CN107838172B - 一种激光裂解燃烧生活垃圾发电的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于垃圾处理的技术领域，提供了一种激光裂解燃烧生活垃圾发电的方法。该方法先将生活垃圾粉碎并压滤，回收水和油脂。然后对固体垃圾进行红外线加热及激光处理，使其发生分解，生成氢气、一氧化碳、甲烷等可燃性气体，并残留焦炭、炭黑等固态物。可燃性气体送入燃烧室燃烧，通过加热锅炉用于蒸汽发电或供热。与传统方法相比，本发明的处理方法得到的可燃气体的燃烧为清洁燃烧，大大减轻二次污染和恶臭问题，同时整个过程能耗较低，人工成本较低，垃圾利用率高，附加值高，具有显著的环保优势和良好的经济优势。
Description
技术领域
本发明属于垃圾处理的技术领域，提供了一种激光裂解燃烧生活垃圾发电的方法。
背景技术
生活垃圾是人类生产和生活的伴生物，是人类面临的普遍性问题，关系着人口、资源、环境能否协调发展。随着我国社会经济的快速发展城市化进程的加快以及人民生活水平的迅速提高，城市生活垃圾产量日益增加。这些垃圾不仅占用了大量的土地，破坏了城市景观，而且对人类赖以生存的环境造成了持续性的污染，进而对人类的健康构成威胁。如何妥善处理生活垃圾，实现垃圾的减量化、资源化、无害化和产业化，己成为人类社会发展中迫切需要解决的问题。
目前生活垃圾处理的方法多种多样，主要有：填埋法、堆肥法、焚烧法和综合利用法四种。另外还有热解、分选回收、综合处理方法等。现在我国主要采用填埋、堆肥、焚烧这三种传统处理方法。其中填埋法是一种极其消极、万般无哀的垃圾处理方法，虽然该处理方法投资少、工艺简单、处理量大，并较好地实现了地表的无害化。但是，填埋的垃圾并没有进行无害化处理，残留着大量的细菌病毒；垃圾的渗漏液会污染地下水资源，无法实现垃圾的资源化并存在极大的隐患。堆肥法是将生活垃圾中有机物和一定比例的无机物混合，控制一定条件让其在微生物的作用下，降解转换为稳定的腐质物，成为可施于农田的改良肥料，堆肥处理效率低，容易产生恶臭，工艺条件难以控制，肥效低，无法大规模推广。垃圾焚烧法是指使垃圾中碳水化合物转换成二氧化碳和水，同时在高温下杀灭病毒、细菌，焚烧过程中所产生的热能可以得到合理利用的生活垃圾处理方法，具有占地面积小、减量化显著、无害化彻底以及可回收焚烧热能等优点，尤其是将垃圾通过烘干、破碎、筛选后用于燃料燃烧发电，可有效地实现了生活垃圾的再利用。
目前国内外在生活垃圾焚烧处理，尤其是用于燃烧发电的技术研究方面已取得了一定成效。其中李庆军发明了一种生活垃圾焚烧处理综合利用生产工艺（中国发明专利申请号201410769912.5），本方法采用在密封环境下将生活垃圾的固液分离后燃烧可然物及废气液回收再利用，但该方法无法解决燃烧发生恶臭的问题。另外在焚烧发电方面，张光杰等人发明了一种生活垃圾热解气化燃气焚烧发电工艺（中国发明专利申请号201410410132.1），是将原生活垃圾经过分选、粉碎和干燥，然后进行热解气化生成可燃气体，焚烧可燃气体，将焚烧所得热气通过换热制备出蒸汽，将蒸汽通入蒸汽发电机进行发电，但该方法成本较高、制备过程较为复杂，同时无法解决燃烧恶臭的问题，并且仍然存在二次污染。
可见，现有技术中传统生活垃圾焚烧处理中产生难以控制的恶臭，同时产生许多重金属、氯有机化合物、氰化物、氮化物，尤其是存在塑料等时释放大量烟尘、二恶英，对环境特别是对大气造成严重的二次污染的问题。针对这种情况，我们提出一种激光裂解燃烧生活垃圾发电的方法，其特征在于，先将生活垃圾粉碎并压滤，回收水和油脂。然后对固体垃圾进行红外线加热及激光处理，使其发生分解，生成氢气、一氧化碳、甲烷等可燃性气体，并残留焦炭、炭黑等固态物。可燃性气体送入燃烧室燃烧，通过加热锅炉用于蒸汽发电或供热。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光裂解燃烧生活垃圾发电的方法，可以解决传统生活垃圾焚烧处理中产生难以控制的恶臭，同时产生许多重金属、氯有机化合物、氰化物、氮化物，尤其是存在塑料等时释放大量烟尘、二恶英，对环境特别是对大气造成严重的二次污染的问题。
