一种生活垃圾和污泥混合处理的系统及方法与流程

本发明涉及一种生活垃圾和污泥混合处理的系统及方法。

背景技术：

传统城市垃圾焚烧技术中，面临着十分严峻的二噁英和重金属污染的治理问题。如何妥善处理焚烧过程产生的二次污染(烟气、飞灰)，是传统垃圾焚烧面临的最大挑战。

污泥焚烧处理减容、减重比大，处理速度快、占用土地面积小等，已受到国内外的普遍认可。但焚烧后会产生二噁英、NO_x、SO₂、重金属等，导致二次空气污染。随着烟气处理技术的发展，其中的大部分空气污染物可以得到很大程度的控制。但是，污泥中的大量重金属元素富集在一些亚微米颗粒中或以气态形式存在于烟气中，不易除去。

生活垃圾堆滤后得到的渗滤液，以及生活污泥常规干化得到的污水中，其中COD和BOD的指标均较高，处理费用高。传统工艺是将其喷淋到垃圾焚烧炉或污泥焚烧炉中，或是将污泥干化后的污水直接通过掺混煤焚烧，上述过程气化成水蒸汽会带走大量的热量。

近年来，城市垃圾和污泥气化熔融新型焚烧技术，可将45℃～700℃时有机成份的气化和1300℃以上无机灰分和焦炭的熔融式燃烧结合起来，因此逐渐受到了国际范围的广泛关注。

现有技术一公开了城市生活垃圾气化熔融系统。生活垃圾在液压推进器作用下，送入气化熔融内的热解通道进行热解，热解产物进入高温反应器内进一步反应。反应后产生的气体产物依次经过水洗塔、精洗塔和活性炭吸附装置。但是，垃圾中水分含量较高，直接送入气化熔融系统中升温需要吸收大量的热，系统能耗较大，需要根据垃圾处理量配备相应的气化熔融炉，增加单炉体积，提高了投资费用。采用水洗的方式直接给高温烟气降温，大量余热未被利用，产生的大量粉尘也一起进入水洗塔，水洗后粉尘进入循环水中，增加污水处理难度。烟气中含有大量的重金属和氮硫污染物，处理难度较大，运行成本高。

现有技术二公开了一种污泥焚烧方法。该方法的特征在于将污泥预处理成干泥，然后将干泥破碎成块料后通过螺旋输送器输送至布料器，从焚烧炉顶部均匀加入焚烧炉中。在炉内，生活污泥依次完成升温、干燥、热解、燃烧等过程。产生的灰渣进入热灰仓中与水进行间接换热后，由螺旋输送器排出。产生的烟气进行二次燃烧，产生的高温烟气先与空气换热后再用水进行冷却，然后通过二级脱硫塔除酸、脱硫、脱NO_X和粉尘等。但是，预处理过程需要脱除大量的水分，采用现有的普通压滤是难以达到的，通常需要采用热处理，消耗大量的热。并且会产生大量的废水和臭气，需要配套大型的污水处理系统和臭气处理系统。直接采用热烟气给污泥加热，导致二次燃烧过程中烟气量增加，后续热量回收和余热利用设备相应增加，投资成本高。部分污泥中存在重金属或是氯苯类物质，很难判定。在焚烧过程中，固体灰渣可作为危废处理，且产生的烟气中可能含有大量重金属，甚至含氯苯类物质，仅采用二级脱硫系统难以满足要求。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种利用旋转床热解炉和熔融反应器联用处理生活垃圾和污泥的系统及方法，该系统易操作，设备运行稳定可靠。处理过程清洁节能，无污染物排放。整个系统热效率高，运行费用低，经济效益明显。

本发明提供了一种生活垃圾和污泥混合处理的系统，包括生活垃圾预处理单元、污泥预处理单元、混合装置、储料坑、上料进料装置、旋转床热解炉、热解油气冷却装置、熔融反应器；

