一種移動床固體廢物分段式熱解氣化工藝及其系統的製作方法
2023-05-19 21:31:06
本發明涉及一種固體廢物處理工藝及系統，具體的說是一種移動床固體廢物分段式熱解氣化工藝及系統。
背景技術：
當前針對固體廢物(城市垃圾、工業垃圾、醫療廢物、其他有毒有害廢物等)處理主要有三種方式，即衛生填埋、堆肥和焚燒發電，其遵循的處理原則為無害化、減量化和資源化，無疑在三種處理方式中，焚燒發電方式具有比較突出的優勢，不僅可以減少佔地，實現固體廢物減量化的同時進行發電，創造一定的經濟效益，但焚燒方式也帶來了一些問題：①由於焚燒溫度不高，容易產生二噁英和呋喃等致癌物質；②焚燒產生的飛灰和殘渣中富含有毒有害重金屬物質，容易造成地下水源汙染；③焚燒產生大量煙氣，碳排放量大；此外，由於規劃建設焚燒發電廠帶來的「鄰避效應」所引起的群體性事件時有發生。因此，研究開發出一種針對固體廢物處理的綠色環保新技術，儘可能減少和消除其處理過程中造成的環境汙染問題，已成為當前固體廢物處理領域一個新的研究課題。
固體廢物氣化技術和熱解技術是近幾年發展起來的一種固體廢物處理新技術。以等離子體氣化技術和熱分選氣化技術為代表的固體廢物氣化技術經過近三十年的研究和發展，取得了一定的成果，目前這兩種技術在國外已經進行了一定程度上的應用和推廣，但並不廣泛，主要存在如下幾個問題：①氣化反應溫度高，用於保證固體廢物中所有組分均發生熔融和氣化，導致能耗較高；②工藝系統較為複雜，等離子體氣化技術需要專門的等離子炬系統，而熱分選氣化技術也需要專門的燃料氣輔助系統；③由於反應溫度高，系統操作較為複雜，可靠性較差，運行和維護費用較高；④由於氣化壓力為微正壓，處理能力普遍偏低，目前已工業化應用單爐最大能力為360t/d；⑤投資較高，項目經濟性差。而目前已有的固體廢物熱解技術尚不夠成熟，還存在諸多問題需要研究解決，因此鮮見相關的工業化應用報導。通過查閱現有的文獻資料分析，CN2447644Y公開了「一種立轉爐式生活垃圾熱解氣化焚燒爐」，存在運行工況不穩定，故障率較高，燃燒不完全等缺點；CN2811769Y公開了「一種固體廢物熱解氣化焚燒爐」，採用的是爐排熱解焚燒加二燃室的方式，更側重於焚燒；CN204388069U公開了「一種固體廢物熱解式熔融氣化處理裝置」，採用的是往復爐排爐結構的熔融焚燒方式，同時配有廢氣轉化裝置，也是側重於固體廢物的分步熱解焚燒；CN202203950U公開了「一種有機固體廢物熱解氣化裝置」，主要採用的是帶有熱載體的迴轉窯熱解爐和流化床燃燒室，工藝系統複雜，故障率高；CN104910930A公開了「有機固體廢物熱解處理裝置、系統及方法」，採用的是類似迴轉窯結構的臥式轉爐，具有多個套筒結構，主要是對有機固體廢物進行低溫熱解，得到氣、液、固三相產物，但沒有針對三相產物的分離淨化工藝進行發明創造，且工藝系統複雜，可實施性不高。經過進一步分析可知，目前的固體廢物熱解技術由於無法有效分離處理熱解的氣相和液相產物，往往採用二燃室結構將熱解爐出口氣液兩相產物一燒了之，降低了熱解的能源利用效率。
技術實現要素：
