一种生活垃圾低温热解系统及方法与流程

本发明涉及生活垃圾减量化、无害化处理和资源循环再利用技术领域，具体来讲是一种生活垃圾低温热解系统及方法。

背景技术：

我国历年垃圾堆存量已达80亿吨，占用耕地超过5亿平方米。目前，垃圾产生量仍以8％-10％的速度增长，全国有超过三分之一的城市陷入垃圾包围之中。截至2015年，全国246个大、中型城市全年产生的生活垃圾达1.8亿吨。根据国务院印发的《“十三五”生态环境保护规划》中提出，要全面提高城市生活垃圾处理减量化、资源化和无害化水平，“十三五”期间全国城市生活垃圾无害化处理率达到95％以上。近十余来，我国垃圾处理领域取得的成果是明显的，但同时我们也应看到垃圾处理的投入与垃圾处理的需求相比明显不足。填埋法、堆肥法、焚烧法是城市垃圾处理的三大基本技术，但填埋会占用宝贵土地资源，产生的渗滤液会造成二次污染；堆肥处理量小，周期长，适应性不好；焚烧会产生二恶英、飞灰等危险废弃物，且投资和运行费用相对较高。相对于焚烧而言，热解是在无氧或缺氧的还原性气氛下进行的分解反应，产生的二次污染排放物质较少。此外，热解将废物中的有用物质转化为气态(燃气)或液态(燃料油)的形式分别利用，而气态和液态燃料比固体废物燃烧效率更高，污染更低。从保护环境角度来说，热解是一种比焚烧过程更安全的固废处理方法。

目前，国内在垃圾热解领域已经有了一些研究，例如周鼎力等研发的一种生活垃圾卧式旋转热解反应釜(专利公布号CN 104130787A)该专利工艺是将生活垃圾原料与高温无机热载体在卧式旋转热解反应釜内部直接接触加热，在热解反应釜的外层配置高温烟气进行间接加热，使反应釜内垃圾发生热解反应。高温烟气的温度在500℃-1200℃，热解反应温度控制在300℃-800℃，该工艺流程可以充分利用烟气余热，提高能源利用率，但是间接传热这种方式本身就会使得热解釜短时间内受热不均，并且该工艺中烟气温度跨度大，就会加重受热不均的影响。进一步，间接传热后使得热解反应温度在300℃-800℃这个区间，同样，这个区间温度跨度大，横跨了热解反应的低温、中高温区，生活垃圾成分复杂，其产物受温度影响很大，不同的温度区间，产物的形态以及组分差别很大，如果热解反应的温度横跨的区间过大，会影响目标产物的种类与品质。因此，针对目前存在的问题，进一步深入研究垃圾热解处理工艺具有重要的经济意义和社会意义。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种生活垃圾低温热解系统及方法，可以保证稳定温度场，具有良好的环境效益、经济效益和社会效益。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种生活垃圾低温热解系统，包括相连的双轴破碎机和带式干燥机，还包括热解装置、物料分离装置、黑炭收集装置、储仓、斗提机、换热提升装置、星型卸料器、热解气净化装置、间接式热风炉、氮气发生装置、氮气循环风机、烟气净化除臭装置、冷却器Ⅰ、冷却器Ⅱ，其中，所述带式干燥机与热解装置、物料分离装置、斗提机、换热提升装置、星型卸料器依次相连；所述物料分离装置还与黑炭收集装置相连；所述斗提机还与储仓相连；所述星型卸料器还与热解装置相连；所述热解装置产生的热解气通过管道与热解气净化装置、间接式热风炉依次相连；所述间接式热风炉产生的高温烟气通过管道与冷却器Ⅰ、带式干燥机、烟气净化除臭装置依次相连；所述氮气发生装置产生的氮气通过管道与间接式热风炉、换热提升装置、氮气循环风机依次相连；所述氮气循环风机还与间接式热风炉相连；所述氮气发生装置产生的氮气还通过管道与间接式热风炉、冷却器Ⅱ、带式干燥机、烟气净化除臭装置依次相连。

在上述技术方案的基础上，所述带式干燥机包括用于与双轴破碎机输出端相连的物料进口Ⅰ、用于与热解装置输入端相连的物料出口Ⅰ、用于与冷却器Ⅰ输出端相连的气体进口Ⅰ、用于与烟气净化除臭装置输入端相连的气体出口Ⅰ，其中，气体进口Ⅰ位于带式干燥机的顶部，气体出口Ⅰ位于带式干燥机的底部；所述带式干燥机内部自上而下具有多层皮带输送机构，用于将物料进口Ⅰ处的垃圾物料输送至物料出口Ⅰ。