所述混合装置分别与所述生活垃圾预处理单元和所述污泥预处理单元连接，用于将预处理生活垃圾和污泥进行混合，得到混合原料；

所述储料坑用于储存由所述混合装置运送的混合原料；

所述混合原料通过抓斗由所述储料坑送入所述上料进料装置中；

所述旋转床热解炉具有进料口、热解油气出口、含碳残渣出口；所述进料口与所述上料进料装置的出料口连接；

所述旋转床热解炉为环形密封结构，包括设置有红外辐射加热管的红外加热区和设置有蓄热式燃气辐射管的燃气加热区；

所述热解油气冷却装置具有热解油气入口，该热解油气入口与所述旋转床热解炉的热解油气出口连接；

所述熔融反应器具有含碳残渣入口、高温烟气出口、液态渣出口；所述含碳残渣入口与所述旋转床热解炉的含碳残渣出口通过进料螺旋连接。

上述的系统中，还包括激冷槽、余热锅炉；

所述激冷槽具有液态渣入口，该液态渣入口与所述熔融反应器的液态渣出口连接；

所述余热锅炉具有高温烟气入口，该高温烟气入口与所述熔融反应器的高温烟气出口连接。

优选的，所述旋转床热解炉的进料口处设置有匀料器，所述匀料器的出料端与所述红外加热区相通；每两根所述红外辐射加热管之间设置有翻料器；所述熔融反应器中设置有蓄热式旋风燃烧器；所述上料进料装置的下端设置有物料计量器。

上述的系统中，还包括蓄热式换热器，所述蓄热式换热器用于接收由所述余热锅炉送入的低温烟气，所述低温烟气与所述蓄热式换热器中的空气进行换热得到冷却烟气，所述冷却烟气依次送入除尘器、脱硝脱硫装置、活性炭吸附装置、烟囱排烟装置。

上述的系统中，还包括碱洗塔，所述碱洗塔具有冷凝气入口，该冷凝气入口与所述热解油气冷却装置的冷凝气出口连接。

本发明还提供了一种利用上述系统进行生活垃圾和污泥混合处理的方法，包括步骤：

A、生活垃圾和污泥的混合原料在所述储料坑中堆放1～7天之后，由所述抓斗运送至所述上料进料装置中；

B、所述混合原料经由所述上料进料装置送入所述旋转床热解炉中，在所述匀料器的作用下均匀布置在布料板上，并依次通过所述红外加热区、燃气加热区，所述混合原料中的水分和有机挥发分依次被分离，得到含碳残渣和热解油气；

C、所述含碳残渣经由所述进料螺旋送入所述熔融反应器的炉膛内，在其中所述蓄热式旋风燃烧器的作用下，所述含碳残渣液化形成液态渣和高温烟气。

上述生活垃圾和污泥混合处理的方法中，所述A步骤之前还包括：

将生活垃圾送入所述生活垃圾预处理单元中进行处理：

筛选：将生活垃圾运送至孔径为20*80㎜的滚筒筛中，将渣土筛出；和/或

分拣粗破碎：所述滚筒筛中的筛上物经分拣粗破碎，得到粒径≤150㎜的物料；和/或

预磁选：对上述物料进行预磁选，回收其中的黑色金属；和/或

二级破碎：将经预磁选的物料破碎至粒径＜20㎜；和/或

精磁选：经二级破碎的物料进行精磁选，回收其中的小型黑色金属；

将污泥送入所述污泥预处理单元中进行处理：

过滤：过滤掉污泥中粒径＞30㎜的物质；和/或

干燥：将含水率＞50wt％的污泥干燥至含水率为40～50wt％。

上述生活垃圾和污泥混合处理的方法中，所述B步骤中，

所述旋转床热解炉的转速为10～45min/r；

所述布料板上的混合原料厚度为20～50㎜；

所述红外加热区中的红外辐射加热管与所述混合原料上表面的垂直距离为50～100㎜，辐射红外光波长为1～30μm；翻料器下边缘与所述布料板表面的垂直距离为5～10㎜；

