一种垃圾焚烧发电与水热液化协同处置垃圾的方法与流程

本发明涉及一种垃圾的处理方法，具体涉及一种垃圾焚烧发电与水热液化协同处置垃圾的方法，属于垃圾处理技术领域。

背景技术

目前我国在城市化建设进程加快的同时，土地资源也日益紧张，越来越多的垃圾会采用焚烧发电的处理方式来实现生活垃圾的减容化、减量化和资源化。但由于目前我国垃圾分类还没有被普遍执行，那些高含水率、不能被燃烧的垃圾没有从固体废弃物中分离出来。同时，塑料瓶和包装盒还可以再次贩卖回用，大部分居民将这些高热值的垃圾回收，加上缺少对厨余垃圾的分类，使得固体废物中含量最多的垃圾来自食物剩余，这类垃圾具有三个特征：低热值(低于4000kj/kg)、高含水率(50％～80％)、高有机物含量(40％～60％)。根据《生活垃圾焚烧处理工程技术规范》规定，进入垃圾焚烧炉的垃圾的平均低位热值不应低于5000kj/kg，若垃圾的水分高，垃圾的热值过低，直接投入焚烧会降低燃烧温度，增加排烟热损失，降低焚烧炉效率，而且燃烧过程的稳定性得不到保证，焚烧的经济效益不能体现。目前对于高含水率的厨余垃圾的普遍处理方法是厌氧发酵、填埋、肥料饲料化等。水热液化技术是一种将含水的复杂有机生物质在高温、高压、无氧的环境下进行的反应，具有适合处理高含水率生物质、转化时间短、高能源回收率等优点，是处理厨余垃圾最合适的技术。因此，将垃圾焚烧技术与水热液化技术结合起来，对处理高含水率、低热值的垃圾显得十分重要。

目前有关垃圾焚烧的研究主要集中在对燃烧过程中污染物的处理/燃烧炉的改进，例如贺长江等人的公开号为cn107191941a的一种降低焚烧烟气污染物的生活垃圾焚烧处理工艺和系统和徐辰阳等人的公开号为cn107166406a的一种垃圾焚烧炉两个专利，这些专利都是针对传统的处理含水率较低的固体垃圾的燃烧过程的改进，并未涉及到对高含水率/低热值的垃圾处理方法。水热液化处理厨余垃圾的研究主要集中在进出料及反应过程中技术指标的改进，例如池涌等人的公开号为cn107159679a的一种餐厨垃圾水热液化制取燃料油的方法白秀军等人的公开号为cn106635112a的一种生物质水热液化系统及方法两个专利，这些水热液化技术处理厨余垃圾的专利主要是针对提高原油产量，应用尺度也都是在实验室尺度，并未涉及到与垃圾燃烧发电技术的结合。而目前，国内垃圾的低热值、高含水率的特点使得单纯改进燃烧炉的性能是不能满足国内垃圾处理需求的，此外，由于国内餐厨垃圾体量较大，含水率有高有低，仅仅使用水热液化技术，不仅大大降低垃圾处理效率，还会造成资源浪费，因此，开发一种垃圾焚烧发电与水热液化技术协同处置垃圾的方法，对提高垃圾处理效率，改善高含水率垃圾对社会环境的影响，具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种垃圾焚烧发电与水热液化协同处置垃圾的方法，可实现高含水率垃圾与低含水率垃圾在一个系统中同时处理，可处理含水率在80％以上的垃圾，解决高含水率垃圾燃烧困难、燃烧过程不稳定、对燃烧炉损害大的问题，进一步提高垃圾处理与发电效率，实现资源最大化的循环利用。