本发明涉及的具体技术方案如下：
一种激光裂解燃烧生活垃圾发电的方法，先将生活垃圾粉碎并压滤，回收水和油脂。然后对固体垃圾进行红外线加热及激光处理，使其发生分解，生成氢气、一氧化碳、甲烷等可燃性气体，并残留焦炭、炭黑等固态物。可燃性气体送入燃烧室燃烧，通过加热锅炉用于蒸汽发电或供热。制备的具体步骤如下：
（1）将生活垃圾自然晾晒使其干燥，然后采用垃圾粉碎机进行粉碎，将粉碎料收集，在板框压滤机中进行压滤，水和油脂进入无水处理池处理，固体垃圾收集待用；
（2）将步骤（1）所得的固体垃圾置于红外线加热器中，通入氮气除去加热器中的空气，开启红外线，并采用激光处理固体垃圾，使其发生分解，生成氢气、一氧化碳、甲烷等可燃性气体；
（3）步骤（2）残留的焦炭、炭黑等固态物经回收可用作燃料，可燃性气体由鼓风机吹入燃烧室燃烧，通过加热锅炉用于蒸汽发电或供热。
优选的，步骤（1）所述生活垃圾为可回收垃圾，包括纸类、塑料、纤维、金属或玻璃；
优选的，步骤（1）所述垃圾粉碎机为双轴垃圾粉碎机或四轴垃圾粉碎机，刀辊转速为20~30r/min，粉碎后的生活垃圾的尺寸为30mm×80mm×20mm~40mm×140mm×30mm；
优选的，步骤（1）所述板框压滤机采用液压压紧，橡塑板框的工作压力为12~18MPa，过滤压力为0.2~0.4MPa，进料温度为20~50℃；
优选的，步骤（1）所述板框压滤机的液压用油需先经过滤，滤网孔径不超过20μm；
优选的，步骤（1）所述经板框压滤机压滤后的固体垃圾的水及油脂质量分数应低于1%；
优选的，步骤（2）所述红外线加热可采用短波加热、中波加热或长波加热；所述短波红外线的波长为3~5μm；所述中波红外线的波长为5~8μm；所述长波红外线的波长为8~14μm；
优选的，步骤（2）所述激光为脉冲激光，其发生器为气体激光器、固体激光器或半导体激光器，激光波段为2.5~25μm；
优选的，步骤（2）所述红外线加热及激光辅助处理的时间为10~20min。
垃圾粉碎机是一种由粉碎刀辊、承载机箱、料斗、动力***及电子控制***组成的机器，主要用于粉碎生活垃圾、建筑垃圾、塑料废料及电子垃圾等。其功能主要是：一方面减少垃圾体积，节省空间以便于储存及运输，另一方面使垃圾尺寸变小以便于后续加工利用。本发明采用垃圾粉碎机使垃圾尺寸变小，以方便压滤。单轴垃圾粉碎机的粉碎效果较好，但生产效率较低，因此采用双轴垃圾粉碎机或四轴垃圾粉碎机。
板框压滤机是工业生产中实现固体-液体分离的一种设备。混合液流经滤布，固体停留在滤布上，并逐渐在滤布上堆积形成过滤泥饼，滤液则渗透过滤布，成为不含固体的清液。压滤机过滤后的泥饼有更高的含固率和优良的分离效果。液压式板框压滤机为机、电、液一体式，采用液压设备压紧，手动机械锁紧保压，其操作维护方便，运行安全可靠。因此，采用板框压滤机可有效将生活垃圾中的水、油脂与固体部分分离开来。
红外线的传热形式是辐射传热，由电磁波传递能量。在红外线照射到被加热的物体时，一部分射线被反射回来，一部分被穿透过去。当发射的红外线波长和被加热物体的吸收波长一致时，被加热的物体吸收红外线，物体内部的分子和原子发生产生强烈的振动、旋转，使物体温度升高，达到加热目的。本发明采用红外线加热时，应在隔绝空气的状态下进行，以防止发生燃烧或氧化。
激光由于具有很强的方向性，能量集中，波长可以选择，光路易于控制，可促进物料的分解。本发明的方法中，固体垃圾在红外线加热作用下，其分子能量增加，大分子的分子链活动能力增强，分子反应活性增强，化学键更易断裂。在激光辅助作用下，大分子发生断链降解，小分子也发生分解，从而生成氢气、一氧化碳及甲烷等可燃烧气体，此类气体的燃烧不产生硫化物、氮氧化物或二噁英等有毒有害气体，因此有效减少了对环境的二次污染。