所述燃气加热区中的蓄热式燃气辐射管与所述混合原料上表面的垂直距离为50～100㎜，蓄热式燃气辐射管的温度为800～1100℃；

将所述热解油气送入所述热解油气冷却装置、碱洗塔进行冷凝、脱除酸性气体之后，送回所述蓄热式燃气辐射管中燃烧，燃烧后的烟气送入所述烟囱排烟装置中排放。

上述生活垃圾和污泥混合处理的方法中，所述C步骤中，所述含碳残渣占混合原料的百分比为25wt％；

所述熔融反应器的炉膛温度为1300～1500℃。

上述生活垃圾和污泥混合处理的方法中，还包括步骤：将所述液态渣送入所述激冷槽中形成固态玻璃体，并将所述高温烟气送入所述余热锅炉中；在所述余热锅炉中，所述高温烟气温度从1200～1400℃降低至400～550℃，得到低温烟气；

将所述低温烟气送入所述蓄热式换热器中与空气进行换热，所述低温烟气温度由400～550℃降低至＜200℃，所述空气温度升高为300～400℃，并控制所述换热过程的时间≤3s。

传统技术中，采用单独的常规焚烧或是掺烧设备无法实现对生活垃圾和污泥的混合处理。本发明可以同时处理两种不同废弃物，满足废弃物的综合处理要求，有效降低投资和占地面积。并且，本发明采用红外加热得到较为纯净的水分，既可作为系统用水循环使用，也可直接排放到市政污水管网中，直接降低污水处理费用。加热系统产生的烟气不与热解产生的热解油气接触，从而降低了设备投资成本。

本发明净化烟气过程中，烟气中重金属含量均达标，通过脱硝脱硫处理后，可降低后段活性炭的用量。

附图说明

图1为本发明中生活垃圾和污泥混合处理的系统示意图。

图2为本发明实施例利用图1所示的系统混合处理生活垃圾和污泥的方法流程示意图。

附图中的附图标记如下：

1、生活垃圾预处理单元；2、污泥预处理单元；3、混合装置；4、储料坑；5、上料进料装置；6、旋转床热解炉；7、熔融反应器；8、激冷槽；9、余热锅炉；10、蓄热式换热器；11、除尘器；12、脱硝脱硫装置；13、活性炭吸附装置；14、烟囱排烟装置；15、热解油气冷却装置；16、碱洗塔。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明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发明的方案以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，而不是对本发明的限制。

如图1所示，为本发明提供的生活垃圾和污泥混合处理的系统示意图。该系统包括生活垃圾预处理单元1、污泥预处理单元2、混合装置3、储料坑4、上料进料装置5、旋转床热解炉6、熔融反应器7、激冷槽8、余热锅炉9、蓄热式换热器10、除尘器11、脱硝脱硫装置12、活性炭吸附装置13、烟囱排烟装置14、热解油气冷却装置15、碱洗塔16。系统中各装置的连接关系如下：

生活垃圾预处理单元1和污泥预处理单元2分别与混合装置3连接。其中，生活垃圾预处理单元1用于预处理生活垃圾，污泥预处理单元2用于预处理污泥，生活垃圾和污泥经预处理后经出料口运送至混合装置3中混合，得到混合原料。

储料坑4用于储存由混合装置3运送的混合原料，混合原料可通过抓斗运送至上料进料装置5中。

上料进料装置5设置有密封装置，用于将由储料坑4运送的混合原料送入旋转床热解炉6中，具有进料口、出料口。其下端设置有物料计量器，用于计量混合原料的输送速度。

旋转床热解炉6为环形密封结构，炉膛内部设置有布料装置、加热装置及翻料装置。在旋转床热解炉6的进料口端设置有匀料器，可将混合原料均匀布置在旋转床热解炉6的布料板上。

旋转床热解炉6包括红外加热区、燃气加热区。其中，红外加热区与匀料器的出料端相通，其中设置有2～4根红外辐射加热管，红外辐射加热管设置在布料板的上方，每两根红外辐射加热管之间设置有翻料器，用于翻动混合原料，促进水分的挥发。在末根红外辐射加热管至旋转床热解炉6的出料口之间设置有多根蓄热式燃气辐射管，对布料板上的混合原料进一步加热。本发明中，不限制红外辐射加热管和蓄热式燃气辐射管的加热方式和数量。