本发明提供的垃圾处理的方法，包括：对低含水率垃圾进行焚烧处理；和/或，

对高含水率垃圾进行水热液化反应。

上述方法中，所述低含水率垃圾为非高湿城市生活垃圾；

所述低含水率垃圾的含水率为10％～50％，且不包括50％；

所述高含水率垃圾为高湿城市生活垃圾；

所述高含水率垃圾的含水率为50％～90％，且包括50％。

所述水热液化反应是以水为溶剂，通过加压加热使生物质热分解得到液态产物(油)的过程。该反应具有操作简单、原料来源广、转化率高、能量利用率高、产物清洁等特点。

对低含水率垃圾进行垃圾处理的方法还包括：

在所述焚烧处理前先将所述低含水率垃圾经放置渗出渗沥液；和/或，

所述焚烧处理产生的高温烟气经能量回收产生高温蒸汽；

对高含水率垃圾进行垃圾处理的方法还包括：

在所述水热液化反应步骤之前，调节所述高含水率垃圾的含水率；和/或，

将所述焚烧处理后产生的部分高温蒸汽为所述水热液化反应提供能量；另一部分所述高温蒸汽经汽轮机进行发电；所述水热液化反应过程产生的原油作为所述焚烧处理所用燃料。

具体的，所述渗出渗沥液后，低含水率垃圾中的含水率为30％以下；

所述调节所述高含水率垃圾的含水率的步骤中，调节至含水率为80％～95％；

水、所述渗沥液和所述水热液化反应产生的水相产物均可作为调节所述高含水率垃圾的含水率所用稀释液。

所述焚烧处理中，焚烧温度为850-1000℃；时间为1h以上；

所述水热液化反应步骤中包括：将所述高含水率垃圾加压到100～150atm；

所述对高含水率垃圾进行水热液化反应步骤还包括：在所述水热液化反应之前，将反应体系先经过热交换器进行热交换；

所述热交换器的温度为100℃～150℃；

所述主反应器的温度为260℃～350℃；

反应时间为10～45分钟；

所述水热液化反应后的产物返回至所述热交换器中降温至80～100℃；具体为80℃，该步骤是通过降温的方式降低压强，在打开反应釜时保证安全避免发生爆炸。之后经由泄压阀排至产品分离桶。

对低含水率垃圾进行垃圾处理的方法还包括：

将所述焚烧处理后产生的高温烟气进行发电和预热所述焚烧处理所用一次风。

具体的，将所述焚烧处理后产生的高温烟气经过空预器进行处理，部分经过空预器的高温烟气进入余热锅炉，进而产生高温蒸汽发电；经过余热锅炉热交换后的烟气进行烟气净化处理；另一部分经过空预器的高温烟气对所述焚烧处理所用一次风进行预热；

所述烟气净化处理在烟气净化系统中进行；所述烟气净化系统包括依次连通的炉内脱硝装置、脱酸反应器、活性炭喷射装置、袋式除尘器和引风机，通过所述炉内脱硝装置、脱酸反应器、活性炭喷射装置、袋式除尘器后，能够去除烟气中的sox、nox、二恶英等有毒有害物质，然后经所述引风机排入大气；经所述袋式除尘器后，烟气中的飞灰会被收集起来，可进一步的加入螯合剂、水泥等进行螯合反应，待物质稳定后，转运到填埋场进行无害化填埋。

所述焚烧处理产生的炉渣与水热液化反应产生的灰分进行相同的后处理，如制砖、制水泥等。

对高含水率垃圾进行垃圾处理的方法还包括：将所述焚烧处理后产生的部分高温蒸汽进入水热液化主反应器中用于加热主反应器，为所述水热液化反应提供能量；另一部分所述高温蒸汽经汽轮机进行发电；水热液化过程产生的原油作为所述焚烧处理所用燃料；具体地，由主蒸汽管道、阀门和连通所述主反应器的蒸汽支管进入所述主反应器中。

