CN107903947A - 一种新型垃圾处理***及垃圾处理方法 - Google Patents

一种新型垃圾处理***及垃圾处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型垃圾处理***及处理方法，该***包括流化床热解炉，返料阀和热解炭熔渣流化床气化炉，其中，所述流化床热解炉的炉顶设置有第一开口，炉体侧壁设置有热解炭出口，所述热解炭出口通过所述返料阀连通至所述热解炭熔渣流化床气化炉的热解炭进口。本发明通过流化床热解炉和气化炉联合使用，可有效进行低热值(热值在3000～5000kcal/kg)垃圾处理，同时也适用于高热值垃圾(热值在～10000kcal/kg)处理；解决传统垃圾热解过程产生低热值垃圾热解生产高灰分低可燃质垃圾炭引起的固废问题；同时有效解决了传统垃圾热处理过程中产生二噁英问题。

Description

一种新型垃圾处理***及垃圾处理方法
技术领域
本发明涉及垃圾处理技术领域，并且更具体地，涉及到一种新型垃圾处理***，及采用这种***进行垃圾处理的方法。
背景技术
我国传统的垃圾处理方式多为填埋、焚烧和堆肥三种。这些处理方式的关键目标是将生活垃圾减量化、资源化及无害化处理。
垃圾填埋操作简单，可以通过建立高水平的卫生填埋厂解决垃圾渗出液污染地下水和土壤、垃圾堆放产生臭气和易燃易爆温室气体甲烷等二次环境污染问题，但该技术占地面积大，建设投资大，运行费用(包括规范的填埋、渗出液处理及甲烷收集利用等)高，最关键的是填埋厂处理能力有限，服务期满后仍需投资建设新的填埋场，进一步占用土地资源。
垃圾焚烧处理在减容、减量及无害化程度优势明显，且焚烧过程产生的热量用来发电可以实现垃圾的能源化。但对焚烧条件控制不当会存在烟气污染(尤其是二噁英)，导致环境问题，且设备投资巨大。
堆肥技术工艺简单，适合于易腐有机质含量较高的垃圾处理，可对垃圾中的部分组分进行资源利用，且处理相同质量的垃圾投资比单纯的焚烧处理大大降低。但堆肥技术不能处理不可腐烂的有机物和无机物，造成减容、减量及无害化程度低。因此，堆肥处理仍然不能彻底解决垃圾问题。
垃圾热解是区别于上述传统处理方式的技术之一。它将垃圾中的有机固体废弃物进行绝氧热解处理，不仅具有极佳的清洁性，而且还可获得高价值的清洁燃气，同时处理过程中无二噁英及酸性气体产生，既适用于大型城市的生活垃圾的集中处理，又适应于中小型城市、乡镇的生活垃圾的小规模灵活处理。在垃圾处理关键目标上也实现了生活垃圾减量化、资源化及无害化处理。但是，热解工艺过程也产生了如下问题：
(1)高灰分低可燃质垃圾炭处理以及处理过程中二噁英控制较难实现；
(2)高含水率的含尘中温热解煤气无法得到有效处理；
(3)仅适用于垃圾热值较高的垃圾处理，需要垃圾的热值在6000～10000kcal/kg。
因此，如何处理高灰分低可燃质垃圾炭，处理高含水率含尘中温热解煤气，以及对热值较低的垃圾处理是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对上述问题，目的在于提供一种新型的垃圾处理***及处理方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明的实施例公开了一种新型垃圾处理***，其包括流化床热解炉，返料阀和热解炭熔渣流化床气化炉，其中，
所述流化床热解炉的炉顶设置有第一开口，炉体侧壁设置有热解炭出口，所述热解炭出口通过所述返料阀连通至所述热解炭熔渣流化床气化炉的热解炭进口。
进一步地，所述第一开口处连接有套管，所述套管包括同心设置的外管和位于所述外管内的原料下料管，所述原料下料管内布置有旋转分布器，所述原料下料管和所述外管的间隙为混合煤气出口。