旋转床热解炉6用于对混合原料进行热解处理，可得到含碳残渣和热解油气。其具有进料口、热解油气出口、含碳残渣出口。其中，进料口与上料进料装置5的出料口连接，热解油气出口设置在旋转床热解炉6的顶部。

熔融反应器7用于将含碳残渣液化得到液态渣和高温烟气，其具有含碳残渣入口、高温烟气出口、液态渣出口，其中，含碳残渣入口与旋转床热解炉6的含碳残渣出口通过进料螺旋连接，进料螺旋设置在熔融反应器7的上端。

本发明实施例中，熔融反应器7的两侧设置有蓄热式旋风燃烧器，为熔融反应器7的炉膛提供热量。

本发明中还可选用高温电熔融炉、等离子体加热反应器，以及其它能使炉膛温度升高到反应所需温度的反应器。

激冷槽8用于接收液态渣，通过急冷过程形成固态玻璃体。其具有液态渣入口、固态玻璃体出口。并且，液态渣入口与熔融反应器7的液态渣出口连接。

余热锅炉9可利用含碳残渣液化过程排出高温烟气的余热，产生水蒸汽。其具有高温烟气入口、低温烟气出口。其中，高温烟气入口与熔融反应器7的高温烟气出口连接。

蓄热式换热器10具有低温烟气入口、冷却烟气出口。用于接收由余热锅炉9送入的低温烟气，低温烟气与蓄热式换热器10中的空气进行换热得到冷却烟气。冷却烟气依次被送入除尘器11、脱硝脱硫装置12、活性炭吸附装置13进行除尘、脱硝脱硫、活性炭吸附净化后，经由烟囱排烟装置14排放。

热解油气冷却装置15具有热解油气入口、冷凝气出口，热解油气入口与旋转床热解炉6的热解油气出口连接。碱洗塔16具有冷凝气入口，该冷凝气入口与热解油气冷却装置15的冷凝气出口连接。

生活垃圾和污泥的混合原料热解过程排出的热解油气依次经热解油气冷却装置15冷却、碱洗塔16脱除酸性气体后，再送回旋转床热解炉6中的蓄热式燃气辐射管中，为混合原料的热解提供热量，燃烧后的烟气经由烟囱排烟装置14达标排放。

如图2所示，为本发明实施例利用图1所示的系统混合处理生活垃圾和污泥的方法流程示意图。包括步骤：

(1)生活垃圾和污泥的预处理

该步骤用于对生活垃圾和污泥进行预处理，最终得到满足旋转床热解炉6进料要求的混合原料，可包括以下一项或多项。

将生活垃圾送入生活垃圾预处理单元1中进行预处理：

筛选：将运来的生活垃圾运送至孔径为20*80㎜的滚筒筛中，在滚筒筛滚动的作用下，筛选出其中的渣土。

分拣粗破碎：经滚筒筛筛选后的筛上物，全部送入分拣破碎机中进行分拣破碎，除去其中的石块和玻璃块，并同时将生活垃圾中的大型物块破碎至粒径≤150㎜的物料。

预磁选：通过磁选装置对物料进行预磁选，回收其中的黑色金属。

二级破碎：上述经破碎的物料根据压块的要求作进一步的破碎，破碎为粒径＜20㎜的料块；

精磁选：上述经二级破碎的物料进行精磁选，回收其中的小型黑色金属。

将污泥送入污泥预处理单元2中进行预处理：

过滤：运来的污泥通过柱塞泵打入输送管道中，在管道出口安装有过滤网，可过滤掉污泥中粒径＞30㎜的石块或其他杂质料。

干燥脱水：本发明中可选用压滤机或其他干燥设备，将含水率＞50wt％的污泥干燥脱水至含水率为40～50wt％，干燥后的污泥送入下游工序中。

经上述一个或多个步骤处理后，即得到满足旋转床热解炉6进料要求的混合原料。

(2)混合原料的储存和输送

将得到的经预处理的混合原料运送至储料坑4堆放1～7天。然后，通过抓斗将储料坑4中的混合原料送至上料进料装置5中。通过控制上料进料装置5下端的物料计量器，可调整进料速度，从而控制旋转床热解炉6中混合原料的布料厚度。