本發明目的是為了解決上述技術問題，提供一種工藝簡單、操作簡便、能量轉化效率高、資源化利用效果好，節能降耗，對環境友好的移動床固體廢物分段式熱解氣化工藝。
本發明還提供一種用於上述工藝的系統，具有系統簡單、能耗低、設備投資和運行成本低、可實現連續生產、勞動強度降低的優點。
本發明移動床固體廢物分段式熱解氣化工藝，包括以下步驟：(1)將固體廢物送入熱解系統進行熱解得到熱解氣和熱解殘渣；(2)所述熱解氣送入有機物氣化分解系統升溫氣化分解脫除焦油和二噁英等大分子有機物，再經回收熱量、洗滌脫酸後得到合成氣；(3)所述熱解殘渣經冷卻分選後得到的可燃炭渣和剩餘殘渣。
所述步驟(1)中，所述熱解系統包括鎖鬥、熱解爐、以及為熱解爐供熱的熱風爐，所述熱解爐為移動床熱解爐，具有立式圓柱形套筒結構，由上段的熱解段和下段的冷卻段組成，固體廢物經鎖鬥送入熱解爐，控制熱解爐內熱解溫度550～650℃，爐內操作壓力控制在-3kPaG～-0.1kPaG，固體廢物在熱解段內停留時間為10～90mim，經冷卻段卸出的熱解殘渣降溫至250～350℃。
所述步驟(1)中，所述熱解段設有換熱夾套，冷卻段也設有冷卻夾套，所述換熱夾套及冷卻夾套中均設有換熱翅片；所述熱風爐的高溫煙氣送入換熱夾套，出換熱夾套的煙氣部分作為調溫煙氣送入熱風爐調溫，其餘部分去餘熱利用統，控制出熱風爐的高溫煙氣溫度為800～1000℃。
所述步驟(1)中，空氣先進入所述冷卻夾套預熱後再送入熱風爐作為助燃空氣，所述空氣優先採用來自固體廢物儲坑的臭氣。
所述有機物氣化分解系統包括有機物分解氣化器和熱解氣滯留緩衝罐，所述熱解氣先經有機物分解氣化器加熱升溫至1050～1100℃，然後送入熱解氣滯留緩衝罐充分分解熱解氣中攜帶的焦油和二噁英等大分子有機物，控制熱解氣在熱解氣滯留緩衝罐停留時間在10～20s，出熱解氣滯留緩衝罐的合成氣溫度在1000～1050℃。
所述步驟(2)中，所述有機物分解氣化器為旋風分離器結構，所述熱解氣從有機物分解氣化器中部進入後螺旋上升，並在燃燒噴嘴的作用下發生反應升溫，使熱解氣中攜帶的焦油和二噁英等大分子有機物進行氣化分解，而熱解氣中攜帶的灰渣則從有機物分解氣化器底部出口排出。
所述步驟(2)中，所述出熱解氣滯留緩衝罐的合成氣經熱量回收系統回收熱量降溫至180～250℃，再經過合成氣洗滌除塵脫酸系統洗滌脫酸後溫度進一步降至30～50℃，再通過合成氣引風機抽引送入下遊淨化工序進一步處理。
所述步驟(3)中，所述熱解殘渣和有機物氣化分解系統產生的灰渣一起先經熱解殘渣冷卻器冷卻至40～90℃，再送入熱解殘渣分選系統進行分選得到可燃炭渣和剩餘殘渣，所述可燃炭渣送入熱風爐作為燃料燃燒，不足部分引入步驟(2)得到的合成氣或採用其他外部燃料補足。
本發明用於上述工藝的移動床固體廢物分段式熱解氣化系統，包括依次連接的熱解系統、有機物氣化分解系統、熱量回收系統、合成氣洗滌除塵脫酸系統，所述熱解系統包括鎖鬥、熱解爐、以及為熱解爐供熱的熱風爐；所述熱解爐上段的熱解氣出口與有機物氣化分解系統連接，所述熱解爐的底部出口經熱解殘渣冷卻器、熱解殘渣分選系統與熱風爐的燃料進口連接。
