将来自建筑垃圾的可燃物进行气化的工艺与装置

摘要

本发明公开了将来自建筑垃圾的可燃物进行气化的工艺与装置。所述工艺包括将从建筑垃圾中回收的可燃物在裂解炉中进行裂解气化，然后进行一级净化和二级净化，再进行一级分离和二级分离，在二级分离后，使用风机将尾气引出进行三级净化。还公开了将来自建筑垃圾的可燃物进行气化的设备。本发明的工艺和设备对建筑垃圾可燃物具有很强的针对性，焦油含量低并且尾气中有害物质含量低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种将来自建筑垃圾的可燃物、尤其是生物质进行气化的工艺与装置。

技术背景

近年来，随着城市规模的不断增加和城镇化建设进程的不断深入，垃圾产生量的日趋增加，而采用传统处理方法暴露出来的诸多不能克服的问题，使得垃圾热解处理技术越来越受到人们关注，尤其对于厨余、塑料、橡胶等含量较高的城市生活垃圾，其热解气化过程越能显现出价值。由于城市生活垃圾组分繁多，热解气化过程相当复杂，在热解气化过程中，既有大分子裂解成小分子，又存在小分子聚合成较大分子的可能。

城市生活垃圾除堆肥、填埋处理外，焚烧技术因其显著的减量减容特点及热能回收利用的优势,而被广泛采用.但焚烧过程中产生酸性气体、重金属和二问题不容忽视。垃圾气化处理技术,由于具有污染物排放低、显著的减量减容性以及生产可燃气体等优点,逐渐成为新的研究热点。在生活垃圾气化方面,国内外学者通过沸腾床、流化床、固定床等气化城市生活垃圾，系统地研究了。

热解气化法(或简称热解法或气化法)具有多个优点，主要体现在如下：(1)燃烧效率高。因垃圾直接燃烧属于气、固非均相反应，垃圾作为固态物质，扩散性、混合性非常差，因而燃烧效率较低，同时燃烧过程中易产生有毒有害物质；而热解产生的气态产物和焦油，属均相燃烧，燃烧充分、效率高；(2)燃烧过程容易控制，垃圾组成复杂，各组分之间理化性能相差很大，若直接燃烧，各组分的着火点、反应速度相差悬殊，难以稳定控制；而垃圾热解后的产物燃烧过程均相稳定、便于控制；(3)污染低，无需二次处理。垃圾简单焚烧若控制不到位，除了极易产生剧毒物“二噁英”外，还会排出大量含有毒物质的飞灰和残渣，需二次处理。热解由于是均相、无氧分解，热解产物再次燃烧后最终产物主要是CO₂和H₂O，同时减容量大，残余炭渣较少，有利于减轻对大气环境的二次污染。

生物质在热解产气的同时，还会伴生焦油和残炭等副产品。焦油的存在会降低产气率和热效率，更为严重的是在低温时，焦油还会凝结为液态，易于与水和灰尘结合在一起堵塞和腐蚀设备，严重时导致设备无法正常工作，因此要求将焦油的产量降低到最低，以提高热解气的品质。在各种措施中，焦油的催化裂解被认为是最高效的一种工艺过程，该工艺是将焦油转化成小分子的永久性气体，与可燃气一起被利用。