(3)混合原料的热解处理

将混合原料通过带有密封装置的上料进料装置5送入旋转床热解炉6中。进料口处设置的匀料器将混合原料均匀布置在布料板上。混合原料在布料板上随旋转床热解炉6的旋转依次通过红外加热区、燃气加热区，最终可得到含碳残渣。

其中，料板上的混合原料厚度为20～50㎜。旋转床热解炉6的转速设置为10～45min/r。

在红外加热区中，红外辐射加热管与布料板上混合原料上表面的垂直距离为50～100㎜。翻料器下边缘与布料板表面的垂直距离为5～10㎜，用于混合原料的翻动，促进下层混合原料升温后水分的挥发。

辐射红外光波长为1～30μm，该波长红外光频率与混合原料中水分子的波长固有频率相等，从而可快速被水吸收，水分温度得以快速升高。并且，由于红外线的热量传递不需要中间介质，可以直接透入到物体内部，实现布料板表层和内层混合原料的水分温度同时升高。

红外辐射可比对流换热提供高达70多倍的热流密度。因此，在旋转床热解炉6的进料口端增设红外辐射加热管，可大大降低热解过程中的能耗，同时缩短热解时间，提高旋转床热解炉6的处理能力。

在燃气加热区中，蓄热式燃气辐射管与布料板上混合原料上表面的垂直距离为50～100㎜，蓄热式燃气辐射管的温度为800～1100℃，进一步为旋转床热解炉6提供热量。

在旋转床热解炉6中，整个热解过程采用了辐射加热的方式。由于辐射能与辐射距离成反比，且需要避免混合原料与辐射管接触，造成设备运转异常，因此，优选辐射管(即为红外辐射加热管和蓄热式燃气辐射管)距离混合原料上表面的垂直距离控制在50～100mm。

混合原料经过红外加热区和燃气加热区的热解处理后，其中的水分和有机挥发分依次被分离，得到含碳残渣和热解油气。

热解油气依次送入热解油气冷却装置15、碱洗塔16中，经冷凝、脱除酸性气体后的燃气，再送回旋转床热解炉6中，通入蓄热式燃气辐射管中燃烧，为旋转床热解炉6提供热量，燃烧后的烟气经烟囱排烟装置14达标排放。

(4)熔融反应

上述步骤得到的含碳残渣从旋转床热解炉6的出料螺旋送出，然后经由进料螺旋从熔融反应器7的上部送入。其中的蓄热式旋风燃烧器为整个炉膛提供热量，炉膛温度为1300～1500℃，含碳残渣液化形成液态渣和高温烟气。液态渣送入激冷槽8中，通过急冷处理，得到固态玻璃体，重金属得到有效固化，形成无毒产物。

其中，含碳残渣占混合原料的百分比为25wt％，与一步法熔融处理生活垃圾或是污泥相比，大大降低了熔融反应器7的体积和能耗。

本步骤中，含碳残渣中固有的含氯苯类剧毒物质(包括二噁英)，在熔融反应器7内发生裂解反应，绝大部分裂解为无毒组分。

(5)烟气的回收利用

余热锅炉9直接接收上述步骤产生的高温烟气，利用高温烟气的热量可产生水蒸汽。高温烟气的温度从1200～1400℃降低至400～550℃，得到低温烟气。

然后，将低温烟气送入蓄热式换热器10中与空气进行换热。通过旋转式换热器，低温烟气的温度在3s内从400～550℃降低至＜200℃，有效避免含氯苯类剧毒物质(包括二噁英)的重新合成。同时，空气被预热至300～400℃，可作为熔融反应器4中蓄热式旋风燃烧器所需助燃气使用，有效提高整个过程的热利用率。