将本发明的处理方法与直接将生活垃圾烘干、破碎、筛选用作燃料的方法进行对比，在处理过程中的灰尘污染及恶臭，燃料燃烧过程中的硫化物污染、氮氧化物污染及二噁英污染，以及每吨生活垃圾产生的经济效益，如表1所示。可见，本发明的处理方法，处理过程中污染较小，燃料燃烧过程中的污染显著减少，而经济效益得到提高。
表1：
| 性能指标 | 灰尘污染 | 硫化物污染 | 氮氧化物污染 | 二噁英污染 | 重金属污染 | 处理过程中的恶臭 | 经济效益（元/t） |
| 直接烘干、破碎、筛选用作燃料 | 较大 | 较严重 | 较严重 | 较严重 | 有 | 严重 | 200~300 |
| 本发明的处理方法 | 较小 | 无 | 无 | 无 | 无 | 较小 | 500~600 |
本发明提供了一种激光裂解燃烧生活垃圾发电的方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1.本发明的处理方法，预先将生活垃圾采用激光分解，回收了油脂及焦炭、炭黑等固态物，得到的可燃气体的燃烧为清洁燃烧，大大减轻了灰尘、硫化物、氮氧化物、二噁英、重金属的二次污染，具有显著的环保优势。
2.本发明的处理方法，可有效减少垃圾回收利用的恶臭问题，减少对自然环境和人体健康的影响。
3.本发明的处理方法，能耗较低，人工成本较低，垃圾利用率高，附加值高，具有良好的经济优势。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
一种激光裂解燃烧生活垃圾发电的方法，其处理生活垃圾的具体过程如下：
将纸类、塑料、纤维、金属及玻璃组成的生活垃圾自然晾晒使其干燥，然后采用四轴垃圾粉碎机进行粉碎，刀辊转速为30r/min，粉碎后尺寸为40mm×140mm×30mm，将粉碎料收集，在板框压滤机中进行压滤，采用液压压紧，板框的工作压力为12MPa，过滤压力为0.4MPa，进料温度为20℃，液压用油先采用20μm滤网过滤，水和油脂进入无水处理池处理，固体垃圾收集待用，固体垃圾中的水及油脂含量低于1%；将固体垃圾置于红外线加热器中，通入氮气除去加热器中的空气，开启红外线，采用波长为5μm的短红外线，并采用固体激光处理固体垃圾，使其发生分解，生成氢气、一氧化碳、甲烷等可燃性气体，激光波长为25μm，时间为10min；残留的焦炭、炭黑等固态物经回收可用作燃料，可燃性气体由鼓风机吹入燃烧室燃烧，通过加热锅炉用于蒸汽发电或供热。
实施例1的处理方法，在处理过程中的灰尘污染及恶臭，燃料燃烧过程中的硫化物污染、氮氧化物污染及二噁英污染，以及每吨生活垃圾产生的经济效益，如表2所示。
实施例2
一种激光裂解燃烧生活垃圾发电的方法，其处理生活垃圾的具体过程如下：
将纸类、塑料、纤维、金属及玻璃组成的生活垃圾自然晾晒使其干燥，然后采用双轴垃圾粉碎机进行粉碎，刀辊转速为22r/min，粉碎后尺寸为35×90mm×20mm，将粉碎料收集，在板框压滤机中进行压滤，采用液压压紧，板框的工作压力为16MPa，过滤压力为0.3MPa，进料温度为40℃，液压用油先采用20μm滤网过滤，水和油脂进入无水处理池处理，固体垃圾收集待用，固体垃圾中的水及油脂含量低于1%；将固体垃圾置于红外线加热器中，通入氮气除去加热器中的空气，开启红外线，采用波长为10μm的长红外线，并采用气体激光处理固体垃圾，使其发生分解，生成氢气、一氧化碳、甲烷等可燃性气体，激光波长为10μm，时间为20min；残留的焦炭、炭黑等固态物经回收可用作燃料，可燃性气体由鼓风机吹入燃烧室燃烧，通过加热锅炉用于蒸汽发电或供热。
实施例2的处理方法，在处理过程中的灰尘污染及恶臭，燃料燃烧过程中的硫化物污染、氮氧化物污染及二噁英污染，以及每吨生活垃圾产生的经济效益，如表2所示。
实施例3
一种激光裂解燃烧生活垃圾发电的方法，其处理生活垃圾的具体过程如下：
