一种生活垃圾处理中的CO2资源化的系统的制作方法

本实用新型属于固体废弃物资源化处理领域，尤其涉及一种生活垃圾处理中的CO₂资源化的系统。

背景技术：

我国正面临环境和能源的双重压力，随着经济和城市化进展的加速，全国能源消耗巨大，同时大城市中2/3面临垃圾围城困境，通过技术手段将生活垃圾变为可利用资源，在一定程度上可以缓解我国能源和环境危机。生活垃圾热解技术以其资源化利用率高，环境污染小的优点越来越被人们所青睐。热解主要产物有以下几种：1.热解油，一部分热解油通过精制可作为燃料油使用；2.热解气，包括一些低分子碳氢化合物如氢气、甲烷、一氧化碳等，可作为燃料气使用；3.垃圾炭，大部分以炭黑形式存在，但存在重金属等有毒有害物质，热值低，市场销路差，如果作为固体燃料使用时，燃烧效果较差，且燃烧过程中会产生大量的二次污染物，环保效益较差，因此大多数垃圾炭最终只能作为热解残渣进行填埋处理，占用了土地资源且造成能源的浪费。

目前，随着经济的发展，碳减排已成为关注的课题。作为生活垃圾热解处理技术，在实现生活垃圾资源化的同时也产生了大量的CO₂。CO₂既是导致全球气候变暖的温室气体的主要成分之一，又是一种宝贵的资源。目前，生活垃圾处理工艺普遍存在碳排放量大的问题，主要辐射管燃烧尾气和发电装置排放的烟气等含有CO₂，如果将其中的CO₂分离出来制备碳材料和气化热解炭，一方面可降低垃圾处理过程的碳排放量，缓解企业面临的严重的环保压力，另一方面将CO₂制备碳材料或作为气化剂，可充分使CO₂和热解炭资源化，提高本工艺的经济性和环保性。

现有技术公开了一种生活垃圾热解资源化综合处理系统，该系统包括预处理装置、蓄热式旋转床热解炉、油气分离净化装置、固定床气化装置、热解气储存装置和可燃气回收装置；将生活垃圾经过分选、破碎、烘干、成型等预处理后，在热解炉内热解得到高温油气和热解炭，热解炭气化后生成气化可燃气，用以作为蓄热式燃气辐射管燃烧器的燃料，热解气作为产品外售。但是，此发明系统中产生的垃圾热解气是作为产品直接外售，没有考虑到CO₂对热解气品质的影响，高含量的CO₂降低了热解气热值，减少了热解气的利用途径，降低了经济效益；此发明没有实现CO₂的资源化利用，炭排放量高，整个生活垃圾处理工艺社会效益较低。

现有技术还公开了一种逆流廻转生活垃圾热解碳化炉系统及垃圾处理工艺，该系统主要包括进料装置、热解炭化炉炉体、出渣螺旋器、热解气焚烧炉、循环风机、空气预热器、鼓风机、管道阀门等设备构成，并结合与热解炭化炉炉体连接的气、热循环装置进行完善，配合对热解炭化炉炉体温度，垃圾停留时间的控制，实现对生活垃圾及有机固体废弃物进行处理，此项发明得到的产品热解气直接进入焚烧炉燃烧产生850℃-1100℃的高温烟气，CO₂排放量高。但是，该发明是在加热无氧的条件下将生活及有机固废分解成可燃气体和炭渣，可燃气直接焚烧，烟气经过净化排放，并没有解决CO₂排放量高的问题；此系统将可燃气作为燃料气直接燃烧，没有考虑到CO₂资源化利用途径，而且可燃气中CO₂会降低可燃气热值，降低整个工艺经济性。

生活垃圾热解产生大量的热解气，是热解产生经济价值的主要产物，但由于其中含有30％左右的CO₂，热值较低，利用途径有限，生活垃圾处理工艺的经济效益较差，限制了热解技术的推广和应用。CO₂既是导致全球气候变暖的温室气体的主要成分之一，对温室效应的贡献达到55％，又是一种宝贵的资源。如果直接燃烧热解气，CO₂会以温室气体的形式释放到大气中，加剧温室效应，严重制约企业的可持续发展。如果将热解气中CO₂分离出来，并做成石墨烯等碳材料，则能大大降低由于排放CO₂带来的温室效应，同时也为CO₂利用提供新的方法。

