CN103028595A

CN103028595A - 生活垃圾能源化利用的方法

Info

Publication number: CN103028595A
Application number: CN2012105054668A
Authority: CN
Inventors: 周鼎力
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2013-04-10

Abstract

本发明涉及生活垃圾能源化利用的方法，包括：将生活垃圾按照破碎、分选、脱水和焚烧等工艺流程进行连续化处理，同时地，将分选出来的废塑料等轻质垃圾物料进行热解制取燃油和/或燃气产品，将脱水机排出的废水进行净化达标处理和排放；本发明采用对低热值的碳水化合物垃圾先破碎后脱水，能有效地提高垃圾的热值；本发明属于连续化垃圾处理工艺，能将堆积如山的生活垃圾完全地彻底地实行减量化、无害化和资源化；具有好的创造性、新颖性和工业实用性。

Description

生活垃圾能源化利用的方法

技术领域

本发明涉及生活垃圾能源化利用的方法；具体地，属于以生活垃圾为原料制取燃料(燃油和/或燃气)的方法，属于环保石化技术领域；

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，生活垃圾中有机废弃物的含量不断上升，有机废弃物中的碳水化合物或生物质(如瓜果皮、蔬菜残渣、餐后剩食等)易变质腐烂将会影响人们生存的环境；科学有效地将其无害化、减量化，特别是生活垃圾高价值的资源化利用已引起全社会的普遍重视；目前，普遍采用的生活垃圾焚烧发电的热利用转化率一般在22-33％，1吨生活垃圾发电量为280度(KWH)左右，资源化利用率低，导致仅靠政府的财政资金补贴垃圾处理费去维持生活垃圾焚烧的减量化处理；因此，将不断增长的生活垃圾中的有机废弃物转化成为商业价值高的适合于发动机(或内燃机)或家庭燃具(厨房燃气灶和燃气热水器)燃烧的燃油或/和高热值燃气，具有积极地推广的高效益的商业化价值，以加快生活垃圾无害化、减量化和能源化利用的推广。

有关城镇燃气管网输送至用户作为居民生活，工业企业生产的燃气的国标《GB/T13612-2006》中规定，燃气的热值大于14MJ/nm³，或3349大卡/nm³；2001年07月01日我国颁布实施了GB18047-2000车用压缩天然气的国家标准，该标准中规定的燃气高位发热量必须大于31.4MJ/m³(或7512大卡/m³，标准状态下)，有关利用生活垃圾为原料，通过热化学转换技术制取燃气的方法已有报导；在ZL201120082883.7中公开了《一种有效遏制二恶英的垃圾综合处理和利用方法》，它属于一种“气化——焚烧”处理生活垃圾的技术，以空气和水蒸气作为气化剂，热处理后的燃气产物中含有40-50％(V％)氮气，以及部分H₂、CO等低热值的燃气成分，达不到城镇家用燃气炉所需的3349大卡/Nm³燃气最低热值，燃气产物只能用作燃烧炉或烧砖的燃料，商业利用价值低，不能更好的实施高价值的生活垃圾资源化利用；在本发明人公开的CN1021540044A《一种用生物质和/或有机废弃物制取发动机燃气的方法》中，采用高热值的石油液化气与低热值的燃气产物进行调配和勾兑，使燃气产物的热值达到≥31.4MJ/Nm^3.发动机燃气的标准，存在着采用100％生活垃圾为原料时，燃气产物的热值达不到≥14MJ/m³，或3349大卡/m^3.的城镇燃气管网燃气热值的缺陷；

目前为止，在中国和世界专利文献库、相关的书籍、刊物、杂志以及工业化生产应用等方面，还没有查阅到利用生活垃圾为原料制取高热值燃气(≥14MJ/m³)的报导；由于生活垃圾中含有大量的低热值的生物质和碳水化合物的成分，导致热处理后的燃气产物中含有大量的低热值的H2、CO气体，使得燃气产品的热值低，达不到城镇燃气管网燃气或家用燃气炉灶的燃气热值质量标准，只能用作廉价的工业燃烧炉的燃料，具有生活垃圾处理的资源化利用商业价值低的缺陷；