在上述技术方案的基础上，所述热解装置内部设置有耐高温搅拌器。

在上述技术方案的基础上，所述换热提升装置包括呈圆筒状的壳体、管壁带开孔的通管、耐高温筛网盘和振动装置，其中，所述壳体的底部设置有用于与斗提机输出端相连的物料进口Ⅱ，壳体侧壁靠近顶端的位置设置有用于与星型卸料器输入端相连的物料出口Ⅱ和用于与氮气循环风机输入端相连的气体出口Ⅱ；所述通管竖直设置于壳体内，且通管顶端设置有用于与间接式热风炉相连的气体进口Ⅱ；所述耐高温筛网盘围绕通管螺旋上升，用于将物料进口Ⅱ处的物料输送至物料出口Ⅱ；所述振动装置设置于壳体底部，用于振动耐高温筛网盘。

在上述技术方案的基础上，所述氮气发生装置包括液氮罐、气化器和氮气缓冲罐，且液氮罐、气化器、氮气缓冲罐与间接式热风炉依次相连。

在上述技术方案的基础上，还包括垃圾进料仓和螺杆进料器，该螺杆进料器用于将垃圾进料仓内的垃圾推入双轴破碎机。

在上述技术方案的基础上，还包括与热解气净化装置相连的气柜，该气柜用于存储部分热解气。

在上述技术方案的基础上，所述间接式热风炉还分别与助燃风机、外部的天然气相连，用于为间接式热风炉引入助燃空气和天然气。

本发明还公开了一种基于上述系统的生活垃圾低温热解方法，包括以下步骤：将垃圾倒入双轴破碎机中进行破碎，破碎后的垃圾进入带式干燥机；间接式热风炉产生的高温烟气经冷却器Ⅰ冷却后，进入带式干燥机与物料直接接触换热，使得物料烘干；换热后的高温烟气经烟气净化除臭装置处理后达标排放；干燥后的垃圾进入热解装置进行热解处理，其中，氮气发生装置输出的氮气与间接式热风炉产生的高温烟气换热后形成高温氮气，并输送至换热提升装置；斗提机将储仓内的传热介质送至换热提升装置内与高温氮气直接接触换热；换热后的氮气经氮气循环风机送回至间接式热风炉，重新与高温烟气换热，从而实现氮气的循环利用；换热后的传热介质经星型卸料器输送至热解装置，与热解装置内的垃圾物料换热并发生热解反应；热解完成后，热解过程中生成的黑炭与传热介质一起进入物料分离装置进行分离，分离后的黑炭进入黑炭收集装置储存备用；分离后的传热介质经斗提机送回至换热提升装置，重新与高温氮气换热，从而实现传热介质的循环利用；热解过程中生成的热解气经热解气净化装置处理后，进入间接式热风炉燃烧发热。

在上述技术方案的基础上，在系统启动阶段，由外部的天然气替代热解气；氮气发生装置输出的氮气与天然气在间接式热风炉内燃烧产生的高温烟气换热后，形成的高温氮气一部分进入换热提升装置加热传热介质，另一部分高温氮气，经冷却器Ⅱ冷却后，进入带式干燥机与物料直接接触换热，使得物料烘干；换热后的高温烟气经烟气净化除臭装置处理后达标排放。

本发明的有益效果在于：

1、本发明中，利用热解气燃烧产生的高温烟气干燥垃圾，充分利用烟气余热。干燥后的垃圾进入热解段，垃圾热解是利用高温传热介质(石英砂)传热完成的，这样不仅可以均匀物料，而且可以保证稳定温度场，使得垃圾热解的温度范围稳定在450℃-480℃。

2、本发明的工艺路线含两套循环利用系统，分别是氮气循环利用系统以及传热介质循环利用系统，这样设计不仅可以节约原料而且可以最大程度降低热损，提高系统能耗利用率。最终系统产生的黑炭收集后储存利用，热解气部分为系统供热，剩余全部作为产品产出。具有良好的环境效益、经济效益和社会效益。

3、本发明中，垃圾的干燥是利用高温烟气直接接触完成的，一方面可以充分回收烟气的余热，另一方面，可以带走垃圾中的臭气一起集中处理。

4、本发明中，垃圾热解是采用垃圾物料与高温传热介质(石英砂)直接接触传热，传热介质(石英砂)粒径在1mm左右，垃圾热解过程中不仅起到均质的作用，而且可以保证稳定温度场。