CN101565647A公开了一种生活垃圾作燃料利用的预处理方法，包括垃圾燃料的分选技术，其特征是将生活垃圾通过初选、破碎或破袋、筛选、气流悬浮风选和风干工序，达到降低垃圾燃料的水分含量和无机物含量，提高垃圾燃料的热值，使生活垃圾能够作为气化炉的气化原料利用，或使生活垃圾不需添加常规燃料助燃就能实现在焚烧炉内稳定燃烧，其中：成分复杂的生活垃圾在初选工序中分离为大件垃圾、小件垃圾、大块建筑垃圾；把大件垃圾通过破碎机进行破碎、分选出废木碎料作为燃料利用，把小件垃圾通过破袋工序后进行筛选，除去泥砂，把筛上的混合垃圾送入气流悬浮风选器进行风选分离；气流悬浮风选器内的工作气流由下而上运动，混合垃圾在风选功能室内悬浮翻滚，达到松散状态，垃圾物料按密度分层，形成轻质物料悬浮区和中重质物料悬浮区，低水分的轻质有机物由轻质物料悬浮区一侧的轻质有机物出口引出，高水分、中重质有机物由中重质物料悬浮区一侧的中重质有机物出口引出，重质无机物从气流悬浮风选器底部的出口排出；从气流悬浮风选器分离出的低水分轻质有机物送入风干器进行风干处理，成为垃圾燃料；从气流悬浮风选器分离出的高水分中重质有机物送入挤压脱水装置进行脱水处理，脱水后的有机质垃圾物料送入风干器进一步除去水分，成为垃圾燃料；把经过预处理后的垃圾燃料采用下列方式的其中一种进行利用：a.把垃圾燃料送入气化炉通过气化反应转化为合成气；b.把垃圾燃料送入焚烧炉或工业锅炉进行焚烧处理，转化为热能；c.把垃圾燃料进行粉碎，加入添加剂，用压缩成型设备制取高密度的成型燃料。

CN103727542A公开了一种垃圾热解炉，其特征是包括压杆、夹紧装置、锥形炉盖、进料口、气液混合物收集通道、管道、压料板、炉壳、自动点火装置、供氧器、出气孔、分配器、空气主管、炉脚、残渣出口，锥形炉盖安装在炉体顶部，锥形炉盖上设有进料口，夹紧装置安装在压杆上，压杆穿过锥形炉盖，压杆底端与压料板连接，炉体上部设有气液混合物收集通道和管道，炉体下部设有残渣出口，供氧器和自动点火装置均匀分布在炉体底部，供氧器是上端封闭的管道，管道壁上开有均匀向下倾斜的出气孔。

CN1554893A公开了一种垃圾热解气化炉,主要包括上端开有投料口的炉体,炉体的内腔中设有保温层,保温层和炉体的内壁之间设有水冷层；在保温层的内腔中,靠近投料口处设有布料器,布料器通过传动轴与第一从动齿轮、第一电机相连接；炉体的下端开口处设有除渣器,除渣器通过第二从动齿轮和第二电机相连接；设有导气管,导气管的一端穿过除渣器和炉体,其管口末端在炉体的底部处形成一伞状的导气入口,另一端穿过除灰器止于其底部。

CN1903457A公开了一种城市垃圾的热解炭化方法，其特征是垃圾的炭化工艺至少包括以下过程，垃圾的热解炭化过程，热解炭化过程中产生的热解气的除酸性气体过程，热解气的燃烧过程，热解气燃烧后的高温气在热解炉中向垃圾传递热量的过程；且热解在250℃至650℃之间的任意温度进行。

CN104006389A公开了一种垃圾热解气化焚烧方法，所述垃圾热解气化焚烧方法包括以下步骤：(A1)垃圾经过预干燥后进入热解气化炉内；空气从所述热解气化炉的顶部和底部进入炉内；(A2)垃圾在所述热解气化炉内下降过程中热解、气化，产生的可燃性气体从气化炉中部被引出；(A3)残留碳在气化炉内继续下移，并和底部进入的空气发生气化反应，产生的可燃性气体从气化炉中部被引出，产生的炉灰从气化炉底部的排灰口排出。

CN103357411A公开了一种进行废弃物和煤，主要包括生活垃圾、农林废弃物、市政污泥、淤泥、废橡胶、废塑料、尾煤等物料热解产气成分调控用的钙基催化剂及其制备方法。使用该催化剂，可以提高物料热解过程中的可燃气体产率，并使部分二氧化碳转换成一氧化碳，从而实施气体成分的调控。该催化剂是以碳酸盐类矿物(包括尾矿)为原料，通过破碎、筛分、煅烧、加工制成具有不同形状和粒度大小的催化剂。

WO2011/000513A1公开了一种综合垃圾处理系统和方法，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。用于发电的系统和方法，包括根据本发明的垃圾处理系统或方法，还包括氧化器，用于将从所述的热解原料产生的合成气高温氧化以产生用于发电的热量。