本发明的目的就是要克服和弥补上述技术的缺陷和不足，提供一种用生活垃圾为原料，利用热化学转换技术，生产出达到城镇燃气管网要求的商业价值高的燃气或工业用燃油，以实施生活垃圾处理的规模化、连续化、能源化(垃圾中的有机物转化成燃料)、减量化、无害化(不产生二恶因)、节能、环保、高效等多方面优点的方法。

发明内容

按本发明，提供了生活垃圾能源化利用的方法，属于以生活垃圾为原料制取燃料(燃油和/或燃气)的方法，包括以下步骤

(1)城市生活垃圾由垃圾车辆运来，经地衡称量后倒入垃圾池内，然后由垃圾抓料机送入垃圾破碎机中，或是直接将垃圾运输车辆运送来的生活垃圾原料直接倒入垃圾破碎机中，进行破碎成30公分以下尺寸；

(2)将破碎后的生活垃圾送入分选机中进行分选，将分选出的废塑料等轻组分物料与碳水化合物等重组分物料分离开，分别进行收集和利用；同时地，将分选出来的废塑料等轻质组分物料实行热解制取燃油和/或燃气；

(3)将上述(2)分选出的重组分物料送入脱水设备内进行脱水，分别收集脱水后的物料和脱水设备排出的废水；同时地，依照公知的废水净化处理技术设备，不断地将收集的废水进行净化达标处理和达标排放；(4)将上述(3)脱水后的重组分物料送入到焚烧炉中焚烧至烬，将焚烧中产生的高温烟气和灰烬进行回收和利用；进一步净化处理焚烧炉排出的烟气；

在上述(2)分选中，所述废塑料等轻质组分物料实行热解制取燃油和/或燃气的意思是指：将分选出的废塑料等轻组分物料送入热解反应设备中，依照常规的炼油技术设备，依次进行热分解和/或催化裂解、冷凝、油气分离或油水分离，以及水封罐封压等过程，制取燃油和/或燃气；制取燃油和/或燃气所需热量主要来自上述(4)焚烧炉产生的高温烟气；

所述的将焚烧中产生的高温烟气和灰烬进行回收和利用的意思是指：可以将焚烧炉中排放的高温烟气引入到热解反应设备中，给废塑料制取燃油和/或燃气的热分解和/或催化裂解提供热量，或给余热烟气锅炉供热量制取水蒸气，可以将焚烧炉排出的炉灰作为建材原料进行利用，如作为制砖的材料；

所述的生活垃圾原料，进一步包含医疗垃圾和/或餐厨垃圾；

所述的垃圾破碎机，属于常规的固体破碎机，例如：螺旋绞龙式破碎机、剪切(立式或卧式)式破碎机、高速(立式或卧式)旋转式破碎机、低速旋转单轴或双轴破碎机等等；破碎机能将生活垃圾原料破碎至30公分尺寸以下；

所述的分选机，属于常规的生活垃圾分选机，其中包括：滚筒筛旋转式分选机、风力分选机、振动筛分选机等；分选机能将破碎(或破袋)后的生活垃圾分离成轻质垃圾物料和重质垃圾物料，并分别进行收集和备用；

所述的脱水机，属于常规的电动垃圾脱水机，其中包括：螺旋挤压式脱水机、离心式脱水机、槽式或圆筒式液压挤水脱水机，以及类似打包机原理的液压式脱水机等；将分选出或除去废塑料等轻质垃圾物料后剩余的重质垃圾物料送入到所述的脱水机中进行脱水，经过脱水机的脱水作用，大量的废水从脱水机中排放流出来；