所述熱解爐為移動床熱解爐，具有立式圓柱形套筒結構，由上段的熱解段和下段的冷卻段組成，所述熱解段設有換熱夾套，冷卻段設有冷卻夾套，所述換熱夾套及冷卻夾套中均設有換熱翅片。
所述熱風爐的煙氣出口與換熱夾套的煙氣進口連接，所述換熱夾套的煙氣出口與熱風爐的調溫煙氣進口連接，所述合成氣洗滌除塵脫酸系統的出口還與熱風爐的燃料進口連接。
所述冷卻夾套具有空氣進口與空氣出口，所述空氣進口與空氣風機出口連接，空氣出口與熱風爐的空氣進口連接。
所述有機物分解氣化器具有類似旋風分離器的結構，上部設有1-3個燃燒噴嘴，所述有機物分解氣化器的中部進口與熱解爐連接，頂部出口與熱解氣滯留緩衝罐連接，底部出口與所述熱解殘渣冷卻器連接。
熱解爐所述有機物分解氣化器的底部出口與所述熱解殘渣冷卻器連接。
所述熱解爐與有機物分解氣化器之間的連接管道具有向上的傾角，角度控制在30～60°。
針對背景技術中存在的問題，發明人作出如下改進：
設置有機物氣化分解系統，充分分解熱解氣中攜帶的焦油和二噁英等大分子有機物。由於固體廢物本身一般都攜帶有一定量的二噁英，同時熱解溫度一般在850℃以下(本發明為中溫熱解，熱解溫度在550～650℃)，熱解過程中難免會有二噁英產生，同時中溫熱解也會產生焦油等大分子有機物，該類有機物分解溫度一般都在900℃以上，同時需要給予足夠的停留時間才能完全分解，其中二噁英需要在850℃以上，停留時間2s以上，才能完全破壞和分解，而焦油需在1000℃以上，停留時間10s，才能完全分解。機物氣化分解系統包括有機物分解氣化器和熱解氣滯留緩衝罐，通過設置有機物分解氣化器，通地燃料噴嘴噴入燃料和助燃氧氣燃燒使熱解氣燃燒升溫，為焦油和二噁英的分解提供反應溫度，然後通過熱解氣滯留緩衝罐保證升溫後的熱解氣具有足夠的停留時間，從而保證焦油和二噁英充分分解，同時在熱解氣中攜帶的水蒸氣作用下，發生水煤氣氣化反應，生成以H2和CO為主的合成氣，從而進一步提高合成氣的產量，也可以有效避免常規熱解技術由於熱解氣中含焦油而導致的後續設備及管道系統的堵塞問題，後續合成氣洗滌的廢水中也不含焦油、萘、酚等汙染物，可以降低後續廢水處理難度，廢水治理簡單，易於達標排放。
噴入所述有機物分解氣化器為燃料氣和(儘量避免使用少量、適量等不清楚的表述方式)純氧氣，通過控制氧氣噴入量來控制熱解氣溫度在1050～1000℃，通過控制熱解氣在熱解氣滯留緩衝罐停留時間在10～20s，控制出熱解氣滯留緩衝罐的合成氣溫度在1000～1050℃，從而保證證焦油和二噁英完全分解和氣化；所述氧氣體積濃度優選控制在≥95％。
所述合成氣從熱解氣滯留緩衝罐底部排出後，進入到熱量回收系統，回收合成氣中大部分高溫顯熱，並副產蒸汽後，再送至合成氣洗滌除塵脫酸系統，進行洗滌、冷卻、除塵和脫酸，最後通過合成氣引風機抽引至下遊工序進一步淨化處理，得到的合成氣還可部分回送熱風爐作為燃燒的燃料；所述合成氣洗滌除塵脫酸系統可根據需要補入鹼液，用於脫除HCl、HF等酸性氣體。
