CN106398726B - 一种混合垃圾炭化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混合垃圾炭化方法，该方法包括：将垃圾装入垃圾输运装置；使垃圾输运装置穿过高温蒸馏炭化装置；从高温蒸馏炭化装置上部取出气体物流；使该气体物流以气态形式通过催化剂床；将来自催化剂床的流出物进行冷凝和分离，获得液体可燃物和水；从穿过高温蒸馏炭化装置的垃圾输运装置获得炭类物质。该方法针对垃圾组成的不同选择相应的高温蒸馏条件，能够获得较高的生物油产率。

Description

一种混合垃圾炭化方法

技术领域

本发明属于垃圾处理技术领域，具体涉及一种混合垃圾炭化方法，更具体地涉及一种城市垃圾炭化方法。

背景技术

城市生活垃圾通常是指城市固体废弃物，是城市居民在日常生活或为城市日常生活提供服务的活动中所产生的固体废弃物，其主要成分包括厨余物、废纸、废塑料、废织物、废金属、废玻璃陶瓷碎片、砖瓦渣土、粪便、废家用什具、废旧电器和庭院废物等。随着经济快速发展，城市化进程持续加快，使得城市的数量和城市的规模也不断地发生变化，发生膨胀，由于城市中的居住人口和城市面积急剧增大，城市生活垃圾总量随之大幅度增加。

目前，我国城市生活垃圾的年产量高达1.8亿吨，城市人均垃圾年产量约为440公斤，且每年以超过10％的速度迅猛增加，预测到2030年，中国城市生活垃圾年产量将达到4.09亿吨。大中城市，尤其是特大城市的人均垃圾产生量相对较高，其增长速率到达20％左右。

如果对这些垃圾不能妥善的处理和处置，那其中的有毒有害物质(重金属、病原微生物等)就会通过一定的环境介质如土壤、大气、地表或地下水进入生态***中并形成污染。这不仅会破坏生态环境，导致不可逆的生态变化，而且还会对动植物安全以及人类的健康造成危害。

目前垃圾处理只能通过焚烧处理来减少垃圾容量。焚烧处理法会产生二噁英等各种危害环境的污染物质，安全的垃圾焚烧处理设备价格高、投资规模大，焚烧处理只能通过处理费用来维持运营，一般垃圾中树脂、塑料类占10％左右，剩下的就是餐厨、纸、木片等。

CN104263388A公开了一种垃圾炭化反应***包括反应釜、反应箱、蒸汽发生器和控制装置，其中，蒸汽发生器连接反应釜，所述蒸汽发生器用于向所述反应釜提供蒸汽；所述反应箱用于放置垃圾，当反应时，将所述反应箱推入所述反应釜反应生成碳化混合物；当反应完成后，将所述反应箱从所述反应釜中拉出。

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WO2011/000513A1公开了一种综合垃圾处理***和方法，其包括可燃垃圾源的使用，用于从可回收材料中分离所述的可燃垃圾的分离器，用于将所述的可燃垃圾干燥以产生热解原料的真空干燥器和用于将所述的热解原料高温分解以生成焦炭和热解气体的热解器。

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在“浅析城市生活垃圾的资源化处理方式”，章备，中国市政工程，2013年6月，第3期(总第166期)，53-55中，介绍了城市生活垃圾的处理已从传统的填埋、焚烧和生化处理方式逐步过渡至循环经济和资源化处理，并且介绍了生活垃圾封闭式低温炭化处理和有机质固废处理厂的项目建设，指出生活垃圾封闭式内循环低温炭化技术是一种固体生物质的热化学加工方法，该工艺产生高热值气态燃料，该技术资源化程度较高，部分垃圾渗滤液、喷淋水经过生化处理后也可达标排放。

在上述文献和其它现有技术中，或者处理成本过高例如常见的气化处理，或者可产生二次污染例如产生臭气和二噁英例如常用的热解或焚烧。 尤其地，在现有技术方法中，都没有针对垃圾的组成有选择性地、有区别地设计蒸馏炭化条件，通常采用统一的蒸馏炭化条件，导致垃圾炭化效率低。因此需要一种针对性强的、非常安全经济垃圾的资源化处理方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明人经过深入和***研究，充分结合城市生活垃圾的组成，在整个垃圾处理的全流程工艺环节进行了全面研究，提供了以下技术，以非常安全经济的成本实现了垃圾的资源化处理。

在本发明的一方面，提供了一种混合垃圾炭化方法，该方法包括以下步骤：(1)将垃圾装入垃圾输运装置；(2)使垃圾输运装置穿过高温蒸馏炭化装置；(3)从高温蒸馏炭化装置上部取出气体物流；(4)使该气体物流以气态形式通过催化剂床；(5)将来自催化剂床的流出物进行冷凝和分离，获得液体可燃物和水；(6)从穿过高温蒸馏炭化装置的垃圾输运装置获得炭类物质。

