一种垃圾热解气化熔融的系统及方法与流程

本发明属于固体废弃物处理技术领域，具体涉及一种垃圾热解气化熔融的系统及方法。

背景技术：

随着我国经济快速发展，物质消费日趋上升，生活垃圾的产量也逐渐增多。大量的生活垃圾随意堆放，不仅会对土壤、水源造成污染，还会影响人类身体健康，因此如何有效地处理生活垃圾，是我国和世界各国面临的重大环境问题之一。目前，填埋、堆肥等技术已逐渐被淘汰，焚烧发电虽然减量化效果显著，但同时会带来二噁英等问题。生活垃圾热解技术是在无氧或缺氧的环境下，对物料进行加热，生成热解油、热解气和热解炭等产物，从原理上避免了二噁英的生成，同时大部分的重金属在热解过程中融入灰渣，减少了排放量。

气化熔融技术是利用等离子体火炬对物料进行加热，局部温度可到5000℃以上，并能使反应室的温度维持在1200℃左右，能迅速分解热解油、二噁英等物质，并产生大量CO、H₂等合成气，具有二次污染小、能源回收利用率高等特点。若不将垃圾热解与气化熔融技术进行有机结合，现有技术存在多种缺陷。例如，一些垃圾回转窑热解工艺，其焦油产量较多，容易堵塞管道、腐蚀设备等，经常停车检修，并且后端需要复杂的油水分离及净化装置，导致投资大大增加。一些垃圾竖炉气化熔融技术，直接用等离子火炬对垃圾原料进行气化熔融，在处理大规模垃圾时，该工艺的功率极大、耗电率非常高，因此导致运行成本增大，难以实现工业化应用。还有一些垃圾处理工艺在一个炉子中实现垃圾热解气化，虽然会生成大量合成气，但气体品质较差，运行成本较高，因此不具备商业运行价值。因此，如何设计一种清洁、高效的垃圾热解气化熔融的系统和方法成为本领域亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，设计并开发出了一种垃圾热解气化熔融的系统及方法，采用蓄热式旋转床对预处理后的垃圾原料进行热解，并利用气化熔融反应室对热解油气混合物进行气化，干燥出的水分作为热解炭的熄焦用水，获得的合成气产率高、热值高，可作为蓄热式辐射管的燃料气使用，通过换热处理合成气得到的蒸汽可用于发电出售，实现了垃圾的“无害化、减量化、资源化”，其运行成本低，焦油产率极低，不发生管道堵塞，易于实现工业化和规模化。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：本发明提供了一种垃圾热解气化熔融的系统。根据本发明的实施例，该系统包括：分选装置，所述分选装置包括分选垃圾入口、分选垃圾出口、磁选模块和筛分模块，用于分选出垃圾中包括金属或渣土的无机物；破碎装置，所述破碎装置包括破碎垃圾入口、破碎垃圾出口，所述破碎垃圾入口与所述分选垃圾出口相连；蓄热式旋转床，所述蓄热式旋转床包括：壳体、环形炉底、蓄热式辐射管、原料入口、热解水出口、热解油气混合物出口和热解炭出口，用于对所述垃圾进行干燥、热解处理，得到热解水、热解油气混合物和热解炭，其中：所述原料入口与所述破碎垃圾出口相连；气化熔融反应室，所述气化熔融反应室包括：热解油气混合物入口、热解炭入口、热态合成气出口、熔渣出口，用于利用等离子火炬的高温气化作用，使热解油和烃类气体发生气化、重组，得到包括CO和H₂的合成气，并将热解炭熔融成玻璃态熔渣，其中，所述热解油气混合物入口与所述热解油气混合物出口相连，所述热解炭入口与所述热解炭出口相连；换热装置，所述换热装置包括：热态合成气入口、冷态合成气出口、冷凝液出口、循环水入口和蒸汽出口，所述热态合成气入口与所述热态合成气出口相连，所述冷态合成气出口与所述蓄热式辐射管连接；发电装置，所述发电装置包括：蒸汽入口、循环水出口和电量输出端，所述蒸汽入口与所述蒸汽出口相连，所述循环水出口与所述循环水入口相连；熄焦装置，所述熄焦装置具有熔渣入口、灰渣出口、热解水入口，其中，所述熔渣入口与所述熔渣出口连接，所述热解水入口与所述热解水出口连接，用于将所述热解水通入所述熄焦装置中对熔渣进行熄焦处理。