對熱解爐底部排出的熱解殘渣和有機物分解氣化器底部產生的灰渣，發明人不再採用簡單一燒了之或填埋處置的方法，而是先經過熱解殘渣冷卻器進一步冷卻後，控制進熱解殘渣分選系統的殘渣溫度在40～90℃，再送至熱解殘渣分選系統進行分選，分選出的可燃炭渣送至熱風爐作為主要燃料燃燒使用，剩餘殘渣去進一步綜合利用統。通過上述方法一方面大大地提高了固體廢物熱解氣化的能量綜合利用效率，另一方面則進一步消除和避免了灰渣中二噁英的產生和擴散轉移。這是由於熱解溫度較燃燒氣化溫度低，固體廢物經熱解後，還有相當一部分可燃物質夾雜在灰渣中不能完全熱解和反應，將這部分未反應的可燃物質分選出來，通過熱風爐的高溫燃燒(溫度可達1000℃以上)，可充分利用該部分能量為熱解供熱，從而達到能量有效回收，減少汙染和排放的問題，不足部分可引入生產的合成氣或通過外部燃料補足，從而實現系統能量的自給自足。同時，由於灰渣殘碳經過高溫燃燒後，可進一步破壞和分解其中可能攜帶的二噁英，從而消除和避免了灰渣中二噁英的產生和擴散轉移。
在熱解爐下段設置了冷卻段，冷卻段的冷卻夾套內可通入冷卻介質，對進入冷卻段的熱解殘渣進行間接換熱降溫，所述冷卻介質可以為冷卻水或空氣，優選將進入熱風爐的助燃空氣作為冷卻介質引入冷卻段的冷卻夾內作為冷卻介質冷卻熱解殘渣，助燃空氣經過預熱後送至熱風爐，可以進一步降低能耗，又可降低熱解殘渣的出爐溫度。優選地，該助燃空氣優選採用固體廢物儲坑抽出的臭氣，該臭氣經過熱風爐高溫燃燒後，可以有效避免惡臭的擴散，對環境友好；所述熱風爐產出的高溫熱煙氣先與出換熱夾套的中溫煙氣在熱風爐內進行混合調溫後，再送至熱解爐熱解段作為熱解熱源。
所述熱解爐和有機物分解氣化器中間連接管道應儘量短，且其向上傾斜角度控制在30～60°，便於工況波動時，焦油等大分子有機物冷凝後能順利回流到熱解爐內進一步熱解。
本發明具體有益效果歸納如下：
1.採用固體廢物分段式熱解氣化技術，固體廢物先經過熱解產生熱解氣，熱解氣再經有機物分解氣化器分解其中攜帶的焦油和二噁英等大分子有機物，並通過鹼洗脫除HCl、HF等滷族元素，可有效防止二噁英再次生成，保證合成氣中不含二噁英，從而有效地解決了焚燒技術容易產生二噁英的問題。
2.固體廢物經分段式熱解氣化後產生的灰渣經分選得到的以可燃炭固體燃料循環到熱風爐燃燒使用，並為熱解爐提供熱量，不但大大地提高了固體廢物熱解氣化的能量綜合利用效率，資源化循環利用效率高，進一步消除和避免了灰渣中二噁英的產生和擴散轉移。
3.通過設置機物分解氣化器和熱解氣滯留緩衝罐充分分解熱解氣中攜帶的焦油、萘、酚等有機物，可以有效避免常規熱解技術由於熱解氣中含焦油而導致的後續設備及管道系統的堵塞問題，同時由於廢水中不含焦油、萘、酚等汙染物，可以降低後續廢水處理難度，廢水治理簡單，易於達標排放。
4.固體廢物經分段式熱解氣化後產生的合成氣，不僅可以進一步用來燃燒發電，還可以用來生產天然氣、甲醇、合成氨尿素等化工產品，資源化利用的產品方案眾多，且工藝簡單，資源化效果好，易於推廣應用。
5.採用移動床熱解技術配合熱風爐燃燒灰渣，通過選擇合適的進料系統，進料可不受固體廢物粒度尺寸限制，易於實現不同尺寸固體廢物的同時進料，原料適應性更廣。