EP1121691A2公开了一个有机废物分解装置和方法,该装置包含串联的两个反应器,每一个反应器使用了氧增强的过热蒸汽来分解各种各样的有机化合物以减少质量和体积。当蒸汽/氧混合物注入陶瓷珠的流化床中时,迅速发生分解。流化气体混合物的速度搅拌着陶瓷珠,帮助固体废物的碎裂,氧使某些氧化反应进行以补偿干燥、热解和蒸汽再重整对热的需求。大部分热解发生在第一级,设立第二级用于使热解完全,以及通过使用共反应剂来改变无机物的氧化态和使用能分离金属废物的温度,从而调整或气化废物形态。

US20110048915A1公开了一种处理废物及从日常生活和工业有机废物经热解得到碳氢化合物的方法。处理废物的方法包括：进行第一和第二阶段热解；分离热解产物成几个部分；处理每一部分得到有用的产品。实施第二阶段热解的同时，对热解产物进行电磁作用。实施方法的装置中有一个热解反应器，它是由两部分组成。在反应器的第二部分安装了电磁作用的原。第二部分的出口与热解的蒸汽气体产物分离系统相连接。技术结果是：提高了处理废物的效果并得到固态、液态和气态燃料组分形式的产品。在热解中，使用钠碱作为催化剂。

“生物质超临界水气化制氢催化剂研究进展”，王奕雪等，化学研究与应用，第25卷第1期，2013年1月，第7-11页摘综述了生物质在超临界水中气化制氢所用催化剂的国内外研究进展，碱类催化剂、金属类催化剂、金属氧化物催化剂、碳类催化剂、矿石类等五类催化剂均能不同程度提高气化率和氢气产率，通过催化剂的比选，提出有效的催化剂及催化剂载体。

然而，如上文所述，在上述现有技术中，主要针对的是生活垃圾，缺乏对存在较大成分差异的建筑垃圾可燃物进行气化的工艺和装置，在现有的处理方法中，尚存在生成大量焦油的问题，采用的常规焦油分解催化剂催化效果较差且催化反应温度偏高，另外常规工艺中尾气中的有害物质含量偏高。本领域需要一种能够将来自建筑垃圾的可燃物进行气化并解决焦油生成问题和污染问题的气化工艺和装置。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明人经过深入研究和大量实验，提出了如下技术方案：

在本发明的一方面，提供了一种将来自建筑垃圾的可燃物进行气化的工艺，该工艺包括将从建筑垃圾中回收的可燃物在裂解炉中进行裂解气化，然后进行一级净化和二级净化，再进行一级分离和二级分离，在二级分离后，使用风机将尾气引出进行三级净化。

优选地，一级净化用于除去焦油。焦油的存在会降低产气率和热效率，更为严重的是在低温时，焦油还会凝结为液态，易于与水和灰尘结合在一起堵塞和腐蚀设备，严重时导致设备无法正常工作焦油具有较大的粘稠性，因此应及时除去，否则会影响后续工艺。另外，刚刚离开裂解炉的焦油尚具有比较高的温度，并且通常呈气态，因而此时容易净化除去。

优选地，二级净化用于除去灰渣、残炭物质。灰渣和残炭也是气化过程中经常产生的物质，其可以通过例如旋风分离进行净化去除。

优选地，一级分离用于分离出H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₄和/或C₂H₆气体。这些气体可以作为综合燃气使用，从而提高了整个工艺的附加值。

优选地，二级分离用于分离出细灰分。在经历前述净化和分离步骤中，尾气中尚存在一些很细的灰分，例如粒径为10-100μm的灰分颗粒，需要将其分离，一方面以有利于下游三级净化的进行，另一方面可以将这些细灰分与二级净化中的灰渣、残炭合并，作为裂解气化催化剂的载体使用。

优选地，三级净化用于除去二噁英和/或呋喃。尾气在排放前，必须将二噁英和呋喃这些有害物质完全分解。其净化处理可以包括将来自二级分离的气体在1200℃-2000℃的温度下热分解2秒-8秒，然后将尾气骤冷至70℃-100℃，从而所述有害物质完全分解成小分子物质，例如原子级(如碳和无机成分)，并且在骤冷的作用下能够使分解产生的物质例如碳沉降下来。