所述高温蒸汽为由所述焚烧处理产生的高温烟气经能量回收而得；

所述经汽轮机进行发电具体为将热能转换为动能引起转子旋转后经发电机发电；

具体的，所述高温烟气的温度为800-1000℃；

所述高温蒸汽的温度为300℃～400℃。

所述水热液化反应产生的气相产物输入至所述烟气净化系统。

本发明提供的垃圾焚烧发电热电联产与水热液化协同处置城市生活垃圾的方法，包括如下步骤：

(1)非高湿城市生活垃圾经放置渗出渗沥液后进入焚烧炉进行焚烧处理；所述焚烧处理产生的高温烟气经能量回收产生高温蒸汽；

(2)高湿城市生活垃圾经调节含水率后进行加压，然后通过热交换器进入主反应器中进行热水解反应；所述热分解反应产生的原油输入至所述焚烧炉中进行燃烧发电；所述高温蒸汽用于加热所述主反应器。

上述方法中，所述非高湿城市生活垃圾为低含水率垃圾；

所述非高湿城市生活垃圾的含水率为10％～50％，且不包括50％；

所述高湿城市生活垃圾为高含水率垃圾；

所述高湿城市生活垃圾的含水率为50％～90％，且包括50％；

所述高温烟气的温度为800-1000℃。

部分量的所述高温蒸汽经汽轮机进行发电，剩余量的所述高温蒸汽进入所述主反应器中。

所述高湿城市生活垃圾经调节至含水率为80％～95％；

将所述高湿城市生活垃圾加压至100～150atm；

所述热交换器的温度为100℃～150℃；

所述主反应器的温度为260℃～350℃；

所述热水解反应的时间为10～45分钟；

所述热水解反应后的体系返回至所述热交换器中降温至80℃。

水、所述渗沥液和所述水热液化反应产生的水相产物作为所述高含水率垃圾的稀释液。

本发明方法实现了在垃圾处理厂内高含水率垃圾与低含水率垃圾在一个系统中的同时处理，具体地具有如下有益效果：

(1)可处理含水率在80％以上、低热值在4000kj/kg以下的垃圾，解决含水率高、热值低的垃圾燃烧困难、燃烧过程不稳定、对燃烧炉损害大的问题。

(2)将水热液化技术镶嵌在垃圾焚烧发电系统中，利用热水解反应产生的原油产物燃烧发电，为水热液化技术的发展拓展了方向；同时，垃圾焚烧过程中焚烧炉内的燃烧物的热值得到了保障，燃烧效率和稳定性得到了提高，产生的蒸汽可为水热液化反应提供必需热量，实现了两种技术的优势互补，降低系统运行和维护的成本，大大提高垃圾处理效率。

(3)虽然垃圾焚烧发电热电联产与水热液化技术是相互结合的，但两种技术彼此之间具有一定的独立性，即水热液化技术不会干扰低含水率的固体垃圾的处理过程，低含水率固体垃圾在燃烧过程中也不会影响水热液化对高含水率垃圾的处理过程。