6.熱風爐的助燃空氣可以採用固體廢物儲坑抽出的臭氣，可以有效避免惡臭的擴散。
7.本發明熱解爐和有機物分解氣化器結構簡單，爐內均無支撐或傳動部件，維護量少，運行成本低、可有效保證設備的長周期運轉。
8.單臺熱解爐處理固體廢物的公稱能力為50～500t/d，既適用於大規模固體廢物的集中處理，又適應於小規模固體廢物的靈活處理，應用範圍廣。
9.系統簡單，結構緊湊，能效高，投資和運行成本均低，安全可靠、節能降耗、對環境友好，能夠同時處理生活垃圾、有機汙泥等固體廢物，實現區域固體廢物綜合處置，生產清潔燃料，可作為分布式能源站在縣城、鄉鎮、農村及工業園廣泛推廣，應用前景廣闊。
附圖說明
圖1為本發明方法工藝流程圖暨系統圖；
其中：1—鎖鬥；2—熱解爐，2.1—熱解段，2.11-換熱夾套、2.2—冷卻段，2.21-冷卻夾套、2.3—換熱翅片；3—有機物分解氣化器、3.1-燃燒噴嘴；4—熱解氣滯留緩衝罐；5—熱量回收系統；6—合成氣洗滌除塵脫酸系統；7—合成氣引風機；8—熱解殘渣冷卻器；9—熱解殘渣分選系統；10—熱風爐；11—空氣風機；12—煙氣風機。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明系統作進一步解釋說明
參照圖1，本發明包括熱解系統、有機物氣化分解系統、熱量回收系統5和合成氣洗滌除塵脫酸系統，所述熱解系統包括鎖鬥1、熱解爐2、以及為熱解爐2供熱的熱風爐10；所述有機物氣化分解系統包括有機物分解氣化器3和熱解氣滯留緩衝罐4。所述鎖鬥1與熱解爐2的物料進口連接，所述熱解爐2上段的熱解氣出口經有機物分解氣化器3、熱解氣滯留緩衝罐4、熱量回收系統5、合成氣洗滌除塵脫酸系統6和合成氣引風機7連接，所述熱解爐1的底部出口經熱解殘渣冷卻器8、熱解殘渣分選系統9與熱風爐10的燃料進口連接。
所述熱解爐2為移動床熱解爐，具有立式圓柱形套筒結構，由上段的熱解段2.1和下段的冷卻段2.2組成，所述熱解段2.1設有換熱夾套2.11，冷卻段2.2設有冷卻夾套2.21，所述換熱夾套2.11及冷卻夾套2.21中均設有換熱翅片2.3。所述熱解爐2與有機物分解氣化器3之間的連接管道具有向上的傾角a，角度控制在30～60°。
所述熱風爐10的煙氣出口與換熱夾套2.11的煙氣進口連接，所述換熱夾套2.11的煙氣出口經煙氣風機12與熱風爐10的調溫煙氣進口連接。
所述冷卻夾套2.21具有空氣進口與空氣出口，所述空氣進口與空氣風機11出口連接，空氣出口與熱風爐10的空氣進口連接。
所述有機物分解氣化器具有類似旋風分離器的結構，上部設有1-3個燃燒噴嘴，所述有機物分解氣化器的中部進口與熱解爐連接，頂部出口與熱解氣滯留緩衝罐連接，底部出口與所述熱解殘渣冷卻器連接。
工藝過程與方法：