进一步地，所述返料阀包括连通的返料室和松动室，所述返料室下端设置有返料风室，所述松动室下端设置有松动风室，其中，所述松动室连通所述热解炭出口，所述返料室连通所述热解炭进口。
进一步地，所述热解炭熔渣流化床气化炉包括炉体，蓄热式辐射管和反应气管道，所述反应气管道为并联且均匀排布的多个，其中，
所述蓄热式辐射管设置在所述炉体内的上部，所述反应气管道设置在所述蓄热式辐射管下方，且所述反应气管道上均匀地连通有多个中心管，所述中心管的末端朝向所述炉体底部设置；
所述蓄热式辐射管的燃料入口连通所述混合煤气出口。
进一步地，还包括余热回收***，所述余热回收***包括气路顺序连通的直冷器、过热器、蒸汽锅炉、水预热器、空气预热器、间冷脱硫装置，所述混合煤气出口和所述热解炭熔渣流化床气化炉的气化煤气出口均连通至所述直冷器的气路进口；
所述水预热器、蒸汽锅炉、和所述过热器的水路依次顺序连通，所述过热器的水路出口和所述空气预热器的空气出口均连通至所述热解炭熔渣流化床气化炉的反应气管道。
进一步地，所述间冷脱硫装置的气路出口连通所述直冷器的气路进口。
进一步地，所述热解炭熔渣流化床气化炉的熔渣出口通过溢流堰板连通激冷室，所述激冷室内设置有冷渣螺旋输料机。
进一步地，所述流化床热解炉和所述返料阀的下部均设置有布风板，所述布风板上设置有风帽。
另一方面，本发明的实施例还公开了一种采用上述的***进行垃圾处理的方法，包括，
垃圾在流化床热解炉炉顶经旋转分布器进入炉内进行流化热解，热解煤气和气化煤气由混合煤气出口排出，热解炭经由返料阀进入热解炭熔渣流化床气化炉；
热解炭在热解炭熔渣流化床气化炉内与反应气进行气化反应，所述气化反应的热源由位于热解炭上方的蓄热式辐射管提供，所述气化反应的反应气由位于蓄热式辐射管下方的反应气管道引入，并由连通在所述反应气管道上的多个中心管末端的风帽头喷向所述气化炉内的热解炭。
进一步地，流化床热解炉得到的混合煤气，一部分用于蓄热式辐射管的燃料，另一部分和热解炭熔渣流化床气化炉得到的气化煤气对热解炭熔渣流化床气化炉的反应气进行预热。
本发明的有益效果是：
本发明通过流化床热解炉和气化炉联合使用，可有效进行低热值(热值在3000～5000kcal/kg)垃圾处理，同时也适用于高热值垃圾(热值在～10000kcal/kg)处理；解决传统垃圾热解过程产生低热值垃圾热解生产高灰分低可燃质垃圾炭引起的固废问题；同时有效解决了传统垃圾热处理过程中产生二噁英问题。
附图说明
图1是本发明一实施例结构示意图；
图2是本发明一实施例的热解炭熔渣流化床气化炉的结构示意图；
图3是图2的A-A面示意图；
图4是本发明一实施例的反应气管道结构示意图；
图5是本发明又一实施例的流程图；
图6是本发明又一实施例的余热回收***流程图。
其中：1流化床热解炉，11原料下料管，12混合煤气出口，13旋转分布器，2返料阀，21松动室，22返料风室，23松动风室，24返料室，3热解炭熔渣流化床气化炉，31蓄热室辐射管，32反应气管道，33中心管，4溢流堰，5冷渣螺旋输料机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所述，本发明一实施例公开了一种新型垃圾处理***，其包括流化床热解炉1，返料阀2和热解炭熔渣流化床气化炉3，其中，
所述流化床热解炉1的炉顶设置有第一开口，炉体侧壁设置有热解炭出口，所述热解炭出口通过所述返料阀2连通至所述热解炭熔渣流化床气化炉3的热解炭进口。
优选地，所述第一开口处连接有套管，所述套管包括同心设置的外管和位于所述外管内的原料下料管11，所述原料下料管11内布置有旋转分布器13，所述原料下料管11和所述外管的间隙为混合煤气出口12。
