有机材料部分的重量比可为75％至95％，所需的有机材料部分的重量比至少为40％。
废弃材料混合有的“含有硅酸盐的物质”的实例为架状硅酸盐、硅酸盐物质，诸如各种花岗质岩石，例如硬橡胶、硅砂、建筑碎石和其他类似物质。
附图说明
下面参考图1，详细介绍本发明。图1为本发明提供的重获能量的方法的流程图。
具体实施方式
预先粉碎充当输入能量的包含有机物的废弃材料1，并出于确定材料成分的目的而测量该材料的成分，并确定碳质材料部分与硅酸盐材料部分之比。作为原材料使用的废弃物质属性中，碳质材料与硅酸盐材料之比大约为90％比10％。如果测量值与该比例有所偏差，则必须向废弃材料中添加碳质材料和硅化物质，直至用于进一步加工的碳质材料与硅酸盐材料之比为9:1。此处值得注意的是，在整个加工过程中，需要不断测量5所使用材料的个体成分。处理(digest)或进一步粉碎(步骤2)经过预处理的包含有机物的废弃材料1。之后，在持续粉碎步骤中，获得了非常高的废弃材料混合物粒度，优选为微米范围(μrange)以内的粒度。该废弃材料混合物为向废弃材料中添加并混合入4a作为添加物的架状硅酸盐和/或精细研磨的硅化矿物质3后构成的混合物。举例来说，添加物还可以是同废弃材料相比具有较高硬度的建筑碎石，由此其可作为一种研磨剂使用。这样，在进一步粉碎4b过程中，生成了有机和无机物质的精细划分混合物制品。同时，借助精制机的研磨，纤维化该混合物制品。优选地，上述添加剂还可以是高炉精炼硅化物质。使用组分规格为0.001至3毫米的这种添加剂，其中使用的组分规格小于50微米的添加剂部分大约为40％。
经过进一步精细研磨，物质中各种组分的个体快尺寸减小至小于或等于50微米。3毫米精细颗粒尺寸的物质部分，即直径大于3毫米的物质部分大约为5％，而1毫米精细颗粒尺寸的物质部分大约为8％。余下物质部分的精细颗粒尺寸为直径小于1毫米，这部分物质中，大多数物质的直径小于100微米。这种精细颗粒分部比率关系着混合物的稳定性或结构构建。
在加工的持续监控过程中，借助粉末衍射图，对粉碎或研磨的混合物进行组分测量和个体组分5的识别，以在后续加工步骤中实现预期的个体成分的压实6a、加热6b以及随后的分离6c。这样，实施了多种测量，并产生了下列数据：
研磨粒度；
分布指标；
重量；
湿度；
pH值。
借助X-射线荧光分析法(XFA，X-rayfluorescenceanalysis)连续确定准备好的原材料的主要组分，尤其是确定碳含量。
这些获取到的数据输入至计算机处理单元。在计算机处理单元中，将这些数据与函数值或物理值进行比较，由此可以预期的方式实现个体组分的压实6a、加热6b以及随后的分离6c。在这种情况下，如果在这些数据并未出现在硅酸盐材料中，则需要添加由层状硅酸盐7a组成的佐剂，例如，包括至少50％铁的粘土。在本文中，优选使用富铁的层状硅酸盐或包含铁类阳离子的层状硅酸盐，这些层状硅酸盐优选取自于铁镁质层状硅酸盐矿物质，例如绿泥石、蒙脱石、伊利石、黑云母及其他类似矿物质。所述的压实6a操作取决于湿度、温度、二氧化碳含量以及层状硅酸盐粒级，其中，形成的二氧化碳随即充当压缩介质。
在初级室内的一定压力下压实6a废弃材料混合物。初级室还包括(水力旋流分离)旋风式室。在旋风式室内，根据比重、熔点以及导电性，通过加热6b实现了金属(重金属)、硅酸盐和碳质材料的分离6c。换句话说，类似于离心机中实施的分离操作6c：旋转动作使加热6b过程中形成的颗粒向外移动，加热过程中通过诸如铁或铁类阳离子的铁镁质层状硅酸盐导入的阳离子随着二氧化碳的减少以及包含被氧化的阳离子的颗粒的减少而被氧化，由此借助离心力实现了单体固相、液相及气相的机械分离。这一分离现象的产生通常依赖于在40℃至850℃温度下存在于(水力旋流分离)旋风式室中的减小压力环境下的材料。液相主要由液化有机材料(塑性材料)构成。需要注意的是，在比重(密度)小于等于0.09牛/立方米(每单位体积上的重力)的材料的颗粒之间，剩余硅酸盐部分保持在1.4％至1.7％，但不超过5％。产生的液相被直接送至罐10和/或热电联供步骤11。