(4)垃圾焚烧发电与水热液化技术的结合系统可随时控制调整反应条件，保证系统稳定运行。

(5)高含水率的垃圾得到有效处理，大大减少了垃圾焚烧发电厂的渗滤液收集和处理的工作量，减少了渗滤液处理设备的投资，提高了垃圾焚烧发电厂的运行效益。

附图说明

图1为本发明垃圾焚烧发电热电联产与水热液化技术协同处置垃圾的方法的物料流程图。

图2为本发明垃圾焚烧发电热电联产与水热液化技术协同处置垃圾的方法的能量图。

图3为本发明方法中的垃圾焚烧发电热电联产系统能量图。

图4为本发明方法中的水热液化技术系统能量图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

本发明垃圾焚烧发电热电联产与水热液化协同处置垃圾的方法的物料流程图如图1所示，利用本发明方法处理11吨生活垃圾(低含水率垃圾和高含水率垃圾的比例为10：1)，其中低含水率垃圾的含水率为10％～50％，高含水率垃圾的含水率为70％。先将10吨低含水率垃圾卸载到垃圾场内贮藏坑贮藏4到7天，渗出渗沥液，降低含水率后进入焚烧炉焚烧，焚烧炉温度为950℃，经充分燃烧后产生39377.6nm³的950℃高温烟气，高温烟气经管道通过空预器进入余热锅炉，其中空预器中21251.2nm³的高温烟气进入焚烧炉内的一次风进行预热，一次风经预热后从焚烧炉底部注入焚烧炉内与焚烧炉内的垃圾进行燃烧反应。高温烟气在余热锅炉内热交换后，进入烟气净化系统，依次通过脱酸反应器、袋式除尘器后，去除燃气中的sox、nox、二恶英等有毒有害物质后经烟筒排入大气。经袋式除尘器后，烟气中的飞灰会被收集起来，进一步的加入螯合剂、水泥等进行螯合反应，待物质稳定后，转运到填埋场进行无害化填埋。同时，余热锅炉内输出400℃、4mpa的高温高压蒸汽。其中18.39吨的蒸汽到进入汽轮机，将热能转换为动能引起转子旋转后经发电机发电，发电量为3.77mwh。89kg的400℃、4mpa的蒸汽经过管道进入水热液化系统的热交换器与主反应器。

在来自垃圾焚烧热电联产产生的89kg的400℃、4mpa的蒸汽经过管道进入水热液化系统的主反应器之前，1吨高含水率垃圾经由预处理槽绞碎之后，加1吨水或反应水相产物稀释成2吨含水率为85％的原料，之后经由高压泵加压至100～150atm压力后进入水热液化系统的热交换器内，在热交换器中与水热液化产物进行热交换，原料被加温至100～150℃；与此同时，垃圾焚烧发电热电联产产生的高温高压蒸汽(400℃、4mpa)将主反应器加热并维持至300℃。2吨含水率为85％的原料进入热交换器，进入管式连续反应器加热至300℃，原料在管式连续反应器内反应10～45分钟之后，重新回到热交换器中降温至80～100℃。之后经由泄压阀排至产品分离桶，2吨总产物经泄压阀排至产品分离槽，原油转化率为40％，产生原油0.12吨；灰分产品0.03吨，气象产物(主要成分为co2)0.01吨，水相产物1.84吨。其中，原油0.12吨原油经管道直接进入焚烧炉燃烧发电，1吨水相产物和渗沥液循环回到预处理槽，用于稀释原料。

本发明上述方法运行中能量平衡图如图2所示，1吨热值为3000kj/kg、含水率为70％高含水率垃圾总能量为0.83mwh，经预处理槽绞碎之后稀释成2吨，之后利用高压泵以100～150atm的压力，将原料连续加入水热液化过程的热交换管中，并将热交换器加热至100～150℃，此过程高压泵所耗能量为0.025mwh。2吨原料进入热交换器后，进入不锈钢管式连续反应器加热至300℃，热交换器与反应器热损耗为10％，因此需要额外热能0.064mwh来维持主反应器300℃，原料在管内反应10～45分钟之后，重新回到热交换器中降温至80～100℃，产物经泄压阀排至产品分离槽。泄压阀为被动式气压控制泄压阀，不耗能，水热液化系统总计需要外界能量0.089mwh。原油转化率为40％，产生原油0.12吨经管道直接进入焚烧炉燃烧发电，原油热值为21mj/kg，产生可用能量0.70mwh。