冷却烟气由蓄热式换热器10排出后，依次被送入除尘器11、脱硝脱硫装置12、活性炭吸附装置13进行除尘、脱除氮氧化物和硫化物、吸附净化后，达到污染物零排放，然后经由烟囱排烟装置14排放。

实施例1

由北京昌平提供30t生活垃圾，进行破碎、筛选和磁选处理；由北排提供12t生活污泥，烘干脱水至含水率为45wt％，经预处理的生活垃圾和污泥在混合装置中混合，得到的混合原料送入储料坑。然后，通过抓斗将储料坑中的混合原料送至上料进料装置。

混合原料经由带有密封装置的上料进料装置进入旋转床热解炉中。在匀料器的作用下，混合原料均匀布置在布料板上，布料厚度为30±5mm。

混合原料随着布料板旋转，依次经过红外加热区和燃气加热区，旋转床热解炉的转速为35±5min/r。辐射管与混合原料上表面的垂直距离为50mm。辐射红外光波长为1～25μm，混合原料中的水分温度快速升高，表层的水分快速挥发并随设置在旋转床热解炉顶部的导出管引出。

然后，混合原料进入燃气加热区。此时，其中90wt％以上的水分已挥发。蓄热式燃气辐射管的温度为850±50℃，混合原料温度继续升高，有机挥发分和残留水分得以挥发。红外加热区和燃气加热区导出的气体产物分别冷却回收。生成的含碳残渣通过进料螺旋从熔融反应器上端送入炉膛内部，其中的蓄热式旋风燃烧器为整个炉膛提供热量。在1350±50℃高温下，含碳残渣液化形成液态渣，通过激冷槽急冷后形成固态玻璃体物质。

熔融反应器燃烧生成的高温烟气通入余热锅炉中产蒸汽使用。高温烟气温度降至550±20℃后，进入蓄热式换热器中与冷空气直接换热，在3秒内温度降至200℃以下，空气被预热到350±20℃。冷却后的烟气通过进一步除尘、脱硝、脱硫及活性炭吸附后通过烟囱排烟装置排放。

本实施例中，42t生活垃圾和污泥的混合原料经处理后可获得18t水、筛选出5.0t土和7.8t固态玻璃体物质。

实施例2

本实施例采用与实施例1相同的系统和方法。其中，混合原料在布料板上的布料厚度为15±5mm；控制旋转床热解炉的转速为12±2min/r；辐射管与混合原料上表面的垂直距离为70mm；辐射红外光波长为1～30μm；蓄热式燃气辐射管的温度为900±70℃；熔融反应器的炉膛温度为1400±50℃。

熔融反应器燃烧生成的高温烟气通入余热锅炉中产蒸汽使用。高温烟气温度降至380±20℃后，进入蓄热式换热器中与冷空气直接换热，在3秒内温度降至200℃以下，空气被预热到280±20℃。冷却后的烟气通过进一步除尘、脱硝、脱硫及活性炭吸附后通过烟囱排烟装置排放。

本实施例中，42t生活垃圾和污泥的混合原料经处理后可获得17t水、筛选出5.4t土和7.4t固态玻璃体物质。

实施例3

本实施例采用与实施例1相同的系统和方法。其中，混合原料在布料板上的布料厚度为45±5mm；控制旋转床热解炉的转速为40±5min/r；辐射管与混合原料上表面的垂直距离为100mm；辐射红外光波长为1～30μm；蓄热式燃气辐射管的温度为1050±50℃；熔融反应器的炉膛温度为1450±50℃。

熔融反应器燃烧生成的高温烟气通入余热锅炉中产蒸汽使用。高温烟气温度降至500±10℃后，进入蓄热式换热器中与冷空气直接换热，在3秒内温度降至200℃以下，空气被预热到350±50℃。冷却后的烟气通过进一步除尘、脱硝、脱硫及活性炭吸附后通过烟囱排烟装置排放。

本实施例中，42t生活垃圾和污泥的混合原料经处理后可获得17t水、筛选出4.8t土和7.5t固态玻璃体物质。

本发明所述工艺方法可长期平稳操作，设备故障率极低。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。