本实施例中，垃圾原料在流化床热解炉1炉顶经旋转分布器13均匀通过原料下料管11进入流化床热解炉1内，在炉底高温气化煤气作用下进行流化热解，热解产生中温高热值的热解煤气(500～600℃，煤气热值4000～6000kcal/Nm3)。中温热解煤气和气化煤气的混合煤气经原料下料管11和外管的管路环隙即混合煤气出口12排出，同时应用混合煤气的余热为垃圾原料进行间壁预热。垃圾经热解后所产生的热解炭通过控制返料阀2的返料气化煤气量和松动气化煤气量进入热解炭熔渣流化床气化炉3，与来自炉内的过热水蒸气和空气进行熔渣流化床气化生产气化煤气(1350～1500℃，煤气热值1200～1300kcal/Nm3)。
作为上述实施例的优选的实施方式，如图1所示，所述返料阀2包括连通的返料室和松动室，所述返料室下端设置有返料风室22，所述松动室下端设置有松动风室23，其中，所述松动室连通所述热解炭出口，所述返料室连通所述热解炭进口。
如图2，图3和图4所示，本发明的又一实施例中，在上述实施例的基础上，所述热解炭熔渣流化床气化炉3包括炉体，蓄热式辐射管31和反应气管道32，所述反应气管道32为并联且均匀排布的多个，其中，
所述蓄热式辐射管31设置在所述炉体内的上部，所述反应气管道32设置在所述蓄热式辐射管31下方，且所述反应气管道32上均匀地连通有多个中心管33，所述中心管33的末端朝向所述炉体底部设置；
所述蓄热式辐射管31的燃料入口连通所述混合煤气出口12。
热解炭熔渣流化床气化炉3内流化气(空气和水蒸气)通过布置炉内的耐高温反应气管道32、中心管33和风帽进入炉内与热解炭进行气化反应。多管束的反应气管道32可设于蓄热式辐射管31和液面之间任意位置，每根管束上均设置多个中心管33，流化气经过中心管33和风帽头上小孔进入床内(液面)。每根管束反应气管道32上，相邻的中心管33中心线的距离为100～150mm，风帽头上小孔孔径在4～8mm；相邻的管束的中心线的间距为200～400mm。多管束如此布置在熔渣流化床内可保证参与反应的流化气均匀分布且可强化气化过程反应；控制风帽头小孔孔径在此范围一方面可保证小孔出口气体流速和气流吹扫强度，另一方面可避免垃圾炭未熔融颗粒碰撞后随机进入风帽内。设置上述风帽中心管33中心线间间距和管束间中心线间间距的目的在于风帽小孔出口流速可完全覆盖周边吹扫面积，保证炉内垃圾热解炭处于充分流化状态，且可充分与气化剂接触反应，避免未熔融热解垃圾炭在布风板上沉积。
本发明的又一实施例中，为降低热解炭熔渣流化床气化炉3所产生高温气化煤气对设备材料的影响，***还包括余热回收***，所述余热回收***包括气路顺序连通的直冷器、过热器、蒸汽锅炉、水预热器、空气预热器、间冷脱硫装置，所述混合煤气出口12和所述热解炭熔渣流化床气化炉3的气化煤气出口均连通至所述直冷器的气路进口；
所述水预热器、蒸汽锅炉、和所述过热器的水路依次顺序连通，所述过热器的水路出口和所述空气预热器的空气出口均连通至所述热解炭熔渣流化床气化炉3的反应气管道32。
作为上述实施例的优选，所述间冷脱硫装置的气路出口连通所述直冷器的气路进口。