与此同时，10吨热值为6000kj/kg、含水率为10％～50％的低含水率垃圾的总能量为16.67mwh，加上0.12吨热值为21mj/kg的原油，减去水热液化系统需要额外热能0.064mwh，进入焚烧炉内的总能量为17.31mwh，焚烧炉温度为1000℃，经充分燃烧后产生的1000℃高温烟气，高温烟气经管道通过空预器进入余热锅炉，空预器中的高温烟气进入焚烧炉内的一次风进行预热，一次风经预热后从焚烧炉底部注入焚烧炉内与焚烧炉内的垃圾进行燃烧反应。经余热锅炉内热交换后，余热锅炉内输出400℃、4mpa的高温高压蒸汽。此垃圾焚烧系统燃烧过程中热损耗为20％，余热锅炉输出能量为13.84mwh。高温高压蒸汽进入汽轮机将热能转换为动能引起转子旋转后经发电机发电，本系统汽轮机效率为27.4％，即3.79mwh，减去水热液化过程中高压泵消耗的电量0.025mwh，剩余3.77mwh全部用于上网电量，包括原油产电量0.13mwh，，低含水率垃圾燃烧产电量3.64mwh，按场内用电20％计算，从而上网电量为2.91mwh。即垃圾焚烧发电热电联产与水热液化技术协同系统的上网电量为3.04mwh，效率较之前提升4.16％。

其中，垃圾焚烧发电热电联产系统能量图如图3所示，水热液化技术系统能量图如图4所示。

表1中统计了干湿垃圾不同比例条件协同系统效率提升值。

表1干湿垃圾不同比例条件协同系统效率提升值

注：wte指的是垃圾焚烧发电热电联产，htl指的是水热液化技术，干湿比例指的低含水率垃圾和高含水率垃圾的比例。

本发明圾焚烧发电热电联产与水热液化协同处置垃圾的方法中的能量表达式如下：

水热液化油相产物热能计算式如下：

mwhoil＝hvoil×poil÷3.6

其中mwhoil为油相产物总热能，单位，mwh；hvoil为油相产物热值，单位，mj/kg，本实施例中为21mj/kg；poil为油相产物产量，单位，吨，本实施例中为0.12吨。

垃圾焚烧发电热电联产产电量的能量表达式为：

mwhout1＝mwhmsw×γ1×γ2×(1-γ3)

其中，mwhout1为上网电量，单位，mwh；mwhmsw为垃圾所含热值，单位，mwh，γ1为焚烧炉效率，本实施例中为80％，γ2为汽轮机效率，本实施例中为27.4％，γ3为场用电效率，本实施例中为20％。

本发明垃圾焚烧发电热电联产与水热液化协同处置垃圾的方法的产电量的能量表达式为：

其中，mwhout2为上网电量，单位，mwh；mwhmsw为垃圾所含总热能，单位，mwh；γ1为焚烧炉效率，本专利记为80％，γ2为汽轮机效率，本专利记为27.4％，γ3为场用电效率，本专利记为20％。为协同处置垃圾焚烧部分给水热液化提供的热能,单位，mwh/t,本专利记为0.064mwh/t。mwhpump为水热液化过程中高压泵消耗的电量,本专利记为0.025mwh/t。a为协同处置中垃圾重量，单位，t。

本发明垃圾焚烧发电热电联产与水热液化协同处置垃圾的方法的效率提升表达式为：

其中，δη为一种垃圾焚烧发电与水热液化协同处置垃圾的方法的效率提升值；mwhout1为单纯的垃圾焚烧发电热电联产系统的上网电量，单位，mwh；mwhout2为垃圾焚烧发电热电联产与水热液化协同处置垃圾系统的上网电量。

本发明圾焚烧发电热电联产与水热液化协同处置垃圾的方法中的物料转化表达式如下：

水热液化物料转化计算式如下：

p＝f×η×(γgas,γoil,γaqu,γash)

其中，p为产物产量，单位，吨；f为原料湿重，单位，吨；η为含固率，本实施例中为30％；γgas为气相产物转化率，本实施例中为3％，γoil为油相产物转化率，本实施例中为40％，γaqu为水相产物转化率，本实施例中为47％，γash为灰份残渣转化率，本实施例中为10％，若有加水稀释调整原料含水率，总水相产物需额外加上所加水量。