所述垃圾优选为城市生活垃圾。

从高温蒸馏炭化装置上部取出气体物流优选以连续方式进行。

高温蒸馏炭化装置通过高温无氧蒸汽进行加热。

所述高温无氧蒸汽的温度优选为300-600℃。所述高温无氧蒸汽的压力优选为0.2-1.0MPa。

优选地，其中所述高温无氧蒸汽中包含氮气。更优选地，氮气含量为10-80v.％，更优选20-60v.％。

在本发明中，优选对垃圾不进行任何预处理。

就本发明而言，与现有技术中的单纯干馏相比，氮气的存在能够避免垃圾在碳化过程中发生燃烧，使产生的炭具有较高的热值。另外，与现有技术中纯粹的蒸汽气化相比，氮气的存在还可以增加加热介质热值，提高加热效率从而提高炭化效率，同时还可以节约蒸汽用量，更重要地，通过氮气的加入，可以为后续馏出物的催化提质提供所需的催化条件，例如调节所需的蒸汽分压，因为过高的蒸汽压会导致催化提质难以有效进行，氮 气的加入可以降低气体物流即馏出物中的蒸汽分压。

本发明人发现，在现有的垃圾蒸汽处理技术中，往往忽略了针对垃圾的组成有选择性地选择蒸汽处理条件，忽略了垃圾组成的差异，导致垃圾处理效率较低。本发明人经过大量研究，根据不同的垃圾组成选择不同的蒸汽处理条件，获得了良好的蒸汽处理效果。特别地，选择如下高温蒸馏炭化处理条件：(1)当垃圾组成中以垃圾的总重量计，有机类物质含量≥80重量％时，高温无氧蒸汽的温度为300-450℃，优选300-400℃；高温无氧蒸汽中的氮气含量为10-30v.％，优选10-20v.％；在高温蒸馏炭化装置中的停留时间为8-12h；和(2)当垃圾组成中以垃圾的总重量计，有机类物质含量＜80重量％时且优选地塑料橡胶类物质含量＜10重量％时，高温无氧蒸汽的温度为450℃-600℃，优选500℃-550℃；高温无氧蒸汽中的氮气含量为40-80v.％，优选60-80v.％；在高温蒸馏炭化装置中的停留时间为5-8h。

进一步地，对于上述条件(1)，当塑料橡胶类物质含量≥10重量％时，高温无氧蒸汽的温度为350-380℃；高温无氧蒸汽中的氮气含量为10-15v.％；在高温蒸馏炭化装置中的停留时间为8-10h；当塑料橡胶类物质含量＜10重量％时，高温无氧蒸汽的温度为300-320℃；高温无氧蒸汽中的氮气含量为25-30v.％；在高温蒸馏炭化装置中的停留时间为11-12h。研究发现，选择这样的高温蒸馏炭化条件，是由于塑料橡胶类物质是高温蒸馏炭化过程中生物油的来源之一，相比较厨余垃圾和木草等成分，其对水蒸汽蒸馏炭化条件非常敏感，当其含量高时，需要应用较高的温度和水蒸汽使其分解，但是蒸馏炭化时间又不能过长，否则很容易使产生的生物油分解成小分子气体，导致生物油收率降低，并产生有害副产物。

当垃圾中有机类物质含量较高时，上述蒸汽处理条件特别有利于产生液体可燃物的产生；而有机类物质含量较低时，特别有利于炭类物质的产生。

在一个优选实施方式中，所述催化剂床中的催化剂为无机氧化物或硅酸盐负载的铁基催化剂，或者炭负载的铁基催化剂，或者其二者的混合物。

在本发明的一个特别优选的实施方式中，本发明人经过大量研究，开发了一种能够有效地对从高温蒸馏炭化装置上部取出的气体物流中的生物油进行加氢提质的催化剂，该催化剂包含载体和负载在所述载体上的活性成分，其中载体可以为Al₂O₃、SiO₂、TiO₂、分子筛、活性炭中的一种或多种的混合物，催化活性组分可以为Fe₂O₃与至少两种过渡金属以及至少一种贵金属的混合物。所述过渡金属选自Ni、Cu、Fe、Ce等，所述贵金属选自Pt、Pd、Ru等。

在一个特别优选的实施方案中，催化剂可以为下式所示的催化剂：Ni-Cu-Pd-Co₂O₃-Fe₂O₃/HZSM-5，其中Ni、Cu、Pd、Co、Fe的摩尔比为(1-2):(5-10):(0.1-0.5):(1-2):(10-20)，基于催化剂总重量计，Ni-Cu-Pd-Co₂O₃-Fe₂O₃活性成分的含量为1-10％，优选2-8％，更优选5％。HZSM-5为载体。优选地，HZSM-5为低硅铝比的HZSM-5，例如硅铝比低于15，更优选低于10，这是因为发现酸性强的HZSM-5更有利于生物油重质组分的裂解，生物油蒸馏残余物最少。

