生活垃圾热解与低热值热解气燃烧一体化工艺

摘要

本发明涉及一种生活垃圾热解与低热值热解气燃烧一体化工艺。用多孔介质燃烧器组织低热值热解气在燃烧炉内的燃烧过程；高温烟气与炉内水系统进行换热，在燃烧炉中段抽取一部分中温烟气，并将其导入垃圾热解炉内，使生活垃圾在烟气气氛下（由N

说明书

技术领域

 本发明涉及一种生活垃圾热解与低热值热解气燃烧一体化循环工艺。该工艺不仅可以完成生活垃圾的能源化、减量化和无害化处理，同时可对外输出工业、生活用热水或蒸汽。该工艺具有热解效率高、热效率高、设备组成简单等优点。

背景技术

随着环保意识的提高，传统的填埋、堆肥和焚烧等垃圾处理技术的缺陷日益明显。其中，垃圾填埋占地面积大、降解时间长；垃圾堆肥技术处理量小、效率低；而垃圾焚烧所产生的二次污染十分严重。

垃圾热解技术是指将垃圾在无氧或缺氧气氛下进行加热并产生热解气、燃料油和残炭的工艺技术，相对于垃圾焚烧技术而言，垃圾热解技术可有效控制二噁英等有害气体的排放量，同时有助于减少PM2.5的排放。垃圾热解是一项复杂的技术，涉及可再生能源技术、工程热物理、化学等多个科学领域。垃圾热解过程是一个吸热过程，热解工艺可分为外热式和内热式两种。华中科技大学江建方等人研制的外热式热解装置，利用列管组织生物质高温燃烧产物与垃圾之间的换热过程，为垃圾热解提供足够的热量，同时利用水蒸汽强化半焦的水煤气反应，提高产气率至45%左右，其热解气以CO、H₂、CH₄、CO₂为主，热值可达到14MJ/Nm³左右，但垃圾热解后的残渣含碳量仍然较高，并且热解气的后期净化处理工艺设备比较复杂。常见的内热式垃圾热解工艺包括移动床热解工艺、双回路（回转窑+热解焚烧炉）热解工艺、纯氧高温热解工艺、双塔流化床热解工艺等等。其中，移动床和双回路工艺通过焚烧一部分垃圾（或辅助燃料）为其余垃圾的热解过程提供热量，尽管与纯粹的垃圾焚烧技术相比其二次污染物排放量有所降低，但仍不容忽视；另外，前期燃烧产物的介入使热解气中含有大量的N₂，热解气热值很低，若不进行提纯，很难加以利用。纯氧高温热解工艺与前述两种工艺类似，只是不再利用空气而是使用纯氧作为氧化剂组织一部分垃圾的前期焚烧，由于燃烧产物温度较高，故垃圾热解是在高温下完成的，其热解气以CO、H₂、CO₂为主要成分，热值较低；尽管该工艺热解效率很高，但纯氧的使用成本也很高。双塔流化床热解工艺是日本月岛开发的技术，双流化床结构，利用其中一床的高温热载体和半焦为另一床中垃圾的热解过程提供能量，其热解气热值较高，但设备相对复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种生活垃圾热解及低热值热解气燃烧一体化工艺，通过组织低热值热解气的燃烧过程产生高温烟气，并以之为热载体和气氛环境进行垃圾热解的循环工艺。它是可有效促进生活垃圾能源化、减量化和无害化处理的工艺技术。本发明是多孔介质清洁燃烧技术和高效垃圾热解技术相结合的、以输出热水或蒸汽为目的的生活垃圾处理技术，具有污染物排放低（尤其是可以有效控制PM2.5的排放）、热解效率高、热效率高、设备简单等特点，可广泛应用于城镇生活垃圾处理领域。