5、本发明中，垃圾热解产生的热解气净化后一部分进入间接式热风炉，在炉内产生的高温烟气与氮气换热加热氮气，另一部分作为产品产出。

6、本发明中的全工艺的监控系统采用国际先进设备，工作稳定性好，实时反馈，并可以集成建模，可以根据当前运行数据预测模拟一段时间后的工况，以便及时调整工况参数，优化工艺，并可以预知故障，将问题消灭于发生之前，减少工艺投资成本，提高经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例中生活垃圾低温热解系统的原理示意图。

附图标记：

1为垃圾进料仓，2为螺杆进料器，3为双轴破碎机，4为带式干燥机，4-1为物料进口Ⅰ，4-2物料出口Ⅰ，4-3气体进口Ⅰ，4-4气体出口Ⅰ，5为烟气净化除臭装置，6为热解装置，6-1为耐高温搅拌器，7为热解气净化装置，8为气柜，9为助燃风机，10为间接式热风炉，11为冷却器Ⅰ，12为液氮罐，13为气化器，14为氮气缓冲罐，15为氮气循环风机，16为换热提升装置，16-1为通管、16-2为耐高温筛网盘，16-3振动装置，16-4为物料进口Ⅱ，16-5为物料出口Ⅱ，16-6为气体进口Ⅱ，16-7为气体出口Ⅱ，17为星型卸料器，18为物料分离装置，19为黑炭收集装置，20为储仓，21为斗提机，22为冷却器Ⅱ，A为空气，F为高温烟气，G为天然气。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种生活垃圾低温热解系统，包括相连的双轴破碎机3和带式干燥机4，还包括热解装置6、物料分离装置18、黑炭收集装置19、储仓20、斗提机21、换热提升装置16、星型卸料器17、热解气净化装置7、间接式热风炉10、氮气发生装置、氮气循环风机15、烟气净化除臭装置5、冷却器Ⅰ11、冷却器Ⅱ22，具体的，原料可以生活垃圾也可以是陈腐垃圾、生物质、废橡胶、工业有机废弃物；传热介质可以是石英砂也可以是金刚砂。本实施例中，原料为生活垃圾，传热介质为石英砂。

带式干燥机4与热解装置6、物料分离装置18、斗提机21、换热提升装置16、星型卸料器17依次相连；物料分离装置18还与黑炭收集装置19相连；斗提机21还与储仓20相连；星型卸料器17还与热解装置6相连；热解装置6产生的热解气通过管道与热解气净化装置7、间接式热风炉10依次相连；具体的，该系统还包括与热解气净化装置7相连的气柜8，气柜8用于存储部分热解气。间接式热风炉10产生的高温烟气F通过管道与冷却器Ⅰ11、带式干燥机4、烟气净化除臭装置5依次相连；氮气发生装置产生的氮气通过管道与间接式热风炉10、换热提升装置16、氮气循环风机15依次相连；氮气循环风机15还与间接式热风炉10相连；氮气发生装置产生的氮气还通过管道与间接式热风炉10、冷却器Ⅱ22、带式干燥机4、烟气净化除臭装置5依次相连。

具体的，带式干燥机4包括用于与双轴破碎机3输出端相连的物料进口Ⅰ4-1、用于与热解装置6输入端相连的物料出口Ⅰ4-2、用于与冷却器Ⅰ11输出端相连的气体进口Ⅰ4-3、用于与烟气净化除臭装置5输入端相连的气体出口Ⅰ4-4，其中，气体进口Ⅰ4-3位于带式干燥机4的顶部，气体出口Ⅰ4-4位于带式干燥机4的底部；带式干燥机4内部自上而下具有多层皮带输送机构，用于将物料进口Ⅰ4-1处的垃圾物料输送至物料出口Ⅰ4-2。本实施例中，带式干燥机内部由5层皮带输送构成，垃圾物料从顶层皮带输送逐级至底层，高温烟气从底部气体入口进入，逐级换热后从顶部气体出口处排出。垃圾通过逐级传热干燥后，出口处垃圾含水率降至5％左右。

具体的，热解装置6内部设置有耐高温搅拌器6-1。可以使得垃圾物料与石英砂充分换热并发生热解反应，垃圾物料在热解装置中的停留时间为30min，与石英砂换热后的温度稳定在450℃-480℃