具体地，垃圾进料管进口和流化床热解炉1原料下料管11相连接；流化床热解炉1热解垃圾炭出口与返料阀2松动室21进口相连接，返料阀2返料室24热解垃圾炭出口与热解炭熔渣流化床气化炉3进口相连接，热解炭熔渣流化床气化炉3熔渣出口与冷渣螺旋输料机5进口相连接，热解炭熔渣气化煤气出口、部分混合煤气(热解煤气+气化煤气)出口和循环气化煤气进口与直冷器进口相连接，直冷器煤气出口与过热器煤气进口相连接，过热器煤气出口与蒸汽锅炉煤气进口相连接，蒸汽锅炉煤气出口与水预热器煤气进口相连接，水预热器煤气出口与空气预热器煤气进口相连接，空气预热器煤气出口与间冷脱硫设备煤气进口相连接，煤气经间冷脱硫设备煤气出口部分外用，部分煤气循环回用至直冷器煤气进口。锅炉水进口与水预热器锅炉水进口相连接，过热蒸汽与过热器过热蒸汽出口相连接。空气与空气预热器空气进口相连接，预热空气与空气预热器空气出口相连接。热解炭过热蒸汽和预热空气与热解炭熔渣流化床气化炉3流化气管束进口相连接。
在进行垃圾处理时，流化床热解炉1所生产混合煤气(热解煤气+气化煤气)一部分用以辐射管燃料使用，另一部分混合煤气(热解煤气+气化煤气)与外用循环气化煤气、热解炭熔渣流化床气化炉3所产生的1350～1500℃气化煤气混合后在直冷器内进行换热降温，换热后的煤气经过热器、蒸汽锅炉、水预热器、空气预热器和间冷脱硫后部分外用，其余作为气化煤气循环使用(即外用循环气化煤气)。锅炉水经过热器、蒸汽锅炉、水预热器生产中压中温过热蒸汽(450℃，3.8MPa)；空气经空气预热器生产预热空气；换热生产的过热蒸汽和预热空气均作为热解炭熔渣流化床气化炉3气化剂或流化气使用。
本发明的又一优选实施例中，所述热解炭熔渣流化床气化炉3的熔渣出口通过溢流堰板4连通激冷室，所述激冷室内设置有冷渣螺旋输料机5。熔渣流化床炉内熔渣经溢流堰板4进入水激冷室，冷渣经冷渣螺旋输料机5送至皮带进行输送，冷渣干化后可作为建筑材料原料使用。
在上述实施例的基础上，所述流化床热解炉和所述返料阀的下部均设置有布风板，所述布风板上设置有风帽。气化煤气均通过风帽进入热解炉和返料阀内，使流化床热解炉和返料阀内固体物料和气化煤气进行气固反应；返料阀的气化煤气分别通过返料风室和松动风室进入返料阀内。
本发明的实施例中，流化床热解炉操作温度控制在500～600℃，床层高度控制在0.80～1.50m，气化煤气经风帽进入流化床热解炉，控制床内操作气速在1.0～2.0m/s；热解炭返料阀返料侧操作气速控制在1.0～1.50m/s，松动侧操作气速控制在0.50～0.75m/s。垃圾热解炭熔渣流化床气化操作温度在1350～1500℃。常规熔分炉传热主要靠辐射方式产生热量后再通过热传导方式传递给熔渣，熔渣内不存在气液两相流动，其液面高度基本控制在1.0m以下。本发明实施例的垃圾热解炭熔渣流化床在熔渣液面内存在气液两相流动，造成了炉内熔渣的扰动，强化了液面内熔渣流动，提高了传热效率，炉内熔渣液面高度可控制在1.0～1.80m左右。炉内水蒸气和空气经风帽进入熔渣床面，依靠风帽小孔出口气速造成床内熔渣的流动，强化流化气和垃圾炭熔渣内炭扰动，提高炉内垃圾炭熔渣气化效率。热解炭熔渣流化床内垃圾炭进料通过返料阀返料风量和松动风量进行调节。热解炭熔渣流化床气化炉采用蓄热式辐射管作为热源设备，在垃圾热解炭熔渣流化床内辐射管布置方式上，辐射管在流化床炉墙两侧均匀布置，保证辐射管能够传热到整个床面，如图3所示。混合煤气(热解煤气和气化煤气)作为燃料，空气为助燃剂。熔渣流化床垃圾炭进料不稳定和调整床内气氛时，煤粉可适当加入熔渣流化床内。
如图5，图6所示，本发明实施例还公开了一种垃圾处理的方法，该方法包括：
垃圾在流化床热解炉炉顶经旋转分布器进入炉内进行流化热解，热解煤气和气化煤气由混合煤气出口排出，热解炭经由返料阀进入热解炭熔渣流化床气化炉；
热解炭在热解炭熔渣流化床气化炉内与反应气进行气化反应，所述气化反应的热源由位于热解炭上方的蓄热式辐射管提供，所述气化反应的反应气由位于蓄热式辐射管下方的反应气管道引入，并由连通在所述反应气管道上的多个中心管末端的风帽头喷向所述气化炉内的热解炭。