所述的焚烧炉，属于常规的垃圾焚烧炉，其中包括：卧式往复炉排焚烧炉、立式炉蓖式焚烧炉、流化床焚烧炉、循环床焚烧炉以及其它公知的焚烧炉；将脱水后的重质垃圾物料作为焚烧炉的燃料，送入到所述焚烧炉中进行焚烧至烬，将焚烧中产生的高温烟气引入到热处理设备(如热解反应釜或余热锅炉)中，回收高温烟气中热量进行热能回收利用，将焚烧炉排出的炉灰作为建材制砖进行回收利用；

所述热解反应设备，属于常规的干馏热解反应器，其中包括：带搅拌装置的立式热解反应器、卧式带螺旋搅拌装置的热解反应器、流化床反热解应器、循环床热解反应器、移动床热解反应器、连续化密闭旋转式筒体裂解反应釜、间隙式密闭旋转式筒体裂解反应釜、螺旋管式反应器，以及其它公知的热解反应器；其主要作用是：按照公知的废塑料热解技术，将垃圾中分选出来的废塑料等轻质物料实施无氧条件下的热分解或干馏，制取燃料的气相产物；

所述废水净化处理设备，属于常规的由曝气絮凝、厌氧和/或好氧(MBR工艺)、反渗透等装置构成的生活废水净化处理设备；利用该废水净化处理设备将所述垃圾脱水机排出的废水进行净化达标处理；

现实的生活垃圾中碳水化合物占有很高的容积百分比(V％)和重量百分比(W％)，特别是我国南方的雨季长，雨量充沛，生活垃圾中的水分含量也高，导致生活垃圾经常呈现低位发热值状况，若要进行完全焚烧或彻底裂解，就要额外消耗一定量的燃料，以补充和满足裂解或焚烧所需的基本热量。生活垃圾中的碳水化合物主要由腐烂瓜果、瓜果皮、蔬菜残叶、厨房餐馆垃圾、餐后剩食所组成；在这些碳水化合物中，水分的重量百分比含量(W％)超过数倍固体干基的重量百分比含量(W％)；通过垃圾的破碎和脱水处理后，垃圾的容积百分比例(V％)大大减小，固体干基的重量百分比含量(W％)大大上升；同时地，垃圾中水分的排除，导致垃圾的发热值大大上升，其发热值能满足或超过此时垃圾焚烧至烬所需热量；但在单一的垃圾焚烧法中，垃圾中的水分是靠吸收热量而蒸发出去的，因此造成了严重的能源浪费；

特别地，实践表明：生活垃圾中所含的废塑料、纸屑、草等轻质有机物，具有比重轻、压缩或挤时有很大弹性，不易压实压紧的特性，导致对含有废塑料等轻质物料的原态生活垃圾进行挤压脱水时，还有大量的水分不能从生活垃圾中挤压流出来，脱水后的垃圾热值低，热值不能提高，垃圾焚烧时燃烧不完全，需要额外地补充燃料后才能焚烧至烬，增加了生活垃圾处理的综合成本；

因此，本发明先将废塑料、纸屑、草等轻质组分物料从生活垃圾中分选出来，再将分选出轻质组分物料后剩余的重质生活垃圾物料进行挤压脱水；由于该重质垃圾物料比重大、挤压或压缩时无弹性，易压实，很容易将该重质物料中含有的大量水分在挤压时流出，极大地降低了重质垃圾物料中水分的百分比含量，提高了重质垃圾物料的热值，确保了脱水后的重质垃圾物料焚烧时不再额外地补充燃料就能焚烧至烬，降低了生活垃圾处理的综合成本；这，就是本发明的特征之一；

本发明的方法具备如下优点：

(1)生活垃圾破碎后进行快速的低成本的机械化分选或筛选，克服和减少了在居民小区原生态垃圾进行分类的麻烦；

(2)从生活垃圾中分选出来的水分含量高的碳水化合物如瓜果皮、腐烂蔬菜等低热值的重组分固体垃圾经过破碎和挤压脱水后，使得垃圾的体积大大缩小，热值提高，能加速和确保固体垃圾的有效的完全彻底地焚烧至烬；采用对低热值的碳水化合物固体垃圾先破碎后脱水，能有效地减少垃圾的体积和提高垃圾的热值，能有效地满足我国南方多雨季的含水分高的低热值的生活垃圾完全焚烧至烬，不需额外喷油或添加其它燃料助燃，降低了生活垃圾处理成本；