在本发明的一个特别优选的实施方式中，在将从建筑垃圾中回收的可燃物送入裂解炉之前，将其与催化剂充分混合。如前文所述，焦油的存在会降低产气率和热效率，更为严重的是，在低温时，焦油还会凝结为液态，易于与水和灰尘结合在一起堵塞和腐蚀设备，严重时导致设备无法正常工作，因此要求将焦油的产量降低到最低，以提高热解气的品质。在各种措施中，焦油的催化裂解被认为是最高效的一种工艺过程，该工艺是将焦油转化成小分子的永久性气体，与可燃气一起被利用。本发明人经过大量研究，开发了一种能够有效分解焦油的催化剂，该催化剂包含载体和负载在所述载体上的活性成分，其中载体为粉煤灰，催化活性组分为NiO、CuO、Fe₂O₃三种氧化物的复合氧化物，该催化剂可以表示为NiO-CuO-Fe₂O₃/粉煤灰，其中Ni、Cu、Fe的摩尔比为(5-10):(1-2):(10-20)，基于催化剂总重量计，NiO-CuO-Fe₂O₃复合氧化物的含量为2-10％。优选地，所述NiO-CuO-Fe₂O₃复合氧化物为纳米级，其粒径为5-80nm。该催化剂中使用粉煤灰作为催化剂载体，粉煤灰在裂解过程中快速燃烧，从而可以非常快速地提高催化剂活性组分周围局部环境的问题，从而使催化剂活性成分非常快速、高效地发挥作用，即使在较低的炉温下也能够发挥很好的焦油裂解作用，并且粉煤灰本身可分解，无残留。在催化剂的制备中，可以将净化和分离中获得的灰渣、残炭、细灰分与粉煤灰混合，以提高资源利用率。所述活性组分的设计，可以有效分解焦油，使整个工艺中的焦油产率极大降低。这样的催化剂在先前尚未见报道，是本发明针对从建筑垃圾回收的可燃物的具体组成特点有针对性地设计的，其设计过程花费了大量劳动。

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NiCl₂·6H₂O、Cu(NO₃)₂·3H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O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，称取一定量的粉煤灰放入三颈瓶底部，将配好的溶液倒入三颈瓶内，置于恒温加热磁力搅拌器中油浴加热，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，即得到黑褐色的NiO-CuO-Fe₂O₃/粉煤灰催化剂。

在所述工艺中，可以将所述催化剂与来自建筑垃圾的可燃物以1:(100-10000)，例如1:1000的重量比混合。可以采用搅拌器将其混合均匀。

所述粉煤灰优选为经过改性的粉煤灰，该经过改性的粉煤灰通过如下方法制得：向粉煤灰加入基于粉煤灰重量计1.0-2.0％Ca(OH)₂、0.5-1.0％CaCl₂和0.5-1.0％CaSO₄，搅拌均匀后加入基于粉煤灰重量计5.0-10.0％的水，再次搅拌均匀，然后进行干燥至水含量低于0.5重量％。所述含Ca物质的加入可以促进半焦气化反应的进行，并且在载体表面形成多种含钙络合物，使颗粒的表而具有极性活化位，可以吸附碳氢化合物，使C-H键断裂，促进焦油和大分子碳氢化合物(如粉煤灰)的分解。

当然，也可以在裂解炉中将可燃物与催化剂原位混合。例如，可以采用喷射装置将催化剂粉末喷入到可燃物中。

在另一方面，本发明提供了一种将来自建筑垃圾的可燃物进行气化的设备，包括裂解炉，一级净化器，二级净化器，一级分离器，二级分离器，罗茨风机，三级净化器，其特征在于，所述裂解炉外壁设有螺旋形烟道，所述烟道与设置于裂解炉上的调温器输入端连接，所述调温器输出端与一级净化器相连接，二级净化器前端接一级净化器，后端与一级分离器连接，二级净化器中设有旋风分离器，所述旋风分离器与设于二级净化器上的蒸汽出口相连通；罗茨风机分别与二级分离器、三级净化器相连；三级净化器内设有干燥机，干燥机一端与三级净化器的出口管道相连通，干燥器的另一端与尾气管道连接，在所述尾气管道上设有止回阀。