根据权利要求9所述的方法，其特征在于，流化床热解炉得到的混合煤气，一部分用于蓄热式辐射管的燃料，另一部分和热解炭熔渣流化床气化炉得到的气化煤气对热解炭熔渣流化床气化炉的反应气进行预热。
本发明实施例所公开的垃圾处理方法，不同于传统的间歇液态排渣和熔渣气液气化反应方式，采用连续液态激冷排渣和熔渣气液气化反应方式。在排渣上通过调整返料阀进气化煤气量改变入熔渣流化床内的垃圾热解垃圾炭量，进而改变垃圾热解炭在床内与流化气(水蒸气+空气)停留时间和料层高度，垃圾热解炭在炉内停留时间控制在3～5min，料层高度控制在0.80～1.20m，从而实现垃圾炭在炉内气化过程连续化稳定，气化煤气热值基本稳定。在熔渣气液气化反应过程，不采用现有的气力输送切向输送物料引起熔渣流动以强化熔渣气液气化反应，而通过布置炉内的耐高温反应气管道、中心管和风帽通入流化气(水蒸气和空气)，在床层轴向方向上强化垃圾炭熔渣和流化气的反应，同时熔渣在径向方向上连续流动，使得床内物料完全混合均匀，传热传质和反应过程更加完全。
本发明的一优选实施例中，返料阀返料室热解垃圾炭出口应高于垃圾热解炭熔渣流化床液面高度500～1000mm；蓄热式辐射管距离垃圾热解炭熔渣流化床液面在1000～1500mm。设置上述高度范围既可保证熔渣不会因气液流化导致液面波动而使得熔渣倒流至返料阀返料室，也不会由于液面波动使得熔渣沾污到辐射管而降低辐射管热效率。
实施例1
如图5，图6所示，垃圾在500～600℃的流化床热解炉内与来自热解炭熔渣流化气化炉的1350～1400℃气化煤气进行热解后生产出500～600℃热解煤气和热解炭。500～600℃混合煤气(热解煤气+气化煤气)经原料下料管11和外管环隙降温至150～200℃，部分进入蓄热式辐射管作为燃料用，部分进入直冷器与来自热解炭熔渣流化气化炉的1350～1500℃的气化煤气换热。500～600℃热解炭经流化床热解炉热解炭出口进入返料阀松动风室和返料风室进入热解炭熔渣流化气化炉，松动室和返料室内操作气速分别控制在0.5～0.60m/s和1.10～1.30m/s。热解炭熔渣流化气化炉内温度控制在1350～1400℃，床层高度在1.50～1.70m。300～350℃预热空气和400～420℃过热蒸汽在熔渣流化床气化炉内与热解炭(或者部分煤粉和热解炭)反应生产1350～1400℃的气化煤气，1350～1400℃的熔渣经激冷由冷渣螺旋输料机外送。部分1350～1400℃的气化煤气作为流化床热解炉供热流化气，其余1350～1400℃的气化煤气与一部分混合煤气(热解煤气+气化煤气)、外用循环气化煤气在直冷器内进行换热降温至900～950℃，换热后的煤气经过热器、蒸汽锅炉、水预热器、空气预热器和间冷脱硫后降温至25～35℃，部分外用，其余作为气化煤气循环使用，20～30℃锅炉水经过热器、蒸汽锅炉、水预热器生产中压中温过热蒸汽(400～420℃，3.7～3.8MPa)；常温下空气经空气预热器预热空气至300～350℃；400～420℃过热蒸汽和300～350℃预热空气混合后均匀分配送至可并联耐高温的多管束反应气管道作为热解炭熔渣流化床气化炉气化剂或流化气参与气化反应，外用煤气和激冷处理熔渣经测定在二噁英含量分别在＜0.01ng-TEQ/m3和＜0.1ng-TEQ/kg。
综上所述，本发明实施例所公开的垃圾处理***和方法，至少具有如下有益效果：
(1)可有效进行低热值(热值在3000～5000kcal/kg)垃圾处理，同时也适用于高热值垃圾(热值在～10000kcal/kg)处理；
(2)解决了传统垃圾热解过程产生的，低热值垃圾热解生产高灰分低可燃质垃圾炭引起的固废问题；