生物油的成分通常比较复杂，主要可包括酸类、醛类、酮类、醇类、酚类、呋喃类、酯类、醚类和少量含氮化合物以及其他多功能化合物。由于生物油热稳定性差、酸性和腐蚀性强、含水量高、热值低以及不易与石油基产品互溶等特性，因此目前生物油只能实现初级应用例如用于工业窑炉和燃油锅炉等热力设备，不能替代石油产品直接应用于内燃机或涡轮机的燃烧，无法满足现代高品位的工业应用。为了提高生物油应用性，需要将其转变为高品位的液体燃料，达到运输燃料的要求，从而实现替代或部分替代石油产品，这就必须对生物油进行改性提质，使其化学组分由碳氢氧化合物转化为碳氢化合物。如何有效地对生物油进行提质的关键之一在于催化剂的开发。

研究发现，在本发明的上述催化剂中，Ni^δ+比常规的Mo^δ+具有更高的活性，Ni的使用可以高选择性地获得C6-C12烃(优选烷烃)，Cu的使用可以高选择性地获得C16烃(优选烷烃)，Ni、Cu的同时使用，惊奇地发现，还可以确保获得一定量的C18和C19烃，表面Ni、Cu的使用能够使 生物油中的C-O键有效发生氢解反应。

与一般的生物质油提质不同，在本发明的气体物流中，含有较高比例的蒸汽，因此对催化剂的水热稳定性提出了非常高要求。常规的用于生物质油提质的催化剂不能用于本发明的气体物流的提质。铁催化剂是脱除植物基物料中氧的一种常见催化剂，然而铁催化剂遇水时失效，而钯催化剂遇水时虽然有效，但它除氧的效果不是很好，并且较为昂贵，而在铁中加入极少量的钯，可获得很好的协同作用。发明人研究发现，少量钯的加入有助于氢覆盖于催化剂中铁的表面，使反应加速，并防止水阻断反应，因而氢耗小，在活性、稳定性和选择性方面远远好于单独的铁催化剂，其催化寿命可提高2倍以上。

本发明人经研究还发现，Co的加入有利于降低催化活性组分的晶粒尺寸，使其能够有效地嵌入到HZSM-5分子筛的孔道中，这对于提高催化活性组分的活性、选择性和稳定性有非常积极的意义。然而，如果Co量过大，则Co会覆盖加氢活性中心Ni、Cu等，从而降低催化剂的活性。

气体物流的生物油中含有较多的非芳香族烃类，HZSM-5分子筛上的酸性中心能够有效将非芳香族烃类转化为芳香族化合物。生物油中的羧酸大部分来源于半纤维素的乙酰基，其热解产物主要为乙酸，HZSM-5分子筛有较好的脱羧基能力，生物油中的羧酸在分子筛催化作用下发生脱羧反应和脱氧反应，使得提质后的生物油中羧酸含量大幅减少。

上述特别优选的催化剂在先前文献中尚未见报道，其是本发明针对从垃圾回收的气体物流和生物油的具体组成特点有针对性地设计的，取得了良好的提质效果。

该催化剂可以采用本领域常规的浸渍煅烧法进行制备。具体地，按上述比例称取一定量的前体盐如Ni(NO₃)₂、Cu(NO₃)₂、Pd(NO₃)₂、Co(NO₃)₂、Fe(NO₃)₃(或它们的水合物形式)和柠檬酸，加去离子水溶解，搅拌均匀，配成浓度为0.5-1.5mol/L的溶液，称取一定量的HZSM-5分子筛放入反应容器中，将配好的溶液倒入反应容器内，置于带有搅拌器的恒温加热油浴装置内加热，在60-120℃温度下搅拌1h-10h，然后放入干燥箱中100℃- 150℃干燥12h，随后将得到的催化剂前驱体置于马弗炉中500℃-800℃煅烧1h-6h，然后在H₂存在下于200-300℃下还原活化，制得Ni-Cu-Pd-Co₂O₃-Fe₂O₃/HZSM-5催化剂。

就本发明而言，所述气体物流优选基本不含二噁英。因在无氧状态下升温蒸馏，所以不会产生二噁英等有害物质，可以保护大气环境。这相比于普通的焚烧法具有很大的优势。

优选地，其中高温蒸馏炭化装置中使用的高温无氧蒸汽来自高压贯流蒸汽炉。

在本发明的另一方面，提供了根据前述方法获得的液体可燃物。优选地，所述液体可燃物中氧含量低于10重量％，优选低于5重量％，更优选低于2重量％。进一步地，该液体可燃物的高位热值大于40MJ/kg。