具体的，换热提升装置16包括呈圆筒状的壳体、管壁带开孔的通管16-1、耐高温筛网盘16-2和振动装置16-3，其中，壳体的底部设置有用于与斗提机21输出端相连的物料进口Ⅱ16-4，壳体侧壁靠近顶端的位置设置有用于与星型卸料器17输入端相连的物料出口Ⅱ16-5和用于与氮气循环风机15输入端相连的气体出口Ⅱ16-7；通管16-1竖直设置于壳体内，且通管16-1顶端设置有用于与间接式热风炉10相连的气体进口Ⅱ16-6；耐高温筛网盘16-2围绕通管16-1螺旋上升，用于将物料进口Ⅱ16-4处的物料输送至物料出口Ⅱ16-5；振动装置16-3设置于壳体底部，用于振动耐高温筛网盘16-2。启动阶段，石英砂从储仓20经斗提机21输送至换热提升装置16的物料进口Ⅱ16-4处，经耐高温筛网盘16-2缓慢螺旋上升，在上升过程中与从中部通管16-1顶部气体进口Ⅱ16-6流至各层的高温氮气充分换热，换热后的石英砂从换热提升装置16顶部的物料出口Ⅱ16-5排出，此时石英砂温度在500℃-550℃，经星型卸料器17排出石英砂至热解装置6中，换热后的氮气经换热提升装置16上端侧向气体出口Ⅱ16-7处排出，排出的氮气经氮气循环风机15送回至间接式热风炉10重新与热解气燃烧产生的高温烟气换热，从而实现循环利用。

具体的，氮气发生装置包括液氮罐12、气化器13和氮气缓冲罐14，且液氮罐12、气化器13、氮气缓冲罐14与间接式热风炉10依次相连。液氮罐12中的液氮经气化器13气化后进入氮气缓冲罐14，输出的氮气经间接式热风炉10与热解气燃烧产生的高温烟气F换热后，氮气的温度升至600℃-650℃。

具体的，还包括垃圾进料仓1和螺杆进料器2，该螺杆进料器2用于将垃圾进料仓1内的垃圾推入双轴破碎机3。破碎后的垃圾粒径控制在2cm以内。

具体的，间接式热风炉10还分别与助燃风机9、外部的天然气G相连，用于为间接式热风炉10引入助燃空气A和天然气G。在启动阶段，间接式热风炉10热解气入口处用天然气G替代，天然气G在炉内燃烧产生的高温烟气与氮气换热后，形成的高温氮气一部分进入换热提升装置16加热石英砂，另一部分先经冷却器Ⅱ22冷却后再其输送至带式干燥机4用于吹扫系统并干燥垃圾，干燥段完成后，降温后的氮气裹挟垃圾干燥过程中产生的臭气一起进入先进入烟气净化除臭装置5，然后达标排放。

本发明实施例还提供一种基于上述系统的生活垃圾低温热解方法，包括以下步骤：

分选后的生活垃圾进入垃圾进料仓1中，通过螺杆进料器2进入双轴破碎机3中进行破碎，破碎后的垃圾粒径控制在2cm以内。破碎后的垃圾进入带式干燥机4；间接式热风炉10产生的高温烟气F经冷却器Ⅰ11冷却后，进入带式干燥机4与物料直接接触换热，使得物料烘干；换热后的高温烟气F经烟气净化除臭装置5处理后达标排放。

干燥后的垃圾进入热解装置6进行热解处理，其中，氮气发生装置输出的氮气与间接式热风炉10产生的高温烟气F换热后形成高温氮气(氮气的温度升至600℃-650℃)，并输送至换热提升装置16；斗提机21将储仓20内的传热介质送至换热提升装置16内与高温氮气直接接触换热(此时，传热介质(石英砂)温度升至500℃-550℃)；换热后的氮气经氮气循环风机15送回至间接式热风炉10，重新与高温烟气F换热，从而实现氮气的循环利用；换热后的传热介质经星型卸料器17输送至热解装置6，与热解装置6内的垃圾物料换热并发生热解反应；垃圾物料在热解装置6中的停留时间为30min，与传热介质(石英砂)换热后的温度稳定在450℃-480℃。

热解完成后，热解过程中生成的黑炭与传热介质一起进入物料分离装置18进行分离，分离后的黑炭进入黑炭收集装置19储存备用；分离后的传热介质经斗提机21送回至换热提升装置16，重新与高温氮气换热，从而实现传热介质的循环利用。

热解过程中生成的热解气经热解气净化装置7处理后，进入间接式热风炉10燃烧发热。

具体的，在系统启动阶段，由外部的天然气G替代热解气；氮气发生装置输出的氮气与天然气G在间接式热风炉10内燃烧产生的高温烟气F换热后，形成的高温氮气一部分进入换热提升装置16加热传热介质，另一部分高温氮气，经冷却器Ⅱ22冷却后，进入带式干燥机4与物料直接接触换热，使得物料烘干；换热后的高温烟气F经烟气净化除臭装置5处理后达标排放。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。