发明人发现，根据本发明实施例的系统结构简单、成本低、安全性能好、易于实现工业化和规模化。该系统采用蓄热式旋转床对预处理后的垃圾原料进行热解，并利用气化熔融反应室对热解油气混合物进行气化，干燥出的水分作为热解炭的熄焦用水，获得的合成气产率高、热值高，可作为蓄热式辐射管的燃料气使用，通过换热处理合成气得到的蒸汽可用于发电出售，实现了垃圾的“无害化、减量化、资源化”处理。

根据本发明的实施例，所述蓄热式旋转床包括干燥区和热解区，所述壳体形成环状炉膛，所述热解水出口设置于所述干燥区末端的炉膛侧壁上；所述热解油气混合物出口设置于所述热解区末端的炉膛顶部；所述热解炭出口设置于所述热解区末端的炉膛底部。

根据本发明的实施例，所述气化熔融反应室侧壁安装有4个以上的等离子体火炬，且所述气化熔融反应室与所述蓄热式旋转床相邻，所述热解油气混合物及热解炭不经冷却直接通入等离子化反应室内，制备合成气及玻璃态熔渣。

根据本发明的实施例，垃圾经所述破碎装置后，得到平均粒径小于100mm的垃圾原料。

根据本发明的实施例，所述环形炉底上布设物料，并呈连续转动状态；多个所述蓄热式辐射管设置在所述壳体的内侧；所述换热装置为间接换热，换热介质为循环水。

本发明同时提供了一种垃圾热解气化熔融的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括以下步骤：1)将垃圾进行分选、破碎的预处理，分选出垃圾中包括金属或渣土的无机物；2)将经过预处理后的垃圾送入蓄热式旋转床内进行干燥及热解处理，得到热解水、热解油气混合物和热解炭；3)将所述热解油气混合物及所述热解炭送入气化熔融反应室，得到包括CO和H₂的合成气，并将所述热解炭熔融成玻璃态熔渣；4) 将气化熔融反应室产生的所述玻璃态熔渣送入熄焦装置，将所述热解水通入所述熄焦装置中对熔渣进行熄焦处理；5)将气化熔融反应室产生的所述合成气通入换热装置进行换热处理，得到的蒸汽送入发电装置，用于发电；6)所述合成气通过所述换热装置冷却后，通入所述蓄热式旋转床的蓄热式辐射管内作为燃料进行燃烧，为所述蓄热式旋转床的干燥和热解处理提供热量。

根据本发明的实施例，所述蓄热式旋转床包括干燥区和热解区，所述干燥区蓄热式辐射管温度为400℃-600℃，所述热解区蓄热式辐射管温度为700℃-1000℃。

根据本发明的实施例，所述热解油气混合物及所述热解炭由所述蓄热式旋转床热解区产生，不经处理直接通入气化熔融反应室，以便得到所述合成气和玻璃态熔渣。

根据本发明的实施例，所述气化熔融反应室侧壁安装有4个以上的等离子体火炬，所述气化熔融反应室的温度为1200℃-1500℃。

根据本发明的实施例，将所述合成气通入所述换热装置进行换热处理，以便制备380℃-430℃蒸汽用于发电。

本发明的有益效果在于：

采用蓄热式旋转床对预处理后的垃圾原料进行热解，并利用气化熔融反应室对热解油气混合物进行气化，干燥出的水分作为热解炭的熄焦用水，获得的合成气产率高、热值高，可作为蓄热式辐射管的燃料气使用，通过换热处理合成气得到的蒸汽可用于发电出售，实现了垃圾的“无害化、减量化、资源化”处理。整个系统减少了焦油的产生，不发生管道堵塞，实现了垃圾热解和气化熔融的高效结合，不仅降低运行成本，还提高了合成气的产率和热值，余热回收利用率高、资源化水平高、产品经济效益好、不产生二噁英、二次污染小，利于垃圾热解气化熔融的工业化和规模化应用。