(3)生活垃圾经过破碎和分选机分选后的轻组分物质主要是废塑料等高热值烃类废弃物；而垃圾中的瓜果皮、腐烂蔬菜等低热值的碳水化合物经过破碎和分选，已经收集在重组分物料中；单独地对废塑料等高热值的轻组分物进行热裂解和/或催化裂解、冷凝、气液或油水分离、水封罐尾气封压处理，可以收集到经济价值高的燃油和不含氮气的高热值的燃气，将垃圾无害化减量化处理中多余的剩余的能量以燃油或/和燃气的形式储备起来，提高了生活垃圾处理的经济效益；特别地，若出现垃圾焚烧热值不足导致焚烧不完全时，可将收集或储备的部分燃气或燃油返回到焚烧炉中进行助燃，不需额外购买其它燃料；特别地，利用热解反应得到的不凝结可燃性气体产物、以及垃圾脱水后的重质垃圾物料在焚烧炉中焚烧产生的高温烟气作为废塑料等轻质垃圾物料制取燃料的热源，极大地节减了垃圾的处理的运行成本；

(4)本发明所采用的设备均属于工业上常使用的标准化商品，运行可靠，技术成熟，结构简单，维修方便，造价低廉；

(5)本发明属于连续化垃圾处理工艺，能将堆积如山的生活垃圾完全地彻底地实行减量化、无害化和资源化；具有好的创造性、新颖性和工业实用性。

附图说明

附图是本发明方法的工艺流程图图中，1-垃圾破碎机，2-烟气余热锅炉，3-分选机，4-烟气净化达标处理设备，5-脱水机，51-调速电机，52-出料口，53-排水孔板，54-加料孔，6-废水收集池，7-污水泵，8-污水净化达标处理设备，81-达标水排放阀门，9-焚烧炉，91-燃料加料箱，92-炉灰排出口，93-往复式炉排，10-储灰箱，11-制砖设备，12-燃气储存柜，13-燃气输出阀门，14-燃气进入焚烧炉的阀门，15-气液分离罐，151-燃油，152-销水阀门，16-水封罐，17-热解反应器，171-烟气加热室，172-搅拌器的电机，173-进料机，174-热解残炭出口，175-热解气相产物出口，18-冷凝器；

具体实施方式

如附图所示，在本发明的一个实施例中，但本发明不受其限制；本发明的方法包括：将生活垃圾按照破碎、分选、脱水和焚烧等工艺流程进行连续化处理，同时地，将分选出来的废塑料等轻质垃圾物料进行热解制取燃油和/或燃气产品，将脱水机排出的废水进行净化达标处理和排放；将焚烧炉排出的高温烟气进行热量回收利用，进一步对进行热量回收利用后的烟气实施净化处理，使净化处理后的烟气达到国家排放标准；具体步骤是：

i)城市生活垃圾由垃圾车辆运来，经地衡称量后加入垃圾池内，垃圾池容积约为1000-2000m³，垃圾池顶部安装有抓斗式起重机，用于垃圾的供料；用抓斗式起重机将1500KG生活垃圾抓起和移入到双轴锟式破碎机(1)中破碎成不大于30厘米尺寸的小块破碎物；同时地，将瓜果皮、蔬菜残物等全部碳水化合物打成浆状物；

ii)将上述破碎物用皮带运输机提送到常规的滚筒筛旋转卧式分选机(3)中进行分选，将分选出的废塑料等轻质垃圾物料与碳水化合物等重质垃圾物料分离开，分别进行收集和利用；同时地，将分选出来的废塑料等轻质组分物料实行热解制取燃油和/或燃气，具体操作如下：