參見圖1，將原料固體廢物破碎至5～150mm粒徑後，通過進料裝置送至鎖鬥1，再由物料進口送入到熱解爐2內進行熱解，控制熱解爐2內熱解溫度550～650℃，固體廢物在熱解段2.1內停留時間10～90mim，換熱夾套2.11通入來自熱風爐10的的高溫煙氣為熱解段2.1提供熱量，使固體廢物熱解產生熱解氣和熱解殘渣，控制出熱解爐2的熱解氣溫度在300～350℃，熱解氣通過熱解爐2的熱解氣出口送至有機物分解氣化器3進一步氣化升溫，所述熱解氣從有機物分解氣化器3中部進入後螺旋上升，通過上部的燃燒噴嘴3.1控制燃料和氧氣(氧氣體積濃度控制在≥95％)噴入量來控制熱解氣溫度升高到1050～1100℃，使熱解氣中攜帶的焦油和二噁英等大分子有機物進行氣化分解，而熱解氣中攜帶的灰渣則從有機物分解氣化器3底部出口排出熱解氣經頂部出口直接送入熱解氣滯留緩衝罐4充分分解熱解氣中攜帶的焦油和二噁英等大分子有機物，控制熱解氣在熱解氣滯留緩衝罐4停留時間在10～20s，出熱解氣滯留緩衝罐4的合成氣溫度在1000～1050℃，從而保證合成氣中的焦油和二噁英等大分子有機物完全分解和氣化，再通過熱量回收系統5回收合成氣中大部分熱量副產蒸汽後，合成氣溫度降至180～250℃，再經過合成氣洗滌除塵脫酸系統6洗洚、除塵、脫酸後，合成氣溫度進一步降至30～50℃，最後由合成氣引風機7抽引至下遊淨化工序進一步處理。其中，合成氣洗滌除塵脫酸系統6根據需要加入適量鹼液，用於脫除HCl、HF等酸性氣體；合成氣引風機7用於抽引合成氣，並控制熱解爐2在微負壓下操作，爐內操作壓力控制在-3kPaG～-0.1kPaG，同時引風機出口合成氣壓力控制在3kPaG～10kPaG。
熱解爐2產生的熱解殘渣先落入到熱解爐下部的冷卻段2.2與冷卻夾套2.21中的空氣間接換熱進行預冷卻，將熱解殘渣冷卻至250～350℃，再從熱解爐2底部出口排出，控制固體廢物在熱解爐2內的停留時間為10～90mim。將熱解爐2底部排出的熱解殘渣和有機物分解氣化器3底部出口排出的灰渣一起通過熱解殘渣冷卻器8進行冷卻，控制冷卻後的熱解殘渣溫度在40～90℃，再進入熱解殘渣分選系統9進行分選，從而得到的可燃炭渣和剩餘殘渣，其中可燃炭渣經燃料進口送到熱風爐10燃燒得到高溫熱煙氣，為熱解爐2的熱解段2.1提供熱量，剩餘殘渣則去進一步工序進行綜合利用。通入冷卻夾套2.21內的冷卻介質可以採用空氣，也可以採用冷卻水，還可以採用其他流體介質，本實施例考慮採用空氣，特別是優先採用固體廢物儲坑抽引出的臭氣。空氣先通過空氣風機抽引由經冷卻夾套2.21間接冷卻熱解殘渣，同時自身被預熱，再送至熱風爐10作為助燃空氣。
熱風爐10產出的高溫熱煙氣(控制在1000～1100℃)先與煙氣風機12送來的部分中溫煙氣在熱風爐10內進行混合調溫，控制出爐的高溫煙氣溫度為800～1000℃，再送至熱解爐2熱解段2.1的換熱夾套2.11中作為熱解熱源，使固體廢物發生熱解反應後，經煙氣風機12抽引，從換熱夾套2.11引出，出口溫度控制在350～400℃。出熱解爐2的中溫煙氣除了部分送熱風爐10作為調溫用，大部分送去餘熱利用和淨化處理後排放。
經本發明得到的合成氣可送往下遊裝置用於燃燒發電或供熱、化工產品生產(天然氣、甲醇、合成氨等)、制氫和製取液體燃料等。
以上所述的僅為本發明較佳的實施過程而已，當然不能以此來限定本發明之權利範圍。因此，依本發明申請專利範圍所作的等效變化，仍屬於本發明的保護範圍。