附图说明

图1为本发明垃圾热解气化熔融方法的流程图。

图2为本发明垃圾热解气化熔融系统的结构图。

其中，1.分选装置；2.破碎装置；3.蓄热式旋转床；4.气化熔融反应室；5.换热装置；6.发电装置；7.熄焦装置。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种垃圾热解气化熔融的系统，图2为本发明垃圾热解气化熔融系统的结构图，如图2所示，垃圾热解气化熔融的系统包括：分选装置1、破碎装置2、蓄热式旋转床3、气化熔融反应室4、换热装置5、发电装置6、熄焦装置7，其中，分选装置，所述分选装置包括分选垃圾入口、分选垃圾出口、磁选模块和筛分模块，用于分选出垃圾中包括金属或渣土的无机物；破碎装置，所述破碎装置包括破碎垃圾入口、破碎垃圾出口，所述破碎垃圾入口与所述分选垃圾出口相连；蓄热式旋转床，所述蓄热式旋转床包括：壳体、环形炉底、蓄热式辐射管、原料入口、热解水出口、热解油气混合物出口和热解炭出口，用于对所述垃圾进行干燥、热解处理，得到热解水、热解油气混合物和热解炭，其中：所述原料入口与所述破碎垃圾出口相连；气化熔融反应室，所述气化熔融反应室包括：热解油气混合物入口、热解炭入口、热态合成气出口、熔渣出口，用于利用等离子火炬的高温气化作用，使热解油和烃类气体发生气化、重组，得到包括CO和H₂的合成气，并将热解炭熔融成玻璃态熔渣，其中，所述热解油气混合物入口与所述热解油气混合物出口相连，所述热解炭入口与所述热解炭出口相连；换热装置，所述换热装置包括：热态合成气入口、冷态合成气出口、冷凝液出口、循环水入口和蒸汽出口，所述热态合成气入口与所述热态合成气出口相连，所述冷态合成气出口与所述蓄热式辐射管连接；发电装置，所述发电装置包括：蒸汽入口、循环水出口和电量输出端，所述蒸汽入口与所述蒸汽出口相连，所述循环水出口与所述循环水入口相连；熄焦装置，所述熄焦装置具有熔渣入口、灰渣出口、热解水入口，其中，所述熔渣入口与所述熔渣出口连接，所述热解水入口与所述热解水出口连接，用于将所述热解水通入所述熄焦装置中对熔渣进行熄焦处理。

发明人发现，根据本发明实施例的系统采用蓄热式旋转床对预处理后的垃圾原料进行热解，并利用气化熔融反应室对热解油气混合物进行气化，干燥出的水分作为热解炭的熄焦用水，获得的合成气产率高、热值高，可作为蓄热式辐射管的燃料气使用，通过换热处理合成气得到的蒸汽可用于发电出售，实现了垃圾的“无害化、减量化、资源化”处理。

根据本发明的具体实施例，适用于该系统的所述蓄热式旋转床的类型和结构不受特别限制。在本发明的一些优选实施例中，蓄热式旋转床包括干燥区和热解区，所述壳体形成环状炉膛，所述环形炉底上布设物料，并呈连续转动状态；多个所述蓄热式辐射管设置在所述壳体的内侧。此外，所述热解水出口设置于所述干燥区末端的炉膛侧壁上，以便在热解水刚产生时就进行收集，降低系统能耗；所述热解油气混合物出口设置于所述热解区末端的炉膛顶部，以便得到高品质的热解油气混合物；所述热解炭出口设置于所述热解区末端的炉膛底部，以便出料。

根据本发明的具体实施例，适用于该系统的所述气化熔融反应室的结构不受特别限制。在本发明的一些优选实施例中，气化熔融反应室侧壁安装有4个以上的等离子体火炬，且所述气化熔融反应室与所述蓄热式旋转床相邻，所述热解油气混合物及热解炭不经冷却直接通入等离子化反应室内，制备合成气及玻璃态熔渣。