一、垃圾焚烧发电热电联产实例

10吨热值为6000kj/kg、含水率为30％的城市生活垃圾经收集转运后到达某生活垃圾焚烧场，垃圾车将10吨生活垃圾卸载到垃圾场内贮藏坑贮藏4到7天，渗出渗沥液，降低含水率后进入焚烧炉焚烧，焚烧炉温度为950℃左右，经充分燃烧后转换为高温烟气，高温烟气经管道通过空预器进入余热锅炉，其中空预器的高温烟气进为一次风进行预热，一次风经预热后从焚烧炉底部注入焚烧炉内与焚烧炉内的生活垃圾进行燃烧反应。余热锅炉之后，热交换后的烟气进入烟气净化系统，依次通过脱酸反应器、袋式除尘器后，可以有效的去除燃气中的sox、nox、二恶英等有毒有害物质，从而经烟筒排入大气，经袋式除尘器后，烟气中的飞灰会被收集起来，从而进一步的加入螯合剂、水泥等进行螯合反应，待物质稳定后，转运到填埋场进行无害化填埋。余热锅炉内输出400℃、4mpa的高温高压蒸汽。高温高压蒸汽经汽轮机将热能转换为动能引起转子旋转后经发电机发电，总发电量为3.77mwh。

二、水热液化技术实例一

1吨规模反应器：将餐厨垃圾经过搅拌机处理并且调整成含水率为80％的原料之后，利用高压泵以102atm的压力、0.72l/min的速度，将原料连续加入热交换管中。在热交换管内，新补充的原料由室温被加热到100～150℃，之后进入不锈钢管式连续反应器加热至300℃，原料在管内反应35分钟之后，经由热水解反应产生近似原油产品，之后重新回到热交换管中降温至80℃。经由泄压阀排至产品分离桶。在分离桶中气相产物自上方联通管排至活性炭桶中除味。由于产物密度不同，油箱产物悬浮于水相产物之上，灰分残渣则沉于桶底，静置约1h可分离三相产物。结果显示原油转化率超过50％，引擎测试结果显示生物原油蒸馏后产物与柴油混合比例为1：4时，产生动力于100％柴油相同且产生较少的空气污染因子。

三、水热液化技术实例二

1吨规模反应器：将废水处理厂污泥经过脱水处理后，再经搅拌机搅碎并且调整成含水率85％的原料，利用高压泵以102atm的压力、0.72l/min的速度，将原料连续加入热交换管中。在热交换管内，新补充的原料由室温被加热到100～150℃，之后进入不锈钢管式连续反应器加热至300℃，原料在管内反应40分钟之后，经由热水解反应产生近似原油产品，之后重新回到热交换管中降温至80℃。经由泄压阀排至产品分离桶。在分离桶中气相产物自上方联通管排至活性炭桶中除味。由于产物密度不同，油箱产物悬浮于水相产物之上，灰分残渣则沉于桶底，静置约1h可分离三相产物。结果显示原油转化率超过40％。

由上述实施例可以看出，本发明方法具有如下优点：

(1)垃圾焚烧发电与水热液化技术实现了有机协同，整个系统循环链完整：垃圾焚烧发电电热联产为水热液化技术提供外部能量，水热液化技术通过这些外部能量将含水率高的湿垃圾转化成原油，进入电热联产过程发电；电热联产过程中的渗滤液和水热液化技术产生的水可回到湿垃圾中作为稀释液；垃圾焚烧发电热电联产过程产生的烟气与水热液化过程产生的气相产物一起进入脱酸反应塔进行处理；垃圾焚烧发电热电联产过程产生的炉渣与水热液化过程产生的灰分产品做同样的后期处理(制砖、制水泥等)。整个过程有效的处理了高湿垃圾以及渗滤液处理的难题。

(2)垃圾焚烧发电热电联产与水热液化技术协同处置垃圾的方法的能量转化过程详细明确，效率提高明显，随着高含水率垃圾与低含水率垃圾的比例提高，产电效率增加明显。