优选地，所述一级净化器内还设有气体洗涤器，所述气体洗涤器的底部设有出口连接沉淀池。

优选地，所述裂解炉末端设有干燥器，所述干燥器通过气体收集装置与一级净化器连接，所述气体收集装置内设有粉尘过滤网。

在特别优选的实施方式中，所述裂解炉中包括能够喷射催化剂粉末的喷射装置。

所述风机优选为罗茨风机。

附图说明

附图1为根据本发明的将来自建筑垃圾的可燃物进行气化的设备的结构示意图；

图中，1为裂解炉；2为一级净化器；3为二级净化器；4为一级分离器；5为二级分离器；6为罗茨风机；7为三级净化器。

具体实施方式：

实施例1

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明一种建筑垃圾回收可燃生物质气化装置，包括裂解炉1，一级净化器2，二级净化器3，一级分离器4，二级分离器5，罗茨风机6，三级净化器7，所述裂解炉外壁设有螺旋形烟道，所述烟道与设置于裂解炉1上的调温器输入端连接，所述调温器输出端与一级净化器2相连接，二级净化器3前端接一级净化器2，后端与一级分离器2连接，二级净化器3中设有旋风分离器，所述旋风分离器与设于二级净化器3上的蒸汽出口相连通；罗茨风机分别与二级分离器5、三级净化器7相连；三级净化器7内设有干燥机，干燥机一端与三级净化器7的出口管道相连通，干燥器的另一端与尾气管道连接，在所述尾气管道上设有止回阀。所述一级净化器内还设有气体洗涤器，所述气体洗涤器的底部设有出口连接沉淀池。所述裂解炉末端设有干燥器，所述干燥器通过气体收集装置与一级净化器2连接，所述气体收集装置内设有粉尘过滤网。

本发明的该装置与一般的垃圾焚烧处理装置相比，由于采用三级净化的设置，排放净化效果好，在垃圾处理过程中对环境的污染大大降低，并且能够快速处理日常建筑垃圾，能源回收利用率高。

实施例2

使用实施例1的装置进行从建筑垃圾回收的可燃物的气化，其中将从建筑垃圾中回收的可燃物在裂解炉中进行裂解气化，然后进行一级净化和二级净化，再进行一级分离和二级分离，在二级分离后，使用风机将尾气引出进行三级净化。所述建筑垃圾为建筑物拆除的垃圾，其可燃物包括木制品、塑料、纺织物等。在裂解过程中使用的催化剂包含载体和负载在所述载体上的活性成分，其中载体为粉煤灰，催化活性组分为NiO、CuO、Fe₂O₃三种氧化物的复合氧化物，该催化剂表示为NiO-CuO-Fe₂O₃/粉煤灰，其中Ni、Cu、Fe的摩尔比为5:1:15，基于催化剂总重量计，NiO-CuO-Fe₂O₃复合氧化物的含量为5％。将该催化剂与可燃物以1:2000的重量比混合，裂解炉温度为650℃。经检测，离开裂解炉的气体中焦油的含量为0.88％，排放尾气中没有检测出二噁英和呋喃。

对比例1

对比例1与实施例1的区别仅在于使用常规的裂解气化装置，其中只有一级净化、二级净化和一级分离。排放尾气中二噁英和呋喃的总含量为1.8ppm(v)。

对比例2

对比例2与实施例1的区别仅在于使用常规的镍基催化剂NiO/Al₂O₃。经检测，离开裂解炉的气体中焦油的含量为9.11％。

由上述结果的对比清楚地可以看出，当采用本发明的“三级净化+两级分离”工艺时，可以非常有效地消除尾气中的二噁英和呋喃，同时当采用本发明的催化剂时，能够使焦油得到有效分解，离开裂解气化炉的气体中焦油含量降低到原来的1/10以下。所有这些效果都是本领域技术人员预料不到的。

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