作为使混合物水分含量降低的混合物压实6a的结果，塑造由废弃材料和添加硅酸盐材料构成的混合物的颗粒尺寸，以使压实颗粒之间的间隙确保热量的供应。这些颗粒的尺寸及其密度由此决定了缩减/氧化过程及反应时间。在由添加的层状硅酸盐生成的骨架状/骨骼状固体材料中，压实材料体积与间隙之比一般约为2:3。
用于分离压实材料个体组分的(水力旋流分离)旋风式室的功能模式大致与离心机相似。由于颗粒在所述室内向外移动，因此可根据比重对颗粒进行分类。根据各自的比重，由材料流夹带来的颗粒出现于所述室边缘区域内的精确限定的不同出现点上，这样实现了个体组分的精确分离。材料流的载体通常为富二氧化碳的气体，及在操作过程中使热量损失减到最小。
在通过真空泵除去空气，以在缺少空气的条件下，根据比重实施生成的所有原材料的分离6c操作。由此将被分离成纯碳质组分和纯硅酸盐组分的所述材料运送至封闭的贮仓内。
在从初级室向主室传递的过程中，掺和固体，由此使固体与磨碎的层状硅酸盐7b混合8a。这里的层状硅酸盐可以是作为粘合剂的粘土和/或粘土矿物质材料。从而，大多数固体获得或具有的碳质材料含量大约为90％，而硅酸盐材料含量大约为10％，以便通过造球步骤8b制出小球。举例来说，精细的微粒层状硅酸盐7b是粘土矿物质或富有粘土矿物质的材料，例如高岭土、蒙脱土或膨润土。这些层状硅酸盐7b仅在湿润状态下，优选在水分含量大约为15％至25％的状态下，具有粘合剂效果。此外，层状硅酸盐7b支持个体组分的分离。
造球步骤8b的目的是确保固体具有可搬运性。为实现这一目的，固体需要具有精确限定的颗粒尺寸、颗粒含量及水分。
在主室中，以小球状形式出现的材料混合物通常在600℃至800℃的温度下高温分解9，同时还伴随着相分离。这样，在缺乏空气的条件下，气态物质和固态物质具有不同的密度，由此可使气态物质与固态物质分离。
上述分离操作通常借助(水力旋流分离)旋风分离器实施。该分离器通过真空泵接收来自于反应器的操作材料。量化流的传送介质优选为确保高能量平衡的二氧化碳气体。对于这一过程而言，不会将能量吹至烟囱而使其损失掉，反而会以高效的方式利用这一能量。另一个优点在于，气体混合物中的碳化合物以预期的方式通过热交换器放弃掉热量，由此可被直接利用。原则上，还有其他可行的分离方式，例如，振动台或逆流分级机，但所有的分离可行方式必须总是在缺少空气的环境下才能得以实施。
在此之后，对被分开的气态和固态物质实施分离深加工。剩余的气态物质被送入罐10或被送入热电联供步骤11，而剩余的固态物质根据不同密度的利用被分离成12硅酸盐材料和碳质材料。硅酸盐材料被送回包含有废弃材料1混合4a与粉碎4b的第一加工步骤。而碳质部分作为产品13被存放起来，或被直接提供给热电联供步骤11。
余下的残渣构成了可重复使用的硅酸盐粘合剂。余下的残渣可被送回至粉碎步骤4b，以在包含有机物的废弃材料1的粉碎4b过程中作为架状硅酸盐使用。
在本发明的另一实施例中，可以忽略不同的加工步骤，而部分加工步骤可由类似步骤代替，并不会影响能量回收的基本目的。
借助下列实例，详细介绍本发明主题。
实施例1
来自自动粉碎机的轻质组分包括包含有机物的材料。该材料来自于报废汽车碎片，并经过金属颗粒脱磁处理。占总量92％的该轻质组分以预先粉碎的形式与占总量8％的沙子、粘土以及石灰垢混合。在不同情况下，上述物质的量均基于干质量，并且该混合物被粉碎处理。经过持续的搅拌及进一步的粉碎，混合物颗粒被缩小至微米范围。连续的测量确定了碳质材料部分和硅酸盐材料部分。根据确定下来的各部分之比，混合入架状硅酸盐，在本实施例中为浮石，并持续进行粉碎操作，并在精炼机操作中使包含有机物的材料纤维化，进而使碳质材料与硅酸盐材料之比约为9：1。
在初级室内，在添加大约为硅酸盐部分总量20％的经过极致精炼分离的铁镁质层状硅酸盐的情形下，压实上述预处理过的混合材料，形成保持多孔性的块状物，在本实例中铁镁质层状硅酸盐为绿泥石。在缺少空气的条件下，将这一被压实的块状物逐渐加热至500℃。这样会使块状物破碎，并在旋风式室内实施将破碎块状物变为个体聚合状态的分离。由液化的有机材料(塑料)形成的气相及液相被存储在罐10内，以备进一步的使用。余下的固体则进一步与层状硅酸盐进行混合，该层状硅酸盐在本实例中为蒙脱土。这些组分被混合并被制成小球状。随后，在温度大约为530℃的缺氧条件下高温分解上述步骤形成的硅酸盐含量约为2.8％的小球。在高温分解过程中，源于骨架状/骨骼状材料的小球分解为精细的颗粒，并通过再一次的分离操作分离为气相、液相和固相。回收已被分离的硅酸盐材料，以将其作为***的原材料重新利用。碳质材料被存储下来，用于能量回收或直接被提供给热电联供过程。