综上所述，目前，现有技术没有将生活垃圾热解工艺中产生的CO₂分离出来并制成石墨烯等碳材料，可提高热解气热值同时也实现了CO₂资源化利用，减少整个生活垃圾热解处理工艺的炭排放，提高了经济效益。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型旨在将热解气中CO₂分离出来，达到提高热解气热值的目的；具体地，本实用新型采用吸收法将热解气中CO₂分离出来，并制成石墨烯等碳材料，在提高热解气热值的同时也实现了CO₂资源化利用，降低整个生活垃圾热解处理工艺的炭排放，提高了经济效益，实现了CO₂的循环利用，降低企业的碳排放量，使生活垃圾热解技术在经济性方面具有巨大的竞争力，极大的促进了技术推广和应用。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种生活垃圾处理中的CO₂资源化的系统，包括热解单元、节能脱酸单元，气体净化单元和CO₂捕集单元；其中，

所述热解单元包括热解单元垃圾入口、脱除CO₂的热解气入口、热解炭出口和热解油气出口；

所述节能脱酸单元包括热解油气入口和脱酸后油气出口，所述热解油气入口和所述热解油气出口相连，所述节能脱酸单元用于将来自热解单元的高温油气脱酸以及对CO₂进行预热；

所述气体净化单元包括脱酸后油气入口和高CO₂热解气出口，所述脱酸后油气入口和所述脱酸后油气出口相连；

所述CO₂捕集单元包括高CO₂热解气入口和脱除CO₂的热解气出口，所述脱除CO₂的热解气出口和所述脱除CO₂的热解气入口相连，所述高CO₂热解气入口和所述高CO₂热解气出口相连。

进一步地，所述系统还包括预处理单元，所述预处理单元包括破袋机、滚筒筛分机、分选机和破碎机；

所述预处理单元包括破袋、滚筛、分选和破碎，将生活垃圾中的大块无机物、金属分出并破碎得到满足所述热解单元入料要求的垃圾；

所述预处理单元包括垃圾入口和垃圾出口，所述垃圾出口和所述热解单元垃圾入口相连。

具体地，所述CO₂捕集单元还包括高浓度CO₂出口，所述节能脱酸单元还包括高浓度CO₂入口和换热后CO₂出口，所述系统还包括CO₂转化单元，所述CO₂转化单元包括换热后CO₂入口；

所述换热后CO₂入口和所述换热后CO₂出口相连，所述高浓度CO₂入口和所述高浓度CO₂出口相连。

进一步地，所述CO₂转化单元还包括转化单元尾气入口，所述CO₂捕集单元还包括转化单元尾气出口，所述转化单元尾气出口和所述转化单元尾气入口相连。

优选地，所述热解单元包括旋转床热解炉。

具体地，所述CO₂转化单元包括高温气-固两相反应炉，所述高温气-固两相反应炉用于CO₂和金属或金属氢化物的反应制备石墨烯等碳材料。

采用本实用新型的系统，可降低热解气中CO₂含量，提高热解气热值，丰富热解气利用途径，同时实现了CO₂在生活垃圾处理工艺内部资源化利用的目的，降低碳排放量、制备石墨烯能耗，既有利于提高整个生活垃圾热解处理工艺的经济效益，又有利于提高环境效益，本实用新型带来如下效果：

(1)以热解气为原料分离出高浓度CO₂，并以此为制备石墨烯的原料，采用CO₂转化炉在一定温度和压力下制备石墨烯，提高了热解气热值，同时也实现了CO₂资源化利用；

(2)解决了现有技术中炭排放量大，环境效益差，热解气中CO₂含量高，利用途径有限，直接燃烧污染物多、市场销路不畅、经济效益差的问题；

(3)提高资源利用效率、增加经济效益，工艺流程短、运行成本低、能耗低，易于实现工业化和规模化。

本实用新型有如下优点：

(1)采用旋转床热解炉作为生活垃圾热解制油、气和炭的设备，在同一个炉内完成了干燥，热解的过程，流程短，能源利用率高，同时易于放大，实现规模化；

(2)从旋转床出来的热解油气经过节能-脱酸装置实现了余热回收和酸性气体的脱除，提高能量利用效率、减轻酸性气体对设备的腐蚀；

(3)以生活垃圾热解产生的热解气为原料，分离出高浓度CO₂，同时经过预热至100-600℃，提高反应速率、降低能耗，增加经济效益。以预热后的CO₂作为制备石墨烯的原料，既提高了热解气的热值，实现了热解气高效利用，增加热解气利用途径，同时又减少了碳排放，使CO₂在整个生活垃圾处理工艺内部完成转化，增加CO₂资源化利用方法；