将纸类、塑料、纤维、金属及玻璃组成的生活垃圾自然晾晒使其干燥，然后采用四轴垃圾粉碎机进行粉碎，刀辊转速为25r/min，粉碎后尺寸为40mm×120mm×30mm，将粉碎料收集，在板框压滤机中进行压滤，采用液压压紧，板框的工作压力为18MPa，过滤压力为0.2MPa，进料温度为50℃，液压用油先采用20μm滤网过滤，水和油脂进入无水处理池处理，固体垃圾收集待用，固体垃圾中的水及油脂含量低于1%；将固体垃圾置于红外线加热器中，通入氮气除去加热器中的空气，开启红外线，采用波长为6μm的中红外线，并采用半导体激光处理固体垃圾，使其发生分解，生成氢气、一氧化碳、甲烷等可燃性气体，激光波长为25μm，时间为10min；残留的焦炭、炭黑等固态物经回收可用作燃料，可燃性气体由鼓风机吹入燃烧室燃烧，通过加热锅炉用于蒸汽发电或供热。
实施例3的处理方法，在处理过程中的灰尘污染及恶臭，燃料燃烧过程中的硫化物污染、氮氧化物污染及二噁英污染，以及每吨生活垃圾产生的经济效益，如表2所示。
实施例4
一种激光裂解燃烧生活垃圾发电的方法，其处理生活垃圾的具体过程如下：
将纸类、塑料、纤维、金属及玻璃组成的生活垃圾自然晾晒使其干燥，然后采用双轴垃圾粉碎机进行粉碎，刀辊转速为28r/min，粉碎后尺寸为40mm×120mm×20mm，将粉碎料收集，在板框压滤机中进行压滤，采用液压压紧，板框的工作压力为18MPa，过滤压力为0.2MPa，进料温度为40℃，液压用油先采用20μm滤网过滤，水和油脂进入无水处理池处理，固体垃圾收集待用，固体垃圾中的水及油脂含量低于1%；将固体垃圾置于红外线加热器中，通入氮气除去加热器中的空气，开启红外线，采用波长为5μm的短红外线，并采用气体激光处理固体垃圾，使其发生分解，生成氢气、一氧化碳、甲烷等可燃性气体，激光波长为18μm，时间为14min；残留的焦炭、炭黑等固态物经回收可用作燃料，可燃性气体由鼓风机吹入燃烧室燃烧，通过加热锅炉用于蒸汽发电或供热。
实施例4的处理方法，在处理过程中的灰尘污染及恶臭，燃料燃烧过程中的硫化物污染、氮氧化物污染及二噁英污染，以及每吨生活垃圾产生的经济效益，如表2所示。
实施例5
一种激光裂解燃烧生活垃圾发电的方法，其处理生活垃圾的具体过程如下：
将纸类、塑料、纤维、金属及玻璃组成的生活垃圾自然晾晒使其干燥，然后采用四轴垃圾粉碎机进行粉碎，刀辊转速为25r/min，粉碎后尺寸为30×90mm×30mm，将粉碎料收集，在板框压滤机中进行压滤，采用液压压紧，板框的工作压力为15MPa，过滤压力为0.4MPa，进料温度为26℃，液压用油先采用20μm滤网过滤，水和油脂进入无水处理池处理，固体垃圾收集待用，固体垃圾中的水及油脂含量低于1%；将固体垃圾置于红外线加热器中，通入氮气除去加热器中的空气，开启红外线，采用波长为8μm的中红外线，并采用固体激光处理固体垃圾，使其发生分解，生成氢气、一氧化碳、甲烷等可燃性气体，激光波长为25μm，时间为10min；残留的焦炭、炭黑等固态物经回收可用作燃料，可燃性气体由鼓风机吹入燃烧室燃烧，通过加热锅炉用于蒸汽发电或供热。
实施例5的处理方法，在处理过程中的灰尘污染及恶臭，燃料燃烧过程中的硫化物污染、氮氧化物污染及二噁英污染，以及每吨生活垃圾产生的经济效益，如表2所示。
实施例6
一种激光裂解燃烧生活垃圾发电的方法，其处理生活垃圾的具体过程如下：
将纸类、塑料、纤维、金属及玻璃组成的生活垃圾自然晾晒使其干燥，然后采用双轴垃圾粉碎机进行粉碎，刀辊转速为30r/min，粉碎后尺寸为40mm×140mm×30mm，将粉碎料收集，在板框压滤机中进行压滤，采用液压压紧，板框的工作压力为12MPa，过滤压力为0.2MPa，进料温度为40℃，液压用油先采用20μm滤网过滤，水和油脂进入无水处理池处理，固体垃圾收集待用，固体垃圾中的水及油脂含量低于1%；将固体垃圾置于红外线加热器中，通入氮气除去加热器中的空气，开启红外线，采用波长为12μm的长红外线，并采用半导体激光处理固体垃圾，使其发生分解，生成氢气、一氧化碳、甲烷等可燃性气体，激光波长为10μm，时间为20min；残留的焦炭、炭黑等固态物经回收可用作燃料，可燃性气体由鼓风机吹入燃烧室燃烧，通过加热锅炉用于蒸汽发电或供热。