本发明提供的生活垃圾热解及低热值热解气燃烧一体化工艺包括的步骤：

1）利用多孔介质燃烧器组织低热值热解气在燃烧炉内的燃烧过程，启动期间的燃料为天然气；

2）燃烧产生的高温烟气与燃烧炉内的水系统进行换热，生产热水或蒸汽；

3）在燃烧炉中段抽取一定量的中温烟气（900-950^oC），并将其导入垃圾热解炉内，使生活垃圾在烟气气氛下（由N₂、CO₂、H₂O和O₂等组成的混合气体）完成热解过程，产生以CO₂、CO、N₂、H₂和碳氢化合物为主要成分的低热值热解气；实验测试结果显示，热解气的低位发热量约为3.4MJ/Nm³。

4）低热值热解气经旋风除尘器处理后，送入多孔介质燃烧器燃烧；上述工艺过程为循环过程，需确保垃圾热解所需热量与中温烟气提供热量之间的热量平衡，以及整个系统的质量平衡。

5）垃圾热解剩余的残渣做无害化处理；烟气在燃烧炉内完成换热后，经脱硝工艺处理后排入大气。

该循环过程中，当热解气热值过低时，以甲烷作为辅助燃料；

本发明提供的生活垃圾热解及低热值热解气燃烧一体化工艺中的装置主要包括：多孔介质燃烧器、燃烧炉、烟气抽吸管、热解炉及螺旋送料装置、旋风分离器、风机和热解气输送管道等。

多孔介质燃烧器由预混室和多孔介质两部分组成，整体为圆柱形结构；低热值热解气沿轴线注入预混室，作为启动燃料或辅助燃料的天然气切向进入预混室，助燃空气切向进入预混室；低热值燃气、天然气和空气在预混室内均匀混合后，进入多孔介质燃烧。 

多孔介质燃烧器安装在燃烧炉的一端。

燃烧炉为圆柱形结构，内壁布置螺旋管，螺旋管分为低温和高温两段，通过中间集箱联通。水在螺旋管内流动，其流动方向与烟气流动方向相反。燃烧炉中段设置有垂直于中轴线的烟气抽吸管。

烟气抽吸管另一端与热解炉连接，连接位置靠近热解炉垃圾入口。

热解炉为圆柱形结构。利用螺旋送料装置将生活垃圾送入热解炉内，螺旋送料装置与热解炉之间，利用锁气器进行密封。

本发明所涉及的生活垃圾热解及低热值热解气燃烧一体化工艺是一种内热式循环热解工艺，采用多孔介质燃烧器组织低热值热解气的燃烧过程，并利用燃烧产物为生活垃圾热解过程提供热量及热解环境。相对于前文所述的其他类型的内热式热解工艺而言，热解气的燃烧过程属于清洁燃烧过程，污染物排放量显著降低，不会产生二噁英等有毒物质，PM2.5的排放量显著降低。本发明以输出热水或蒸汽为目的，因此无需对热解气进行冷却、除焦油等工艺处理，仅需利用旋风分离器对热解气脱尘即可直接送入多孔介质燃烧器燃烧，工艺设备大大简化。

附图说明

图1为生活垃圾热解及低热值热解气燃烧一体化工艺装置示意图。

图2为生活垃圾热解及低热值热解气燃烧一体化工艺流程图。

图3为烟气气氛下生活垃圾热解的TG-FTIR联用分析结果。

图4为烟气气氛下生活垃圾热解产气分析结果。

具体实施方式

本发明参照附图进行详细说明。本发明中使用的设备和零件在没有特别说明的情况下均为市售产品。

如图所示，1是螺旋送料装置， 2是锁气器，3是热解炉，4是旋风除尘器，5是引风机，6是多孔介质燃烧器，7是燃烧炉，8-1是低温换热器，8-2高温换热器，9是中温烟气抽吸管。

本发明主要包括：多孔介质燃烧器、燃烧炉、烟气抽吸管、热解炉及螺旋送料装置、旋风分离器、风机和热解气输送管道等； 

其中，螺旋送料装置1位于热解炉3的首端，两者之间利用锁气器2密封连接；旋风除尘器4位于热解炉3的尾端，用于净化热解气；引风机5位于除尘器4之后，用途是维持热解炉内的负压，以及将热解气输送进入多孔介质燃烧器6；多孔介质燃烧器6位于燃烧炉7的首端，燃烧炉7内壁安装有高温换热器8-2和低温换热器8-1，两者之间通过中间集箱联通；中温烟气抽吸管9位于燃烧炉7的中间位置，其一端与燃烧炉4连通，另一端与热解炉首端连通。