(4)采用本实用新型系统，热解气中CO₂捕集率可达90％以上，纯度可达98％以上，捕集CO₂后的热解气热值达5693Kcal/Nm3，得到石墨烯，纯度大于97％，综合能耗降低20％；

(5)解决了现有技术中CO₂无法资源化利用，碳排放量大的问题，缓解了企业面临的严重的环保压力。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

图1是本实用新型的生活垃圾资源化的系统结构示意图。

图2是本实用新型的生活垃圾资源化的工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本实用新型的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本实用新型的限制。

本实用新型所述的一种利用生活垃圾热解气制备石墨烯的方法和系统，由预处理、旋转床热解炉、节能-脱酸装置、油气分离净化装置、CO₂捕集装置、CO₂转化炉、储气罐、储炭槽以及连接各单元的管路组成。预处理包括破袋机、滚筒筛分机、分选机和破碎机；旋转床热解炉主要是无热载体蓄热式旋转床；节能-脱酸装置包括惰性气体管道、热解气管道、两个四通换向阀、脱酸-蓄热复合体；油气分离净化装置包括除尘塔、初冷器、电捕焦油器、干式脱硫塔；CO₂捕集装置包括吸收塔、富液泵、解吸塔、再沸器、气液分离器、贫液泵及贫液冷却器；CO₂转化炉主要是高温气-固两相反应炉。主要工艺流程是：

(1)生活垃圾经预处理后进入旋转床热解炉进行热解，生成高温热解油气和热解炭。热解炭经螺旋出料机进入储炭槽，可作为产品外售。高温热解油气经管路进入节能-脱酸装置，其中酸性气体含量降至0.02％，热解油气温度降至260℃，节能脱酸后的热解油气进入油气分离净化装置，H2S≤0.01g/Nm³、粉尘含量≤50mg/Nm³；分离净化后的热解气经管路进入CO₂捕集装置；净化去除CO₂的热解气进入储气罐，可作为旋转床热解炉燃气使用。捕集到的CO₂进入CO₂转化炉作为反应物使用。

(2)将金属(镁、铝、钙、钾)或金属氢化物(氢化镁、氢化钙、氢化钾、氢化铝、氢化钡、氢化钛、氢化钠)中的一种或多种置于干燥的CO₂高温转化炉中，在保护气气氛下，保护气如氩气，氮气、氦气中的一种或多种的混合物，以5-30℃/min的升温速率升至500-900℃，再通入CO₂至反应器中气体压力为1-15MPa，CO₂与保护气气流量比为1:5-10:1，反应5s-120min后关闭CO₂气流，在保护气气氛中冷却至室温，得到黑色粉末。将得到的黑色粉末与浓度为2-16mol/L的酸溶液反应8-48h，然后用去离子水充分洗涤至中性，烘干，即得到石墨烯。

此实用新型使生活垃圾处理工艺中产生的CO₂变成了石墨烯炭材料，既为生活垃圾处理工艺中产生的CO₂资源化提供新的方法，又降低了CO₂排放量，最大限度的实现了CO₂循环利用的目的，提高资源利用效率、增加经济效益，工艺流程短、运行成本低，易于实现工业化和规模化。

本实用新型将生活垃圾经预处理后进入旋转床热解炉进行热解，生成高温热解油气和热解炭。热解炭经螺旋出料机进入储炭槽，可作为产品外售。高温热解油气经管路进入节能-脱酸装置，其中酸性气体含量降至0.02％，热解油气温度降至200℃，节能脱酸后的热解油气进入油气分离净化装置，H2S≤0.01g/Nm³、粉尘含量≤50mg/Nm³；分离净化后的热解气经管路进入CO₂捕集装置；净化去除CO₂的热解气进入储气罐，可作为旋转床热解炉燃气使用。捕集到的CO₂经过节能脱酸装置后可预热至100-600℃，预热后的CO₂作为反应物制备石墨烯的原材料。将金属或金属氢化物置于干燥的CO₂高温转化炉中，在保护气气氛下以5-30℃/min的升温速率升至500-900℃，再通入预热后的CO₂至反应器中气体压力为1-15MPa，CO₂与保护气气流量比为1:5-10:1，反应5s-120min后关闭CO₂气流，在保护气气氛中冷却至室温，得到黑色粉末。将得到的黑色粉末与浓度为2-16mol/L的酸溶液反应8-48h，然后用去离子水充分洗涤至中性，烘干，即得到石墨烯。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的，如图2所示，本实用新型的流程主要有：