在本发明的另一方面，提供了根据前述权利要求中任一项的方法获得的炭类物质。

优选地，所述炭类物质为焦炭。

优选地，所述炭类物质为半焦。

附图说明

图1是根据本发明的高温蒸馏炭化装置的俯视图；

图2是根据本发明实施例1获得的碳类物质的SEM图。

具体实施方案

下面结合以下实施例和对比例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

选取来自北京市海淀区五路居垃圾压缩转运站的生活垃圾，所述垃圾的组成经检测如下表1所示：

表1：城市生活垃圾成分组成

通过以下步骤对上述垃圾进行高温蒸馏炭化：(1)将垃圾装入垃圾输运装置；(2)使垃圾输运装置穿过高温蒸馏炭化装置；(3)从高温蒸馏炭化装置上部取出气体物流；(4)使该气体物流以气态形式通过催化剂床；(5)将来自催化剂床的流出物进行冷凝和分离，获得液体可燃物和水；(6)从穿过高温蒸馏炭化装置的垃圾输运装置获得炭类物质。所述高温蒸馏炭化装置通过高温无氧蒸汽进行加热，高温无氧蒸汽的温度为355℃，高温无氧蒸汽中的氮气含量为12v.％，处理平均时间为9.0小时。气体物流中可燃有机物采用加氢脱氧方法进行提质，所述催化剂床的催化剂为Ni-Cu-Pd-Co₂O₃-Fe₂O₃/HZSM-5，其中Ni、Cu、Pd、Co、Fe的摩尔比为2:8:0.15:1.5:15，基于催化剂总重量计，Ni-Cu-Pd-Co₂O₃-Fe₂O₃催化活性组分的含量为5％，加氢提质条件为250℃，8.0MPa氢压，2h。通过该方法获得了焦炭和经提质的生物油。所述生物油中的氧含量为5.2wt.％，催化剂寿命为约720h。

另外，由图2的碳的SEM图可以看出，与生物质炭化生成的炭材料结构非常类似。由于实施例1中的炭化是在未搅拌和粉碎垃圾的情况下进行的，因此碳材料保留了垃圾成分例如纸张、织物的片层结构。

对比例1

该对比例与实施例1的区别仅在于高温无氧蒸汽的温度为500℃，高温无氧蒸汽中的氮气含量为50v.％。生物油产率仅为实施例1的41％。表明大量生物油可能发生了分解。

对比例2

该对比例与实施例1的区别仅在于生物油提质使用的催化剂为常规的 NiMo/Al₂O₃催化剂。获得的经提质的生物油中的氧含量为19.7wt.％，催化剂寿命为约120h。

由上述实施例和对比例清楚地可以看出，本发明的方法能够获得更高的生物油产率。另外，本发明方法提质的生物油，具有较低的氧含量，从而具有更高的热值和稳定性，此外加氢提质的催化剂寿命大大提高。

本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。在不会造成不一致的程度下，通过参考将本文中参考的所有引用之处并入本文中。

Claims (3)

1.一种混合垃圾炭化方法，该方法包括以下步骤：

（1）将垃圾装入垃圾输运装置；

（2）使垃圾输运装置穿过高温蒸馏炭化装置，其中该高温蒸馏炭化装置通过高温无氧蒸汽进行加热；

当垃圾组成中以垃圾的总重量计，有机类物质含量≥80重量%时，高温无氧蒸汽的温度为300-450℃，高温无氧蒸汽中的氮气含量为10-30 v.%，在高温蒸馏炭化装置中的停留时间为8-12h；以及，

当垃圾组成中以垃圾的总重量计，有机类物质含量＜80重量%时，高温无氧蒸汽的温度为450℃-600℃，高温无氧蒸汽中的氮气含量为40-80 v.%，在高温蒸馏炭化装置中的停留时间为5-8h；

（3）从高温蒸馏炭化装置上部取出气体物流；

（4）使该气体物流以气态形式通过催化剂床，所述催化剂床中的催化剂为下式所示的催化剂：Ni-Cu-Pd-Co₂O₃-Fe₂O₃/HZSM-5，其中Ni、Cu、Pd、Co、Fe的摩尔比为(1-2):(5-10):(0.1-0.5):(1-2):(10-20)，基于催化剂总重量计，Ni-Cu-Pd-Co₂O₃-Fe₂O₃活性成分的含量为1-10％；

（5）将来自催化剂床的流出物进行冷凝和分离，获得液体可燃物和水；

（6）从穿过高温蒸馏炭化装置的垃圾输运装置获得炭类物质。

2.根据权利要求1的方法，其中所述气体物流不含二噁英。

3.根据权利要求1或2的方法，其中高温蒸馏炭化装置中使用的高温无氧蒸汽来自高压贯流蒸汽炉。