实施例6的处理方法，在处理过程中的灰尘污染及恶臭，燃料燃烧过程中的硫化物污染、氮氧化物污染及二噁英污染，以及每吨生活垃圾产生的经济效益，如表2所示。
对比例1
将生活垃圾经烘干、破碎及筛选后，直接用作燃料燃烧。
对比例1的处理方法，在处理过程中的灰尘污染及恶臭，燃料燃烧过程中的硫化物污染、氮氧化物污染及二噁英污染，以及每吨生活垃圾产生的经济效益，如表2所示。
表2：
| 性能指标 | 灰尘污染 | 硫化物污染 | 氮氧化物污染 | 二噁英污染 | 重金属污染 | 处理过程中的恶臭 | 经济效益（元/t） |
| 对比例1 | 较大 | 较严重 | 较严重 | 较严重 | 有 | 严重 | 200~300 |
| 实施例1 | 较小 | 无 | 无 | 无 | 无 | 较小 | 500~600 |
| 实施例2 | 较小 | 无 | 无 | 无 | 无 | 较小 | 500~600 |
| 实施例3 | 较小 | 无 | 无 | 无 | 无 | 较小 | 500~600 |
| 实施例4 | 较小 | 无 | 无 | 无 | 无 | 较小 | 500~600 |
| 实施例5 | 较小 | 无 | 无 | 无 | 无 | 较小 | 500~600 |
| 实施例6 | 较小 | 无 | 无 | 无 | 无 | 较小 | 500~600 |
Claims (5)
1.一种激光裂解燃烧生活垃圾发电的方法，其特征在于，先将生活垃圾粉碎并压滤，回收水和油脂，然后对固体垃圾进行红外线加热及激光处理，使其发生分解，生成的可燃性气体为氢气、一氧化碳、甲烷，并残留固态物焦炭、炭黑，可燃性气体送入燃烧室燃烧，通过加热锅炉用于蒸汽发电或供热，制备的具体步骤如下：
（1）将生活垃圾自然晾晒使其干燥，然后采用垃圾粉碎机进行粉碎，将粉碎料收集，在板框压滤机中进行压滤，水和油脂进入无水处理池处理，固体垃圾收集待用；所述板框压滤机采用液压压紧，橡塑板框的工作压力为12~18MPa，过滤压力为0.2~0.4MPa，进料温度为20~50℃；所述生活垃圾为可回收垃圾，包括纸类、塑料、纤维、金属或玻璃；经板框压滤机压滤后的固体垃圾的水及油脂质量分数应低于1%；
（2）将步骤（1）所得的固体垃圾置于红外线加热器中，通入氮气除去加热器中的空气，开启红外线，并采用激光处理固体垃圾，使其发生分解，生成的可燃性气体为氢气、一氧化碳、甲烷；所述红外线加热可采用短波加热、中波加热或长波加热；所述短波红外线的波长为3~5μm；所述中波红外线的波长为5~8μm；所述长波红外线的波长为8~14μm；
（3）步骤（2）残留的固态物焦炭、炭黑经回收可用作燃料，可燃性气体由鼓风机吹入燃烧室燃烧，通过加热锅炉用于蒸汽发电或供热。
2.根据权利要求1所述一种激光裂解燃烧生活垃圾发电的方法，其特征在于：步骤（1）所述垃圾粉碎机为双轴垃圾粉碎机或四轴垃圾粉碎机，刀辊转速为20~30r/min，粉碎后的生活垃圾的尺寸为30mm×80mm×20mm~40mm×140mm×30mm。
3.根据权利要求1所述一种激光裂解燃烧生活垃圾发电的方法，其特征在于：步骤（1）所述板框压滤机的液压用油需先经过滤，滤网孔径不超过20μm。
4.根据权利要求1所述一种激光裂解燃烧生活垃圾发电的方法，其特征在于：步骤（2）所述激光为脉冲激光，其发生器为气体激光器、固体激光器或半导体激光器，激光波段为2.5~25μm。
5.根据权利要求1所述一种激光裂解燃烧生活垃圾发电的方法，其特征在于：步骤（2）所述红外线加热及激光辅助处理的时间为10~20min。
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