将上述分选出来的废塑料等轻质垃圾物料用螺旋进料机(173)不断地送入密闭的带螺旋搅拌器的卧式筒体裂解反应釜(17)中，并将一定量的以ZSM-5为活性组分的粉末催化剂混入物料中，连续地送入密闭的带螺旋搅拌器的卧式筒体裂解反应釜(17)中，用焚烧炉(9)排出的高温(900-1100℃)烟气给带螺旋搅拌器的卧式筒体裂解反应釜(17)的外壁加热室(171)进行加热，反应釜(17)内的温度控制在350-400℃，压力控制在0.03-0.08MPa；废塑料等物料在无氧密闭的带螺旋搅拌器的卧式筒体裂解反应釜(17)内从一端的进料机(173)进，热解产生的气相产物和干馏固体残炭从另一端(175、174)分别排出；物料从反应釜(17)的一端移向另一端的裂解时间为可控制在25-30分钟，此时物料中的有机物发生热裂解和催化裂解反应，如餐后剩食、瓜果皮、废塑料、废橡胶、纸、布、皮革、油垢、木屑......等，经裂解和催化反应后，物料被分解成含有CO₂、H₂O的气相产物，该气相产物经过气相产物出口(175)排出反应应釜(17)；气相产物被引入冷凝器(18)冷凝、再进入气液分离罐(15)的实行气液分离，气液分离罐(15)上部的不凝结性燃气气体被引入到水封罐(16)的水中，从水中溢出的气体输入到燃气储存柜(12)内储备待用，气液分离罐(15)下部是液态燃油(151)，气液分离罐(15)底部是水，水经过阀门(152)排泄出气液分离罐(15)；将燃气储存柜(12)储备的燃气经过阀门(14)返回到焚烧炉(9)中燃烧产生高温烟气(900-1100℃)给裂解反应提供热量；

经过高温裂解，物料被分解成气相产物和固体残渣，此气相产物被回收成为燃油和不凝结性可燃性气体，而燃油可以作为商品销售，本发明真正作到了生活垃圾处理的资源化；热解产生的固体残渣连续地从密闭的反应釜(17)的另一端排渣口(174)排入螺旋输送器中，经螺旋输送器输再送到焚烧炉(9)的加料口(91)中，并进入焚烧炉(9)内焚烧至烬；

iii)将上述(2)分选出的重组分垃圾物料送入电动螺旋挤压式脱水机(5)内进行加压和挤压式脱水，将物料中的水分脱至15-25％(Wt％)以下，将脱水后的垃圾物料进行储备待用；将脱水机(5)挤出的水收集和储备在专用的废水收集池(6)中，采用第一步絮凝、第二步厌氧发酵、第三步好氧MBR膜生化处理，第四步水消毒等工艺流程，对废水收集池(6)中的废水进行净化处理后，处理后的水质达到《GB18918-2000》城市污水处理厂排放标准；

iv)将上述(3)脱水后的垃圾物料用螺旋输送机提送到常规的卧式往复炉排焚烧炉(9)中焚烧至烬，并放出热和产生高温烟气；将焚烧炉(9)中排放的高温烟气(900-1100℃)引入到上述ii)中的密闭的带螺旋搅拌器的卧式筒体裂解反应釜(17)的外壁加热室(171)进行加热，给废塑料制取燃料的热分解和/或催化裂解过程提供热量，热量全部回收利用；当垃圾物料出现低位热值(即，L·H·V)小于3344KJ/KG时，将导致焚烧炉(9)中重质垃圾物料焚烧不完全彻底，或焚烧炉排出的烟气热量不能满足废塑料等轻质垃圾物料的裂解所需要的热量时，就用裂解反应收集到的燃油(151)和/或燃气储存柜(12)中储备的燃气作为燃烧炉(9)的燃料，以补足垃圾处理所需热量，这样不需要额外购买燃料油，降低了运行成本，作到了垃圾处理的资源化；不断地将焚烧炉(9)产生的炉灰排出焚烧炉(9)，将炉灰作为建材原料进行利用，如用作砖机(11)所需的制砖材料；进一步将热利用后的烟气进行净化处理，本实施例中烟气的净化采用石灰水喷淋塔(4)脱硫和布袋除尘的综合净化达标处理方法，将达标后的烟气经烟囱排入大气；