A、生活垃圾预处理：主要目的是得到具有一定粒径的原料，所以预处理工艺包括破袋、滚筛、分选和破碎，将其中的大块无机物，金属等分出并破碎至旋转床入料要求(＜20mm)。

B、生活垃圾热解：经过预处理的原料含水率约为20％-60％，将其均匀给入旋转床热解炉，铺料厚度50-250mm，在炉内经过阶段升温，完成干燥、热解和活化的反应，旋转一周的时间为1h。

其中旋转床热解炉为实现该过程的主体设备，它包括旋转床热解炉，辐射管燃烧器，以及布料、出料等辅助机构。其炉底为可转动的环形炉底，辐射管燃烧器布置于环形炉壁，通过燃烧热解气以热辐射的方式提供反应所需热量，辐射管内的烟气与旋转床内的气氛隔绝。将热解炉分为四个区域，分别是干燥区、热解反应一区、热解反应二区和热解反应三区，物料由干燥区前端给入，在四个区的炉顶处设置气体出口，用于收集高温热解气；在热解反应三区末端设置出料装置，收集热解炭，为了使物料受热均匀，炉底的料板选用穿孔板。

C、余热回收及脱酸：来自热解炉内的高温油气经管道进入节能-脱酸装置完成余热回收和脱酸。热解油气温度降至200℃，酸性气体浓度降至0.05％，处理后热解油气进入下一工艺；节能-脱酸装置可对CO₂捕集装置分离出的高浓度CO₂气体进行预热，预热温度可达100-600℃，预热后的CO₂气体送入CO₂转化炉，实现CO₂气体预热，提高CO₂转化率和反应速率，降低反应时间和CO₂转化炉能耗，提高经济效益。

D、热解气净化：来自节能-脱酸的热解油气，进入油气分离净化装置可实现对热解气的除尘、脱硫、脱硝等。热解油气首先在湿式除尘塔中完成除尘，采用激冷循环水喷洒热解气，将其中的粉尘除掉后进入横管初冷器，初冷器用32℃循环水和16℃制冷水的两段冷却水将热解气冷却至21℃左右。由初冷器下部排出的热解气进入两台并联同时操作的电捕焦油器，完成气体中夹带的焦油工作。再由罗茨鼓风机将热解气送至脱硫脱硝塔，完成脱硫脱硝。

E、CO₂捕集：来自脱硫塔的热解气经风机加压给入吸收塔，在吸收塔内与吸收剂逆流接触，采用醇胺溶液作为吸收剂，热解气中的CO₂被吸收剂吸收，变为富液，富液经富液泵给入解吸塔，解吸生成CO₂气体、蒸汽及雾沫的混合气体和贫液；解吸后的CO₂经冷却器进行降温冷却，蒸汽和雾沫变成水和泡沫；冷却后的混合气体进入气液分离器，除去混合气体内的水和泡沫，分离出的CO₂气体经过节能脱酸装置预热至100-600℃后作为反应物进入CO₂转化炉。

F、CO₂制备石墨烯：将金属(镁、铝、钙、钾)或金属氢化物(氢化镁、氢化钙、氢化钾、氢化铝、氢化钡、氢化钛、氢化钠)中的一种或多种置于干燥的CO₂高温转化炉中，在保护气气氛下，保护气如氩气，氮气、氦气中的一种或多种的混合物，以5-30℃/min的升温速率升至500-900℃，再通过风机将预热后的高浓度CO₂通入反应器中至气体压力为1-15MPa，CO₂与保护气气流量比为1:5-10:1，反应5s-120min后关闭CO₂气流，在保护气气氛中冷却至室温，得到黑色粉末。将得到的黑色粉末与浓度为2-16mol/L的酸溶液反应8-48h，然后用去离子水充分洗涤至中性，烘干，即得到石墨烯。