根据本发明的具体实施例，适用于该系统的换热装置的类型和结构不受特别限制。在本发明的一些优选实施例中，所述换热装置为间接换热，换热介质为循环水。由此，将所述合成气通入换热装置进行换热处理，以便制备380℃-430℃蒸汽用于发电利用。

根据本发明的具体实施例，适用于该系统处理的垃圾原料的粒径不受特别限制，在本发明的一些优选实施例中，垃圾经所述破碎装置后，得到平均粒径小于100mm的垃圾原料，由此，可以充分利用小颗粒热解料，资源利用率高，且能够解决大量堆积污染环境的问题。

通过采用本发明的垃圾热解气化熔融的系统，先将垃圾送入分选装置1内进行分选处理；再将分选后的垃圾输送至破碎装置2内进行破碎处理，得到平均粒径小于100mm垃圾原料；然后将垃圾原料布入蓄热式旋转床3内进行热解反应，生成热解水、热解油气混合物和热解炭；其中，热解油气混合物及热解炭进入气化熔融反应室4发生气化反应，得到的CO、H₂等合成气，并将热解炭熔融成玻璃态熔渣；热解水通入熄焦装置7中对熔渣进行熄焦处理；合成气通过换热装置5冷却后送入蓄热式辐射管内作为燃料使用，循环水通过换热装置5后生成蒸汽通过发电装置6发电出售。整个系统减少了焦油的产生，实现了垃圾热解和气化熔融的高效结合，不仅降低运行成本，还提高了合成气的产率和热值，余热回收利用率高、资源化水平高、产品经济效益好、不产生二噁英、二次污染小，利于垃圾热解气化熔融的工业化应用。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种垃圾热解气化熔融的方法，图1本发明垃圾热解气化熔融方法的流程图，如图1所示，垃圾热解气化熔融的方法包括：1)将垃圾进行分选、破碎的预处理，分选出垃圾中包括金属或渣土的无机物。2)将经过预处理后的垃圾送入蓄热式旋转床内进行干燥及热解处理，得到热解水、热解油气混合物和热解炭，其中，垃圾原料在开始受热至料温升至150℃时，主要是蒸出垃圾原料中的水分，如果这部分水随蓄热式旋转床进入气化熔融反应室，会大大增加系统能耗，导致运行成本增加，因此在蓄热式旋转床干燥区末端炉膛侧壁设置有热解水出口，有效地解决了这一问题。3)将所述热解油气混合物及所述热解炭送入气化熔融反应室，得到包括CO和H₂的合成气，并将所述热解炭熔融成玻璃态熔渣；其中，将气化熔融室布置在蓄热式旋转床旁，将高温热解油气混合物及热解炭直接进行气化熔融，热利用率高、运行成本较低。4) 将气化熔融反应室产生的所述玻璃态熔渣送入熄焦装置，将所述热解水通入所述熄焦装置中对熔渣进行熄焦处理。5)将气化熔融反应室产生的所述合成气通入换热装置进行换热处理，得到的蒸汽送入发电装置，用于发电，优选的，所述蒸汽的温度为380℃-430℃；所述气化熔融反应室得到的所述合成气温度较高，超过800℃，因此可以利用所述合成气的这部分热量进行换热产蒸汽，最后再利用蒸汽轮机发电。由于余热进行了有效利用，整个工艺的热利用率较高。6)所述合成气通过所述换热装置冷却后，通入所述蓄热式旋转床的蓄热式辐射管内作为燃料进行燃烧，为所述蓄热式旋转床的干燥和热解处理提供热量，由此，降低工艺运行成本，减少污染物排放。

根据本发明的具体实施例，适用于该系统蓄热式旋转床的热解方式的具体参数不受特别限制，在本发明的一些优选实施例中，蓄热式旋转床包括干燥区和热解区，所述干燥区蓄热式辐射管温度为400℃-600℃，所述热解区蓄热式辐射管温度为700℃-1000℃。其中，所述热解油气混合物及所述热解炭由所述蓄热式旋转床热解区产生，不经处理直接通入气化熔融反应室，以便得到所述合成气和玻璃态熔渣。