实施例2
将占总量85％的经过预先粉碎处理的有机生活垃圾(塑料、皮革等)与占重量15％的经过预先粉碎处理的建筑碎石混合。上述物质的量基于干质量。并按照大致等同于实例1的加工方法进一步加工上述粉碎的混合物，除了如下规定的条件及参数之外：
i)在本实施例中，被加入精炼机操作过程的架状硅酸盐为珍珠岩。
ii)在本实例中作为铁镁质层状硅酸盐的绿泥石含量大约占硅酸盐部分总量的15％。
iii)在去除气相、液相之后，余下的固体与作为另一种层状硅酸盐使用的高岭土混合。
iv)小球的硅酸盐部分含量约为1.9％。
iiv)在大约610℃的条件下实施高温分解。
实施例3
将占总量78％的造纸污泥与占重量22％的再生纸材料混合在一起，并在一起粉碎。其中，再生纸材料的硅酸盐部分含量约为40％，该硅酸盐部分含量约占总量的10％。在不同情况下，上述物质的量均基于干质量。并按照大致等同于实例1的加工方法进一步加工上述粉碎的混合物，除了如下规定的条件及参数之外：
i)在本实施例中，被加入精炼机操作过程的架状硅酸盐为经过精细研磨的花岗岩矿物质。
ii)在本实施例中作为铁镁质层状硅酸盐的黑云母含量大约占硅酸盐部分总量的17％。
iii)在去除气相、液相之后，余下的固体与作为另一种层状硅酸盐使用的膨润土混合。
iv)小球的硅酸盐部分含量约为2.4％。
iiv)在大约585℃的条件下实施高温分解。
Claims (5)
1.一种从包含有机物的废弃材料(1)中回收能量的方法，其特征在于，
a)测量经过预先粉碎处理的所述包含有机物的废弃材料(1)，以识别出所述废弃材料的成分，并确定其中碳质材料部分与硅酸盐材料部分之比，以通过适当地混合碳质材料和/或硅酸盐材料(3)，确保进一步加工中所述废弃材料的碳质材料与硅酸盐材料之比为90％比10％；
b)随着加工的持续进行，持续测量(5)所述碳质材料部分和所述硅酸盐材料部分；
c)进一步粉碎所述包含有机物的废弃材料(1)，并将所述废弃材料与附加的架状硅酸盐材料(3)混合，并将混合后形成的废弃材料混合物持续粉碎至微米范围；
d)压实(6a)经过粉碎处理且添加有铁镁质层状硅酸盐(7a)的废弃材料混合物，加热(6b)所述废弃材料混合物，由此在减压情况下将所述废弃材料混合物分离成单独的固相、液相和气相；在此之后，将剩余的固体与进一步添加的粘土矿物质材料混合(8a)，并将其制成小球状(8b)；
e)高温分解(9)上述步骤中制成的小球，以及
f)将在所述方法中获得的气相物质提供给罐(10)和/或热电联供过程(11)，同时对回收的固体实施硅酸盐材料与碳质材料的分离操作，并将由此回收得到的碳质材料作为最终产品(13)存储下来。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用粉末衍射图样测量(5)所述成分。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将在分离(12)硅酸盐材料与碳质材料时获得的含有硅酸盐的材料返回至所述步骤a)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤d)中的小球制作阶段和所述步骤e)之前，将通过所述步骤d)中的分离操作(6c)获得的气相物质直接提供给所述罐(10)和/或所述热电联供过程(11)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过旋转动作实现所述步骤d)中的固相物质、液相物质和气相物质的分离操作(6c)。
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