所述预处理根据处理工艺要求，其连接顺序为破袋-滚筛-分选-破碎，每个工序均具有一个进料口和一个出料口；

所述旋转床热解炉具有进料口，高温热解油气出口，热解炭出口，和燃料入口，所述进料口与预处理系统中的破碎出料口相连；所述高温油气出口通过管路与节能-脱硝装置中的热解气管路进口相连；所述无热载体蓄热式旋转床设置的加热装置为燃气辐射管，其通过燃烧为所述旋转床供热，并且所述燃气辐射管燃气进口与所述热解气储罐气体出口相连，所述热解炭出口与所述储炭槽入口相连；

所述节能-脱硝装置，包括CO₂气体管道、热解气管道、两个四通换向阀、两个脱酸-蓄热复合体。所述热解气管道与所述旋转床热解炉高温热解油气管路相连；

所述气体分离净化装置包括湿式除尘塔、脱硫塔、脱硝塔、热解气管道。除尘塔有进气口和出气口，进气口与热解气管道相连，出气口与所述脱硫塔相连进气口相连，所述脱硫塔出气口与所述脱硝塔进气口相连，所述脱硝塔出气口与所述CO₂捕集系统中的吸收塔第一入口相连；

所述CO₂捕集包括吸收塔、富液泵、解吸塔、再沸器、气液分离器、贫液泵及贫液冷却器。所述吸收塔具有第一入口，与脱硝塔出气口相连。吸收塔第二入口，设置于吸收塔的上部，与吸收剂管路相连；吸收塔第一出口，设置于吸收塔顶部，与热解气出口管路相连；吸收塔第二出口，设置于吸收塔的底部，与富液泵入口相连；富液泵具有入口和出口，出口与解吸塔第一入口相连；解吸塔具有第一入口，设置于解吸塔上部。第一出口，设置于解吸塔底部，与贫液泵入口相连。解吸塔第二出口，设置在解吸塔底部，与再沸器入口相连。第二入口与再沸器出口相连。第三出口，设置于解吸塔的顶部，连通气液分离器入口；再沸器具有入口和出口；气液分离器具有入口和出口，出口与节能脱硝装置CO₂气体管道相连。贫液泵具有入口和出口，出口与贫液冷却器相连；贫液冷却器具有入口和出口；

所述储气罐具有进气口出气口，出气口与所述辐射管旋转床热解炉的燃料入口相连；

所述CO₂转化炉为CO₂制备石墨烯装置，具有CO₂进气口、惰性气体进气口、金属或金属氢化物进料口、未反应的CO₂和惰性气体出气口和石墨烯出料口，所述惰性气体进气口与惰性气体储气罐出气口相连，所述CO₂和惰性气体出气口与所述吸收塔具有第一入口相连。

下面参考具体实施例，对本实用新型进行描述，需要说明的是，实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本实用新型。

实施例1

本实施例提出了一种废旧电子产品处理的系统和方法，采用某市生活垃圾为原料，成分组成如表1：

表1生活垃圾成分组成(wt％)

进厂的垃圾经过简单分选去除大块无机物和金属，然后进行破碎，破碎得到的垃圾热解原料粒径＜20mm；

破碎的垃圾被均匀给入旋转床热解炉，布料厚度100mm，在炉内垃圾随炉底的转动经过干燥、热解、活化完成反应，其中干燥区温度350℃，热解反应一区、二区和三区的反应温度为900℃左右，反应时间2h；

热解气成分如表2所示。

2热解气组成及热值

采用CO₂捕集装置收集CO₂，CO₂捕集率可达90％以上，纯度可达98％以上，可作为CO₂制备石墨烯等碳材料的目的，捕集CO₂后的热解气热值达5693Kcal/Nm³，成分如表3所示。

3热解气组成及热值

将金属镁粉和氢化镁以1:1的比例混合，然后置于干燥的CO₂高温转化炉中，在氦气气氛下，以15℃/min的升温速率升至700℃，将捕集后的CO₂通过节能脱酸装置，高浓度CO₂可预热至500℃，此过程可降低能耗20％。将预热后的CO₂通入CO₂转化炉，炉内气体压力为8MPa，CO₂与氦气流量比为2:1，反应60min后关闭CO₂气流，在氦气气氛中冷却至室温，得到黑色粉末。将得到的黑色粉末与浓度为6mol/L的酸溶液反应15h，然后用去离子水充分洗涤至中性，烘干，即得到石墨烯，纯度大于97％。