根据本发明的具体实施例，适用于该系统的所述气化熔融反应室的结构不受特别限制。在本发明的一些优选实施例中，气化熔融反应室侧壁安装有4个以上的等离子体火炬，所述气化熔融反应室的温度为1200℃-1500℃。由此，由于所述气化熔融反应室只对所述垃圾热解后的产物进行气化熔融，而不是直接对垃圾原料进行气化，因此需要设置的等离子体火炬数量少，处理效率高，运行成本低。

通过采用本发明的垃圾热解气化熔融的方法，首先将垃圾进行预处理；然后采用蓄热式旋转床对预处理后的垃圾原料进行热解，并利用气化熔融反应室对热解油气混合物进行气化；干燥出的水分可作为热解炭的熄焦用水，获得的合成气产率高、热值高，可作为蓄热式辐射管的燃料气使用；通过换热处理合成气得到的蒸汽可用于发电出售，实现了垃圾的“无害化、减量化、资源化”，其运行成本低，焦油产率极低，不发生管道堵塞，易于实现工业化和规模化。

实施例一：

利用垃圾热解气化熔融系统对某小区的垃圾进行处理，该垃圾的含水率为38%，其各组分百分含量如表1所示，其中，垃圾热解气化熔融的结构示意图如图2所述，工艺流程如图1所示，具体处理流程如下：

表1 垃圾各组分百分含量（湿基）

将含水率38%的垃圾送入分选装置，去除玻璃、金属等无机物，再进入破碎设备，得到粒径小于90mm的垃圾原料。将垃圾原料送入蓄热式旋转床，在干燥区蓄热式辐射管的温度为500℃，热解区蓄热式辐射管的温度为900℃。垃圾在旋转床中依次经过干燥、热解制气等过程，最后得到的热解水从蓄热式旋转床干燥区末端炉膛侧壁流出，进入熄焦装置中，热解油气混合物在蓄热式旋转床热解区末端顶部排出，热解炭在蓄热式旋转床热解区末端底部排出，一同进入气化熔融反应室，其中，气化熔融反应室的温度为1300℃。在气化熔融反应室获得的合成气经过换热装置后，产生的410℃蒸汽送入蒸汽轮机中进行发电，冷却后的CO、H₂等合成旗送入蓄热式辐射管中对垃圾原料进行加热，热解炭经过气化熔融成玻璃态熔渣，利用热解水息焦处理后，形成固化无机物残渣，直接运至填埋场进行处置。

利用上述系统对垃圾进行热解气化熔融处理，最终制得的合成气产率为45%，热解炭的产率为20%，热解水的产率为35%。蒸汽轮机的进汽温度为390℃，排汽温度为180℃。

实施例二：

利用垃圾热解气化熔融系统对某城市的垃圾进行处理，该垃圾的含水率为40%，其各组分百分含量如表2所示，其中，垃圾热解气化熔融系统的结构示意图如图2所述，工艺流程如图1所示，具体处理流程如下：

表2 垃圾各组分百分含量（湿基）

将含水率40%的垃圾送入分选装置，去除玻璃、金属等无机物，再进入破碎设备，得到粒径小于100mm的垃圾原料。将垃圾原料送入蓄热式旋转床，在干燥区蓄热式辐射管的温度为600℃，热解区蓄热式辐射管的温度为1000℃。垃圾在旋转床中依次经过干燥、热解制气等过程，最后得到的热解水从蓄热式旋转床干燥区末端炉膛侧壁流出，进入熄焦装置中，热解油气混合物在蓄热式旋转床热解区末端顶部排出，热解炭在蓄热式旋转床热解区末端底部排出，一同进入气化熔融反应室，其中，气化熔融反应室的温度为1300℃。在气化熔融反应室获得的合成气经过换热装置后，产生的400℃蒸汽送入蒸汽轮机中进行发电，冷却后的CO、H₂等合成旗送入蓄热式辐射管中对垃圾原料进行加热，热解产生的热解炭经过气化熔融成玻璃态熔渣，最终形成无机物残渣，直接运至填埋场进行处置。

利用上述系统对垃圾进行热解气化熔融处理，最终制得的合成气产率为37%，热解炭的产率为27%，热解水的产率为35%。蒸汽轮机的进汽温度为390℃，排汽温度为170℃。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面” 可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个 或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。