经过上述工艺过程得到如下主要数据和结果：

生活垃圾：1500KG；

垃圾物理性质(W％)：水分35.9％，总固体类(包括碳水化合物、废塑料、纤维素、金属、粉煤灰等等)64.1％，PH值为8.40，容积为0.55吨/m³；1500KG垃圾的容积：2.72M³

垃圾的元素分析：H 9.02％(w％)；C 25.3％(w％)；O 55.31％(w％)；S 0.4％(w％)；N 1.4％(w％)，；金属及无机物8.57％(w％)；

分选出的废塑料等轻组分：229.5kg(15.3％，wt％)

分选出的重质垃圾组分：1270.5kg(84.7％，wt％)

重质垃圾挤压后的脱水量：622.5KG(41.5％，Wt％)

重质垃圾脱水后的重量：648kg(43.2％，Wt％)

裂解催化剂粉末：1kg(ZSM-5催化剂)；

裂解反应温度：350-400℃；

燃烧炉产生的烟气温度：900-1100℃

垃圾的处理时间：105分钟；

热裂解釜内压力：0.03-0.08Mpa

反应产物(W％)：

燃油： 121.95KG，占8.13％；

燃油热值： 9867千卡/kg

可燃性气体(H₂和C₁-C₆)： 379.65KG，占25.31％；

可燃性气体的热值： 25.7MJ/nM³

无机残渣及金属： 128.55KG，占8.57％

水分(包括挤压水和裂解产生的水)：822.9KG，占54.86％；

其它(包括烟气中的酸性气体成分)：46.95KG，占3.13％；

垃圾减容效果：

残渣及金属的平均密度： 3.26吨/M³

128.55KG残渣及金属占容积： 0.039M³(0.12855÷3.26)

垃圾残剩率(V％)： 7.16％[(0.039÷0.55)×100％]

垃圾减容率(V％)： 92.83％[100％-7.16％] 。

Claims

1.生活垃圾能源化利用的方法，包括以下步骤：

(2)将破碎后的生活垃圾送入分选机中进行分选，将分选出的废塑料轻组分物料与碳水化合物重组分物料分离开，分别进行收集和利用；同时地，将分选出来的废塑料轻质组分物料实行热解制取燃油和/或燃气；

(3)将上述(2)分选出的重组分物料送入脱水设备内进行脱水，分别收集脱水后的物料和脱水设备排出的废水；同时地，依照公知的废水净化处理技术设备，不断地将收集的废水进行净化达标处理和达标排放；

(4)将上述(3)脱水后的重组分物料送入到焚烧炉中焚烧至烬，将焚烧中产生的高温烟气和灰烬进行回收和利用；进一步净化处理焚烧炉排出的烟气。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述的废塑料轻质组分物料实行热解制取燃油和/或燃气的意思是指：将分选出的废塑料轻组分物料送入热解反应设备中，依照常规的炼油技术设备，依次进行热分解和/或催化裂解、冷凝、油气分离或油水分离，以及水封罐封压等过程，制取燃油和/或燃气；制取燃油和/或燃气所需热量主要来自上述(4)焚烧炉产生的高温烟气。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述的将焚烧中产生的高温烟气和灰烬进行回收和利用的意思是指：将焚烧炉中排放的高温烟气引入到热解反应设备中，给废塑料轻组分物料制取燃油和/或燃气的热分解和/或催化裂解提供热量，或给余热烟气锅炉供热量制取水蒸气，可以将焚烧炉排出的炉灰作为建材原料进行利用，如作为制砖的材料。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述的生活垃圾原料，进一步包含医疗垃圾和/或餐厨垃圾。