(3)有效解决了传统垃圾热处理过程中产生二噁英问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种新型垃圾处理***，其特征在于，包括流化床热解炉，返料阀和热解炭熔渣流化床气化炉，其中，
所述流化床热解炉的炉顶设置有第一开口，炉体侧壁设置有热解炭出口，所述热解炭出口通过所述返料阀连通至所述热解炭熔渣流化床气化炉的热解炭进口。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述第一开口处连接有套管，所述套管包括同心设置的外管和位于所述外管内的原料下料管，所述原料下料管内布置有旋转分布器，所述原料下料管和所述外管的间隙为混合煤气出口。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述返料阀包括连通的返料室和松动室，所述返料室下端设置有返料风室，所述松动室下端设置有松动风室，其中，所述松动室连通所述热解炭出口，所述返料室连通所述热解炭进口。
4.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述热解炭熔渣流化床气化炉包括炉体，蓄热式辐射管和反应气管道，所述反应气管道为并联且均匀排布的多个，其中，
所述蓄热式辐射管设置在所述炉体内的上部，所述反应气管道设置在所述蓄热式辐射管下方，且所述反应气管道上均匀地连通有多个中心管，所述中心管的末端朝向所述炉体底部设置；
所述蓄热式辐射管的燃料入口连通所述混合煤气出口。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，还包括余热回收***，所述余热回收***包括气路顺序连通的直冷器、过热器、蒸汽锅炉、水预热器、空气预热器、间冷脱硫装置，所述混合煤气出口和所述热解炭熔渣流化床气化炉的气化煤气出口均连通至所述直冷器的气路进口；
所述水预热器、蒸汽锅炉、和所述过热器的水路依次顺序连通，所述过热器的水路出口和所述空气预热器的空气出口均连通至所述热解炭熔渣流化床气化炉的反应气管道。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述间冷脱硫装置的气路出口连通所述直冷器的气路进口。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述热解炭熔渣流化床气化炉的熔渣出口通过溢流堰板连通激冷室，所述激冷室内设置有冷渣螺旋输料机。
8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述流化床热解炉和所述返料阀的下部均设置有布风板，所述布风板上设置有风帽。
9.一种采用权利要求1-8任一所述的***进行垃圾处理的方法，其特征在于，
垃圾在流化床热解炉炉顶经旋转分布器进入炉内进行流化热解，热解煤气和气化煤气由混合煤气出口排出，热解炭经由返料阀进入热解炭熔渣流化床气化炉；
热解炭在热解炭熔渣流化床气化炉内与反应气进行气化反应，所述气化反应的热源由位于热解炭上方的蓄热式辐射管提供，所述气化反应的反应气由位于蓄热式辐射管下方的反应气管道引入，并由连通在所述反应气管道上的多个中心管末端的风帽头喷向所述气化炉内的热解炭。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，流化床热解炉得到的混合煤气，一部分用于蓄热式辐射管的燃料，另一部分和热解炭熔渣流化床气化炉得到的气化煤气对热解炭熔渣流化床气化炉的反应气进行预热。
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