图1是生活垃圾热解及低热值热解气燃烧一体化工艺装置示意图，生活垃圾由进料口进入螺旋送料装置1，被推饲进入热解炉3；锁气器2用于实现热解炉3与螺旋送料装置1之间的密封，以避免环境中的空气进入热解炉、破坏热解环境。中温烟气抽吸管9用于将中温燃烧产物输送进入热解炉3，以提供垃圾热解所需要的热量和环境。热解炉3内产生的热解气直接进入旋风分离器4进行气固分离，脱除固态颗粒物；热解残渣则由热解炉3的排渣口排出。引风机5用于将分离后的低热值热解气输送进入多孔介质燃烧器6，多孔介质燃烧器6的另外两个进口分别是助燃空气入口和辅助燃料入口。多孔介质燃烧器6与燃烧炉7连接，低热值热解气的燃烧产物在燃烧炉7内与高温换热器8-2、低温换热器8-1进行换热；在高、低温换热器之间，布置中温烟气抽吸管9，用于将一部分中温烟气导入热解炉3；剩余的低温烟气经燃烧炉7的尾部烟道排出炉外，再利用其它附属设备预热垃圾。 

流程图如图2所示，利用多孔介质组织低热值热解气（系统启动或热解气成分不稳定时，以天然气作为辅助燃料）在燃烧炉内的燃烧过程，高温烟气与水系统进行换热制备热水，低温烟气可先用于预热生活垃圾，然后经脱硝处理后排出。在燃烧炉中段，抽取部分中温烟气（900-950^oC）送入热解炉，使预热后的生活垃圾在烟气气氛下完成热解过程，产生低热值热解气。热解气经旋风分离器净化后，无需冷却、除焦油等工艺即可直接送入多孔介质燃烧器燃烧；垃圾热解产生的残渣则做无害化处理。

本发明提供的一种垃圾热解与低热值热解气燃烧一体化工艺，该工艺的具体实施过程如下：首先利用一套多孔介质燃烧装置组织低热值热解气的燃烧过程、以及高温烟气与水系统的换热过程；然后将一部分中温烟气直接导入垃圾热解装置，使垃圾在烟气气氛下（由N₂、CO₂、H₂O和O₂等组成的混合气体）完成热解过程，中温烟气一方面为热解过程提供足够的热量，另一方面为热解过程提供有利的气氛环境；最后对低热值热解气进行简单处理后，送入燃烧装置进行燃烧；而残渣则做无害化处理。

图3为烟气气氛下生活垃圾热解的TG-FTIR联用分析结果。在烟气气氛中，生活垃圾的热解气成分包括CO₂、H₂O、CO、碳氢化合物以及N₂、H₂等。

图4为烟气气氛下生活垃圾热解产气分析结果。热解气中主要可燃物CO和碳氢化合物的百分比浓度峰值约为2.0%左右，H₂浓度峰值约为0.5%左右。热解气的低位发热量约为3.4MJ/Nm³。

上述工艺是一个循环工艺，与常规的移动床热解工艺、双塔循环流化床热解工艺和外热式热解工艺相比，其热解效率和热效率更高，固态残渣更少；由于该工艺对外输出的不是低热值热解气，而是工业或生活用热水或蒸汽，因此无需复杂的热解气后处理装置，设备组成更为简单。

本发明有别于常规的垃圾热解工艺，以供热为主要目的，同时实现生活垃圾的无害化处理，其创新性突出，具有显著的理论价值和实用价值，将有助于提升我国城市生活垃圾的能源化、减量化、无害化处理的技术水平，对于城镇化建设和城市可持续发展具有促进意义。另外，该工艺更易于实现设备小型化，可有效降低生活垃圾处理过程中的运输、储存成本。